Зондовое устройство для измерения параметров потока заряженных частиц

(19) (11) 151) О 01 МИТЕТ СССР Й И ОТКРЫТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОРСКОЧУ СВИДЕТЕЛЬСТ(72) В.3Бузин и Н,С.Зинченко (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиофизики и электроники АН УССР(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 УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащее металлический цилиндрический зонди механизмвращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюобеспечения раздельного и одновременного измерения параметров двухвстречных потоков заряженных частицс произвольными значениями скоростей, зонд выполнен из двух полуцилиндров с изолирующим зазором, ориентированным перпендикулярно осисимметрии потоков.Изобретение относится к устройствам измерения параметров и характеристик потоков заряженных частици вяжет найти применение в электронной ионной оптике, электронном и ионномоборудовании, а также в различных 5научных исследованиях.Известно устройство вибрирующегозонда, состоящего из сплошногоцилиндрического зонда, который попеременно пересекает измеряемый пучок 10электронов перпендикулярно осипоследнего, 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 мето.да вибрирующего зонда, представляющая несколько экранированных зондовразной длины, укрепленных на вращающемся диске, При вращении диска зоныпоследовательно пересекают пучок понескольким различным траекториям,Перехватываемый зондами ток создаетна сопротивлении напряжение, которое .регистрируется на осциллографе (зондовый ток) Я .Наиболее близким к предлагаемомуявляется зондовое устройство дляизмерения параметров потоков заря.женных частиц, содержащее металли- ЗОческий цилиндрический зонд и механизмвращения его вокруг оси, параллельной оси симметрии потока 3 .а . Зонд пересекает исследуеьий потокэлектронов перпендикулярно его оси 35и отбирает небольшую часть его тока.При кривой отбираемого (зондового)тока можно анализировать параметрыэлектронного потока или сформированного пучка. 40Недостатком известного устройстваявляется принципиальная невозможностьнепосредственно исследовать встречныепотоки заряженных частиц (электроновили ионов) вследствие того, чтосплошной зонд отбирает и измеряет 45суммарный ток противоположно направ"ленных потоков и поэтому остаютсянеизвестными параметры:. и характеристики каждого из них.Цель изобретения - раздельное и 50одновременное измерение параметровдвух встречных потоков заряженных частиц с произвольными значениями скоростей.Поставленная цель достигается 55тем, что в зондовом устройстве дляизмерения параметров потока заряженных частиц, содержащем металлическийцилиндрический зонд и механизм вращения его вокруг оси, параллельнойоси симметрии потока, зонд выполнениэ двух полуцилиндров с изолирующимзазором, ориентированным перпендику"лярно оси симметрии потоков,Это обесПечивает их электрическуюизоляцию при сохранении цилиндричес кой симметрии зонда в целом. Зондиэ двух полуцилиндров обеспечиваетмалое возмущение пучков, малый перехват пучка не своего" потока ивозможность применения известныхсоотношений между зондовыми токамии радиальным распределением плотнос-ти тока пучка.Полуцилиндры расположены другпротив друга так, что зазор междуих плоскими поверхностями имеет .малую одинаковую величину по всейдлине. Зазор между двумя полуцилиндрами ориентирован перпендикулярно кнаправлению 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 наФиг. 4 - осциллограмма зондовых токов,,Зондовое устройство содержитметаллический цилиндрический зонд,состоящий иэ двух полуцилиндров 1и 2, электрически изолированныхдруг от друга. Изоляция полуцилиндров 1 и 2 может быть осуществлена,например, с помощью изолирующейпрокладки 3 либо путем нанесения накерамический цилиндр 4 металлических покрытий, образующих полуцилиндры.1 и 2. Диаметры полуцилиндров1 и 2 одинаковые и имеют малые размеры по сравнению с диаметрами измеряемых потоков (меньше 0,1 последних), что обеспечивает малоеискажение измеряемых потоков и приемлемую разрешающую способность.Общая длина зонда значительнобольше диаметра измеряемых потоков,так что положение зонда, приходящеесяна край потока (пучка) и на егоцентр, составляет малый угол и пересечение потока зондом можно считатькак параллельное его перемещение.Эксперименты показывают, что придиаметре полуцилиндров 1-2 мм, зазоре между ними 0,05-0,15 ьею и длинезонда 100-120 мм кривые эондовыхтоков имеют плавный вид при диаметрепотоков 10-20 ьею, обеспечивая хорошую точность измеренияЦилиндрический зонд жестко закреплен на вращающейся оси 5, ориентированной параллельно оси симметрии измеряемых корпускулярных потоков (электронных или ионных). Ось 5 ваку- умно уплотнена в дне б 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 собоих полуцилиндров 1 и 2 зонда,защищенная от попадания рассеянныхзаряженных частиц защитным экраном(на фиг. 3 не показан) и связаннаясвоими контактами с индикатором, например двухлучевым осциллографом 11. 5Устройство работает следукщим образом.Аксиально-симметричный (сплошнойили полый) электронный пучок, сформированный электронной пушкой (на 10 фиг. 3 не показана) движется с определенной скоростью вдоль заданногонаправления (например, сверху), его границы на Фиг. 3 показаны сплошными линиями, а направление движения стрелкой. Навстречу ему движетсявторой пучок (на фиг. 3 его границы показаны пунктирными линиями), Скорости его электронов могут как угодно отличаться от скорости электронов первогопучка. Измерительный зонд при своем вращении общей оси 5 пересекаетоба пучка перпендикулярно ихоси 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 второго (встречного) пучка. Токи от полуцилиндров 1 и 2 по отводящим проводникам проходят через сопротивления, создавая на них разности потенциалов, которые регистрируются 35 двухлучевым осциллографом 11Приведенные 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. Осциллограмьаю получены в опытах, в которых второй, идущий снизу, пучоксоставляют электроны, отраженныеот 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 ное распределение потенциала в обоих пучках. Распределение плотности тока по зондовым характеристикам рассчитываются по известным соотношениям. 65 Определение радиуса пучка можновыполнить по следующей формуле:где к - длина зонда расстояние отцентра пучка до центраоси вращения);и =- - число оборотов;- время одного оборота зонда;ТЙ - время пребывания зонда впределах сечения пучка(определяется по осциллограммам),Предложенное зондовое устройствопригодно для измерений различныхпучков с любыми скоростями заряженных частиц, втом числе мощныхэлектронных пучков с первеансами,достигающими значения 10 10 А/В-в э/гПо,сравнению с базовым устройством (прототипом) предложенное обеспечивает принципиально новые возможности исследований - исследование встречных пучков (потоксв) заряжен- 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 аз 4202/38 Тираж 711 Подписио ИИПИ ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная ил ного устройства по сравнению с базовым устройством определяется уменьшевием времени, затрачиваемого на исследования двух встречных пучков, упрощением и ускорением наладки электронно-оптических устройств (ускорителей заряженных частиц,плавильных и рафинирующих печей;дустановок для вакуумной конденсации и т.д.), выбором оптимальныхрежимов электрического питания,в частности, (удельной мощ-5 ности), электронного оборудования,