Способ оптической регистрации параметров пучка заряженных частиц Советский патент 1985 года по МПК G01T1/29 

QO 4 Ot) Изобретение относится к технической физике, в частности к измерению корпускулярных излучений, и может быть использовано в ускори тельной технике для измерения пара метров пучков заряженных частиц. Для проведения экспериментальных работ с использованием пучков заряженных частиц в различных областях науки, например в радиобиологии для исследования радикальных продуктов имлульсного радиоузла в пикосекундном диапазоне, требуется прецизионный метрологическта-i контроль основных парамет ров пучка бсчз возмущения и потерь исследуемого пучка. Оптические способы измерений являются наиболее перспективными для регистрации параметров моноимпульсных и кодово-импульсных пучков заряженных частиц в пиконаносекундном диапазонах. Оптическими методами измеряют форму, длительность фронта и среза, перио повторения, амплитуду и положение коротких импульсов, а также аналогичные параметры микроструктуры ко дово-импульсных пучков. Известные оптические способы из мерения параметров тока пучка основаны на получении и регистрации черепковского,флуоресцентного, переходного, тормозного, спонтанного и других видов излучений светового и рентгеновского диапазонов, возни кающих при движении заряженных час тиц в различных средах (остаточных газа, газах под давлением, жидкостях, кристаллах, сцинтилляторах и т.д.). Поэтому такие способы измерений являются непрозрачными или полупрозрачными для исследуемого пучка и значительная часть пучка тратится на создание светового излучения . Способ регистрации синхротронно го излучения, возникающего лишь при движении заряженных частиц по круговым или криволинейным траекториям, применяется только на синхротронах и накопительных кольцах, либо при транспортировке пучка в системе разведки, содержащей поворотные магниты. Причем достаточная для измерений интенсивность синхро тронного излучения возникает только при криволинейном движении 72 сравнительно легких заряженных частиц (например, электронов или позитронов), Известен способ регистрации параметров (формы и амплитуды импульсов тока) сильноточного пучка на основе получения от пучка и регистрации ондуляторного излучения. Способ заключается в том, что исследуемый пучок направляют по криволинейной траектории, которая имеет вид змейки. В результате этого пучок при движении по змейке излучает достаточно интенсивное свечение, обладающее линейчатым спектром, которое регистрируется фотоприемниками. К недостаткам способа следует отнести слишком большие размеры электромагнита (называемого виглер) для создания криволинейной траектории пучка, необходимость высокой мощности и стабильности электропитания виглера при измерении сильноточных и высокоэнергетичных пучков заряженных частиц. Основные недостатки этого способа состоят в том, что в результате многократных поворотов пучка в виглере теряется существенная часть пучка, вносятся возмущения в исследуеьшй пучок, увеличивается расходимость и ухудшаются фазовые характеристики пучка при его транспортировке. Поэтому такой способ измерений можно практически использовать лишь для однократных измерений параметров пучка при настройке и выводе ускорителя на заданные режимные параметры и нельзя применять для постоянного контроля параметров пучка при проведении экспериментальных работ. Наиболее близким к изобретению является способ оптической регистрации параметров пучка заряженных частиц, включающий измерение интенсивности провзаимодействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения. В этом способе анализирующее лазерное излучение под небольшим углом (в несколько градусов) пересекает исследуемый электронньм пучок, причем направление распространения лазерного излучения и электронного лучка противоположны. Рассеянное электронным пучком лазерное излучение регистрируется и по

числу рассеянных фотонов измеряют параметры электронного пучка (форму и амплитуду импульсного toKa). Комптоновское рассеяние является процессом практически безынерциальным и интенсивность рассеянного излучения пропорциональна току исследуемого электронного пучка. Способ заключается в регистрации лазерного излучения, рассеянного пучком электронов (в результате эффекта комптоновского рассеяния лазерного излучения на свободных электронах).

Недостатком способа является чрезвычайно малая интенсивность рассеянного лазерного излучения в направлении, противоположном направлению лазерного зондирующего излучения, что является причиной небольшой чувствительности способа. В результате этого способ лазерной диагностики практически применим лишь к сильноточным килоамперным электронным пучкам. При этом требуются мощные лазеры в качестве источников зондирующего излучения, Способ лазерной диагностики обладает малой помехозащгаденностью, так как в направлении измеряемого рассеянного излучения распространяется собственное излучение электронного пучка, а также паразитное излучение, возникающее в результате рассеяния части лазерного излучения на деталях установки,

Целью изобретения является повьшение чувствительности и помехозащищенности измерений параметров пучка заряженных частиц (формы и амплитуды импульсов тока пучка).

Цель достигается тем, что в способе оптической регистрации параметров пучка заряженных частиц, включающем в себя измерение интенсивности провзаимодействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения, анализирующее лазерное излучение пропускают по полупроводнковому пленочному световоду, модулируют по интенсивности электрическим полем исследуемого пучка и аналзируют форму и амплитуду импульсов тока пучка по поглощению лазерного излучения в световоде. Предлагаемая операция пропускания анализирующего лазерного излучения по полупроводниковому пленочному световоду помещенному в электрическое поле

исследуемого пучка, позволяет увеличить чувствительность предлагаемого способа по сравнению с известным способом рассеяния лазерного излучения на электронном пучке. Увеличение чувствительности происходит засчет предлагаемой операции модуляции интенсивности света в результате эффекта Франца-Келдыша, возникающего при действии электрического поля на полупроводниковый световод. Этот полевой эффект заключается в практически полном поглощении света в полупроводниковом световоде при приложении элект5рического поля и в пропускании всего света при отсутствии электрического поля. Предлагаемая операция анализа параметров пучка,по поглощению света в полупроводниковом

0 световоде 5 помещенном в электрическое поле, позволяет увеличить помехозащищенность предлагаемого способа по сравнению с известной операцией измерения рассеянного из5лучения в способе лазерной диагностики пучка. Увеличение помехозащии1енности происходит в результате отсутствия воздействия на регистрируемое излучение дополнительного

0 паразитного излучения от самого исследуемого пучка. Это происходит за счет того, что анализирующее лазерное излучение пропускается в пределах пленочного световода, на

5 который непосредственно не воздействует электронный пучок.

Данный способ может быть реализован на измерительной системе с использованием тонкопленочного

0 полупроводникового световода, помещенного в электрическое поле qT исследуемого электронного пучка,

На чертеже приведена структурная схема системы регистрации для реали5зации данного способа.

Электронный пучок из ускорителя 1 проходит вблизи тонкопленочного полупроводникового световода 2. По световоду пропускается световое из0лучение от лазера 3, Световое излучение, промодулированное под действием электрического поля гочка электронов j измеряется с помощью фоторегистратора А,

5

Принцип работы системы ре истра- ции следующий. Пучок ускоренных электронов, пролетая вблизи полупро. водникового световода 2, возбуждае в нем электрическое поле, величина которого пропорциональна току пучк из ускорителя 1. Таким образом в момент пролета пучка электронов, свет, проходящий по световоду, пог лощается в результате эффекта Фран ца-Келдьша.При отстутствии пучка све от лазера 3 проходит по световоду без существенного поглощения. Регистрируя свет на выходе световода с помощью фоторегистратора 4, можн получить форму светового импульса, которая соответствует форме электронного тока пучка. Изменение поглощения света происходит в чистых, слабо- и сильнолегированных полупроводниках, помещенных в злектоическое поле элек ронного пучка для межзонного, примесного и экситонного механизмов поглощения света. Это происходит из-за сдвига длинноволнового края собственного поглощения в электрическом поле на основании эффекта Франца-Келдыша. Частотная зависимость коэффициента поглощения света в полупроводниковом световоде 2 (при ti to« V/q), помещенном в электрическое поле пучка, записывается в виде 4 Р m ч- 1ппр К ехр{ .---.-(W,-,«) ,(, где Ц - частота светового излучения;п - постоянная Планка -(ti 1,05-10- Дж-С); Vfq - ширина запрещенной зоны полупроводника (для полупроводников эв) ; Е - величина напряженности электрического поля от пучка заряженных частиц, в которое помещен полупроводниковый световод; trin,mp - эффективные массы носителей в зоне полупроводнико вого световода; е - заряд электрона (1,6-10Кп Так, например, для полупрородни кового тонкопленочного световода и арсенида галлия (для ,45 э и при длине волны светового излуче ния лазера 3Л 0,88 мкМ изменение величины напряженности электрического поля от О до 10 В/см приводи 76 к изменению коэффициента поглощения f от 1 до 10 см . Электрическое поле релятивистского точечного заряда заметно отличается от нуля лишь в узком интервале углов Д 9 2 л вблизи плоскости, перпендикулярной направлению движения заряда, и при (где RQ радиус пучка) может быть определено по формуле 3(1 - -;.) 4768 (1- rrcos -) --COS -2 где с - заряд ускоренного пучка заряженных частиц; V - скорость движения частиц; R - расстояние от пучка до полупроводникового световода; Со - электрическая постоянная (Ео 8, л/м); Сд - относительная диэлектричес-, кая проницаемость материала световода; - скорость света в вакууме (С 340 м/к). Так, например, для световода из GaAs( 12,5) при энергии пучка электронов из ускорителя МеВ получаем, что й6 0,58 и изменение величины заряда Q от О до 2/5 нКл приводит к возникновению электрического поля с напряженностью до 1,2- Ю В/см при R 1 см. Таким образом, зная параметры пучка и рассчитав .напряженность поля Е по формуле (2), определяем коэффициент поглощения света в полупроводниковом световоде по формуле (1). Часть света, прощедшую через полупроводниковьй световод длиной 6 , помещенный в электрическое поле пучка, и измеренную с помощью фоторегистратора 4, найдем по формулепрошо - . f (3) При 1 см и о 1 Вт для to см Зпрош 45 мкЕт, а при К 100 Зпрои 0,3-10- Вт. Из приведенного расчета следует, что чувствительность предлагаемого способа чрезвычайно высокая, так как отношение интенсивностей излучения в отсутствии электронного пучка и его наличии различается на несколько порядков.

7 . Это означает, что в моментпролета пучка вблизи полупроводникового световода анализирующее излучение практически полностью поглощается в световоде.

Чувствительность известного способа лазерной диагностики по рассеянию излучения не превышает нескольких сотен фотонов на один миллиампер электронного пучка при энергии лазерного зондирующего импульса 1 Дж, Таким образом, даже в случае использования лазеров мощностью в десятки джоулей и при электронных токах в десятки килоампер чувствительность способа лазерной диагностики мала для надежных измерений. Кроме того, при использовании способа лазерной диагностики интенсивность регистрируемого рассеянного излучения сравнима с интенсивностью собственного излучения пучка, что понижает помехозащищенность способа.

194678

Сравнительные оценки дают, что чувствительность предлагаемого способа примерно на два порядка превышает чувствительность способа лазер5 ной диагностики по рассеянию, В случае применения способа обеспечивается помехозащищенность, так как регистрируемое излучение свободно от паразитного излучения пучка заряженных частиц и рассеянного излучения.

Преимущество предлагаемого способа перед базовым объектом заключается в уменьшении шттерь пучка при проведении измерений за счет исключения возможности возмущения исследуемого пучка сильным магнитным полем, что, следовательно, повышает точность измерений. Кроме этого, устройство, на котором может быть реализован данный способ, будет иметь меньшие размеры и конструктивно проще, чем базовый объект.

СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТ- РАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающий измерение интенсивности провзаимсГдействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности и помехозащищенности измерений, анализирующее лазерное излучение пропускают по полупроводниковому пленочному световоду,модулируют по интенсивности электрическим полем исследуемого пучка и анализируют форму и амплитуду импульсов тока пучка по поглощению лазерного излучения в световоде; (Л