Датчик для регистрации корпускулярного излучения

 

1. ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРА ЩИ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержа щий помещенный в металлический корпус преобразователь, чувствительный к электромагнитному излучению от пучкЕ заряженных частиг, 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 , и двух передающих волоконных световодов, сочлененных с полупроводниковыми тонкопленочными световодами оптическим элементом.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (!9) (! !) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3476139/18-25 (22) 26.07;82 (46) 15.02.85. Бюл. Ф 6 .(72) Ю.С. Павлов (71) Институт медико-биологических проблем (53) 621.38/.424(088.8) (56) 1. Рischer R, Rossmanith R.

Neasurement of .Bunch-length by .а

mode-locked laser with a time reir

solution of 10 picoseconda-IEEE

Trans Nuc1, Sci, 1973, !(- 3 — 20, Р 3, р. 549-551. 2, Аксенов О.Ю. Система диагностики пучка протонов по ондуляторному излучению. - Труды радиотехнического института. M., АН СССР, 1980, М 39, с. 49-55.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке N - 2884907, кл. G 01 Т 1/29, 1,980 (прототип). (54)(57) 1. ДАТЧИК ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержа4(5!) G 01 Т 1 29 G 01 Т 7 00 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 металлиэированными 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 п. 1, о т л и ч аю щ и и с:я тем, что в качестве оптического элемента использованы кварцевые призмы.

1074258

3. Датчик по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в качестве оптического элемента использованы дифракционные решетки.

Известен также датчик для регистрации параметров пучка на основе получения ондуляторного излучения., Он достаточно чувствителен и облада- З5 ет высоким временным разрешением С23.

Недостаток датчика,связан с потерей значительной масти пучка .в измерительном электромагните, называемом виглером, и внесением возмущений 40 в исследуемый пучок на выходе измерителя, что снижает томность измерений. Кроме того, устройство для получения ондуляториого излучения имеет большие размеры и поэтому не может использоваться для измерений

Предлагаемое изобретение относится к технической физике, в частности к измерению корпускулярных излучений, и может быть использовано в ускорительной технике, физике вы- 5 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 на синхротронах и накопительных кольцах.

Поэтому синхротронный датчик нельзя 20 использовать для измерений параметров пучка на прямолинейных участках в линейных ускорителях, что является недостатком. Кроме того, недостат.ком датчика является ТО> что интен- 25 сивность синхротронного излучения ионов при движении по криволинейным траекториям черезвычайно мала и практически не может быть зарегистрирована современными приборами 513. ЗО

1 2 в 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 изv лучения, систему передачи и регистрации светового излучения 13).

Недостатком устройства является его сравнительно большая инерционность из-за медленного нарастания магнитной индукции в тороиде, а так- . же 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 точности..

Поставленная 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 трубы

3 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 свето- 1ð водов, 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 помощью системы передачи 4 направляется по волоконным световодам 3 в преобразователь. В преобразователе происходит модуляция интенсивности, светового излучения, характеристики которого измеряются оптической системой регистр щии 6. 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 подложкой

4р в виде окисного слоя 10 на диаметрально противоположных поверхностях трубы 7 параллельно оси и изолированных от корпуса датчика и двух передающих волоконных световодов 5 соФ

45 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 показа5р 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 4 полупроводниковых световодов служит схема 12 сравнения интенсивностей света. Изолятор 13 установлен между световодом и корпусом датчика.

Датчик работает следующим образом.

Световое излучение от лазера 3 пропускается по полупроводниковым тонкопленочным световодам, расположенным параллельно направлению исследуемого пучка заряженных частиц..

От пучка возникает электрическое поле, под воздействием которого происходит модуляция интенсивности света, проходящего через полупроводниковые световоды, причем величина модуляции света определяется амплитудой напряженности электрического поля, которая зависит от тока и положения пучка, поэтому с помощью фотохронографа по величине интенсивности света на выходе полупроводникового световода регистрируют параметры исследуемого пучка. Величина смещения положения пучка определяется путем сравнения интенсивностей света на выходах двух световодов.

Часть света, прошедшую через полупроводниковый тонкопленочный световод, помещенный в электрическое поле пучка, определяется по формуле

InP0Q I0 е(1) где 10 — интенсивность света лазера на входе в полупроводнико- вый световод; — коэффициент поглощения света в полупроводниковом световоде;

Ю вЂ” длина полупроводникового световода.

Так, например, при 3 = 4 см, Iî = 1 Вт, k = 10 I îà= 412 10" вВт..

Такие оптические измерения удобнее всего проводить с помощью элект-. ронно-оптических фотохронографов, например камеры "Агат-04М", которая имеет временное разрешение до

3-10 З с при облученности входного фотокатода на длине волны 1,06 мкм—

7-10 0 Вт/мм .

Величина коэффициента поглощения света в полупроводниковом световоде, помещенном в электрическое поле, определяется сдвигом границы межзонного поглощения полупроводника в длинноволновую область на основании эффекта Франка-Келдыша. В случае помещения полупроводникового тонко1074258 пленочного световода параллельно пучку на расстоянии R при К„ < К с ь (где Ro- радиус пучка, Ю - длина импульса пучка заряженных частиц),,коэффициент поглощения можно определить по формуле (при бы сИ„) .

8ЙК KE «Г 2ш", з 2(, 1 Зебр

10 где ш — частота светового излучения из лазера;, — ширина заряженной зоны

А полупроводникового тонкопленочного световода;

Ю 15

m — изотропная эффективная масса носителей в полупроводнике;

- постоянная планка (% =

05 10-Э4 Д „/P ) °

Š— относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводникового световода;

Š— электрическая постоянная (Е = 8, 85 . 10 12 z /Н м );

R — заряд электрона (1,6-10 Кл);

R, — расстояние от пучка до по-, лупроводникового тонкопленочного световода; р — линейная плотность заряда

30 в пучке заряженных частиц, движущихся по оси датчика.

Коэффициент межзонного поглощения не обращается в нуль для энергии фотонов, меньшей ширины запрещенной 35 зоны, т.е. Ьы И . Смещение полосы поглощения будет тем больше, чем меньше эффективная масса носителей

m в полупроводнике.

Поэтому выбираем в качестве материала световода арсенид галлия

СаАв и пропускаем через него излучение в инфракрасной области (Л 7 0,8 мкм).

Для полупроводникового тонкопле-,15 ночного световода GaAs — VA — — 1,45 эВ;

Я = 12э5; m* = 0,072 не (где me масса электрона; m ® = 0,91 -10 кг) .

-9О

Так, например, для GaAs в области длин волн 0,8-1,2 мкм приложение 50 электрического поля вызывает значительное увеличение коэффициента поглощения (до 10+ см -1) .

Пусть, например, полупроводниковый световод установлен параллель- 55 но на расстоянии 4 см от оси датчика, а через световод пропускается. свет с длиной волны Ъ =- 0,88 мкм.

Ilo оси датчика проходит импульсный пучок электронов диаметром 1 см, с энергией M = 0,6 ИэВ, током I„

10 кА, длллтельностью т= 30 нм.

В этом случае линейная плотность заряда пучка составляет величину =

3,7 10 Кл/м, а напряженность поля от пучка на расстоянии 4. см будет равна Е = 1,33-10 В/м. Тогда в момент прохождения импульса и при увеличении тока пучка до 10 кА коэффициент поглощения возрастает до

100 см " . Таким образом, в момент прохождения пучка через датчик световое излучение практически полностью поглощается в полупроводниковом преобразователе.

Следовательно, регистрация параметров пучка заряженных частиц сводится к регистрации характеристик светового излучения на выходе полупроводникового световода. На полученной фоторегистограмме будет зафиксирована форма импульса, длительность фронта и среза, период повторения сгустков в микроструктуре импульса, амплитуда сгустков и другие параметры.

Положительный эффект от примЬнеНия модуляционно-оптического датчика заключается в полном отсутствии возмущений и потерь в исследуемом пучке, что позволяет увеличить точность измерений. Увеличение временного разрешения достигается за счет использования модуляции света безынерцион- ного полевого эффекта Франца-Келдыша (время нарастания сигнала в преобразовании менее 10 зс). Схема датчика содержит только оптически связанные тонкопленочные и волоконные световоды и не содержит дополнительных оптических анализаторов и поляризаторов, что делает схему практически прозрачной для анализируемого светового излучения и, следовательно, увеличивается чувствительность датчика, Используемьй в датчике оптический полупроводниковый тонкопленочный световод из арсенида галлия имеет затухание 3 дБ/см на длине волны Л =

1,06 мкм. Световод выполнен на монокристалле и+-типа с нанесенной на него пленкой двуокиси кремния, толщиной около 0,3 мкм. На окисную пленку после вытравливания в ней прямоугольного отверстия методом

1074258

Кроме использования арсенида галt5 лия для изготовления полупроводникового тонкопленочного световода,перспективно применение гетероэпитаксиальных структур типа СаАз/А1„Са„„/

/п - СаР, которые работают при ма20 лых напряженностях электрических полей в широком диапазоне частот, обеспечивают жесткость конструкции и хороший теплоотвод.

Корректор,И. Эрдейи

Заказ 314/2 Тираж 748

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 химического осаждения из паровой фазы наносится монокристаллический

I слой GaAs n -тина. При этом рост пленки начинается в вытравленном окне, после чего она наращивается 5 поверх окисной пленки. В верхнем эпитаксиальном слое по стандартной технологии вытравливается гребенчатая структура световода высотой 0,5 мкм и толщиной 6 мкм. Нижний 10 стенкой световода, ограничйвающей распространение света, является скрытый слой двуокиси кремния, верхней и боковыми « поверхность раздела арсенид галлия — воздух.

Связь между передающим волоконным световодом с низким показателем преломления (для кварца n = 1,54) и полупроводниковым тонкопленочным световодом из материала с высоким, показателем преломления {для арсенида галлия и = 3,34) желательно осуществить на основе использования. Редактор С. Титова Техред O.Håöå спадающих волновых полей, которые перекрываются в области, содержащей фазовую дифракционную решетку, являющуюся фазосогласующим элементом, т.е. с помощью:дифракционных решеФ ток. Эффективная апертура "вязи может быть выбрана с учетом уменьшения дифракционного расхождения пучка в пленке. Эффективность ввода излучения более 863 при использовании обратноволновых решеток с повышенным отражением.