ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИОНОВ

Область техники
Полезная модель относится к физике высокотемпературной плазмы и может быть использована в аппаратуре для корпускулярной диагностики высокотемпературной плазмы на термоядерных установках с большими потоками гамма квантов и нейтронов.
Уровень техники
Хорошо известно, что плазма является источником частиц перезарядки, нейтронов и электромагнитного (гамма) излучения. Это используется в настоящее время для оценки параметров плазмы на основе результатов анализа электромагнитного излучения и исследования потока нейтронов и нейтральных частиц перезарядки. Основными задачами при исследовании потока атомов являются измерение величины потока, определение его энергетических и временных характеристик, а также анализ атомов по массе. Основное количество частиц в плазме обладает энергиями от долей электронвольта до нескольких десятков килоэлектронвольт, поэтому применение методов анализа таких атомов по энергии оказывается весьма сложным. Наиболее рационально ионизировать атомы и анализировать полученные вторичные ионы по энергии и массе в электрическом и магнитном полях. После этого можно дополнительно ускорить вторичные ионы и применить соответствующую технику для их регистрации.
Одним из составных элементов аппаратуры для исследования потока атомов, испускаемых плазмой, является ионно-электронный преобразователь, который преобразовывает поток нейтральных или положительно заряженных частиц в поток электронов, ускоряющийся при столкновении с мишенью. Преобразованный поток легко регистрируется регистрирующей аппаратурой. Анализирующая и регистрирующая аппаратура при этом располагается в вакуумной камере.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является схема установки для исследования потока атомов, испускаемых плазмой (В.В. Афросимов, И.П. Гладковский, Ю.С. Гордеев, И.Ф. Калинкевич и Н.В. Федоренко «Метод исследования потока атомов, испускаемых плазмой», Журнал технической физики, т. 30, с. 1456, 1960 год) В этой установке преобразование потоков положительно заряженных частиц в электроны производится в ионно-электронном преобразователе (детекторе Дейли), состоящем из вакуумной камеры, внутри которой установлена мишень из сплава Al-Mg, а на выходе вакуумной камеры установлен сцинтилляционный детектор с фотоумножителем. Поток положительно заряженных частиц попадает на мишень. Вторичные электроны, выбитые из мишени ускоряются в том же поле до энергии 10-20 КэВ, проходят через заземленный слой алюминия и попадают в сцинтиллятор. Световые вспышки в сцинтилляторе регистрируются фотоумножителем. Существенным недостатком является то, что использование сцинтиллятора с фотоумножителем на термоядерных установках с большими потоками гамма-квантов и нейтронов, работающих, например, в проекте ИТЭР невозможно.
Раскрытие сущности полезной модели
Проблемой, решаемой полезной моделью является возможность диагностики высокотемпературной плазмы на термоядерных установках с большими потоками гамма квантов и нейтронов.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение чувствительности детектора к нейтронному и гамма-излучениям.
Для достижения этого результата предложен преобразователь ионов, состоящий вакуумной камеры с отверстием для входа потока атомов, испускаемых плазмой, и последовательно установленных по направлению потока, мишени из сплава на основе алюминия и детектора рентгеновских квантов, при этом между мишенью из дюралюминия, к которой приложен потенциал -10-20 кВ, и детектором установлена мишень из вольфрама, к которой приложен потенциал +10-20 кВ, а в качестве детектора используют радиационно-стойкий детектор рентгеновских квантов. Кроме того,
- в качестве радиационно-стойкого детектора рентгеновского излучения используют монометаллический фотоэмиссионный детектор или низковольтную ионизационную камеру.
- радиационно-стойкий детектор рентгеновского излучения в виде монометаллического фотоэмиссионного детектора установлен внутри вакуумной камеры.
- радиационно-стойкий детектор рентгеновского излучения в виде низковольтной ионизационой камеры установлен вне вакуумной камеры, на выходе которой установлена бериллиевая фольга толщиной 100 мкм.
Краткое описание чертежа модели
На фигуре показана схема преобразователя ионов, вариант, в котором РСДРИ расположен вне вакуумной камеры, где
1 - мишень из дюралюминия;
2 - мишень из вольфрама;
3 - вакуумная камера;
4 - бериллиевая фольга толщиной 100 мкм;
5 - радиационно-стойкий детектор рентгеновского излучения РСДРИ;
6 - отверстие для входа потока атомов (входное отверстие) вакуумной камеры;
7 - выходное отверстие вакуумной камеры.
Осуществление полезной модели
Нейтральные или положительно заряженные частицы D через входное отверстие 6 вакуумной камеры 3 направляются на мишень 1, изготовленную из дюралюминия. К мишени 1 прикладывается потенциал -10-20 кВ. Этот потенциал ускоряет электроны, выбитые из мишени 1. (Средства вакуумирования и источники напряжения на фигуре не показаны). Выбитые электроны направляются на мишень 2, изготовленную из вольфрама, к которой прикладывается потенциал +10-20 кВ. Величина приложенного к мишени из дюралюминия отрицательного потенциала определяется тем, что при его увеличении уменьшается коэффициент вторичной электронной эмиссии и, тем самым, уменьшается эффективность преобразования ионов в электроны. Величина приложенного к вольфрамовой мишени положительного потенциала определяется тем, что при его увеличении увеличивается количество образующихся квантов и их энергия, но при этом уменьшается эффективность регистрации квантов детектором. Таким образом, существуют оптимальные величины потенциалов, которые должны быть определены для каждого конкретного детектора.
Ускоренные до энергии 20-40 кэВ электроны выбивают из вольфрамовой мишени 2 рентгеновские кванты.
В случае если РСДРИ 5 расположен вне вакуумной камеры 3, как показано на фигуре, образовавшиеся рентгеновские кванты выходят из вакуумной камеры 3 через бериллиевую фольгу 4 толщиной 100 мкм и регистрируются радиационно-стойким детектором рентгеновского излучения 5. Такая толщина бериллиевой фольги, с одной стороны, достаточна для того, чтобы отделить вакуумный объем от воздуха при атмосферном давлении, а с другой стороны, она прозрачна для квантов с энергиями, превышающими несколько килоэлектронвольт.
В качестве радиационно-стойкого детектора рентгеновского излучения 5 могут использоваться монометаллический фотоэмиссионный детектор, расположенный внутри вакуумной камеры, или низковольтная ионизационная камера, которая размещается вне вакуумной камеры, описанные в (Ю.В. Готт, М.М. Степаненко «Радиационно-стойкие детекторы рентгеновского и гамма-излучения», Приборы и техника эксперимента, 2010, №2, с. 25-30).
Таким образом, предложенная схема преобразователя ионов позволяет преобразовать поток нейтральных или положительно заряженных частиц в поток рентгеновских квантов, который легко может быть зарегистрирован соответствующей регистрирующей аппаратурой.