Устройство для измерения параметров электронного пучка Российский патент 2025 года по МПК G01T1/29 

Изобретение предназначено для использования в ускорительной технике и радиационных технологиях в автоматизированных системах контроля параметров пучка заряженных частиц при разработке радиационно-технологических установок в химической промышленности, электронике, электротехнике, медицине, сельском хозяйстве, агро-биотехнологиях и иных отраслях промышленности, использующих ускорительную технику.

Областью применения изобретения является технологическое оборудование, обеспечивающее проведение и контроль радиационно-химических и других радиационных процессов при облучении продукции. Современный уровень техники позволяет создавать системы контроля работы радиационно-технологических установок при решении широкого круга задач, например для стерилизации изделий медицинского назначения и облучения продуктов питания. Наибольшая польза изобретения достигается в ускорительных системах, требующих точного позиционирования пучка на объекте, например в медицине и при проведении широкого круга научно-исследовательских работ.

Для практической реализации работ по развитию программно-аппаратных комплексов, моделирующих работу радиационно-технологических установок с ускорителями и обрабатывающих результаты экспериментов в автоматическом режиме (цифровой двойник научной установки), в наибольшей мере необходима разработка современных магнитооптических датчиков тока пучка. Точные знания о параметрах облучающего пучка позволяют моделировать процессы облучения при помощи цифрового двойника установки, контролировать глубину проникновения радиационного воздействия, гарантированно обеспечивать требуемый профиль дозы облучения, снижая риски избыточного или недостаточного облучения.

Регистрация параметров пучков заряженных частиц на выходе ускорителя обычно осуществляется магнитно-индукционными, резонаторными, цилиндрами Фарадея, электростатическими сигнальными электродами, датчиками Холла, мониторами вторичной эмиссии, стеклянными и фотопленочными индикаторами. Однако такие датчики эффективны в основном в микросекундной длительности импульса тока пучка, и на них также сильно влияют электромагнитные наводки, которые искажают измеряемые параметры. Для использования в современных ускорителях, работающих при высоком уровне внешних электромагнитных помех в широких фемто-пико-нано-микросекундных временных интервалах длительности импульсов, известные модели датчики не применимы. Кроме того, некоторые варианты этих датчиков не могут использоваться в постоянном режиме.

Известны устройства для измерения параметров пучков заряженных частиц, содержащие источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувствительный к электромагнитному излучению исследуемого пучка частиц, регистратор светового излучения, а также средства для ввода светового излучения в преобразователь и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору. При прохождении устройства пучок возбуждает электромагнитную волну, поле которой, приложенное вдоль оптической оси кристалла, вызывает поворот плоскости поляризации проходящего через него света на определенный угол, величина которого линейно пропорциональна величине приложенного напряжения (эффект Поккельса) и может быть измерена.

Таким устройством, в частности, является (SU 753339; Устройство для измерения длительности и заряда сгустков заряженных частиц / Ю.С. Павлов / - Заявка: 2721597, 05.02.1979; Опубл. 30.06.1981; МКИ Н05Н7/00, НО1J40/00).

Дальнейшее развитие электрооптических методов измерений параметров пучков и разработанные конструкции датчиков отражены в работах:

S.P. Jamison, G. Berden, W.A. Gillespie, P.J. Phillips, and A.M. MacLeod. Limitations of electro-optic measurements of electron bunch longitudinal profile. In Proceedings of EPAC08, page 1149, Genoa, Italy, 2008.

A. Borysenko, E. Hertle, N. Hiller, V. Judin, B. Kehrer, S. Marsching, A.-S. Mller, M. J. Nasse, R. Rossmanith, R. Ruprecht, M. Schuh, M. Schwarz, and P. Wesolowski. Electro-optical bunch length monitor for flute: layout and simulations. InProceedingsofIPAC2014, Dresden, Germany, 2014.

Наиболее близким к заявляемому изобретению примером является «Устройство для измерения параметров пучков заряженных частиц» (SU 859978; Устройство для измерения параметров пучков заряженных частиц / Ю.С. Павлов, Н.Г. Соловьев / - Заявка: 2884967, 18.02.1980; Опубл. 30.10.1984; МКИ G01Т1/29).

Устройство содержит источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувствительный к электромагнитному излучению исследуемого пучка частиц, регистратор светового излучения, а также средства для ввода светового излучения в преобразователь и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору, преобразователь помещен в металлический корпус из немагнитного материала с отверстиями для прохождения светового излучения, выполнен в виде тороида из ферромагнетика, в теле которого на диаметрально противоположных сторонах для прохождения светового излучения образованы два параллельных канала, плоскость которых ориентирована перпендикулярно к исследуемому пучку, а в середине каждого из каналов установлены оптически неактивные парамагнитные кристаллы, причем оптическая ось каждого кристалла ориентирована перпендикулярно к оси канала.

Основными недостатками описанных устройств являются технологическая сложность и дороговизна изготовления преобразователей, а также недостаточная чувствительность из-за того, что характеристики датчика чувствительны к перепадам температур, изменения влажности, давления и т.д. вследствие того, что требуется прецизионная точность позиционирования датчика, что сложно обеспечить в условиях нестабильных физических условий при работе ускорителя. Недостатком этих датчиков является то, что лишь некоторая часть электромагнитного поля, создаваемого движущимся пучком заряженных частиц, оказывает воздействие на магнитооптический кристалл, что снижает чувствительность датчика.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности датчика, обеспечение стабильности работы датчика при изменении физических условий (температуры, влажности, давления) в зоне его работы, а также отсутствие необходимости его прецизионной установки.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что устройство для измерения параметров электронного пучка, содержащее источник излучения, поляризатор, регистратор излучения, волоконно-оптический кабель для ввода светового излучения в преобразователь поляризации и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору, датчик выполнен в виде экранированного многовиткового контура магниточувствительного световода из специального оптического волокна, внутри которого размещен электронопровод, в корпусе датчика имеются отверстия для прохождения светового излучения к измерительной схеме, в которую включено зеркало, преобразователь поляризации, модулятор двулучепреломления, волоконно-оптический циркулятор и блок электронной обработки.

В заявленном устройстве используются магниточувствительные световоды, состоящие из оптических волокон с сильным встроенным двулучепреломлением, которые имеют спиральную структуру осей (SPUN-волокна). SPUN-волокна обладают эффектом накопления разности фаз эллиптически поляризованных мод, возникающей за счет эффекта Фарадея при помещении волокна в магнитное поле. Такие магниточувствительные световоды сохраняют свои характеристики в условиях сильного перепада температур, изменения влажности, давления и т.д. От этого напрямую зависит и точность измерения параметров электронных пучков.

В устройстве может использоваться любая геометрия контура многовитковой петли магниточувствительного световода (чувствительный элемент датчика); точное позиционирование контура относительно направления распространения электронного пучка не требуется, благодаря чему не требуется прецизионная установка датчика.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом графическими материалами, где показано следующее:

На фиг. 1 – Блок-схема устройства для измерения параметров электронного пучка, где:

1 – когерентный источник излучения (лазер);

2 – волоконно-оптический циркулятор;

3 – поляризатор;

4 – модулятор двулучепреломления;

5 – преобразователь поляризации;

6 – датчик;

7 – регистратор;

8 – блок электронной обработки;

9 – волоконно-оптический кабель;

10 – ускоритель;

11 – магниточувствительный световод;

12 – экран датчика;

13 – зеркало;

14 – электронопровод.

Движущийся пучок электронов создает вокруг себя магнитное поле, которое воздействует на магниточувствительный световод. Напряженность магнитного поля вблизи пучка электронов определяется по формуле протекающего тока пучка:

,

где I – импульсный ток пучка, – единичный вектор в направлении тока пучка, - вектор перпендикуляра от тока пучка в точку наблюдения (r_⊥ - расстояние).

Магнитное поле поворачивает угол плоскости поляризации светового излучения в магниточувствительном световоде, величина поворота плоскости поляризации зависит от величины индукции магнитного поля и, следовательно, от величины тока пучка.

Для исключения влияния внешних магнитных полей в магниточувствительном световоде датчика реализуется закон полного тока, который устанавливает взаимосвязь между напряжённостью магнитного поля и вызвавшим её током пучка ускорителя. Для этого предусмотрено прохождение светового потока по замкнутому контуру вокруг направления распространения тока пучка.

,

где: ϕ - угол поворота поляризации света, или фазовый сдвиг между составляющими света с правой и левой поляризациями, V – постоянная Верде, - напряженность магнитного поля тока пучка I, l - координаты замкнутого контура магниточувствительного световода.

Многовитковый магниточувствительный световод, расположенный в магнитном поле, в который направляется и возвращается обратно луч света от лазера. При прохождении электронного пучка в магниточувствительном световоде возникает магнитное поле, и происходит поворот плоскости поляризации света, который обрабатывается в оптической системе и регистрируется.

Схема предлагаемого устройства следующая: к когерентному источнику излучения (1) присоединен посредством светопроводящей магистрали волоконно-оптический циркулятор (2) для создания интерференционной картины. Из циркулятора свет попадает в поляризатор (3), а затем в модулятор двулучепреломления (4), а далее через волоконно-оптический кабель (9) в преобразователь поляризации (5) и через магниточувствительный световод в датчик (6).

Две световые волны с ортогональными циркулярными поляризациями вводятся в многовитковый контур магнитооптического световода (11), сделанного из специального оптического волокна в датчике (6), внутри контура находится электронопровод (14), через который проходит ток пучка электронов ускорителя (10). Если тока в электронопроводе (14) нет, световые волны распространяются по многовитковому контуру магнитооптического световода (11) с одинаковой скоростью и на выход контура приходят одновременно.

При наличии в электронопроводе (14) электронного тока многовитковый контур магнитооптического световода (11) оказывается в магнитном поле протекающего тока. При этом оптические свойства волокна изменяются, и скорость распространения световых волн по контуру становится разной, между волнами на выходе из контура возникает относительный фазовый сдвиг. Измерение тока пучка магнитооптическим методом сводится к точному измерению относительного фазового сдвига между световыми волнами в датчике на основе магниточувствительного световода (11), находящегося в продольном магнитном поле тока пучка из ускорителя.

Реализация изобретения

На фиг. 1 представлена схема датчика (6) параметров пучка электронов. Из когерентного источника излучения (лазера) (1) свет поступает в волоконно-оптический циркулятор (2). Свет поляризуется в поляризаторе (3), проходит через модулятор двулучепреломления (4) и через волоконно-оптический кабель (9) к устройству вывода пучка электронов ускорителя (10). Через преобразователь поляризации (5) свет поступает в магниточувствительный световод (11). Свет отражается от зеркала (13), проходит через преобразователь поляризации (5) и модулятор двулучепреломления (4), где смешивается с исходным пучком света.

При прохождении импульса тока пучка электронов ускорителя (10) образуется магнитное поле за вакуумным корпусом электронопровода (14), в результате чего происходит изменение времени задержки, измеряемое регистратором (7).

Регистратор (7) и блок электронной обработки (8) позволяют определить изменение плоскости поляризации отраженного луча и зарегистрировать при прохождении датчика, по которому определяется ток пучка.

Изобретение относится к области ускорительной техники. Устройство для измерения параметров электронного пучка содержит источник излучения, поляризатор, регистратор излучения, волоконно-оптический кабель для ввода светового излучения в преобразователь поляризации и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору, при этом датчик выполнен в виде экранированного многовиткового контура магниточувствительного световода из специального оптического волокна, внутри которого размещен электронопровод, в корпусе датчика имеются отверстия для прохождения светового излучения к измерительной схеме, в которую включено зеркало, преобразователь поляризации, модулятор двулучепреломления, волоконно-оптический циркулятор и блок электронной обработки. Технический результат – повышение чувствительности датчика, обеспечение стабильности его работы при изменении физических условий в зоне его работы, отсутствие необходимости его прецизионной установки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения параметров электронного пучка, содержащее источник излучения, поляризатор, регистратор излучения, волоконно-оптический кабель для ввода светового излучения в преобразователь поляризации и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору, отличающееся тем, что датчик выполнен в виде экранированного многовиткового контура магниточувствительного световода из специального оптического волокна, внутри которого размещен электронопровод, в корпусе датчика имеются отверстия для прохождения светового излучения к измерительной схеме, в которую включено зеркало, преобразователь поляризации, модулятор двулучепреломления, волоконно-оптический циркулятор и блок электронной обработки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическое волокно магниточувствительного световода исполнено с сильным встроенным двулучепреломлением и имеет спиральную структуру (SPUN-волокно).