2.4 La misurazione della corrente di fascio
2.4.1 La Faraday Cup
La Faraday Cup `e un dispositivo che intercetta un fascio di particelle cariche (fascio ionico) e ne misura l’intensit`a di corrente. Il nome deriva dal chimico e fisico britannico Michael Faraday (1791 − 1867) che, con le sue scoperte, contribu`ı a sviluppare le conoscenze nei campi dell’elettromagnetismo e dell’elettrochimica; in particolare egli scopr`ı il fenomeno
della rotazione elettromagnetica, dell’induzione elettromagnetica, del diamagnetismo e dell’effetto magneto-ottico.
Nella sua forma pi`u semplice la Faraday Cup consiste in una camera metallica con-duttrice elettricamente isolata (la cosiddetta coppa), che intercetta trasversalmente le particelle del fascio, catturandone gli ioni; un cavo elettrico ad essa collegato conduce la corrente che si stabilisce nella coppa verso l’esterno, dove il segnale rilevato viene opportu-namente elaborato da strumenti di misura. La rilevazione pu`o avvenire in modo semplice con l’impiego di un amperometro posto tra il cavo conduttore e la terra, oppure mediante un voltmetro od un oscilloscopio che visualizza l’andamento della differenza di potenziale misurata ai capi di un resistore calibrato posto tra il cavo conduttore e la terra.
La figura seguente illustra tutti i principali elementi che compongono questo particolare strumento di misura:
Fig. 2.3: Schematizzazione della Faraday Cup
Si riportano di seguito tutti gli elementi presenti nella figura precedente figura:
1. Corpo conduttore della Faraday Cup;
3. Astuccio metallico che avvolge il corpo della Faraday Cup (pu`o essere posto a po-tenziale negativo e quindi svolgere la funzione di elettro-sopressore quando non `e presente l’elettrodo di soppressione);
4. Diaframma o piatto frontale che definisce la sezione di ingresso alla camera; 5. Mezzi isolanti (a bicchiere o ad anello);
6. Elettrodo soppressore ad anello (produce un campo elettrico che respinge all’interno della camera gli elettroni secondari che tenderebbero a sfuggire attraverso l’apertura di ingresso);
7. Assembramento di magneti che producono il campo magnetico all’interno della came-ra per inibire la fuga degli elettroni in quanto ne costringono la tcame-raiettoria. Possono non essere presenti, in quanto rafforzano l’effetto soppressore gi`a realizzato dagli elettrodi soppressori;
8. Cavo conduttore;
W. Ampiezza dell’apertura di ingresso della camera; LF C. Lunghezza della Faraday Cup;
WP. Workpiece (a seconda delle applicazioni l’utilizzazione pu`o essere: wafer semicon-duttore; componenti da saldare con fascio elettronico; altre utilizzazioni)
IP. Fascio di ioni primari; ES. Elettroni secondari emessi;
A. Amperometro o Elettrometro; apparato rivelatore dell’intensit`a di corrente elettrica;
Fig. 2.4: Foto della parte anteriore e posteriore di una Faraday Cup non raffreddata per fascio di 50 mm di diametro, con sistema di soppressione elettro-magnetico [19].
La tazza metallica `e la parte sensibile del dispositivo ed ha come funzione quella di intercettare e raccogliere gli ioni del fascio che si intende analizzare. Si tratta di atomi
Fig. 2.5: Faraday Cup collegata al relativo sistema di movimentazione pneumatica
che vengono ionizzati ed accelerati in una certa direzione all’interno di una conduttura ad alto vuoto ed hanno carica elettrica negativa se sono dotati di un elettrone in pi`u, oppure positiva se hanno una carenza di un elettrone. Il fascio entra attraverso l’apertura della tazza e quando gli ioni vengono a contatto con la sua superficie metallica, prelevano l’elettrone di cui necessitano per bilanciare la propria carica. Nel caso di fascio ionico, continuo e stabile, il flusso di elettroni prelevati va a formare una corrente che pu`o essere misurata.
La misura dell’intensit`a di corrente `e direttamente proporzionale al numero di atomi al secondo che vengono ionizzati ed accelerati e che colpiscono il rivelatore ed `e proprio questa relazione diretta a rendere la Faraday Cup uno degli strumenti di diagnostica del fascio pi`u semplice e perci`o pi`u ampiamente utilizzato.
La seguente relazione `e valida per un fascio ionico continuo e stabile in cui ogni ione ha una carica singola:
N t =
I
e (2.4.1)
Per cui dalla misura della corrente I `e possibile conoscere il numero di ioni N che perven-gono nella sezione di misura nel tempo t, essendo la carica elementare dell’elettrone pari a e = 1, 602 ∗ 10−19 C. Questa espressione `e molto accurata per via della relazione diretta tra corrente misurata e numero di ioni, poich´e una corrente di 1 nA corrisponde ad un flusso di 6, 25 ∗ 109 elettroni al secondo.
1nA = 1 ∗ 10−9A = 1 ∗ 10−9C/s = 1 ∗ 10
−9C/s
1, 602 ∗ 10−19C/e = 6, 25 ∗ 10
9e/s (2.4.2)
un’energia specifica del fascio di 40 MeV/u3 ed una potenza del fascio di 10 kW si pos-sono stimare il numero di particelle incidenti la coppa nel secondo e quindi la corrente sviluppata: 1eV = 1, 60217733−9J 1M eV = 1 ∗ 106eV = 1, 60217733−13J 10000W 40M eV /u ∗ 1, 60217733−13J/M eV = 1, 5626 ∗ 10 15partic/s I = N t ∗ e = 1, 5626 ∗ 10
15e/s ∗ 1, 602 ∗ 10−19C = 0.00025A = 0.25mA
Si tratta di segnali di corrente deboli che devono essere amplificati prima della loro elaborazione A/D. In generale la corrente rilevata sulla coppa di Faraday pu`o variare di diversi ordini di grandezza che vanno dal mA = 10−3A al pA = 10−12 A a seconda dell’e-nergia e della potenza del fascio. `E proprio questa una caratteristica peculiare di questo strumento: la possibilit`a di misurare correnti molto piccole senza eccessive alterazioni da parte del rumore, come invece accadrebbe utilizzando un trasformatore. La misurazione di correnti cos`ı piccole `e particolarmente utile nell’accelerazione dei fasci radioattivi.
La Faraday Cup rappresenta un elemento di diagnostica distruttivo in quanto al mo-mento della misura, l’intero fascio `e bloccato e non pi`u utilizzabile a valle. Si prevede quindi che la Faraday Cup sia movimentata per essere inserita o disinserita dalla linea d’asse del fascio. Nelle costruzioni pi`u semplici e simili all’applicazione richiesta per il progetto SPES, la Faraday Cup `e montata su un supporto ad intercettazione azionato da un attuatore pneumatico che la inserisce nella linea d’asse al momento della misura e che la disinserisce quando, aggiustati i parametri, si vuole utilizzare il fascio (2.6).
Fig. 2.6: Schema della movimentazione “in and out” per le misurazioni distruttive mediante Faraday Cup [19]
Il alternativa al movimento “in and out”, il sistema Faraday Cup pu`o essere mosso in modo continuo o a passi per misurare “a scansione” l’uniformit`a del fascio di ioni. In altre applicazioni la Faraday Cup `e posta in posizione fissa adiacente alla linea del fascio ed in
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prossimit`a dell’utilizzazione finale (ad esempio per un workpiece costituito tipicamente da un wafer in materiale semiconduttore) ed il fascio `e deflesso nel sistema Faraday Cup al momento della misura. Od ancora, in altre costruzioni la Faraday Cup `e disposta su un sistema cartesiano di slitte, tipicamente nelle applicazioni di regolazione e focalizzazione di un fascio elettronico per la saldatura.