Способ формирования мишени для диагностики пучков заряженных частиц Советский патент 1991 года по МПК H05H6/00 

1

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к мишенным системам, используемым при измерении распределения плотности зарядов в пучках заряженных частиц,

Целью изобретения является упрощение способа и повышение величины отношения сигнал/шум.

На фиг. 1 и 2 изображены примеры конструкций устройств для осуществления предлагаемого способа формирования мишени из мелкодисперсного порошка-инжекторов мелкодисперсного порошка ,

Устройство содержит камеру 1 инжектора с отверстиями, мелкодисперсный порошок 2, наполнитель 3, электромагнитный привод 4 камеры 5.

Инжектор располагается вне трубки дрейфа 5, в которой распространяется исследуемый пучок 6.

Формирование мишени из мелкопнс- персного порошка позволяе достичь высоких значений локальной и средней

О

rafe

по объему концентрации вещества мишени, так как концентрация атомов или молекул в частице порошка соответствует концентрации их в твердом теле, . Увеличение интенсивности излучения (по сравнению с исполь- зованием газовой мишени) в среднем составляет не менее 3-4 порядков. Локальное значение концентрации ато- мов или молекул практически не изменяется от частицы к частице, что позволяет, сравнивая интесивности излучения, измерять распределение Концентрации и энергии в потоке заряженных частиц. Обычно концентрация атомов или молекул газа.в подобных мишенях сильно изменяется от точки к точке. В данном же. случае при столкновении заряженных частиц с частица- iMH мишени возникает инфракрасное, корпускулярное, световое или рентгеновское излучение, отношение сигнал/ шум в котором на несколько порядков выше из-за высокой концентрации ато- мов или молекул в мишени. Для повышения помехозащищенности устройства в спектре видимого света в качестве мишени выбирается люминофор или сцин- тиллятор, например ZnS или лавсан, з в спектре рентгеновского излучения - тяжелые материалы, например вольфрам, в виде мелкодисперсного порошка. Оптическая прозрачность ми- raeHvi высокая. Сочетание высокой ло. калькой концентрации и высокой оптической прозрачности является достоинством, отличающим порошковые мишени. Эффективность порошковых мишений значительно выше известных тонкопле- ночных или стержневых мишеней. Порошковые мишени позволяют получать излучение в широком диапазоне длин волн от инфракрасного света до рентгеновского, изменять в широких пределах пороговое значение Е0, использовать весь комплекс существующих приемников излучения, считывать информацию одновременно из всех точек объема мишени, осуществлять устойчивые иэме рения в импульсных режимах. Известны тонкопленочные и стержневые мишени испытывают зарядку током исследуемого пучка. При использовании веществ, испаряющихся в исследуемом потоке, порошковые мишени позволяют создать дополнительно высокую локальную концентрацию вещества в газовой фазе. Малыми частицами называются частицы

Q 5 0 5 Q д 45 ,-Q

5

55

размером d от 2-КГ м до СГ6м, при- , чем образование кристаллической решетки происходит при величине

-)

с мин-20-10 7М, Существует, таким образом, определенный минимальный размер малых частиц dA,MH. Если размер атомного образования меньше, чем dMV1H, это образование представляет собйо кластер. Если dbdMl,H, то нейтральная частица вещества может дви- .гаться преимущественно под действием силы тяжести, а не теплового движения атомов или молекул. Это и определяет возможность применения в качестве одного из вариантов формирования такой мишени метода осыпания. Скорости малых частиц при осыпании относительно невелики, их масса на много порядков выте, чем масса ионов атомов или молекул. Поэтому в большинстве случае можно считать частицы мишени неподвижными при измерениях в импульсных устройствах, При наличии в измеряемых потоках заряженных частиц больших электрических полей, большой длительности импульсов потока, трудностях поддержания квазинейтральности частиц, высокой разрешающей способности измерений и т.д. нижний предел размеров d определяют по выражению

f d/uMM-d, где Ь 1 - коэффициент, учитывающий

перечисленные выше факторы. В виде мелкодисперсного порошка могут существовать разнообразные материалы: металлы, полимеры, люминофоры. Для большинства из них давление Р паров при температурах 300-500 К пренебрежимо мало, Тор. Поэтому метод осыпания мелкодисперсных порошков позволяет формировать локализованные мишени без применения дополнительных вакуумных насосов, с помощью конструктивно простых инжекторов ,

Реализацию способа удобно рассмотреть на примере работы устройств, - приведенных на фиг.1 и 2.

Инжектор мелкодисперсного порошка выполнен, например, в виде камеры I с отверстием в одной из стенок и с электромагнитным ее приводом 4 (фиг.1,2). Движение камеры 1 может иметь характер вибрации (виброинжектор) . Виброинжектор устанавливается над исследуемым объемом или под ним по вертикали (фиг.1). На фиг.2 изображен вращающийся инжектор, установленный соосно с исследуемым потоком. При вращении инжектора частицы порошка участвуют в замкнутом цикле движения, создавая мишень для ,визуалиэа- ции или нейтрализации, потока заряженных частиц. Параметры отверстий в стенке камеры позволяют задавать требуемую концентрацию частиц мише- ни, Разброс размеров частиц мелкодисперсного порошка определяет размер отверстий из условия, что частицы наибольшего размера не должны заби754706

единичной малой частицы обусловливают выбор ,1тО,3, поскольку максимум функции распределения удельных с потерь энергии по толщине образца соответствует значению, большему -

J t

При выборе значения fU может учитываться также величина оптической 10 прозрачности R мишени в целом, причем . При высокой прочности R можно допустить большие возмущения в элементарном акте взаимодействия с каждой частицей мишени. Для опре

Изобретение относится к ускорительной технике, Цеяь изобретения - упрощение способа формирования мишени. Мишень в виде потока нейтральных частиц, вводимых в исследуемый пучок, формируют из мелкодисперсного порошка. При этом размер частиц d и расстояние 1 между ними выбирают согласно следующим выражениям: сЗми(|6 , d(Lo/pL), где d ft (2f20)- - минимальный размер мелкодисперсных частиц, м; (U 0,1- 0,3 - коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества и допустимыми возмущениями исследуемого пу«- ка; L - глубина проникновения заряженных частиц в мишень, м; L размер мишени в направлении движения заряженных частиц, м; у - разрешающая способность, м ; р - коэффициент, характеризующий допустимое ослабление потока заряженных частиц в ни. Такой способ формирования ния позволяет отказаться от дополнительных вакуумных систем, необходимых для случаев, когда мишень формирую, в виде потока атомов или молекул газа. При этом использование такой мь- шени позволяет существенно повысить интенсивность излучения, возникающего при взаимодействии исследуемого пучка с мишенью, не нарушая существенно структуру пучка. 2 ил, с. 9 Г Я Wtsss

вать заметную часть отверстий инжек- 15 деления прозрачности необходимо знать

тора при данном расходе порошка за время измерений,

Для снижения этого ограничения, улучшения однородности пространственого распределения частиц мишени в камере инжектора содержится наполнитель в виде шариков диаметром D0f м В рабочем состоянии инжектора шарик спускаются на стенку с отверстиями, протирая сквозь нее малые частицы, не забивая отверстий и однородно по ним распределяясь.

Размеры элементов инжекто ров, исходя из приведенных выше требований определяются соотношениями

1 - S , , а

,

где h - расстояние между отверстиями, м; о 2710.- коэффициент, определяемый по разбросу размеров части мелкодисперсного порошка; г - коэффициент, определяемый отношением рамеров D и h,

Конструкции инжекторов могут быт основаны также на передаче частицам в вакууме требуемого механического импульса с, помощью механического устройства, электромагнита, пьезоке- рамики, динамического конденсатора.

Сверху величина d ограничена допустимой степенью возмущения иссле- дуемого потока, т.е. d jli-L, где L - глубина проникновения частиц исследуемого пучка в вещество мелкодисперсных частиц; JU 0, 1тО,3 - коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества мелкодисперсного порошка и допустимыми возмущениями исследуемого куска.

Минимизация возмущения исследуемого потока заряженных частиц и сохранение высокой интенсивности све-

чения ь элементарном акте возбуждения

ни L

еще и среднее расстояние 1, м, между частицами: сложный нелинейный характер потерь энергии заряженной частицы в веществе мигпени ке позвс ляет определять простым образом свойств мишени в целом по процессйм происходящим на одной час-ице,

Эффективная толщина Ьэ, м, веыест,™ ва мишени для пролетающей длину мигпе

заряженной частицы

м.

т А т V

Допустимое ослабление падающего ка в мишени

Отсюда величина 1;

1(ЬД

а максимальное значение определяется из условия обеспечения необходимой разрешающей способности. Для этого выбирают количество частиц, приходящихся на единицу длины, большим необходимого количества штрихов изображения .

В данном способе заключена также возможность существенного увеличения локальной разрешающей способности измерений при наблюдении тонкой структуры свечения единичных малых частиц.

Измерения по данному способу производят следующим образом. Помещают мелкодисперсный порошок в камеру инжектора в вакуумном объеме исследуемого устройства, на время измерений & включают инжектор, и через время установления мишени ст регистрируют излучение объекта в видимом свете, рентгеновском диапазоне, инфракрасном диапазоне - в зависимости от выбранного вещества мишени и доставленной задачи.

Время определяется при осыпа- нии частиц мишени геометрией исследуемого потока, инжектора и местом его расположения. При измерения могут быть также существенны следующие факторы.

Вторичные заряженные частицы, выбиваемые чз частиц мишени, не должны достигать энергии, при которой они производят излучение при ударах о частицы мишени в полосе частот наблюдения 5

ШУр,

где V - пороговый потенциал излуче- ния вещества мишени в полосе частот наблюдения; Е - среднее значение напряженности электрического поля в объеме мишени,

Учет времени Јп послесвечения при использовании люминофоров накладывае ограничение на скорость малых частиц мишени;

v „J -

jf- -n

В- интенсивных короткоимпульсных, а также в непрерывных и длинноимпульс- ных потоках заряженных частиц может потребоваться учет нагрева и испаре- ния малых частиц,

Поддержание кваэинейтральности малых частиц может быть обеспечено соответствующим выбором вещества этих частиц, их концентрации скорости осыпания с учетом энергии, тока, геометрии, длнтельнойвд импульса пот- тока заряженных частиц.

Формула изобретения

Способ формирования мишени для диагностики пучков заряженных частиц заключающийся во введении б исследуемый пучок потока свободных нейтральных частиц, отличающий- |ся тем, что, с целью упрощения способа поток свободных нейтральных частиц формируют из мелкодисперсного порошка, состоящего из частиц, размер которых d, м, и среднее расстояние 1 м, между которыми выбраны согласно следующим выражениям:

d dSjuL; d(jjЈ)& Щ

где dWMM /I,

«(2т20)I0 - минимальный размер

мелкодисперсных частиц, к;

L - глубина проникновения заряженных частиц в мишень, м;

8л 0,1-0,3 - коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества мишени и допустимыми возмущениями исследуемого пучка;

У - разрешающая способность, м ;

LO - размер мишени в направлении движения заряженных частиц, м;

р - коэффициент, характеризующий допустимое ослабление потока зач ряженных частиц в мишени.

Л

т:ixr

i « Vi .

sJ&itoEato

/

,/

г 5

Фиг.1

г/

Фиг. 2