Цилиндр Фарадея Советский патент 1986 года по МПК G01T1/29 H01J49/48 

1

Изобретение относится к технике измерения параметров пучков заряженных частиц и может найти применение в экспериментах с использованием импульсных потоков заряженных частиц, в частности, при работе на сильноточных ускорителях ионов.

Целью изобретения является увеличение точности измерения ионного тока.

На чертеже показан далиндр Фара- дея, содержащий корпус 1, входной канал 2, коллектор 3, соединенный с корпусом 1 проводником 4 и выполненный в йиде пластины с вертикальными ребрами, служащими для уменьшения вторичной эмиссии, постоянный магнит 5; регистрирующий элемент 6j пояс Роговского, расположенный вокруг про водника 4; систему тонких проволочек 7, расположенных во входном канале 2 параллельно полюсам магнита 5, проводящие сетки 8, с помощью которых концы проволочек 7 соединены между собой и с корпусом 1.

Цилиндр Фарадея работает следующим образом. Идущий от ускорителя сильноточный пучок с энергией порядка 1 МэВ, нейтрализованнй по заряду и по току сопровождающими его низкоэнергетичными электронами (порядка единиц КэВ), попадает во входной канал 2 цилиндра. Под действием поперечного магнитного поля, созданного магнитом 5,электроны и ионы начинают двигаться в плоскости, перпендикулярной магнитному полю и сече нию пучка, по Ларморовским окружностям с радиусами

(.e E.-.el

- -,

600 Ь

f/2

, CM

где m; - массы ионов и электронов

соответственно;

E;g - энергия ионов и электронов, эВ;

В -.величина магнитного поля, Гс.

В первом приближении искривлением траекторий ионов можно пренебречь. Вследствие этого на входе цилиндра Фарадея наблюдается разделение з-а- рядов поперек пучка и йилоных линий магнитного поля. Но поляризационный слой и, соответственно, электрическое поле при этом оказываются очень

12220555

малыми, т.к. отклонившиеся по Ларме- ру электроны попадают на зазеипен- ные сетками 8 и расположенные друг от друга на расстоянии S проволочки 5 7 и стекают по ним на корпус 1. Ионы же в силу того, что радиус Лармора

w;

для них больше в V mg . чем у электронов, сохраняют практически свое

прямолинейное движение. Введя численные коэффициенты и пределы, в которые укладываются значения для обычно используемых пучков - (Е,, 1 МэВ, tn; протоны, J; 10 А/см ), формулу для

о (толщины поляризационного слоя) упрощают, она принимает вид; S(cw15-10 В (Гс). Установив заземленные проволочки 7 на этом расстоянии, мы как бы разрываем расстояния, на которых должна происходить поляризация, т.е. уменьщаем поле поляризации до значения, заведомо недостаточного, чтобы обеспечить дрейф электронов в направлении .движения ионного пучка

со скоростью, примерно равной скорости ионов. Сняв дрейф электронов, мы снимаем токовую нейтрализацию пуч- ка и .увеличиваем точность токовых измерений. Зарядовая нейтрализация

пучка при этом осуществляется холодными электронами, вытягиваемыми остаточным электрическим полем пучка из стенок корпуда 1 и проволочек 7 вдоль силовых линий магнитного

поля. Эти электроны создают электронный фон, замагниченный вдоль силовых линий, двигаясь сквозь который, ионный пучок оказывается с высокой степенью нейтрализованным по заряду

и не рассыпается при движении к приемному коллектору 3. Таким образом, на поверхность коллектора 3 падает ионный пучок, свободный от сопровождающих его электронов. Этот пучок

выбивает С поверхности коллектора 3 вторичные электроны, которые заворачиваются .магнитным полем на коллектор 3 и, попадая на ребра, остаются в них. Пояс Роговского регистрирует полный ионный ток.

Длина проволочек 7 выбирается из условия требуемой точности измерения: т.е., учитывая, что ионы отклоняются магнитньм полем по Ларморовс- КИМ орбитам, необходимо, чтобы как можно большая часть ионного пучка, вошедшего во входной канал 2 цилиндра Фарадея, достигла коллектоpa 3. Определив радиус Лармора для ионов и приняв погрешность измерения 10%, длину проволочек 7 находят следующим образом:

, . .(fZ

Е(с„) .lO () .

Расстояние между коллектором и ближней к нему сеткой выбирается из условия, чтобы выбитый ионным пучком из коллектора 3 электрон не попал на сетку 8. Для выполнения этого условия будет достаточно, чтобы расстояние бьшо больше или равно двум Ларморовским радиусам электронов. Введя также допущения и ограничения, как и ранее, получают, что это расстояние обратно пропорционально величине магнитного поля

d (см) (Гс).

Например, для пучков с диаметром 5 см, энергией 1 МэВ, плотностью тока 10 А/см, ш - протоны, радиус цилиндра Фарадея примем равным 5 см, значение индукции магнитного поля берем равным 1«10 Гс, тогда

1 . 80 80 о 40-,

,вТгсГ -Т:То5- 8-1о

Редактор Э. Орлова Заказ 6054/1

Составитель Б. Рахманов

Техред М.Ходанич Корректор В. Бутяга

Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1, i10

Чс«

0,5 см.

ш1:.,„,|-.5.д..

7 см

10 В(Гс)

.

10-

Площадь сечения Ц.Ф. S 3,14-25 78,5 см

Площадь ячейки сетки S, 0,5 х 0,5 0,25 см .

Количество проволочек, соответствующих углов ячеек сетки, равно: ,

S

(

0,25

31,4 шт.

По сравнению с прототипом, в такой конструкции цилиндра Фарадея для измерения тока сильноточного ионного пучка полностью отсекаются сопровождающие его электроны, устраняются потери части ионного пучка за счет рассекания на участки его траектории от точки разделения с сопровождающими электронами до приемного коллектора, т.е. увеличивается точность измерения ионного тока.