Способ, устройство датчика и система измерений перемещений, основанные на квантовых свойствах атомных пучков Российский патент 2023 года по МПК G01C21/12 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к устройствам измерения кинематических параметров перемещения объектов в пространстве в режиме реального времени.

Настоящее изобретение предназначено для применения на перемещающихся объектах, где необходимо точное знание параметров эволюции объекта.

Предшествующий уровень техники

При патентном поиске прямых аналогов заявляемому изобретению обнаружено не было.

Сущность изобретения и описание чертежей

Способ работы датчика измерений перемещений (ДИП) основан на использовании свойства инерции атомного (молекулярного) пучка [1] и свойств атомных переходов возбужденных атомов [29] с активированным «часовым» переходом. Для удобства описания -разобьем его условно на блоки, контуры и объемы, каждый из которых выполняет определенные функции («декомпозиция» [2]) и в сумме они обеспечивают работу ДИП. На Фиг. 1 показана схема выбранного условного деления ДИП на функциональные блоки, контуры и объемы согласно изобретению.

В реализации ДИП используются ионные пучки [3] для выбора ионов с определенными (заданными) скоростями с целью формирования на их основе в необходимых случаях (выбор для реализации не ионов, а атомов и молекул) монохроматических атомных или молекулярных пучков.

Термины - «атомные (молекулярные) пучки» и «часовой» переход» применяются в атомных часах (атомные стандарты частоты) и означают направленные потоки молекул или атомов, движущихся в вакууме практически без столкновений друг с другом и частицами остаточного газа, кроме того, атомные (молекулярные) пучки подразумевают малые среднеквадратичные отклонения в величинах продольных скоростей частиц пучка от средней величины и близкие к нулю среднеквадратичные отклонения поперечных скоростей частиц. Термин «активированный «часовой переход» - означает, что частица (атом, молекула) переведена в возбужденное короткоживущее квантовое состояние с энергией выше энергии основного состояния и, если на частицу не оказывают внешнего воздействия, то через какое-то время происходит спонтанный переход в основное состояние, при котором излучаются кванты сверхузкой спектральной линии с базовой частотой f_b и относительной шириной спектральной линии Дf_b/f_b<10^-9.

I. Конфигурация устройства на единичном элементе ДИП.

Составными частями элемента устройства ДИП - Фиг. 1 - являются:

колонна (генератор) фокусируемого ионного пучка (ФИП) [4] - (1), с фирменным блоком питания (2);

блок вакуумирования ФИП-колонны (3);

блок терморегулирования ФИП-колонны (4);

блок дистанционного управления ФИП-колонны (5);

несущая оболочка устройства на единичном элементе ДИП - цилиндрическая труба из нержавеющей стали, запаянная с одной стороны, внешний диаметр 1 см, толщина стенки 300 мкм (6);

оболочка пассивной электромагнитной защиты - 5 пар слоев защитных материалов (7); термостатический кожух - набран из пластин шестислойных элементов Пельтье (8);

старт-детектор ДИП с дезонансным синхронным фазовым детектором измерения профиля ионного пучка (9);

компенсатор электрического заряда ионного пучка (10);

активатор «часового» перехода атомного пучка (11);

массив оконечных детекторов на элементах LGAD для регистрации атомов пучка, пиксельного типа считывания (12);

массив оконечных детекторов на элементах SiPM для регистрации фотонов «часового» перехода, пиксельного типа считывания (13);

2-х канальный контур электропитания и контур вакуумирования устройства на единичном элементе ДИП (14);

центр управления, коммуникаций и обработки данных - вычислитель устройства на единичном элементе ДИП (15);

вакуумное уплотнение несущей оболочки устройства на единичном элементе ДИП (16);

рабочий объем устройства на единичном элементе ДИП (17).

Фокусированные ионные пучки.

Ионные пучки получают с помощью ионных источников [5] различных типов. Далее ионы с помощью постоянно приложенной ускоряющей разности потенциалов втягиваются в блок электрической и магнитной фокусировки, который формирует цилиндрический пучок ионов.

Для реализации ДИП используется «фокусируемый ионный пучок» (ФИП; Focusedionbeam (FIB); [4]) в виде одного из нескольких типов серийно выпускаемых ионных колонн типа TomahawkTM фирмы FEI, [6] или изделия фирмы Raith [7], которые обеспечивают получение цилиндрического фокусированного ионного пучка (положительные ионы Н, Li, Be, В, С, Si, Со, Ga, Ge, Au, Bi и др. элементов и веществ) поперечным сечением 1 мкм или меньше, управляемым ускоряющим напряжением до 30 кВ (что перекрывает диапазон энергий ионов 0,01 эВ - 30 кэВ), током до 50 нА (3,125 10¹⁰ ионов/с), разбросом по энергиям 5-10 эВ.

Для наших целей достаточные токи составляют I~1 нА (N~6,25*10⁸ ионов/с) при этом среднее расстояние между ионами в пучке составит ~1,6 нм (~16 диаметров атомов).

Использование атомов (молекул) химических элементов и веществ, таких как цезий, рубидий, метан, талий, кальций, стронций, водород, йод, оксид осмия (VIII), ртуть и других дает дополнительное преимущество, состоящее в возможности применения имеющихся у этих веществ узких спектральных линий (с относительной шириной спектральной линии Δf_b/f_b<10^-9), для квантов активированного перехода атомов (ионов, молекул) из возбужденного энергетического квантового состояния в основное состояние.

Синхронизация работы электронных схем устройства

Стабильность современных кварцевых тактовых генераторов с термостабилизацией достигает 10^-10 с/час [8]. В связи с этим тактирование электронных схем устройства построено по двухступенчатой схеме, состоящей из 100 МГц термостабилизированного генератора и тактируемого этим генератором СВЧ-генератора с частотой 10 ГГц (MG3691C - генератор РЧ и СВЧ сигналов от 2 до 10 ГГц) [9].

Резонансный синхронный фазовый детектор анализа выходного тока ионного пучка в реальном времени выполнен на базе классической схемы синхронного детектора [10]. Входной сигнал f_in(t) (см. фиг. 2) для схемы формируется генератором w~10 ГГц [11] (период колебания 100 пс) с помощью одного из трех выходных волноводов с включенным в него согласованным по фазе резонатором, управляемым емкостным датчиком тока ионного пучка (см Фиг. 3). Два других волновода формируют опорные входные сигналы Acos(wt) и Asin(wt) также согласованные по фазе.

Составными частями обвязки резонансного синхронного фазового детектора анализа выходного тока ионного пучка - Фиг. 3 - являются:

10 ГГц генератор (18);

волноводный сплиттер генератора (19);

выходные волноводы (20);

управляемый резонатор (21);

датчик тока ионного пучка (22);

верхний электрод датчика тока ионного пучка (23);

нижний электрод датчика тока ионного пучка (24);

усилитель дифференциального сигнала датчика тока ионного пучка (25);

схематическое расположение фрагмента ионного пучка (26);

резонансный синхронный фазовый детектор анализа выходного тока ионного пучка (27).

Выходной сигнал f_out(t) непрерывно оцифровывается АЦП с частотой дискретизации 10 ГГц (например - AD9213, 10 GSPS, 12 bit [12]) и персылается по высокоскоростным внутренним коммуникациям (BcBK) в центр управления, коммуникаций и обработки данных (ЦУКОД). Интенсивные скоростные межблочные потоки данных обеспечиваются модулем стандарта 100-гигабитного Ethernet [13] CiscoCFP-100G-SR10.

В результате, мы имеем 12-битный профиль тока (плотности заряда) ионного пучка с частотой дискретизации 10 ГГц (период Т=100 пс) и средним интегральным числом ионов ~100/0,73=137 за период, наряду с тактовым импульсом той же частоты посылки и высокой стабильности, его сопровождающим и, благодаря счету тактовых импульсов, четкую временную привязку всех важных событий в устройстве с разрешением по времени σ_t~10 пс (джиттер тактового импульса). Фиксируется момент времени t_0н начала (старт) прохождения данным (пронумерованным) фрагментом регистраторов фазового детектора. Накопленные данные позволяют восстанавливать 3d-профиль I(x(t), y(t), z(t), t), вычислять время прохождения центров отдельных зарядов (статистически), суммарный заряд. Кроме того, по накопленным данным вычисляется между моментами времени t_0н и t_0н+Т, полярный угол направления движения оси фрагмента пучка, скорость V_з движения центра масс фрагмента.

Компенсация заряда ионов в пучке

Для обеспечения работоспособности прибора создается моноэнергетический пучок нейтральных атомов с поперечным сечением ~1 мкм. Это достигается мягкой нейтрализацией заряда уже полученного с помощью ФИП-источника первичного пучка моноэнергетических ионов с поперечным сечением ~1 мкм.

Для большинства переходов (процесс нейтрализации атомов) ион-атом максимальные значения сечения захвата (σ_захв) электрона находятся в пределах Vопт~0.5-2 Vo (здесь Vо=2.19⋅10⁸ см/с) [14]. При увеличении V, согласно экспериментальным данным для ионов в водороде, в области V=1.5-2 сечения σ_захв для ионов с зарядами i=1-5 уменьшаются пропорционально V^-3. С дальнейшим ростом скорости зависимость этих сечений от V усиливается, и уже в области V>2-3 имеем σ_захв~V^-5.

Таким образом, оптимальная скорость электрона 0.5-2 Vо, а энергия электрона соответствующая этой скорости и, соответственно, энергия электронов на выходе электронной пушки компенсатора заряда составляет Е_е~5-30 эВ.

Аксиально-симметричная электронная пушка компенсатора заряда - Фиг. 4 - выполнена по известной схеме электронной пушки Пирса со сходящимся потоком цилиндрического типа [15]. В конструкции используется эмиттер (низкотемпературный импрегнированный катод с плотностью тока до 10 А/см² [16]) из LaB₆ для создания яркого источника низкоэнергетических электронов с разбросом энергии ~0,3 эВ.

Составными частями схемы в частичном разрезе компенсатора заряда ионного пучка - Фиг. 4 - являются:

кольцевая электронная пушка Пирса (28);

фрагмент ионного пучка - схематическое расположение (29);

фрагмент потока компенсирующих электронов - схематическое расположение (30);

фрагмент пучка нейтральных атомов - схематическое расположение (31);

коллектор электронов компенсатора (32);

электрод сбора остаточных электронов компенсирующего потока (33).

Таким образом, если на входе компенсатора заряда исходный ФИП легких ионов (протонов) был цилиндрическим с диаметром 1 мкм и скоростью ионов 2-3 км/с, то полученный после компенсации заряда пучок нейтральных атомов на детекторе рабочего объема будет иметь диаметр ~0,5 мкм из-за частичной фокусировки поперечным потоком компенсирующих электронов. Компенсация заряда более тяжелых ионов еще в меньшей степени скажется на изменении размеров исходного пучка на детекторе. Остаточные электроны компенсирующего потока собираются на коллекторном электроде компенсатора под действием разности потенциалов в несколько десятков Вольт.

Активация «часового» перехода

Нейтральные атомы (молекулы) полученного моноэнергетического пучка активируются в возбужденное квантовое состояние «часового» перехода, в котором атомы (молекулы) будут излучать фотоны с высоко стабильной базовой частотой f_b при переходе между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями.

Активатор реализован по схеме оптической когерентной накачки [30] (см. фиг. 5) с помощью набора (линейки) диодных лазеров фирмы BWT Beijing LTD [31] перекрывающего спектр видимого света от ближнего ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона.

Составными частями схемы активатора «часового» перехода атомного пучка - Фиг. 5 - являются:

диодный лазер накачки резонатора активатора "часового" перехода атомного пучка (34);

юстируемые крепления оптических элементов (35);

оптика линейного резонатора накачки атомного пучка (36);

зона активации атомов пучка (37);

фрагмент пучка нейтральных атомов в основном квантовом состоянии - схематическое расположение (38);

фрагмент пучка нейтральных атомов с активированным "часовым" переходом - схематическое расположение (39).

Рабочий объем.

Рабочий объем выполнен в виде пустотелого вакуумированного (высокий вакуум порядка 10^-2-10^-3 Па) цилиндра, длиной L~100 см, что соответствует пути свободного движения (по инерции) фрагмента пучка и прямолинейного распространения фотона. Рабочий объем (см. фиг.1) помещен в контур пассивной электромагнитной экранировки (КПЭМЭ), обеспечивающий электромагнитную защиту (остаточный уровень электрического поля не более 0,0001 В/см, магнитного поля не более 10^-6-10^-7 Тл). Кроме того, рабочий объем охвачен контуром термостатирования (КТС, термостабилизация заданной рабочей температуры порядка 10^-2-10^-3 С).

Таким образом, на входе в рабочий объем имеем пучок нейтральных атомов с энергетическими и пространственно-угловыми характеристиками аналогичными начальному ионному пучку (см пункт "Фокусированные ионные пучки."), с 3d-профилем интенсивности синхронизованным ("привязанным") с тактовыми импульсами (частота дискретизации ~10 ГГц, см пункт "Синхронизация работы электронных схем устройства"), полярный угол направления движения оси фрагмента, скорости V_з движения центра масс фрагмента и моментом времени t_0н прохождения данным (пронумерованным) фрагментом регистраторов фазового детектора.

Далее, фрагмент пучка практически моноэнергетических атомов с неизменной заданной скоростью V_з и известными характеристиками свободно по инерции распространяется в рабочем объеме ДИП. При этом атомы каждого фрагмента, попадая в рабочий объем, движутся по инерции с определенной средней скоростью V_з, устанавливаемой ФИП-устройством в диапазоне от ~1 км/с до ~1000 км/с. Для приводимых значений V_з=2,2 км/с время пролета длины L составляет около t_of~450 мкс. что соответствует N_tof=4,5 10⁸/10²0=4,5 10⁶ тактам.

При использовании атомов (молекул) химических элементов и веществ, которые имеют узкие спектральные линии квантов перехода («часовой» переход) атомов (молекул) вещества из возбужденного энергетического квантового состояния в основное состояние, на механическое движение атомов в рабочем объеме будет накладываться независимый спонтанный процесс излучения фотонов с высоко стабильной базовой частотой f_b при переходе между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями.

Массив оконечных LGAD- и SiPM-элементов детектора в рабочем объеме.

Рабочий объем (см. фиг. 1) содержит детекторную часть состоящую из множества элементов, установленных на его внутренней поверхности. LGAD-элементы детектора чувствительны к событиям столкновения атомов пучка с их поверхностью, а SiPM-элементы детектора чувствительны к событиям столкновения (взаимодействия) фотонов "часового" перехода от атомов пучка. Сигнал детектирующего элемента пропорционален, в случае атомов -величине энергии соударения атома с чувствительной поверхностью LGAD-элемента, а в случае фотонов - величине энергии (частоте) фотона.

Атомно-чувствительные элементы детектора реализованы на базе т.н. лавинных диодов с низким коэффициентом усиления (low-gainavalanchediodes LGAD, другое название - resistive silicon detector (RSD)) [17].

Лавинные диоды с низким коэффициентом усиления - это класс кремниевых датчиков с высоким временным разрешением - ~10-30 пс при комнатной температуре. С быстрой электроникой считывания и оцифровывания частота срабатывания достигает ~1 ГГц. Сигнал формируется менее чем за 2 нс. [18]. Лавинный диод представляет собой плоскую слоеную структуру на кремниевой пластине толщиной 100 мкм. На n++ и р++ электроды детектора подается разность потенциалов 100 В. Электроды считывания сигналов пиксельного типа напылены на внешнюю (чувствительную) сторону пластины.

Светочувствительные элементы детектора для фотонов «часового» перехода базовой частоты f_b расположенной в диапазоне от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной части видимого спектра также построены на основе лавинных кремниевых фотодиодов. Каждый элемент интегрирован в сборку, которая имеет пиксельную структуру и выпускается под названияем SiPM (кремниевый фотоумножитель). Использованы SiPM серии R модели microRA фирмы SensL [32].

Атомно-чувствительные элементы занимают центр торцевой части детектора, а фотонно-чувствительные - периферию торцевой части и боковую часть детектора.

Пространственное разрешение детектора по обеим типам датчиков определяется выражением r/(12)^1/2, где r - зазор между электродами (пикселами), в нашем случае выбран зазор равный r=0,5 мкм, откуда σ_r~0,12 мкм.

Алгоритмика получения измеряемых величин.

Любой элемент детектора работает непрерывно, в конвеерном режиме, срабатывая от каждого 10-го (т.е. с частотой ~1 ГГц) импульса тактового генератора. Проинтегрированная за время ~1 нс энергия от фотонов "часового" перехода и соударений атомов пучка с соответствующим элементом детектора регистрируется, оцифровывается [19] и полученная информация по каналам ВсВК поступает в ЦУКОД.

Допплеровское изменение частоты (энергии) электромагнитного кванта при движении источника сигнала (атома пучка) описывается формулой [20] (для простоты приведена плоскостная 2-х мерная формула)

здесь f_b - базовая частота кванта, f - регистрируемая элементом детектора частота кванта, V - скорость источника, приемник считается неподвижным, θ - угол между вектором скорости источника и направлением на приемник, с - скорость света в вакууме. При малых скоростях движения объектов источник-приемник V=V_з<<c=300000 км/с (в нашем случае выполняется) формула упрощается и скорость через частоты f_b, f и угол θ выражается как

V=c(f/f_b-1)/cosθ.

Вычислитель (ЦУКОД) формирует в реальном времени 3d-гистограмму (3-х-мерное распределение) зарегистрированной детектором энергии E(x(t+t_of),y(t+t_of),z(t+t_of)) фотонов, для каждого такта вычислений.

Подставляя основное соотношение квантовой теории излучения фотонов

f=h/E(x(t+t_of),y(t+t_of),z(t+t_of))

в предыдущую формулу, вычисляем скорость V перемещения ДИП.

Далее, на основе кинематического соотношения для свободного движения тела по инерции S=Vt, вычислитель, используя заданные параметры пучка и рабочего объема, т.е. приводимых значений V_з=2,2 км/с время пролета длины L составляет около t_of~450 мкс, восстанавливает пространственно-временную картину попадания свободно движущихся атомов в данном (соответствующем n-ому такту генератора) фрагменте атомного пучка, зафиксированного в устройстве (см пункт "Синхронизации работы электронных схем устройства"), на чувствительную поверхность соответствующих элементов детектора. Восстановленная пространственно-временная (t_i, x_i(t_i), y_i(t_i), z_i(t_i)) картина регистрации атомов знание кинематических и пространственных (t_iон, x_i(t_iон), y_i(t_iон), z_i=0+f_i(ξ_i(t_iон)), здесь f_i(ξ_i(t_iон) - смещение от координаты z_i=0 i-ого атома фрагмента для момента времени t_iон) характеристик каждого атома n-ого фрагмента на момент старта, из условия малости угловой эволюции за такт измерения, в соответствии с тригонометрической формулой

Tg(Δθ_i,Δϕ_i)=(y_i(t_i), z_i(t_i))/L~(Δθ_i,Δϕ_i)

позволяет вычислить приращение полярного угла Δθ_i и азимутального угла Δϕ_i, пройденный путь Δs_i=x_i(t_i)+x_i(Δt_i), где время в течение которого эти приращения получены Δt_i =t_i-t_iон для каждого атома.

Суммирование полученных величин по атомам и фотонам фрагмента пучка или - по атомам и фотонам в заданный период времени, дает возможность получать значения приращений углов, пройденного пути и скорости с высокой точностью. Так погрешность в измерении углов σ_θ,ϕ~7⋅10^-6 град., погрешность в измерении длины пути σ_s~0,12 мкм.

Точности и динамические диапазоны получаемых зависят от выбираемой с помощью ФИП-устройства средней скорости (энергии) ионов V_з, которая может изменятся в диапазоне от ~1 км/с до ~1000 км/с.

Скорость, вычисленная по Допплеровскому сдвигу частот (энергий) для каждого кванта и осредненная для всех детектируемых квантов за период тактового генератора после обработки в ЦУКОД соответствует точности вычисленным значениям, полученным при обработке пучка свободных атомов.

Центр управления, коммуникаций и обработки данных - вычислитель.

Сетевой узел - центр коммуникаций, управления и обработки данных (ЦУКОД) построен на базе графических процессоров с архитектурой NVIDIA GA102 Ampere, которые обеспечивают необходимые функции и производительность [22]. Сетевой узел объединяет все внутренние информационные источники ДИП и, являясь активной точкой доступа (маршрутизатором), обеспечивает выходной поток информации согласованного формата для внешних пользователей. Достаточная пропускная способность линий меж - и внутриблочной связи, а также связи вне устройства - обеспечена высокоскоростными внутренними коммуникациями (ВсВЛ) на базе стандарта 100-Гигабитного Ethernet модулями CiscoCFP-100G-SR10 [23].

Контур активно-пассивной электромагнитной экранировки.

Контур активной электромагнитной экранировки представляет собой набор электрических и магнитных элементов: медных пластин - электродов и магнитных (соленоидальных) катушек - дипольных магнитов. Элементы подключены к контуру электропитания всех рабочих блоков ДИП, управляются ЦУКОД и служат для компенсации внутренних помеховых меж - и внутриблочных электромагнитных полей устройства.

Контур пассивной электромагнитной экранировки представляет собой многослойный кожух закрепленный на каркасе устройства. Отдельные слои склеиваются между собой. Слои набираются из двух типов материалов. Первый тип - с высокой электрической проводимостью на основе меди, второй тип - с высокой магнитной проницаемостью на основе сплава никель-молибден-железо. Электромагнитный экран набирается из пяти пар слоев. Пара состоит из склеенных пленок или тонких листов каждого типа.

В качестве первого типа выбрана пленка из экранирующего материала НК-97, толщина материала: 0,21 мм [24]. Коэффициент экранирования на высоких, сверхвысоких, ультравысоких частотах составляет -70 dB или лучше.

В качестве второго типа выбирается листы т.н. Мю-металла. Технические характеристики: ASTM А-753 Alloy 4, MIL N-14411C Composition [25]. Мю-металл - это 80% никеля, 4,5% молибдена, остальное железо в виде мягкого ферромагнитного сплава. Магнитная проницаемость Mumax: 350000-500000; Индукция насыщения: 0,76 Тл; Коэрцитивная сила: 0,6 А/м;

Уровень м-проницаемости для данного материала в сотни раз превосходит подобный показатель для обычной стали.

Кожух описанной конструкции обеспечивает требуемую защиту от внешних электромагнитных полей в широком диапазоне интенсивностей и частот от сотен ГГц вплоть до постоянных электрических и магнитных полей на уровне по электрическому полю не более 0,0001 В/см, по магнитному полю не более 10^-6-10^-7 Тл.

Вакуумный контур устройства.

Контур вакуумирования охватывает весь внутренний объем устройства, сопрягается с вакуумированным переходным объемом ФИП и обеспечивает высокий вакуум порядка 10^-2-10^-3 Па в рабочем объеме и полостях транспортировки ионного и, затем, атомного пучка устройства. Высокая производительность контура вакуумирования обеспечивается системой откачки типа ERSTEVAK MT-Turbo D, собраной полностью на безмасляных средствах откачки (турбомолекулярный насос (65 л/с), мембранный форвакуумный насос) [26].

Контур термостатирования

Контур термостатирования, охватывающий все основные тепловыделяющие узлы устройства - ФИП, электронные схемы считывания, верхний и нижний электроды синхронизатора, электроды компенсатора заряда и детекторные элементы рабочего объема. Основная часть термопотоков колонны ФИП регулируется собственной (фирменной) системой. Тонкую термостабилизацию ФИП посредством управляемого принудительного воздушного охлаждения обеспечивает сопряжение ее с контуром термостатирования устройства. Электронные схемы расположенные вне вакуумированного объема также охлаждаются принудительно посредством управляемого воздушного потока. Термоактивные элементы конструкции, расположенные в вакуумированной части устройства - электронные схемы считывания, верхний и нижний электроды синхронизатора, электроды компенсатора заряда и детекторные элементы рабочего объема - охлаждаются шестислойными модулями типа Пельтье ТЕС6-60506 (62×23 мм, dT~100°С, W_cool~10 Вт) [27]. Корпусная часть рабочего объема также охвачена контуром термостабилизации с шестислойными модулями Пельтье.

Контур термостатирования замыкается термодатчиками обратной связи и управляется ЦУКОД. Режим стабилизации рабочей температуры поддерживается на уровне среднеквадратичного отклонения 10^-2-10^-3 град.С.

Контур электропитания ДИП.

Контур электропитания ДИП-устройства 2-х канальный.

Первый - силовой канал - состоит из промышленного 10-кВт дистанционно управляемого стабилизатора напряжения Штиль ИнСтаб IS1110RT [28] - инверторный стабилизатор напряжения обеспечивающий максимальную защиту по напряжению с коррекцией некачественной синусоиды, выходное напряжение - 220 В±2% и собственных блоков питания контура вакуумирования и ФИП-колонны.

Второй - канал питания слаботочных схем управления транспортировкой пучка, синхронизации и детекторов рабочего объема состоит из промышленного 10-кВт дистанционно управляемого стабилизатора напряжения Штиль ИнСтаб IS1110RT с подключенными дистанционно управляемыми блоками стабилизированного питания типа АКИП-1108А-130-3. Блок питания ЦУКОД также подключен к стабилизатору напряжения 2-го канала.

II. Система измерений на основе трех элементов ДИП.

Схема системы измерений, представленная на Фиг. 6, собрана из 3-х жестко скрепленных между собой и ориентированных взаимно перпендикулярно идентичных (одинаковых) элементов ДИП описанных в разделе I.

Составными частями функциональной схемы системы измерений перемещений - Фиг. 6 - являются:

Устройство-1 на единичном элементе ДИП (40).

Устройство-2 на единичном элементе ДИП (41).

Устройство-3 на единичном элементе ДИП (42).

Дополнительный канал питания устройства системы измерений перемещений (43).

Дополнительные общий тактовый генератор и общий ЦУКОД устройства системы измерений перемещений (44).

Составные части системы измерений перемещений (СИП) синхронизованы с помощью дополнительного общего тактового генератора (ОТГ) и управляются с помощью общего ЦУКОД (ОЦУКОД). ОТГ и ОЦУКОД собраны из элементов, аналогичных описанным в соответствующих секциях раздела I. Дополнительный канал питания состоит из промышленного 10-кВт дистанционно управляемого стабилизатора напряжения Штиль ИнСтаб IS1110RT с подключенными к нему собственными блоками питания ОЦУКОД и дистанционно управляемым блоком стабилизированного питания АКИП-1108А-130-3 для ОТГ.

Совмещение через преобразования систем отсчета и координат в единую систему координат (с помощью обработки данных в ОЦУКОД) связанную с СИП, получаемых величин по 3-м независимым идентичным ортогонально ориентированным друг относительно друга плечам устройства СИП дает возможность прослеживать зависимость в реальном времени всех пространственно-временных перемещений Δθ(t), Δϕ(t), Δs(t), устройства СИП или объекта жестко механически с ним связанного. При этом погрешность измерения углов σ_θ,ϕ~7⋅10^-6 град., погрешность измерения длины пути σ_s~0,12 мкм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физическая энциклопедия т. 3, статья «Молекулярные и атомные пучки», Москва, Научное изд-во «Большая Российская энциклопедия, 1992 г.

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Декомпозиция

3. Физическая энциклопедия т. 2. статья «Ионный пучок». Москва. «Советская энциклопедия. 1990 г.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фокусируемый_ионый_пучок

5. Физическая энциклопедия т. 2, статья «Ионный источник», Москва, «Советская энциклопедия, 1990 г.

6. https://fei.com

7. https://www.raith.com/

8. В. Кочемасов, Е. Хасьянова "Термостатированные кварцевые автогенераторы" Компоненты и технологии, №1, 2018, стр. 46.

http://www.radiocomp.ru/joom/images/storage/docs/articles/12_2018.pdf

9. https://www.etalonpribor.ru/catalog/generatori_signalov_vch/product/MG3691C_-_generator_Rch_i_SVCh_signalov_ot_2_do_10_Ggts/

10. Физическая энциклопедия, том 4, статья "Синхронный детектор", стр. 529, Гл. Редактор A.M. Прохоров, Москва, Научное издательство, "Большая Российская энциклопедия", 1994.

11. http://terascan.ru/teragercovyve-generatory

12. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9213.pdf

13. https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/interfaces-modules/transceiver-modules/data_sheet_c78-633027.html

14. http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/r_116_1539.pdf

И.С. Дмитриев, Я.А. Теплова, Ю.А. Файнберг ЖЭТФ, 1999, 116, вып. 5(11)

15. Алямовский И.В.Электронные пучки и электронные пушки. Советское радио, 1966.

16. http://www.gycom.ru/products/katod.htm

17. Дизайн LGAD для трекеров будущих частиц Н. Картилья, Р. Арчидиаконо, Г. Борги, М. Боскарден, М. Коста, 31 марта 2020 г., 17 страниц, Опубликовано: Nucl.Instrum.Meth.A 979 (2020) 164383, DOI: 10.1016 / j.nima.2020.164383

18. https://www.bnl.gov/instrumentation/case/low-gain-avalanche-diodes.php

19. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9213.pdf

20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.Теория поля. Издание 8-е, стереотипное. Физматлит, 2001.

21. https://ru.wikipedia.org/wiki/Критерий_хи-квадрат

22. https://www.nvidia.com/ru-ru/data-center/nvidia-ampere-gpu-architecture/

23. https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/interfaces-modules/transceiver-modules/data_sheet_c78-633027.html

24. https://shielding.su

25. http://mumetal.co.uk

26. https://erstvak.com/catalog/vakuumnaya-sistema-ustanovka/vysokovakuumnaja-otkachnaja-sistema/

27. https://www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules

28. https://energo-msk.ru/

29. https://ru.wikipedia.org/wiki/Атомные_часы

30. https://ru.wikipedia.org/wiki/Накачка_лазеров#Оптическая_накачка

31. http://www.bwt-laser.com/

32. www.sensl.com; https://www.onsemi.com/products/sensors/silicon-photomultipliers-sipm/

Изобретение относится к устройствам измерения кинематических параметров перемещения объектов в пространстве в режиме реального времени. Процесс измерения перемещений основан на формировании монохроматического атомного пучка с заданной средней скоростью и заданным направлением движения, на основе фокусируемого ионного пучка (ФИП), регистрации стартового момента времени начала фрагмента пучка и координат пространственного начала фрагмента пучка, детектировании частиц пучка, долетевших до чувствительных элементов детектора, с регистрацией времени прихода тьехмерного координатного профиля, восстановления в вычислителе пространственно-временной эволюции пучка от известных стартовых характеристик каждого фрагмента до момента регистрации элементами детектора после прохождения рабочего объема с вычислением приращения полярного угла, азимутального и пройденного пути за время, в течение которого эти приращения получены, что позволяет прослеживать зависимость в реальном времени всех пространственно-временных перемещений устройства или объекта, жестко механически с ним связанного. Технический результат – повышение точности измерений в реальном времени всех пространственно-временных перемещений. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения перемещений объектов в пространстве основан на формировании монохроматического пучка частиц с интенсивностью от 10⁵ до 10¹⁰ частиц/секунду с заданной средней скоростью в диапазоне от ~1 км/с до ~1000 км/с и заданным направлением движения внутри него, на основе фокусируемого ионного пучка (ФИП) с током в диапазоне 1 пА - 50 нА, поперечным сечением не более 1 мкм, энергией в диапазоне 0,01 эВ - 30 кэВ с разбросом 5-10 эВ, регистрации стартового момента времени t₀ - начала фрагмента пучка по приходу тактового импульса, интегральной интенсивности за период тактового генератора 100 пс и координат х₀, у₀, z₀, пространственного начала фрагмента пучка, использовании химических элементов и веществ с относительной шириной спектральной линии Δf_b/f_b<10^-9 для формирования пучка частиц и активировании квантового перехода частиц, соответствующего этой узкой спектральной линии, обеспечении условий для движения приготовленного пучка в рабочем объеме при отсутствии других внешних воздействий, и спонтанного излучения фотонов узкой спектральной линии активированного квантового перехода, с базовой частотой f_b, а массивы конечных детекторов регистрируют частоту f каждого фотона, излучаемого частицами пучка, детектировании частиц пучка и фотонов, ими излучаемых, с частотой f узкой спектральной линии активированного квантового перехода, долетевших до чувствительных элементов детектора, с регистрацией времени прихода t_f и трехмерного x_f, y_b, z_f координатного профиля интегральной интенсивности зарегистрированных частиц и фотонов за 10 периодов тактового генератора 1000 пс, восстановлении в вычислителе пространственно-временной эволюции пучка частиц от известных стартовых характеристик каждого фрагмента, тактируемого генератором до момента регистрации элементами детектора 10-ти фрагментов (т.е. с периодом 1000 пс) после прохождения рабочего объема с вычислением приращения полярного угла Δθ, азимутального Δϕ и пройденного пути Δs за время, в течение которого эти приращения получены Δt, с погрешностями измерения за этот период σ_θ,ϕ~7⋅10^-6 град., σ_t~10 пс и σ_s~0,12 мкм.

2. Устройство измерения перемещений объектов в пространстве для осуществления способа по п. 1, характеризующееся тем, что содержит цилиндрическую трубу из нержавеющей стали, запаянную с одного торца, образующую несущую оболочку устройства с рабочим объемом внутри, при этом, несущая оболочка установлена внутри оболочки десятислойной электромагнитной защиты, которая установлена внутри термостатического кожуха; колонну фокусируемого ионного пучка с блоками питания, вакуумирования, термостатирования и дистанционного управления, закрепленную с одной стороны к несущей оболочке; внутри несущей оболочки установлены стартовый детектор с резонансным синхронным фазовым детектором измерения профиля ионного пучка, компенсатор электрического заряда ионного пучка, активатор узкой спектральной линии квантового перехода пучка частиц, к которому примыкает рабочий объем, в котором установлены массивы оконечных детекторов для регистрации частиц пучка пиксельного типа считывания и оконечных детекторов для регистрации фотонов узкой спектральной линии активированного квантового перехода пиксельного типа считывания, при этом элементы подключены к контуру электропитания устройств, рабочих блоков и схем и к центру управления, коммуникаций и обработки данных.

3. Система измерения перемещений объектов в пространстве, включающая устройство по п. 2, характеризующаяся тем, что выполнена из трех жестко скрепленных между собой и ориентированных взаимно перпендикулярно идентичных элементов устройства измерений перемещений, составные части системы синхронизованы с помощью дополнительного общего тактового генератора и управляются с помощью дополнительного общего центра управления, коммуникаций и обработки данных, получаемые величины дают возможность прослеживать зависимость в реальном времени всех пространственно-временных перемещений Δθ(t), Δϕ(t), Δs(t), Δt(t) системы или объекта, жестко механически с ней связанного, непрерывная повторяемость циклов измерения-вычисления-выдачи величин перемещения и последующие операции с ними обеспечивают непрерывность процесса мониторинга движения.