ИОННАЯ КАМЕРА-ОБСКУРА Советский патент 1994 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения угла расходимости и смещения как легких, так и тяжелых ионов в сильноточном нано- и микросекундном ионном пучке, определения центров эмиссии и расширения скорости эмиссионной поверхности. Для диагностики легких ионов (в основном протонов) применяются как электрофизические (с помощью цилиндра Фарадея, пролетного спектрометра, калориметра и т.д.), так и ядерно-физические методы диагностики, использующие пороговые реакции (например, Li⁷(p, n)Be⁷ C¹²(p, γ)N¹³). При использовании этих методов для диагностики тяжелых ионов появляется некоторая трудно контролируемая погрешность, обусловленная свойствами самого пучка ионов: пиковым характером энерговыделения, малой длиной пробега ионов, высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

Известна ионная камера-обскура, включающая диафрагму с отверстием, установленную на расстоянии d₁ от источника ионов, и регистрирующую пластину, установленную на расстоянии d₂ от диафрагмы. Регистрирующая пластина представляет собой обычный трековый детектор, лавсановую пластину, которая протравливается после экспозиции ионным пучком в растворе NaOH.

Устройство работает следующим образом: ионная камера-обскура устанавливается на пути ионного пучка. После экспозиции изобретение на регистрирующей пластине идентифицируется как изображение эмиссионной поверхности плазмы в ионных лучах. Зная расстояния d₁, d₂ и размер изображения, можно определять угол расходимости ионного пучка, размеры плазменных образований на аноде ускорителя, однородность эмиссии ионов.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерения при изменении процесса во времени, что является важным с точки зрения различного рода физических исследований и выявления детальных параметров пучков. Другим недостатком устройства является отсутствие возможности идентифицировать состав пучка по легким протонам и тяжелым ионам.

Наиболее близким техническим решением является устройство, включающее одно- либо многодырочную диафрагму и в качестве регистрирующей пластины сцинтиллятор, изображение с которого снимается в однокадровом режиме фотокамерой с быстрым затвором. Затвор фотокамеры синхронизован с работой источника ионов. В этом устройстве заложена возможность измерения параметров пучка и плазмы во времени. Однако это устройство также обладает недостатками: нельзя идентифицировать состав пучка по легкой и тяжелой компоненте ионного пучка; мало временное разрешение.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно: возможность временных измерений как легкой, так и тяжелой компоненты ионного пучка.

Эта цель достигается тем, что в ионной камере-обскуре, содержащей расположенные последовательно диафрагму с отверстиями и регистрирующую пластину, между диафрагмой и регистрирующей пластиной расположены микроканальная пластина и сетки, размещенные напротив отверстий в диафрагме, при этом микроканальная пластина подключена к клемме (для подключения к источнику питания), сетки подключены к генератору наносекундных импульсов через линии задержки с различной величиной времени задержки.

На чертеже схематически изображена предлагаемая камера-обскура, где траектории 1 ионов в пучке; диафрагма 2 с отверстиями; микроканальная пластина 3, подключенная к источнику напряжения, регистрирующая пластина 4, металлические сетки 5, линии задержки 6 различной величины; генератор 7 наносекундных импульсов; d₁ - расстояние от источника ионов до диафрагмы 2; d₂ - расстояние от диафрагмы 2 до регистрирующей пластины 4.

Камера-обскура размещается на пути ионного пучка. Для высокого пространственного разрешения размеры отверстий в диафрагме 2 должно быть как можно меньше. Ограничение на размеры накладывается только явлением дифракции ионных пучков и в основном определяются только возможностями технологии изготовления таких отверстий. Микроканальная пластина (МКП) 3 представляет собой пластину из диэлектрика, в которой выполнено множество микроотверстий. Обе поверхности пластины покрыты слоем проводящего материала. Пластина 3 слоем, обращенным к диафрагме 2, подключена к источнику напряжения отрицательной полярности. Сетки 5 размещены напротив отверстий в диафрагме 2. Каждая из сеток через линию задержки 6 подключена к генератору 7 наносекундных импульсов. Линиями задержки 6 могут служить кабели различной длины. В качестве регистрирующей пластины 4 может быть использована либо фотопластинка, либо экран с люминофором. Генератор 7 наносекундных импульсов должен быть синхронизован с источником питания ионного ускорителя. Схема синхронизации на чертеже не обозначена.

Устройство работает следующим образом.

Ионный пучок 1, состоящий из легких и тяжелых ионов, проходит через многодырочную диафрагму 2 и попадает на микроканальную пластину 3. Взаимодействуя с пластиной 3, ионы выбивают вторичные электроны, которые вызывают лавинный процесс в каналах пластины, и на выходе получается усиленный поток электронов. Этот поток проходит через управляющие сетки 5 и попадает на регистрирующую пластину 4. Изменяя потенциал сеток 5, можно управлять потоком электронов, запирая промежуток "микроканальная пластина 3 - сетки 5", как в обычной радиолампе. Потенциал на сетки 5 подается через линии задержки 6 от генератора 7 наносекундных импульсов. Задавая различную длину линии задержки 6, можно в различные промежутки времени подавать запирающие потенциалы на различные сетки. Учитывая, что в интенсивных пучках ионов протоны, прошедшие ту же ускоряющую разность потенциалов, имеют большую скорость, то задавая время прихода запирающего потенциала на сетки таким образом, чтобы одна или несколько сеток запирали промежуток между пластиной 3 и сеткой 5 после прихода легкой компоненты пучка на регистрирующей пластине напротив соответствующих сеток, получим картину в лучах легких ионов. При этом, если запирающий потенциал подавать через некоторые промежутки времени, то отдельные картины будут показывать развитие процесса во времени. В то же время, остальные сетки на время прохода легкой компоненты должны быть заперты и открываются с запаздыванием только после прихода тяжелых ионов. В результате, зная расстояния d₁ и d₂, можно определить расходимость пучка легких и тяжелых ионов и ее эволюцию во времени, а также картину движения эмиссионной поверхности плазмы.

Для определения угла расходимости ионов в пучке необходимо d₁ задавать следующим образом:
d₁ < , где R_э - радиус эмитирующей поверхности плазмы;
- максимальный угол расходимости.

Это вытекает из условия, что для определения расходимости необходимо, чтобы диафрагма "просматривала" часть эмитирующей поверхности. Микроканальная пластина 3 выполняет в данном устройстве две функции. Во-первых, для запирания ионного потока, при отсутствии такой пластины понадобились бы очень высокие потенциалы на сетках, сравнимые с потенциалом ускоряющего электрода в ионных пушках. А последние для сильноточных ионных пучков ускорителей прямого действия составляют сотни киловольт единицы мегавольт.

Это очень сложно реализовать практически. Для запирания промежутка "микроканальная пластина 3 - сетки 5" достаточно, разности потенциалов в сотни вольт. Кроме того, ионный пучок после прохождения через малые отверстия в диафрагме 2 имеет небольшую интенсивность, недостаточную для получения картины на регистрирующей пластине 4. Микроканальная пластина 3 благодаря лавинообразованию в стенках увеличивает полезный сигнал.

В качестве конкретного примера рассмотрим камеру - обскору для регистрации ионных пучков, генерируемых ускорителем.

Потенциальный электрод ускорителя изготовлен из железа или другого металла, ускоряющего напряжение 1 МВ, длительность импульса 50 нс. Такой ускоритель генерирует пучок ионов железа, ионов других металлов и протонов. Скорость протонов в
раз больше, чем скорость ионов железа, где m_ж - масса ионов железа, m_п - масса протонов. На расстоянии 20 см от источника ионов (потенциального электрода ускорителя) установлена многодырочная диафрагма. На расстоянии 5 см от нее установлены МКП, сетки и фотопластинка, собранные в стопу. МКП подключена к источнику напряжения 500В. В таком устройстве пучок протонов придет к МКП через 18 нс от момента запуска ускорителя, а ионы железа - через 162 нс. В начальный момент времени на всех сетках есть запирающее напряжение. Если на одну из сеток подать сигнал от генератора наносекундных импульсов через 160 нс от начала ускоряющего напряжения, то на фотопластинке напротив этой сетки будет зафиксирована картина эмиссионной поверхности в лучах протонов. На остальные сетки импульсы подаются с задержкой 170, 180 нс и т.д. Напротив соответствующих сеток будем иметь картину в лучах ионов железа в различные моменты времени.

Придвигая камеру-обскуру на более близкое расстояние к потенциальному электроду ускорителя, мы получим изменение угла расходимости ионов пучка во времени. Это минимальное расстояние определяется из следующего соотношения
S = , где D_п.э. - диаметр потенциального электрода;
α- максимальный угол расходимости пучка.

Таким образом, предлагаемая ионная камера-обскура позволяет измерять угловой разброс отдельно легкой и тяжелой компоненты ионного пучка и его изменение во времени, а также развитие во времени эмиссионных центров легких и тяжелых ионов. По сравнению с устройством, выбранным за базовый объект и предназначенным для измерений углового разброса и смещения всего пучка, предлагаемое устройство позволяет, кроме этих измерений, проводить и измерения во времени отдельно легкой и тяжелой компонент ионного пучка при одном импульсе ускорителя, определять расширение во времени эмиссионных центров.

ИОННАЯ КАМЕРА-ОБСКУРА, содержащая расположенные последовательно диафрагму с отверстиями и регистирующую пластину, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, между диафрагмой и регистрирующей пластиной последовательно расположены микроканальная пластина и сетки, размещенные напротив отверстий в диафрагме, при этом микроканальная пластина подключена к клемме для подключения к источнику питания, а сетки подключены к генератору наносекундных импульсов через линии задержки с различной величиной времени задержки.