Устройство для измерения параметров пучков заряженных частиц Советский патент 1984 года по МПК G01T1/29 

, Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения параметров пучков заряженных частиц. Как правило, регистрация параметров пучков заряженных частиц на выходе ускорителя осуществляется датчи ками магнитно-индукционного, резонаторного или коллекторного типа, элек тростатическими сигнальными электродами, датчиками Холла, мониторами вторичной эмиссий, стеклянными и фото пленочными индикаторами. Такие преоб разователи позволяют измерять параметры пучков заряженных частиц, если длительность сгустков тока пучка находится в интервале от сотен микросекунд до единиц наносекунд. В последнее время перспективное развитие получили линейные ускорители электронов, работающие в пикосекундном .временном интервале. Актуаль ность измерения тока, длительности и положения таких коротких импульсов ускоренных электронов потребовала разработки широкополостных преобразо вателей, обладающих хорошей помехоустойчивостью, повышенной чувстви-. тельностью и прозрачных по отношению к пучку. Известно устройство для измерения параметров пикосекундных импульсов с помощью коаксиальных датчиков С ООднако хорошие частотные характеристики коаксиальных датчиков не уда атся реализовать из-за ограниченной широкополостности передающих цепей и конечного времени нарастания совре менных стробоскопических осциллографов, необходимость использования которых является недостатком этого . устройства. Известно устройство для измерения импульсного тока пучка и положения пучка ускоренных электронов с помощью магнитно-индукционного датчика Такой преобразователь является .полностью прозрачным и позволяет не раз рушая и не возмущая пучок, измерить его параметры 2. Основным недостатком является малая широкополостность преобразовате.пя, что не позволяет использовать его для измерения параметров пучка, состоящего из сгустков длительностью менее 1 не. Известно устройство, используемое для иаб.пюдения формы и положения 8 82 пучка ускоренных электронов. В устройстве используется свечение, возникающее при бомбардировке пучком поверхности различных материалов. Основной вклад в свечение вносит переходное, излучение, которое возникает при переходе равномернодвижущегося электрона из одной среды в другую. Обладая очевидными дocтoинcfвами: щирокополостностью и высокой чувствительностью, данное устройство может быть использовано для измерения параметров пучков пикоеекундной длительности ГЗ . Осйовным недостатком этого устройства является его непрозрачность по отношению к пучку. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения параметров пучков заряженных частиц, содержащее источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувствительный к элек/тромагнитному излучению исследуемого пучка частиц, регистратор светового излучения, а также средства для ввода светового излучения в преобразователь и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору. Преобразователь выполнен в виде коаксиала с емкостным зазором на одном из концов. В полости коаксиала размещен оптический элемент. При прохождении емкостного зазора пучок возбуждает в коаксиале электромагнитную волну типа ТЕМ. Электрическое поле этой волны, приложенное вдоль оптической оси кристалла, вызывает поворот плоскости поляризации проходящего через него света на определенный угол, величина которого линейно пропорциональна величине приложенного напряжения (эффект Поккельса) 4}. Основными недостатками данного устройства являются технологическая сложность и дороговизна изготовления преобразователя, недостаточная чувствительность из-за того, что лишь некоторая часть электромагнитного поля, создаваемого движущимся пучком заряженных частиц, оказывает воздействие на криста.лл, а также неудовлетворительная помехозащищенность преобразователя и невозможность, измерения ч положения пучков пикосекундной длительности. Цель устройства - повышение чувст вительности и помехозащищенности. Поставленная цель достигается тем что в известном устройстве для измерения параметров пучков заряженных частиц, содержащем источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивны ми парамагнитными кристаллами, чувст вительный к электромагнитному излуче нию исследуемого пучка частиц, регис ратор светового излучения, а также средства для ввода светового излучения в преобразователь и для транспор тировки преобразованного светового излучения к регистратору, преобразователь помещен в металлический корпус из немагнитного материала с отве стиями для прохождения светового излучения, выполнен в виде тороида из ферромагнетика, в теле которого на диаметрально противоположных сторонах для прохождения светового излуче ния образованы два параллельных канала, плоскость которых ориентирована перепендикулярно к исследуемому пучку, а в середине каждого из каналов установлены оптически неактивные парамагнитные кристаллы, причем опти тическая ось каждого кристалла орие тирована перпендикулярно к оси канала-. Схема устройства для измерения то ка пучка и положения пучка пикосе кундной длительности показана на чер теже. Предлагаемое устройство состоит из прербразователя- светового излучения, .представляющего-собой ферритовый тороид 1, в котором имеются два канала 2 для прохождения светового излучения от источника 3, в качестве которого используется лазер, и расположенного на выходе ускорителя 4. В каналах размещены оптические элементы - кристаллы 5. Ферритовый тороид 1 помещен в экранирующий кожух 6, в котором имеются четьфе отверсти для прохождения светового излучения. Для разводки светового излучения по каналам использована система полупро зрачных зеркал 7 и зеркал в поворотных. На выходе каналов датчика установлена система регистрации,в качестве которой использованы поляроиды 9, электронно-оптический преобразователь (ЭПО) 10 и фотохронограф 11. 784 Работа устройства происходит следующим образом. Плоскополяризованное световое излучение от лазера 3 через оптическую систему зеркал 7 и 8 попадает на кристаллы 5. Движущийся пучок заряженных частиц создает вокруг себд магнитное поле, которое индицируется в магнито- проводе датчика. Действие магнитного поля пучка заряженных частиц на кристаллы 5 сводится к следующему: магнитное поле поворачивает угол плоскости поляризации светового излучения на некоторый угол в случае, если направление силовых линий магнитного поля перпендикулярно оптической оси кристалла (эффект Фарадея). Величина поворота плоскости поляризации зависит от величины тока и положения пучка заряженных частиц. При измерении тока пучка достаточно использовать лишь один кристалл, а измерение положения требует использования двух кристаллов. Рассмотрим более подробно работу устройства при измерении положения пучка заряженных частиц. При прохождении пучка точно по центру тороида положение кристаллов 5 должно быть выбрано так, что оптическая ось кристаллов 5 лежит в плоскости поляризации светового излучения от лазера 3. Положение поляроидов 9 выбирается так, что световое излучение не проходит .через них. Тогда при отклонении пучка от центра за счет магнитного вращения плоскости поляризации в кристаллах на систему регистрации поступают два сигнала интенсивностью 1 и Ij,. Разность этих сигналов Д1 зависит от величины смещения положения пучка заряженных частиц от центра оси симметрии датчика. Можно показать, что 4Т может быть оценено по формуле 2 ЗУФ; 2 no. -5Sin - интенсивность светового излучения, падающего на каждый из кристаллов, Вт/см, v «- 4постоянная Верде, 7( А -толщина крчс.талла, м; -коэффициенты, зависящие от природы вещества и температуры; Л - длина волны светового излучения, м; 5 - площадь поперечного се чения ферромагнитного тороида, Ф и 2 потоки магнитной индукции, действующие на кристаллы 1 и 2 со ответственно, Вб причем Ф 0,2 If,C/uPn - ток пучка. А; где In длина магнитопровода, м; магнитная проницаемость ферромагнетика, Тл/AMj расстояние от пучка до , и rjвнешней и внутренней пове ности тороида, м. Оценяя величину 41, Измеренную системой регистрации, для примера задают следующие параметры преобразователя и пучка заряженных частиц; R 0,03 м; R 0,05 м, /U, 50 (фе рит марки 50 Вч); толщина ферритово го тороида - h 0,01 м; Ip 100 А d 5-10-3 м; V 28,2 х 10 мин/Тл. для кристаллов ZnS при и длине волны светового излучения Я 589 10м; 1по(ж Вт/см ; величина сме щения - Л1 - 10 м. Тогда для ЛТ получаем величину 10 Вт/см. В настоящее время измер ние таких интенсивностей возможно только с использованием электроннооптического преобразователя, облада ющего кроме .высокого разрешения по мощности и высоким временным разрешением (). В качестве источника излучения может быть использован любой лабораторный газовый лазер непрерывного действия с интенсивностью излучения (1 « 10) Вт/см. Для измерения пара метров пучков заряженных частиц пи косекундной длительности может быть использован фотохронограф, например прибор типа Пикохрон или ФЭР-2. В фотохронографе использован электронно-оптический преобразователь типа УМИ-93, С целью улучшения помехозащищенности ферриговый тороид помещен в экран из немагнитного материала. Устройство обладает повьшенной чувствительностью за счет применения современных быстродействующих ферритов, предназначенных для усиления магнитного поля, создаваемого пучком ускоренных заряженных частиц. Дальнейшее увеличение чувствительности преобразователя в устройстве может быть получено за счет использования метода многократного прохождения светового излучения через оптический элемент, для чего кристалл помещается в оптический резонатор открытого типа. Устройство обладает простой и технологичной конструкцией датчика. Предлагаемое устройство позволяет измерять ток, положение пучка ускоренных заряженных частиц при работе линейного ускорителя в нано- и пикосекундном режиме. При этом измерение положения пучка, состоящего из коротких сгустков, возможно при сохранении максимальной чувствительности датчик а. Таким образом, предлагаемое устройство полностью прозрачно для измеряемого пучка заряженных частиц, обладает высокой чувствительностью, помехозащищенностью и позволяет измерять параметры пучков пико- и наносекундной длительности с высоким временным разрешением. Устройство найдет широкое применение при разработке сильноточных короткоимпульсных линейных ускорителей,, при проведении физических и химических радиационных исследований. f- И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ Ш АМЕТРОВ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ .ЧАСТИЦ, Содержащее источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувствительный к электромагнитному излуче нию исследуемого пучка частиц, ре- гистратор светового излучения, а также средства для ввода светового излучения в преобразователь и для . транспортировкипреобразованного светового излучения к регистратору, отличаю щ. ее ся тем, что, с целью повышения чувствительности и помехозащищенности, преобразователь помещен в металлический корпус i из немагнитного материала с отверстиями для прохождения светового из(Л лучения, выполнен в виде тороида из ферромагнетика, в теле которого на диаметрально противоположньк сторонах для прохождения светового излучения образованы два параллельных канала, плоскость которых ориентирована пер- пендикулярно к исследуемому лучку, оо сд а в середине каждого из каналов установлены оптические неактивные пасо рамагнитные кристаллы, причем оптисо ческая ось каждого кристалла ориентирована перпендикулярно к оси кана00 ла.