СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ И ФАЗОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ МИКРОСГУСТКОВ СТРУКТУРИРОВАННОГО ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1996 года по МПК H01J47/00 

Предлагаемое изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности к ускорительной технике, и может быть использовано для диагностики выведенного структурированного пучка, например выведенного пучка циклотрона.

Способы измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц известны. Известен, например, способ измерения фазового положения микросгустков пучка циклотрона, в котором измеряемый пучок индукционно связывают с индуктивным или емкостным датчиком, выделяют и усиливают вторую гармонику наведенного сигнала и по его фазовому положению относительно ускоряющего напряжения судят о фазовом положении микросгустков ускоренного пучка (1). Недостаток: этот способ не позволяет измерять длительность микросгустков пучка.

Известен способ измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц, основанный на временном статистическом анализе продуктов взаимодействия пучка с облучаемым веществом, в котором γ-кванты, возникающие при попадании пучка ускоренных частиц на мишенное устройство, регистрируют фотоумножителем с установленным перед катодом сцинтиллятором и анализируют их временное распределение относительно определенной фазы ускоряющего высокочастотного напряжения многоканальным временным анализатором (2) прототип. Недостаток способа заключается в том, что в ходе таких измерений пучок полностью или частично разрушается. Кроме того, возникают жесткие требования к системе проводки пучка с тем, чтобы не было ложных источников g-квантов, например в случае задевания пучком элементов ионопровода коллиматоров или элементов промежуточной диагностики пучка.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является обеспечение измерений без разрушений пучка и снижение требований к проводке пучка.

В предлагаемом способе измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц, заключающемся во временном статистическом 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 электрическим полем, напряженность которого превышает напряженность собственного поля пучка ускоренных частиц, формируют из ускоренных электронов пространственно ограниченный пучок, выделяют электроны с энергиями, соответствующими центральной области пучка и регистрируют их временное распределение в течение времени действия ускоряющего напряжения.

Работоспособность предлагаемого способа измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка основана на том, что процесс ионизации пучков остаточного газа (облучаемого объекта) является процессом статистически независимым, то есть в каждом сечении пучка скорость образования электронно-ионных пар в любой момент времени пропорциональна интенсивности пучка. При этом время жизни атомов остаточного газа в возбужденном состоянии пренебрежимо мало, а время извлечения электронной компоненты при достаточно большой напряженности электрического поля и характерных размерах порядка сотни миллиметров составляет доли наносекунды. Таким образом, электронная компонента ионизованного остаточного газа, который в данном случае играет роль облучаемого объекта, может служить носителем информации о структуре пучка с временным разрешением в доли наносекунды.

Однако прямая реализация измерений с использованием электронов ионизации осложнена целым рядом трудно учитываемых факторов, в частности рождением электронов рассеянным пучком на элементах конструкции ионопровода и вторично-эмиссионными процессами. С учетом того, что вероятность ионизации достаточно мала (для условий циклотрона при ускорении протонов до энергии 30 МэВ в вакууме 10^-5 торр она порядка 10^-5 на см), указанные процессы могут оказаться доминирующими. Таким образом, необходимо принимать специальные меры для обеспечения указанных измерений. В качестве таких мер авторы предлагают формирование пространственно ограниченного пучка и выделение электронов с энергиями, соответствующими центральной области исследуемого пучка.

Время накопления статистической информации о временном распределении электронов (время экспозиции) может быть достаточно большим, а в качестве временной шкалы предлагается выбрать период ускоряющего напряжения.

Суть предложения поясняется фигурой 1, где показана структурная схема устройства, реализующего прелагаемый способ.

Здесь:
1, 2 пластины извлекающего конденсатора,
3 поперечная формирующая щель,
4 анализатор энергии ионизационных электронов,
5 токоприемник с электронным умножителем,
6 многоканальный временной анализатор,
7 синхронизатор,
8 измеряемый пучок ускоренных частиц.

На фиг. 2 показано распределение числа электронов N от времени t по каналам многоканального временного анализатора.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц, содержит пластины извлекающего конденсатора 1, 2, одна из которых снабжена формирующей щелью 3, анализатор энергии ионизационных электронов 4, токоприемник с электронным умножителем 5, многоканальный временной анализатор 6 и синхронизатор 7.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Измеряемый пучок 8 пропускают между пластинами 1, 2 извлекающего конденсатора. В результате ионизации остаточного газа в зоне прохождения пучка образуются электронно-ионные пары. Электронная компонента электрическим полем конденсатора ускоряется к пластине, снабженной сепарирующей щелью 3, ось которой перпендикулярна оси пучка.

Размер формирующей щели 3 выбран так, что вероятность прохождения через щель более одного электрона от каждого микросгустка пучка была мала. На практике в зависимости от условий проведения измерений размер щели может варьироваться от десятых долей мм до нескольких мм. Анализатором энергии 4 осуществляют анализ энергии этих электронов так, что на электронный умножитель 5, работающий в одноэлектронном режиме, проходят только электроны, рожденные в центральной области ионопровода.

Анализатор энергии выделяет электроны с энергией, соответствующей центральной области пучка и равной половине извлекающего напряжения. Реально размер формирующей щели и диапазон энергий электронов выбраны так, что вероятность прохождения на электронный умножитель одного электрона от каждого микросгустка пучка была не более 0,3. Допустимое значение вероятности прохождения на токоприемник более одного электрона каждого микросгустка определяется допустимыми искажениями отображения формы реального микросгустка. Наличие так называемого "мертвого времени" у любого временного анализатора приводит к тому, что в каждом микросгустке фиксируется только один первый - электрон. При этом центр тяжести отображения микросгустка смещается в сторону начала импульса. Так, для идеального прямоугольного импульса микросгустка в силу статистической независимости процесса ионизации функция плотности вероятности постоянна на длине микросгустка, а вероятность появления n электронов равна ω_n= ωn1

, где ω₁ вероятность появления одного электрона. При требовании допустимых амплитудных искажений отображения микросгустка на уровне 10% вероятность появления двух электронов от одного микросгустка должна быть ω₂<0,1, что обеспечивается при вероятности появления одного электрона на уровне ω₁<0,3.

Нижний предел вероятности появления одного электрона ω ограничен двумя факторами. С одной стороны, при уменьшении и пропорционально увеличивается время накопления информации, необходимое для получения заданной статистики. С учетом того, что для отображения формы микросгустка необходимо n 10 событий, а допустимое с точки зрения удобства измерений время накопления Т не должно превышать несколько десятков секунд, можно оценить нижний предел w₁ как ω₁ n/T•f, где f частота следования микросгустков. Для пучка циклотрона f 10⁷ Гц и ω₁>10^-5. С другой стороны, при уменьшении вероятности регистрации электронов растет влияние шумовых импульсов электронного умножителя, средняя частота появления которых для широкого класса электронных умножителей составляет несколько импульсов в секунду. Естественно потребовать, чтобы средняя частота появления электронов была не меньше средней частоты шумовых импульсов. Оценка нижнего предела из этих соображений дает ω₁>10^-6. Однако нижний предел вероятности не может быть жестким (применение охлажденных умножителей, проведение уникальных измерений и т.п.). Временное распределение электронов относительно ускоряющего напряжения фиксируется многоканальным временным анализатором 6, работающим, например, в старт-стопном режиме. Стартовым сигналом служат импульсы с токоприемника 5, сигнал стоп, привязанный к определенной фазе ускоряющего напряжения, формируется синхронизатором 7. В результате накопления статистической информации в памяти многоканального временного анализатора 6 формируется позиционное распределение интенсивности событий, соответствующее длительности и фазовому положению микросгустков измеряемого структурированного пучка 8.

Повышенная помехозащищенность предлагаемого способа обеспечена тем, что электроны, рожденные за пределами контролируемой области ионизации остаточного газа, например на поверхности пластин 1, 2 извлекающего конденсатора, в процессе ускорения набирают энергию, лежащую вне выбранных пределов, и не могут попасть на токоприемник 5. Аналогично прототипу в предлагаемом способе принципиально не регистрируются электромагнитные сигналы помех, связанные с ускоряющим высокочастотным напряжением, определяющие пороговую чувствительность известных неразрушающих пучок способов. Чувствительность измерений практически не ограничена, поскольку набор необходимого количества событий в ходе измерений связан только с временем накопления статистической информации.

Пример.

Испытания проводились на пучке циклотрона при ускорении протонов до энергии 30 МэВ и при ускорении лития до энергия 70 МэВ в диапазоне токов от единиц наноампер до десятков микроампер. Расстояние между пластинами извлекающего конденсатора составляло 60 мм, поперечный размер формирующей щели 0,5 мм, напряжение на извлекающем конденсаторе 10 кВ, давление остаточного газа в тракте ионопровода 3•10^-5 торр. На фиг. 2 показано полученное экспериментально распределение электронов по каналам многоканального временного анализатора при времени экспозиции около одной секунды. Временное смещение между пиками, вводимое дополнительной задержкой импульсов синхронизации, составляет 8 нс.

Таким образом, предлагаемый способ измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц позволяет проводить измерения без разрушения пучка при чувствительности на уровне прототипа и высокой помехозащищенности; последнее снижает требование к системе транспортировки пучка.

Использование: в ускорительной технике, при диагностике выведенного структурированного пучка, например, циклотрона. Сущность изобретения: пучком ускоренных частиц ионизируют остаточный газ, электроны, образующиеся при этом, ускоряют поперечным электрическим полем, напряженность которого превышает напряженность собственного поля пучка. Затем формируют из ускоренных электронов пространственно ограниченный пучок, выделяют электроны с энергиями, соответствующими центральной области пучка, регистрируют их временное распределение на периоде ускоряющего напряжения, а о фазовом положении и длительности микросгустков структурированного пучка судят по временному статическому распределению зарегистрированных электронов. 2 ил.

Способ измерения длительности и фазового положения микросгустков структурированного пучка ускоренных частиц, заключающийся во временном статистическом анализе продуктов взаимодействия пучка ускоренных частиц с облучаемым веществом, отличающийся тем, что в качестве облучаемого вещества выбирают остаточный газ, при этом электроны, образующиеся при ионизации остаточного газа пучком ускоренных частиц, ускоряют поперечным электрическим полем, напряженность которого превышает напряженность собственного поля пучка ускоренных частиц, формируют из ускоренных электронов пространственно ограниченный пучок, выделяют электроны с энергиями, соответствующими центральной области пучка, и регистрируют их временное распределение в течение времени действия ускоряющего напряжения.