Датчик для регистрации корпускулярного излучения Советский патент 1985 года по МПК G01T1/29 G01T7/00 

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы.

3. Датчик по п. 1,

отличающий с я тем, что в качестве оптического элемента использованы дифракционные решетки.

1. ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРА ЩИ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержа щий помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучкЕ заряженных частиг, источник светового излучения, систему передачи и регистрации светового излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения временного разрешения, чувствительности и точности, преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы прямоугольного сечения с металлизированными торцами, а система передачи светового излучения выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов, установленных с подложкой в виде окисного слоя на диаметрально противоположных поверхностях трубы параллельно оси и изолированных от корпуса , и двух передающих волоконных световодов, сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптическим элементом.

1

Предлагаемое изобретение относится к технической физике, в частности к измерению корпускулярных излучений, и может быть использовано в ускорительной технике, физике высоких энергий и элементарных частиц, физике -сильноточных электронных пучкоЕ для измерения параметров пучков заряженньпс частиц.

Известен датчик для регистрации синхронного излучения, который состоит из фотоэлектронного умножителя канала передачи излучения и схемы регистрации оптического изображения. Синхротронное излучение возникает толь ко при движении электронов по криволинейным траекториям и используется для диагностики пучка в основном на синхротронах и накопительных кольцах Поэтому синхротронный да.тх|ик нельзя использовать для измерений параметров пучка на прямолинейных участках в линейных ускорителях, что является недостатком. Кроме того, недостат;ком датчика является то, что. интенсивность синхротронного излучения ионов при движении по криволинейнь1м траекториям чрезвычайно мала и практически не может быть зарегистрирована современными приборами Cl3.

.. .

Известен также датчик для регистрации параметров пучка на основе получения ондуляторного излучения. Он достаточно чувствителен и обладает высоким временным разрешением Г23 Недостаток датчика ,связай с потерей значительной части пучка в измерительном электромагните, называемом виглером, и внесением возмущений в исследуемый пучок на выходе измерителя, что снижает очность измерений. Кроме того, устройство для получения ондуляторного излучения имеет большие размеры и поэтому не может использоваться для измерений

в процессе формирования, что также является недостатком датчика.

Наиболее близким.к изобретению является магнитооптический датчик для регистрации корпускулярного излучения, например, параметров пучка заряженных, частиц, содержащий помещеный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучка заряженных частиц, источник светового излучения, систему передачи и регистрации светового .излучения f3.

Недостатком устройства является его сравнительно большая инерционность из-за медленного нарастания магнитной индукции в тороиде, а также недостаточная чувствительность. Кроме того, в устройстве имеются потери света из-за несовершенства устройства ввода и вывода света из кристаллов, а также-недостаточно точной юстировки кристаллографической оси кристалла с направлением распространения света, что приводит к снижению точности измерений. Наличие в схеме поляризатора и анализатора для регистрации величины поворота плоскости поляризации приводит к дополнительным потерям света и снижению чувствительности датчика . ., , -.,

.Целью изобрётения я:вляется повышение временного разрешения, чувствительности и точности..

Поставленная цель достигается тем, что в датчике для регистрации корпускулярного излучения, содержа;1цем помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излученгао от пучка заряженных частиц, источник светового излучения, систему передачи и регистрации светового излучения, преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы прямоугольного сечения с металлизированными торцами, а система передачи светового излучения выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов, установленных с подложкой в виде окисногослоя на диаметрально противоположных поверхностях трубы параллельно оси и изолированных от корпуса датчика, и пвух передающих волоконных световодов, сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптическим элементом. В качестве оптического элемента можно использо вать кварцевые призмы либо дифференционные решетки. На фиг. Т изображен предлагаемый датчик; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Датчик -содержит .помещенньй в ме- таллический корпус 1 преобразовател чувствительный к электромагнитному толю от пучка заряженных частиц, выходящих из ускорителя 2. От источ ника светового излучения 3 свет с помощью системы передачи 4 направля ется по волоконным световодам 5 в преобразователь. В преобразователе происходит модуляцияинтенсивности , светового излучения, характеристики которого измеряются оптической системой региСтрнцйи 6. Преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной прямоугольного сечения трубы 7 с металлизированными фланца ми 8 на торцах. Система передачи светового излучения выполнена в виде двух, полупроводниковых тонкопленочных световодов 9, установленных с подложкой в виде окисного слоя диаметра но противоположных поверхностях тру бы 7 параллельно оси и изолированных от корпуса датчика и двух передающих волоконных световодов 5, сочлененных оптическй с полупроводниковыми тонкопленочными световодами 9 оптическим элементом. В качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы 11. В случае волоконных световодов 5 с низким показа телем преломления и полупроводников тонкопленочным световодом 9 из мате риала с высоким показателем преломления оптическую связь между ними желательно осуществить через дифрак ционные решетки. Для сравнения ийтенсивнрстей света на выходе двух полупроводниковых световодов служит схема 12 сравнения интенсивностей света. Изолятор 13 установлен между световодом и корпусом датчика. Датчик работает следующим образом. Световое излучение от лазера 3 пропускается по полупроводниковым тонкопленочным световодам, расположенным параллельно направлению исследуемого пучка заряженных частиц. От пучка возникает электрическое поле, под воздействием которого происходит модуляция интенсивности света, проходящего через полупроводниковые световоды, причем величина модуляции света определяется амплитудой напряженности электрического поля, кото-рая зависит от тока и положения пучка, поэтому с помощью фотохронографа по величине интенсивности света на выходе полупроводникового световода регистрируют параметры исследуемого пучка. Величина смещения положения пучк-а определяется путем сравнения интенсивностей света на выходах двух свет.оводов. Часть света, прошедщую через полупроводниковый тонкопленочный световод, помещенный в электрическое поле пучка, определяется по формуле т 1 прош где Ijj - интенсивность света лазера на входе в полупроводниковьй световод; k - коэффициент поглощения света в полупроводниковом световоде; 2 - длина полупроводникового световода. Так, например, при J 4 см, 1о 1 Вт, k 10 Inpou, 4,2-10- Вт.. Такие оптические измерения удобнее всего проводить с помощью элект-г ронно-оптических фотохронографов, например камеры Агат-04М, которая имееФ временное /разрешение до 3-10 с при облученности входного фотокатода на длине волны 1,06 мкм 7-103 Вт/мм2. Вел ичина коэффициента поглощения света в полупроводниковом световоде, помещенном в электрическое поле, определяется сдвигом границы межзонного поглощения полупроводника в длинноволновую область на основании эффекта Франка-Келдыша. В случае помещения полупроводникового тонкопленочного световода параллельно пучку на расстоянии R при R R (где радиус пучка, Е- длина импульса пучка заряженных частиц), .коэффициент поглощения можно определить по формуле (при ) . -CW -t,uj) ш - частота светового излучения из лазера;; УЛ - пшрина заряженной зоны полупроводникового тонкопленочного световода; m - изотропная эффективная мас са носителей в полупроводнике;t) - постоянная планка ( ti , 1,05-10- Дж/Гц); - относительная диэлектричес кая проницаемость материала полупроводникового све товода; 6-0 - электрическая постоянная („ 8,85-10- KnVH м2); - заряд электрона (1,6-1(Г1(л R . - расстояние от пучка до полупроводникового тонкопленочного световода; р - линейная плотность заряда в пучке заряженных частиц, движущихся по оси датчика Коэффициент межзонного поглощени не обращается в нуль для энергии фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны, т.е. ft ш с W. Смещение полосы поглощения будет тем больше, чем меньше эффективная масса носителей т в полупроводнике. Поэтому выбираем в качестве материала световода арсенид галлия GaAs и пропускаем через него излучение в инфракрасной области ( Л 0,8 мкм) . Для полупроводникового тонкопленочного световода GaAs - Уд 1,45 эВ; 12,5; т 0,072 mg (где масса электрона; mg 0,91 - ) , Так, например, для GaAs в области длин волн 0,8-1,2 мкм приложение электрического поля вызывает значительное увеличение коэффициента поглощения (до -10 см - 1).

Пусть, например, полупроводниковый световод установлен параллельно на расстоянии 4 см от оси датчика, а через световод пропускаетсясвет с длиной волны Д 0,88 мкм,

.вого излучения и, следовательно, увеличивается чувствительность датчика.

Используемый в датчике оптический полупроводниковый тонкопленочный световод из арсенида галлия имеет затухание 3 дБ/см на длине волны Л 1,06 мкм. Световод выполнен на монокристалле п -типа с нанесенной

на него пленкой двуокиси кремния, толщиной около 0,3 мкм. На окисную пленку после вытравливания в ней прямоугольного отверстияметодом 2586 По оси датчика проходит импульсный пучок электронов диаметром 1 см, с энергией W 0,6 МэВ, током 10 кА, длительностью v 30 нм. В этом случае линейная плотность заряда пучка составляет величину 3,710 Кл/м, а напряженность поля от пучка на расстоянии 4 см будет равна Е 1,33-10 В/м. Тогда в момент прохождения импульса и при увеличении тока пучка до 10 кА коэффициент поглощения возрастает до 100 . Таким образом, в момент прохождения пучка через датчик световое излучение практически полностью поглощается в полупроводниковом преобразователе. Следовательно, регистрация параметров пучка заряженных частиц сводится к регистрации характеристик светового излучения на выходе полупроводникового световода. На полученной фоторегистограмме будет зафиксирована форма импульса, длительность фронта и среза, период повторения сгустков в микроструктуре импульса, амплитуда сгустков и другие параметры. Положительный эффект от пpимteнeния модуляционно-оптического датчика заключается в полном отсутствии возмущений и потерь в исследуемом пучке, что позволяет увеличить точность измерений,Увеличение временного разрешения достигается за счет использования модуляции света безынерционного полевого эффекта Франца-.Келдьша (время нарастания сигнала в преобразовании менее ). Схема датчика содержит только оптически связанные тонкопленочные и волоконные световоды и не содержит дополнительных оптических анализаторов и поляризаторов, что делает схему практически прозрачной для анализируемого светохимического осаждения из паровой фазы наносится монокристаллический слой GaAs n-тииа. При этом, рост пленки начинается в вытравленном окне, прсле чего она наращивается поверх окисной пленки. В верхнем эпитаксиальном слое по стандартной технологии вытравливается гребенчатая структура световода высотой 0,5 мкм и толщиной 6 мкм. Нижний стенкой световода, ограничивающей распространение света, является скртый слой двуокиси кремния, верхней и боковыми - поверхность раздела арсенид галлия - воздух.

Связь между передающим волоконным световодом с низким показателем преломления (для кварца п 1,54) и Полупроводниковым тонкопленочным световодом из материала с высоким . показателем преломления (для арсенида галлия п 3,34) желательно осуществить на основе использования

спадающих волновых прлей, которые перекрываются в области, содержащей фазовую дифракционную решетку, являющуюся фазрсогласующим элементом,

т.е. с помощью дифракционных решеток. Эффективная апертура связи может быть выбрана с учетомуменьшения дифракционного расхождения пучка в пленке. Эффективность ввода

излучения более 86% при использовании обратноволновых решеток с повышенным отражением.

Кроме, использования арсенида галЛИЯ для изготовления полупроводникового тонкопленочного световода,перспективно применение гетероэпитаксиальных структур типа GaAs/А1уGa / GaP, которые работают при малы х напряженностях электрических полей в широком диапазоне частот, обеспечивают жесткость конструкции и хороший теплоотвод.