ПРОФИЛОМЕТР СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Российский патент 2023 года по МПК G01T1/22 

Изобретение относится к устройствам диагностики электронных пучков, применяемых на ускорительной технике.

Качественная настройка электронно-оптической системы ускорителя требует получения исчерпывающей информации об электронном пучке. Одним из важнейших параметров электронного пучка является его поперечный профиль. Известно множество способов измерения поперечного профиля, однако все они сводятся к измерению интегральной характеристики. Крайне важно производить измерения поперечного профиля в необходимые для понимания структуры пучка временные интервалы, такие как передний фронт, основная часть и задний фронт, чего не позволяют сделать известные разработки.

Известно устройство, для измерения поперечного профиля электронного пучка [п. РФ на изобретение №2078354, МПК G01T 1/20, С09К 11/08, приор. 08.08.1995г., опубл. 27.04.1997г.], содержащее участок тракта проводки пучка электронов с отверстиями, на одном из которых герметично зафиксировано вакуумное радиационно-стойкое окно, а на другом герметично зафиксирован вакуумный привод для ввода и юстировки детектора излучения, и камеры, передающие полученное изображение процесса, происходящего во внутренней полости тракта при взаимодействии пучка электронов с детектором излучения, на компьютер оператора. В качестве детектора излучения использованы дешевые широко распространенные в природе кристаллические минералы: сподумена (LiAl [Si2O6]), кальцита (CaCO3) и апатита (Ca5[PO4]3F), содержащих примесные ионы Mn2+. Причем визуализация может осуществляться как во время облучения минералов электронным пучком, так и после его прекращения в течение нескольких десятков минут из-за большой длительности послесвечения ИКЛ, спад интенсивности которой происходит по гиперболическому закону. При этом световой "отпечаток" электронного пучка и его геометрические размеры сохраняются в течение указанного времени. Ряд особенностей этой люминесценции указанных кристаллов позволяют измерить или оценить энергетические параметры электронного пучка.

Недостатками известного изобретения являются длительное время высвечивания сцинтиллятора, что уменьшает временное разрешение данной диагностики и не позволяет проводить измерения на ускорителях с большой частотой работы, а так же не позволяет визуализировать интересующую часть пучка.

Известен датчик, регистрирующий переходное излучение пучка [«Диагностика пучков заряженных частиц в ускорителе», В.В. Смалюк, 2009г., стр.24-25], содержащий участок тракта проводки пучка электронов с отверстиями, на одном из которых герметично зафиксировано вакуумное радиационно-стойкое окно, а на другом герметично зафиксирован вакуумный привод для ввода и юстировки алюминиевой мишени (детектора излучения), и ПЗС-камеры (камеры), защищенные свинцовым экраном (экраном) и передающие полученное изображение процесса, происходящего во внутренней полости тракта при взаимодействии пучка электронов с алюминиевой фольгой, на управляющий компьютер (компьютер оператора). Металлическая (обычно алюминиевая) фольга размещена в вакуумной камере под углом 45° к траектории пучка для того, чтобы излучение было направлено перпендикулярно оси камеры. Выведенное излучение регистрируется цифровой телекамерой и затем обрабатывается в управляющем компьютере по заданному алгоритму.

Недостатком описанного датчика является использование металлических фольг. Фольги при воздействии сильноточных пучков нагреваются и деформируются, вследствие чего искажается информация о профиле электронного пучка. Кроме того, фольги генерируют меньшее количество света. Применение цифровой телекамеры не позволяет получать дискретные изображения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в получении максимального объёма информации о поперечном профиле сильноточного электронного пучка, для его настройки и улучшения его характеристик.

Указанный технический результат достигается тем, что профилометр сильноточного пучка содержит участок тракта проводки пучка электронов с отверстиями, на одном из которых герметично зафиксировано вакуумное радиационно-стойкое окно, а на другом герметично зафиксирован вакуумный привод для ввода и юстировки детектора излучения и камеру, защищенную экраном и передающую полученное изображение процесса, происходящего во внутренней полости тракта при взаимодействии пучка электронов с детектором излучения, на компьютер оператора, согласно изобретению он содержит, по меньшей мере, две камеры, установленные на юстировочной платформе, зеркало вывода излучения с системой юстировки и систему зеркал, при этом камеры, имеющие малую длительность экспозиции, вынесены из зоны прямого воздействия ионизирующего излучения, а зеркало вывода излучения установлено напротив вакуумного радиационно-стойкого окна таким образом, что полученное изображение процесса отражено на систему зеркал, зеркала которой установлены напротив камер и отражают полученное изображение процесса с зеркала вывода излучения на камеры.

Таким образом, использование, по меньшей мере, двух камер с малой длительностью экспозиции, установка зеркала вывода излучения с системой юстировки напротив вакуумного радиационно-стойкого окна для передачи полученного изображения процесса на систему зеркал, зеркала которой установлены напротив камер и отражают полученное изображение процесса с зеркала вывода излучения на камеры и вывод камер из зоны прямого воздействия ионизирующего излучения, а также установка камер на юстировочной платформе, позволяет получить максимальный объём информации о поперечном профиле электронного пучка, для его настройки и улучшения его характеристик.

Кроме того, с целью увеличения получаемого светового потока, детектор излучения выполнен в виде сапфирового стекла.

Кроме того, с целью получения большего объёма информации в виде интегрального изображения поперечного профиля электронного пучка, профилометр содержит дополнительную камеру, установленную на юстировочной платформе параллельно камерам и получающую изображение процесса с зеркала, входящего в состав системы зеркал.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Техническое решение иллюстрируется чертежами:

на фиг.1 представлен общий вид профилометра электронного пучка;

на фиг.2 – фрагмент транспортного канала, вид сверху;

на фиг.3 – система регистрации.

Профилометр сильноточного электронного пучка содержит участок тракта 1 проводки пучка электронов, металлические фланцы 2 и 3, вакуумный привод 4, вакуумное радиационно-стойкое окно 5, зеркало 6 вывода излучения, камеры 7, систему зеркал 8 и дополнительную камеру 9.

Участок тракта 1 проводки пучка электронов выполнен в виде полого цилиндра, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия 10 и 11. Участок тракта 1 установлен на опорах. Отверстия 10 и 11 выполнены так, что отверстие 10 направлено вниз под участок тракта 1, а отверстие 11 направлено в сторону под углом 90° относительно отверстия 10.

Фланцы 2 и 3 жестко зафиксированы сваркой над отверстиями 10 и 11 участка тракта 1 соответственно. Фланец 3 взаимодействует с вакуумным приводом 4, а фланец 2 с вакуумным радиационно-стойким окном 5.

Вакуумный привод 4 зафиксирован на фланце 3 герметичным резьбовым соединением и предназначен для введения в вакуумный объем участка тракта 1 детектора излучения 12, выполненного в виде сапфирового стекла.

Вакуумное радиационно-стойкое окно 5 образовано жесткой фиксацией радиационно-стойкого стекла на фланце 2.

Зеркало 6 вывода излучения установлено под участком тракта 1 напротив вакуумного радиационно-стойкого окна 5. Зеркало 6 вывода излучения установлено с возможностью регулировки его наклона системой юстировки (не показано), для точной передачи изображения из внутренней полости участка тракта 1 через отверстие 10 на систему зеркал.

Камеры 7 выполнены в виде электронно-оптических камер с объективами, установлены на юстировочной платформе 13 и вынесены из зоны прямого воздействия ионизирующего излучения под участок тракта 1. Над камерами 7 установлен защитный экран 14, защищающий камеры 7 от радиационного и электромагнитного воздействия, возникающего вследствие пролета электронов и взаимодействия их с детектором излучения 12. Объективы камер 7, кроме объектива крайней камеры 7, направлены на систему зеркал так, что все объективы сфокусированы на точке, отражающей детектор излучения 12. Объектив крайней камеры 7 направлен на зеркало 6 вывода излучения. Камеры 7 соединены с точной системой синхронизации времени срабатывания (не показано), которая подает сигнал для включения камер 7. Камеры 7 передают полученное изображение процесса, происходящего во внутренней полости тракта 1 при взаимодействии пучка электронов с детектором излучения 12, на компьютер оператора (не показано).

Система зеркал 8 выполнена из зеркал, количество которых совпадает с количеством камер 7 и дополнительной камеры 9. Каждое зеркало установлено напротив соответствующего объектива камер 7 и дополнительной камеры 9 таким образом, что передает изображение с зеркала 6 вывода излучения на объектив камер 7 и 9 без искажений.

Дополнительная камера 9 установлена параллельно камерам 7 на юстировочной платформе 13 и расположена под защитным экраном 14. В качестве дополнительной камеры 9 используется цифровая камера с объективом и длительностью экспозиции 1мкс. Дополнительная камера 9 позволяет получать интегральное изображение электронного пучка. Дополнительная камера 9 соединена с точной системой синхронизации времени срабатывания (не показано), которая подает сигнал для включения камер 7 и дополнительной камеры 9. Дополнительная камера 9 передает полученное изображение процесса, происходящего во внутренней полости тракта 1 при взаимодействии пучка электронов с детектором излучения 12, на компьютер оператора (не показано)

Работает устройство следующим образом

Вводят детектор излучения 12 через вакуумный привод 4 во внутреннюю полость участка тракта 1. Настраивают наклон зеркала 6 вывода излучения системой юстировки. Настраивают объективы камер 7 и дополнительной камеры 9. Запускают ускоритель (не показано) и включают систему синхронизации времени срабатывания камер 7 и дополнительной камеры 9. Пучок электронов образованный ускорителем летит во внутренней полости участка тракта 1 и проходит через детектор излучения 12. В момент прохождения детектора излучения 12 электроны вызывают в сапфировом стекле черенковское излучение. Полученное излучение проходит через окно 5 и, отражаясь в зеркале 6 вывода излучения, попадает в систему зеркал 8. Система зеркал 8 отражает полученное изображение и направляет его в соответствующие объективы камер 7 и дополнительной камеры 9. Система синхронизации включает камеры 7 и дополнительную камеру 9 в определенные моменты времени пролета электронного пучка, например, начало, середина и конец, с длительностью экспозиции не более 10нс. Камеры 7 и дополнительная камера 9 фиксируют полученное излучение и передают полученное изображение оператору. Оператор получает информацию о поперечном профиле электронного пучка в определенные моменты времени и, с помощью дополнительной камеры 9, интегральное изображение всего пролетающего тучка.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

• Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для устройств диагностики электронных пучков, применяемых на ускорительной технике;

• Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;

• Средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить получение максимального объёма информации о поперечном профиле сильноточного электронного пучка.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к устройствам диагностики электронных пучков, применяемых на ускорительной технике. Сущность изобретения заключается в том, что профилометр содержит по меньшей мере две камеры, установленные на юстировочной платформе, зеркало вывода излучения с системой юстировки и систему зеркал. Камеры, имеющие малую длительность экспозиции, вынесены из зоны прямого воздействия ионизирующего излучения. Зеркало вывода излучения установлено напротив вакуумного радиационно-стойкого окна таким образом, что полученное изображение процесса отражено на систему зеркал, зеркала которой установлены напротив камер и отражают полученное изображение процесса с зеркала вывода излучения на камеры. Технический результат – повышение точности определения профиля сильноточного электронного пучка. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Профилометр сильноточного электронного пучка, содержащий участок тракта проводки пучка электронов с отверстиями, на одном из которых герметично зафиксировано вакуумное радиационно-стойкое окно, а на другом герметично зафиксирован вакуумный привод для ввода и юстировки детектора излучения, и камеру, защищенную экраном и передающую полученное изображение процесса, происходящего во внутренней полости тракта при взаимодействии пучка электронов с детектором излучения, на компьютер оператора, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере две камеры, установленные на юстировочной платформе, зеркало вывода излучения с системой юстировки и систему зеркал, при этом камеры, имеющие малую длительность экспозиции, вынесены из зоны прямого воздействия ионизирующего излучения, а зеркало вывода излучения установлено напротив вакуумного радиационно-стойкого окна таким образом, что полученное изображение процесса отражено на систему зеркал, зеркала которой установлены напротив камер и отражают полученное изображение процесса с зеркала вывода излучения на камеры.

2. Профилометр сильноточного электронного пучка по п.1, отличающийся тем, что детектор излучения выполнен в виде сапфирового стекла.

3. Профилометр сильноточного электронного пучка по п.1, отличающийся тем, что он содержит дополнительную камеру, установленную на юстировочной платформе параллельно камерам и получающую изображение процесса с зеркала, входящего в состав системы зеркал.