Спектрометр заряженных частиц

 

1 СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий корпус, заполненный смесью газов Af-Njf, с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения , отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения сильноточного импульсного пучка;у противоположных стенок корпуса размещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор , ось которого параллельна плоскости окна ;для ввода частиц, а детектор светового излучения вьтолнен в виде светочувствительного материала , размещенного снаружи зеркал.р 2. Спектрометр по п, 1, о т л чающийся тем, что, с целью .. повышения точности спектрометрии электронных пучков за счет подавления рассеяния электронов в газе, корпус размещен внутри соленоида, ось которого перпендикулярна плос- 2 кости окна для ввода частиц.

09) (И) СОЮЗ СОВЬТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(50 С 01 Т 1 36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3361561/18-25 (22) 27 ° 11.81 (46) 23.12.83. Бюп. )) 47 (72) С.С. Сулакшин (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики, электроники и автоматики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова (53) 539. 12 ° 164 (088. 8) (56) 1. Герасимов A.È. и др. Спектрометр импульсного пучка. электронов, ПТЗ, Р 3, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

В 550884, кл. G 01 Т 1/36, 1975.

3. Conde С. and al . "The secondary scintillation onfunf of xenon

in à unifarm fields 9as proportional

seinfillafion connfer !ЕЕЕ Trans

of Nucl Sci.. V 24, 9 1, 1977, р. 221.

4. Pol i carpo 4. T. af a i. "The

argon- ) йго9еа proportional sei f i 11af ion connfer" Nucl 1usf г and

Mefh. Ч 55, )) 1,. р. 105, 1967 (прототип). д (54) (57) 1 СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ, содержащий корпус, заполненный смесью газов А(-йу, с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения спектра.сильноточного импульсного пучка, у противоположных стенок корпуса размещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор, ось которого параллельна плоскости окна.для ввода частиц, а детектор светового излучения выполнен в виде светочувствительного ма" териала, размещенного снаружи зеркал., 2. Спектрометр по п. 1, о т л и- 3 ч а ю шийся тем;.что, с целью повышения точности спектрометрии электронных пучков за счет подавления рассеяния электронов в газе, корпус размещен внутри соленоида, ось которого перпендикулярна плоскости окна для ввода частиц.

1021266

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения энергетических спектров импульсных пучков заряженных частиц.

В связи с развитием мощной импульсной ускорительной техники для инерционного управляемого термоядерного синтеза, обработки материалов, накачки мощных лазеров стала актуальной задача спектрометрии сильноточных импульсных пучков заряженных частиц (электронных, ионных ) с энергиями сотни КэВ - единицы МэВ, плотностями тока пучка от A/ñì до

KA/см и длительности в десятки нс.

Известен спектрометр заряженных частиц, содержащий поворотный магнит, подключенный к источнику питания, измеритель интенсивности повернутого пучка f1) . Это устройство работает за счет различного отклоняющего воздействия поперечного магнитного поля на движущиеся заряженные частицы, имеющие различные энергии.

Недостатком такого устройства являются большие габариты и вес, а также большой расход мощности, потребляемой от источников питания.

Известно устройство, содержащее последовательно расположенные в корпусе металлические фольги, являющиеся детекторами заряженных частиц, и разделенные металлическими экранирующими фольгами накопительные конденсаторы, устройство считывания и измерения потенциалов (2) . Такое устройство работает за счет торможения пучка заряженных частиц,.проходящих через фольги, и оседания частиц в фольгах. Пробег частиц в фольгах связан с их энергией, что позволяет по измеренному заряду, накопленному в фольгах, определить энергетический спектр пучка.

Недостатком этого устройства является низкая точность определения энергетического спектра в связи с ограниченным числом фольг.

Известно использование газовых пропорциональных счетчиков, состоящих из корпуса, заполненного газом, окон для ввода частиц и вывода излучения, электродов и детектора светового излучения для спектрометрирования пучков частиц (3) .

Принцип его действия основан на том, что интенсивность вспышки свечения газа, вызванная прохождением заряженной частицы, пропорциональна потере энергии ею в газе, а в некотором узком диапазоне энергий частицы и энергии самой частицы. Интенсивность вспышки измеряется .с помощью фотоумножителя. Спектр энер гий лучка получается после анализирования амплитуд импульсов с ФЭУ и временного накопления. Существенно, что устройство работает в режиме накопления со слабыми токами пучка и непригодно для разового анализа спектра импульсного пучка частиц.

Наиболее близким по технической сущности является спектрометр заряженных частиц, содержащий корпус, заполненный смесью газов At.-N, с окнами для ввода частиц,и вывода светового излучения и детектор светового излучения j4) .

В корпусе имеются два электрода, находящиеся под разностью потенциалов. Приемником излучения газа служат два ФЭУ. Спектрометрирование осуществляется с помощью электронной схемы анализа и накопления амплитуд импульсов с ФЭУ.

Недостатками этого устройства являются ограниченная точность анализа в связи с конечным числом каналов в анализаторе импульсов и невозможность разового анализа спектра импульсного пучка частиц, слабая помехозащищенность в условиях мощных электромагнитных полей.

Целью изобретения является увеличение точности измерения энергетического спектра сильноточного импульсного пучка заряженных частиц.

Поставленная цель достигается тем, что в спектрометре заряженных частиц, содержащем корпус, заполненный смесью газов At-N<,с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения, у противоположных стенок корпуса размещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор, ось которого параллельна плоскости окна для ввода частиц, а детектор светового излучения выполнен в виде светочувствительного материала, размещенного снаружи зеркал.

Кроме того, для повышения точности спектрометрии электронных пучков путем подавления рассеяния электронов в газе, коргус размещен внутри соленоида, ось которого пергендикулярна плоскости окна для ввода частиц.

На чертеже схематично изображен спектрометр заряженных частиц в аксонометрии.

Спектрометр состоит из корпуса 1, заполненного газовой смесью Р, -N, с тонким вхбдным окном 2. Снаружи корпуса размещены зерк."ла 3, .на которые также снаружи помещается фоточувствительный материал 4. Внешний соленоид на чертеже условно не показан.

Спектрометр работает следующим образом.

1021266 помещенного на внешней стороне зеркала 3, без искажений, связанных с расходимостью излучения или форми.рованием модовой структуры излуче« ния. . Кроме того, высокая направленность излучения позволяет отодвинуть фоточувствительный материал на расстояние, достаточное для подавления помеховых,засветок, которые могут возникать в генераторе пучка частиц.

Распределение энергии излучения, вызывающей почернение фоточувствительного материала, в зависимости от координаты )(, совпадающей с координатой глубины проникновения в газ заряженных частиц (масштаб преобразования в силу высокой направленности лазерного излучения составляет 1:1), будет определяться следующим выражением:

Eìîêñ б E(x)», " " Х(х-г(Е)

=йа) «(«1Ю ",", Л, о

q (<) 4

«(«) (- (ей г(Е)

Восстановление. искомого спектра

К(Ц сводится к стандартному решению

К уРавнений с известными левыми частями:,У1 Емакс

«„ -OHIO « «)ц«1 " dE, о

Емаке о.. = q81 j «(E) qi«) * dE о где д x — шаг, с которым, берутся с отсчеты плотности почернения фоточувствительного материала; количество отсчетов на кривой почернения.

При попадании пучка 5 заряженных частиц через входное окно 2 частицы тормозятся и останавливаются в пределах объема газовой смеси, что обеспечивается давлением газа и размером объема, просматриВаеМого сбоку через зеркала. Энергия частиц при их торможении передается газовой смеси. Смесь подобрана так, чтобы ввод в нее энергии уско. Ренными заряженными частицами при- 10 водил к лазерной генерации. В качестве такой, смеси наиболее подходит газовая смесь Аг -И, обладающая высоким усилением и генерирующая в ближней ультрафиолетовой об- 15 ластк.

Механизм лазерной генерации в смеси Аг -N допускает инжекцию различных частиц, ионизирующих газ (например, электроны, ионы) и on- 20 ределяет следукщий диапазон давлеьий смеси: 0,5 Р а 10 ати. Соотношение газов должно быть РГ.г» PN (например, 5% N и 95% Aг). Вне

2 этого диапазона лазерная генерация или не возникает, или ее эффективность слишком низка. Заметим что

« где Е рассеяние электронов в газе, влияющее на генерацию, может быть подавлено наложением продольного маг1(х) нитного поля достаточного для з I с N (E) магничивания электронов. На лазерную генерации магнитное поле практически не повлияет.

В зависимости от своей энергии частицы проходят в газе на огредеz. (Å) ленную глубину и возбуждают его.

Величина пробега данного сорта час- п(Е) тицы в смеси А -Н гри указанных давлениях определит размер зеркал, который должен быть больше пробега частицы с максимальной энергией

Например, для части1l с наибольшим пробегом электронов с энергией

1 ХэВ размер зеркал должен быть око.— ло 30 см. В случае спектрометрироьания протонов размер зеркал не превышает 3 см.

Степень возбуждения газа, а соответственно, и интенсивность лазерного излучения определяется количеством частиц. Таким образом, распределение интенсивности лазерного излучения в сечении лазерного луча 6, выводимого поперечно к направлению движения заряженных час° тиц в используемом резонаторе, несет информацию об энергетическом спектре заряженных частиц. Высокая направленность лазерного луча, а также короткая длительность импульса тока пучка и соответственно ла- 60 зерного излучения ь смеси с г- . позволяет зафиксировать распределение интенсивности излучения в лазерном луче в виде плотности почернения фоточувствительного материала 4, 65 энергия заряженных частиц в диапазоне О- Е макс; плотность светового потока в лазерном луче; искомый спектр пучка заряженных частиц; ступенчатая функция Хэвисайда; пробег в газовой смеси за- ряженной частицы с энергией

В«

-эффективностьперехода энергик заряженной, частицы с энергией Е в лазерное излучение, эффективность преобразования газовой смесью вложенной в нее энергии в лазерное излучение.

1021266

Составитель С. Кондратенко

Редактор Е, Зубиетова Техред A.À÷ Корректор A. Дзятко

Заказ 10648/7 Тираж 710

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал IIIIII "Патент", r, ужгород„ул. Проектная 4

Точность восстановления спектра частиц определяется количеством уравнений, т.е. количеством отсчетов. В првдлагаемом устройстве количество отсчетов ничем не ограничено, так как отсчеты берутся по непрерывной по Х кривой почернения.

В связи с этим точность восстановления спектра заряженных частиц повышается.по сравнению с известными устройствами.

Техническая эффективность изобретения заключается в повышении точности измерения спектра сильноточного импульсного пучка частиц за . счет того, что в базовом объекте число отсчетов, по которым восстанавливается спектр, определено числом фольг, т.е. физически ограничено, в то время как в предлагае- .мом устройстве число отсчетов не ограничено н может быть выбрано достаточным для обеспечения требуемой точности. другими словами, полученный в предлагаемом устройстве эффект эквивалентен тому, как если бы в базовом объекте было использовано бесконечное число бесконечно тонких фольг. В предлагаемом устройстве в отличие от базового объекта, для которого необходима электрические измерения зарядов, накопленных на фольгах, не требуется никаких электрических или магнитных измерений и соответственно приборов, что исключает воздействие электромагнитных полей на процесс регистрации спектра и тем самым увеличивает точность измерения.

Кроме того, в предлагаемом устройстве потребления энергии на про15 цесс измерения не требуется.

В целом предложенный спектрометр дает возможность повысить точность и достоверность спектральных измерений сильноточных импульсных пучков И тем самым способствует дальнейшему научному прогрессу в важной области, связанной с управляемым пучковым термоядерным синтезом, -обработкой материалов пучками, накач,кой ИОщных лазеров и др