Устройство для управления пучками заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК G21K1/02 

Фи2.1 Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в экспериментальной ядер ной физике для формирования пучков заряженных частиц ультрарелятивистбких энергий, В настоящее время широкое распро странение получили монокристалличес кие мишени для управления пучками частиц и излучений. Управляющее или формирующее действие ис польэуемых монокристаллических мишеней основано на брэгговском отражении излучения от атомных плоскостей монокристаллической пластины. Если какие-либо кристаллографические плоскости параллельны поверхности такой пластины, а пучок падающего рентгеновского излучения или нейтро ;Нов составляет угол Sj с направле нием этих плоскостей, то при выполнении условия Брэгга Ti 2а sin Qg (где - длина волны излучения, 3 - межплоскостное расстояние кристаллической пластины, л - поря док отражения) формируется максимум интенсивности отраженного пучка под углом Qg к поверхности пластиныПри высоких энергиях нейтронов и V квантов механизм брэгговского отражения становится неэффективным из-з резкого уменьшения требуемого угла 0g , под которым пучок частиц падает на мишень. Так, например, если для излучения с энергией МэВ угол Sg - 0,0001 рад, что уже меньше обычной угловой расходимости пуч ка, то для излучения с энергией в области нескольких тысяч МэВ брэгговский угол становится приблизительно равен 0ц , что делает монокристаллическую мишень практиче кй неработоспособной для управления потоками излучения. Формирование также пучков заряженных частиц методом брэгговского рассеяния на поверхности или путем пропускания через кристаллическую пластину возможно для электронных пучков с энер гией сотни КэВ или несколько МэВ и невозможно для пучков заряженных частиц высоких энергий. Известна монокристаллическая мишень для управления пучками частиц высоких энергий, выполненная из кри талла толщиной Я см с ,g изогнутого по дуге радиуса Г см 2 10- Е МэВ , причем кристалл вырезан в виде плоскопараллельной пластины так, что какое-либо главное кристаллографическое направление образует с его поверхностью угол S в пределах от 30° до 60°, а входной подвижный коллиматор кинематически связан с мишенью так, что при любом изгибе мишени его ось направлена по касательной дуге, образованной главным кристаллографическим направлением Л . Такая монокристаллическая мишень имеет равномерно изогнутые с одинаковым радиусом кривизны, кристаллические плоскости. Пучок заряженных частиц направляют вдоль кристаллографических плоскостей, под соответствующим углом Q к входной поверхности пластины, и в процессе каналиррвания прошедший пучок эффективно отклоняется на угол о( рад с см R см IgQ . . Поскольку все кристаллографические плоскости имеют одинаковый радиус кривизны, то используемая мишень пригодна только для отклонения пучка частиц, но не позволяет осуществлять фокусирование пучков. По этой же причине это устройство является работоспособным только для параллельных (не расходящихся)пучков заряженных частиц. Наиболее близким техническим решением является устройство для управЛенин пучками заряженных частиц, включающее монокристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц 2 . Монокристаллическая мишень работает в плоском, неизогнутом варианте. При изгибе такой мишени по дуге окружности изогнутся ее кристаллографические плоскости. Главные кристаллографические плоскости, перпендикулярные поверхности монокристалла, изогнутся при этом неравномерно и так, что их продолжения проецируются в точку фокуса на расстоянии R t СМэВ в центре окружности,по дуге которой изогнут монокристалл. В изогнутом варианте такой мишенью возможно фокусировать пучки заряженных частиц не слишком высоких энергий. Для пучков заряженных частиц ультравысоких энергий, ГэВ, устройство оказывается неработоспособным пз-за условий реализации эффекта каналирования. Захват частиц в режим каналирования имеет место при углах падения частиц относительно кристалло графической плоскости т.е. для ультрарелятивистских частиц практически для параллельного пучка, падающего нормально.к поверх ности пластины. Зная фокусное расстояние такого устройства Rm и величину . , легко определить предельный поперечный размер р падающег параллельного пучка,которьй падает в жим- фокусирования Яф . Так,для протонов с энергией 0 ГэВ имеем CiCJ,, и 10 рад в кристалле (110) кремния и для реального расстояния )0 см, определяемого предельно допустимой кривизной кристаллическо пластины,получаем р i 0,1 мм, т.е пучки ультрарелятивистских частиц с реальньм поперечным размером и угловой расходимостьюйс Cf(v практичес невозможно фокусировать такой монокристаллической мишенью. Цель изобретения - повышение эффективности фокусирования расходящихся пучков частиц ультрарёлятивис ских энергий. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, включающем монокристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц, монокристалличес кая мишень выполнена в виде двусто ронней гребенки с п прямоугольными зубьями с каждой стороны, где Л г utf - угол коллимации, Cji - критичес кий угол каналирования. Причем с. входной стороны зубья изогнуты к медианной плоскости мишени и прижаты концами друг к другу, а на выходной стороне зубья изогнуты таким образом, что каждьй п -ный из них смещен к медианной плоскости на величину in (1-2пс))/2Й где1 фзаданное фокусное расстояние дЛя вы ходящего пучка,J - расстояние межд зубьями у их основания. Кроме того, ось коллиматора лежит в медианной плоскости. На фиг.1 показана половина монокристаллической мишени перед изгиба ми; на фиг.2 - сим1 етричная половина изогнутой монокристаллической мишени. Пучок частиц падает на монокристаллическую пластину, состоящую из 924 монолитной 1 и гребенчатых - входной 2 и выходной 3 частей. Перед монокристаллической пластиной стоит коллиматор 4. Ось 00 определяет положение медианной плоскости пластины, точка А - положение фокуса падающего пучка, ROD - положение фоку; са вькодящего сформированного пучка. Полная длина кристалла-мишени определяется условиями максимального захвата частиц в режим каналирования и минимальным их деканалированием т.е. Ln ,5L , где Ьр полная длина кристалла, В - длина неразрезанной части и L - длина разрезанной части, LV - длина канали- рования IH.- 1 см. Е(ГэВ) (см. фиг.1 описания предлагаемого изобретения). При этом количество частиц, прошедших через мишень и испытавших фокусирование максимально и составляет величину-v 0,6 от всех захваченных в режим каналирования. Величина неразр езанной части кристалла I несущественна и может быть сделана достаточно малойчб/Ь 0,1, поскольку даже при таких значениях будет обеспечена жесткость кристалламишени и условие упругого изгиба его разрезанных частей. Минимальная полная длина кристалла-мишени Ln определяется длиной установления ре- жима каналирования заряженньк частиц в кристалле. Таким образом для ГэВ диапазон этой величины составляет 100 см 21,0,1 см. Таким об- разом, для управления пучками заряженных частиц ультрарелятивистских энергий Е 1 ГэВ, для которых неэкономично применение магнитного и электрического принципа отклонения и наиболее оптимально использование кристаллов, полная длина кристалла мишени в предлагаемом изобретения может изменяться в широком диапазоне и отвечает размерам реальных кристаллов, изготавливаемых в настоящее время промышленностью. Общая толщина кристалла-мишени, ширина вырезов и толщина вырезанных пластинок определяется расходимостью it и сечением 5 пучка частиц. Например, если &Ц - n-if), (Qy - известная величина - критический угол каналирования, определяемый энергией частиц), .то из условия захвата в режим каналирования в отдельньгх пластинах максимального числа частиц () слс.дует сделать () вырезов. (n зубьев), тогда в изогнутом состоянии на каждый зуб будет падать часть () пучка с угловой расходимостью Cfn . Кроме того, медиана каждой части пучка будет нормальна к торцовой поверхности зуба. Это да ет соотношение (если - малая в.е 1-«-Ч -Ь щ откуда (3 личина) 2L - , расстояние между зубьями. С условие того, что весь пучок частиц сечением S падает на входную часть кристалла-мишени имеем толщину кркс талла T-SH - ld 5+2п. ,L у а толщину каждой пластины . Глубина вырезов, т.е. L , параметр несущественный и определяется технологичностью изготовления мишени. Принцип работы фокусирующей моно кристаллической мишени основан на явлении Каналирования заряженньк ча тиц в монокристаллах. При падении частиц вдоль кристаллографических направлений мишени их движение опре деляется последовательными скользящими столкновениями с цепочками и плоскостями атомов в режиме каналир вания. В такай режим попадают лишь частицы пучка с угловой расходимостью, меньшей л су ° f/E МэВ относительно направления кристаллографических плоскостей. Частицы падающего пучка с большей угловой расходимостью рассеиваются как в случае аморфной мишени. Как следует из геометрии рабочей изогнутой мишени, п казанной на фиг.2, если расходящийся пучок частиц с угловым разбросом ЛСр направить на входной торец 2 сжатой кристаллической мишени, то значительная часть пучка захватится в режим плоскостного каналирования. Условие эффективного захвата обе пех,ивается при разрезе входной част мишени напнч|1 с « ° ™Д°Д при котором обеспечен почти 100% з хват частиц в режим каналирования. При этом условии ширина j разрезов выбирается из технологических соображений, так как технически сложно выполнить прорези менее 100 мкм. По ле выбора j необходимо обеспечить изгиб входных зубьев радиусом RH 1«/2п0 , чтобы входные концы были сжаты впритык друг у другу. При вы полнении заданного условия падающий расходящийся пучок частиц попадает как-бы на монолитную кристаллическу 7926 мишень и каждая часть пучка (отличающаяся углом расходимости йЦ„ ) бу дет каналировать в своей Ш - той пластинке. Приведенное условие принципиально определяет работоспособность предлагаемого устройства и его зффективность. Если это условие не вьшолнено, т.е. концы разрезных пластинок не сведены друг к другу, илиг(« , то эффективность захвата пучка в каналы, а следовательно, и эффективность управления пучков частиц, будут Малы. Для предельного случая пучка частиц без расходимости, uqi 0 имеем У) 0 и ai 0, т.е. можно использовать для фокусирования нерасходящегося пучка монолитную кристаллическую мишень с гребенчатой выходной частью. Захваченные в каналы частицы устойчиво движутся в изогнутых пластинах при радиусе изгиба не меньше 1 2 -10 f МэВ, где Е - энергия заряженных частчгц. Пройдя через переходную монолитную область мишени частицы вновь попадают в режим положения в изогнутых каналах в выходной части мишени. Здесь условие изгиба пластины tj, С(1-2п(3)/(2Кф ) принципиально определяет рабочий параметр всего устройства - его фокусное расстояние . Задавая смещение при изгибе конца каждой пластиныtj, возможно не только регулировать фо- расстояние для вькодящего пучка, причем без потери частиц в пучке, но возможно преобразовать падающий расходящийся пучок в параллельный пучок частиц, так как при 0 имеет Rm 00 . Также возможно, задавая закон смещения преобразовать, например, падающий пучок с равномерной плотностью частиц по сечению в пучок частиц на выходе устройства ёнёравномерноГплотностьюГнапрймер, с распределением по закону Гаусса, ИЛИ разделенный на два отдельньк расходящихся пучка. Предлагаемое устройство позволяет фокусировать пучки заряженных частиц ультравысокой энергии, имеющие реальные угловые расходимости. Если взять пучок протонов от точечного источнька с энергией Е 100 ГэВ и угловой расходимостью ilp 10 рад, то в устройстве (2) в режим фокусирования на фокусное расстояние R 100 см попадает только часть ПУЧка, не более от первоначального. В предлагаемом устройстве, ес ли сделать мишень толщиной (поперечным размером) Т :10 см, разрезанную на входе на пластинки тол1ЦИНОЙ каждая Т 2 мм с шириной разрезов 0,5 мм, то в режим фокусирования, попадает около 5% частиц падакиЧего пучка, т.е. выигрыш в эффективности предлагаемого устройства.

по сравнению с базовым объектом, в 500 раз больше. Если падающий пучок имеет еще меньшую угловую расходимость, то коэффициент захвата частиц возрастает в несколько раз, а для параллельного пучка козффициент практически равен 100%. В этом случае мишень работает с неизогнутой и негребенчатой входной частью.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ,включающее монокристаллическую мишень с главными кристаллогр афическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности фокусирования расходящихся пучков частиц ультрарелятивистских энергий, монокристаллическая мишень выполнена в виде двусторонней гребенки с прямоугольными зубьями с каждой стороны, гдehaJ5 )bCf- угол коллимации, критический упол каналирования, причем с входной стороны зубья изогнуты к медиан ой плоскости мишени и прижаты крицами друг к другу, а на выходной стороне зубья изогнуты таким образом, что каждый ч -ый из § них смещен к медианной плоскости на величину 1„ () гдеК р (Л заданное фокусное расстояние для выходящего пучка, о - расстояние между зубьями у их основания, а ось коллиматора лежит в медианной плоскости.