Устройство для управления пучками заряженных частиц

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ,включающее монокристаллическую мишень с главными кристаллогр афическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности фокусирования расходящихся пучков частиц ультрарелятивистских энергий, монокристаллическая мишень выполнена в виде двусторонней гребенки с прямоугольными зубьями с каждой стороны, гдehaJ5 )bCf- угол коллимации, критический упол каналирования, причем с входной стороны зубья изогнуты к медиан ой плоскости мишени и прижаты крицами друг к другу, а на выходной стороне зубья изогнуты таким образом, что каждый ч -ый из § них смещен к медианной плоскости на величину 1„ () гдеК р (Л заданное фокусное расстояние для выходящего пучка, о - расстояние между зубьями у их основания, а ось коллиматора лежит в медианной плоскости .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) О)) 4(51) 6 21 К 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 3409835/18-25 (22) 1 6.03.82 (46) 15.01.85. Бюл. ¹ 2 (72) С.А.Воробьев, В.В.Каплин и Е .И.Розум (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте (53) 539.1.06(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 723964, .кл. С 21 К 1/00, 1979 °

2. D. Allen, D. Jockley etal.

"Observation of Channeling of Negative Pion of UGeV/С, Momentum"

ettere al Nuovo Cimento, v. 15, № 15, р. 529-530, 1976. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКАИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающее моно кристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка

Ф заряженных частиц, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности фокусирования расходящихся пучков частиц ультрарелятивистских энергий, монокристаллическая мишень выполнена в виде двусторонней гребенки с л прямоугольными зубьями с каждой стороны, гдето= — >Ь٠— угол коллимации, fc-ЬЧ критический упол каналирования, причем с входной стороны зубья изогнуты к медианНой плоскости мишени и прижаты койцами друг к другу, а на выходной стороне зубья изогнуты таким образом, что каждый р -ый из них смещен к медианной плоскости на величину t„= ((1-2nd) /28+), где Rq заДанное фокусное расстояние для выходящего пучка, 3 — расстояние между зубьями у их основания, а ось коллиматора лежит в медианной плоскости, ° ю

15 невозможно для пучков заряженных частиц высоких энергий.

Известна монокристаллическая мишень для управления пучками частиц высоких энергий, выполненная из кристалла толщиной Jfc ) = fcwj o . (рад ( изогнутого по дуге радиуса К ccMJ >

?2 10 з Е (МэВ), причем кристалл вырезан в виде плоскопараллельной

1 1Обч7

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике для формирования пучков заряженных частиц ультрарелятивист5 ских энергий.

В настоящее время широкое распространение получили монокристаллические мишени для управления пучками частиц и излучений. Управляющее или формирующее действие используемых монокристаллических мишеней основано на брэгговском отражении излучения от атомных плоскостей монокристаллической пластины. Если какие-либо кристаллографические плоскости параллельны поверхности такой пластины, а пучок падающего рентгеновского излучения или нейтронов составляет угол 8 с направле 2О нием этих плоскостей, то при выполнении условия Брэгга hq =2 о s n 6 (где в — длина волны излучения, Q — межплоскостное расстояние

1 кристаллической пластины, л — поРядок отражения) формируется максимум интенсивности отраженного пучка под углом 6 к поверхности пластины.

При высоких энергиях нейтронов и квантов механизм брэгговского отра30 жения становится неэффективным из-за резкого уменьшения требуемого угла под которым лучок частиц падает на мишень. Так, например, если для излучения с энергией Е=10 МэВ угол 8 0,0001 рад, что уже меньше обычной угловой расходимости пучка, то для излучения с энергией в области нескольких тысяч МэВ брэгговский угол становится приблизительно равен 8ц 10 рад, что делает монокристаллическую мишень практичес ки неработоспособной для управления потоками излучения. Формирование также пучков заряженных частиц методом брэгговского рассеяния на поверхности или путем пропускания через кристаллическую пластину возможно для электронных пучков с энергией сотни КэВ или несколько МэВ и

92 2 пластины так, что какое-либо главное кристаплографическое направление образует с его поверхностью угол 6 в пределах от 30 до 60, а входо о ной подвижный коллиматор кинематически связан с мишенью так, что при любом изгибе мишени его ось направлена по касательной дуге, образованной главным кристаллографическим направлением (1) . Такая монокристаллическая мишень имеет равномерно изогнутые с одинаковым радиусом кривизны, кристаллические плоскости.

Пучок заряженных частиц направляют вдоль кристаллографических плоскостей, под соответствующим углом 8 к входной поверхности пластины, и в процессе каналирования прошедший пучок эффективно отклоняется на угол g (рад) = 4 (см) g (см) 1(6, .

Поскольку все кристаллографические плоскости имеют одинаковый радиус кривизны, то используемая мишень пригодна только для отклонения пучка частиц, но не позволяет осуществлять фокусирование пучков. По этой же при. чине это устройство является работоспособным только для параллельных (не расходящихся)пучков заряженных частиц.

Наиболее близким техническим решением является устройство для управ ления пучками заряженных частиц, включающее монокристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц (2j .

Монокристаллическая мишень работает в плоском, неизогнутом варианте. При изгибе такой мишени по дуге окружности изогнутся ее кристаллографические плоскости. Главные кристаллографические плоскости, перпендикулярные поверхности монокристалла, изогнутся при этом неравномерно и так, что их продолжения проецируются в точку фокуса на расстоянии (см)> 2- 10 g МэВ в центре окружности, по дуге которой изогнут монокристалл. В изогнутом варианте такой мишенью возможно фокусировать пучки заряженных частиц не слишком высоких энергий. Для пучков заряженных частиц ультравысоких энергий, E))1 ГэВ, устройство оказывается неработоспособным из-за условий реализации эффекта каналиро40

3 1064 вания. Захват частиц в режим каналироваиия имеет место при углах падения частиц относительно кристаллоо . -11 графической плоскости Lg E МэВ) т.е. для ультрарелятивистских час-, тиц практически для параллельного пучка, падающего нормально.к поверхности пластины. Зная фокусное расстояние такого устройства 3, и величину Я0, легко определить предельный поперечный размер р< падающего параллельного пучка, который падает в режим- фокусирования(3 66,1<р. Так,для протонов с энергией F„=10 ГэВ имеем

hQ . 10 рад в кристалле (110)

-.ф кремния и для реального расстояния =100 см, определяемого предельно допустимой кривизной кристаллической пластины, получаем Pq < 0,1 мм, т.е. пучки ультрарелятивистских частиц с реальным поперечным размером и уг20 ловой расходимостью 6Я > с практически невозможно фокусировать такой монокристаллической мишенью.

Цель изобретения — повышение эффективности фокусирования расходя25 щихся пучков частиц ультрарелятивист ских энергий.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, включающем монокристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц, монокристаллическая мишень выполнена в виде двусто- 35 ронней гребенки с д прямоугольными

hQ зубьями с каждой стороны где д = —

Чс

ЬЯ вЂ” угол коллимации, g< — критический угол каналирования. Причем с входной стороны зубья изогнуты к медианной плоскости мишени и прижаты концами друг к другу, а на выходной стороне зубья изогнуты таким образом, что каждый и -ный из них смещен к медианной плоскости на 45 величину 1 д = ((1-2 n d) /28,(,) где R+— заданное фокусное расстояние для выходящего пучка, Д вЂ” расстояние между зубьями у их основания. Кроме того, ocb, коллиматора лежит в медианной 50 плоскости, На фиг. i показана половина монокристаллической мишени перед изгибами, на фиг.2 — симметричная половина изогнутой монокристаллической .55 мишени.

Пучок частиц пацает на монокрис.таллическую пластину, состоящую из

792 4 монолитной 1 и гребенчатых — входной 2 и выходной 3 ча с т ей. Пер ед монокристалличе ской пластиной стоит коллиматор 4. Ось 00 определяет положение медианной плоскости пластины, точка А — положение фокуса падающего пучка, — положение фоку са выходящего сформированного пучка.

Полная длина кристалла-мишени определяется условиями максимального захвата частиц в режим каналирования и минимальным их деканалированием ьп= 6 +2L<0 5L„где п — полная длина кристалла, 0 — длина неразрезанной части и L — длина разрезанной части, L k — длина каналирования (, 1 см Е(ГэВ) (см. фиг.1 описания предлагаемого изобретения).

При этом количество частиц, прошедших через мишень и испытавших фокусирование максимально и составляет величину 0,6 от всех захваченных в режим каналирования.

Величина неразрезанной части кристалла 6 несущественна и может быть сделана достаточно малой / = 0,1, поскольку даже при таких значениях будет обеспечена жесткость кристалламишени и условие упругого изгиба его разрезанных частей. Минимальная полная длина кристалла-мишени Ln определяется длиной установления режима каналирования заряженных частиц в кристалле. Таким образом для

E-100 ГэВ диапазон этой величины составляет 100 см 3Ь0 0,1 см. Таким образом, для управления пучками заряженных частиц ультрарелятивистских энергий Е 7 1 ГэВ, для которых неэкономично применение магнитного и электрического принципа отклонения и наиболее оптимально использование кристаллов, полная длина кристалла мишени в предлагаемом изобретения может изменяться в широком диапазоне и отвечает размерам реальных кристаллов, изготавливаемых в настоящее время промышленностью.

Общая толщина кристалла-мишени, ширина вырезов и толщина вырезанных пластинок определяется раскодимостью

ЬЯ и сечением б пучка частиц. Например, если ЬЯ = n g (Ц> — известная величина — критический угол каналирования, определяемый энергией частиц),.то из условия захвата в режим каналирования в отдельных пластинах максимального числа частиц (100%) следует сделать (0 †) вырезов, 106ч792 (11 зубьев), тогда в изогнутом состоянии на каждый зуб будет падать

1 часть (д) пучка с угловой расходимостью ((. Кроме того, медиана каждой части пучка будет нормальна к торцовой поверхности зуба. Это дает, соотношение (если Ц вЂ” малая величина) ." = откуда (т -1Я Чк

t 2L VI- 5 расстояние между зубьями. С условием того, что весь пучок частиц сечением 9 падает на входную часть кристалла-мишени имеем толщину кристалла T5$ -1)g =5+2 .с к,L, а толщину каждой пластины ьТ= — . Глубина выре9

n зов, т.е. L, параметр несущественный и определяется технологичностью изготовления мишени.

Принцип работы фокусирующей монокристаллической мишени основан на явлении каналирования заряженных час. тиц в монокристаллах. При падении частиц вдоль кристаллографических направлений мишени их движение опреЭ деляется последовательными скользящими столкновениями с цепочками и плоскостями атомов в режиме каналирования. В такой режим попадают лишь частицы пучка с угловой расходимостью, меньшей hgo c 1/Е" (МэВ) отноЗО сительно направления кристаллографических плоскостей. Частицы падающего пучка с большей угловой расходимостью рассеиваются как в случае аморфной мишени. Как следует из геометрии рабочей изогнутой мишени, по-15 казанной на фиг.2, если расходящийся пучок частиц с угловым разбросом направить на входной торец 2 сжатой кристаллической мишени, то значительная часть пучка захватит40 ся в режим плоскостного каналирования.

Условие эффективного захвата обес печивается при разрезе входной части мишени íà п>щ )(f число пластинок, 45 при котором обеспечен почти 100Х захват частиц в режим каналирования.

При этом условии ширина J разрезов выбирается иэ технологических соображений, так как технически сложно выполнить прорези менее 100 мкм. После выбора J необходимо обеспечить изгиб входных зубьев радиусом

=1 /2пg, чтобы входные концы были сжаты впритык друг у другу. При выполнении заданного условия падающий расходящийся пучок частиц попадает как-бы на монолитную кристаллическую мишень и каждая часть пучка (отличающаяся углом расходимости ац„ ) бу дет каналировать в своей и — той пластинке. Приведенное условие принципиально определяет работоспособность предлагаемого устройства и

его эффективность. Если это условие не выполнено, т.е. концы разреэных пластинок не сведены друг к другу, или пс< ЬЯ с то эффективность захвата пучка в каналы, а следовательно, и эффективность управления пучков час. тиц, будут малы. Для предельного случая пучка частиц без расходнмости, Щ =0 имеем и =0 и М =О, т.е. можно использовать для фокусирова- ния нерасходящегося пучка монолитную кристаллическую мишень с гребенчатой выходной частью.

Захваченные в каналы частицы устойчиво движутся в изогнутых пластинах при радиусе изгиба не меньше

R fcMj>? ° 1О ((МэВ1, где с — энергия заряженных час иц. Пройдя через переходную монолитную область мишени частицы вновь попадают в режим положения в изогнутых каналах в выходной части мишени. Здесь условие изгиба пластины 1 = ((1-2г4 ) /(2 R )) принципиально определяет рабочий параметр всего устройства — его фокусное расстояние R+ . Задавая смещение при изгибе конца каждой пластины11, I возможно не только регулировать фокусное расстояние для выходящего пучка, причем без потери частиц в пучке, но возможно преобразовать падающий расходящийся пучок в параллельный пучок частиц, так как при

1д =0 имеет ky =oo ° Также возможно, задавая закон смещения преобразовать, например, падающий пучок с равномерной плотностью частиц по сечению в пучок частиц на выходе устройства с неравномерной плотностью, например, с распределением по закону Гаусса, или разделенный на два отдельных расходящихся пучка.

Предлагаемое устройство позволяет фокусировать пучки заряженных частиц ультравысокой энергии, имеющие реальные угловые расходимости. Если взять пучок протонов от точечного ис. точнька с энергией и =100 ГэВ и угловой расходимостью hq =10 рад, то в устройстве (2) в режим фокусирования на фокусное расстояние =100 см попадает только часть пмч«

10647

Составитель Г.Ковалев

Редактор С.Титова Техред Т.Фанта Корректор Г.Решетник

Заказ 102/2 Тираж 408 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 ка, не более 10 Х от первоначального. В предлагаемом устройстве, если сделать мишень общей толщиной (поперечньм размером) Т =.10 см, разрезанную на входе на пластинки тол- 5 щиной каждая аТ =2 мм с шириной разpesos 0,5 мм, то в режим фокусирования.попадает около 57 частиц падающего пучка, т.е. выигрыш в эффективности предлагаемого устройства, по сравнению с базовым объектом, в 500 раз больше. Если падающий пучок имеет еще меньшую угловую расходимость, то коэффициент захвата частиц возрастает в несколько раз, а для параллельного пучка коэффициент практически равен 100Х. В этом .случае мишень работает с неизогнутой и негребенчатой входной частью.