ПУЧКОВЫЙ МОНИТОР Российский патент 2017 года по МПК G01T1/18 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике.

Известно устройство (С. Bromberg, S.R.W. Cooper and R.A. Lewis, A Scintillation counter hodoscope for 10 MHz beams, Nuclear Instruments and Methods 200 (1982) 245), который состоит из сцинтилляционных элементов в виде полосок или волокон. Каждый элемент имеет оптический контакт с фотодетектором, регистрирующим сигнал от прохождения через элемент заряженной частицы. Распределение числа отсчетов по элементам за цикл интенсивности ускорителя дает пространственное распределение пучка частиц, а суммарное число отсчетов соответствует полной интенсивности пучка. Конструкция такого устройства довольно сложная - поперечные размеры сцинтилляторов и фотодетекторов, как правило, сильно отличаются, что требует сложных оптических световодов. Кроме того, при стоимости фотодетекторов не менее $100 цена многоканальных годоскопов велика. Но основным недостатком таких детекторов являются просчеты при интенсивностях выше 10⁶ частиц/с на канал (наложение импульсов). Поэтому годоскопы используются при сравнительно небольших интенсивностях пучков.

С другой стороны, имеется ионизационная камера (Д. Ритсон. Экспериментальные методы в физике высоких энергий. Издательство "Наука", 1964, с. 500) для измерения интенсивности пучков заряженных частиц, состоящая из двух электродов, между которыми находится газ, установленных перпендикулярно пучку падающих частиц. Между электродами подается напряжение, под влиянием которого электроны ионизации, образованные проходящим пучком, собираются на сигнальном электроде и регистрируются электронными схемами. Сигнальный электрод может быть сплошным (и тогда регистрируемый сигнал пропорционален интенсивности падающего пучка) или состоящим из проводящих полосок, ламелей (и тогда по распределению сигналов с полосок измеряется распределение интенсивности пучка в пространстве).

У таких устройств имеются следующие недостатки:

1. при больших потоках частиц происходит насыщение тока ионизации, что приводит к нелинейной зависимости показаний монитора от интенсивности пучка;

2. ионизационные камеры являются относительными приборами и требуется отдельный детектор и отдельные измерения для калибровки мониторов.

Задача, решаемая изобретением, - существенное увеличение диапазона изменяемых интенсивностей пучка и самокалибровка детектора.

На фиг.1 изображено заявляемое устройство. Оно включает ограничивающие газовый объем пластмассовые пленки 1, координатный сигнальный электрод 3, опорные колонки 4, высоковольтный электрод в виде металлической сетки 2, сплошной высоковольтный электрод 5 и сигнальный электрод 6. Детектор наполняется газом (неон, аргон, гелий и т.д.) при атмосферном давлении. Между сигнальным электродом 3 и электродом 2 и между сигнальным электродом 6 и высоковольтным электродом 5, разделенными зазором около 100 мкм, подается напряжение порядка 50 кВ/см. Зазор фиксируется опорными колонками диаметром около 200 мкм и расстоянием между колонками 2 мм. Между высоковольтным электродом 5 и сеткой 2, разделенными зазором около 5 мм, разность напряжения порядка 1 кВ/см. Сигнальный электрод 3 представляет изолятор, на который нанесены проводящие полоски шириной около 1 мм и шагом 0,1 мм (определяется требуемой точностью измерения пространственного распределения пучка), сигнальный электрод 6 - сплошной металлический проводник. Опорные колонки изготавливаются стандартным литографическим методом из паяльной маски.

Монитор работает следующим образом. Заряженная частица пучка, проходящая через камеру в направлении, показанном на фиг.1 стрелкой, создает в зазоре между сеткой и высоковольтным электродом электроны ионизации, которые под действием приложенного напряжения дрейфуют к сетке, проходят сетку, и в поле между сеткой и сигнальным электродом происходит ударная ионизация, приводящая к усилению порядка 10⁴-10⁵ (зависит от состава газа и напряжения). Проходя через высоковольтный электрод 5, частица выбивает из металла электроны вторичной эмиссии малой энергии (~эВ). Они попадают в газовый объем, где в сильном электрическом поле усиливаются в 10⁴-10⁵. Вероятность высокоэнергетичной частицы произвести в этом зазоре ионизацию мала и, кроме того, равномерно распределена по длине зазора, что делает сигнал от этой частицы пренебрежимо малым по сравнению с электроном вторичной эмиссии. Таким образом с сигнального электрода 3 с каждой полоски регистрируется число сигналов за цикл интенсивности ускорителя и измеряется по распределению числа отсчетов профиль пучка и по суммарному числу отсчетов - интенсивность пучка. Одновременно измеряется заряд с электрода 6. При интенсивности пучка 10⁴-10⁷ частиц/с просчетами с электрода 3 можно пренебречь и соотношение между числом отсчетов с этого электрода и величиной заряда с электрода 6 является абсолютной калибровкой монитора. При интенсивности пучка выше 10⁷ частиц/с просчетами нельзя пренебречь. Поэтому напряжение между сигнальным электродом 3 и сеткой уменьшается, чтобы просчеты не исказили форму профиля пучка, а с сигнального электрода 6 величина заряда продолжает быть пропорциональной интенсивности пучка, поскольку при измерении заряда наложений и просчетов нет.

Преимущества этого метода:

- линейность детектора в широком диапазоне интенсивностей;

- для абсолютной калибровки монитора не требуется привлечения дополнительных детекторов;

- одновременное измерение абсолютной интенсивности пучка и его пространственного распределения.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике. Пучковый монитор для измерения интенсивности пучка частиц и его пространственного распределения представляет набор из сигнальных и высоковольтных электродов, расположенных перпендикулярно падающим частицам, при этом сигнальные электроды с фиксирующими опорными колонками отделены газовым зазором около 100 мкм при атмосферном давлении; между электродами подается напряжение, под влиянием которого электроны ионизации собираются на сигнальном электроде. Технический результат – существенное увеличение диапазона изменяемых интенсивностей пучка и самокалибровка детектора. 1 ил.

Пучковый монитор для измерения интенсивности пучка частиц и его пространственного распределения, представляющий набор из сигнальных и высоковольтных электродов, расположенных перпендикулярно падающим частицам, отличающийся тем, что сигнальные электроды с фиксирующими опорными колонками отделены газовым зазором около 100 мкм при атмосферном давлении; между электродами подается напряжение, под влиянием которого электроны ионизации собираются на сигнальном электроде.