ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 4, с. 16-19
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.9
КАМЕРА ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ МЕДЛЕННО ВЫВЕДЕННЫХ ПУЧКОВ
© 2013 г. В. Н. Асанов, В. Н. Гришин, Н. С. Иванова, А. А. Копырин, А. В. Кошелев, А. В. Ларионов, А. Ф. Лукьянцев, С. В. Маконин, А. А. Матюшин, В. П. Милюткин, В. С. Селезнев, М. А. Слепцов, А. Ю. Сотников, А. Н. Сытин
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 Поступила в редакцию 02.07.2012 г.
Описана камера вторичной злектронной эмиссии для измерения интенсивности протонного пучка в диапазоне 1011—1013 протонов/с. Прибор используется для диагностики интенсивных пучков частиц, выведенных из ускорителя У-70 ИФВЭ. Рассматриваются детали конструкции и особенности технологии производства камеры, приводятся характеристики отдельных ее элементов.
БО1: 10.7868/80032816213030208
ВВЕДЕНИЕ
Явление вторичной электронной эмиссии из поверхностных слоев металлов при прохождении через них заряженных частиц широко применяется для диагностики пучков. Вторично-эмиссионные детекторы (мониторы) дают небольшие по амплитуде сигналы, но имеют хорошую линейность и точность, быстрый отклик и отличную радиационную стойкость. Однако добротная работа таких приборов возможна лишь в среде с высоким вакуумом, когда вкладом от ионизации остаточного газа можно пренебречь.
В ИФВЭ накоплен некоторый опыт по использованию таких приборов для измерения интенсивности протонных пучков [1]. Описываемая в данной статье конструкция отличается от предыдущих тем, что для повышения механической прочности стеклянно-металлический корпус детектора заменен на металлокерамический. Кроме того, вместо насоса с распыляемым геттером, который требует периодического подключения к источнику питания, используется более удобный насос на основе нераспыляемого геттера. Такой геттер активируется при производстве прибора. Для мелкосерийного производства мониторов создан вакуумный стенд на 36 монтажных мест.
В конструкции отпаянной камеры вторичной эмиссии (о.к.в.э.) использованы высоковакуумные материалы, нержавеющая сталь и металлоке-рамические изоляторы. Долговременная и стабильная работа такого прибора в тяжелых радиационных условиях предполагает и неизменность основных параметров используемых материалов. Работа с пикоамперными токами предъявляет также особые требования к токам утечки через
металлокерамические токовводы и стойки электродов. Для откачки газов (в основном Н2), выделяемых в объем камеры из материалов, особенно, при прохождении пучка, используется нераспы-ляемый геттер (NEG) типа St 707 производства компании SAES Getters [2] в виде константановой ленты с двухсторонней активной массой.
КОНСТРУКЦИЯ ОТПАЯННОЙ КАМЕРЫ ВТОРИЧНОЙ ЭМИССИИ
Основу конструкции о.к.в.э. составляют два цилиндра диаметрами 100 и 90 мм, сваренных в виде "перевернутой" буквы "Т" (рис. 1).
Основной цилиндр 1 имеет длину по пучку 134 мм и снабжен тонкими (0.25 мм) входным и выходным окнами 2. Внутри этого вакуумного цилиндра на металлокерамических стойках 3 смонтированы пластинчатые электроды. "Сигнальный" электрод 4 находится между двумя электродами "смещения" 5. Все три электрода имеют диаметр 80 мм, выполнены из нержавеющей стали толщиной 0.25 мм и размещены на изоляторах вдоль пучка с зазором 5 мм. В передней части камеры в форме кольца, свитого из ленты, размещен нераспыляемый геттер St 707 (6). Съем сигнала и подача напряжения смещения осуществляются через вакуумно-плотные вводы 7 и 8. Откачка внутреннего объема производится через медную трубку 9, вваренную в крышку 10. На крышке 11 электрического бокса расположены сигнальный и два высоковольтных разъема, в самом боксе смонтирован ^С-фильтр. Для уменьшения ионизационного вклада в полезный сигнал от проводников в этой воздушной части прибора сигнальный проводник окружен специальным металлическим экраном.
Температура, °С 400
А
300,
200
100
\
\
\
\
\ Тест
Давление,
Температура мониторов
Тест
Давление в стенде
г
Тест
Температура стенда
Время отсечения мониторов _I_I_I_I_
10
20 30 Время, ч
40
мбар 0-4
0-5
0-6
0-7
0-8
0-9
0-10
Рис. 2. Изменение температуры (сплошная кривая) и давления (штриховая кривая) в стенде и, соответственно, в мониторах пучка в течение цикла тепловой обработки.
ловую обработку, состоящую из этапов обезгажи-вания и активации геттера. Ниже приведены параметры геттера:
Рис. 1. Конструкция и основные детали о.к.в.э. 1 — основной вакуумный цилиндр; 2 — входное и выходное окна; 3 — металлокерамические стойки; 4 — "сигнальный" электрод; 5— электрод "смещения"; 6 — нерас-пыляемый геттер 81 707; 7, 8 — вакуумно-плотные вводы; 9 — медная трубка; 10 — крышка; 11 — крышка электрического бокса.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА О.К.В.Э.
Для удаления с поверхности жировых загрязнений и солевых компонентов детали камеры промываются в щелочных растворах и дистиллированной воде с использованием ультразвуковых ванн. После просушки электродная система камеры собирается в чистом помещении с соблюдением требований вакуумной гигиены.
Собранная электродная система проходит электрические испытания на воздухе. Она должна выдерживать напряжение 2500 В без пробоев, при этом ток утечки между сигнальным и высоковольтным электродами должен быть <10-13 А. Повторная проверка проводится после установки сборки в корпус и герметичной сварки торцевых окон.
Сварочные операции выполняются аргоноду-говой сваркой в 100%-ной среде аргона для исключения окисления сварных швов. Сварные швы проверяются на герметичность — течи, превышающие 10-10 л • мбар/с, не допускаются. Далее камера на вакуумном стенде [3] проходит теп-
Длина ленты, см Ширина ленты, см Толщина ленты, мм
Удельное содержание активной массы, г/см
Удельная сорбционная емкость для Н2, см3 ■ атм/г
Полная активная масса, г
Состав композитного порошка активной массы (по весу), %:
— цирконий
— ванадий
— железо
Полная сорбционная емкость для Н2, см3■атм
32 3 0.1 0.2
13.16 6.4
70
24.6
5.4
13.16■ 6.4 = = 84.2
Активация геттера происходит при его нагревании до температуры 350°С и выдерживании при этой температуре в течение 14 ч.
График изменения температуры и давления в стенде и, соответственно, в камере вторичной эмиссии в течение тепловой обработки показан на рис. 2.
Температура нагрева регулируется с помощью двух программируемых устройств, одно из которых подключено к нагревателям трубопровода стенда, другое — к мониторам. В начальной стадии стенд и мониторы нагреваются по одинаковой программе, т.е. нагрев со скоростью 50°С/ч до 220°С и выдержка при этой температуре в течение
0
18
АСАНОВ и др.
Рис. 3. Внешний вид о.к.в.э., установленной на протонной части канала № 21.
Рис. 4. Осциллограмма сигнала о.к.в.э. при медленном выводе (5 • 1011 протонов/с) пучка с энергией 50 ГэВ.
12 ч (сплошная кривая на рис. 2 до точки 16 ч). Затем стенд (нижняя ветка сплошной кривой) охлаждается (естественное охлаждение ~100°С/ч) до температуры 150°С и выдерживается при этой температуре до конца активации. Мониторы (верхняя ветка сплошной кривой) при достигнутой постоянной температуре 220°С сначала проходят проверку на герметичность, после чего их температура поднимается до 350°С с последующей выдержкой в течение 14 ч для активации геттера.
В течение всего цикла тепловой обработки герметичность мониторов проверяется трижды ("Тест" на рис. 2): после монтажа мониторов на стенде (20°С), перед началом активации геттеров (220°С) и после их активации (300°С). После окончания режима активации геттера осуществляется запись парциального давления остаточных газов до момента отсечения мониторов от стенда. Отсечение от стенда выполняется сначала вентилями, а затем пережимом и отрезкой медных трубок специальным инструментом.
Давление остаточного газа в камерах в момент отсечения их вентилями составляет ~5 • 10-10 мбар при температуре 200°С. Рабочий вакуум внутри мониторов в течение срока эксплуатации поддерживается уже активированным нераспыляемым геттером.
Автономность детектора позволяет использовать предварительно откалиброванную камеру на любом протонном канале ИФВЭ.
ПРИМЕНЕНИЕ О.К.В.Э. В ИНТЕНСИВНОМ ПРОТОННОМ ПУЧКЕ ИФВЭ
При медленном выводе протонного пучка из ускорителя У-70 в качестве измерителя интенсивности используется о.к.в.э., установленная перед
мишенью сепарированного ^-мезонного пучка на канале № 21 (рис. 3). В этот канал за время 1—2 с выводятся протоны при максимальной энергии ускорителя У-70 с интенсивностью до 1013 протонов/с.
Осциллограмма формы сигнала о.к.в.э. при медленном выводе (5 • 1011 протонов/с) пучка с энергией 50 ГэВ показана на рис. 4.
Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью преобразователя ток—частота [4], дальнейшая обработка информации об интенсивности пучка осуществляется в УМБ-каркасе электронной аппаратурой, описанной в работе [5].
АБСОЛЮТНАЯ КАЛИБРОВКА ИНТЕНСИВНОСТИ
Вопросы абсолютной калибровки и ее временной стабильности наиболее важны для приборов такого класса. Из литературных источников известно, что наиболее стабильный коэффициент вторичной эмиссии имеют металлические электроды, поверхность которых покрыта золотом [6], или титановые электроды [7]. Однако это все равно не спасает их от деградации при наборе больших интегральных потоков, ~1020 протонов/см2. Поэтому для о.к.в.э. разработки ИФВЭ, электроды которой выполнены из доступной нержавеющей стали, абсолютные калибровки интенсивности проводятся в начале работы и в каждом сеансе. Для этой процедуры используется метод активации фольг [8], прикрепленных к входному фланцу детектора. Полученный коэффициент заносится в программу измерения интенсивности. Точность абсолютной калибровки, типичная для этого метода, составляет ~5%.
*
л
U
CN
Я
и
10000
8000
6000
4000 -
2000 -
Channels: CH21:aiChrY1-CH21:aiBmLoss7
ГМ
10000
8000
6000
04/18/2009 09:00:00
04/18/2009 09:30:00
04/18/2009 10:00:00
04/18/2009 10:30:00
04/18/2009 11:00:00
04/18/2009 11:30:00
04/18/2009 12:00:00
о J
£ «
4000 Я U
2000
Рис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.