1. ЦИЛИНДР ФАРАДЕЯ

Принцип действия цилиндра Фарадея основан на поглощении заряженной компоненты ливней, образующихся в результате прохождения ускоренных заряженных частиц пучка ускорителя через вещество поглотителя. На рис. IV.2 приведена принципиальная схема механизма измерения тока пучка с помощью цилиндра Фарадея. Ток пучка ускоренных частиц попадает на дно цилиндра, установленного на пути пучка. Наибольшая доля частиц рассеивается и поглощается в массивной донной части цилиндра толщиной Ьпогл. Относительно небольшое количество частиц может отражаться от донной части и проходить через нее Возникающий на цилиндре за счет поглощения частиц падающего пучка заряд стекает через измерительный прибор на землю. По величине тока прибора можно судить о токе пучка На показания прибора оказывают влияние токи утечки на землю определяемые способом и сопротивлением изоляции цилиндра Фарадея от земли и добавочный ток обусловленный оседанием на корпусе цилиндра свободных ионов или электронов. Расчет основных

размеров цилиндра Фарадея и т. д.) проводится на основе теории взаимодействия ускоренных частиц с веществом и экспериментальных исследований. Основным параметром при расчете является абсолютная точность, требуемая от измерителя.

Рис. IV.2. Цилиндр Фарадея

Относительная погрешность измерения определяется в общем случае выражением

где

— для отрицательно заряженных частиц,

— для положительно заряженных частиц.

Ток проницаемости зависит от длины поглощающей части и длины свободного пробега частиц заданной энергии в веществе поглотителя К при

Как видно из выражения IV.2, для уменьшения тока проницаемости необходимо выбирать длину поглощающей части

Величина тока отражения определяется углом вылета отраженных частиц углом отражения частиц уотр и коэффициентом отражения для материала поглотителя:

Для снижения Готр дно необходимо изготавливать из материала с небольшим атомным весом (углерод, графит), имеющего малый

коэффициент отражения и большой угол отражения . С целью уменьшения угла вылета геометрия передней части цилиндра должна быть проходной и отношение — надо выбирать меньше единицы, так как

Кроме того, для уменьшения тока отражения в раструбе проходной части цилиндра Фарадея желательно установить постоянный магнит, поле которого возвращает часть отраженных частиц на корпус цилиндра. Уменьшение тока утечки достигается хорошей изоляцией цилиндра Фарадея от земли. Для этого используют высококачественные изоляционные материалы с большим сопротивлением утечки (полистирол, фторопласт и т. Собирание ионов или электронов, появляющихся в окрестности цилиндра Фарадея, уменьшается при заключении цилиндра в вакуумный кожух. При этом степень разряжения зависит от абсолютной точности, требуемой от интегратора. Так, например, если требуется, чтобы положительными ионами нейтрализовалось меньше 0,01% заряда пучка, необходимо давление в кожухе порядка 0,001 ( мм рт. ст.).

Основной статической характеристикой цилиндра Фарадея является зависимость между током измерительного прибора или падением напряжения на сопротивлении включаемом между цилиндром Фарадея и землей, и током пучка Она обычно выбирается по возможности линейной в больших диапазонах изменения тока пучка путем разработки соответствующей конструкции цилиндра Фарадея в зависимости от энергии частиц пучка.

Отличие коэффициента передачи или - от единицы объясняется указанными выше причинами.

Динамические характеристики цилиндра Фарадея определяются емкостью цилиндра на землю С, специальной интегрирующей емкостью Спнт или инерционностью механической части измерительного прибора Передаточная функция цилиндра Фарадея имеет следующий вид:

где

наличии специальной интегрирующей емкости;

— при отсутствии специальной интегрирующей емкости;

— при использовании в качестве интегратора механической части измерительного прибора.

Выбор конструкции цилиндра Фарадея определяется также условиями его эксплуатации: типом ускорителя, аппертурой пучка, параметрами пучка заряженных частиц и т. д. На рис. IV.3. приведена конструкция цилиндра Фарадея для измерения тока пучка частиц с энергией Погрешность измерения около 0,5%.

Рис. IV.3. Конструкция цилиндра Фарадея для измерения тока пучка заряженных частиц с энергией 40 мэв: 1 — свинец; 2 — сталь; 3 — графит; 4 — магнит; 5 — полиэфирная пленка

Рис. IV.4. Конструкция цилиндра Фарадея для пучка электронов с энергией до 100 мэв: 1 — графитовый стакан; 2 — постоянный магнит

На рис. IV.4 показана конструкция цилиндра Фарадея из свинца для электронов с энергией до Для уменьшения рассеяния электронов в обратном направлении входной телесный угол цилиндра Фарадея сделан достаточно малым (0,6 стер), а внутрь цилиндра помещены графитовый стакан 1 и постоянный магнит 2. Цилиндр Фарадея изолируется от земли полистироловыми кольцами, которые обеспечивают сопротивление утечки, равное ом. Для нормальной работы в вакуумном кожухе цилиндра создается давление, равное

Для этой конструкции цилиндра в табл. IV. 1 приведены основные его размеры в зависимости от энергии измеряемых частиц. При измерениях импульсных и непрерывных пучков, средняя величина тока которых составляет 10 6 а и более, цилиндр Фарадея подключается

Таблица IV .1

Зависимость основных размеров цилиндра Фарадея от энергии измеряемых частиц

непосредственно к микроамперметрам магнитоэлектрической системы. В случаях измерения меньших токов используются интегрирующие схемы с усилителями постоянного тока с отрицательной обратной связью.

Однако необходимо отметить, что измерение тока пучка заряженных частиц с помощью цилиндра Фарадея обладает некоторыми недостатками: большие габариты и большая масса цилиндра Фарадея иногда не позволяют использовать его в рабочих измерениях; измерение токов (особенно больших) затруднительно из-за вторичных явлений и нагрева. При работе на ускорителях желательно постоянно измерять ток пучка, причем в идеальном случае измеритель дает сигнал, пропорциональный общему току пучка, и не вносит искажений в пучок. Это невыполнимо при использовании цилиндра Фарадея. Последний часто используется для градуировки измерителей тока другого типа.