Устройство для измерения фазового портрета мощного стационарного пучка Российский патент 2025 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к области технологических установок для обработки материалов с помощью пучка заряженных частиц (электронов, ионов), а именно к способам определения пространственно-энергетических характеристик пучка.

Измерения параметров поперечного фазового портрета пучка необходимы для моделирования динамики пучка и последующей оптимизации магнитооптики ускорителя. Для пучков ионов водорода низких энергий (менее 10 МэВ) можно проводить прямые измерения фазового портрета пучка при помощи различных контактных измерителей или использовать косвенные методы измерения эмиттанса на основе тонких щелей или диафрагм. Однако в случае более высоких энергий прямые измерения, как правило, становятся некорректными из-за принципиальной неприменимости приближения «тонкой» щели. Кроме того, в случае высокоинтенсивных пучков в сильноточных ускорителях тепловые нагрузки на такие контактные измерители еще больше ограничивают допустимый диапазон энергий.

Так, для стационарного пучка ионов с плотностью мощности от 1 кВт/см² критически важным элементом становится применение активного высокоэффективного охлаждения основных составляющих диагностики пучка, в том числе приемника пучка. Измеритель токового распределения пучка, являющийся главной единицей в подобных измерительных устройствах, также должен или иметь высокоэффективное активное охлаждение или находиться в пучке короткое время, недостаточное для его повреждения, сохраняя при этом высокое пространственное разрешение. Например, для проволочного сканера, у которого материалом проволоки является вольфрам, толщиной 0,5 мм и длиной 50 мм для нагрева проволоки на 3000 градусов Кельвина (при температуре плавления вольфрама ~ 3700 градусов Кельвина) достаточно около 1 киловатта нагрева. Если пучок пролетает через диафрагму и его ток составляет 10 мкА, а энергия 2 МэВ, измерение текущего токового распределения пучка с высоким пространственным разрешением должно быть осуществлено меньше, чем за минуту.

В настоящем изобретении сделан акцент на измерении с использованием проволочного сканера, поскольку многие другие методы измерения плотности тока пучка в принципе не применимы для стационарных пучков с плотностью мощности от 1 кВт/см².

Одним из способов измерения параметров поперечного фазового портрета пучка является хорошо известная в медицине и промышленности томографическая реконструкция [Титов А.И., Брагин С.Е., Володкевича О.М., Гаврилов С.А. Томография поперечного фазового портрета пучка сильноточного линейного ускорителя ионов водорода. Приборы и техника эксперимента, 2023, №1, с. 5-22]. В данном случае происходит итерационный процесс восстановления фазового объема пучка на основе метода одновременной алгебраической реконструкции (SART - Simultaneous algebraic reconstruction technique). Исходные токовые профили регистрируют с использованием проволочных профилометров и ионизационного монитора поперечного сечения.

Томография является одним из примеров решения обратной задачи, поэтому и обладает основным недостатком решений обратных задач. Это бесконечное число решений, удовлетворяющих заданным параметрам, в нулевом приближении. Для снижения числа возможных решений применяются некоторые приближения (симметрия, заданная форма исходного распределения и т.д.), которые, в общем случае, не всегда могут быть верны.

Из уровня техники известен способ диагностики пучка заряженных частиц, описанный в патенте RU 2816549 C1. Для реализации данного способа используют генератор пучка, формирующий пучок заряженных частиц направленный на мишень. Объектив системы регистрации пучка расположен на оптической оси системы регистрации пучка. Объектив передает оптическое изображение свечения остаточных газов, возникающее в результате взаимодействия с пучком заряженных частиц, на позиционно-чувствительный детектор. Далее производят математическую обработку цифрового изображения и получают параметры пучка. Процедуру математической обработки цифрового изображения производят с использованием ЭВМ, она заключается в линеаризации полученного изображения и получении скорректированного цифрового изображения интенсивности свечения пучка. После чего производят вычисление координат границ и параметров пучка.

Такой способ измерения профиля пучка для стационарного пучка с энергией несколько МэВ и током до 10 мА имеет ряд недостатков. Одним из них является деградация позиционно-чувствительного детектора под действием вторичных частиц. Вторичные частицы - это сопутствующие высокоэнергетичные фотоны, которые рождаются в результате тормозного излучения или в ходе ядерной реакции (например, ⁷Li(p,p'γ)⁷Li), или рождающиеся в ходе ядерной реакции ⁷Li(p,n)⁷Be нейтроны, если приемником пучка является литиевая нейтроногенерирующая мишень. Другим недостатком является наложение разных источников оптического излучения: ионизация остаточного газа, которая происходит за счет разных ионов (например, ион исходного пучка, ион обдирочного газа при его наличии), наличие переходного излучения или нагрев вакуумных частей установки. Еще один недостаток - уширение спектральных линий за счет доплеровского уширения.

Наиболее близким решением, выбранным за прототип, является устройство, представленное в работе [М.И. Бикчурина, Т.А. Быков, Я.А. Колесников, А.Н. Макаров, Г.М. Остреинов, С.С. Савинов, С.Ю. Таскаев, И.М. Щудло. Измерение фазового портета пучка ионов в ускорителе-тандеме с вакуумной изоляцией. Приборы и техника эксперимента, 2022, №4, с. 18-29]. Фазовый портрет пучка протонов измеряют с применением диафрагмы и проволочного сканера. Вначале устройства на трехмерный ввод движения установлена интенсивно охлаждаемая водой диафрагма с диаметром отверстия 1 мм. Через это отверстие проходит малая часть протонного пучка. Далее пучок пролетает базу диагностики длиной 311 см, в конце базы располагается проволочный сканер для измерения токового распределения пучка и цилиндр Фарадея для измерения тока оставшегося пучка, в качестве которого используют медный интенсивно охлаждаемый цилиндр. С использованием ввода движения и цилиндра Фарадея находят координату максимума тока пучка (I₀). Далее проводят измерения с шагом 1 мм по оси Х и по оси У до такого положения, где или ток пучка становится меньше 0,03⋅I₀, или ввод движения доходит до своего конечного положения. Далее, с использованием программы для ЭВМ проводят математическую обработку полученных токовых распределений, строят фазовый объем, определяют геометрический и среднеквадратичный эмиттанс пучка. Недостатком данного устройства для измерения фазового портрета протонного пучка является невозможность построения полного фазового объема пучка в случае его достаточно большой (> 2 мрад) угловой расходимости.

Целью заявленного изобретения является расширение пространственно-угловых параметров, диагностируемых этим устройством пучков. Это задача решается следующим образом:

Во-первых, в устройстве есть возможность параллельного сдвига диагностической вакуумной камеры и цилиндра Фарадея (назовем эти две части диагностическим узлом (на фиг.1 обозначен черным пунктиром)), что открывает возможность измерения фазового портрета пучков с большей угловой расходимостью (или, точнее, с бóльшим отношением угловой расходимости пучка к базе диагностики L).

Во-вторых, в устройство вставлена «обойма» из четырех охлаждаемых коллиматоров разного диаметра (1, 2, 5 и 10 мм) с зенковкой вокруг отверстий. Это избавляет от генерации большого числа вторичных частиц, летящих навстречу пучку в ускоритель, что позволяет использовать устройство для пучка большей интенсивности.

В-третьих, в вакуумной камере устройства, в которой располагается «обойма» из четырех охлаждаемых коллиматоров, дополнительно установлен патрубок для подключения видеокамеры с целью наблюдения за наиболее интенсивно нагреваемой частью представленного диагностического устройства.

В-четвертых, предложенное устройство присоединяется к любой установке, имеющей вакуумные фланцы с разъемом, сделанные по стандарту ISO 100, что позволяет совершить измерение фазового портрета на любой установке со стационарным пучком со схожими параметрами пучка.

Предложенное устройство для измерения фазового портрета мощного стационарного пучка включает в себя (схема приведена на фиг.1):

- Вакуумную камеру (выделена синим пунктиром), в которой расположены: трехкоординатный вакуумный ввод движения (2) с прикрепленной к нему «обоймой» из четырех охлаждаемых коллиматоров разного диаметра (1, 2, 5 и 10 мм) с зенковкой вокруг отверстий (1) (далее - «обойма» коллиматоров), отверстия коллиматора разнесены друг от друга на расстоянии 50 мм; контур водяного охлаждения (3); видеокамера (8) и патрубок для ее подключения (на фиг.1 не указан);

- Базу диагностики, изготовленную из нержавеющей стали (длина базы L варьируется от 1 до 3 метров) (далее - база диагностики);

- Две сильфонные вставки (4), установленные в начале и в конце базы диагностики;

- Диагностическую вакуумную камеру (обозначена зеленым пунктиром), в которой расположены проволочный сканер (9), состоящий из двух вольфрамовых проволочек; система для параллельного переноса базы диагностики - координатный стол (6); видеокамера (8) и патрубок для ее подключения (на фиг.1 не указан); кольца из нержавеющей стали с поданным запирающим напряжением для запирания электронов (5);

- Приемник пучка - цилиндр Фарадея (7);

- Компьютер для сбора и обработки полученных данных (на фиг.1 не указан).

Предложенное устройство работает следующим образом.

Устройство было разработано, создано и использовано при измерении фазового портрета мощного стационарного пучка с мощностью до 10 кВт на ускорительном источнике нейтронов второго поколения VITA-IIβ. Измерения были проведены при энергии ионного пучка 2,3 МэВ, ток пучка варьировался от 0,5 мА до 4 мА с переменным шагом 0,5 - 1 мА. Ионный пучок на установке VITA-IIβ на выходе из ускорителя имеет больший размер и угловое расхождение, чем ионный пучок, получаемый на экспериментальном ускорительном источнике нейтронов VITA. Это отличие обуславливается наличием предускорения в установке VITA-IIβ. Ионный пучок транспортируется по тракту установки, обрезается «обоймой» коллиматоров (1). «Обойму» коллиматоров закрепляют на трехкоординатном вакуумном вводе движения (2) и интенсивно охлаждают потоком воды через контур водяного охлаждения (3). Оставшийся пучок транспортируется через базу диагностики L, его токовое распределение измеряют проволочным сканером из вольфрама (9), вторичные электроны запираются напряжением 300 В, выставленном на кольцах из нержавеющей стали (5), полный ток оставшегося пучка останавливается в приемнике пучка (7). Видеокамеры (8) используют для наблюдения за нагревом «обоймы» коллиматора и измерительных проволочек сканера. Сильфонные вставки (4) и координатный стол (6) используют для параллельного переноса диагностического узла в плоскости, перпендикулярной распространению пучка. Эту возможность используют в случае, когда пучок имеет угловую расходимость более 2 мрад и необходимо расширить область сканирования пучка. Фото собранного и готового к использованию устройства приведено на фиг.2.

Измеренные данные поступают на компьютер в виде файла с расширением .csv. Данный файл обрабатывают программой ProfileMultiDraw. Эта программа строит токовый профиль, определяет размер, положение и ток пучка. Токовые профили пучка накладываются вместе, как это показано на фиг.3.

Далее профили сдвигают с учетом координаты «обоймы» коллиматоров, при которой этот профиль был получен. Затем точки между сдвинутыми профилями достраивают методом линейной интерполяции. Постепенное заполнение зависимости тока от положения пучка данными показано на фиг.4.

На основе полученного распределения строят фазовый портрет пучка и вычисляют его эмиттанс. Нормализованный среднеквадратичный эмиттанс вычисляют следующим образом:

Пусть - исходное распределение, его нормировка I определяется как . Центр фазового портрета ( вычисляется как и . Так же вычисляются стандартные отклонения и и корреляция . Наконец, среднеквадратичный эмиттанс вычисляется , нормализованный эмиттанс получается домножением на релятивистские коэффициенты Геометрический эмиттанс получается построением эллипса наименьшего размера, охватывающего 90% тока.

Построение фазового портера пучка и вычисление его эмиттанса осуществляют во второй программе PhasePortraitBuilder. На вход программа принимает папку с файлами формата .csv, которые называются с учетом положения «обоймы» коллиматоров. Пример построенного фазового портрета стационарного ионного пучка с энергией 2,3 МэВ и током 4 мА приведен на фиг.5.

Изобретение относится к области технологических установок для обработки материалов с помощью пучка заряженных частиц (электронов, ионов). Устройство для измерения фазового портрета мощного стационарного пучка заряженных частиц состоит из вакуумной камеры, базы диагностики, сильфонных вставок, установленных в начале и в конце базы диагностики, диагностической вакуумной камеры, приемника пучка - цилиндра Фарадея, и компьютера для сбора и обработки полученных данных. В вакуумной камере расположены контур водяного охлаждения, видеокамера, патрубок для ее подключения и трехкоординатный вакуумный ввод движения. К трехкоординатному вакуумному вводу движения крепится «обойма» из четырех охлаждаемых коллиматоров разного диаметра с зенковкой вокруг отверстий. Отверстия коллиматора разнесены друг от друга. Диагностическая вакуумная камера состоит из проволочного сканера, системы для параллельного переноса базы диагностики - координатного стола, видеокамеры, патрубка для ее подключения и колец из нержавеющей стали с поданным на них запирающим напряжением. Техническим результатом является расширение пространственно-угловых параметров, диагностируемых устройством. 5 ил.

Устройство для измерения фазового портрета мощного стационарного пучка заряженных частиц, включающее в себя вакуумную камеру, в которой расположен трехкоординатный вакуумный ввод движения; базу диагностики из нержавеющей стали; диагностическую вакуумную камеру, в которой расположены проволочный сканер, состоящий из двух вольфрамовых проволочек, видеокамера, кольца из нержавеющей стали с поданным на них запирающим напряжением; приемник пучка - цилиндр Фарадея; компьютер для сбора и обработки полученных данных, отличающееся тем, что к трехкоординатному вводу движения прикреплена «обойма» из четырех охлаждаемых коллиматоров разного диаметра 1, 2, 5 и 10 мм с зенковкой вокруг отверстий и контуром водяного охлаждения, при этом отверстия коллиматора разнесены друг от друга на расстоянии 50 мм; в вакуумную камеру через патрубок установлена видеокамера; в диагностическую вакуумную камеру поставлена система для параллельного переноса базы диагностики - координатный стол; две сильфонные вставки установлены в начале и в конце базы диагностики.