Устройство для измерения распределения плотности ускоренных частиц в фазовом пространстве Советский патент 1983 года по МПК G01T1/29 

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве измерителя распределения плотностей токов электронных пучков использованы расположеннь1й вблизи микроканальной пластины люминесцентный

экран, покрытый токопроводящим слоем, источник постоянного напряжения, положительный полюс которого подключен к токопроводя1цему слою люминесцентного экрана, и регистратор оптического излучения.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ В ФАЗОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ, включающее экран-маску с системой отверстий, синхронизатор для выделения момента времени, в который проводится измерение, отличающеес я тем, что, с целью повышения временного разрешения и чувствительности, оно содержит микроканальную пластину - преобразователь исследуемых пучков частиц в электронные пучки, отделенную от экрана-маски пространством дрейфа, подключенный к синхронизатору генератор высоковольтных импульсов, выход которого соединен с микроканальной пластиной, и измеритель распределения плотностей токов электронньзх пучков. CD 00 ft 7 t 00

Изобретение относится к диагност ке пучком ускоренных заряженных и нейтральных частиц и может быть, в частности, использовано для изучения ионно-оптических свойств источников ионов и систем формирования пучков заряженных и нейтральных частиц, коллективных процессов в пучках заряженных частиц и их динамики в ускорителях. Известно несколько типов устройс для измерения распределения плотнос ти ускоренных частиц в фазовом пространстве и нахождения фазового объема пучков l . Как правило, они включают перемещающуюся по сечению пучка диафрагму с коллимирующей щелью либо стационарный экран-маск с системой отверстий, которые служа для вьоделения элементов пучка, пространство дрейфа, в котором выделенные элементарные пучки расходятс в поперечном направлении за счет разброса по скоростям и регистрирую щее устройство для измерения распре деления плотности тока в поперечном сечении разошедшихся пучков. Регистрация разошедшихся элементарных пучков в большинстве случаев осущестБ: 1яется сканирующими проволочными датчиками или цилиндрами Фарадея. Так как для сканирования применяются механические приводы, помещенные в вакуум, то время измерений достигает нескольких секунд и даже минут. Известно также устройство 2 , в котором регистрация распределения плотности тока в элементарном пучке осуществляется непосредственно фотопленкой, помещенной в вакуумную камеру, а коллимирующая щель перемещается в поперечном сечении анализируемого пучка механически, одновременно с фотопленкой. В данном случае также время измерений состав ляет десятки секунд. В том случае, когда необходимы измерения за малые интервалы времени, выделение элементарного пучка и измерение распределения плотности в его сечении осуществляют с помощью стационарной диафрагмы и неподвижного регистрирующего устрой ства, при этом сканируется сам исходный пучок. Сканирование пучка осуществляется изменяющимися во времени магнитными или электрическими полями. Различные модификации таких устройств приведены в монографии р . Основные их недостатки - громоздкость и сложность изготовления. Требуются большие мощности питания, особенно в случае высокоэнергетических пучков. Эти устройства не могут быть использованы для исследования пучков ускоренных нейтральных атомов. Временное разрешение таких устройств (т.е. время измерения составляет десятки микросекунд или более. Кроме того, использование для сканирования отклоняющих электромагнитных полей вносит искажение в величину и форму фазового объема пучка из-за разброса по продольной компоненте импульса частиц. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, включающее экран-маску из меди с системой отверстий для в выделения элементарных пучков, синхронизатор для выделения момента времени, в который проводится измерение, пространство дрейфа, при прохождении которого пучки расходятся из-йа разброса по поперечным составляющим импульса,- люминесцентный экран из кварца, при бомбардировке которого пучки образуют систему оптических изображений 4. Распределение яркости в каждом изображении связано с распределением плотности тока в соответствующем разошедшемся элементарном пучке. Регистрация оптических изображений осуществляется передающей телевизионной трубкой - видиконом, с записью сигналов на видеоноситель для последующей обработки на ЭВМ. Момент включения системы регистрации изображений определяется сигналом, поступающим от синхронизатора. Основными недостатками данного устройства измерения распределения плотности в фазовом пространстве являются: сравнительно большое время разрешения, которое определяется временем считывания изобретения с

экрана телевизионной трубки и, как правило, составляет единицы - десятки микросекунд; сравнительно низкая чувствительность, которая не позволяет проводить исследования пучков малой интенсивности, вызывающих слабое свечение люминесцентного экрана.

Цель изобретения - повышение временного разрешения и увеличение чувствительности при измерении распределения плотности частиц в фазовом пространстве.

Это достигается тем, что устройство для измерения распределения плотности частиц в фазовом пространстве дополнительно содержит микроканальную пластину - преобразователь исследуемых пучков частиц в электронные пучки, отделенную от экрана-маски пространством дрейфа, подключенный к синхронизатору генератор высоковольтных импульсов, выход которого соединен с микроканальной пластиной, и измеритель распределения плотностей токов в электронных пучках. В качестве измерителя распределения плотности тока в электронных пучках может быть использовано устройство, содержащее расположенный вблизи микроканальной пластины люминесцентный экран, покрытый токопроводящим слое источник напряжения, положительный полюс которого подключен к токопроводящему слою люминесцентного экран и регистратор оптического изображения. Регистратором оптического изображения, получаемого на люминесцентном экране, может быть фотокамера ил телевизионная камера.

Микроканальная пластина МКП представляет собой плоскую матрицу, состоящую из множества открытых канальных умножителей. С помощью МКП исследуемые пучки частиц преобразуются в пучки электронов значительно более высокой интенсивности, но с распределениями плотностей токов, подобным распределениям в исходных пучках, что и позволяет существенно повысить чувствительность устройств Такое преобразование происходит только при подаче на МКП импульса питающего напряжения, длительность которого определяет временное разрешение. Переход к управлению электронными пучками и позволяет существенно уменьшить время измерений

Так как на выходе МКП получаются низкоэнергетические пучки электронов, то для более эффективной регистрации в них распределений плотности тока эти пучки дополнительно ускоряются, например, в зазоре между МКП и токопроводящим слоем люминесцентного экрана, на который относительно МКП подан положительный

потенциал. Распределение яркости в получаемых на люминесцентном экране изображениях измеряется регистратором оптического изображения.

На чертеже изображено предлагаемое устройство с направлением движения в нем ускоренных частиц.

Перпендикулярно к направлению движения исследуемого потока ускоренных частиц 1 помещен металлический

0 экран-маска 2 с системой отверстий 3, проходя через которые поток разбивается на элементарные пучки 4. На расстоянии дрейфа 5 от экранамаски 2 находится микроканальная пластина 6. Измеритель распределения

5 плотностей токов в электронных пучках включает люминесцентный экран 7 покрытый токопроводящим слоем 8, уплотненное на вакуум оптическое окно 9 и регистратор оптического

0 изображения. Регистратором оптического изображения является фотокамера или передающая телевизионная камера 10 с объективом 11. К микроканальной пластине б подключен ге5нератор 12 прямоугольных импульсов напряжения регулируемой длительности, соединенный с синхронизатором 13. Токопроводящий слой 8 люминесцентного экрана 7 соединен

0 с положительным полюсом высоковольтного источника 14 напряжения. Узлы устройства, обведенные крнтуром, находятся в вакуумной системе пучка.

Система отверстий 3 в экране-маске 2 представляет либо серию узких параллельных щелей, либо серию круглых отверстий, расположенных в узлах двумерной решетки, з зависимости от того исследуется ли двухмерное или четырехмерное сечение фазового объема.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. С помощью экрана-маски с системой отверстий исследуемый поток ускоренных заряженных частиц или нейтральных атомов разбивается на элементарные пучки, KOTopfcje при движении в свободном от внешних полей пространстве дрейфа расширяются из-за разброса . поперечных составляющих импульса частиц. Длина пространства дрейфа должна быть достаточной для получения распределения плотности тока в этих пучках.

После прохождения пространства дрейфа элементарные пучки попадают на МКП, на которой происходитпреобразование, элементарных пучков заряженных или нейтральных частиц в электронные с теми же профилями плотности тока. Коэффициент усиления электронных пучков определяется амплитудой прикладываемого к МКП напряжения от генератора, а момент

его подачи - синхронизатором. Вследствии того, что регистрация элементарных пучков происходит лишь при наличии напряжения на МКП, то его длительность определяет временное разрешение проводимых измерений. Электронные пучки на выходе МКП ускоряются до энергии нескольких кэВ в зазоре между МКП и люминесцентным экраном, служащим для преобразования электронного изображения в оптическое. Для предотвращения зарядки экрана и для подачи на него напряжения его поверхность со стороны МКП покрыта токопроводящим слоем, толщина которого меньше длины пробега в нем ускоренных электронов. Подача ускоряняцей разности потенциалов на люминесцентный экран осуществл ется от источника постоянного напряжения, регулировкой которого можно изменять яркость оптическогоизображения. Регистрация оптических изображений производится фотокамерой и объективом, либо телевизионной системой с накоплением информации на электронно-лучевой трубке с памятью или другом видеоносителе.

После того как на основании измерений распределения яркости в полученных изображениях найдены распределения плотности тока в элементарных пучках, определение распределения плотности в фазовом пространстве и нахождение эмитанса исследуемого потока производится известным способом.

При регистрации изображений фотокамерой время после свечения люминесцентного экрана не имеет значения, в то время как при использовании телевизионной системь оно должно существенно превышать время передачи кадра. Однако и в этом случае временное разрешение определяется только длительностью импульса напряжения f приходящего на МКП.

Для уменьшения радиационных повреждений при исследованиях о пучками частиц высоких энергий поверхность МКП со стороны экрана-маски пок1жвается тормозящей металлической фольгой .

При конкретной реализации данного устройства были использованы МКП отечественного производства диаметром 34 мм и диаметром каналов 19 мкм, которые позволяют получать минимальные времена разрешения порядка нескольких наносекунд Коэфг фицИент усиления МКП достигает ЮТ В качестве люминесцентного экрана используют пластмассовый сцинтиллятор, на который напыляют в вакууме токопроводящий слой алюминия.

Временное разрешение при измерении распределения плотности частиц в фазовом пространстве с помощью известного устройства составляет несколько микросекунд. Предлагаемое устройство позволяет уменьшить время измерений до нескольких наносекунд. Чувствительность предлагаемого устройства как минимум на 1-2 порядка величины превосходит чувствительность известного устройства.

Следует также отметить, что наиболее существенные элементы конструкции устройства, в частности МКП, изготавливаются отечественной промышленностью, поэтому создание предлагаемого устройства не вызывает принципиальных затруднений.