RU2796791C1 - Method, sensor device and displacement measurement system based on quantum properties of atomic beams - Google Patents
Method, sensor device and displacement measurement system based on quantum properties of atomic beams Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796791C1 RU2796791C1 RU2022113073A RU2022113073A RU2796791C1 RU 2796791 C1 RU2796791 C1 RU 2796791C1 RU 2022113073 A RU2022113073 A RU 2022113073A RU 2022113073 A RU2022113073 A RU 2022113073A RU 2796791 C1 RU2796791 C1 RU 2796791C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detector
- fragment
- particles
- time
- elements
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 25
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 10
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 5
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 claims 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 36
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 29
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 8
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 7
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 5
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000595 mu-metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006243 Fine Thermal Substances 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000000546 chi-square test Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- VAWNDNOTGRTLLU-UHFFFAOYSA-N iron molybdenum nickel Chemical compound [Fe].[Ni].[Mo] VAWNDNOTGRTLLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- MYWUZJCMWCOHBA-VIFPVBQESA-N methamphetamine Chemical compound CN[C@@H](C)CC1=CC=CC=C1 MYWUZJCMWCOHBA-VIFPVBQESA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 1
- BKVIYDNLLOSFOA-UHFFFAOYSA-N thallium Chemical compound [Tl] BKVIYDNLLOSFOA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Предлагаемое изобретение относится к устройствам измерения кинематических параметров перемещения объектов в пространстве в режиме реального времени.The present invention relates to devices for measuring the kinematic parameters of the movement of objects in space in real time.
Настоящее изобретение предназначено для применения на перемещающихся объектах, где необходимо точное знание параметров эволюции объекта.The present invention is intended for use on moving objects where precise knowledge of the object's evolution parameters is required.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
При патентном поиске прямых аналогов заявляемому изобретению обнаружено не было.During the patent search, no direct analogues of the claimed invention were found.
Сущность изобретения и описание чертежейSUMMARY OF THE INVENTION AND DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Способ работы датчика измерений перемещений (ДИП) основан на использовании свойства инерции атомного (молекулярного) пучка [1] и свойств атомных переходов возбужденных атомов [29] с активированным «часовым» переходом. Для удобства описания -разобьем его условно на блоки, контуры и объемы, каждый из которых выполняет определенные функции («декомпозиция» [2]) и в сумме они обеспечивают работу ДИП. На Фиг. 1 показана схема выбранного условного деления ДИП на функциональные блоки, контуры и объемы согласно изобретению.The method of operation of a displacement measurement sensor (DMS) is based on the use of the inertia property of an atomic (molecular) beam [1] and the properties of atomic transitions of excited atoms [29] with an activated "clock" transition. For convenience of description, let's conditionally divide it into blocks, contours and volumes, each of which performs certain functions ("decomposition" [2]) and in total they ensure the operation of the DIP. On FIG. 1 shows a diagram of the selected conditional division of the DIP into functional blocks, contours and volumes according to the invention.
В реализации ДИП используются ионные пучки [3] для выбора ионов с определенными (заданными) скоростями с целью формирования на их основе в необходимых случаях (выбор для реализации не ионов, а атомов и молекул) монохроматических атомных или молекулярных пучков.In the implementation of DIP, ion beams are used [3] to select ions with certain (given) velocities in order to form monochromatic atomic or molecular beams on their basis, if necessary (the choice for the implementation of not ions, but atoms and molecules).
Термины - «атомные (молекулярные) пучки» и «часовой» переход» применяются в атомных часах (атомные стандарты частоты) и означают направленные потоки молекул или атомов, движущихся в вакууме практически без столкновений друг с другом и частицами остаточного газа, кроме того, атомные (молекулярные) пучки подразумевают малые среднеквадратичные отклонения в величинах продольных скоростей частиц пучка от средней величины и близкие к нулю среднеквадратичные отклонения поперечных скоростей частиц. Термин «активированный «часовой переход» - означает, что частица (атом, молекула) переведена в возбужденное короткоживущее квантовое состояние с энергией выше энергии основного состояния и, если на частицу не оказывают внешнего воздействия, то через какое-то время происходит спонтанный переход в основное состояние, при котором излучаются кванты сверхузкой спектральной линии с базовой частотой fb и относительной шириной спектральной линии Дfb/fb<10-9.The terms - "atomic (molecular) beams" and "clock"transition" are used in atomic clocks (atomic frequency standards) and mean directed flows of molecules or atoms moving in vacuum practically without collisions with each other and particles of the residual gas, in addition, atomic (molecular) beams imply small standard deviations in the values of the longitudinal velocities of the beam particles from the average value and close to zero standard deviations of the transverse particle velocities. The term "activated" clock transition "- means that the particle (atom, molecule) is transferred to an excited short-lived quantum state with an energy higher than the energy of the ground state, and if the particle is not externally affected, then after some time a spontaneous transition to the ground state occurs. a state in which quanta of an ultra-narrow spectral line are emitted with a base frequency f b and a relative width of the spectral line Df b /f b <10 -9 .
I. Конфигурация устройства на единичном элементе ДИП.I. Device configuration on a single DIP element.
Составными частями элемента устройства ДИП - Фиг. 1 - являются:The component parts of the DIP device element - Fig. 1 - are:
колонна (генератор) фокусируемого ионного пучка (ФИП) [4] - (1), с фирменным блоком питания (2);column (generator) of a focused ion beam (FIB) [4] - (1), with a proprietary power supply (2);
блок вакуумирования ФИП-колонны (3);FIP-column evacuation unit (3);
блок терморегулирования ФИП-колонны (4);thermal control unit FIP-column (4);
блок дистанционного управления ФИП-колонны (5);FIP-column remote control unit (5);
несущая оболочка устройства на единичном элементе ДИП - цилиндрическая труба из нержавеющей стали, запаянная с одной стороны, внешний диаметр 1 см, толщина стенки 300 мкм (6);carrier shell of the device on a single DIP element - a cylindrical stainless steel pipe, sealed on one side,
оболочка пассивной электромагнитной защиты - 5 пар слоев защитных материалов (7); термостатический кожух - набран из пластин шестислойных элементов Пельтье (8);shell of passive electromagnetic protection - 5 pairs of layers of protective materials (7); thermostatic casing - assembled from plates of six-layer Peltier elements (8);
старт-детектор ДИП с дезонансным синхронным фазовым детектором измерения профиля ионного пучка (9);DIP start-detector with a desonant synchronous phase detector for measuring the ion beam profile (9);
компенсатор электрического заряда ионного пучка (10);ion beam electric charge compensator (10);
активатор «часового» перехода атомного пучка (11);activator of the "clock" transition of the atomic beam (11);
массив оконечных детекторов на элементах LGAD для регистрации атомов пучка, пиксельного типа считывания (12);an array of terminal detectors based on LGAD elements for registration of beam atoms, pixel readout type (12);
массив оконечных детекторов на элементах SiPM для регистрации фотонов «часового» перехода, пиксельного типа считывания (13);an array of terminal detectors based on SiPM elements for registering photons of the “clock” transition, pixel readout type (13);
2-х канальный контур электропитания и контур вакуумирования устройства на единичном элементе ДИП (14);2-channel power supply circuit and device evacuation circuit on a single DIP element (14);
центр управления, коммуникаций и обработки данных - вычислитель устройства на единичном элементе ДИП (15);control center, communications and data processing - device calculator on a single DIP element (15);
вакуумное уплотнение несущей оболочки устройства на единичном элементе ДИП (16);vacuum sealing of the carrier shell of the device on a single DIP element (16);
рабочий объем устройства на единичном элементе ДИП (17).working volume of the device on a single DIP element (17).
Фокусированные ионные пучки.Focused ion beams.
Ионные пучки получают с помощью ионных источников [5] различных типов. Далее ионы с помощью постоянно приложенной ускоряющей разности потенциалов втягиваются в блок электрической и магнитной фокусировки, который формирует цилиндрический пучок ионов.Ion beams are obtained using ion sources [5] of various types. Further, the ions are drawn into the electrical and magnetic focusing unit with the help of a constantly applied accelerating potential difference, which forms a cylindrical ion beam.
Для реализации ДИП используется «фокусируемый ионный пучок» (ФИП; Focusedionbeam (FIB); [4]) в виде одного из нескольких типов серийно выпускаемых ионных колонн типа TomahawkTM фирмы FEI, [6] или изделия фирмы Raith [7], которые обеспечивают получение цилиндрического фокусированного ионного пучка (положительные ионы Н, Li, Be, В, С, Si, Со, Ga, Ge, Au, Bi и др. элементов и веществ) поперечным сечением 1 мкм или меньше, управляемым ускоряющим напряжением до 30 кВ (что перекрывает диапазон энергий ионов 0,01 эВ - 30 кэВ), током до 50 нА (3,125 1010 ионов/с), разбросом по энергиям 5-10 эВ.To implement FIB, a "focused ion beam"(FIB; Focusedionbeam (FIB); [4]) is used in the form of one of several types of commercially available ion columns of the TomahawkTM type from FEI, [6] or products from Raith [7], which provide cylindrical focused ion beam (positive ions H, Li, Be, B, C, Si, Co, Ga, Ge, Au, Bi and other elements and substances) with a cross section of 1 μm or less, controlled by an accelerating voltage of up to 30 kV (which covers the ion energy range of 0.01 eV - 30 keV), current up to 50 nA (3.125 10 10 ions / s), energy spread 5-10 eV.
Для наших целей достаточные токи составляют I~1 нА (N~6,25*108 ионов/с) при этом среднее расстояние между ионами в пучке составит ~1,6 нм (~16 диаметров атомов).For our purposes, sufficient currents are I ~ 1 nA (N ~ 6.25 * 10 8 ions / s), while the average distance between ions in the beam will be ~ 1.6 nm (~ 16 atomic diameters).
Использование атомов (молекул) химических элементов и веществ, таких как цезий, рубидий, метан, талий, кальций, стронций, водород, йод, оксид осмия (VIII), ртуть и других дает дополнительное преимущество, состоящее в возможности применения имеющихся у этих веществ узких спектральных линий (с относительной шириной спектральной линии Δfb/fb<10-9), для квантов активированного перехода атомов (ионов, молекул) из возбужденного энергетического квантового состояния в основное состояние.The use of atoms (molecules) of chemical elements and substances such as cesium, rubidium, methane, thallium, calcium, strontium, hydrogen, iodine, osmium (VIII) oxide, mercury and others gives an additional advantage, which consists in the possibility of using the narrow spectral lines (with a relative width of the spectral line Δf b /f b <10 -9 ), for the quanta of the activated transition of atoms (ions, molecules) from the excited energy quantum state to the ground state.
Синхронизация работы электронных схем устройстваSynchronization of the electronic circuits of the device
Стабильность современных кварцевых тактовых генераторов с термостабилизацией достигает 10-10 с/час [8]. В связи с этим тактирование электронных схем устройства построено по двухступенчатой схеме, состоящей из 100 МГц термостабилизированного генератора и тактируемого этим генератором СВЧ-генератора с частотой 10 ГГц (MG3691C - генератор РЧ и СВЧ сигналов от 2 до 10 ГГц) [9].The stability of modern quartz clock generators with thermal stabilization reaches 10 -10 s/hour [8]. In this regard, the clocking of the electronic circuits of the device is built according to a two-stage scheme consisting of a 100 MHz thermally stabilized generator and a microwave generator clocked by this generator with a frequency of 10 GHz (MG3691C - RF and microwave signal generator from 2 to 10 GHz) [9].
Резонансный синхронный фазовый детектор анализа выходного тока ионного пучка в реальном времени выполнен на базе классической схемы синхронного детектора [10]. Входной сигнал fin(t) (см. фиг. 2) для схемы формируется генератором w~10 ГГц [11] (период колебания 100 пс) с помощью одного из трех выходных волноводов с включенным в него согласованным по фазе резонатором, управляемым емкостным датчиком тока ионного пучка (см Фиг. 3). Два других волновода формируют опорные входные сигналы Acos(wt) и Asin(wt) также согласованные по фазе.The resonant synchronous phase detector for analyzing the output current of an ion beam in real time is based on the classical scheme of a synchronous detector [10]. The input signal f in (t) (see Fig. 2) for the circuit is generated by a generator w ~ 10 GHz [11] (oscillation period 100 ps) using one of the three output waveguides with a phase-matched resonator controlled by a capacitive sensor included in it ion beam current (see Fig. 3). The other two waveguides form the reference input signals Acos(wt) and Asin(wt) which are also phase-matched.
Составными частями обвязки резонансного синхронного фазового детектора анализа выходного тока ионного пучка - Фиг. 3 - являются:The components of the piping of the resonant synchronous phase detector for analyzing the output current of the ion beam - Fig. 3 - are:
10 ГГц генератор (18);10 GHz generator (18);
волноводный сплиттер генератора (19);waveguide generator splitter (19);
выходные волноводы (20);output waveguides (20);
управляемый резонатор (21);controlled resonator (21);
датчик тока ионного пучка (22);ion beam current sensor (22);
верхний электрод датчика тока ионного пучка (23);upper electrode of the ion beam current sensor (23);
нижний электрод датчика тока ионного пучка (24);lower electrode of the ion beam current sensor (24);
усилитель дифференциального сигнала датчика тока ионного пучка (25);differential signal amplifier of the ion beam current sensor (25);
схематическое расположение фрагмента ионного пучка (26);schematic arrangement of the ion beam fragment (26);
резонансный синхронный фазовый детектор анализа выходного тока ионного пучка (27).resonant synchronous phase detector for analysis of the output current of the ion beam (27).
Выходной сигнал fout(t) непрерывно оцифровывается АЦП с частотой дискретизации 10 ГГц (например - AD9213, 10 GSPS, 12 bit [12]) и персылается по высокоскоростным внутренним коммуникациям (BcBK) в центр управления, коммуникаций и обработки данных (ЦУКОД). Интенсивные скоростные межблочные потоки данных обеспечиваются модулем стандарта 100-гигабитного Ethernet [13] CiscoCFP-100G-SR10.The output signal f out (t) is continuously digitized by an ADC with a sampling rate of 10 GHz (for example, AD9213, 10 GSPS, 12 bit [12]) and sent via high-speed internal communications (BcBK) to the control, communications and data processing center (DCCOD). Intensive high-speed interblock data flows are provided by the 100-Gigabit Ethernet [13] CiscoCFP-100G-SR10 standard module.
В результате, мы имеем 12-битный профиль тока (плотности заряда) ионного пучка с частотой дискретизации 10 ГГц (период Т=100 пс) и средним интегральным числом ионов ~100/0,73=137 за период, наряду с тактовым импульсом той же частоты посылки и высокой стабильности, его сопровождающим и, благодаря счету тактовых импульсов, четкую временную привязку всех важных событий в устройстве с разрешением по времени σt~10 пс (джиттер тактового импульса). Фиксируется момент времени t0н начала (старт) прохождения данным (пронумерованным) фрагментом регистраторов фазового детектора. Накопленные данные позволяют восстанавливать 3d-профиль I(x(t), y(t), z(t), t), вычислять время прохождения центров отдельных зарядов (статистически), суммарный заряд. Кроме того, по накопленным данным вычисляется между моментами времени t0н и t0н+Т, полярный угол направления движения оси фрагмента пучка, скорость Vз движения центра масс фрагмента.As a result, we have a 12-bit current profile (charge density) of the ion beam with a sampling frequency of 10 GHz (period T=100 ps) and an average integral number of ions ~100/0.73=137 per period, along with the clock pulse of the same sending frequency and high stability accompanying it and, thanks to the counting of clock pulses, a clear timing of all important events in the device with a time resolution σ t ~ 10 ps (clock pulse jitter). The moment of time t 0n of the beginning (start) of the passage of the given (numbered) fragment of the phase detector registrars is fixed. The accumulated data make it possible to reconstruct the 3d profile I(x(t), y(t), z(t), t), calculate the transit time of the centers of individual charges (statistically), and the total charge. In addition, according to the accumulated data, between the moments of time t 0n and t 0n +T, the polar angle of the direction of movement of the axis of the beam fragment, the speed V of the movement of the center of mass of the fragment is calculated.
Компенсация заряда ионов в пучкеIon Charge Compensation in the Beam
Для обеспечения работоспособности прибора создается моноэнергетический пучок нейтральных атомов с поперечным сечением ~1 мкм. Это достигается мягкой нейтрализацией заряда уже полученного с помощью ФИП-источника первичного пучка моноэнергетических ионов с поперечным сечением ~1 мкм.To ensure the operability of the device, a monoenergetic beam of neutral atoms with a cross section of ~1 μm is created. This is achieved by soft neutralization of the charge of the primary beam of monoenergetic ions with a cross section of ~1 μm already obtained using the FIB source.
Для большинства переходов (процесс нейтрализации атомов) ион-атом максимальные значения сечения захвата (σзахв) электрона находятся в пределах Vопт~0.5-2 Vo (здесь Vо=2.19⋅108 см/с) [14]. При увеличении V, согласно экспериментальным данным для ионов в водороде, в области V=1.5-2 сечения σзахв для ионов с зарядами i=1-5 уменьшаются пропорционально V-3. С дальнейшим ростом скорости зависимость этих сечений от V усиливается, и уже в области V>2-3 имеем σзахв~V-5.For most transitions (the process of neutralization of atoms) ion-atom, the maximum values of the capture cross section (σ capture ) of an electron are within Vopt ~ 0.5-2 Vo (here Vо = 2.19⋅10 8 cm/s) [14]. With increasing V, according to experimental data for ions in hydrogen, in the region V=1.5-2, the cross sections σ capture for ions with charges i=1-5 decrease proportionally to V -3 . With a further increase in velocity, the dependence of these cross sections on V increases, and already in the region V>2-3 we have σ capture ~V -5 .
Таким образом, оптимальная скорость электрона 0.5-2 Vо, а энергия электрона соответствующая этой скорости и, соответственно, энергия электронов на выходе электронной пушки компенсатора заряда составляет Ее~5-30 эВ.Thus, the optimal electron speed is 0.5-2 Vo, and the electron energy corresponding to this speed and, accordingly, the energy of electrons at the output of the electron gun of the charge compensator is E e ~ 5-30 eV.
Аксиально-симметричная электронная пушка компенсатора заряда - Фиг. 4 - выполнена по известной схеме электронной пушки Пирса со сходящимся потоком цилиндрического типа [15]. В конструкции используется эмиттер (низкотемпературный импрегнированный катод с плотностью тока до 10 А/см2 [16]) из LaB6 для создания яркого источника низкоэнергетических электронов с разбросом энергии ~0,3 эВ.Axially symmetric charge compensator electron gun - Fig. 4 - made according to the well-known scheme of the Pierce electron gun with a converging cylindrical type flow [15]. The design uses an emitter (a low-temperature impregnated cathode with a current density of up to 10 A/ cm2 [16]) made of LaB 6 to create a bright source of low-energy electrons with an energy spread of ~0.3 eV.
Составными частями схемы в частичном разрезе компенсатора заряда ионного пучка - Фиг. 4 - являются:The components of the circuit in a partial section of the ion beam charge compensator - Fig. 4 - are:
кольцевая электронная пушка Пирса (28);Pierce's ring electron gun (28);
фрагмент ионного пучка - схематическое расположение (29);fragment of the ion beam - schematic arrangement (29);
фрагмент потока компенсирующих электронов - схематическое расположение (30);fragment of the flow of compensating electrons - schematic arrangement (30);
фрагмент пучка нейтральных атомов - схематическое расположение (31);a fragment of a beam of neutral atoms - a schematic arrangement (31);
коллектор электронов компенсатора (32);compensator electron collector (32);
электрод сбора остаточных электронов компенсирующего потока (33).electrode for collecting residual electrons of the compensating flow (33).
Таким образом, если на входе компенсатора заряда исходный ФИП легких ионов (протонов) был цилиндрическим с диаметром 1 мкм и скоростью ионов 2-3 км/с, то полученный после компенсации заряда пучок нейтральных атомов на детекторе рабочего объема будет иметь диаметр ~0,5 мкм из-за частичной фокусировки поперечным потоком компенсирующих электронов. Компенсация заряда более тяжелых ионов еще в меньшей степени скажется на изменении размеров исходного пучка на детекторе. Остаточные электроны компенсирующего потока собираются на коллекторном электроде компенсатора под действием разности потенциалов в несколько десятков Вольт.Thus, if at the input of the charge compensator the initial FIB of light ions (protons) was cylindrical with a diameter of 1 μm and an ion velocity of 2–3 km/s, then the beam of neutral atoms obtained after charge compensation on the working volume detector will have a diameter of ~0.5 µm due to partial focusing by the transverse flow of compensating electrons. Compensation for the charge of heavier ions will have an even lesser effect on the change in the dimensions of the initial beam at the detector. The residual electrons of the compensating flow are collected on the collector electrode of the compensator under the action of a potential difference of several tens of volts.
Активация «часового» переходаActivation of the "clock" transition
Нейтральные атомы (молекулы) полученного моноэнергетического пучка активируются в возбужденное квантовое состояние «часового» перехода, в котором атомы (молекулы) будут излучать фотоны с высоко стабильной базовой частотой fb при переходе между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями.Neutral atoms (molecules) of the resulting monoenergetic beam are activated into an excited quantum state of the "clock" transition, in which atoms (molecules) will emit photons with a highly stable base frequency f b when passing between two hyperfine energy levels.
Активатор реализован по схеме оптической когерентной накачки [30] (см. фиг. 5) с помощью набора (линейки) диодных лазеров фирмы BWT Beijing LTD [31] перекрывающего спектр видимого света от ближнего ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона.The activator is implemented according to the scheme of optical coherent pumping [30] (see Fig. 5) using a set (line) of diode lasers from BWT Beijing LTD [31] covering the visible light spectrum from the near ultraviolet to the near infrared range.
Составными частями схемы активатора «часового» перехода атомного пучка - Фиг. 5 - являются:The components of the circuit of the activator of the "clock" transition of the atomic beam - Fig. 5 - are:
диодный лазер накачки резонатора активатора "часового" перехода атомного пучка (34);diode laser pumping the resonator of the activator of the "clock" transition of the atomic beam (34);
юстируемые крепления оптических элементов (35);adjustable fastenings of optical elements (35);
оптика линейного резонатора накачки атомного пучка (36);optics of a linear resonator for pumping an atomic beam (36);
зона активации атомов пучка (37);activation zone of beam atoms (37);
фрагмент пучка нейтральных атомов в основном квантовом состоянии - схематическое расположение (38);fragment of a beam of neutral atoms in the ground quantum state - schematic arrangement (38);
фрагмент пучка нейтральных атомов с активированным "часовым" переходом - схематическое расположение (39).a fragment of a beam of neutral atoms with an activated "clock" transition - schematic arrangement (39).
Рабочий объем.working volume.
Рабочий объем выполнен в виде пустотелого вакуумированного (высокий вакуум порядка 10-2-10-3 Па) цилиндра, длиной L~100 см, что соответствует пути свободного движения (по инерции) фрагмента пучка и прямолинейного распространения фотона. Рабочий объем (см. фиг.1) помещен в контур пассивной электромагнитной экранировки (КПЭМЭ), обеспечивающий электромагнитную защиту (остаточный уровень электрического поля не более 0,0001 В/см, магнитного поля не более 10-6-10-7 Тл). Кроме того, рабочий объем охвачен контуром термостатирования (КТС, термостабилизация заданной рабочей температуры порядка 10-2-10-3 С).The working volume is made in the form of a hollow evacuated (high vacuum of the order of 10 -2 -10 -3 Pa) cylinder, L~100 cm long, which corresponds to the path of free movement (by inertia) of the beam fragment and rectilinear photon propagation. The working volume (see figure 1) is placed in a circuit of passive electromagnetic shielding (KPEME), providing electromagnetic protection (residual level of the electric field is not more than 0.0001 V/cm, the magnetic field is not more than 10 -6 -10 -7 T). In addition, the working volume is covered by a temperature control circuit (CTS, thermal stabilization of a given operating temperature of the order of 10 -2 -10 -3 C).
Таким образом, на входе в рабочий объем имеем пучок нейтральных атомов с энергетическими и пространственно-угловыми характеристиками аналогичными начальному ионному пучку (см пункт "Фокусированные ионные пучки."), с 3d-профилем интенсивности синхронизованным ("привязанным") с тактовыми импульсами (частота дискретизации ~10 ГГц, см пункт "Синхронизация работы электронных схем устройства"), полярный угол направления движения оси фрагмента, скорости Vз движения центра масс фрагмента и моментом времени t0н прохождения данным (пронумерованным) фрагментом регистраторов фазового детектора.Thus, at the entrance to the working volume, we have a beam of neutral atoms with energy and spatial-angular characteristics similar to the initial ion beam (see paragraph "Focused ion beams."), with a 3d intensity profile synchronized ("attached") with clock pulses (frequency sampling ~10 GHz, see paragraph "Synchronization of operation of electronic circuits of the device"), the polar angle of the direction of movement of the fragment axis, the velocity Vc of the movement of the center of mass of the fragment, and the time t 0n of the passage of the data (numbered) fragment of the phase detector recorders.
Далее, фрагмент пучка практически моноэнергетических атомов с неизменной заданной скоростью Vз и известными характеристиками свободно по инерции распространяется в рабочем объеме ДИП. При этом атомы каждого фрагмента, попадая в рабочий объем, движутся по инерции с определенной средней скоростью Vз, устанавливаемой ФИП-устройством в диапазоне от ~1 км/с до ~1000 км/с. Для приводимых значений Vз=2,2 км/с время пролета длины L составляет около tof~450 мкс. что соответствует Ntof=4,5 108/1020=4,5 106 тактам.Further, a fragment of a beam of practically monoenergetic atoms with a constant given velocity V c and known characteristics freely propagates by inertia in the working volume of the DIP. In this case, the atoms of each fragment, falling into the working volume, move by inertia with a certain average velocity V c , set by the FIB device in the range from ~1 km/s to ~1000 km/s. For the given values of V c =2.2 km/s, the time of flight of length L is about t of ~450 μs. which corresponds to N tof =4.5 10 8 /10 2 0=4.5 10 6 cycles.
При использовании атомов (молекул) химических элементов и веществ, которые имеют узкие спектральные линии квантов перехода («часовой» переход) атомов (молекул) вещества из возбужденного энергетического квантового состояния в основное состояние, на механическое движение атомов в рабочем объеме будет накладываться независимый спонтанный процесс излучения фотонов с высоко стабильной базовой частотой fb при переходе между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями.When using atoms (molecules) of chemical elements and substances that have narrow spectral lines of transition quanta ("clock" transition) of atoms (molecules) of a substance from an excited energy quantum state to the ground state, an independent spontaneous process will be superimposed on the mechanical movement of atoms in the working volume emission of photons with a highly stable base frequency f b during the transition between two hyperfine energy levels.
Массив оконечных LGAD- и SiPM-элементов детектора в рабочем объеме.An array of terminal LGAD and SiPM detector elements in the working volume.
Рабочий объем (см. фиг. 1) содержит детекторную часть состоящую из множества элементов, установленных на его внутренней поверхности. LGAD-элементы детектора чувствительны к событиям столкновения атомов пучка с их поверхностью, а SiPM-элементы детектора чувствительны к событиям столкновения (взаимодействия) фотонов "часового" перехода от атомов пучка. Сигнал детектирующего элемента пропорционален, в случае атомов -величине энергии соударения атома с чувствительной поверхностью LGAD-элемента, а в случае фотонов - величине энергии (частоте) фотона.The working volume (see Fig. 1) contains a detector part consisting of a plurality of elements mounted on its inner surface. The LGAD elements of the detector are sensitive to the events of collision of beam atoms with their surface, while the SiPM elements of the detector are sensitive to the events of collision (interaction) of photons of the "clock" transition from beam atoms. The signal of the detecting element is proportional, in the case of atoms, to the energy of the collision of the atom with the sensitive surface of the LGAD element, and in the case of photons, to the energy (frequency) of the photon.
Атомно-чувствительные элементы детектора реализованы на базе т.н. лавинных диодов с низким коэффициентом усиления (low-gainavalanchediodes LGAD, другое название - resistive silicon detector (RSD)) [17].Atomically sensitive elements of the detector are based on the so-called. avalanche diodes with low gain (low-gainavalanchediodes LGAD, another name is resistive silicon detector (RSD)) [17].
Лавинные диоды с низким коэффициентом усиления - это класс кремниевых датчиков с высоким временным разрешением - ~10-30 пс при комнатной температуре. С быстрой электроникой считывания и оцифровывания частота срабатывания достигает ~1 ГГц. Сигнал формируется менее чем за 2 нс. [18]. Лавинный диод представляет собой плоскую слоеную структуру на кремниевой пластине толщиной 100 мкм. На n++ и р++ электроды детектора подается разность потенциалов 100 В. Электроды считывания сигналов пиксельного типа напылены на внешнюю (чувствительную) сторону пластины.Low gain avalanche diodes are a class of silicon sensors with high time resolution - ~10-30 ps at room temperature. With fast readout and digitization electronics, the response frequency reaches ~1 GHz. The signal is formed in less than 2 ns. [18]. The avalanche diode is a flat layered structure on a silicon wafer 100 µm thick. A potential difference of 100 V is applied to the n++ and p++ electrodes of the detector. The electrodes for reading pixel-type signals are deposited on the outer (sensitive) side of the plate.
Светочувствительные элементы детектора для фотонов «часового» перехода базовой частоты fb расположенной в диапазоне от ближней ультрафиолетовой до ближней инфракрасной части видимого спектра также построены на основе лавинных кремниевых фотодиодов. Каждый элемент интегрирован в сборку, которая имеет пиксельную структуру и выпускается под названияем SiPM (кремниевый фотоумножитель). Использованы SiPM серии R модели microRA фирмы SensL [32].The light-sensitive elements of the detector for photons of the “clock” transition of the base frequency f b located in the range from the near ultraviolet to the near infrared part of the visible spectrum are also built on the basis of silicon avalanche photodiodes. Each element is integrated into an assembly that has a pixel structure and is sold under the name SiPM (silicon photomultiplier tube). R-series SiPMs of the microRA model from SensL [32] were used.
Атомно-чувствительные элементы занимают центр торцевой части детектора, а фотонно-чувствительные - периферию торцевой части и боковую часть детектора.Atomic-sensitive elements occupy the center of the end part of the detector, and photon-sensitive elements occupy the periphery of the end part and the side part of the detector.
Пространственное разрешение детектора по обеим типам датчиков определяется выражением r/(12)1/2, где r - зазор между электродами (пикселами), в нашем случае выбран зазор равный r=0,5 мкм, откуда σr~0,12 мкм.The spatial resolution of the detector for both types of sensors is determined by the expression r/(12) 1/2 , where r is the gap between the electrodes (pixels), in our case, the gap is r=0.5 µm, from which σ r ~0.12 µm.
Алгоритмика получения измеряемых величин.Algorithm for obtaining measured values.
Любой элемент детектора работает непрерывно, в конвеерном режиме, срабатывая от каждого 10-го (т.е. с частотой ~1 ГГц) импульса тактового генератора. Проинтегрированная за время ~1 нс энергия от фотонов "часового" перехода и соударений атомов пучка с соответствующим элементом детектора регистрируется, оцифровывается [19] и полученная информация по каналам ВсВК поступает в ЦУКОД.Any element of the detector operates continuously, in a pipelined mode, triggered by every 10th (i.e., at a frequency of ~1 GHz) pulse of the clock generator. The energy integrated over a time of ~1 ns from photons of the "clock" transition and collisions of beam atoms with the corresponding detector element is recorded, digitized [19], and the information received is fed to the DCCOD via HVC channels.
Допплеровское изменение частоты (энергии) электромагнитного кванта при движении источника сигнала (атома пучка) описывается формулой [20] (для простоты приведена плоскостная 2-х мерная формула)The Doppler change in the frequency (energy) of an electromagnetic quantum during the motion of a signal source (beam atom) is described by the formula [20] (for simplicity, a planar 2-dimensional formula is given)
здесь fb - базовая частота кванта, f - регистрируемая элементом детектора частота кванта, V - скорость источника, приемник считается неподвижным, θ - угол между вектором скорости источника и направлением на приемник, с - скорость света в вакууме. При малых скоростях движения объектов источник-приемник V=Vз<<c=300000 км/с (в нашем случае выполняется) формула упрощается и скорость через частоты fb, f и угол θ выражается какhere fb is the basic quantum frequency, f is the quantum frequency recorded by the detector element, V is the source velocity, the receiver is assumed to be stationary, θ is the angle between the source velocity vector and the direction to the receiver, c is the speed of light in vacuum. At low speeds of movement of objects, the source-receiver V=V c <<c=300000 km/s (in our case, it is fulfilled) the formula is simplified and the speed through the frequencies f b , f and the angle θ is expressed as
V=c(f/fb-1)/cosθ.V=c(f/f b -1)/cosθ.
Вычислитель (ЦУКОД) формирует в реальном времени 3d-гистограмму (3-х-мерное распределение) зарегистрированной детектором энергии E(x(t+tof),y(t+tof),z(t+tof)) фотонов, для каждого такта вычислений.The calculator (DSCOD) generates in real time a 3d-histogram (3-dimensional distribution) of the energy E(x(t+t of ),y(t+t of ),z(t+t of )) of photons recorded by the detector, for each cycle of calculations.
Подставляя основное соотношение квантовой теории излучения фотоновSubstituting the basic relation of the quantum theory of photon emission
f=h/E(x(t+tof),y(t+tof),z(t+tof))f=h/E(x(t+t of ),y(t+t of ),z(t+t of ))
в предыдущую формулу, вычисляем скорость V перемещения ДИП.in the previous formula, we calculate the speed V of the movement of the DIP.
Далее, на основе кинематического соотношения для свободного движения тела по инерции S=Vt, вычислитель, используя заданные параметры пучка и рабочего объема, т.е. приводимых значений Vз=2,2 км/с время пролета длины L составляет около tof~450 мкс, восстанавливает пространственно-временную картину попадания свободно движущихся атомов в данном (соответствующем n-ому такту генератора) фрагменте атомного пучка, зафиксированного в устройстве (см пункт "Синхронизации работы электронных схем устройства"), на чувствительную поверхность соответствующих элементов детектора. Восстановленная пространственно-временная (ti, xi(ti), yi(ti), zi(ti)) картина регистрации атомов знание кинематических и пространственных (tiон, xi(tiон), yi(tiон), zi=0+fi(ξi(tiон)), здесь fi(ξi(tiон) - смещение от координаты zi=0 i-ого атома фрагмента для момента времени tiон) характеристик каждого атома n-ого фрагмента на момент старта, из условия малости угловой эволюции за такт измерения, в соответствии с тригонометрической формулойFurther, on the basis of the kinematic relation for the free motion of the body by inertia S=Vt, the calculator, using the given parameters of the beam and the working volume, i.e. given values V c =2.2 km/s, the time of flight of length L is about t of ~450 μs, restores the space-time picture of the hit of freely moving atoms in this (corresponding to the n-th cycle of the generator) fragment of the atomic beam, fixed in the device ( see paragraph "Synchronizing the operation of the electronic circuits of the device"), on the sensitive surface of the corresponding elements of the detector. Reconstructed spatiotemporal (t i , x i (t i ), y i (t i ), z i (t i )) picture of registration of atoms knowledge of kinematic and spatial (t ion , x i (t ion ), y i ( t ion ), z i =0+f i (ξ i (t ion )), here f i (ξ i (t ion ) is the offset from the coordinate z i =0 of the i-th atom of the fragment for time t ion ) characteristics of each atom of the n-th fragment at the moment of start, from the condition of smallness of the angular evolution per measurement cycle, in accordance with the trigonometric formula
Tg(Δθi,Δϕi)=(yi(ti), zi(ti))/L~(Δθi,Δϕi)Tg(Δθ i ,Δϕ i )=(y i (t i ), z i (t i ))/L~(Δθ i ,Δϕ i )
позволяет вычислить приращение полярного угла Δθi и азимутального угла Δϕi, пройденный путь Δsi=xi(ti)+xi(Δti), где время в течение которого эти приращения получены Δti =ti-tiон для каждого атома.allows you to calculate the increment of the polar angle Δθ i and the azimuth angle Δϕ i , the distance traveled Δs i =x i (t i )+x i (Δt i ), where the time during which these increments are obtained Δt i =t i -t ion for each atom.
Суммирование полученных величин по атомам и фотонам фрагмента пучка или - по атомам и фотонам в заданный период времени, дает возможность получать значения приращений углов, пройденного пути и скорости с высокой точностью. Так погрешность в измерении углов σθ,ϕ~7⋅10-6 град., погрешность в измерении длины пути σs~0,12 мкм.The summation of the obtained values for atoms and photons of a beam fragment or for atoms and photons in a given period of time makes it possible to obtain the values of increments of angles, distance traveled and speed with high accuracy. So the error in measuring the angles σ θ,ϕ ~7⋅10 -6 degrees, the error in measuring the path length σ s ~0.12 μm.
Точности и динамические диапазоны получаемых зависят от выбираемой с помощью ФИП-устройства средней скорости (энергии) ионов Vз, которая может изменятся в диапазоне от ~1 км/с до ~1000 км/с.Accuracy and dynamic ranges obtained depend on the average velocity (energy) of ions V c selected using the FIB device, which can vary in the range from ~1 km/s to ~1000 km/s.
Скорость, вычисленная по Допплеровскому сдвигу частот (энергий) для каждого кванта и осредненная для всех детектируемых квантов за период тактового генератора после обработки в ЦУКОД соответствует точности вычисленным значениям, полученным при обработке пучка свободных атомов.The speed calculated from the Doppler shift of frequencies (energies) for each quantum and averaged for all detected photons over the period of the clock generator after processing in the DCCOD corresponds to the accuracy of the calculated values obtained by processing the beam of free atoms.
Центр управления, коммуникаций и обработки данных - вычислитель.Control, communications and data processing center - computer.
Сетевой узел - центр коммуникаций, управления и обработки данных (ЦУКОД) построен на базе графических процессоров с архитектурой NVIDIA GA102 Ampere, которые обеспечивают необходимые функции и производительность [22]. Сетевой узел объединяет все внутренние информационные источники ДИП и, являясь активной точкой доступа (маршрутизатором), обеспечивает выходной поток информации согласованного формата для внешних пользователей. Достаточная пропускная способность линий меж - и внутриблочной связи, а также связи вне устройства - обеспечена высокоскоростными внутренними коммуникациями (ВсВЛ) на базе стандарта 100-Гигабитного Ethernet модулями CiscoCFP-100G-SR10 [23].The network node - the center of communications, control and data processing (CUCOD) is built on the basis of graphics processors with the NVIDIA GA102 Ampere architecture, which provide the necessary functions and performance [22]. The network node combines all internal information sources of the DIP and, being an active access point (router), provides an output stream of information in a consistent format for external users. Sufficient bandwidth of inter- and intra-unit communication lines, as well as communication outside the device, is provided by high-speed internal communications (HVL) based on the 100-Gigabit Ethernet standard by Cisco CFP-100G-SR10 modules [23].
Контур активно-пассивной электромагнитной экранировки.The circuit of active-passive electromagnetic shielding.
Контур активной электромагнитной экранировки представляет собой набор электрических и магнитных элементов: медных пластин - электродов и магнитных (соленоидальных) катушек - дипольных магнитов. Элементы подключены к контуру электропитания всех рабочих блоков ДИП, управляются ЦУКОД и служат для компенсации внутренних помеховых меж - и внутриблочных электромагнитных полей устройства.The circuit of active electromagnetic shielding is a set of electrical and magnetic elements: copper plates - electrodes and magnetic (solenoidal) coils - dipole magnets. The elements are connected to the power circuit of all working units of the DIP, are controlled by the TsUKOD and serve to compensate for internal inter- and intra-unit electromagnetic fields of the device.
Контур пассивной электромагнитной экранировки представляет собой многослойный кожух закрепленный на каркасе устройства. Отдельные слои склеиваются между собой. Слои набираются из двух типов материалов. Первый тип - с высокой электрической проводимостью на основе меди, второй тип - с высокой магнитной проницаемостью на основе сплава никель-молибден-железо. Электромагнитный экран набирается из пяти пар слоев. Пара состоит из склеенных пленок или тонких листов каждого типа.The passive electromagnetic shielding circuit is a multilayer casing fixed on the device frame. The individual layers are glued together. Layers are made up of two types of materials. The first type is with high electrical conductivity based on copper, the second type is with high magnetic permeability based on nickel-molybdenum-iron alloy. The electromagnetic screen is assembled from five pairs of layers. A pair consists of glued films or thin sheets of each type.
В качестве первого типа выбрана пленка из экранирующего материала НК-97, толщина материала: 0,21 мм [24]. Коэффициент экранирования на высоких, сверхвысоких, ультравысоких частотах составляет -70 dB или лучше.As the first type, a film of screening material NK-97 was chosen, material thickness: 0.21 mm [24]. The shielding ratio at high, ultra high, ultra high frequencies is -70 dB or better.
В качестве второго типа выбирается листы т.н. Мю-металла. Технические характеристики: ASTM А-753 Alloy 4, MIL N-14411C Composition [25]. Мю-металл - это 80% никеля, 4,5% молибдена, остальное железо в виде мягкого ферромагнитного сплава. Магнитная проницаемость Mumax: 350000-500000; Индукция насыщения: 0,76 Тл; Коэрцитивная сила: 0,6 А/м;As the second type, sheets of the so-called. Mu metal. Specifications:
Уровень м-проницаемости для данного материала в сотни раз превосходит подобный показатель для обычной стали.The level of m-permeability for this material is hundreds of times higher than that for ordinary steel.
Кожух описанной конструкции обеспечивает требуемую защиту от внешних электромагнитных полей в широком диапазоне интенсивностей и частот от сотен ГГц вплоть до постоянных электрических и магнитных полей на уровне по электрическому полю не более 0,0001 В/см, по магнитному полю не более 10-6-10-7 Тл.The casing of the described design provides the required protection against external electromagnetic fields in a wide range of intensities and frequencies from hundreds of GHz up to constant electric and magnetic fields at a level of electric field no more than 0.0001 V/cm, magnetic field no more than 10 -6 -10 -7 Tl.
Вакуумный контур устройства.Vacuum circuit of the device.
Контур вакуумирования охватывает весь внутренний объем устройства, сопрягается с вакуумированным переходным объемом ФИП и обеспечивает высокий вакуум порядка 10-2-10-3 Па в рабочем объеме и полостях транспортировки ионного и, затем, атомного пучка устройства. Высокая производительность контура вакуумирования обеспечивается системой откачки типа ERSTEVAK MT-Turbo D, собраной полностью на безмасляных средствах откачки (турбомолекулярный насос (65 л/с), мембранный форвакуумный насос) [26].The evacuation circuit covers the entire internal volume of the device, interfaces with the evacuated transitional volume of the FIB and provides a high vacuum of the order of 10 -2 -10 -3 Pa in the working volume and the cavities for transporting the ion and, then, the atomic beam of the device. The high performance of the evacuation circuit is ensured by the pumping system of the ERSTEVAK MT-Turbo D type, assembled completely on oil-free pumping means (turbomolecular pump (65 l/s), diaphragm fore vacuum pump) [26].
Контур термостатированияTemperature control circuit
Контур термостатирования, охватывающий все основные тепловыделяющие узлы устройства - ФИП, электронные схемы считывания, верхний и нижний электроды синхронизатора, электроды компенсатора заряда и детекторные элементы рабочего объема. Основная часть термопотоков колонны ФИП регулируется собственной (фирменной) системой. Тонкую термостабилизацию ФИП посредством управляемого принудительного воздушного охлаждения обеспечивает сопряжение ее с контуром термостатирования устройства. Электронные схемы расположенные вне вакуумированного объема также охлаждаются принудительно посредством управляемого воздушного потока. Термоактивные элементы конструкции, расположенные в вакуумированной части устройства - электронные схемы считывания, верхний и нижний электроды синхронизатора, электроды компенсатора заряда и детекторные элементы рабочего объема - охлаждаются шестислойными модулями типа Пельтье ТЕС6-60506 (62×23 мм, dT~100°С, Wcool~10 Вт) [27]. Корпусная часть рабочего объема также охвачена контуром термостабилизации с шестислойными модулями Пельтье.The temperature control circuit, covering all the main heat-generating units of the device - FIB, reading electronic circuits, upper and lower synchronizer electrodes, charge compensator electrodes and detector elements of the working volume. The main part of the thermal flows of the FIP column is regulated by its own (proprietary) system. The fine thermal stabilization of the FIB by means of controlled forced air cooling is ensured by its interface with the temperature control circuit of the device. Electronic circuits located outside the evacuated volume are also forced cooled by controlled air flow. Thermoactive structural elements located in the evacuated part of the device - readout electronic circuits, upper and lower synchronizer electrodes, charge compensator electrodes and detector elements of the working volume - are cooled by six-layer modules of the Peltier type TEC6-60506 (62 × 23 mm, dT ~ 100 ° C, W cool ~10 W) [27]. The body part of the working volume is also covered by a thermal stabilization circuit with six-layer Peltier modules.
Контур термостатирования замыкается термодатчиками обратной связи и управляется ЦУКОД. Режим стабилизации рабочей температуры поддерживается на уровне среднеквадратичного отклонения 10-2-10-3 град.С.The temperature control circuit is closed by feedback temperature sensors and controlled by the TsUKOD. The mode of stabilization of the operating temperature is maintained at the level of the standard deviation of 10 -2 -10 -3 deg.C.
Контур электропитания ДИП.DIP power supply circuit.
Контур электропитания ДИП-устройства 2-х канальный.The power supply circuit of the DIP device is 2-channel.
Первый - силовой канал - состоит из промышленного 10-кВт дистанционно управляемого стабилизатора напряжения Штиль ИнСтаб IS1110RT [28] - инверторный стабилизатор напряжения обеспечивающий максимальную защиту по напряжению с коррекцией некачественной синусоиды, выходное напряжение - 220 В±2% и собственных блоков питания контура вакуумирования и ФИП-колонны.The first - the power channel - consists of an industrial 10-kW remotely controlled voltage stabilizer Shtil InStab IS1110RT [28] - an inverter voltage stabilizer that provides maximum voltage protection with poor-quality sinusoid correction, the output voltage is 220 V ± 2% and its own power supplies for the vacuum circuit and FIP columns.
Второй - канал питания слаботочных схем управления транспортировкой пучка, синхронизации и детекторов рабочего объема состоит из промышленного 10-кВт дистанционно управляемого стабилизатора напряжения Штиль ИнСтаб IS1110RT с подключенными дистанционно управляемыми блоками стабилизированного питания типа АКИП-1108А-130-3. Блок питания ЦУКОД также подключен к стабилизатору напряжения 2-го канала.The second one is the power supply channel for low-current beam transport control circuits, synchronization, and working volume detectors and consists of an industrial 10-kW remotely controlled voltage stabilizer Shtil InStab IS1110RT with connected remotely controlled stabilized power supply units of the AKIP-1108A-130-3 type. The TsUKOD power supply is also connected to the voltage stabilizer of the 2nd channel.
II. Система измерений на основе трех элементов ДИП.II. Measurement system based on three DIP elements.
Схема системы измерений, представленная на Фиг. 6, собрана из 3-х жестко скрепленных между собой и ориентированных взаимно перпендикулярно идентичных (одинаковых) элементов ДИП описанных в разделе I.The measurement system diagram shown in Fig. 6 is assembled from 3 rigidly fastened together and oriented mutually perpendicular identical (identical) elements of the DIP described in section I.
Составными частями функциональной схемы системы измерений перемещений - Фиг. 6 - являются:The components of the functional diagram of the displacement measurement system - Fig. 6 - are:
Устройство-1 на единичном элементе ДИП (40).Device-1 on a single DIP element (40).
Устройство-2 на единичном элементе ДИП (41).Device-2 on a single DIP element (41).
Устройство-3 на единичном элементе ДИП (42).Device-3 on a single DIP element (42).
Дополнительный канал питания устройства системы измерений перемещений (43).Additional power supply channel for the displacement measurement system device (43).
Дополнительные общий тактовый генератор и общий ЦУКОД устройства системы измерений перемещений (44).Additional common clock generator and common DSCOD of the device of the displacement measurement system (44).
Составные части системы измерений перемещений (СИП) синхронизованы с помощью дополнительного общего тактового генератора (ОТГ) и управляются с помощью общего ЦУКОД (ОЦУКОД). ОТГ и ОЦУКОД собраны из элементов, аналогичных описанным в соответствующих секциях раздела I. Дополнительный канал питания состоит из промышленного 10-кВт дистанционно управляемого стабилизатора напряжения Штиль ИнСтаб IS1110RT с подключенными к нему собственными блоками питания ОЦУКОД и дистанционно управляемым блоком стабилизированного питания АКИП-1108А-130-3 для ОТГ.The components of the displacement measurement system (SIS) are synchronized with the help of an additional common clock generator (OTG) and are controlled by a common DSCOD (OCCD). OTG and OTsUKOD are assembled from elements similar to those described in the relevant sections of section I. An additional power channel consists of an industrial 10-kW remotely controlled voltage stabilizer Shtil InStab IS1110RT with its own OTsUKOD power supplies connected to it and a remotely controlled stabilized power supply unit AKIP-1108A-130 -3 for OTG.
Совмещение через преобразования систем отсчета и координат в единую систему координат (с помощью обработки данных в ОЦУКОД) связанную с СИП, получаемых величин по 3-м независимым идентичным ортогонально ориентированным друг относительно друга плечам устройства СИП дает возможность прослеживать зависимость в реальном времени всех пространственно-временных перемещений Δθ(t), Δϕ(t), Δs(t), устройства СИП или объекта жестко механически с ним связанного. При этом погрешность измерения углов σθ,ϕ~7⋅10-6 град., погрешность измерения длины пути σs~0,12 мкм.Combining through transformations of reference systems and coordinates into a single coordinate system (using data processing in OCUKOD) associated with the SIP, the obtained values for 3 independent identical orthogonally oriented relative to each other arms of the SIP device makes it possible to trace the dependence in real time of all spatio-temporal displacements Δθ(t), Δϕ(t), Δs(t), of the SIP device or an object rigidly mechanically connected to it. In this case, the error in measuring the angles σ θ,ϕ ~7⋅10 -6 degrees, the error in measuring the path length σ s ~0.12 μm.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Физическая энциклопедия т. 3, статья «Молекулярные и атомные пучки», Москва, Научное изд-во «Большая Российская энциклопедия, 1992 г.1. Physical encyclopedia v. 3, article "Molecular and atomic beams", Moscow, Scientific publishing house "Big Russian Encyclopedia", 1992
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Декомпозиция2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Decomposition
3. Физическая энциклопедия т. 2. статья «Ионный пучок». Москва. «Советская энциклопедия. 1990 г.3. Physical encyclopedia v. 2. article "Ion beam". Moscow. "Soviet encyclopedia. 1990
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фокусируемый_ионый_пучок4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
5. Физическая энциклопедия т. 2, статья «Ионный источник», Москва, «Советская энциклопедия, 1990 г.5. Physical encyclopedia v. 2, article "Ion source", Moscow, "Soviet Encyclopedia", 1990
6. https://fei.com6. https://fei.com
7. https://www.raith.com/7.https://www.raith.com/
8. В. Кочемасов, Е. Хасьянова "Термостатированные кварцевые автогенераторы" Компоненты и технологии, №1, 2018, стр. 46.8. V. Kochemasov, E. Khasyanova "Thermostated quartz self-oscillators" Components and technologies, No. 1, 2018, p. 46.
http://www.radiocomp.ru/joom/images/storage/docs/articles/12_2018.pdfhttp://www.radiocomp.ru/joom/images/storage/docs/articles/12_2018.pdf
9. https://www.etalonpribor.ru/catalog/generatori_signalov_vch/product/MG3691C_-_generator_Rch_i_SVCh_signalov_ot_2_do_10_Ggts/9. https://www.etalonpribor.ru/catalog/generatori_signalov_vch/product/MG3691C_-_generator_Rch_i_SVCh_signalov_ot_2_do_10_Ggts/
10. Физическая энциклопедия, том 4, статья "Синхронный детектор", стр. 529, Гл. Редактор A.M. Прохоров, Москва, Научное издательство, "Большая Российская энциклопедия", 1994.10. Physical encyclopedia,
11. http://terascan.ru/teragercovyve-generatory11. http://terascan.ru/teragercovyve-generator
12. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9213.pdf12. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9213.pdf
13. https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/interfaces-modules/transceiver-modules/data_sheet_c78-633027.html13. https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/interfaces-modules/transceiver-modules/data_sheet_c78-633027.html
14. http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/r_116_1539.pdf14. http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/r_116_1539.pdf
И.С. Дмитриев, Я.А. Теплова, Ю.А. Файнберг ЖЭТФ, 1999, 116, вып. 5(11)I.S. Dmitriev, Ya.A. Teplova, Yu.A. Feinberg ZhETF, 1999, 116, no. 5(11)
15. Алямовский И.В.Электронные пучки и электронные пушки. Советское радио, 1966.15. Alyamovsky I.V. Electron beams and electron guns. Soviet radio, 1966.
16. http://www.gycom.ru/products/katod.htm16. http://www.gycom.ru/products/katod.htm
17. Дизайн LGAD для трекеров будущих частиц Н. Картилья, Р. Арчидиаконо, Г. Борги, М. Боскарден, М. Коста, 31 марта 2020 г., 17 страниц, Опубликовано: Nucl.Instrum.Meth.A 979 (2020) 164383, DOI: 10.1016 / j.nima.2020.16438317. LGAD Design for Future Particle Trackers N. Cartilla, R. Arcidiacono, G. Borghi, M. Boscardin, M. Costa, March 31, 2020, 17 pages, Published: Nucl.Instrum.Meth.A 979 (2020) 164383, DOI: 10.1016 / j.nima.2020.164383
18. https://www.bnl.gov/instrumentation/case/low-gain-avalanche-diodes.php18. https://www.bnl.gov/instrumentation/case/low-gain-avalanche-diodes.php
19. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9213.pdf19. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9213.pdf
20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.Теория поля. Издание 8-е, стереотипное. Физматлит, 2001.20. L. D. Landau and E. M. Lifshits, Field Theory. 8th edition, stereotypical. Fizmatlit, 2001.
21. https://ru.wikipedia.org/wiki/Критерий_хи-квадрат21. https://ru.wikipedia.org/wiki/Chi-square test
22. https://www.nvidia.com/ru-ru/data-center/nvidia-ampere-gpu-architecture/22. https://www.nvidia.com/ru-ru/data-center/nvidia-ampere-gpu-architecture/
23. https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/interfaces-modules/transceiver-modules/data_sheet_c78-633027.html23. https://www.cisco.com/c/en/us/products/collateral/interfaces-modules/transceiver-modules/data_sheet_c78-633027.html
24. https://shielding.su24. https://shielding.su
25. http://mumetal.co.uk25. http://mumetal.co.uk
26. https://erstvak.com/catalog/vakuumnaya-sistema-ustanovka/vysokovakuumnaja-otkachnaja-sistema/26. https://erstvak.com/catalog/vakuumnaya-sistema-ustanovka/vysokovakuumnaja-otkachnaja-sistema/
27. https://www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules27. https://www.chipdip.ru/catalog-show/thermoelectric-modules
28. https://energo-msk.ru/28. https://energo-msk.ru/
29. https://ru.wikipedia.org/wiki/Атомные_часы29. https://ru.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock
30. https://ru.wikipedia.org/wiki/Накачка_лазеров#Оптическая_накачка30. https://ru.wikipedia.org/wiki/Laser_pumping#Optical_pumping
31. http://www.bwt-laser.com/31. http://www.bwt-laser.com/
32. www.sensl.com; https://www.onsemi.com/products/sensors/silicon-photomultipliers-sipm/32 www.sensl.com; https://www.onsemi.com/products/sensors/silicon-photomultipliers-sipm/
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2796791C1 true RU2796791C1 (en) | 2023-05-29 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018152658A1 (en) * | 2017-02-21 | 2018-08-30 | 顾士平 | Proton microscope, wavelength dispersive spectrometer, energy dispersive spectrometer, and micro-nano processing platform |
| RU2697763C1 (en) * | 2016-01-15 | 2019-08-19 | Нойборон Медтех Лтд. | Radiation detection system for neutron capture therapy system and method of radiation detection |
| RU2716825C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Device and method for formation of multicharged ion beams |
| RU2722620C1 (en) * | 2019-09-16 | 2020-06-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of obtaining and processing images formed using proton radiation |
| RU2747365C1 (en) * | 2020-11-06 | 2021-05-04 | Виктор Валентинович Сиксин | Method for controlling beam parameters during proton therapy and device for its implementation |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2697763C1 (en) * | 2016-01-15 | 2019-08-19 | Нойборон Медтех Лтд. | Radiation detection system for neutron capture therapy system and method of radiation detection |
| WO2018152658A1 (en) * | 2017-02-21 | 2018-08-30 | 顾士平 | Proton microscope, wavelength dispersive spectrometer, energy dispersive spectrometer, and micro-nano processing platform |
| RU2716825C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Device and method for formation of multicharged ion beams |
| RU2722620C1 (en) * | 2019-09-16 | 2020-06-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of obtaining and processing images formed using proton radiation |
| RU2747365C1 (en) * | 2020-11-06 | 2021-05-04 | Виктор Валентинович Сиксин | Method for controlling beam parameters during proton therapy and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hilsabeck et al. | Pulse-dilation enhanced gated optical imager with 5 ps resolution | |
| Engelhorn et al. | Sub-nanosecond single line-of-sight (SLOS) x-ray imagers | |
| Adams et al. | Measurements of the gain, time resolution, and spatial resolution of a 20× 20 cm2 MCP-based picosecond photo-detector | |
| Sato et al. | Electron‐beam probe measurements of electric fields in rf discharges | |
| Saito et al. | Low-energy charged particle measurement by MAP-PACE onboard SELENE | |
| CN106772652A (en) | A kind of intervening atom gravity measuring device based on double material wave sources | |
| CN206531978U (en) | A kind of intervening atom gravity measuring device based on double material wave sources | |
| Holzscheiter et al. | Trapping of antiprotons in a large penning trap—progress towards a measurement of the gravitational acceleration of the antiproton | |
| RU2796791C1 (en) | Method, sensor device and displacement measurement system based on quantum properties of atomic beams | |
| Assamagan et al. | Time-zero fission-fragment detector based on low-pressure multiwire proportional chambers | |
| Pellereau et al. | SOFIA: An innovative setup to measure complete isotopic yield of fission fragments | |
| Ricciarini | PAMELA silicon tracking system: Experience and operation | |
| Betts | Time fo flight detectors for heavy ions | |
| Wang et al. | HARPO: beam characterization of a TPC for gamma-ray polarimetry and high angular-resolution astronomy in the MeV-GeV range | |
| Unal | Performances of the NA48 liquid krypton calorimeter | |
| Billing | Beam position monitors for storage rings | |
| Takeda et al. | Observations of the spatial evolution of a potential hump into a strong double layer in a high-voltage straight plasma discharge | |
| Calaprice et al. | New test of time-reversal invariance in Ne 19 beta decay | |
| Si et al. | High energy beam energy measurement with microwave–electron Compton backscattering | |
| Rubbia | Future liquid Argon detectors | |
| De Lellis | The SHiP experiment and the RPC technology | |
| Cavoto et al. | Operating the GridPix detector with helium-isobutane gas mixtures for a high-precision, low-mass Time Projection Chamber | |
| Lopes et al. | Rare gas liquid detectors | |
| Barabin Sergey et al. | Project information | |
| Farino et al. | A Demonstration of Slowed Electron ${\bf E}\times {\bf B} $ Drift for PTOLEMY |