Датчик для регистрации корпускулярного излучения

(9) ( ) 5) С 0 9 С 01 Т 700 НИЕ И И Е р ио ельство СС УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 30РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) 1. Е 1 ясЬег К , Нояяшап 1 гп Б.,Меавцгещепг о .БцпсЬепдгЬ Ьу атпойеос 1 сей 1 аяег 71 гп а г 1 ше гево 1 Ш 1 оп оГ 10 р 1 совесопйаЕЕЕТгапя Бцс 1, Бс, 1973, 9 3 - 20, 9 3,549-551.2. Аксенов О.Ю. Система диагноски пучка протонов по ондуляторномуизлучению. - Труды радиотехническоинститута, М., АН СССР, 1980, М 39с. 49-55.3, Авторское свидет СРпо заявке У 2884907,кл. С 01 Т 1/29, 1,980 (прототип). 54)(57) 1, ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержа щий помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучка заряженных частиц, источник светового излучения, систему передачи и регистрации светового излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения временного разрешения, чувствительности и точности, преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы прямоугольного сечения с металлиэированными торцами, а система передачи светового излучения выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов, установленных с о подложкой в виде окисного слоя на диаметрально противоположных поверхностях трубы параллельно оси и иэоли- С рованных от корпуса датчика, и двух передающих волоконных световодов, сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптичес 9 ивй ким элементом.Ю2. Датчик по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что в качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы. 10742583. Датчик по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что в качестве оптического элемента использованы дифракционные решетки.0 Известен также датчик для регистрации параметров пучка на основе получения ондуляторного излучения. , Он достаточно чувствителен и облада- З 5 ет высоким временным разрешением Г 23- Недостаток датчика,связан с потерей значительной части пучка .в измерительном электромагните, называемомвиглером, и внесением возмущений 40 в исследуемый пучок на выходе измерителя, что снижает точность измерений. Кроме того, устройство для получения ондуляториого излучения имеет большие размеры и поэтому не может использоваться для измерений 1Предлагаемое изобретение относится к технической физике, в частности к измерению корпускулярных излучений, и может быть использовано в ускорительной технике, физике вы соких энергий и элементарных частиц, физике сильноточных электронных пучков для измерения параметров пучков заряженных частиц.Известен датчик для регистрации синхронного излучения, который со-. стоит из фотоэлектронного умножителя, канала передачи излучения и схемы регистрации оптического изображения, Синхротронное излучение возникает толь 15 ко при движении электронов по криволинейным траекториям и используется для диагностики пучка в основном иа синхротронах и накопительных кольцах. Поэтому синхротронный датчик нельзя 20 использовать для измерений параметров пучка на прямолинейных участках в динейных ускорителях, что является недостатком. Кроме того, недостат,ком датчика является то, что интен сивность синхротронного излучения ионов при движении по криволинейным траекториям чрезвычайно мала и практически не может быть зарегистрирована современными приборами 11. З 02в процессе формирования, что также является недостатком датчика.Наиболее близким.к изобретению является магнитооптический датчик для регистрации корпускулярного излу" чения, например, параметров пучка заряженных, частиц, содержащий помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучка заряженных частиц, источник светового изб лучения, систему передачи и регистрации светового излучения 13 1.Недостатком устройства является его сравнительно большая инерционность из-за медленного нарастания магнитной индукции в тороиде, а также недостаточная чувствительность. Кроме того, в устройстве имеются потери света из-за несовершенства устройства ввода и вывода света из кристаллов, а также недостаточно точной юстировки кристаллографической оси кристалла с направлением распространения света, что приводит к снижению точности измерений. Наличие в схеме поляризатора и ана-. лизатора для регистрации величины поворота плоскости поляризации приводит к дополнительным потерям света и снижению чувствительности датчика..Целью изобретения является повышение временного разрешения, чувствительности и точностиПоставленная цель достигается тем, что в датчике для регистрации корпускулярного излучения, содержащем помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучка заряженных частиц, источник светового излучения, систему передачи и регистрации светового излучения, преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы3 1074 прямоугольного сечения с металлизированными торцами, а система передачи светового излучения выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов, установленных с подложкой в виде окисного слоя на диаметрально противоположных поверхностях трубы параллельно оси и изолированных от корпуса датчика, и двух передающих волоконных световодов, сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптическим элементом. В качестве оптического элемента можно использовать кварцевые призмы либо дифференционные решетки.На фиг, 1 изображен предлагаемый датчик; на .фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.Датчик содержит помещенный в ме- . таллический корпус 1 преобразователь, чувствительный к электромагнитному полю от пучка заряженных частиц, выходящих из ускорителя 2. От источника светового излучения 3 свет с 25 помощью системы передачи 4 направляется по волоконным световодам 3 в преобразователь. В преобразователе происходит модуляция интенсивности , светового излучения, характеристики которого измеряются оптической системой регистрщии б. Преобразова-. тель выполнен в виде керамической тонкостенной прямоугольного сечения трубы 7 с металлизированными фланцами 8 на торцах.Система передачи светового излучения выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов 9, установленных с подложкой40 в виде окисного слоя 10 на диаметраль но противоположных поверхностях трубы 7 параллельно оси и изолирован" ных от корпуса датчика и двух передающих волоконных световодов 5 соФ45 члененных оптически с полупроводниковыми тонкопленочными световодами 9 оптическим элементом. В качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы 11. В случае воло" конных световодов 5 с низким показа 50 телем преломления и полупроводниковым тонкопленочным световодом 9 из материала с высоким показателем преломления оптическую связь между ними желательно осуществить через дифракционные решетки. Для сравнения интенсивностей света на выходе двух 258 4полупроводниковых световодов служитсхема 12 сравнения интенсивностейсвета. Изолятор 13 установлен междусветоводом и корпусом датчика,Датчик работает следующим образом,Световое излучение от лазера 3 пропускается по полупроводниковым тонкопленочным световодам, расположенным параллельно направлению исследуемого пучка заряженных частицОт пучка возникает электрическое поле, под воздействием которого происходит модуляция интенсивности света,проходящего через полупроводниковыесветоводы, причем величина модуляциисвета определяется амплитудой напряженности электрического поля, которая зависит от тока и положения пучка, поэтому с помощью фотохронографапо величине интенсивности света навыходе полупроводникового световодарегистрируют параметры исследуемогопучка. Величина смещения положенияпучка определяется путем сравненияинтенсивностей света на выходах двухсветоводов.Часть света, прошедшую через полупроводниковый тонкопленочный световод, помещенный в электрическое полепучка, определяется по формуле1 прощ 1 о е ф(1)где 1 - интенсивность света лазерана входе в полупроводнико-вый световод;- коэффициент поглощения света в полупроводниковомсветоводе;2 - длина полупроводниковогосветовода.Так, например, при 3 = 4 см,1 о = 1 Вт, 1 с = 10 1 ш= 4,2.10"ШВтТакие оптические измерения удобнее всего проводить с помощью элект-.ронно-оптических фотохронографов,например камеры "АгатМ", котораяимеет временное разрешение до3 10 9 с при облученности входногофотокатода на длине волны 1,06 мкм -7-10-5 Вт/ммт,Величина коэффициента поглощениясвета в полупроводниковом световоде, помещенном в электрическое поле,определяется сдвигом границы межзонного поглощения полупроводника вдлинноволновую область на основанииэффекта франка-Келдыша. В случаепомещения полупроводникового тонкопленочного световода параллельно пучку на расстоянии К при К ( К с (где Кд- радиус пучка, Ю - длина импульса пучка заряженных частиц), ,коэффициент поглощения можно определить по формуле (при б см с И,) .8 ЙКЫ Г 2 вф )ьи(Зебр 10 где ш - частота светового излучения из лазера;,Я - ширина заряженной зоныАполупроводникового тонкопленочного световода;й 15тп - изотропная эффективная масса носителей в полупроводнике;Ъ - постоянная планка ( % =- 1,05- 10 . Дж/Гц);Е - относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводникового световода;с. - электрическая постоянная(Е = 8 85 10-12 Кл/Н м 2)т, - заряд электрона (1,6 10 Кл);К, - расстояние от пучка до по-,лупроводникового тонкопленочного световода;р - линейная плотность заряда30в пучке заряженных частиц,движущихся по оси датчика,Коэффициент межзонного поглощения не обращается в нуль для энергии фотонов меньшей ширины запрещенной 35 зоны, т.е. быИ, Смещение полосы поглощения будет тем больше, чем меньше эффективная масса носителей тп в полупроводнике.Поэтому выбираем в качестве материала световода арсенид галлия СаАв и пропускаем через него излучение в инфракрасной области ( Л0,8 мкм).Для полупроводникового тонкопле-,45ночного световода СаАз - 1 тА = 1,45 эВ;Е = 12,5; тп = 0,02 ше (где тпемасса электрона; тп = 0,91 10 кг).-З Так, например, для СаАз в области длин волн 0,8-1,2 мкм приложение 50 электрического поля вызывает значительное увеличение коэффициента поглощения (до 10+ см).Пусть, например, полупроводниковый световод установлен параллель но на расстоянии 4 см от оси датчика, а через световод пропускается свет с длиной волны Ъ =. 0,88 мкм,Но оси датчика проходит импульсныйпучок электронов диаметром 1 см, сэнергией И = 0,6 ИэВ, током 110 кА, длительностью т = 30 нм.В этом случае линейная плотностьзаряда пучка составляет величину =3,10Кл/м, а напряженность поляот пучка на расстоянии 4. см будетравна Е = 1,33-10 В/м. Тогда в момент прохождения импульса и при увеличении тока пучка до 10 кА коэффициент поглощения возрастает до100 см " . Таким образом, в моментпрохождения пучка через датчик световое излучение практически полностьюпоглощается в полупроводниковом преобразователе,Следовательно, регистрация параметров пучка заряженных частиц сводится к регистрации характеристиксветового излучения на выходе полупроводникового световода. На полученной фоторегистограмме будет зафиксирована форма импульса, длительностьфронта и среза, период повторениясгустков в микроструктуре импульса,амплитуда сгустков и другие параметры,Положительный эффект от примЬнеНия модуляционно-оптического датчиказаключается в полном отсутствии возмущений и потерь в исследуемом пучке, что позволяет увеличить точностьизмерений, Увеличение временного разрешения достигается за счет использования модуляции света безынерцион-ного полевого эффекта Франца-Келдыша(время нарастания сигнала в преобразовании менее 10 с). Схема датчикасодержит только оптически связанныетонкопленочные и волоконные световоды и не содержит дополнительных оптических анализаторов и поляризаторов, что делает схему практическипрозрачной для анализируемого светового излучения и, следовательно,увеличивается чувствительность датчикаеИспользуемьпт в датчике оптический полупроводниковый тонкопленочныйсветовод из арсенида галлия имеетзатухание 3 дБ/см на длине волны Л =1,06 мкм. Световод выполнен намонокристалле и+-типа с нанесеннойна него пленкой двуокиси кремния,толщиной около 0,3 мкм. На окиснуюпленку после вытравливания в нейпрямоугольного отверстия методом1074258 Кроме использования арсенида гал лия для изготовления полупроводникового тонкопленочного световода,перспективно применение гетероэпитаксиальных структур типа СаАз/А 10 а//п- СаР, которые работают при ма лых напряженностях электрических полей в широком диапазоне частот,обеспечивают жесткость конструкциии хороший теплоотвод. тор,И. Эрдей 31 М 2 ВНИИПИ Г по дел 13035, МоТираж 748 сударственного ком м изобретений и от ква, Ж, Раушска пис Зак Пта СССРтийаб д. 4/5 л ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектн химического осаждения из паровойфазы наносится монокристаллическийФслой СаАз и -тина. При этом ростпленки начинается в вытравленномокне, после чего она наращивается 5поверх окисной пленки. В верхнемэпитаксиальном слое по стандартнойтехнологии вытравливается гребенчатая структура световода высотой0,5 мкм и толщиной 6 мкм. Нижний 10стенкой световода, ограничйвающейраспространение света, является скрытый слой двуокиси кремния, верхнейи боковыми - поверхность разделаарсенид галлия - воздух,Связь между передающим волоконным световодом с низким показателемпреломления (для кварца и = 1,54)и полупроводниковым тонкопленочнымсветоводом из материала с высоким ,показателем преломления (для арсенида галлия и = 3,34) желательноосЧРествить на основе использования ктор С. Титова Техред О,Неце спадающих волновых полей, которыеперекрываются в области, содержащейфазовую дифракционную решетку, являющуюся фазосогласующим элементом,т,е. с помощью дифракционных решеФток. Эффективная апертура "вязи может быть выбрана с учетом уменьшения дифракционного расхождения пучка в пленке. Эффективность вводаизлучения более Ябй при использовании обратноволновых решеток с повышенным отражением.