SU1074258A1 - Датчик дл регистрации корпускул рного излучени - Google Patents

Abstract

1. ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРА ЩИ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержа щий помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучкЕ зар женных частиг, источник светового излучени , систему передачи и регистрации светового излучени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  временного разрешени , чувствительности и точности , преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы пр моугольного сечени  с металлизированными торцами, а система передачи светового излучени  выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов, установленных с подложкой в виде окисного сло  на диаметрально противоположных поверхност х трубы параллельно оси и изолированных от корпуса , и двух передающих волоконных световодов, сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптическим элементом.

Description

2. Датчик по п. 1, отличающийс  тем, что в качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы.

3. Датчик по п. 1,

отличающий с   тем, что в качестве оптического элемента использованы дифракционные решетки.

1

Предлагаемое изобретение относитс  к технической физике, в частности к измерению корпускул рных излучений , и может быть использовано в ускорительной технике, физике высоких энергий и элементарных частиц, физике -сильноточных электронных пучкоЕ дл  измерени  параметров пучков зар женньпс частиц.

Известен датчик дл  регистрации синхронного излучени , который состоит из фотоэлектронного умножител  канала передачи излучени  и схемы регистрации оптического изображени . Синхротронное излучение возникает толь ко при движении электронов по криволинейным траектори м и используетс  дл  диагностики пучка в основном на синхротронах и накопительных кольцах Поэтому синхротронный да.тх|ик нельз  использовать дл  измерений параметров пучка на пр молинейных участках в линейных ускорител х, что  вл етс  недостатком. Кроме того, недостат;ком датчика  вл етс  то, что. интенсивность синхротронного излучени  ионов при движении по криволинейнь1м траектори м чрезвычайно мала и практически не может быть зарегистрирована современными приборами Cl3.

.. .

Известен также датчик дл  регистрации параметров пучка на основе получени  ондул торного излучени . Он достаточно чувствителен и обладает высоким временным разрешением Г23 Недостаток датчика ,св зай с потерей значительной части пучка в измерительном электромагните, называемом виглером, и внесением возмущений в исследуемый пучок на выходе измерител , что снижает очность измерений . Кроме того, устройство дл  получени  ондул торного излучени  имеет большие размеры и поэтому не может использоватьс  дл  измерений

в процессе формировани , что также  вл етс  недостатком датчика.

Наиболее близким.к изобретению  вл етс  магнитооптический датчик дл  регистрации корпускул рного излучени , например, параметров пучка зар женных, частиц, содержащий помещеный в металлический корпус преобразователь , чувствительный к электромагнитному излучению от пучка зар женных частиц, источник светового излучени , систему передачи и регистрации светового .излучени  f3.

Недостатком устройства  вл етс  его сравнительно больша  инерционность из-за медленного нарастани  магнитной индукции в тороиде, а также недостаточна  чувствительность. Кроме того, в устройстве имеютс  потери света из-за несовершенства устройства ввода и вывода света из кристаллов, а также-недостаточно точной юстировки кристаллографической оси кристалла с направлением распространени  света, что приводит к снижению точности измерений. Наличие в схеме пол ризатора и анализатора дл  регистрации величины поворота плоскости пол ризации приводит к дополнительным потер м света и снижению чувствительности датчика . ., , -.,

.Целью изобрётени   :вл етс  повышение временного разрешени , чувствительности и точности..

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в датчике дл  регистрации корпускул рного излучени , содержа;1цем помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излученгао от пучка зар женных частиц, источник светового излучени , систему передачи и регистрации светового излучени , преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы пр моугольного сечени  с металлизированными торцами, а система передачи светового излучени  выполнена в виде двух полупроводниковых тонкопленочных световодов, установленных с подложкой в виде окисногосло  на диаметрально противоположных поверхност х трубы параллельно оси и изолированных от корпуса датчика, и пвух передающих волоконных световодов , сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптическим элементом. В качестве оптического элемента можно использо вать кварцевые призмы либо дифференционные решетки. На фиг. Т изображен предлагаемый датчик; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Датчик -содержит .помещенньй в ме- таллический корпус 1 преобразовател чувствительный к электромагнитному толю от пучка зар женных частиц, выход щих из ускорител  2. От источ ника светового излучени  3 свет с помощью системы передачи 4 направл  етс  по волоконным световодам 5 в преобразователь. В преобразователе происходит модул ци интенсивности , светового излучени , характеристики которого измер ютс  оптической системой региСтрнцйи 6. Преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной пр моугольного сечени  трубы 7 с металлизированными фланца ми 8 на торцах. Система передачи светового излучени  выполнена в виде двух, полупроводниковых тонкопленочных световодов 9, установленных с подложкой в виде окисного сло  диаметра но противоположных поверхност х тру бы 7 параллельно оси и изолированных от корпуса датчика и двух передающих волоконных световодов 5, сочлененных оптическй с полупроводниковыми тонкопленочными световодами 9 оптическим элементом. В качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы 11. В случае волоконных световодов 5 с низким показа телем преломлени  и полупроводников тонкопленочным световодом 9 из мате риала с высоким показателем преломлени  оптическую св зь между ними желательно осуществить через дифрак ционные решетки. Дл  сравнени  ийтенсивнрстей света на выходе двух полупроводниковых световодов служит схема 12 сравнени  интенсивностей света. Изол тор 13 установлен между световодом и корпусом датчика. Датчик работает следующим образом . Световое излучение от лазера 3 пропускаетс  по полупроводниковым тонкопленочным световодам, расположенным параллельно направлению исследуемого пучка зар женных частиц. От пучка возникает электрическое поле , под воздействием которого происходит модул ци  интенсивности света, проход щего через полупроводниковые световоды, причем величина модул ции света определ етс  амплитудой напр женности электрического пол , кото-ра  зависит от тока и положени  пучка , поэтому с помощью фотохронографа по величине интенсивности света на выходе полупроводникового световода регистрируют параметры исследуемого пучка. Величина смещени  положени  пучк-а определ етс  путем сравнени  интенсивностей света на выходах двух свет.оводов. Часть света, прошедщую через полупроводниковый тонкопленочный световод , помещенный в электрическое поле пучка, определ етс  по формуле т 1 прош где Ijj - интенсивность света лазера на входе в полупроводниковьй световод; k - коэффициент поглощени  света в полупроводниковом световоде; 2 - длина полупроводникового световода. Так, например, при J 4 см, 1о 1 Вт, k 10 Inpou, 4,2-10- Вт.. Такие оптические измерени  удобнее всего проводить с помощью элект-г ронно-оптических фотохронографов, например камеры Агат-04М, котора  имееФ временное /разрешение до 3-10 с при облученности входного фотокатода на длине волны 1,06 мкм 7-103 Вт/мм2. Вел ичина коэффициента поглощени  света в полупроводниковом световоде , помещенном в электрическое поле, определ етс  сдвигом границы межзонного поглощени  полупроводника в длинноволновую область на основании эффекта Франка-Келдыша. В случае помещени  полупроводникового тонкопленочного световода параллельно пучку на рассто нии R при R R (где радиус пучка, Е- длина импульса пучка зар женных частиц), .коэффициент поглощени  можно определить по формуле (при ) . -CW -t,uj) ш - частота светового излучени  из лазера;; УЛ - пшрина зар женной зоны полупроводникового тонкопленочного световода; m - изотропна  эффективна  мас са носителей в полупроводнике; t) - посто нна  планка ( ti , 1,05-10- Дж/Гц); - относительна  диэлектричес ка  проницаемость материала полупроводникового све товода; 6-0 - электрическа  посто нна  ( „ 8,85-10- KnVH м2); - зар д электрона (1,6-1(Г1(л R . - рассто ние от пучка до полупроводникового тонкопленочного световода; р - линейна  плотность зар да в пучке зар женных частиц, движущихс  по оси датчика Коэффициент межзонного поглощени не обращаетс  в нуль дл  энергии фотонов, меньшей ширины запрещенной зоны, т.е. ft ш с W. Смещение полосы поглощени  будет тем больше, чем меньше эффективна  масса носителей т в полупроводнике. Поэтому выбираем в качестве материала световода арсенид галли  GaAs и пропускаем через него излучение в инфракрасной области ( Л 0,8 мкм) . Дл  полупроводникового тонкопленочного световода GaAs - Уд 1,45 эВ; 12,5; т 0,072 mg (где масса электрона; mg 0,91 - ) , Так, например, дл  GaAs в области длин волн 0,8-1,2 мкм приложение электрического пол  вызывает значительное увеличение коэффициента поглощени  (до -10 см - 1).

Пусть, например, полупроводниковый световод установлен параллельно на рассто нии 4 см от оси датчика , а через световод пропускаетс свет с длиной волны Д 0,88 мкм,

.вого излучени  и, следовательно, увеличиваетс  чувствительность датчика .

Используемый в датчике оптический полупроводниковый тонкопленочный световод из арсенида галли  имеет затухание 3 дБ/см на длине волны Л 1,06 мкм. Световод выполнен на монокристалле п -типа с нанесенной

на него пленкой двуокиси кремни , толщиной около 0,3 мкм. На окисную пленку после вытравливани  в ней пр моугольного отверсти методом 2586 По оси датчика проходит импульсный пучок электронов диаметром 1 см, с энергией W 0,6 МэВ, током 10 кА, длительностью v 30 нм. В этом случае линейна  плотность зар да пучка составл ет величину 3,710 Кл/м, а напр женность пол  от пучка на рассто нии 4 см будет равна Е 1,33-10 В/м. Тогда в момент прохождени  импульса и при увеличении тока пучка до 10 кА коэффициент поглощени  возрастает до 100 . Таким образом, в момент прохождени  пучка через датчик световое излучение практически полностью поглощаетс  в полупроводниковом преобразователе . Следовательно, регистраци  параметров пучка зар женных частиц сводитс  к регистрации характеристик светового излучени  на выходе полупроводникового световода. На полученной фоторегистограмме будет зафиксирована форма импульса, длительность фронта и среза, период повторени  сгустков в микроструктуре импульса, амплитуда сгустков и другие параметры . Положительный эффект от пpимteнeни  модул ционно-оптического датчика заключаетс  в полном отсутствии возмущений и потерь в исследуемом пучке , что позвол ет увеличить точность измерений,Увеличение временного разрешени  достигаетс  за счет использовани  модул ции света безынерционного полевого эффекта Франца-.Келдьша (врем  нарастани  сигнала в преобразовании менее ). Схема датчика содержит только оптически св занные тонкопленочные и волоконные световоды и не содержит дополнительных оптических анализаторов и пол ризаторов , что делает схему практически прозрачной дл  анализируемого светохимического осаждени  из паровой фазы наноситс  монокристаллический слой GaAs n-тииа. При этом, рост пленки начинаетс  в вытравленном окне, прсле чего она наращиваетс  поверх окисной пленки. В верхнем эпитаксиальном слое по стандартной технологии вытравливаетс  гребенчата  структура световода высотой 0,5 мкм и толщиной 6 мкм. Нижний стенкой световода, ограничивающей распространение света,  вл етс  скртый слой двуокиси кремни , верхней и боковыми - поверхность раздела арсенид галли  - воздух.

Св зь между передающим волоконным световодом с низким показателем преломлени  (дл  кварца п 1,54) и Полупроводниковым тонкопленочным световодом из материала с высоким . показателем преломлени  (дл  арсенида галли  п 3,34) желательно осуществить на основе использовани 

спадающих волновых прлей, которые перекрываютс  в области, содержащей фазовую дифракционную решетку,  вл ющуюс  фазрсогласующим элементом,

т.е. с помощью дифракционных решеток . Эффективна  апертура св зи может быть выбрана с учетомуменьшени  дифракционного расхождени  пучка в пленке. Эффективность ввода

излучени  более 86% при использовании обратноволновых решеток с повышенным отражением.

Кроме, использовани  арсенида галЛИЯ дл  изготовлени  полупроводникового тонкопленочного световода,перспективно применение гетероэпитаксиальных структур типа GaAs/А1уGa / GaP, которые работают при малы х напр женност х электрических полей в широком диапазоне частот, обеспечивают жесткость конструкции и хороший теплоотвод.

Claims (3)

1. ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержа-

А Г щий помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучка заряженных частиц, источник светового излучения, систему передачи и регистрации светового излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения временного разрешения, чувствительности и точности, преобразователь выполнен в виде керамической тонкостенной трубы 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.

2. Датчик по π. 1, отличающийся тем, что в качестве оптичёского элемента использованы кварцевые призмы.

3. Датчик по п. 1, о т л и ч βίο щ и й с я тем, что в качестве оптического элемента использованы дифракционные решетки.