Устройство индикации атомного пучка

Изобретение относится к ионной оптике и может быть использовано в квантовых дискриминаторах частоты на основе атомных пучков, в частности, в цезиевых атомно-лучевых трубках (АЛТ). Устройство индикации атомного пучка содержит термический ионизатор атомов 1, размещенный в объемном фокусирующем электроде 2 с диафрагмой 5 для атомного пучка 9 и с диафрагмой 6 для пучка ионов 10. Коллектор 3 с выводом 8 расположен в отсеке с диафрагмой 7 корпуса 4 АЛТ и ориентирован для сбора ионов, движущихся перпендикулярно направлению атомного пучка. На ионизатор и фокусирующий электрод поданы положительные относительно корпуса устройства электрические потенциалы. Технический результат: снижение уровня фототоков при высоком коэффициенте сбора ионов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к ионной оптике и может быть использовано в квантовых дискриминаторах частоты на основе атомных пучков, в частности, в цезиевых атомно-лучевых трубках (АЛТ).

В известных устройствах индикации пучка нейтральных атомов часто используется их термическая ионизация на накаливаемой электрическим током металлической ленте (ионизаторе) с последующим сбором ионов на коллектор (или первый динод вторично-электронного умножителя) [1]. Электрический ток с коллектора служит мерой интенсивности атомного пучка и обычно мал (характерный уровень 10 пА), так как расход рабочего вещества определяет срок службы компактных отпаянных АЛТ. Обеспечение высокого отношения сигнал/шум в устройстве индикации требует, таким образом, тщательного исключения всех сторонних токов на коллектор. Например, для снижения тока фоновых атомов рабочего вещества в [2] введены дополнительные секции коллектора, а в [3] для исключения тока ионов сторонних атомов в состав индикатора включен масс-спектрометр.

Однако в известных устройствах индикации атомного пучка с термическим ионизатором не устраняются фототоки на коллектор (или с коллектора), происхождение которых связано с освещением коллектора и прилегающих к коллектору конструктивных элементов светом накаливаемого ионизатора. Шумы фотоэффекта снижают отношение сигнал/шум АЛТ и не устраняются внешней или взаимной компенсацией фототоков. Поскольку фоточувствительность поверхностей конструктивных материалов может возрастать по сроку службы из-за накопления отработанного рабочего вещества, как, например, в цезиевой АЛТ, одних технологических мер (использование материалов с низкой фоточувствительностью) недостаточно, и для снижения уровня фототоков необходимо изменение конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство индикации, содержащее термический ионизатор, фокусирующий электрод, а также масс-спектрометр и вторично-электронный умножитель, первый динод которого выполняет функцию коллектора ионов [4]. В этой конструкции фокусирующий электрод направляет ионы в масс-спектрометр. Введение масс-спектрометра обосновывается необходимостью исключения токов сторонних атомов, но при современной технологии изготовления они практически отсутствуют. Криволинейная траектория движения ионов в масс-спектрометре в принципе позволяет исключить фототоки, однако коэффициент сбора ионов при этом составляет 50...60%, что ухудшает отношение сигнал/шум; кроме того, магнит масс-спектрометра увеличивает вес и усложняет конструкцию устройства. Использование вторично-электронного умножителя также приводит к снижению отношения сигнал/шум из-за низкого коэффициента ион-электронного преобразования на первом диноде.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит:

- в снижении уровня фототоков при высоком коэффициенте сбора ионов,

- в упрощении конструкции.

Устройство индикации атомного пучка содержит термический ионизатор атомов, фокусирующий электрод и коллектор ионов. Коллектор ионов расположен в диафрагмированном отсеке корпуса и ориентирован для сбора ионов, движущихся перпендикулярно направлению атомного пучка. Фокусирующий электрод выполнен объемным с диафрагмами для атомного пучка и для пучка ионов и экранирует прямое освещение диафрагмы коллекторного отсека светом накаливаемого ионизатора. Рабочая часть ионизатора расположена внутри объема фокусирующего электрода. На ионизатор и фокусирующий электрод поданы положительные относительно корпуса устройства электрические потенциалы. Электростатическое поле в объеме фокусирующего электрода, созданное подачей положительных относительно корпуса потенциалов на нить ионизатора и фокусирующий электрод, обеспечивает искривление пути ионов и повышает коэффициент их сбора. Искривление пути ионов электростатическим фокусирующим электродом и размещение коллектора в диафрагмированном от света ионизатора отсеке корпуса устройства позволяет снизить уровень фототоков.

В ионизаторе прямого накала потенциал изменяется вдоль ленты, что может снизить эффективность сбора ионов на коллектор. Для исключения вариации потенциала термический ионизатор может быть ваполнен с косвенным подогревом, причем нагреватель ионизатора электрически изолирован, а фокусирующий электрод электрически соединен с рабочей поверхностью ионизатора. Это позволяет изолировать выводы нагревателя ионизатора от его рабочей поверхности.

Для сорбции отработанного цезия фокусирующий электрод может быть изготовлен из графита или его поверхность покрыта графитом.

Таким образом достигается снижение уровня фототока при высокой эффективности сбора ионов, кроме того, ограничивается ток фоновых атомов рабочего вещества вследствие (аналогично [2]) ограничения области сбора ионов с рабочей поверхности ионизатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 показана схема устройства.

На Фиг.2 - вариант конструкции устройства.

На Фиг.3 - зависимость коэффициента сбора ионов от напряжения на фокусирующем электроде для конструкции фиг.2.

Термический ионизатор атомов 1 размещен в объемном фокусирующем электроде 2 с диафрагмами 5 - для атомного пучка 9 и 6 - для пучка ионов 10. Коллектор 3 с выводом 8 расположен в отсеке корпуса АЛТ 4. Отсек отделен от корпуса 4 диафрагмой 7.

Устройство работает следующим образом.

Нейтральные атомы 9 рабочего пучка АЛТ попадают на ленту ионизатора 1 через диафрагму 5 фокусирующего электрода 2. Ионы 10 покидают ионизатор, вытягиваются и фокусируются электростатическим полем через диафрагму 6 фокусирующего электрода 2 на диафрагму 7 коллекторного отсека корпуса 4, а далее попадают на коллектор 3. Электрический ток снимается с вывода 8 коллектора. Прямое освещение диафрагмы 7 отсека коллектора 4 исключается объемным фокусирующим электродом 2.

Формирование электростатического поля в объеме фокусирующего электрода осуществляется следующими потенциалами:

а) положительным потенциалом рабочей поверхности ионизатора, на которую попадают нейтральные атомы 9 и с которой эмиттируют ионы 10. В ионизаторе прямого накала потенциал изменяется вдоль ленты, что может снизить эффективность сбора ионов на коллектор. Для исключения вариации потенциала возможно применение ионизатора с косвенным накалом, что позволяет также изолировать выводы нагревателя ионизатора от его рабочей поверхности;

б) положительным потенциалом фокусирующего электрода. Этот потенциал, если он ниже потенциала ионизатора, способствует вытягиванию ионов, однако возрастает и вероятность перехвата ионов фокусирующим электродом. Глубиной выступа диафрагмы 5 фокусирующего электрода может корректироваться точка фокусировки и угол поворота ионов. Оптимальный уровень потенциала фокусирующего электрода соответствует максимальной эффективности сбора ионов на коллектор. В частности, возможна конструкция, в которой оптимум достигается при равенстве потенциалов фокусирующего электрода и рабочей поверхности ионизатора с косвенным накалом.

Вариант конструкции устройства для компактной цезиевой АЛТ приведен на фиг.2. Коллектор 3 выполнен виде диска с выводом 8 и размещен в отсеке цилиндрического корпуса 4 и отделен от корпуса диафрагмой 7. Объемный фокусирующий электрод 2 выполнен цилиндрическим с диафрагмами 5 - для атомного пучка и 6 - для пучка ионов. Рабочая часть ленточного термического ионизатора 1 расположена внутри фокусирующего электрода 2. Устройство предназначено для работы с ленточным атомным пучком сечением 1×5 мм. Металлические поверхности корпуса 4 и фокусирующего электрода 2 покрыты графитом для сорбции отработанного цезия.

На графике Фиг.3 приведена вольт-амперная характеристика устройства, показанного на Фиг.2 (напряжение на ленте ионизатора поддерживалось на ˜0,5 В выше напряжения на фокусирующем электроде, ток коллектора порядка 10 пА измерялся электрометрическим усилителем с сопротивлением 100 ГОм). Фототоки заметного уровня не обнаружены как непосредственно после изготовления, так и после 2500 часов наработки АЛТ. В сравнении с имевшейся конструкцией с масс-спектрометром и вторично-электронным умножителем отношение сигнал-шум улучшилось почти вдвое, что позволяет почти вчетверо увеличить срок службы АЛТ.

Источники информации

1. Патент JP 63076387, H01S 1/06.

2. Патент US 3967115, НКИ 250/251.

3. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. /Под ред. Б.П.Фатеева "Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов". - М.: Сов. радио, 1978, стр.137-138.

1. Устройство индикации атомного пучка, содержащее термический ионизатор атомов, фокусирующий электрод и коллектор ионов, отличающееся тем, что коллектор ионов расположен в диафрагмированном отсеке корпуса и ориентирован для сбора ионов, движущихся перпендикулярно направлению атомного пучка, фокусирующий электрод выполнен объемным с диафрагмами для атомного пучка и для пучка ионов и экранирующим прямое освещение диафрагмы коллекторного отсека светом накаливаемого ионизатора, рабочая часть которого расположена внутри объема фокусирующего электрода, при этом на ионизатор и фокусирующий электрод поданы положительные относительно корпуса устройства электрические потенциалы.

2. Устройство индикации атомного пучка по п.1, отличающееся тем, что термический ионизатор выполнен с косвенным подогревом, причем нагреватель ионизатора электрически изолирован, а фокусирующий электрод электрически соединен с рабочей поверхностью ионизатора.

3. Устройство индикации атомного пучка по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что фокусирующий электрод изготовлен из графита или его поверхность покрыта графитом.