УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА АТОМОВ В ВАКУУМЕ Российский патент 1996 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения интенсивностей потока атомов различных газов в вакууме.

Известно устройство для измерения интенсивности потока газа, представляющее собой манометр с малым рабочим объемом [1]
Работа этого устройства происходит следующим образом. Измеряемый поток газа направляют в рабочий объем через узкий и длинный канал. По изменению давления в рабочем объеме определяют интенсивность потока газа.

Недостатком данного устройства является тот факт, что с его помощью можно измерить суммарную интенсивность потока атомов и молекул газа и невозможно измерить интенсивность потока атомов газа при наличии в нем примеси многоатомных молекул того же газа.

От этого недостатка свободно принятое в данной заявке за прототип устройство для измерения интенсивности потока атомов газа, содержащее коллектор измеряемого потока газа и соединенный с ним измеритель температуры, например термопару [3]
Работа этого устройства происходит следующим образом. Измеряемый поток газа направляют на коллектор, на котором происходит рекомбинация атомов этого газа с выделением энергии, равной энергии связи атомов в молекуле. Выделяемая энергия нагревает коллектор и измеряется с помощью соединенного с ним измерителя температуры. Недостатками данного устройства являются его инерционность, связанная с малой скоростью передачи тепла, и невысокая чувствительность, ограниченная чувствительностью измерителей количества тепла, поступающего на коллектор.

Целью изобретения является повышение чувствительности и быстродействия устройства для измерений интенсивности потока атомов газа в вакууме.

Указанная цель в устройстве для измерения потока атомов газа в вакууме, содержащем коллектор измеряемого потока газа, достигается тем, что в него введены фотодетектор с преобразователем излучения с длиной волны, соответствующей энергии, выделяемой при рекомбинации атомов измеряемого газа, и система для сбора излучения с коллектора на детектор, а коллектор выполнен с зеркальной поверхностью.

Авторы не обнаружили в других технических решениях признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа. Поэтому можно сделать вывод, что предлагаемое решение обладает существенными отличиями.

Предлагаемое устройство позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении чувствительности и быстродействия устройства для измерения интенсивности потока атомов газа в вакууме.

Предлагаемое устройство иллюстрируется примером его практической реализации, схема которого приведена на фиг.1.

Устройство состоит из коллектора 1 в виде металлического диска, поверхность 2 которого со стороны атомного пучка отполирована, так что она образует зеркало. Коллектор помещен в торце цилиндрического зеркала 3, являющегося в данном примере системой сбора излучения с коллектора на фотодетектор. В боковой стенке зеркала 3 сделано отверстие 4 для пролета измеряемого потока газа. Со стороны другого торца цилиндрического зеркала расположен фотодетектор излучения, состоящий из фотоумножителя 5 и расположенного на его входе слоя салицилата натрия 6. Коллектор 1, цилиндрическое зеркало 3, преобразователь спектра 6 и источник 7 измеряемого потока газа расположены в вакуумной камере 8.

Работа устройства происходит следующим образом. Измеряемый поток газа 9 из источника 7 через отверстие 4 поступает на внутреннюю поверхность 2 коллектора 1. На коллекторе происходит рекомбинация атомов газа с образованием молекул. При каждом акте рекомбинации происходит излучение фотона с энергией, равной энергии связи атомов в молекуле. Образовавшиеся фотоны разлетаются во всех направлениях. Попадая на зеркальные поверхности коллектора 2 и цилиндрического зеркала 3, фотоны отражаются и в конце концов попадают на фотодетектор излучения, состоящий из фотоумножителя 5 и слоя салицилата натрия 6. Поскольку длина волны излучения при рекомбинации атомов большинства газов находится в области вакуумного ультрафиолета, то это излучение не может непосредственно регистрироваться фотоумножителем. Для преобразования излучения из области вакуумного ультрафиолета в видимую область спектра, в которой фотоумножители обладают высокой чувствительностью, и используется слой салицилата натрия. Таким образом, фотоумножитель со слоем салицилата натрия измеряет интенсивность потока фотонов, образовавшихся при рекомбинации атомов газа. Интенсивность потока атомов газа по результатам этих измерений можно определить по следующей формуле:
(1)
где скорость счета фотоумножителя, сек^-1,
K₁ вероятность рекомбинации атомов на коллекторе,
K₂ отношение числа фотонов, попавших на силицилат натрия, к полному числу образовавшихся при рекомбинации фотонов, K₃ - относительный квантовый выход салицилата натрия, К₄ квантовая чувствительность фотокатода. К₅ коэффициент, учитывающий поглощение излучения образовавшимися при рекомбинации молекулами, K₅= 1-nδl n плотность молекул, м^-3, σ сечение поглощения фотонов молекулами, м², l длина пути, на котором происходит поглощение фотонов, м.

Для повышения эффективности рекомбинации коллектор целесообразно выполнять из материала с высоким коэффициентом рекомбинации. Часть атомов, которые не рекомбинировали на коллекторе 1, попадая на поверхность цилиндрического зеркала 3, будут рекомбинировать на нем; образовавшиеся при этом фотоны, отражаясь от зеркальной поверхности, попадают на фотодетектор.

Описанное устройство позволяет измерять интенсивность потока атомов в газе, содержащем как атомы, так и молекулы, поскольку регистрируемые фотодетектором 5, 6 фотоны образуются только при рекомбинации атомов газа. Поэтому данное устройство не будет регистрировать имеющиеся в потоке газа молекулы.

Предлагаемое устройство обладает высокой чувствительностью и быстродействием, что связано с возможностью использования для регистрации излучения приборов с высокой чувствительностью и быстродействием, например, фотоумножителем, а также с возможностью использования материала коллектора с высоким коэффициентом рекомбинации и высокой эффективностью преобразования излучения салицилата натрия 6. Например, при измерении интенсивности потока атомов водорода с помощью коллектора из вольфрама коэффициент рекомбинации атомов водорода составляет К₁=0,3 1 [1] Коэффициент отражения от поверхности вольфрама образующихся при рекомбинации атомов водорода фотонов с длиной волны составляет величину не менее 30% [2] Принимая среднее число отражений фотонов от зеркальных поверхностей до их попадания на фотодетектор равным 5, получим коэффициент сбора на фотодетектор образовавшихся фотонов К₂= 10^-2. Эффективность преобразования излучения салицилата натрия составляет, как известно, K₃=0,1 [3] а квантовая чувствительность катодов фотоумножителей К₄=0,01 0,1. Коэффициент К₅ обычно близок к 1. Например, при потоке 10¹⁷ атомов/сек, при коэффициенте рекомбинации 0,3 n=10¹⁷ м^-3, длине пути, на котором пpоисходит поглощение фотонов l=0,1 м, вероятность поглощения излучения составляет ≈ 10^-3, т.е. К₅=0,999, поскольку сечение поглощения излучения для молекулярных газов σ≈ 10^-19 м² [2]
Сопоставляя эти данные, получим, что в самом худшем случае (коэффициент рекомбинации 0,3, эффективность преобразования спектра 0,1, квантовая чувствительность фотокатода 0,01) каждый акт регистрации излучения фотоумножителем будет происходить при попадании на коллектор 7•10⁵ атомов водорода. Эта величина и составляет чувствительность предлагаемого устройства при регистрации интенсивности потока атомов водорода. Быстродействие предлагаемого устройства определяется быстродействием фотоумножителя, которое, как известно, может составлять несколько наносекунд.

Рассмотренный пример является не единственной возможностью практической реализации предлагаемого устройства. В качестве системы сбора излучения не обязательно должно быть использовано цилиндрическое зеркало, а могут быть использованы зеркала другой конфигурации, либо другие оптические элементы. В качестве преобразователя спектра не обязательно должен использоваться салицилат натрия. Вместо него может быть использован, например, дибифенилоксазол с временем высвечивания ≈1 наносекунды.

Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по сравнению с прототипом. Как показано в приведенном выше примере, с его помощью может быть зарегистрировано 7•10⁵ атомов, попавших на коллектор. Для регистрации же потока атомов водорода с помощью прототипа на коллектор должно попасть не менее атомов, где С теплоемкость материала коллектора, , ΔT минимальное изменение температуры коллектора, которое может быть измерено, m масса коллектора, кг, Δε энергия, выделяемая в одном акте рекомбинации, Дж. Выбирая, например, m=10^-2 кг, ΔT=0,1^°,, получим при измерении потока атомов водорода ((Δε=1,4•10^-18 Дж) с помощью коллектора из вольфрама N= 10¹⁴. Следовательно, чувствительность предлагаемого устройства в рассмотренном примере превышает чувствительность прототипа не менее, чем в 10⁸ раз. Быстродействие прототипа определяется скоростью передачи тепла и измерения температуры и составляет обычно десятки секунд. Быстродействие же предлагаемого устройства определяется быстродействием детекторов светового потока и может достигать нескольких наносекунд.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает существенно более высокой чувствительностью и быстродействием, чем прототип.

Сущность изобретения: устройство содержит фотодетектор с преобразователем излучения с длиной волны, соответствующей энергии, выделяемой при рекомбинации атомов измеряемого газа, и систему для сбора излучения с коллектора на детектор, а коллектор выполнен с зеркальной поверхностью. 1 ил.

Устройство для измерения интенсивности потока газа в вакууме, содержащее коллектор измеряемого потока газа, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и быстродействия, в него введены фотодетектор с преобразователем излучения с длиной волны, соответствующей энергии, выделяемой при рекомбинации атомов измеряемого газа, и система для сбора излучения с коллектора на детектор, а коллектор выполнен с зеркальной поверхностью.