УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА ПО СЕЧЕНИЮ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1994 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к измерению параметров пучков заряженных частиц и, в частности для измерения распределения тока и его плотности по сечению импульсных сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП) с аксиальной симметрией в диапазоне энергий 1-10 МэВ и длительностью импульса ≅100 нс.

Известен секционированный цилиндр Фарадея, состоящий из набора коллекторов отдельных цилиндров Фарадея, укрепленных в общей коллекторной пластине и изолированных от нее лавсановой пластиной. Коллекторы расположены на различных расстояниях от оси трубы дрейфа и через нагрузочные сопротивления соединены с цилиндрическим корпусом.

Пучок, проходя по трубе дрейфа, попадает на коллекторы. Сигналы, выделяемые на нагрузочных сопротивлениях, через передающие кабели подаются на многоканальное регистрирующее устройство.

Основными недостатками указанного устройства являются следующие:
полное разрушение пучка в плоскости расположения коллекторов, что исключает его дальнейшее использование;
низкая точность измерения параметров именно дрейфующего пучка, так как его профиль искажается заземленной плоскостью общего коллектора и потенциалами коллекторов отдельных цилиндров Фарадея, невозможность одновременного регистрирования плотности пучка по сечению и полного тока пучка, так как полный ток пучка не будет являться суммой токов с отдельных коллекторов цилиндра Фарадея, так как суммарная площадь коллекторов не перекрывает площадь сечения пучка.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, предназначенное для неразрушающего измерения плотности тока по сечению квазистатического (по крайней мере в течение одного цикла измерений) и низкоэнергетичного пучка тяжелых ионов.

Это устройство состоит из 2-х наборов коллекторов (параллельных тонких проволочек-ламелей), установленных перпендикулярно друг другу в плоскости, перпендикулярной оси дрейфующего пучка. Проволочки изолированы друг от друга и каждая соединена через нагрузочные сопротивления с цилиндрическим корпусом и регистрирующим устройством, причем длина каждой проволочки больше или равна поперечному сечению измеряемого пучка.

Проходя через измерительное устройство, малая часть пучка попадает на ламели, что вызывает появление на нагрузочных сопротивлениях сигналов. Регистрация сигналов осуществляется поочередным подключением ламелей к регистрирующему устройству.

Поскольку диаметр проволочки-ламели сравним с длиной пробега ионов (обе величины малы), то суммарная площадь, занимаемая всеми ламелями, по сравнению с площадью измеряемого пучка будет мала, а следовательно, искажения в пучке, вызываемые регистрирующим устройством, будут незначительны.

Это же устройство, в принципе, можно применять и для определения параметров сильноточных электронных пучков. Но в этом случае необходимо увеличивать диаметр каждой ламели, так как он должен быть больше пробега электронов, который для энергий 1-10 МэВ составляет 1-10 мм. Следовательно, площадь, занимаемая ламелями, будет большой, и пучок будет испытывать уже значительные искажения. Т.е. будет нарушен принцип неразрушаемого контроля пучка.

Кроме этого, время переключения ламелей составляет ≈10 мкс, что уже неприемлемо для регистрации наносекундных пучков. В принципе возможно подключение каждого резистора к быстродействующему регистрирующему устройству, при этом необходимо два устройства на каждую ламель. Это требует большого общего числа регистрирующих устройств, причем синхронизация их с наносекундной точностью представляет сложную техническую задачу, и сложность эта увеличивается с увеличением их числа. К тому же, в данном устройстве невозможно получать временное распределение плотности тока схемным методом, а требуется решение системы уравнений либо спустя некоторое время после проведения экспериментов, либо вывод данных с регистрирующих устройств на ЭВМ, что значительно усложняет экспериментальное оборудование и предъявляет дополнительные требования и помехозащищенности передающих трактов. Описанное устройство вследствие указанных недостатков нежелательно применять для регистрации электронных пучков, но его свойство неразрушаемого контроля и наиболее близкое конструктивное решение позволяет нам взять это устройство за прототип.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции прибора и повышение точности временного распределения плотности тока по сечению дрейфующего пучка заряженных частиц.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для неразрушающего измерения распределения плотности тока по сечению импульсных пучков заряженных частиц, содержащем набор коллекторов, подключенных через нагрузочные сопротивления к цилиндрическому корпусу и к регистрирующему устройству, коллекторы выполнены в виде отдельных проводящих пластин различной длины, укрепленных через изоляторы в корпусе радиально, причем максимальная длина пластины равна радиусу цилиндрического корпуса, а толщина каждой пластины больше пробега частиц в материале коллектора, но меньше ширины пластины.

При таком исполнении коллекторов только малая часть пучка, проходящего по трубе дрейфа, попадает на коллекторы, так как площадь коллекторов в направлении распространения пучка значительно меньше площади сечения всего пучка (выбором пластин легко достигается отношение площадей значительно меньше 0,1). Этим достигается сохранение пучка и слабое искажение профиля и параметров пучка. Точность измерения повышается за счет существенно меньшего искажения профиля пучка измерительным устройством.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена схема устройства, состоящего из набора коллекторов 1, закрепленных в цилиндрическом корпусе 2 и изолированных от него изоляторами 3. Коллекторы через нагрузочные сопротивления 4 соединены с заземленным корпусом, причем их количество определяется требуемым разрешением распределения тока и его плотности по сечению пучка.

Сигналы с коллекторов подаются либо на осциллограф, либо на другое регистрирующее устройство, например вычислительную машину.

Устройство работает следующим образом.

Пучок, распространяющийся в трубе дрейфа, попадает в измерительное устройство. Продольная ось пучка совпадает с осью цилиндрического корпуса, а радиус корпуса должен быть равен или больше радиуса пучка. Часть пучка попадает на коллекторы 1, и напряжение, выделяемое на нагрузочных сопротивлениях 4, регистрируются многоканальным регистрирующим устройством. Так как площадь коллекторов мала по отношению к площади сечения всего пучка, то пучок, слабо искажаясь, будет распространяться дальше в трубе дрейфа.

По сигналу с коллектора, длина которого равна радиусу корпуса, можно вычислить ток всего пучка, а разность между сигналами с коллекторов, концы которых расположены на различных расстояниях от центра, дает ток в кольце, ограниченном концами этих коллекторов.

Отношение тока в кольце к площади кольца дает усреднению плотность тока в этом кольце.

Допустим, что имеется n пластин; l₁, l₂...l_i - длины пластин (за первую взята пластина с наибольшей длиной), R_i - нагрузочное сопротивление, U_i - величина напряжения, выделяемая на сопротивление с i-й пластины. Тогда ток в кольце, ограниченном длинами пластин l_i и l_i+1будет равен:
I_i = =
= ,, где d - толщина пластины в сечении.

Соответственно усредненная плотность в кольце:
j_i= ..

Временное разрешение предложенного устройства можно оценить величиной τ= L/Z, где L - индуктивность ламели, пропорциональная ее длина; Z - нагрузочное сопротивление.

Уменьшение числа ламелей, а следовательно, и уменьшение числа регистрирующих устройств, ведет к упрощению конструкции. Повышение точности временного измерения параметров пучка в предлагаемом устройстве происходит также вследствие уменьшения числа ламелей, т.е. уменьшения индуктивности, а следовательно, и меньшего искажения электрических полей в пучке.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА ПО СЕЧЕНИЮ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ,содержащее набор коллекторов, подключенных через нагрузочные сопротивления к цилиндрическому корпусу и к регистрирующему устройству, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности временного распределения плотности тока по сечению дрейфующего пучка заряженных частиц, коллекторы выполнены в виде отдельных проводящих пластин различной длины, укрепленных через изоляторы в корпусе радиально, причем максимальная длина пластины равна радиусу цилиндрического корпуса, а толщина каждой пластины больше длины пробега частиц в материале коллектора, но меньше ширины пластины.