СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2019 года по МПК H01J49/00 

Описание патента на изобретение RU2707270C1

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения энергетического спектра импульсно-периодических и непрерывных пучков заряженных частиц.

Известно устройство для измерения энергетического спектра импульсных пучков заряженных частиц, содержащее последовательно расположенные металлические фольги, которые через одну подключены к накопительным конденсаторам, а расположенные между ними остальные фольги заземлены, причем неподключенные к фольгам вторые выводы конденсаторов также заземлены (авторское свидетельство SU №550884, «Спектрометр заряженных частиц», опубликовано 05.01.1978).

Известное устройство работает за счет торможения импульсного пучка заряженных частиц и накопления зарядов в сигнальных фольгах. Зная заряд, накопленный на сигнальных фольгах, можно по известным соотношениям восстановить энергетический спектр заряженных частиц.

Недостатком данного устройства является то, что с помощью данной схемы возможна работа только с импульсным пучком заряженных частиц. При попадании на пластины импульсно-периодического, состоящего из субнаносекундных электронных сгустков, или непрерывного пучка происходит накопление зарядов на пластинах конденсаторов и растет напряжение до момента пробоя и выхода конденсатора из строя. Данное устройство не дает возможности проведения измерений спектра импульсно-периодического или непрерывного пучка заряженных частиц в режиме реального времени.

Также известно устройство, содержащее последовательно расположенные металлические фольги, полностью покрытые диэлектрической пленкой, и накопительные емкости, имеющие отдельные разъемы для снятия зарядовых характеристик (патент RU №2581728, «Фольговый зарядовый спектрограф», опубликован 20.04.2016).

Известное устройство работает за счет торможения пучка ускоренных электронов и накопления заряда в фольгах. Общая толщина фольг подбирается из условия равенства экстраполированному пробегу электронов максимальной энергии. Измеренный заряд, который накапливается в фольгах, путем восстановления позволяет определить энергетический спектр пучка заряженных частиц. Каждая фольга покрыта диэлектрической пленкой. Нанесение диэлектрической пленки служит для уменьшения погрешности измерений, вызванной вторичной эмиссией электронов с фолы и наличием объемных зарядов в воздухе.

Недостатком данного устройства также является то, что с помощью данной схемы невозможна работа с импульсно-периодическим или непрерывным пучком заряженных частиц, так как происходит накопление зарядов на пластинах конденсаторов и растет напряжение до момента пробоя и выхода конденсатора из строя. Данное устройство также не дает возможности проведения измерений спектра заряженных частиц в режиме реального времени.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному спектрометру заряженных частиц (Архипов О.В., Бобылева Л.В., Бруданин В.Д. и др. Сообщения объединенного института ядерных исследований Дубна, Измерение энергии сильноточного замагниченного пучка электронов в ЛИУ, 1990).

Известное устройство содержит набор титановых фольг (поглощающих элементов), изолированных между собой с помощью керамических шайб. Весь пакет фольг стягивается с помощью изолированных шпилек. Все фольги нагружены на одинаковые низкоиндуктивные шунты, составленные из параллельно включенных резисторов типа ТВО. Сигналы с шунтов выводятся по кабельным линиям и поступают на линейку аттенюаторов с согласованными сопротивлениями входов и различными коэффициентами деления. Сигналы ослабляются и через линию задержки с дискретным ручным переключением подаются на вход зарядово-цифрового преобразователя. Далее сформированные сигналы передаются на осциллограф и визуализируются на экране. По результатам этих измерений восстанавливается энергетический спектр пучка заряженных частиц.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, является то, что между поглощающими элементами имеются паразитные емкостные связи, и импульсно-периодические пучки заряженных частиц с субнаносекундными длительностями импульсов будут вносить большие погрешности в измерения, так как между соседними поглощающими элементами, образующими высокочастотные контуры, будут возникать паразитные колебания.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, позволяющего производить измерение распределения зарядов в поглощающих элементах и восстановление энергетических спектров имлульсно-периодических и непрерывных пучков заряженных частиц с высокой точностью.

Техническим результатом настоящего изобретения является подавление высокочастотных гармоник в регистрируемом сигнале при сохранении возможности определять распределение напряжений на поглощающих элементах с последующим восстановлением энергетического спектра заряженных частиц в режиме реального времени.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в спектрометре заряженных частиц, содержащем расположенные последовательно по ходу распространения пучка электропроводящие поглощающие элементы, изолированные друг от друга, и систему регистрации и обработки импульсов напряжения, причем суммарная толщина поглощающих элементов находится в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов, согласно изобретению новым является то, что каждый поглощающий элемент подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора, при этом система регистрации и обработки подключена к незаземленному выводу резистора.

Сущность изобретения поясняется рисунками.

На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство, где:

1 - электропроводящие поглощающие элементы;

2 - сглаживающий интегрирующий RC-фильтр;

3 - аналогово-цифровой преобразователь;

4 - контроллер;

5 - персональный компьютер с программным обеспечением.

На фиг. 2 показано распределение напряжений на электропроводящих поглощающих элементах.

На фиг. 3 показан восстановленный энергетический спектр пучка заряженных частиц.

Спектрометр заряженных частиц включает в себя набор электропроводящих поглощающих элементов 1, каждый из которых подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр 2, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора. Общая толщина электропроводящих поглощающих элементов немного превышает величину экстраполированного пробега заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов. Это делается для того, чтобы обеспечить полное поглощение всех заряженных частиц в поглощающих элементах. Незаземленные выводы резисторов RC-фильтров подключены к входам многоканального аналогово-цифрового преобразователя 3, чьи выходы соединены с входами многоканального контроллера 4. Выход контроллера подключен на вход персонального компьютера 5.

Устройство работает следующим образом. Во время генерации импульсно-периодический пучок заряженных частиц с субнаносекундной длительностью импульсов последовательно проходит через каждый электропроводящий поглощающий элемент сборки. При этом заряженные частицы теряют часть своей кинетической энергии и тормозятся в поглощающих элементах, вызывая протекание тока через резисторы RC-фильтров.

Сглаживающий интегрирующий RC-фильтр пропускает постоянную составляющую и отсекает высокочастотные пульсации напряжений, возникающие на поглощающих элементах в результате прохождения сгустков импульсно-периодического пучка заряженных частиц с субнаносекундными длительностями импульсов.

Благодаря наличию конденсатора в каждом фильтре, устанавливается равновесие между зарядом, накопленным на конденсаторе и зарядом, стекающим через резистор на землю, несмотря на импульсно-периодическую временную структуру пучка.

Номиналы резисторов, используемых в сглаживающем интегрирующем RC-фильтре, выбираются исходя из ожидаемых значений токов и требуемых напряжений на пластинах. Номиналы конденсаторов выбираются так, чтобы обеспечить постоянную времени разряда, намного большую периода следования сгустков в импульсно периодическом пучке заряженных частиц на самой низкой частоте работы ускорителя.

Регистрируемые напряжения на поглощающих элементах снимаются с незаземленных выводов резисторов RC-фильтров и поступают на входы многоканального аналогово-цифрового преобразователя 3. Оцифрованные сигналы поступают на входы многоканального контроллера 4, и затем объединенный сигнал с выхода контроллера подается на вход персонального компьютера 5. На компьютере, с помощью программного обеспечения, полученные сигналы визуализируются и восстанавливаются в энергетический спектр заряженных частиц. Сигналы с поглощающих элементов усредняются контроллером по десяти измерениям для компенсации помех, что обеспечивает повышение точности измерений.

Полный опрос всех n поглощающих элементов с усреднением по десяти измерениям происходит менее чем за 0.1 секунды, что позволяет реализовать работу предложенного спектрометра заряженных частиц в режиме реального времени. Это существенно расширяет функциональные возможности по настройке и работе ускорителей заряженных частиц и дает возможность контролировать рабочие параметры ускорителя, такие как энергетический спектр и ток пучка заряженных частиц.

Пример исполнения устройства. Изготовлен спектрометр заряженных частиц, содержащий в качестве поглощающих элементов 23 изолированные алюминиевые пластины размером 100×100 мм и толщиной 0.15 мм с воздушным зазором 2 мм между каждой парой пластин. Пластины изолированы между собой с помощью диэлектрических шайб и стянуты между собой изолированными шпильками. На пластины под прямым углом подавался импульсно-периодический пучок ускоренных электронов со средней энергией 1.5 МэВ, длительностью сгустка 1 нс и периодом следования сгустков 10 нс. На фиг. 2 изображено распределение напряжений по алюминиевым пластинам. На фиг. 3 приведен восстановленный энергетический спектр пучка ускоренных электронов со средней энергией 1.5 МэВ.

Похожие патенты RU2707270C1

название год авторы номер документа
Способ оперативного мониторинга энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии 2023
  • Яковлев Михаил Викторович
RU2809829C1
ФОЛЬГОВЫЙ ЗАРЯДОВЫЙ СПЕКТРОГРАФ 2015
  • Кузин Александр Геннадьевич
  • Савенко Олег Михайлович
RU2581728C1
Устройство для измерения энергетического спектра пучка заряженных частиц 1977
  • Сливков И.Н.
  • Громов Г.Л.
SU623437A1
Спектрометр сильноточного пучказАРяжЕННыХ чАСТиц 1978
  • Подкатов В.И.
  • Рябчиков А.И.
  • Чистяков С.А.
  • Яловец А.П.
SU702985A1
Спектор заряженных частиц 1975
  • Быстрицкий В.М.
  • Котляревский Г.И.
  • Стерлигов А.Г.
SU550884A1
Спектрометр заряженных частиц 1981
  • Сулакшин С.С.
SU1021266A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ГАЗОВОЙ СМЕСИ 2004
  • Курнаев Валерий Александрович
  • Гриднева Елена Алексеевна
RU2272334C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА ИОНОВ И ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ 2004
  • Рябчиков А.И.
  • Рябчиков И.А.
  • Степанов И.Б.
RU2266587C1
СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ ПАССАЖИРОВ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА С НЕЗАЗЕМЛЕННЫМ КОРПУСОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 1999
  • Южаков А.П.
RU2161098C1
Устройство для измерения скорости движения поезда 1984
  • Головин Владимир Иванович
  • Красноселов Константин Георгиевич
  • Кутыев Юрий Георгиевич
  • Максимов Сергей Анатольевич
  • Фалалеев Анатолий Иванович
SU1163269A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 707 270 C1

Реферат патента 2019 года СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения энергетического спектра импульсно-периодических и непрерывных пучков заряженных частиц. Технический результат - подавление высокочастотных гармоник в регистрируемом сигнале при сохранении возможности определять распределение напряжений на поглощающих элементах с последующим восстановлением энергетического спектра заряженных частиц в режиме реального времени. В спектрометре заряженных частиц, содержащем расположенные последовательно по ходу распространения пучка электропроводящие поглощающие элементы, изолированные друг от друга, и систему регистрации и обработки импульсов напряжения, причем суммарная толщина поглощающих элементов находится в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов, согласно изобретению новым является то, что каждый поглощающий элемент подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора, при этом система регистрации и обработки подключена к незаземленному выводу резистора. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 707 270 C1

Спектрометр заряженных частиц, содержащий расположенные последовательно по ходу распространения пучка электропроводящие поглощающие элементы, изолированные друг от друга, и систему регистрации и обработки импульсов напряжения, причем суммарная толщина поглощающих элементов находится в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов, отличающийся тем, что каждый поглощающий элемент подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора, при этом система регистрации и обработки подключена к незаземленному выводу резистора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2707270C1

АРХИПОВ О.В
Сообщения объединенного института ядерных исследований Дубна, Измерение энергии сильноточного замагниченного пучка электронов в ЛИУ, ОИЯР, 1990
ФОЛЬГОВЫЙ ЗАРЯДОВЫЙ СПЕКТРОГРАФ 2015
  • Кузин Александр Геннадьевич
  • Савенко Олег Михайлович
RU2581728C1
СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ОРГАНИЧЕСКИХ И БИООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПО ПРИРАЩЕНИЮ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЭТИХ ИОНОВ ВНУТРЬ СВЕРХЗВУКОВОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА 2011
  • Разников Валерий Владиславович
  • Зеленов Владислав Валерьевич
  • Сулименков Илья Вячеславович
  • Пихтелев Александр Робертович
  • Разникова Марина Олеговна
  • Савенков Геннадий Николаевич
RU2468464C9
Спектор заряженных частиц 1975
  • Быстрицкий В.М.
  • Котляревский Г.И.
  • Стерлигов А.Г.
SU550884A1
CN 104007133 A, 27.08.2014
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВЛЕННОЙ НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ ТЫЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2016
  • Рулев Дмитрий Николаевич
  • Спирин Александр Иванович
RU2653890C2
US 6407556 D1, 18.06.2002.

RU 2 707 270 C1

Авторы

Курапов Николай Николаевич

Шориков Игорь Витальевич

Бодряшкин Яков Вячеславович

Черкасов Александр Сергеевич

Тельнов Александр Валентинович

Даты

2019-11-26Публикация

2019-04-10Подача