DE6606065U - Teilchendetektor - Google Patents

Description

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41G-11.828H-NÖB (5) C 15 163/21S

Commissariat & 1'Energie Atomique, Paris 15^e (Frankreich)

Teilchendetektor

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.

Für den Nachweis der positiven Ionen eines Plasma- bzw. Ladungsträgerstrphls wurde anfangs ein Sekundärelektronenvervielfacher mit negativ polarisierter erster Dynode benutzt.

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.

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Diese Änderungen der Zählausbeute führen zu großen Schwierigkeiten bei der Untersuchung eines relativ breiten Energiespektrums.

Man ist daher zu Messungen nach einer -Ssintillatioasmethode übergegangen.

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.

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.

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.

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 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.

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.

Ein Ionendetektor der beschriebenen Art wird also nur innerhalb eines begrenzten Energiebereiches eine konstante Zählausbeute liefern.

Ziel der Neuerung ist daher ein Detektor für positiv g@ls.dsas Teilchen, neutrale Teilehen sowie für Photonen, dessen Zählausbeute beim Nachweis von Ionen unabhängig von der kinetischen Energie der Teilchen ist.

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.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart bildet die

aktive Oberfläche des ebenen Targets mit der Achse des Eintrittskanals einen Winkel von 20°.

Eine der wesentlichen Anwendungen der Neuerung ist ein sit ©ines sekundäresifetisrenden Target versehener Ionen

detektor, dessen Eintrittskanal mit einer Injektionsvorrichtung für Ionen ausgestattet ist, die eine elektrostatische Linse umfaßt.

Es wurde bereits darauf hingewiesen- daß sich der Sekundäremissionskoeffizient des Targets relativ wenig mit der Energie des untersuchten Teilchenbündels ändern soll.

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.

Eine nuaerisGhe Berechnung der Bahnen rechtfertigt

diese Bedingung und seigt, daß die Änderung des Einfallwinkels dann keine wesentliche Veränderung der Zählausbeute bringt.

Eine Auswahl bzw. Ausblendung der Ionen gemäß ihrer Energie ist mit Hilfe einer mit einem Fenster versehenen Maske oder Abdeckung für den Szintillator möglich.

Um eine bedeutende Feldemission an der oberfläche des Targets zu verhindern, soll die elektrische Feldstärke überall geringer als 5000 V/mm sein.

Die Neuerung betrifft ebenfalls verschiedene sekundäre Anordnungen, die im nachfolgenden angegeben werden und sich insbesondere auf die Ausführung des neuerungsgeaäßen Detektors beziehen.

Dieser Detektor von einfacher Bauart und sicherer Betriebsweise ermöglicht die Durchführung von Messungen innerhalb eines sehr breiten Energiebandes·

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:

Fig. 1 und 2 den interessierenden bzw. empfindlichen Teil der "Optik" eines Ionendetektors bekannter Art (Fig. 1) und gemäß der Neuerung (Fig. 2); und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Sahlausbeüte der Detektoren gemäß Fig. 1 und 2 in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Ionen.

Vor der Besehreibung des neuerungsgemäßen Teilchendetektors werden kurz die wesentlichen Phasen der Entwicklung uarissen, die zur Festlegung seiner Merkmale geführt haben.

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 Oberfläche

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die Eintrittsrichtung der Teilchen schneidet und das zu dieser Richtung geneigt ist.

Trotz einer solchen besonderen Anordnung muß man natürlich sicherstellen« daß alle Bahnen der vom Target emittierten Elektronen auf dem Szintillator enden.

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.

Zur Erfüllung dieser Bedingung wählt man eine Spannung für die Beschleunigung der vom Target emittierten Elektronen von über 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.

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.

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.

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.

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 Ionen

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.

Man kann ohne weiteres feststellen, daß die Ionen, gleichgültig wie groß auch ihre Energie ist, Elektronen auslösen, welche zum Szintillator hin beschleunigt werden.

Es wurden mehrere Teilchendetektoren dieser Art ausge-

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·

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.

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.

Claims (4)

1. S=S

   t · · t

   Schutzansprüche

   1· 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 dar 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, dadurch gekennzeich net, daß dieses Target (6¹; Pig. 2) die Achse (Δ) des Eintrittskanals des Teilchenstrahls schneidet und gegenüber dieser geneigt ist. __—
2. 2. Teilchendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Target (6¹) und Eintrittskanal im wesentlichen gleich 20° ist.
3. 5. Ionendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittskanal mit einer Ioneninjektionsvorrichtung ausgestattet ist, die eine elektrostatische Linse (22a) umfaßt.
4. 4. Ionendetektor nach Anspruch 3* gekennzeichnet durch eine Maske des Szintillator (7)* die mit einem Fenster für die Auswahl von Ionen entsprechend ihrer Energie versehen ist.