Измерение тока пучка

Измерение параметров пучков заряженных частиц.

В процессе транспортировки электронных потоков можно измерять достаточно много характеристик пучка – длительность и амплитуду импульса тока, среднее значение тока пучка, пространственное положение и сечение пучка, энергию ускоренных частиц, ускоряющее напряжение и т.д. При этом классические методы измерения электрических характеристик часто оказываются неприемлемыми. Наиболее часто контролируются следующие параметры.

Значение тока пучка ускорителей, работающих в непрерывном режиме, лежат в интервале 10^-6 – 10^-2А, а для импульсных ускорителей амплитуда тока в импульсе превышает 10⁶А. Измерение тока пучка осуществляется двумя способами: с прерыванием и без прерывания потока заряженных частиц.

При измерении первым способом в качестве датчика используется т.н. цилиндр Фарадея (рис.12). Он представляет собой металлический стакан, в который попадает поток электронов. Толщина дна выбирается такой, чтобы поток полностью поглощался графитовым наполнителем. Так как при бомбардировке вещества быстрыми частицами возникают вторичные электроны, высоту стенок стакана h выбирают такой, чтобы предотвратить их разлет. При h/d>3 (d - внутренний диаметр стакана) почти все вторичные частицы поглощаются стенками.

Рис.12

Цилиндр Фарадея заземляют через измерительный резистор, на котором возникает падение напряжения, пропорциональное току пучка. Это напряжение регистрируется измерительным прибором.

Ток, измеренный цилиндром Фарадея, равен полному току пучка электронов:

I_п= I_ц.ф.= Q/t = qN/t,

где Q – полный заряд электронного пучка, измеренный за время t, q -заряд электрона, N - полное количество электронов.

Тогда число электронов в потоке можно рассчитать из выражения:

N= I_ц.ф t/q.

При этом плотность электронного потока f равна:

f =N/(tS) = I_ц.ф /(qS),

где S – площадь входного окна цилиндра Фарадея.

На практике при помощи цилиндра Фарадея определяют зависимость тока пучка от тока инжектора электронной пушки или тока генератора СВЧ сигнала (например, магнет рона). В дальнейшем по этой экспериментальной зависимости определяют плотность электронного потока.

В случае импульсного режима работы в качестве измерительного прибора используются высокоскоростные запоминающие осциллографы с выходом на ПК.

При использовании цилиндра Фарадея пучок прерывается, поэтому данный способ применяется в основном при наладке ускорителя или для измерения пучка на мишени. Основными достоинствами данного метода являются высокая точность (погрешность измерений составляет доли процента) и возможность измерения весьма малых (до 10^–13 А) средних токов пучка заряженных частиц.

Для контроля характеристик электронного потока без прерывания используются системы датчиков-преобразователей, которые регистрируют параметры электромагнитного поля, возбуждаемого ускоренным пучком.

Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции (магнитоиндукционный преобразователь, пояс Роговского), либо на явлении взаимодействия магнитного поля, создаваемого измеряемым потоком частиц, с электронным током в твердом теле (датчики Холла) или вакууме (электронный датчик тока).

Магнитоиндукционный преобразователь (рис.13) представляет собой трансформатор тока с кольцевым магнитопроводом. Через центральное отверстие сердечника проходит электронный поток, играющий роль первичной обмотки трансформатора. Во вторичной обмотке возникает напряжение, пропорциональное току пучка. Оно измеряется на нагрузочном резисторе R.

Такие преобразователи просты и надежны, но не позволяют измерять постоянную составляющую тока, а частотный диапазон их действия ограничен сверху и снизу из-за наличия межвитковой емкости и подмагничивания магнитопровода. Наиболее эффективны при измерении импульсов тока при отношении длительности импульса к длительности фронта, равном 10-50.

Рис. 13 Магнитоиндукционный преобразователь

Разновидностью этого типа преобразователей является пояс Роговского (рис.14), в котором обмотка намотана на немагнитный кольцевой каркас и содержит интегрирующую RC-цепочку.

Рис. 14 Пояс Роговского

Принцип его работы следующий. При прохождении электронного потока через центральное отверстие в обмотке возникает э.д.с.:

E= – M(dI_изм/dt),

где М – коэффициент взаимной индукции, I_изм – измеряемый ток пучка.

Это напряжение падает как на активных, так и на реактивных элементах цепи, поэтому:

-M(dI_изм/dt) = L(di/dt) + iR + 1/C ò idt,

где L – индуктивность обмотки, R и C – параметры интегрирующей цепочки.

Выбирая параметры цепи таким образом, чтобы максимальное значение имело падение напряжения на активном сопротивлении (второе слагаемое), величину тока, протекающего во вторичной обмотке, определяют из выражения:

i = - М/R (dI_изм/dt)/

Тогда выходное напряжение, регистрируемое измерительным прибором, оказывается прямо пропорционально измеряемому току пучка:

U= -МI_изм/(RC).

Минимальная длительность фронта импульса тока, регистрируемого поясом Роговского, составляет 1-2 нс. Отношение длительности измеряемых импульсов к длительности фронта – 100-200. Диапазон измеряемых значений тока достаточно широк – от долей миллиампера до сотен килоампер.

Для измерения постоянного и переменного тока в широком частотном диапазоне применяют гальваномагнитные преобразователи Холла и электронные датчики тока.

Датчик Холла состоит из нескольких полупроводниковых пластин, расположенных по окружности. При прохождении пучка частиц через центр окружности под действием магнитного поля в пластинах возникает э.д.с. Холла, измеряемая величина которой пропорциональна току пучка.

Электронный датчик тока (рис.15) – вакуумный диод, обычно состоящий из кольцевого термокатода 1 и двух кольцевых анодов 2, расположенных в одной плоскости и помещенных в вакуумный баллон кольцевой формы 3.

Рис.15 Электронный датчик тока

В отсутствие электронного пучка разность потенциалов между анодами равна нулю. Если пучок электронов направлен вдоль оси симметрии через центральное отверстие кольца, то его магнитное поле будет взаимодействовать с электронным потоком в датчике, вызывая появление разности потенциалов между анодами, пропорциональной току пучка.

Электронные датчики не имеют ограничений со стороны низких частот, верхняя граница составляет несколько десятков мегагерц. Чувствительность их составляет 100 мВ/А.

Полупроводниковые датчики – обычно диоды, в которых при прохождении пучка возникает ионизационная составляющая тока, пропорциональная току пучка, из-за генерации неравновесных электронно-дырочных пар. Так, при электронном потоке, характеризующемся мощностью дозы ионизации в 1 рад/с, в Si образуется примерно 4,3×10¹³ электронно-дырочных пар в куб. см. Эти носители заряда, образующиеся на расстоянии менее диффузионной длины от границы р-n перехода, вызывают переходные ионизационные токи во внешней цепи.

Экспериментальная оценка показывает, что для любых кремниевых р-n переходов в практически важном диапазоне температуры зависимости ионизационных токов от мощности дозы (плотности электронного потока) имеют линейный характер.

Обычно для проведения измерений полупроводниковые диоды предварительно калибруются. Недостаток полупроводниковых датчиков связан с возникновением в объеме полупроводника радиационных дефектов, влияющих на процесс ионизации и ограничивающих срок службы датчиков.

Важный эксплуатационный параметр полупроводникового детектора (ППД) – его радиационный ресурс, который принято определять как интегральный поток ионизирующего излучения определенного вида и энергии, попадающий в чувствительную область ППД и приводящий к ухудшению параметра, выбранного в качестве основного, в два раза.

Во многих случаях важное значение имеют временные параметры детекторов, в том числе быстродействие и временное разрешение. Последнее определяет точность измерения момента попадания частицы в детектор.

Существует несколько способов классификации кремниевых детекторов: по технологическому принципу, конструктивному оформлению, применению, эксплуатационным параметрам.

Наиболее распространена классификация детекторов по способу создания p-n- перехода – диффузионные, ионно-легированные, поверхностно-барьерные, диффузионно-дрейфовые с толстым входным окном и с поверхностно-барьерным переходом.

Технология создания детектора определяет толщины его рабочих слоев, а значит и область применения.

В диффузионных детекторах толщина чувствительной области составляет от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров, мертвый слой около 1 мкм, определяемый глубиной залегания перехода, и они имеют высокую надежность. Из-за высокотемпературного процесса диффузии не нашли широкого применения.

В ионно-легированных детекторах мертвый слой около 0,1 мкм, чувствительная область такая же, как в диффузионных детекторах, однако процесс достаточно сложен технологически.

Наибольшее распространение получили поверхностно-барьерные детекторы на основе кремния p- или n- типа, компенсированного литием, или литий-дрейфовые детекторы с тонким мертвым слоем.

В зависимости от принципа работы различают частично обедненные детекторы (ЧОД) и полностью обедненные (ПОД) поверхностно-барьерные детекторы.

У детекторов второго типа чувствительный слой простирается практически на всю толщину полупроводниковой пластины.

Для увеличения площади чувствительной поверхности изготавливают мозаичные детекторы. Для этого в одном корпусе собирают несколько элементарных детекторов, соединенных параллельно.

При оценке качества детектора обычно основным параметром служит энергетическое разрешение.

Для измерения доз (потоков) радиации, пропорциональных току пучка частиц, могут использоваться стеклянные дозиметры, действие которых связано с эффектом окрашивания некоторых стекол под влияниям ионизирующего излучения. При этом дозовая характеристика определяется из данных по сравнительному измерению поглощения света облученным и необлученном дозиметром. Для большинства стеклянных дозиметров светопоглощение в определенном интервале длин волн линейно зависит от дозы излучения.

Преимуществом стеклянных дозиметров является простота процесса измерения, возможность повторных измерений, независимость показаний от мощности дозы в широком диапазоне, устойчивость стекла к воздействиям факторов внешней среды, небольшие размеры стеклянного дозиметра.

Дата добавления: 2014-01-04