Способ измерения среднего заряда ионов в электронно-ионных кольцах Советский патент 1984 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной техникеj а именно к ускорению ионов электронными кольцами, и может быть использовано для измерения среднего заряда ионов при накоплении их в электронном кольце.

Известен способ измерения заряда ионов по магнитному анализу выведенного пучка С1 .

Однако он предполагает измерение заряда ионов при отделении электронов и не позволяет провести измерение на этапе формирования ионной компоненты.

Известен также способ измерения заряда ионов по их анализу в электрическом поле С2.

Однако этот способ обладает теми же недостатками, что и магнитный анализ.

Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является способ измерения заряда ионов тяжелых элементов, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и заключающийся в измерении сдвига линий характеристического излучения этих элементов 3.

Недостатком известного способа является то, что из-за малого эффекта сдвига энергетических уровней ионов по сравнению с атомом необходим большой набор статистики при измерении спектра излучения, что требует длительного времени экспозиции порядка нескольких часов работы ускорителя. Кроме того, эффект сдвига зфовней имеет место только для тяжелых ионов с атомным номером , что сужает область измеряемых ионов .

Цель изобретения - повьшение быстродействия измерения среднего заряда ионов и расширение диапазона измеряемых зарядов ионов в сторону меньших зарядностей и более легких химический элементов.

Поставгенная цель достигается тем, что согласно способу измерения среднего заряда ионов в электронноионных кольцах, включающему импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и измерение интенсивности характеристического излучения, одновременно измеряют интенсивности тормозного и характеристического излучений сначала на атомах, затем на ионах и по этим измерениям определяют отношение

сечения тормозного излучения на ионах и атомах по зависимости

атом

N торм N ТОРИ

Til ЛОН .. лтом f «Ар

х«р

сечение тормозного излучения на ионахJ сечение тормозного излучения на атомах, средний заряд .

интенсивность тормозного излучения на

ионах,

, л-гом

тоРМ интенсивность тормозного излучения на атомах;

„ион

- интенсивность характеристического излучения

на ионах 1 ..Q10M

хар- интенсивность характеристического излучения на атомах,

при этом путем сравнения полученной величины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце.

На фиг.1 и 2 показана расчетная зависимость отношения сечения тормозjHoro излучения электронов на ионах 0 к сечению на атомах Хе(ксенона) и ,N (азо,та) от заряда иона ZlJ на фиг. 3 - геометрия установки для измерений тормозного и характеристического излучений.

Способ заключается в следующем. Сечение тормозного излучения электронов 6-fopw в области малых энергий 2Г квантов ( 100 кэВ) зависит от ааряда ионов ti . Поэтому оно может служить мерой заряда иона. Для этого измеряют интенсивность тормозного излучения, которая определяется формулой

НОИ,ПТОМ -/. 1Щ ь,о г .4WTOPM 070pMlZUWe Ze i i (1)

кон.очом где N - интенсивность тормозного

излучения на ионах или атомах,

сечение тормозного излучения на ионах со средним зарядом Zi при этом (0) - сечение тормозного излучения на атоме (),

EI - энергетическая эффективность регистрации излуче ния время измерения, число электронов в кольце плотность ионов в кольце со средним зарядом Zj. , при этом NO - плотность нейтральных атомов. Представленная на фиг,1 и 2 зависимость отношения сечения тормозного излучения на ионе к сечению на атоме от.заряда иона Zl для ионов ксенона и азота получена расчетным путем. Измеряя интенсивность тормозного излучения на атомах, например, в мо мент включения импульсного источника и в момент времени после окончания излучения, когда уже присутствуют ионы, можно определить отношениеSrOfH (Z. LJ б тори (о) Из формулы (1) получаем б ГРОМ- (ZL ) -. fr С2) 6 ТРОП ( о) интенсивность излучения на атомах в, момент включения источника атомов, интенсивность излучения на ионах. По измерению интенсивности харак теристического излучения NxapHa ато мах и ионах рпР леляют отношение плотностей атомов и ионов tio/h;. , поскольку сечение характеристического излучения не зависит от зарядности ионов по формуле, аналогичной (1) иМ По XUP - интенсивность характерист где N ХС19 ческого излучения на атом Nxap интенсивность характеристического излучения на ионах. Из формул (3) и (2) получают (21) - N ТОРИ ( и в/ N ™ хар(4) Путем сравнения полученной величины 8торм 2;.у 6-гоРм о) Ад с расчетной зависимостью сечения тормозного излучения бтор« от заряда иона ZL определяют средний заряд ионов ZL кольце. Расчет зависимости сечения тормозного излучения от заряда ионов ZL В общем виде зависимость тормозного излучения электронов определяется формулой de-(.f,,4|fcK} 5 где К ЕО - энергия электрона, энергия У-квантаJ Го 2,840 см - классический ра. диус электрона, 1 L - постоянная тонкой структуры. ЦТ -Л+б (i) экранирующая Л поправка, . )) V ); во OQ - угол между вектором скороети электрона и излученным фстоном r tn(V6)-l-f{2|4-F(S/y); 2f-E-;f zJ a -l + 0,202-0, -ю,оо8за -О,оо2с1 ; а( где Z91 - заряд ядра, f(f/f) поправка на экранирование из-за атомных электронов; ля ядра F(, , ля атома и иона FfV/j выражается чеез форм-фактор JdVh{K;e-4r - v-v.. где hi Л) плотность электронов в атоме и ионе. Поправка на экранирование имеет (BM-rji((i-f(())-)(--) После замены переменных О. у§уУ получаем F( i-F( . Для вычисления сечения (5) надо иметь модели форм-факторов атомов и ионов. На ЭВМ проведено вычисление сечения бторм тормозного излучения для разных энергий -у -квантов и .разных элементов до Хе включительно. Эти сечения для энергии - ; -квантов Е«0,2 кэВ приведены в зависимости от заряда иона для ксенона на фиг.1, для азота на фиг.2. Из фиг.1 и 2 видно, что если в эксперименте реализуется точность измерения величины .Р-Яа. 10%. .. то это обеспечивает точность &. определения Zu-заряда ионов N (азо в области , Д7 i1, заряда ионов Хе при гь 40, Л Z. 2, что соответствует примерно естественном распределению ионов по зарядности при импульсном напуске нейтральных атомов в электронное кольцо. Для данного способа область измерения среднего заряда ионов простирается от азота до урана. Техническая реализация определяе ся энергией -J -квантов характерис тического излучения. Для атомов, включая железо, для регистрации характеристического излучения может бы использован полупроводниковый AuSiдетектор, для излучения с большей .энергией может быть использован ФЭУ с пластическим сцинтиллятором. В данном предложении высокого разреше ния для регистрации спектра характе ристического излучения не требуется необходимо только, чтобы число заре гистрированных квантов излучения обеспечивало статистическую ошй5ку i; 10%. Такое же требование накладывается на регистрацию тормозного из лучения, а именно ползгчение минималь ной ошибки в числе зарегистрированн квантов. Измерения тормозного излучения производятся ФЭУ с кристаллом NaJ,. поскольку в этом случае обеспе чивается эффективность регистрации. Поэтому измерения среднего заряда данным методом могут .быть выполнены в каждом цикле сжатия кольца и наполнения его ионами. В процессе накопления ионов, который длится порядка 3 мс,проведено несколько измерений с длительностью 200-300 мкс. Определение среднего заряда ионов. На фиг.З приведена схема установки для реализации данного способа измерения заряда ионов, где представлены детекторы 1 тормозного из-лучения, детектор 2 характеристического излучения, электронно-ионное кольцо 3 и камера 4 ускорителя. Детектор 1 регистрирует тормозное излучение от ионов. Детектор 2 регистрирует характеристическое излучение ионов из кольца 3, находящегося в камере 4. В ка.честве детектора 2 для ионов до А/ может быть использован канальньш умножитель внутри камеры. Для ионов, у которых энергия характеристического излучения Е 6 кэВ, может быть использован ФЭУ с пластиковым сцинтиялятором, расположенным вне камеры: в детектор 1, регистрирующий Тормозное излучение, в импульсе сжатия за время At 200 мкс попадет следующее количество -у. -квантов тормозного излучения. , . йЫтоРм J6(2ii.)(Ey),. дев(20/Г:5 сечение тормозного излучения электронов с энергией о на ионе с зарядом Z L у для атомов Хе максимальное значение сечения ё 10-23; - эффективность регистрации детектором 1 (), Gr - геометрическая эффектив- ность регистрации (б 10 j; ut - время измерения ( MKci В детектор, следовательно, попает следующее Количество квантов изучения с энергией Ел,100 кэВ квантов. В детектор, регистрирующий хаактеристическое излучение Хе с энерией кэВ, число квантов за ремя At равно . uNxdP We i&& 2at ((). 7 . 1 где (,, сечение характеристическог излучения с учетом выхода флюоресцен ции (frxftP ) для телесного угла G (G С:: 10)дМ;,ад-10 квантов. Посколь ку регистрация характеристического излучения ведется под углом 90 к плоскости орбиты, то вклад в измерение характеристического излучения тормозного излучения на атомах пренебрежимо мал, за счет того, что тор мозное излучение находится в плоскости орбиты в растворе угла 1/з где - релятивистский фактор электронов. Таким образом, отношение выхода тормозного излучения к характеристическому имеет относительную точность uNtopM NTOPM ПосколькудNj(p ЛМторм - NTOPM . О.ОЛ Таким образом, обеспечивается точность измерения отношения выхода тор мозного излучения к характеристическому - 4%, что позволяет измерять сечение тормозного излучения в относительньк единицах с такой же точ20 30

50 г, Фи1.1 8 ностью, а отношение может быть измерено с точностью 10%, что обеспечивает, согласно графику на фиг.1, точность А 2 определения Zi. . в области малых Zi, в области л2 2г 2 для Хе (ксенона). Измерение среднего заряда ионов с такой точностью позволяет оптимизировать процесс накопления ионов в кольце, достигая при этом максимальной зарядности, при данном количестве, что позволит реализовать на ускорителе максимальную энергию ускоренных ионов, поскольку она линейно зависит от заряда иона. Это особенно важно при ускорении тяжелых ионов y2.3SpgiO« т.д., для которых затруднительно провести расчеты всех факторов, влияющих на определение заряда иона при накоплении. Базовым объектом является система для диагностики электрон-ионных колец по тормозному излучению, которая измеряет величину (произведение числа электронов Ne на число ионов Ni ). Однако в данном способе измерения полностью отсутствует возможность измерения заряда ионов. Предлагаемый способ измерения позволяет определить заряд ионов. С точки зрения технической реализации он сравнительно прост и реализуется на созданном оборудовании.

Ьта,(г1) 31 бгор (В)

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗАРЯДА ИОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ КОЛЬЦАХ, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и измерение интенсивности характеристического излучения, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия измерения среднего заряда ионов и расширения диапазона измеряемых зарядов ионов в сторону меньших зарядностей и более легких химических элементов, одновременно с характеристическим из лучением дополнительно измеряют интенсивности тормозного излучения сначала на атомах, затем на ионах и по этим измерениям определяют отношение сечений тормозного излучения на ионах и атомах по зависимости S rofHJZl) - N tt Iff &ТОРМ (o 04 ион N пар хор гдебторми)- сечение тормозного излучения на ионах; 6тор«(о - сечение тормозного излу(Л чения на атомах} Zl -средний заряд ионов; с ион N -интенсивность тормознотори го излучения на ионах, § ..атом -интенсивность тормозного торм излучения на атомахJ ион N -интенсивность характерис ЛР 00 тического излучения на ю ионах 1 оо CkTOM N интенсивность характерисХАр тического излучения на атомах, при этом путем сопоставления полученной величины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце.

f

IK