Способ диагностики импульсных пучков заряженных частиц

 

Изобретение относится к технике измерения параметров импульсных пучков заряженных частиц. Целью изобретения является повышение точности определения параметров пучка при сохранении целостности пучка. Цель достигается тем, что импульсный пучок сбрасывают на токопроводящую мишень, расположенную вне области локализации пространственного заряда пучка, а параметры аучка восстанавливают по амплитудно-временным характеристикам акустического отклика за счет пондеромоторного взаимодействия между прямым током пучка и его изображением на рабочей поверхности мишени. При этом расстояние между осью пучка и передней поверхностью задается определенным соотношением. 1 ил.

Изобретение относится к экспериментальной технике, точнее к технике измерения параметров импульсных пучков заряженных частиц. Известен способ диагностики пучков заряженных частиц, основанный на измерении разницы потенциалов, наводимой между электродами: измерительным и опорным пучком заряженных частиц, распространяющимся вдоль электродов. Известен также способ измерения параметров импульсных пучков заряженных частиц, включающий метод противотока, основанный на регистрации импульса электрического напряжения, снимаемого с пояса резисторов, включенного в разрыв между токопроводящими участками токопровода и обусловленного противотоком, индуцированным электромагнитным полем пучка заряженных частиц, пролетающего вдоль оси токопровода (ускорительной вакуумной камеры). Недостатком известных способов является сложность технической реализации, малая точность определения параметров импульсного пучка заряженных частиц вследствие как значительной амплитуды импульсной помехи в измерительных линиях, совпадающей по времени с моментами генерации пучка и регистрации сигнала, так и обратного влияния регистрируемого физического эффекта на прямой ток пучка, приводящего к частичному нарушению пучка. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ определения параметров импульсных пучков заряженных частиц, заключающийся в регистрации акустического излучения, генерируемого пучком заряженных частиц при их поглощении в конденсированной среде, служащей в качестве мишени, с последующим восстановлением характеристик пучка по измеренным пространственно-временным параметрам упругого отклика мишени. Недостатком этого способа является нарушение целостности пучка и, следовательно, невозможность его последующего использования. Кроме того, зависимость коэффициента обратного отражения заряженных частиц, налетающих на мишень, от материала мишени, сорта заряженных частиц, их энергии в значительной степени снижает точность определения характеристик пучка заряженных частиц по акустическому отклику мишени. Более того, сам физический механизм, ответственный за генерацию УЗК при взаимодействии пучков заряженных частиц с конденсированными средами, определяется плотностью поглощенной в среде энергии, которая зависит от сорта частиц (электроны, протоны, ионы), числа частиц в импульсе, теплофизических характеристик материала среды. Так, при умеренных плотностях (до единиц кА/см²) тока, например низкоэнергетических (до единиц мегаэлектронвольт) электронов, основным механизмом возбуждения упругих волн является термоупругий. При повышении плотности тока электронных пучков происходит плавление, а при дальнейшем повышении - испарение материала мишени. При этом генерация УЗК определяется испарительным механизмом за счет импульса отдачи, следствием чего является значительное изменение характеристик. Целью изобретения является сохранение целостности пучка и повышение точности измерения параметров импульсных пучков заряженных частиц. На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ диагностики импульсных пучков заряженных частиц. Устройство для бесконтактной радиационно-акустической диагностики пучков заряженных частиц состоит из импульсного ускорителя 1 заряженных частиц, токопроводящей твердотельной мишени 2, акустоэлектрического преобразователя 3 и устройства 4 регистрации. Способ состоит в следующем. Формируемый или транспортируемый импульсный пучок заряженных частиц, генерируемый ускорителем 1, взаимодействует с твердотельной токопроводящей мишенью 2, расположенной вне области локализации заряженных частиц пучка. Мишень, представляющая собой пластину или диск с плоскопараллельными передней и задней поверхностями, ориентирована так, что ее передняя поверхность, обращенная к пучку, параллельна направлению движения заряженных частиц. Импульс тока пучка, распространяющегося вдоль мишени, инициирует на ее передней поверхности ток изображения, направление которого противоположно направлению движения прямого тока пучка заряженных частиц. Взаимодействие прямого тока пучка и тока изображения приводит к возникновению на передней поверхности мишени пондеромоторной силы, величина которой определяется выражением P(t)= k где Р - поверхностная сила, действующая на единичную площадь на передней поверхности мишени; I_m - плотность поверхностного тока изображения на мишени; <I> - усредненная по объему пучка величина прямого тока пучка; r_о - расстояние от оси (центра) пучка частиц до передней поверхности мишени; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранной системы единиц. Пондеромоторная поверхностная сила Р(t) является источником ультразвуковых колебаний, распространяющихся от передней поверхности в объем мишени, являющейся ультразвуковым (УЗ) волноводом. Регистрация УЗ-колебаний осуществляется с помощью акустоэлектрического преобразователя 3 на задней поверхности мишени. В силу детерминированного характера генерации УЗ-импульсов электрический отклик преобразователя 3, подаваемый на вход устройства 4 регистрации, при выбранных конфигурации мишени и условий акустического детектирования определяется амплитудными, временными и пространственными характеристиками пучка заряженных частиц, что позволяет после соответствующей калибровки регистрирующей системы определять, в частности, максимальную амплитуду импульса тока пучка. Конкретный пример реализации предлагаемого способа радиационно-акустической диагностики импульсных пучков заряженных частиц заключается в следующем. Импульсный пучок частиц, заряженных ускорителем 1, взаимодействует с токопроводящей твердотельной мишенью 2, расположенной вне области локализации заряженных частиц пучка, причем мишень 2 представляет собой пластину (или диск) с плоскопараллельными передней и тыльной гранями и ориентирована так, что ее передняя поверхность параллельна направлению движения пучка. Расстояние между центром пучка (его осью) и передней поверхностью мишени выбирается исходя из соотношения r_n<r<kI , где Р_т - амплитуда приведенного к акустическому входу пьезоэлектрического преобразователя импульса давления, соответствующая уровню электрических тепловых шумов на электрическом выходе пьезопреобразователя; k - коэффициент пропорциональности, определяемый путем калибровки; r_n - радиус пучка. Толщина мишени определяется исходя из требуемой величины УЗ-задержки для временного выделения полезного электрического сигнала из электрического импульса наводки. Так, для типичных длительностей сильноточных пучков заряженных частиц 10-100 нс толщина дюралюминиевой мишени 1 должна быть не менее 0,1-1 мм. Регистрация акустического отклика осуществляется с помощью пьезоэлектрического преобразователя на основе пьезокерамики ЦТС-19 на тыльной поверхности мишени спустя интервал времени Δ t, определяемый соотношением Δ t = l/c_l (с_l - скорость продольных УЗ-волн). Электрический отклик пьезопреобразователя по согласованному коаксиальному кабелю подается на вход устройства 4 регистрации, запускаемого синхроимпульсом ускорителя. В качестве устройства регистрации служит осциллограф. (56) Москалев В. А. , Сергеев Г. И. , Шестаков В. Г. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М. : Атомиздат, 1980, с. 195. Протасов А. К. , Рыбин В. М. Акустические преобразователи для измерения параметров пучков заряженных частиц. - Автоматизация управления технологическими процессами. Новые технические средства. 1979, вып. 3, с. 76-94.

Формула изобретения

СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, заключающийся в регистрации акустического излучения, генерируемого пучком в мишени, и в последующем восстановлении параметров пучка по характеристикам акустического отклика мишени, отличающийся тем, что, с целью сохранения целостности пучка и повышения точности определения параметров пучка, мишень выбирают в виде плоскопараллельной пластины или диска, располагают вне области пространственной локализации пучка заряженных частиц на расстоянии r₀ от оси пучка, выбираемом из соотношений r_п < r₀ < KI_п, , ориентируют ее переднюю поверхность параллельно направлению движения пучка частиц, а характеристики пучка заряженных частиц определяют путем регистрации акустического излучения, инициируемого пондеромоторным взаимодействием прямого тока пучка частиц и тока, наведенного на передней поверхности мишени, где P_т - амплитуда приведенного к акустическому входу пьезоэлектрического преобразователя импульса давления, соответствующая уровню электрических тепловых шумов на электрическом выходе пьезопреобразователя; K - коэффициент пропорциональности, определяемый путем калибровки; I_п - амплитуда прямого тока пучка; r_п - радиус импульсного пучка заряженных частиц.

РИСУНКИ

Рисунок 1