Способ диагностики пучка частиц в ускорителе

 

Использование: в области ускорительной техники. Сущность: в способе регистрируют свечение остаточного газа путем передачи оптического изображения светящейся зоны на плоскость позиционно-чувствительного детектора, а по интенсивности и пространственно-временному распределению оптического изображения судят об интенсивности и пространственно-временной структуре пучка. Технический результат - улучшение пространственного и временного разрешений, повышение точности. 2 з.п.ф-лы.

Область техники Изобретение относится к области ускорительной техники, а именно к способам диагностики пучка в ускорителях.

Уровень техники.

Взаимодействие ионов, движущихся в камере ускорителя, производит как ионизацию, так и возбуждение молекул остаточного газа. В результате первого эффекта рождаются электроны и ионы низкой энергии. В результате второго - световые и ультрафиолетовые фотоны. Все эти частицы могут быть использованы для диагностики пучка. Методы диагностики, основанные на ионизации остаточного газа, применяются достаточно широко.

Известен способ определения статистических характеристик электронных пучков малого сечения, включающий формирование электронного пучка, установку неподвижной мишени в заданном сечении пучка, измерение тока пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени методом макросъемки, обработку фотопленки, фотометрирование изображения по заданным координатам, определение коэффициента увеличения оптической системы и зависимости оптической плотности изображения от плотности тока пучка, получение распределения плотности тока и размеров пучка в плоскости подвижной мишени, при этом плоскость подвижной мишени располагают под малым углом относительно оси электронного пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени производят при синхронном перемещении подвижной мишени с фотокамерой и зависимость оптической плотности изображения от плотности тока пучка определяют сопоставлением величины интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка на мишени (патент 2008737 от 09.07.91 г.).

Недостатком указанного способа является то, что, наряду с очень плохим временным разрешением, в результате взаимодействия пучка с мишенью пучок разрушается.

Известен способ измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц, заключающийся во временном статическом анализе продуктов взаимодействия пучка ускоренных частиц с облучаемым веществом, в качестве облучаемого вещества выбирают остаточный газ, при этом электроны, образующиеся при ионизации остаточного газа пучком ускоренных частиц, ускоряют поперечным полем, формируют из ускоренных электронов пространственно ограниченный пучок, выделяют электроны с энергиями, соответствующими центральной области пучка, и регистрируют их временное распределение.

Работоспособность этого способа основана на том, что процесс ионизации пучков остаточного газа является процессом статистически независимым, т.е. в каждом сечении пучка скорость образования электронно-ионных пар в любой момент времени пропорциональна интенсивности пучка (патент 2069413 от 26.03.97).

Известен неразрушающий способ измерения поперечного распределения зарядов в пучках заряженных частиц, основанный на взаимодействии исследуемого пучка с остаточным газом, согласно которому частицы, образованные в процессе ионизации, извлекают электрическим полем, напряженность которого превышает напряженность собственного поля пучка, и формируют в ленточный пучок, поверхность которого перпендикулярна оси исследуемого пучка, и затем постоянным электрическим полем, перпендикулярным образующей поверхности ленточного пучка, его отклоняют на координатно-чувствительный коллектор, на котором регистрируют двухмерное распределение образованных при ионизации частиц, а о распределении зарядов в исследуемом пучке по координате, перпендикулярной направлению излучения, судят по распределению в этом направлении образованных при ионизации частиц, при этом напряженность отклоняющего поля и его протяженность выбирают в зависимости от напряженности извлекающего поля, так чтобы размеры распределения частиц на коллекторе по обоим направлениям измерения были одного масштаба (а.с. 1392645 от 29.10.86 г.) - прототип.

Недостатками двух последних из перечисленных способов диагностики пучка являются: - ограничение пространственного разрешения в пучках высокой интенсивности из-за влияния пространственного заряда пучка, - ограничение разрешения в сильных магнитных полях, - недостаточно высокое временное разрешение.

Сущность изобретения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В качестве объекта регистрации выбирают свечение остаточного газа под воздействием пучка ускоренных ионов или электронов в камере ускорителя.

Свечение регистрируют путем передачи оптического изображения светящейся зоны пучка на плоскость позиционно-чувствительного детектора.

Во время регистрации в камеру ускорителя дополнительно впрыскивают сцинтиллирующие добавки в виде молекулярного пара.

Дополнительно собирают свет от регистрируемой зоны посредством зеркальной системы и направляют его на плоскость позиционно-чувствительного детектора.

Существенные признаки изобретения.

Регистрируют свечение остаточного газа под воздействием ускоренных ионов или электронов пучка путем передачи оптического изображения светящейся зоны на плоскость позиционно-чувствительного детектора и по интенсивности пространственного распределения оптического изображения, изменяющегося в течение времени регистрации, судят о пространственной временной структуре пучка, что позволяет измерять положение и профиль пучка частиц высокой интенсивности при сохранении высокого пространственного и временного разрешения благодаря исключению влияния поля пространственного заряда пучка и влияния сильных магнитных полей, а также более высокой скорости сбора света.

Введение сцинтиллирующих добавок в виде управляемой импульсной струи молекулярного пара, пересекающей зону пучка, позволяет повысить чувствительность системы за счет увеличения яркости свечения.

Сбор света в большом телесном угле с помощью системы зеркал и линз на плоскость позиционно-чувствительного детектора также дает увеличение чувствительности.

Пример реализации способа.

Через окно в камере ускорителя собирают свет от одной из светящихся областей пучка посредством оптической системы. Для этого, например, с помощью известных оптических систем зеркал, линз или диафрагмы Соллера получают изображение пучка на плоскости и регистрируют его позиционно-чувствительными фотоумножителями.

Сигналы с фотоумножителей регистрируются, например, аналого-цифровыми преобразователями.

Фон, обусловленный рентгеновским излучением в стекле фотоэлектронного умножителя и линз, может быть учтен благодаря использованию каналов, в которые поступление света от пучка заблокировано.

По интенсивности свечения и пространственно-временному распределению оптического изображения судят об интенсивности, а также временной и пространственной структуре пучка.

Во время регистрации для увеличения яркости свечения в камеру ускорителя порционно впрыскивают ленточный пучок молекул сцинтиллирующего вещества, например, иодистого цезия.

Заключение.

Способ диагностики, основанный на свечении остаточного газа, имеет ряд преимуществ по сравнению со способами, основанными на регистрации ионов и электронов, родившихся в результате столкновения пучковых частиц с остаточным газом. Среди них: 1. Возможность измерения положения и профиля пучка частиц высокой интенсивности. Поле пространственного заряда пучка не влияет на траекторию фотонов, как это имеет место в случае заряженных частиц, поэтому пространственное разрешение не снижается с ростом интенсивности пучка.

2. Параметры пучка могут быть измерены в сильных магнитных полях, в которых использование методов ионизации ограничено.

3. Пространственное разрешение может быть легко изменено с помощью оптических линз.

4. Временное разрешение существенно выше. Можно достичь его на уровне 100 псек. Это, по крайней мере, в 10 раз лучше, чем разрешение диагностических систем, основанных на регистрации электронов, и на 2-3 порядка лучше, чем в системах, основанных на регистрации ионов.

5. Фотоумножители более устойчивы к воздействию пучковых и вторичных частиц, чем микроканальные пластины (МКП), которые обычно используются для регистрации электронов и ионов.

6. Чувствительность световых лучей и фотоумножителей к электромагнитным помехам и наводкам намного меньше чувствительности электронов (ионов) и МКП.

Все вышеупомянутые преимущества указывают на перспективу применения предложенного способа диагностики пучка, основанного на свечении остаточного газа, в новых ускорителях с интенсивными пучками, в сильных магнитных полях и там где требуется высокое временное разрешение.

Формула изобретения

1. Способ диагностики пучка частиц в ускорителе, включающий регистрацию продуктов взаимодействия пучка ускоренных частиц с остаточным газом, отличающийся тем, что регистрируют свечение этого газа, возникающее в результате воздействия ускоренных частиц, путем передачи оптического изображения светящейся зоны на плоскость позиционно-чувствительного детектора, а по интенсивности и пространственно-временному распределению оптического изображения судят об интенсивности и пространственно-временной структуре пучка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения яркости свечения в камеру ускорителя впрыскивают сцинтиллирующие добавки в виде молекулярного пара.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свет от регистрируемой зоны дополнительно собирают на плоскость позиционно-чувствительного детектора посредством системы зеркал и линз.