Способ определения параметров ионного компонента в электронно-ионных кольцах Советский патент 1988 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к коллективному методу ускорения ионов элек троннъп-ш кольцами, и может быть использовано для определения заряда, плот ности -ц пространственного распределения ионов в электронно-ионных кольцах.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет увеличения числа измеряемых параметров, что позволяет значительно повысить оперативность диагностики колец и облегчает настройку и эксплуатацию ускори- теля.

На чертеже изображена геометрия эксперт-1еита, шивострирующая предлагаемый способ.

Установка содер жит камеру адге- затора 1, электронно-ионное кольцо 2, систему зеркал 3, объектив 4 приемник излучения 5, зеркало 6, окно 7 и сдинтиллятор 8.

измерение средних значений таких параметров ионного компонзнта как заряд, плотность и размер осуществлется следующуш образом.

В электронно-ионном кольце электроны имеют круговую скорость V и вращаются по окружности. В результате многократного упругого рассеяния электронов на ионах они приобретают скорость в аксиальном направлении V и соответственно кинетическую энергию. Если глубина внешней потенциальной ямы, удерживающей электроны, будет меньше этой энергии, то электрон вылетает из кольца, сохраняя при этом азимутальную скорость, т.е. эти электроны будут иметь тот же радиус вращения, что и основные. Количество этих потерянных электронов зависит от количества и заряда ионов кольца, а радиальное пространственное распределение - от радиального рас- пределения ионов.

Известно, что коэффициент потерь электронов из-за процесса многократного рассеяния

I Ne VNe ,

где Ne - число электронов в кольце

Не - потерянное количество элек тронов из-за рассеяния, можно рассчитать по следующей формуле:

..J.()CN;fU,.7.,)ut. (1)

U

де si - частота бетатронных колебаний электронов, Гц; . ut - интервал времени измерения, с;

R радиус кольца, см; а - малый размер кольца, см г - классический радиус электрона (2,8- 10 см); С - скорость света; J - релятивистский фактор электрона;

Z - заряд ион, Кл; Z(j - заряд ядра N|- - суммарное количество

ионов в кольце;

CZg.Z,) функция, характеризующая зависимость сечения многократного рассеяния от соотношения заряда иона и заряда ядра

Чг,

„z.,

(/у Vz,-zj

в начальный момент накопления, когда заряд иона значительно меньше заряда ядра, с большой степенью точности

ff7 Z ) Z In -L 2,1 b

(2)

Так, например, для свинца с до Z|$ 10 точность представления в виде одного члена f(Z , Z;) лучше 5%.

В этом случае коэффициент потерь равен,

1

УМ Q, /

,c..z:..(-iiif),t (3)

Размер ионной компоненты определяется по пространственному распределению потерянных электронов. Как показьшают расчеты, радиальное распределение плотности ионов в кольце описывается формулой

(4)

1Ь (г )jiexp(-r(a ) ,

а распределение плотности электронов кольца формулой

Up(r)oJexp(-r {a/ )

(5)

Тогда распределение плотности по- .терянных электронов будет описываться зависимостью

u;(r)A exp(-rVa;M

(6)

9 9

Ч aj-af ф

Отсюда получают

4 I «

.a-g Q-f . /7

i I

Таким образом, экая радиальный полуразмер распределения вторичных электронов Яд и зная этот параметр для основного электронного кольца, находят по формуле (7) соответствующее значение а; для ионного размера. Измерение радиального профиля потерянных электронов может быть проведено с помощью сцинтиллятора 8. Из измерений частоты бетатронных колебаний электронов кольца V можно найти суммарный ионный заряд f по формуле

ev.,z;-(r-j:i- ff,

е

(Q)

j-i

где - квадрат частоты бетатронных колебаний в присутствии ионовJ

УО - квадрат частоты бетатронны колебаний без ионов, обусловленный фокусировкой . внешней магнитного поля.

Зная суммарное число ионов N-, по формуле (9) можно определить заряд ионов в кольце. Если накопление ионов происходит при импульсном напуске нейтралов в кольцо, суммарное число ионов в кольце сохраняется, происходит последовательная ионизация и соответственно заряд- ность ионов в течение времени растет. Поэтому, зная число ионов в кольце по формуле (9) можно определить заряд ионов по измерению частоты бетатрониых колебаний v . Для нахождения количества ионов используется формула (3). Существенным является то, что измерения потерь электронов проводят сразу после окончания импульса нейтралов., ког220556«

да заряд ионов мал, и точность расчета по формуле СЗ) высокая.

Таким образом, процесс измерения параметров -ионов в кольце сводится 5 к следующему:

1,Измерение частоты бетатронных колебаний в два момента времени- первый момент t , соответствуюсций окончанию импульса нейтральных атоtO MOB; второй момент - момент определения заряда ионов.

2.Измерение коэффициента потерь электронов t Ne /Ne в момент t .

3.Измерение пространственного J5 профиля электронов, например, по

свечению сцинтиллятора.

4,Определение количества ионов в кольце по формуле (3):

I I

20

25

30

N; Т

-Tr(%jV,cz:e.()At

5.Определение плотности ионов

u.Nj/2nRa .

6.Определение заряда иона в произвольный момент времени по формуле (9)

Z. .(r-Vj) . ° f. N. R

П р ч м е р. Дпя ускорения тяжелых ионов электронными кольцами выбрана импульсная схема загрузки нейтральн.1ми атомами, которые получаются из лазерного источника ней- тральных атомов. Рассмотрим накопление ионов свинца . Измере- ,ние коэсИициеита потерь электронов в аксиальном направлении из-за рас- сеяния производят, например, с по- мощы о зеркала 3 по синхротронно- му Излучению, которое отражается

от зеркала, поворачивается и попа-, дает в детектор 5. Синхронкьй свет

от первоначального кольца в ак- (сиальном направлении не попадает вследствие резкой угловой анизатро- ПИИ, Расчет дает значение потока света под углом 90° к плоскости кольца I (90°);: , где 1„ - интенсивность излучения под нулевым углом. Минимальный порог по измеряемому коэффициенту потерь определя- ется чувствительностью ФЭУ. Например, для чувствительности ФЭУоС -100 А/мм составляет Т:i 10, что в пересчете неминимальное регнстрируемое число ионов Р. составит Н; 2,10. Ожидаемое количество ионов свинца N,. Коэффициент потерь измёряютС сразу после окончания импульса нейтралов. Напри- ьгер, в. на(5тс)яще« время длительность импульса нейтралов свинца из лазерного источника составляе мкс Интервал времени измерения коэффициента потерь должен быть меньше характерного времени ионизации с учетом требуемой точности измерений Например, при заданной точности измерений - 10% формула (4) справедлива до зарядности ионов свинца Zj-15. Расчетное время ионизации для свинца от до при плотности электродов в кольце Ug-2 lO см оно составляет ut

S;200 МКС. Таким образом, должно выполняться условие: мкс. Определяя количество ионов в

кольце в начальный момент накопле-, ния затем по измерению частоты бе- татронных колебаний определяют за- ряд ионов. Частота бетатронных колебаний определяется, например,

по ширине углового распределения синхротронного излучения.

Точность определения заряда ионов по формуле (9) определяется точностью определения частоты бета- тронных колебаний и соответственно коэффициента потерь. При автоматизированной обработке результатов легко реализуется 10%-я точность определения заряда ионов.

Редактор Т.Иванова

Составитель Е.Громов

Техред М.Ходанич Корректор О.Луговая

Заказ 3371Тираж 832Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретенит и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ПШТ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, Д