DE6606065U - PARTICLE DETECTOR - Google Patents
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Description
Dfp!.-tog, R. Bs-siz u.
DipL-lng. LampmchtDfp! .- tog, R. Bs-siz u.
DipL-lng. Lampmcht
* im - · * in -
41G-11.828H-NÖB (5) C 15 163/21S 41G-11.828H-NÖB (5) C 15 163 / 21S
Commissariat & 1'Energie Atomique, Paris 15e (Frankreich)Commissariat &1'Energie Atomique, Paris 15 e (France)
TeilchendetektorParticle detector
Die Neuerung bezieht sich auf einen Teilchendetektor für positiv geladene Teilchen, neutrale Teilchen und Photonen mit einem axialen Eintrittskanal für diese Teilchen innerhalb eines Vakuumgehäuses« in dem weiter in der Nähe der Achse ein beim Auftreffen der Teilchen Sekundärelektronen emittierendes Target angeordnet ist« auf das die Teilchen auftreffen und ein auf der Photokathode eines Photomultipliers angeordneter Szintillator in Nachbarschaft des Targets zwischen dem und der Photokathode eine Spannung zur Beschleunigung der vom Target emittierten Sekundärelektronen angelegt werden kann.The innovation relates to a particle detector for positively charged particles, neutral particles and photons with an axial entry channel for these particles within a vacuum housing «in which further near the axis one when the particles strike, a secondary electron-emitting target is arranged on which the particles strike and a scintillator arranged on the photocathode of a photomultiplier in the vicinity of the target between the and a voltage can be applied to the photocathode to accelerate the secondary electrons emitted by the target.
Für den Nachweis der positiven Ionen eines Plasma- bzw. Ladungsträgerstrphls wurde anfangs ein Sekundärelektronenvervielfacher mit negativ polarisierter erster Dynode benutzt.For the detection of the positive ions of a plasma resp. Charge carrier stream initially became a secondary electron multiplier used with negatively polarized first dynode.
Bei Verwendung einer solchen Anordnung als Ionendetektor treten jedoch mehrere Schwierigkeiten auf, und zwar ändert sich der Sekundäremissionskoeffizient der ersten Dynode abhängig von der Energie der einfallenden Ionen, und die Zählausbeute wird durch die Vakuumbedingungen und insbesondere durch wiederholte Rückkehr auf Atmosphärendruck beeinflußt.When using such an arrangement as an ion detector, however, several difficulties arise, namely changes the secondary emission coefficient of the first dynode depends on the energy of the incident ions, and the counting efficiency is determined by the vacuum conditions and in particular affected by repeated return to atmospheric pressure.
m 2 - m 2 -
Diese Änderungen der Zählausbeute führen zu großen Schwierigkeiten bei der Untersuchung eines relativ breiten Energiespektrums.These changes in the counting yield lead to great difficulties in investigating a relatively wide range Energy spectrum.
Man ist daher zu Messungen nach einer -Ssintillatioasmethode übergegangen.One is therefore to measurements according to a -Ssintillatioasmethode passed over.
Danach werden die Ionen des untersuchten Bündels in Richtung einer sekundäremittierenden metallischen Scheibe bzw· eines solchen Targets beschleunigt und die von diesem Target emittierten Elektronen werden wiederum in Richtung eines Szintillator beschleunigt und dort in ein Lichtsignal umgewandelt, das von einem Photomultiplier außerhalb des eigentlichen Zählergehäuses nachgewiesen wird.Thereafter, the ions of the examined bundle are directed towards a secondary emitting metallic disc or such a target is accelerated and the electrons emitted by this target are in turn in the direction accelerated by a scintillator and converted there into a light signal that is generated by a photomultiplier outside the actual meter housing is detected.
Fig. 1 zeigt den interessierenden bzw. empfindlichen Teil (der "Optik") eines solchen Detektors. Der Strahl 2 der zu untersuchenden Teilchen wird bei 4 längs der Achse Δ, parallel zur Achse des sekundäremittierten Targets 6 geschickt, das gegenüber dem metallisierten (9) Szintillator auf sin negatives Potential gebracht ist.Fig. 1 shows the interesting or sensitive Part (the "optics") of such a detector. The beam 2 of the particles to be examined is at 4 along the axis Δ, sent parallel to the axis of the secondary emitted target 6, which is brought to sin negative potential compared to the metallized (9) scintillator.
Wie man sieht, ist die empfindliche bzw. nutzbare Fläche δ des Targets 6 parallel zur ursprünglichen Richtung des Strahls angeordnet. Beim Auftreffen von Ionen auf dieses Target werden Elektronen emittiert, die in Richtung des metaiii· sierten Szintillators 7 gelenkt werden.As can be seen, the sensitive or usable area δ of the target 6 is parallel to the original direction of the beam arranged. When ions hit this Target, electrons are emitted, which in the direction of the metaiii based scintillator 7 are steered.
In Fig. 1 sind die Äquipotentialflächen 10, 11, 12, und 14 eingetragen, die Spannungen von 20, 15» 10, 5 und 1 kV entsprechen bei einem Potential des Targets von 25 kV und desIn Fig. 1, the equipotential surfaces 10, 11, 12 and 14 are entered, the voltages of 20, 15 »10, 5 and 1 kV correspond to a potential of the target of 25 kV and des
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Szintillators von Null. Gleichfalls eingezeichnet sind die Bahnen l6, 17, l8, 19, 20 und 22 von positiven Ionen mit Energien von 10 eV, 1 keV, 3 keV, 7 keV, 12 keV und 16 keV sowie die Bahnen (1O1 ... 20.), der von diesen positiven Ionen ausgelösten Sekundärelektronen.Scintillators from zero. The orbits 16, 17, 18, 19, 20 and 22 of positive ions with energies of 10 eV, 1 keV, 3 keV, 7 keV, 12 keV and 16 keV as well as the orbits (10 1 ... 20. ), the secondary electrons released by these positive ions.
Wie die Figur zeigt, treffen Ionen mit einer Energie über 12 keV nicht mehr auf das Target. Weiter einschränkend kann man sagen, daß die Elektronen, die am Target durch Ionen mit einer Energie über 8 keV ausgelöst werden, nicht mehr auf die empfindliche Fläche des Szintillators fallen und somit nicht mehr nachgewiesen werden.As the figure shows, ions with an energy above 12 keV no longer hit the target. Further limiting it can be said that the electrons, which are released at the target by ions with an energy above 8 keV, no longer arise the sensitive area of the scintillator will fall and thus no longer be detected.
Ein Ionendetektor der beschriebenen Art wird also nur innerhalb eines begrenzten Energiebereiches eine konstante Zählausbeute liefern.An ion detector of the type described is therefore only constant within a limited energy range Deliver counting yield.
Ziel der Neuerung ist daher ein Detektor für positiv [email protected] Teilchen, neutrale Teilehen sowie für Photonen, dessen Zählausbeute beim Nachweis von Ionen unabhängig von der kinetischen Energie der Teilchen ist.The aim of the innovation is therefore a detector for positive [email protected] particles, neutral parts as well as for photons, its Counting yield for the detection of ions independent of the kinetic one Is the energy of the particles.
Dieser Detektor, in dem ein Teilchenstrahl auf ein Target gerichtet ist, von dem jeweils beim Auftreffen eines Teilchens ein oder mehrere Elektronen emittiert werden, die in Richtung eines Szintillators beschleunigt werden, an den sich ein Photomultiplier anschließt, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß dieses Target bzw. seine Auftreffläehe die Achse des Eintrittskanals des Teilchenstrahls schneidet und gegenüber dieser geneigt ist.This detector, in which a particle beam is directed at a target, from which each time a particle hits one or more electrons are emitted, which are accelerated in the direction of a scintillator, to the if a photomultiplier is connected, it is essentially characterized in that this target or its area of impact the axis of the entrance channel of the particle beam cuts and is inclined towards this.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart bildet dieAccording to a preferred embodiment, the forms
aktive Oberfläche des ebenen Targets mit der Achse des Eintrittskanals einen Winkel von 20°.active surface of the flat target with the axis of the entry channel an angle of 20 °.
Eine der wesentlichen Anwendungen der Neuerung ist ein sit ©ines sekundäresifetisrenden Target versehener IonenOne of the main applications of the innovation is a sit © ines secondary absorption target provided ions
detektor, dessen Eintrittskanal mit einer Injektionsvorrichtung für Ionen ausgestattet ist, die eine elektrostatische Linse umfaßt.detector, the entrance channel of which with an injection device for ions, which includes an electrostatic lens.
Es wurde bereits darauf hingewiesen- daß sich der Sekundäremissionskoeffizient des Targets relativ wenig mit der Energie des untersuchten Teilchenbündels ändern soll.It has already been pointed out that the secondary emission coefficient of the target should change relatively little with the energy of the examined particle bundle.
Es wurde nun festgestellt, daß die Sekundäremission in Anbetracht der Änderungen dieses Koeffizienten in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Teilchen empfindlich konstant ist, wenn die Energie der zum Szintillator gesandten Elektronen größer als 20 keV ist. Die Spannung zwischen Target und Szintillator soll folglich grSSer als 20 kV sein.It has now been found that the secondary emission in view of the changes in this coefficient as a function of of the angle of incidence of the particles is sensitively constant when the energy of the sent to the scintillator Electrons is greater than 20 keV. The voltage between target and scintillator should therefore be greater than 20 kV.
Eine nuaerisGhe Berechnung der Bahnen rechtfertigtA nuaerisGhe calculation of the orbits justifies
diese Bedingung und seigt, daß die Änderung des Einfallwinkels dann keine wesentliche Veränderung der Zählausbeute bringt.this condition and shows that the change in the angle of incidence then does not significantly change the counting yield brings.
Eine Auswahl bzw. Ausblendung der Ionen gemäß ihrer Energie ist mit Hilfe einer mit einem Fenster versehenen Maske oder Abdeckung für den Szintillator möglich.A selection or masking out of the ions according to their energy is possible with the aid of a window provided Mask or cover for the scintillator possible.
Um eine bedeutende Feldemission an der oberfläche des Targets zu verhindern, soll die elektrische Feldstärke überall geringer als 5000 V/mm sein.In order to generate a significant field emission at the surface of the To prevent targets, the electric field strength should be less than 5000 V / mm everywhere.
Die Neuerung betrifft ebenfalls verschiedene sekundäre Anordnungen, die im nachfolgenden angegeben werden und sich insbesondere auf die Ausführung des neuerungsgeaäßen Detektors beziehen.The innovation also affects various secondary arrangements, which are specified below and themselves refer in particular to the design of the detector according to the innovation.
Dieser Detektor von einfacher Bauart und sicherer Betriebsweise ermöglicht die Durchführung von Messungen innerhalb eines sehr breiten Energiebandes·This detector of simple design and safe operation enables measurements to be carried out within of a very broad energy band
Zum besseren Verständnis der neuerungsgesäßen. Merkmale wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das selbstverständlich keinerlei einschränkenden Charakter haben soll. Es wird Bezug genommen auf die angefügten Zeichnungen; es zeigen:For a better understanding of the innovations. characteristics an exemplary embodiment is described below, which of course has no restrictive character target. Reference is made to the attached drawings; show it:
Fig. 1 und 2 den interessierenden bzw. empfindlichen Teil der "Optik" eines Ionendetektors bekannter Art (Fig. 1) und gemäß der Neuerung (Fig. 2); und1 and 2 the interesting or sensitive part of the "optics" of an ion detector of known type (Fig. 1) and according to the innovation (Fig. 2); and
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Sahlausbeüte der Detektoren gemäß Fig. 1 und 2 in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Ionen.Fig. 5 is a graphic representation of the Sahlausbeüte Detectors according to FIGS. 1 and 2 as a function of the energy of the incident ions.
Vor der Besehreibung des neuerungsgemäßen Teilchendetektors werden kurz die wesentlichen Phasen der Entwicklung uarissen, die zur Festlegung seiner Merkmale geführt haben.Before describing the particle detector according to the innovation the essential phases of development which led to the definition of its characteristics are briefly presented.
Zunächst wurde bei Verwendung eines Ionendetektors der in Fig. 1 gezeigten (bekannten) Art festgestellt, daß mit einem sekiandäremittierenden Target, dessen Ebene aktive Oberfläche parallel zur ursprünglichen Richtung der Ionen ist, keine Ionen mit hoher Energie aufgefangen werden können. Es wurde daher ein Target vorgesehen, dessen aktive OberflächeFirst, when using an ion detector of the (known) type shown in Fig. 1, it was found that with a secondary emitting target whose plane is active Surface is parallel to the original direction of the ions, no ions with high energy can be captured. A target was therefore provided whose active surface
f t *f t *
die Eintrittsrichtung der Teilchen schneidet und das zu dieser Richtung geneigt ist.intersects the direction of entry of the particles and which is inclined to this direction.
Trotz einer solchen besonderen Anordnung muß man natürlich sicherstellen« daß alle Bahnen der vom Target emittierten Elektronen auf dem Szintillator enden.In spite of such a special arrangement, one must of course ensure that all orbits are emitted by the target Electrons end up on the scintillator.
Man muß weiter verhindern, daß sich der Elektronenemissionskoeffizient in beträchtlicher Weise ändert» wenn die Teilchenenergie innerhalb eines gro£jn Bereiches variiert und berücksichtigen, daß der Einfallswinkel der Teilehen am Target bei geladenen Teilchen von ihrer kinetischen Energie abhängt.One must further prevent the electron emission coefficient from increasing changes considerably when the particle energy varies within a wide range and take into account that the angle of incidence of the parts on the target for charged particles depends on their kinetic energy.
Zur Erfüllung dieser Bedingung wählt man eine Spannung für die Beschleunigung der vom Target emittierten Elektronen von über 20 kV.To meet this condition, a voltage is chosen to accelerate the electrons emitted by the target of over 20 kV.
Schließlich soll das elektrische Feld an der Oberfläche der verschiedenen Organe des Detektors 5000 V/mm nicht übersteigen, denn bei höheren Werten treten Schwierigkeiten infolge von Feldemission auf.Finally, the electric field on the surface of the various organs of the detector should not exceed 5000 V / mm, because at higher values difficulties arise due to field emission.
Als Anleitung für die Festlegung der Charakteristiken des neuen Teilchendetektcrs und insbesondere seiner Geometrie sowie zur Erzielung einer bestmöglichen Leistung hinsichtlich des Nachweises von Ionen wurde die Potentialverteilung sowie die Ionen- und Elektronenbahnen näher untersucht.As a guide for defining the characteristics of the new particle detector and especially its geometry as well as to achieve the best possible performance in terms of the detection of ions, the potential distribution as well as the ion and electron trajectories examined more closely.
Die Entwicklung der Struktur eines neuerungsgemäßen Teilchendetektors, dessen "Optik" (insbesondere ihr empfindlicher Teil) in Fig. 2 gezeigt wird, wurde durch Berechnungen erleichtert, die eine an die Laplace-Gleichung und die Bewegungsgleichungen der Ionen angenäherte Lösung liefern.The development of the structure of a particle detector according to the innovation, its "optics" (especially its more sensitive Part) shown in Fig. 2 has been facilitated by calculations based on the Laplace equation and the equations of motion of the ions provide an approximate solution.
Elemente, die in Pig. 1 und 2 gleich sind, tragen die gleichen Bezugszeichen; bei vergleichbaren Elementen wvirden die Bezugszeichen in Fig. 2 mit Indices (') versehen. Diese Elemente werden z.T. nicht nochmals erläutert.Items included in Pig. 1 and 2 are the same, have the same reference numerals; with comparable elements the reference numerals in FIG. 2 are provided with indices ('). Some of these elements are not explained again.
Im übrigen ist bezugnehmend auf Fig. 2 zu bemerken, daß der Eintrittskanal der Teilchen mit einer elektrostatischen Linse 22a versehen ist, in der Weise, daß eine zu starke Auslenkung bzw. Breitenstreuung der Teilchen im Falle von IonenIn addition, it should be noted with reference to Fig. 2 that the entry channel of the particles with an electrostatic Lens 22a is provided in such a way that an excessive deflection or width scattering of the particles in the case of ions
Die aktive bzw. wirksame Oberfläche 24 des Sekundärem! s si ons tar get schneidet die Achse Δ der Eintrittsrichtung der Teilchen und bildet mit dieser einen Winkel von etwa 20°. Es ist zu präzisieren, daß das Vorderende 25 des Targets 6', auf welches die Ionen mit sehr hoher Energie sowie die neutralen Teilchen und Photonen auftreffan, leicht über die Achse Δ hinaus verlängert ist. Der Szintillator 7 sowie das letzte Element der elektrostatischen Linse 22a liegen an Masse, während das Target auf eine Spannung von 25 kV gebracht ist; 10!, II1 ... 14' bezeichnen die verschiedenen Xquipotentiallinien bzw. -flächen, die gleichen Spannungen wie in Fig. 1 entsprechen. 26, 28, 30, ?2 und 34 sind die Bahnen der Ionen mit Energien von 10 eV, 6 keV, 40 keV, 300 keV und mit sehr hoher Energie und 26. ... 34, die Bahnen der vom Target nach Auftreffen dieser Ionen emittierten Elektronen.The active or effective surface 24 of the secondary! s si ons tar get intersects the axis Δ of the entry direction of the particles and forms an angle of about 20 ° with it. It should be specified that the front end 25 of the target 6 ', on which the ions with very high energy and the neutral particles and photons strike, is slightly elongated beyond the axis Δ. The scintillator 7 and the last element of the electrostatic lens 22a are connected to ground, while the target is brought to a voltage of 25 kV; 10 ! "II 1 ... 14" denote the various equipotential lines or areas which correspond to the same voltages as in FIG. 26, 28, 30, 2 and 34 are the orbits of the ions with energies of 10 eV, 6 keV, 40 keV, 300 keV and with very high energy and 26 ... 34, the orbits of the target after they hit it Ions emitted electrons.
Man kann ohne weiteres feststellen, daß die Ionen, gleichgültig wie groß auch ihre Energie ist, Elektronen auslösen, welche zum Szintillator hin beschleunigt werden.One can easily see that the ions, regardless of their energy, are electrons trigger, which are accelerated towards the scintillator.
Es wurden mehrere Teilchendetektoren dieser Art ausge-Several particle detectors of this type have been
führt, deren Charakteristik mit Hilfe einer Ionenquelle untersucht wurde, die ein monokinetisches Ionenbündel liefert. Die Energie dieser Ionen war zwischen 0,5 keV und 150 keV variierbar und es bestand die Möglichkeit, die Zählausbeute des Detektors zu messen·leads whose characteristics are examined with the help of an ion source which delivers a monokinetic ion beam. The energy of these ions could be varied between 0.5 keV and 150 keV and it was possible to measure the counting efficiency of the detector
Anhand einer Versuchsreihe konnte die Überlegenheit des neuen Ionendetektors gegenüber der in Fig. 1 gezeigten (bekannten) Art hinsichtlich der Stabilität bzw. Konstanz der Zählausbeute G (in willkürlichen Einheiten) in Abhängigkeit von der Energie E (in keV) nachgewiesen werden.On the basis of a series of tests, the superiority of the new ion detector compared to the (known) shown in FIG. Type with regard to the stability or constancy of the counting yield G (in arbitrary units) depending on can be detected by the energy E (in keV).
So zeigt Pig. 5 zwei Kurven für G = f (E), von denen die ausgezogene Kurve I für den neuerungsgemäßen Detektor gilt, während die gestrichelte Kurve II für einen Detektor gemäß Fig. 1 erhalten wurde.So shows Pig. 5 two curves for G = f (E), one of which the solid curve I applies to the detector according to the innovation, while the dashed curve II applies to a detector according to Fig. 1 was obtained.
Claims (4)
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