Зондовое устройство для измерения параметров потока заряженных частиц Советский патент 1984 года по МПК G01T1/29 

Изобрет(2ние относится к устройствам измерения параметров и характеристик потоков заряженньсх частиц и 1 }ржет найти применение в электронной ионной оптике электронном и ионном оборудоаании, а также в различных научных исследованиях. Известно устройство вибрирукадего зонда, состоящего из сплслиного цилиндрического зонда, который попеременно пересекает измеряемый пучок электронов перпендикулярно оси последнего, отбирая часть его тока, по величине которого измеряк,т радиальное распределение плотаости тока размеры поперечного сечения и потенциала однон.аправл рнного пучгка l . Известна также разновидность мето да вибрирующего зонда, представляющая несколько экранированных зондов разной длины, укрепленных на вращающемся диске. При вращении диска зоны последовательно пересекают пучок по нескольким различным траекториям. Перехватываемый зондами ток создает на сопротивлении напряжение, которое регистрируется на осциллографе (зондо вый ток) 2 . Наиболее близким к предлагаемому является зондовое устройство измерения параметров потоков заряженных частиц, содержащее металлический цилиндрический зонд и механиз вращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока з . о о Зонд пересекает исследуемый поток электронов перпендикулярно его оси и отбирает неболыиую часть его тока. При кривой отбираемого (зондового) тока можно анализировать параметры электронного потока или сформированного пучка. Недостатком известного устройства является принципиальная невозможност непосредственно исследовать встречны потоки заряженных частиц (электронов или ионов) вследствие того, что сплошной зонд отбирает и измеряет суммарный ток противоположно направленных потоков и поэтому остаются неизвестными параметры-, и характери тики каждого из них. Цель изобретения - раздельное и одновременное измерение параметров двух встречных потоков заряженных ча тиц с произвольными значениями скоростей. Поставленная цель достигается тем, что в зондозом устройстве для измерения параметров потока заряженных частиц, содержащем металлический цилиндрический зонд и механизм вращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока, зонд выполнен из двух полуцилиндров с изолирующим зазором, ориентированным перпендикулярно оси симметрии потоков. Это обеспечивает их электрическую изоляцию при сохранении цилиндрической симметрии зонда в целом. Зонд из двух полуцилиндров обеспечиваем возмущение пучков, малый перехват пучка не своего потока и аозкюжность применения известных соотношений между зондовыми токами и радиальный распределением плотноети тока пучка. Полуцилиндры расположены друг против друга так, что зазор между их плоскими поверхностями имеет . малую одинаковую величину по всей длине. Зазор между двумя полуцилиндрами ориентирован перпендикулярно к направлению движения встречных потоков так, что один полуцилиндр прикрывает второй от перехвата электронов встречного потока. На фиг. 1 показан составной металлический зонд, поперечное сечение; на фиг 2 - металлизированный керамический зонд, поперечное сечение; на фчг. 3 - схема варианта npejyiaraемого зовдового устройства на фиг.. 4 - осциллограммы зондовых токов. ,3ондовое устройство содергсит металлический цилиндрический зонд, состоящий из двух полуцилиндров 1 и 2, электрически изолированных друг от друга. Изоляция полуцилиндров 1 и 2 может быть осуществлена, например, с помощью изолирующей прокладки 3 либо путем нанесения на керамический цилиндр 4 металлических покрытий, образующих полуцилиндры 1 и 2. Диаметры полуцилиндров 1 и 2 одинаковые и имеют малые размеры по сравнению с диаметрами измеряеА4ых потоков (меньше 0,1 последних), что обеспечивает малое искажение измеряемых потоков и приемлемую разрешающую способность. Общая длина зонда значительно болыие диакютра измеряемых потоков, так что положение зонда, приходящееся на край потока (пучка) и на его центр, составляет малый угол и пересечение потока зондом можно считать как параллельное его перемещение. Эксперименты показывают, что при диаметре полуцилиндров 1-2 мм, зазоре между ними 0,05-0,15 vtA и длине зонда 100-120 шл кривые зондовых токов имеют плавный вид при диаметре потоков 10-20 NW, обеспечивая хорошую точность измеренияi Цилиндрический зонд жестко закреплен на вращающейся оси 5, ориентированной параллельно оси симкютрии измеряемых корпускулярных потоков (электронных или ионных). Ось 5 вакуумно уплотнена в дне 6 вакуумной камеры с помощью BTyhKH 7 и кинематически связана с электродвигателем 8, подключенным к источнику питания 9. На оси 5 установлена контактная система 10 для снятия сигналов с обоих полуцилиндров 1 и 2 зонда, защищенная от попадания рассеянных заряженных частиц защитным экраном (на фиг. 3 не показан) и связанная своими контактами с индц1катором, на пример двухпучевым осциллографом 11 Устройство работает следующим образом. Аксиально-симметричный (сплошной Ш1И палый) электронный пучок, сформированный электронной пушкой (на фиг. 3 не показана) движется с опре деленной скоростью йдоль заданного направления (например, сверху), его граниизы на фиг. 3 показаны сплошным линия, а направление движения стрелкой. Навстречу ему движется второй пучок (на фиг. 3 его границы показаны пунктирными линиями). Скорости его электронов могут как угод отличаться от скорости электронов первого..пучка. Измерительный зонд при своем вращении общей оси 5 пере секает) оба пучка перпендикулярно их оси симметрии и, проходя разные участки поперечного сечения пучков (потоков), отбирает часть их тока, значение которого зависит от положе ния зонда относительно центра и рад ального распределения плотности ток пучка: верхний полуцилиндр 1 - от первого пучка, а нижний 2 - от второго (встречного) пучка. Токи от полуцилиндров 1 и 2 по отводящим проводникам проходят через сопротив ления, создавая на них разности потенциалов, которые регистрируются двухлучевым осциллографом 11 . / Приведенные осциллограммы зондовых токов иллюстрируют раздельное одновременное исследование двух налагающих пучков, движущихся навстре чу друг другу: верхняя осциллограмма а - для первого пучка; нижняя ос циллограмма б - для второго. Осциллограм1иЕьз получены в опытах, в которых второй, идущей снизу, пучок составляют электроны, отраженные от расгшавленного в тигле металла под действием бомбардировки его первым пучком. При этом вдоль оси обоих пучков налагается магнитное поле, значение которого убывает по мере удаления от поверхности расплавленного металла в Направлений к пушке. По осциллограммам можно определить радиальное распределение плотности тока в каждом из пучков, их поперечные размеры, при подаче на зонд дополнительного напряжения (на пример , пр ямоу гол ьных и мпул ь со в) можно -одновременно измерять радиаль ное распределение потенциала в обои пучках. Распределение плотности тока по зондовым характеристикам рассчитываются по известным соотношениям. Определение радиуса пучка можно выполнить по следующей формуле: rg -iTRll.bt; где R - длина зонда (.расстояние от - центра пучка до центра оси вращения); - число оборотов; Т - время одногю оборота зонда; ut -время пребывания зонда в пределах сечения пучка (определяется по осциллогракмам). Предложенное зондовое устройство пригодно для измерений различных пучков с любыми скоростями заряженных частиц, втом числе мощных электронных пучков с первеансами, достигающими значения 10 10 А/В2. По .сравнению с базовым устройством (прототипом) предложенное обеспечивает принципиально новые возможности исследований - исследование встречных пучков (потокав) заряженных частиц, причем измерения выполняются одновременно. Последнее обеспечивает: исследование характеристик и параметров потоков (и сформированных пучков) с различными скоростями и мощностями; обнаружение и измерение вторичных, отраженных и рассеянных заряженных частиц; одновременное наблюдение исследуемых потоков при изменении режима их питания; сокращение времени, затрачиваемого на измерения. Зондовое устройство можно применять для оптимизации корпускулярнооптических приборов (например, в приборах СВЧ с рекуперацией) электронного оборудования, различных устройств в процессе наладки и эксплуатации их, а также при различных физических исследованиях. В экспериментах зондовое устройство применяется для исследования первичного пучка и потока отраженных электронов в установках вакуумного напыления с мощностью электронного пучка в несколько киловатт: первичного электронного пучка в интервале 1-3 кВт и потенциале пучка 3,5-5,5 кВДля зондовых характеристик, приведенных на осциллограмме (получены при потенциале первичного пучка 3,4 кВ и токе 0,3 А), диаметры на уровне 10% от зондовой характеристики составляют: первичного пучка 31,6 мм И отраженного пучка 51 мм в плоскости поперечного сечения на расстоянии 315 мм от пушки. Оно найдет широкое применение в мощных установках для плавки и рафинирования .металлов, в линейных ускорителях и т.д. Ожидаемый экономический эффект от использования предложенного зондового устройства по сравнению с базовым устройством определяется уменьшением времени, затрач ваемого на исследования двух встречных пучков, упрощением и ускорением наладки электронно-оптических устройств (ускорителей заряженных частиц.

плавильных и рафинирующих печей ; установок для вакуумной конденсации и т.д.), выбором оптимальных режимов электрического питания, в частности, (удельной мощнести),

электронного оборудования,

ЗОНДОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗ.МЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащее металлический цилиндрический зонд-и механизм вращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока, отличающееся тем, что, с целью обеспечения раздельного и одновременного измерения параметров двух встречных потоков заряженных частиц с произвольными значениями скоростей, зонд выполнен из двух полуцилиндров с изолирующим зазором, ориентированным перпендикулярно оси симметрии потоков. с (9 (Л со со ел

У/////7//77//Л

Фиг.г

/

-Г/ОУХХ/ХУ/УЛ

я

Фаг.З