Датчик плотности тока заряженных частиц

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения амплитудно-временных характеристик потока заряженных частиц (например, электронов) без заметного искажения. Технический результат - расширение условий использования датчика, а также повышение точности и снижение трудоемкости измерений при определении амплитудно-временных характеристик потока заряженных частиц через апертуру прибора. Датчик плотности заряженных частиц имеет полый тороидальный корпус 1 со сквозной кольцевой проточкой 2, выполненной на поверхности тороида и обращенной к его оси. В датчике установлен симметрично относительно его оси по крайней мере один металлический сетчатый экран 3, перекрывающий апертуру датчика и электрически соединенный с ним по всей линии соприкосновения датчика и экрана, при этом расстояние между проточкой и экраном выбирается из соотношения h < V_tx/10, где V - скорость заряженных частиц; tх - характерное время измерения тока. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения амплитудно-временных характеристик пучка заряженных частиц (например, электронов) без заметного искажения его пространственных характеристик.

Известна одновитковая вставка для измерения производной тока. Вставка является индуктивным датчиком тока, содержащим индуктивный шунт в виде объемного тороидального витка, чувствительный зазор которого выполнен с внутренней стороны тороида (журнал IEEE Trans. Anten. and Prop. vol. AP-26, N1, 1978, p. 28). Датчик регистрирует производную тока по времени в центральном проводе коаксиального кабеля. Для измерения тока датчик включается в рассечку коаксиального кабеля.

Индуктивный шунт размещен вокруг коаксиального кабеля, при этом стенка датчика и его чувствительный зазор образуют цельный внешний проводник коаксиального кабеля.

Недостатком этого датчика является то, что он измеряет ток только в конструкционных материалах коаксиальных структур.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является круговой параллельный взаимоиндуктивный датчик (журнал IEEE Trans. Anten. and Prop. vol. AP-26, N 1, 1978, p. 27), взятый за прототип.

Этот датчик используется для измерения производной по времени суммарного тока через апертуру датчика.

Тороидальный корпус датчика имеет сквозную проточку, выполненную на поверхности, обращенной к его оси.

Недостатком прототипа является узкий диапазон условий, в которых может быть использован этот датчик для измерения тока заряженных частиц (только для условий, когда влияние токов смещения незначительно).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение области применения датчика.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и снижение трудоемкости измерений при определении амплитудно-временных характеристик пучка заряженных частиц через апертуру прибора.

Это достигается тем, что в датчик плотности тока заряженных частиц, содержащий полый тороидальный корпус со сквозной проточкой, выполненной на поверхности тороида, обращенной к его оси, дополнительно введен по крайней мере с одной стороны от плоскости проточки металлический сетчатый экран, установленный симметрично оси датчика, перекрывающий его апертуру, и электрически соединенный с ним по всей линии соприкосновения датчика и экрана, при этом расстояние h между проточкой и экраном выбирается из соотношения: где V - скорость заряженных частиц; t_x - характерное время изменения тока заряженных частиц (параметр, характеризующий временную форму измеряемого тока, например длительность фронта импульса, полупериод колебаний).

Соотношение для h следует из необходимости обеспечить приемлемую точность измерений. Суммарный заряд заряженных частиц, находящихся между экраном и проточкой, изменяясь во времени, является причиной динамической погрешности датчика, т. к. к току добавляется ток смещения. Ток смещения, обусловленный этим зарядом, можно найти, воспользовавшись теоремой Гаусса, связывающей электрическое поле и суммарный заряд в объеме где I_p (t) - ток заряженных частиц; I_p^m - амплитуда тока заряженных частиц; Погрешность, обусловленная этим током, равна
При заданном в формуле изобретения ограничении на расстоянии h погрешность не превысит 5%
Введение экрана позволяет при проведении измерений повысить точность измерений за счет того, что экранирующие сетки предотвращают появление на проточке помехового напряжения, создаваемого токами смещения, обусловленных нескомпенсированным зарядом заряженных частиц.

При отсутствии экрана напряжение на зазоре было бы:

где E - электрическое поле нескомпенсированного заряда частиц в плоскости проточки;
t - время;

I_p - суммарный ток заряженных частиц, проходящих через апертуру датчика;
L - индуктивность внутренней полости тороида.

Второе слагаемое в этом выражении характеризует помеховый сигнал:

Сетчатый экран позволяет многократно снизить величину помехового сигнала.

Величина помехового сигнала при наличии экрана составляет:

где K_э - коэффициент экранирования сетчатого экрана.

При проектировании датчика K_э выбирается таким образом, чтобы помеховые сигналы не искажали измерительные сигналы.

На чертеже изображена конструкция датчика плотности тока. Заявляемое устройство содержит: полый тороидальный корпус 1 со сквозной проточкой 2, выполненной на поверхности тороида, обращенной к его оси; металлический сетчатый экран 3, установленный симметрично оси датчика, перекрывающий его апертуру, и электрически соединенный с ним по всей линии соприкосновения датчика и экрана.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При прохождении через апертуру датчика потока заряженных частиц на внутренней стенке тороида возбуждается возвратный ток, затекающий через проточку внутрь тороида, создающий напряжение на зазоре и равный суммарному току заряженных частиц через апертуру датчика:
I_b = j_o S,
где j_o - плотность электронного тока;
S - апертура датчика.

Из-за наличия проточки этот ток вынужден затекать внутрь тороида, создавая на зазоре напряжение, равное:

Для прямоугольного сечения тороидального корпуса:
- индуктивность шунта,
где h, b - размеры поперечного сечения внутренней полости индуктивного шунта,
d_cp - средний диаметр полости шунта.

Под индуктивным шунтом имеется в виду внутренняя полость тороида, так как напряжение на зазоре пропорционально производной по времени измеряемого тока.

Напряжение, возникающее на проточке, снимается с помощью измерительных кабельных линий.

Заявляемое техническое решение прошло практическую проверку. Были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы датчика плотности заряженных частиц.

Изготовленные и испытанные образцы имеют следующие характеристики:
1) чувствительность датчиков L = 0,30 нГн;
2) сопротивление нагрузки датчика - 12,5 Ом;
3) время нарастания переходной характеристики датчика не более 100 пс.

Формула изобретения

Датчик плотности тока заряженных частиц, имеющий полый тороидальный корпус со сквозной кольцевой проточкой, выполненной на поверхности тороида, обращенной к его оси, отличающийся тем, что дополнительно введен по крайней мере один металлический сетчатый экран, установленный симметрично относительно оси датчика, перекрывающий его апертуру, и электрически соединенный с ним по всей длине соприкосновения датчика и экрана, при этом расстояние h между проточкой и экраном выбирается из соотношения

где V - скорость заряженных частиц,
tx - характерное время измерения тока заряженных частиц.

РИСУНКИ

Рисунок 1