УСТРОЙСТВО ВЫВОДА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА МИШЕНЬ Советский патент 1995 года по МПК H05H6/00 G21K1/08 

Изобретение относится к магнитной оптике, а более конкретно к системам транспоpтировки пучков заряженных частиц в каналах ускорителей и может быть использовано в диагностике твердого тела с помощью пучков заряженных частиц.

Целью изобретения является упрощение устройства вывода пучка заряженных частиц на мишень и уменьшение его габаритов.

Для достижения указанной цели разработано устройство вывода пучка заряженных частиц на мишень на основе зеркально-симметричной магнитной системы, телескопической для пучка с энергетической дисперсией и состоящей из двух электромагнитов с однородным магнитным полем, поворачивающих пучок в одну и ту же сторону на угол α каждый, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и уменьшения его габаритов, электромагниты имеют общий магнитопровод, а края полюсов электромагнитов со стороны входа и выхода пучков срезаны так, что нормали к ним образуются с осевой линией пучка соответственно углы τ₁ и τ₂ для входа и выхода в первом электромагните и углы τ₂ и τ₁ для входа и выхода во втором электромагните, причем углы τ₁ и τ₂ определяются из условия:
(gτ₁+tgτ₂)- где ρ- радиус поворота пучка заряженных частиц (м);
2l расстояние между магнитами (м);
α- угол поворота пучка до плоскости симметрии системы (рад).

Устройство иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображено вид устройства сверху, а на фиг. 2 центральное сечение устройства.

Функционально устройство представляет из себя симметричную систему из двух электромагнитов М₁ и М₂. Расстояние между магнитами равно 2l. Устройство состоит из общего магнитопровода, включающего в себя полюса (1) и вставку (2) и обмотки возбуждения (3). Полюса имеют симметричную форму: S-S'-плоскость симметрии магнитной системы. Вставка (2) обеспечивает необходимый зазор между полюсами системы. Края полюсов срезаны под углами τ₁ и τ₂, определенными выше. Охлаждаемая водой обмотка возбуждения (3) изготавливается из полой медной трубки и устанавливается в паз магнитопровода.

Устройство работает следующим образом. В зазоре между полюсами системы устанавливается однородное магнитное поле. Пучок заряженных частиц входит в магнит М₁ под углом τ₁ относительно нормали к срезу, с радиусом ρ поворачивается на угол α и выходит из магнита под углом τ₂. Пройдя свободный промежуток длиной 2l, пучок входит во второй электромагнит М₂ под углом τ₂ относительно нормали к срезу, с радиусом ρ поворачивается на угол α и выходит из магнита под углом τ₁. Общий угол поворота пучка 2α. На краях полюсов магнитов М₁ и М₂ производится специально рассчитанная дополнительная краевая фокусировка пучка. Система устроена так, что выходной фокус магнита М₁ совпадает с входным фокусом магнита М₂, причем это справедливо для преобразования пучка в обеих плоскостях. В результате устройство поворачивает пучок заряженных частиц в первом приближении с сохранением входной расходимости.

Для расчета устройства использован матричный аппарат общей теории зеркально-симметричных систем (1). При выполнении вышеуказанного условия (1) описанное устройство является телескопическим для пучка заряженных частиц с энергетической дисперсией и имеет следующие матрицы перехода:
в горизонтальной плоскости
Mпx

-
Mij^Sx соответствующие элементы матрицы М^Sx LM^x₁, где L а элементы матрицы M₁^x имеют следующий вид:
M^x₁₁ cosα+ tgτ₁ sinαM^x₁₂ ρsinα;
M^x₁₃ ρ(1 cosα);
Mx2₁[cosα(tgτ₁+tgτ₂)-sinα(1-tgτ₁tgτ₂)]
M₂₂^x cosα+ sinαtg τ₂;
M₂₃^x sinα+ tg τ₂ (1 cosα);
M₃₁^x 0; M₃₂^x 0; M₃₃^x 1. в вертикальной плоскости
Mпy
Mij^Sy соответствующие элементы матрицы M^Sy LM₁^y, где
My1- (tgtgτ₁tgτ₂)1-g
Устройство вывода пучка заряженных частиц на мишень испытано и используется в составе экспериментальной установки "Гамма". Установка предназначена для изучения процессов каналирования и излучения при каналировании электронов в различных монокристаллах и для диагностики кристаллических образцов. Для успешного проведения исследований по физике каналирования необходимо вывести на мишень пучок электронов чистый от тормозного фона и имеющий малые размеры и малую расходимость. Таким образом, устройство вывода пучков на мишень должно обеспечить поворот электронов на достаточно большой угол после системы формирования пучка; при этом необходимо сохранить в первом приближении размеры и расходимость пучка электронов. Источником электронов служит микротрон. Энергия электронов 20 МэВ, дисперсия частиц по энергии δ= ±10^-3. В состав установки входят: система дистанционно-управляемых коллиматоров, предназначенная для предварительного формирования пучка электронов по размерам и расходимости, вакуумный электронопровод, гониометрическое устройство для ориентации кристаллических мишеней, датчики тока пучка, детекторы рентгеновского излучения, устройство вывода пучка электродов на мишень. Устройство вывода пучка электронов на мишень является телескопическим для пучка с энергетической дисперсией, поэтому его применение позволило обойтись без обычно используемого в таких установках магнита-монохроматора. Это существенно уменьшило габариты всей установки и кроме того повысило интенсивность выведенного пучка электронов.

В составе экспериментальной установки испытано устройство вывода пучка электронов на мишень со следующими параметрами: радиус поворота пучка ρ= 250 мм, общий угол поворота пучка 2α= 270^о, расстояние между магнитами 21 90 мм, углы среза краев полюсов τ₁ 54^о12'37" магнитов τ₂ 31^o26'51" габаритные размеры 640 х 550 х 140 мм³.

Поворот на 270^о обеспечивает хороший уход от тормозного фона с направления формирования пучка электронов. Результаты испытаний показали совпадение расчетных параметров пучка электронов на выходе устройства с экспериментально измеренными. Полные матрицы преобразования устройства в горизонтальной и вертикальной плоскостях имеют следующий вид:
Mпx

Mпy Таким образом, данное устройство является телескопическим для пучка с энергетической дисперсией с коэффициентами углового увеличения в горизонтальной и вертикальной плоскости равными соответственно ±1. В вертикальной плоскости размеры параллельного на входе пучка сохраняются и на выходе. Увеличение на выходе размеров пучка в горизонтальной плоскости достаточно мало и равно для параллельного на входе пучка ΔХ ±612δ (мм), где δ- дисперсия частиц по энергии. Так как для дан-ной системы ρ= 250 мм, то Δx ≃ ± 2ρδ
Изобретение позволяет создать более простые и менее габаритные, зеркально-симметричные телескопические магнитные системы для вывода пучков заряженных частиц на мишень. Габаритные размеры уменьшаются не менее чем в два раза. При этом отпадает необходимость относительной юстировки отдельных магнитных элементов и упрощается процедура вывода пучка заряженных частиц на мишень.

Использование: относится к магнитной оптике, а точнее к системам транспортировки пучков заряженных частиц в каналах ускорителей. Сущность изобретения: в зеркально-симметричной магнитной системе, состоящей из двух электромагнитов используется специально рассчитанная дополнительная краевая фокусировка, которая позволяет объединить электромагниты в один узел с общим магнитопроводом и общей обмоткой возбуждения. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ВЫВОДА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА МИШЕНЬ на основе зеркально-симметричной магнитной системы, телескопической для пучка с энергетической дисперсией и состоящей из двух электромагнитов с однородным магнитным полем, поворачивающим пучок в одну и ту же сторону на угол α каждый, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и уменьшения его габаритов, электромагниты имеют общий магнитопровод и общую обмотку возбуждения, а края полюсов электромагнитов со стороны входа и выхода пучка срезаны так, что нормали к ним образуют с осевой линией пучка соответственно углы t₁ и τ₂ для входа и выхода в первом электромагните и углы τ₁ и τ₂ во втором электромагните, причем углы τ₁ и τ₂ определяются из условия
0=cosτ+tgτ₁×

-sinα(1-tgτ₁tgτ₂)]
0= tgτ₁+tgτ₂-αtgτ₁·tgτ₂,
где ρ радиус поворота пучка заряженных частиц, м;
2l расстояние между магнитами, м;
a угол поворота пучка до плоскости симметрии системы, рад.