Зондовое устройство для измерения параметров потока заряженных частиц

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) G 0 1 Т 1 j2 9

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н AQT0PCH0+Y СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3496 62 3/18-25 (22) 11. 10. 82 (46) 1506 ° 84. Бюл. )) 22 (72) В.3 ° Бузин и Н.С.Зинченко (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиофизики и электроники АН УССР (53) 621.387.424(088.8) (56) 1. Зинченко Н.С, Курс лекций по электронной оптике. Х.Харьковский ГУ, 1961, с.300-309.

2. Там же, с. 310-313.

3. Павлюченко Ю.П.и др. Метод вращающегося зонда для исследования аксиально-симметричных пучков электронов."Известия Киевского политехнического института. Радиотехника".

Киевский ГУ, Киев, 1966, с.54-62 .(прототип)..(54)(57) ЗОНДОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащее металлический цилиндрический зонд и механизм вращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока, о т л ич а ю щ е е с я 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.

1097957

Изобретение относится к устройствам измерения параметров и характеристик потоков заряженных частиц и вяжет найти применение в электронной ионной оптике, электронном и ионном оборудовании, а также в различных 5 научных исследованиях.

Известно устройство вибрирующего зонда, состоящего из сплошного цилиндрического зонда, который попеременно пересекает измеряемый пучок 3() электронов перпендикулярно оси последнего, отбирая часть его тока, по величине которого измеряь,т радиальное распределение плотности тока, размеры поперечного сечения и потен.циала однонаправленного пучка (1) .

Известна также разновидность метода 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 (зондовый ток) (2) .

Наиболее близким к предлагаемому является зондовое устройство для измерения параметров потоков заряженных частиц, содержащее металли- ЗО ческий цилиндрический зонд и механизм вращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока (3) . а . Зонд пересекает исследуеьий поток электронов перпендикулярно его оси 35 и отбирает небольшую часть его тока.

При кривой отбираемого (зондового) тока можно анализировать параметры электронного потока или сформированного пучка. 40

Недостатком известного устройства является принципиальная невозможность непосредственно исследовать встречные потоки заряженных частиц (электронов или ионов) вследствие того, что сплошной зонд отбирает и измеряет суммарный ток противоположно направ« ленных потоков и поэтому остаются неизвестными параметры:. и характеристики каждого из них.

Цель изобретения — Раздельное и 50 одновременное измерение параметров двух встречных потоков заряженных час тиц с произвольными значениями скоростей.

Поставленная цель достигается 55 тем, что в зондовом устройстве для измерения параметров потока заряженных частиц, содержащем металлический цилиндрический зонд и механизм вращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока, зонд выполнен иэ двух полуцилиндров с изолирующим зазором, ориентированным перпендикулярно оси симметрии потоков.

Это обесПечивает их электрическую изоляцию при сохранении цилиндричес- 65 кой симметрии зонда в целом. Зонд иэ двух полуцилиндров обеспечивает малое возмущение пучков, малый перехват пучка не "своего" потока и возможность применения известных соотношений между зондовыми токами и радиальным распределением плотности 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 фиг. 3 - схема варианта предлагаемого зондового устройства на фиг. 4 — осциллограмма зондовых токов. ,Зондовое устройство содержит металлический цилиндрический зонд, состоящий иэ 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 измеряемых потоков (меньше 0,1 последних}, что обеспечивает малое искажение измеряемых потоков и приемлемую разрешающую способность.

Общая длина зонда значительно больше диаметра иэмеряевжх 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 прн диаметре полуцилиндров 1-2 мм, зазоре между ними 0,05-0,15 мм и длине зонда 100-120 мм кривые эондовых токов имеют плавный вид при диаметре потоков 10-20 ыа, обеспечивая хорошую точность измерения.

Цилиндрический зонд жестко закреплен на вращающейся оси 5, ориентированной параллельно оси симметрии измеряемых корпускулярных потоков (электронных или ионных). Ось 5 вакуумно уплотнена в дне 6 вакуумной камеры с помощью втуЛки 7 и кинематически связана с электродвигателем 8, подключенным к источнику питания 9.

На оси 5 установлена контактная система 10 для снятия сигналов с

1097957 обоих полуцилиндров 1 и 2 зонда, защищенная от попадания рассеянных заряженных частиц защитным экраном (на фиг. 3 не показан) и связанная своими контактами с индикатором, например двухлучевым осциллографом 11.

Устройство работает следукщим образом.

Аксиально-симметричный (сплошной или полый) электронный пучок, сформированный электронной пушкой (на 30 фиг. 3 не показана) движется с определенной скоростью вдоль заданного направления (например, сверху), его границы на фиг. 3 показаны сплошными линиями, а направление движен я — 15 стрелкой. Навстречу ему движется второй пучок (на фиг. 3 его границы показаны пунктирными линиями). Скорости его электронов могут как угодно отличаться от скорости электронов первого,.пучка. Измерительный зонд при своем вращении общей оси 5 пересекает 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 ради-, ального распределения плотности тока пучка: верхний полуцилиндр 1 — от первого пучка, а нижний 2 — от вто- 30 рого (встречного) пучка. Токи от полуцилиндров 1 и 2 по отводящим проводникам проходят через сопротивления, создавая на них разности потенциалов, которые регистрируются 35 двухлучевым осциллографом 11

Приведенные осциллограммы зондовых токов иллюстрируют раздельное одновременное исследование двух налагающих пучков, движущихся навстречу друг другу: верхняя осциллограмма .а — для первого пучка; нижняя осциллограмма б — для второго. Осциллограмьаа получены в опытах, в которых второй, идущий снизу, пучок составляют электроны, отраженные ! от расплавленного в тигле металла под действием бомбардировки его первым пучком. При этом вдоль оси обоих пучков налагается магнитное поле, значение которого убывает по 50 мере удаления от поверхности расплавленного металла в направлении к пушке.

По осциллограммам можно определить радиальное распределение плотности тока в каждом из пучков, их поперечные размеры, при подаче на зонд дополнительного напряжения (например, прямоугольных импульсов) можно -одновременно измерять радиаль- 60 ное распределение потенциала в обоих пучках. Распределение плотности тока по зондовым характеристикам рассчитываются по известным соотношениям. 65

Определение радиуса пучка можно выполнить по следующей формуле: где Я вЂ” длина зонда !расстояние от центра пучка до центра

1 оси вращения);

n =- - число оборотов; — время одного оборота зонда;

Т

М вЂ” время пребывания зонда в пределах сечения пучка (определяется по осциллогpaIaM), Предложенное зондовое устройство пригодно для измерений различных пучков с любыми скоростями заряженных частиц, в том числе мощных электронных пучков с первеансами, достигающими значения 10 10 А/В

-5 Э/2

По .сравнению с базовым устройством (прототипом) предложенное обеспечивает принципиально новые возможности исследований — исследование встречных пучков (потокс в) заряжен в е ных 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 эондовое 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 кВ

Для 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,б 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 эондо1097957

ВНИИПИ Заказ 4202/38 Тираж 711 Подписное

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 ного устройства по сравнению с базовым устройством определяется уменьшением времени, затрачиваемого 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 мощ- ности), электронного оборудования.