Многосенсорная система мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов Российский патент 2024 года по МПК G01T1/34 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к устройствам в области ядерной и ускорительной техники и позволяет определять поперечные и продольные размеры пучков заряженных частиц и тяжелых ионов, плотность распределения частиц в пучке, и изменение указанных характеристик в режиме реального времени, а также определять коэффициенты вторичной электронной эмиссии материала, используемого в качестве сенсоров.

Описание предшествующего уровня техники

Известно, что в ядерно-физических и ускорительных технологиях одна из основных задач заключается в разработке и создании детекторов и приборов диагностической направленности. В современных ядерных технологиях ускорители заряженных частиц играют важнейшую роль в изучении структурных особенностей атомных ядер, физике высоких энергий и элементарных частиц, а также в процессах производства радионуклидов, которые применяются, в том числе и в ядерной медицине. Одним из ключевых условий полноценной работы ускорительного комплекса является качество пучка заряженных частиц, выводимого из ускорителя. Для получения основных характеристик пучка: ток, профиль, эмиттанс и т.д. используют различные системы диагностики. С помощью сенсоров, которые являются основным детектирующим элементом таких систем диагностики, можно с большей точностью идентифицировать профиль пучка, проследить его пространственную эволюцию, измерить распределение плотности частиц в пучке. Это дает возможность качественно настроить ионно-оптическую систему выведенных из ускорителя пучков, что способствует оптимальной проводке пучка до мишени с минимальной потерей интенсивности. В результате становится возможным увеличить наработку радионуклидной продукции, используемой при создании радиофармпрепаратов, или прецизионно проводить облучение пациентов в методах лучевой терапии.

Мировые достижения на предшествующем уровне техники для систем мониторинга и диагностики пучков заряженных частиц ускорительных комплексов показывают их многообразие, но при этом практически всегда отсутствует универсальность и многозадачность таких устройств. Сегодня в мировой практике практически не встречается устройств, способных одновременно работать на ускорителях в широком диапазоне энергий и разновидностей заряженных частиц и тяжелых ионов.

Известна система ЕР №1651984 ("Multifunctional detector for measuring characteristics of the beam of particles or radiation") [1], которая представляет собою позиционно-чувствительный детектор для измерения пространственных характеристик выведенных из ускорителя пучков. Система состоит из камеры и электродов (сенсоров), расположенных в параллельной конфигурации внутри камеры. Система может работать в режиме: камеры вторичной эмиссии электронов и неразрушающего детектора частиц низкой энергии. Кроме того, авторы [1] декларируют возможность использования системы в качестве ионизационной камеры, пропорциональной камеры, лавинной камеры и т.д. Основным недостатком описываемой системы является ее громоздкость, сложность конструкции и неоднозначность результатов, получаемых с сенсоров. Это усложняет использование данного прибора в качестве мобильной системы мониторинга профиля пучка. Также недостатком данной системы является отсутствие возможности ее работы на ускорительных комплексах средних и высоких энергий, а также коммерческих и медицинских циклотронах, число которых сегодня превалирует.

Известно устройство CN №107272046 ("Detector for measuring beam profile") [2], представляющее собою сеточный датчик, содержащий 17 вольфрамовых проволочек (сенсоры) толщиной 30 мкм, расположенных на расстоянии 1,5 мм друг относительно друга. Основной особенностью системы является возможность контроля натяжения каждой отдельной проволочки. Основными недостатками системы является сложность конструкции, крайне большие размеры системы. Кроме того, отсутствует возможность измерения профиля пучка в режиме реального времени, что, в свою очередь, сильно снижает преимущества такого устройства для его использования в системах непрерывного мониторинга пространственных характеристик пучков ускорительных комплексов.

Также известно устройство JPS №63274890 ("Multiwire type monitor for charged particle device") [3], которое предназначено для измерения поперечных профилей пучков заряженных частиц и состоит из двух или более наборов проволочных датчиков, каждый из которых состоит из рамы с параллельно натянутыми проволочными сенсорами (проволочками). Такое решение понижает точность определение пространственных характеристик пучка, так как нарушается точность позиционирования двух наборов сигнальных сенсоров друг относительно друга. Кроме того, устройство не содержит системы обработки данных, что не позволяет производить визуализацию профиля пучка в режиме реального времени.

Известно устройство «А multiwire secondary emission beam profile monitor with 20 μm resolution» [4], в котором измерение поперечных профилей пучка заряженных частиц определяется по току вторичной электронной эмиссии, образующемуся при взаимодействии частиц пучка с сеткой из проволочек, расположенных в перпендикулярной движению пучка плоскости. К недостаткам устройства следует отнести большую толщину используемых проволочек (порядка 100 мкм), что может существенным образом влиять на пучок ускоренных тяжелых ионов (может привести, например, к частичной деградации пучка путем потерь энергии тяжелых ионов в материале таких толстых проволочек). Кроме того, размеры устройства накладывают определенные ограничения на возможность его установки в различных участках ионопровода ускорительных комплексов и практически сводят к нулю мобильность такого устройства.

Известно устройство "A fast wire scanner system for the european xfel" [5] для измерения профилей пучков при помощи двух титановых стержней, на которых монтируется ряд вольфрамовых проволочек (сенсоры). К недостаткам такого устройства, конструктивно представляющего собой датчик с движущейся проволокой, можно отнести большие затраты времени на измерение профиля пучка, связанные с построением картины одномерного распределения частиц пучка в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство CN №108445526 ("Wire array structure of high-resolution wire array type beam section measurement device and measurement device") [6], принятое в качестве прототипа. Устройство состоит из изолирующего направляющего блока, блоков регулировки изоляции и пружин натяжения. Через изолирующий направляющий блок продеты сканирующие позолоченные вольфрамовые проволочки (сенсоры), образующие сканирующую сетку. Сетка состоит из 50 проволочек (по 25 в вертикальной и горизонтальной плоскости) толщиной 50 мкм и покрывает площадь измерения, равную 27 мм * 27 мм.

Общими признаками с заявленным устройством являются выполненные в виде сканирующей сетки из позолоченных вольфрамовых проволок сенсоры, смонтированные на регулируемых опорных блоках.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции за счет применения дополнительных изолирующих блоков, обеспечивающих уровень натяжения сканирующих проволочек, а также усложняющих демонтаж сигнальных проволочек в случае их выхода из строя. Известное устройство, кроме того, имеет узкую область применения, ограниченную определением профиля пучков протонов низких энергий и отсутствует возможность визуализации профилей пучков в режиме реального времени.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание устройства в виде многосенсорной системы мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов, которая свободна от указанных недостатков прототипа, а также существенно расширяет область ее применения в т.ч., создает условия для визуализации профилей пучков в режиме реального времени, за счет чего станет возможным получать информацию о двумерном распределении частиц пучка, а также плотности распределения частиц в пучке в заданных областях пространства в режиме реального времени и определять коэффициенты вторичной электронной эмиссии различных материалов.

Указанный технический результат достигается за счет предлагаемого устройства мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов включающего: сканирующую сетку из позолоченных вольфрамовых проволок (сенсоры), 16-ти канальный усилитель со среднеквадратическим напряжением шума в диапазоне 0.15-0.20 мВ в полосе частот от 10 Гц до 1 МГц, аналоговый мультиплексор, амплитудно-цифровой преобразователь, синхронизируемый с высокочастотной системой ускорительного комплекса двоичным счетчиком, программный комплекс компьютерной обработки сигналов с сенсоров, для определения коэффициентов вторичной электронной эмиссии соответствующего материала сенсоров, визуализации профиля и интенсивности пучков заряженных частиц, включая электроны, протоны, дейтроны, альфа-частицы и тяжелые ионы в режиме реального времени и в диапазоне энергий 10 кэВ - 200 МэВ. Сканирующая сетка позволяет генерировать сигналы посредством эмиссии вторичных электронов из материала сенсоров при их взаимодействии с ускоренными заряженными частицами и тяжелыми ионами. Электроника системы сбора и обработки преобразует сгенерированный сигнал для его последующей обработки на персональном компьютере. Программный комплекс обрабатывает структурированные и преобразованные данные, что позволяет произвести процедуру визуализации пучка в режиме реального времени. Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что

A) Позволяет проводить процедуру визуализации профиля и интенсивности пучков протонов, дейтронов, альфа-частиц и тяжелых ионов, в режиме реального времени;

Б) Содержит меньше конструкционных деталей в сканирующей сетке, что обеспечивает уменьшение его размера, упрощает процедуру монтажа и обслуживания и делает его более мобильным;

B) Количество сенсоров в сканирующей сетке уменьшено. Также уменьшен их диаметр. Это повышает прозрачность данной системы для пучка заряженных частиц и при этом не снижает точность определения пространственных характеристик пучка;

Г) Позволяет оперативно менять сенсоры в сканирующей сетке и определять коэффициенты вторичной электронной эмиссии для соответствующего материала сенсоров;

Сущность изобретения

Сущность заявленного устройства поясняется Фиг. 1-3, где представлено:

на Фиг. 1 представлена схема сеточно-сенсорного датчика профиля пучка, входящая в состав многосенсорной системы мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов;

на Фиг. 2 представлена блок - схема многосенсорной системы мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов;

на Фиг. 3 представлен профиль пучка ионов 40Ar с энергией 53 МэВ, полученный с помощью многосенсорной системы мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов;

Многосенсорная система мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов состоит из сеточно-сенсорного датчика профиля пучка представляющего собой сканирующую сетку (сенсоры), 16-ти канального усилителя, аналогового мультиплексора, амплитудно-цифрового преобразователя, синхронизируемого с высокочастотной системой ускорительного комплекса двоичным счетчиком и программного комплекса компьютерной обработки сигналов с сенсоров.

Ниже приведены примеры конкретной реализации заявленного изобретения

Пример 1

В качестве примера конкретной реализации представленного устройства был изготовлен образец сеточно-сенсорного датчика профиля пучка представляющего собой сканирующую сетку (сенсоры). Образец устройства выполнен в соответствии со схемой Фиг. 1 и включает в себя сканирующую сетку 2 (см. Фиг. 1) выполненную из позолоченных вольфрамовых проволочек сенсоров толщиной 25 мкм, смонтированную на регулируемых вертикальных и горизонтальных опорных блоках 3,4, (см. Фиг. 1), закрепленную на опорной раме 1. Сканирующая сетка состоит из 16-ти сигнальных сенсоров (8 вертикальных и 8 горизонтальных), размещенных в перпендикулярной направлению пучка плоскости. Опорная рама является каркасом, на который прецизионно устанавливаются опорные блоки сканирующей сетки с интервалом 2.5 мм друг от друга. Вертикальные и горизонтальные опорные блоки 3 и 4 (см. Фиг. 1) обеспечивают простоту монтажа/демонтажа сигнальных сенсоров и их натяжение. Возможна быстрая установка новых сигнальных сенсоров, изготовленных из другого материала, для определения коэффициентов вторичной электронной эмиссии этого материала. Заявленный образец был изготовлен и апробирован в лабораторных условиях заявителя, Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ).

Пример 2

В качестве примера конкретной реализации представленного устройства был изготовлен образец электронного модуля системы сбора и обработки данных с сенсоров (см. Фиг. 2), который обеспечивает непрерывное считывание токовых импульсов (сигналов), образующихся на сенсорах 5 (см. Фиг. 2) и состоит из 16-канального усилителя 8 со среднеквадратическим напряжением шума в диапазоне 0.15-0.20 мВ в полосе частот от 10 Гц до 1 МГц, который шестнадцатью выходными каналами подсоединен ко входам аналогового мультиплексора 9, к выходам которого подсоединен амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 10, синхронизируемый с высокочастотной системой ускорительного комплекса 6 двоичным счетчиком 7. В итоге, осуществляется последовательное сканирование всех проволочек, синхронизированное с триггерным сигналом, поступающим с высокочастотной системы ускорительного комплекса 6.

Таким образом, формируется информация о координатах пучка, для его дальнейшей визуализации. Используя специально разработанный программный комплекс 11, получаем информацию о двумерном распределении частиц пучка и их интенсивности в заданной точке пространства в режиме реального времени (Фиг. 3). Анализируя амплитуду сигналов с сенсоров и производя соответствующие расчеты с использованием данного программного комплекса и разработанных алгоритмов, удается получить коэффициенты вторичной электронной эмиссии различных материалов, используемых в качестве сенсоров системы.

Пример 3

В качестве примера тестирования характеристик конкретной реализации представленного устройства были проведены лабораторные испытания на пучках тяжелых ионов 40Ar с энергией 53 МэВ с изменением интенсивность этих пучков в диапазоне от 1 мкА до 10 нА. В результате этих испытаний получена пространственная картина распределения частиц пучка ионов аргона и их интенсивность в заданной точке пространства в режиме реального времени (Фиг. 3).

Как показывают результаты проведенных лабораторных исследований, технико-экономическая эффективность заявленного устройства состоит в возможности существенного расширения области применения многосенсорных систем для диагностики пучков заряженных частиц и тяжелых ионов, что при существенном упрощении устройства позволяет с большей точностью идентифицировать профиль пучка, проследить его пространственную эволюцию, измерить распределение плотности частиц в пучке. Это дает возможность осуществить оптимальную проводку выведенных из ускорителя пучков до облучаемых мишеней практически без потери интенсивности. В результате становится возможным проводить прецизионные эксперименты в области физики атомных ядер, физики высоких энергий и элементарных частиц, а также увеличить наработку радионуклидной продукции, используемой при создании радиофармпрепаратов, или с минимальными побочными эффектами проводить облучение пациентов в методах пучковой лучевой и адронной терапии.

Заявленное устройство имеет высокую коммерческую ценность и при доведении до промышленного производства может быть использовано, в том числе, в системах диагностики пучков заряженных частиц и тяжелых ионов в их широком диапазоне энергий и масс, в современных ускорительных комплексах средних и высоких энергий, а также коммерческих и медицинских циклотронах.

Список используемых источников информации

[1] ЕР №1651984, публ. 26.03.2006 г.

[2] CN №107272046, публ. 20.10.2017 г.

[3] JPS №63274890, публ. 11.11.1988 г.

[4] J. Krider & С. Hojvat, "A multiwire secondary emission beam profile monitor with 20 μm resolution", Nuclear Instruments and Methods 1n Physics Research A247 (1986) 304-308.

[5] T. Lensch, T. Wamsat, B. Beutner, "A fast wire scanner system for the european xfel"., 8th Int. Beam Instrum. Conf. IBIC2019, Malmö, Sweden JACoW Publishing

[6] CN №108445526, публ. 24.08.2018 (прототип).

Изобретение относится к области ядерной и ускорительной техники. Устройство состоит из компактного сеточно-сенсорного датчика профиля пучка, электронного модуля сбора и обработки данных с сенсоров, программного комплекса. Технический результат - повышение точности идентификации профиля пучка, повышение точности измерения распределения плотности частиц в пучке. 3 ил.

Многосенсорная система мониторинга пучков заряженных частиц и тяжелых ионов, содержащая выполненные в виде сканирующей сетки из позолоченных вольфрамовых проволок сенсоры, смонтированные на регулируемых опорных блоках, отличающаяся тем, что к выходам сенсоров подсоединен 16-канальный усилитель со среднеквадратическим напряжением шума в диапазоне 0.15-0.20 мВ в полосе частот от 10 Гц до 1 МГц, который шестнадцатью выходными каналами подсоединен ко входам аналогового мультиплексора, к выходам которого подсоединен амплитудно-цифровой преобразователь, синхронизируемый с высокочастотной системой ускорительного комплекса двоичным счетчиком, программный комплекс компьютерной обработки сигналов с сенсоров, для определения коэффициентов вторичной электронной эмиссии соответствующего материала сенсоров, визуализации профиля и интенсивности пучков заряженных частиц, включая электроны, протоны, дейтроны, альфа-частицы и тяжелые ионы в режиме реального времени и в диапазоне энергий 10 кэВ - 200 МэВ.