Способ измерения энергетического спектра электронного пучка и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01T1/29 

2. Устройство для измерения энер гетического спектра электронного пучка, включающее активную среду и систему регистрации, отлича ющееся тем, что, с целью повышения точности и проведения неразрушающих измерений, активная среда вьтолнена в виде наборов диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления и согласованных нагрузок, а система регистрации представляет собой набор устройств СВЧ связи, подключен ных к блоку детектирования, связанному с блоком обработки данных, причем диэлектрические замедляющие структуры последовательно чередуются с устройствами СВЧ связи и согла сованными нагрузками. 3 3.Устройство по п.2, отличающееся тем, что диэлектрические замедляющие структуры вьшолнены в виде отрезков волноводов одинакового диаметра с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одного внутреннего диаметра и изготовленными из материалов с различной диэлектрической проницаемостью. 4.Устройство по п.2, отличающееся тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов различных диаметров с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одинакового внутреннего диаметра и выполненными из одного материала.

1. Способ измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и проведения неразрушающих измерений, взаимодействие электронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления, при этом измеряют мощность СВЧ излучения после каждой из диэлектрических замед(/) ляющих структур, а по известной степени замедления волн в структурах и измеренным значениям мощности i излучения судят об энергетическом спектре электронного пучка. СО о: со ее

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения параметров электронных пучков, инжектируемых в ускорители на большие энергии или в мощные релятивистские СВЧ приборы.

Известен способ измерения энергии электронных пучков, основанный на измерении длины волны черенковского излучения, возникающего при взаимодействии пучка с диэлектрической замедляющей структурой

Такая структура представляет собой отрезок волновода с вставленным в него полым цилиндром из люсита или полиэтилена. При движении электронного пучка через пролетный канал структуры возникает черенковское излучение, которое принимается антенной системы регистрации. Длина волны генерируемых колебаний измеряется с помощью дисперсионной линии, а по известной длине волны и геометрическим размерам диэлектрика судят об энергии электронного пучка.

Такой способ обладает существенным недостатком, так как не позволяет производить измерения энергетического спектра электронного пучка.

В реальных же случаях пучки электронов обладают заметным разбросом

по энергиям. Это обусловлено конечными размерами области фазовой устойчивости движения частиц в циклических и линейных ускорителях, процессами во взрывоэмиссионных диодах, прохождением электронов через анодную фольгу, колоколообразностью формы импульса напряжения в сильноточных ускорителях прямого действия. Для

генерации электромагнитного излучения и нагрева плазмы часто используются пучки, удерживаемые внешним магнитным полем. Прохождение через области неоднородности поля

также приводит к увеличению разброса. Для многих процессов, основанных на использовании релятивистских электронных пучков и особенно в релятивистской электронике, важнейшим

параметром является разброс электронов по продольным скоростям, т.е. спектральный состав пучка по продольным энергиям, измерить который с помощью способа, основанного на измереНИИ длины волны черенковского излучения, невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому является, способ измерения энергетического спектра электронного пучка

путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со рой 2. Устройство, реализующее данный . способ, состоит из активной среды и системы регистрации 2j, В качестве активной среды используется анод из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Система регистрации включает в себя блок обработки данных на основе осциллографа бЛОР и блок чувствительных к -г-излучению датчиков. Датчики располагаются в некотором телесном угле, на расстоянии 30-60 см от анода и выполняются на основе сильноточ ных фотоэлементов в комбинации с пластмассовыми цилиндрическими сцин тилляторами (полистирол+2%-ный р-тер фил+РОРОР). Каждый датчик снабжается поглотителем, фильтром.тормозного излучения, в качестве которого используются свинцовые фольги разли ной толщины. Во время проведения измерений пучок поглощается на аноде, испуская -кванты тормозного и лучения. По известному поглощению j-кван тов в материале анода и фильтров су дят об энергии электронов, а по фик сированной энергии электронов абсолютные значения интенсивности тор мозного излучения позволяют определить количество электронов данной энергии. Однако такой способ измерения энергетического спектра электронного пучКа имеет существенные недост-татки - невозможность проведения не разрушающих измерений и невысокая точность измерений. Такая точность определяется прежде всего тем, что данный способ не позволяет производить измерения параметров реальных пучков, использующихся в эксперимен те. А так как параметры существующих сильноточных ускорителей прямого действия или линейных индукционных ускорителей отличаются нестабильностью, то исследованный пучок может не соответствовать реальному. Другой причиной, снижающей точность измерений, является наличие анода на пути пучка. Это связано с тем, что анод изменяет условия формирования виртуального катода, а заряд электронов, уже вьтавших на анод, искажает картину измерений. Плотный пучок заряженных частиц быстро разрушает анод, изменяет форму его поверхности и приводит к изменению 1 сре 3 диаграммы направленности тормозного излучения что также отрицательно сказывается на точности измерений. Кроме того, при взаимодействии электронов с материалом анода возни кает переходное излучение, потери на которое в рассматриваемого способа, не учитывается. Цель изобретения - повышение точности и проведение неразрушающих измерений энергетического спектра электронного пучка. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой, взаимодействие электронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляюпщх структур с пролетными каналами с различной степенью замедления СВЧ колебаний, при этом измеряют мощность СВЧ излучения после каждой из диэлектрических замедляющих структур, а по известной степени замедления волн в структурах и из- меренным значениям мощности излучения судят об энергетическом спектре электронного пучка. Для предлагаемого способа нет принципиальных ограничений на величину различий степени замедления структур и при реализации способа они выбираются исходя из чувствительности системы регистрации. После каждой структуры измеряют мощность СВЧ излучения, которая зависит от степени замедления диэлектрических замедляющих структур и спектрального энергетического состава пучка. По известным степеням замедления и мощности излучения определяют функцию распределения электронов по энергиям. Мощность спонтанного черенковского излучения, а следовательно, потери энергии электронами незначительны. Поэтому пучок после процесса измерений оказывается практически невозмущенным, т.е. использование в качестве активной среды диэлектрических замедляющих структур, обладающих слабой связью с пучком, позволяет избежать влияния анода на измеряемые параметры. В результате этого повышается точность измерений и открывается возможность неразрушаю5 1 щего измерения энергетического спект ра электронных пучков. Указанная цель в устройстве для осуществления данного способа достигается тем, что в устройстве, содержащем активную среду и систему регистрации, активная среда вьшолнена в виде наборов диэлектрических замед ляющих структур с различной степенью замедления и согласованных нагрузок а система регистрации представляет собой набор устройств СВЧ связи, под ключенных к блокудетектирования, связанному с блоком обработки данных причем ди:электрические замедляющие структуры последовательно чередуются с устройствами СВЧ связи и согласова ными нагрузками. Такое выполнение . устройства позволяет реализовать пре предлагаемый способ, и повысив точность, производить неразрушающие измерения энергетического спектра электронных пучков. Изменения степени замедления стру туры при постоянной поперечной геометрии электронн9го пучка можно добиться различными вариантами, один из которых отличается тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов одинакового диаметра с вставленными в них польтми диэлектрическими цилиндрами одного внутреннего диаметра и изготовленными, из материалов с различной диэлектрической проницаемостью. Другой вариант отличается т.ем, :что диэлектрические замедляющие структуры выполняются в виде отрезков волноводов различных диаметров с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одинакового внутреннего диаметра и выполненными из одного материала. Но так как увеличение диэлектрической проницаемости диэлектрика или его внешнего диаметра приводит к одяому и тому же эффекту - увеличению степени замедления электромагнитной волны в диэлектрических замедляющих структурах, - то случай реализации способа можно рассмотреть на . примере устройства для его осуще ствления, в котором замедляющие . структуры отличаются диэлектрической проницаемостью материала.

На чертеже показано устройство для измерения спектра пучка.

пролетает в канале радиуса «, проделанном в волноводе 6 радиуса Ъ, заполненном диэлектрической замедляю3Устройство состоит из набора диэлектрических замедляющих структур 1, выполненных из материалов с различной диэлектрической проницаемостью, последовательно чередующихся с устройствами 2 СВЧ связи и согласованными нагрузками 3. Устройства 2 СВЧ связи подключены к блоку 4 детектирования, которьй связан с блоком 5 обработки данных. С помощью устройства 2 СВЧ связи часть генерируемой мощности в каждой диэлектрической замедляющей структуре 1 подается на блок 4 детектирования. Диэлектрические замедляющие структуры 1 помещаются в волновод 6. Для того, чтобы исключить СВЧ связь между диэлектрическими замедляющими структурами 1, после каждого устройства 2 СВЧ связи устанавливается согласованная нагрузка 3 длиной несколько длин волн. . Рассмотрим способ измерения энергетического .спектра электронного пучка на примере работы устройства, так как предлагаемый способ может быть реализован только в предлагаемом устройстве. Измеряемый электронный пучок подают на вход замедляющей структуры 1. При взаимодействии электронов с материалом диэлектрических замедляющих структур 1 возникает спонтанное черенковское излучение. Мощность этого излучения . зависит от геометрических размеров, диэлектрической проницаемости замедляющих структур 1 и энергетического спектра пучка при фиксированной величине тока. Уровень мощности после каждой из диэлектрической замедляющей структур 1 с помощью устройств 2 СВЧ связи, блока 4 детектирования и блока 5 обработки данных измеряют. СВЧ излучение, которое не ушло в систему регистрации, поглощают на согласованных нагрузках 3. По известным степеням замедления волн в структурах и измеренным значениям мощности излучения судят об энергетическом спектреэлектронного пучка. Более подробно принцип работы устройства, осуществляющего предлагаемый способ, поясняется следукяцим. Пусть W-потери энергии в единицу времени одного электрона, который

7 11096938

щей структурой 1 параллельно оси В случае сплошного однородного на расстоянии от оси, на черен- пучка с максвелловским распределением, конское излучение в фиксированном ин- длительность импульса которого много тервале частот , tOj . Если выб- .больше среднего времени пролета рать длинноволновую границу интерв где С рость света, Е -диэлектрическая проницаемость материала, то .:.--с WiJ/iC W(u) 1 . 0 05) где /5C r- скорость электрона; ) - потери энергии одного эле рона на .ч ренковском излучении на частотах , .К,)7Г (2e-.l.(gp2-,)(,,) -корни уравнения} s fgfi- . ) С 5 и 5, - такие что ш.:и;.,.ш г л . . г О; Z j. (l-/b2)-1/2 релятивистский фактор, „ ,. „ Un модифицированнаяфункция Бес ЛЯ , . I - заряд электрона, Г 0,577 - постоянная Эйлера. Видно, что (p|ri/W), где Р рутс- импульс электрона, а М набор параметров а,в, g I , характеризующих данную структуру, tp - мас электрона. Рассмотрим теперь некогерентное черенковское излучение пучка элект ронов, движущегося в данной структ ре. В пренебрежении влиянием поперечного движения на излучение (нер лятивистские поперечные импульсы) выражение для мощности, излучаемой в интервале частот Г uj , пучко частиц, залисьшается в виде P(W)jlV(p,r,M)f(p,)c}pol , где(р|) -функция распределения электронов по координате и продоль ному импульсу. . электроном диэлектрической замедляющей структуры .1 (Р-Р .,(г где рд - средний продольный импульс электронов Р-|- - разбросу h - плотность пучкаJ P - радиус пучка; U - длина структуры; - минимальное значение импульса, при котором существует черенковское излучение. Таким образом, (рр ),т.е. мощнрсть, излучаемая в интервале частот Ги.., , J любой из диэлектрических замедляющих структур 1, есть функция двух переменных (Р,, Р и набора параметров М. С помощью предварительно калиброванных устройств 2 -СВЧ связи и блока 4 детектирования определяются величины мощности излу- . чения в каждой из структур 1 в фиксированном диапазоне частот J , u2j которые подаются в блок 5 обработки данных, где происходит окончательная , „ г обработка информации. Диапазон а), , т UJ выбирается в области длин волн, - сравнимых с поперечными размерами волновода, так как и в этом интервале потери на черенковское Излучение наиболее значительны. Экспериментально определенную мощность в i-и структуре обозначим Рдт.е. при - ,2...N. Очевидно, М1шимально необходимое число измерений мощности N 2. В этом случае имеем систему двух управлений с двумя неизвестными РЭ, Р(РО,Р,Е,) р- Р(РЛ РТ-, е), решение которой и дает неизвестные параметры р , р . Такой подход целесообразен при абсолютно точных измерёниях экспериментальных значений P..I В случае измерения значений Р. с помехами общепринятый подход методики наименьших квадратов диктует выбор ,N 2, при этом погрешность оцениваемых значений Р , Р имеет порядок 6p/YN, где ёр - дисперсия случайной величины помехи в предположении ее нормального распределени Далее составляется функция суммы квадратичных невязок . (Ро:Рт Э. (Ро.Ри значения Р и Р; , при которых эт функция минимальна, определяют вели чины среднего импульса пучка и теплового разброса. Функция (3) существенно нелинейн по параметрам р, р . Ее минимум может быть найден одним из методов минимизации квазиньютоновского клас са. В предлагаемом устройстве величи N выбрана равной 4, что обеспечивае сравнительно хорошую точность оценки. Блок 5 обработки данных осуществляет вычисление и минимизацию функ ции (3) и, таким образом, определяе ся спектр электронного пучка. Здесь необходимо отметить следующее. Формула (2) описывает некогерентное спонтанное черенковское излучение электронов пучка. А описанная вьппе структура может генерир вать мощное электромагнитное излуче ние, как лампа бегущей волны, работающая в режиме усиления собственных шумов. Аналитического выражения для излучаемой при этом мощности не существует. Поэтому изложенный способ может быть применен для диаг ностики пучков, токи которых не пре вьшает значения, определяемого . выражением , где UQ - напряжение, соответствующе кинетической энергии электроновj llf I- число замедленных длин вол зам / укладывающихся вдоль структуры} R сопротивление связи замедляющей системы, которую представляет собой структура. Величина должна быть достаточно большой, так как формула (1) получе на в предположении . 93.10 Простые оценки показывают, что при -г 10 условие (4) выполняетсяинтенсивных, имеюдля самых щихся в настоящее время, пучков линейных резонансных ускорителей электронов, и микротронов. Для диагностики низкоэнергетических и сильноточных пучков линейных индукционных ускорителей и особенно сильноточных ускорителей.- прямого действия необходимо обеспечить достаточно малое сопротивление связи структуры. Это достигается увеличением радиуса пролетного канала по сравнению с размерами пучка. При этом диапазон частот Гси , 2 1 сдвигается в длинноволновую область, что приводит к необходимости увеличения длины структуры. Рассмотрим пример конкретного исполнения устройства для реализации данного способа. Пусть для исследования генерации электромагнитного излучения в лазере на свободных электронах на оснэве электронного пучка микротрона с энергией 5 МэВ и током 18 А необходимо производить постоянные неразрушающие измерения спектра пучка. Между выходом микротрона и лазером на свободных электронах в магнитном поле лазера устанавливается устройство для измерения энергии электронного пучка по измерению параметров импульсов электромагнитного излучения, возникакнцего при взаимодействии пучка со средой. Устт ройство помещается в волновод, который образует одну вакуумную систему с лазером. В качестве материала для выполнения структур используются фторопласт 4, полиэтилен, эбонит и текстолит, имеющие диэлектрическую проницаемость соответственно 2,08j 2,26, 2,67} 3,67. Для реализации данного способа не имеет значения во сколько раз различаются величины диэлектрических проницаемоетей замедлянлдих структур. Поэтому выбор материалов для изготовления их определяется лишь доступностью материала и разрешающей способностью системы регистрации. Степени замедления в этом случае равны 1,162; 1,177} 1,206, 1,254, соответственно. Длина одной структуры 8 см, радиус пролетного канала 10 мм, радиус волновода 15 мм. Устройства СВЧ связи представляют собой электрические зонды с полосо11. выми фильтрами, настроенные и калиброванные в диапазоне длин волн 8-10 мм. Согласованные нагрузки выполняются конусными из графита, дли ной 3 см. Детектирование СВЧ сигналов производится с помощью криогенных детекторов на горячих носителях Первичная обработка данных производится на осциллографе ИНИ-3, а окончательная на ЭВМ, Информация выводится на дисплей и цифропечать. Другим вариантом конкретного исполнения устройства для реализации предлагаемого способа является прибор, у которого все замедляющие структуры выполнены из полиэтилена с одинакрвым диаметром пролетного канала, но разной толщиной диэлектр ка. Волновод в этом случае выполняе ся ступенчатым и имеет 4 участка по 10 см каждый с радиусом 13,15,17 и 20 мм соответственно. Система регистрации при этом не изменяется, Таким образом, предлагаемом способ измерения энергетического спект ра электронного пучка по сравнению с известным способом позволяет устр нить присущие базовому способу недостатки и производить измерение спектра без разрушения электронного пучка. Использование устройства на основе предлагаемого способа позвол ет повысить точность измерений реал ных пучков, параметры которых являются критичными для работоспособности электрофизических установок, в которых они используются, Это связано с тем, что устройство на основе предлагаемого способа, в отличие от базового, имеет слабую свя 3 с пучком и не оказывает влияния на изменяемые параметры, в то.время, как устройства на основе базового способа при размещении анода на пути пучка изменяют распределение пространственного заряда и искажают картину из-за влияния заряда, уже вьтавшего на коллектор, тогда как предлагаемые устройства исследуют пучок, находящийся в действительных условиях конкретного эксперимента и почти не влияют на него, так как потери энергии электронов на черенковское излучение малы. Достоинство пред- . лагаемого способа заключается также в том, что последовательньш анализ и обработка данных во время импульса тока ускорителя позволяет не только регистрировать распределение заряженных частиц по энергиям, но и проследить его временную эволюцию, С применением неразрушающего текущего контроля открьтаются широкие возможности для объяснения многих физических явлений в работе ускорителей сверхвысоких энергий при нагреве плазмы и при генерации мощного СВЧ излучения в приборах релятивистской электроники для целей радиолокации, разделения изотопов и исследования тонких структур биологических объектов, что имеет важное народно- . хозяйственное значение. Использование предлагаемого способа и устройства, его реализующего, позволяет производить дистанционные измерения и автоматизировать обработку данных с включением предлагаемого прибора в систему сброса и первичной обработки информации на ЭВМ,