Спектрометр заряженных частиц Советский патент 1983 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения энергетических спектров импульсных пучков заряженных частиц. В связи с развитием мощной импульсной ускорительной техники для инерционного управляемого термояде ного синтеза, обработки материалов накачки мощных лазеров стала актуальной задача спектрометрии сильно точных импу; ьсных пучков заряжекных частиц электронных,ионных ) с энepгия /IИ сотни КэВ - единицы МэВ, плотностями тока пучка от А/см до кА/см и длительности в десятки не Известен спектрометр заряженных частиц, содержащий поворотный магнит, подключенный к источнику пита ния, измеритель интенсивности повернутого пучка f 1 . Это устройств работает за счет различного отклоняющего воздействия поперечного ма нитного поля на движущиеся заряжен ные частицы, имеющие различные энергии.. Недостатком такого устройства являются большие габариты и вес, а также большой расход мощности, потребляемой от источников питания Известно устройство, содержащее последовательно расположенные в кор пусе металлические фольги, являющиеся детекторами заряженных частиц, разделенные металлическими экранирующими фольгами накопительные конденсаторы, устройство считывания и измерения потенциалов- 2 . Такое устройство работает за счет торможе ния пучка заряженных частиц,, проходящих через фольги, и оседания частиц в фольгах. Пробег частиц в фоль fax связан с их энергией, что позволяет по измеранному заряду, накопленному в фольгах, определить энергетический спектр пучКа. Недостатком этого устройства является низкая точность определения энергетического спектра в связи с ограниченным числом фольг. Известно использование газовых пропорциональных счетчиков, состоящих из корпуса, заполненного газом окон для ввода частиц и вывода излучения, электродов и детектора |светового излучения для спектрометриррвания пучков частиц з . Принцип его действия основан на том, что интенсивность вспышки свечения газа, вызванная прохождением заряженной частицы, пропорциональна потере энергии ею в газе, а в некотором узком диапазоне энергий частицы и энергии самой частицы. Интенсивность вспышки измеряется с помощью фотоумножителя. Спектр энер гий пучка получается после анализирования амплитуд импульсов- с ФЭУ и временного накопления. Существенно, что устройство работает в режиме накопления со слабыми токами пучка и непригодно для разового анализа спектра импульсного пучка частиц. Наиболее близким по технической сущности является спектрометр заряженных частиц, содержащий корпус, заполненный смесью газов Ar.-N, с окнами для ввода частиц ,и вывода светового излучения и детектор светового излучения 4 . В корпусе имеются два электрода, находящиеся под разностью потенциалов. Приемником излучения газа служат два ФЭУ. Спектрометрирование осуществляется с помощью электронной схемы анализа и накопления амплитуд импульсов с ФЭУ. Недостатками этого устройства являются ограниченная точность анализа в связи с конечным числом каналоЬ в анализаторе импульсов и невозможность разового анализа спектра импульсного пучка частиц, слабая помехозащищенность в условиях мощных электромагнитных полей. Целью изобретения является увеличение точности измерения энергетического спектра сильноточного импульсного пучка заряженных частиц. Поставленная цель достигается тем, что в спектрометре заряженных частиц, содержащем корпус, заполнен ный смесью газов A.r-N , с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения, у противоположных стенок корпуса раз1 1ещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор, ось которюго параллельна плоскости окна для ввода частиц, а детектор светового излучения выполнен в виде светочувствительного материала, размещенного снаружи зеркал. Кроме того, для повышения точности спектрометрии электронных пучков путем подавления рассеяния электронов в газе, корпус размещен внутри соленоида, ось которого перпендикулярна плоскости окна для ввода частиц. I На чертеже, схематично изображен спектрометр заряженных частиц в аксонометрии. Спектрометр состоит из корпуса 1, заполненного газовой смесью , с тонким входным окном 2. Снаружи корпуса размещены зеркгла 3, .на которые также снаружи помешается фоточувствительный материал 4. Внешний соленоид не чертеже условно не показан. Спектрометр работает следующим образом.

При попадании пучка 5 заряжённых частиц через входное окно 2 частицы TopNrosHTCH и останавлива- ются в пределах объема газовой смеси, что обеспечивается давлением газа и размером объема, просматриваемого сбоку через зеркала. Энерги частиц при их торможении передается газовой смеси. Смесь подобрана так, чтобы ввод в нее энергии уско. peннымJИ заряженными частицами приводил к лазерной генерации. В качестве такой ,смеси наиболее подходит газовая смесб Лг-Hj, обладающая высоким усилением и генерирующая в ближней ультрафиолетовой области.

Механизм лазерной генерации в смеси АГ-НЗ допускает инжекцию различных частиц, ионизирующих газ (например, электроны, ионы) и определяет следующий диапазон давлений смеси: 0, ати.- Соотношение газов должно быть РАг PN (например, 5% Ng и 95% /-г). Вне этого диапазона лазерная генерация или не возникает, или ее эффективность слишком низка. Заметим, что рассеяние электронов в газе, влияющее на генерацию, может быть подавлено наложением продольного магнитного поля, достаточного для замагничив ния электронов, Н лазерную генерацию магнитное поле практически не повлияет.

В зависимости от своей энергии частицы праходят вгазе на определенную глубину и возбуждают его. Величина пробега данного сорта частицы в смеси /Т-М2 гри указанных давлениях определит размер зеркал, который должен быть больше пробега частицы с максимальной энергией Например, для частиц с наибольшим пробегом эле {тронов с энергией 1 КэВ размер зеркал должен быть около 30 см. В случае спектрометрироьания протонов размер зеркал не превышает 3 см.

Степень возбуждения газа, а соответственно, и интенсивность лазерного излучения Определяется количеством частиц. Таким образом, распределение интенсивности лазерного излучения в сечении лазерного луча 6., выводимого поперечно к направлению движения заря;женных частиц в используемом резонаторе, несет информацию Об энергетическом спектре заряженных частиц. Высокая направленность лазерного луча, а также короткая длительность импульса тока пучка и соответственно лазерного излучения в смеси /г-;; позволяет зафиксировать распределение интенсивности излучения в лазерном луче в виде плотности почернения фоточувствительного материала 4

помещенного на внешней стороне зеркала 3, без искажений, связанных с расходимостью излучения или формигрованием модовой структуры излучения.

Кроме того, высокая направленность излучения позволяет отодвинуть фоточувствительный материал на расстояние, достаточное для подавления помеховых.Засветок, которые

могут возникать в генераторе пучка частиц.

Распределение энергии излучения, вызывающей почернение фоточувствительного материала, в зависимости

от координаты X , совпадающей с координатой глубьны проникновения в газ заряженных частиц (масштаб преобразования в силу высокой направленности лазерного излучения составляет 1:1), будет определяться еле- дующим выражением:

ц,«5™;,„,м±гш,,.

25

где Е - энергия заряженных частиц

в диапазоне О-Е макс 1(х1 - плотность светового потока в лазерном лyчe

ЩЕ)- искомый спектр пучка заряженных частиц; Х(х)- ступенчатая функция Хэвьсайда;

Ь(Е)- пробег в газовой смеси за- ряженной частицы с энергией

Е; . |(Е) - -эффективностьперехода эиергии заряженной.частицы с энергией Е в лазерное излучение,

Щ - эффективность преобразования газовой смесью вложенной в нее энергии в лазерное излучение.

(.,fcii2j,.

Восстановление искомого спектра N(E) сводится к стандартному решению к уравнений с известными левыми частями:

ЕМОК

.

ЕМОКС

fe,u,j-,,.«ffi,|fS),,,

ПЕ)

и

где ji X - шаг, с которым берутся

отсчеты плотности почернения фоточувствительного материала;К - количество отсчетов на

кривой почернения.

Точность восстановления спектра частиц определяется количеством уравнений, т.е. количеством отсчетов, В предлагаемом устройстве количество отсчетов ничем не ограничено, так как отсчеты берутся по непрерывной по X кривой почернения В связи с этим точность восстановления спектра заряженных частиц повышается -по сравнению с известными устройствами.

Техническая эффективность изобретения заключается в повышении точности измерения спектра сильноточного импульсного пучка частиц за .счет того, что в базовом объекте число отсчетов, по которым восстанавливается спектр, определено числом фольг, т.е. физически ограничено, в то время как в предлагаемом устройстве число отсчетов не ограничено и может быть выбрано достаточным для обеспечения требуемой точности. Другими словами, полученный в предлагаемом устройстве эффект эквивалентен тому, как если

бы в базовом объекте было использовано бесконечное число бесконечно тонких фольг. В предлагаемом устройстве в отличие от базового объекта, для которого необходиг а электрические измерения зарядов, накопленных на фольгах, не требуется никаких электрических или магнитных измерений и соответственно приборов VTO исключает воздействие электромагнитных полей на процесс регистрации спектра и тем самым увеличивает точность измерения.

Кроме того, в предлагаемом устройстве потребления энергии на процесс измерения не требуется.

В целом предложенный спектрометр дает возможность повысить точность и достоверность спектральных измерений сильноточных импульсных пучков и тем самым способствует дальнейшему научному прогрессу в важной области, связанной с управляемым пучковым термоядерным синтезом, обработкой материалов пучками, накачкой мощных лазеров-и др.

1 СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий корпус, заполненный смесью газов Af-Njf, с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения сильноточного импульсного пучка;у противоположных стенок корпуса размещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор, ось которого параллельна плоскости окна ;для ввода частиц, а детектор светового излучения вьтолнен в виде светочувствительного материала, размещенного снаружи зеркал.р 2. Спектрометр по п, 1, о т л чающийся тем, что, с целью .. повышения точности спектрометрии электронных пучков за счет подавления рассеяния электронов в газе, корпус размещен внутри соленоида, ось которого перпендикулярна плос- 2 кости окна для ввода частиц.