ДАТЧИК РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ В ПУЧКЕ

Предлагаемая полезная модель относится к области ядерной физики, а именно, к ускорительной технике, и позволяет измерять распределение ионизирующих частиц в поперечном сечении импульсных пучков.
Известно устройство для неразрушающего измерения распределения плотности тока по поперечному сечению импульсных пучков заряженных частиц [1]. Оно имеет набор коллекторов в виде проводящих пластин, подключенных к регистрирующему устройству, и расположенных радиально по отношению к пучку. Радиальные размеры пластин различаются. Пластина минимального размера только касается пучка, максимального размера входит в пучок на половину его диаметра. Сигналы от наведенного пучком тока обрабатываются в регистрирующем устройстве для получения информации о радиальном распределении тока пучка. Однако, известное устройство имеет недостаток, связанный с невозможностью получить полную информацию о распределении ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка за счет того, что остается неизвестным азимутальное распределение тока пучка и воздействие на пучок введенных в него коллекторов.
Известен датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц [2], в котором использованы извлекающий конденсатор в виде пластин, размещенных по обеим сторонам пучка, анализирующий конденсатор, двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с усилителем на микроканальных пластинах (МКП), регистрирующее устройство, выполненное в виде телевизионной камеры. Извлекающая пластина (пластина, к которой движутся ионы остаточного газа) имеет щель, ортогональную направлению пучка. Вдоль щели отсчитывается первая координата распределения плотности пучка. Ионы, прошедшие эту щель, попадают в поле анализирующего конденсатора. Под действием этого поля они направляются на входную поверхность микроканальной пластины усилителя, имея распределение по второй ортогональной координате, повторяющее распределение в пучке. Выходной экран ЭОПа выполнен в виде четырех взаимно изолированных квадрантов. По сигналам с этих квадрантов определяют отклонение пучка от оптимального положения. Однако известный датчик имеет сложную конструкцию, трудоемкий в эксплуатации и имеет недостаточно высокую чувствительность к распределению плотности пучка вдоль второй координаты за счет наличия в его конструкции узкой щели.
Известно устройство для бесконтактной (неразрушающей) диагностики профиля пучка заряженных частиц, использующее ионы остаточного газа [3]. Устройство имеет 2 плоских параллельных электрода, один из которых выполнен в виде сетки, прозрачной для ионов, две пластины МКП и печатную плату с 32-мя ламелями в виде параллельных проводящих полосок, соединенных с блоком обработки сигналов с ламелей. Контролируемый поток заряженных частиц находится между электродами и ионизирует остаточный газ. Под действием поля между электродами ионы направляются к МКП. Сигнал распределения зарядов вдоль одной координаты поперечного сечения пучка снимается с ламелей печатной платы. Однако, это устройство имеет недостатки, связанные с получением не полной информации о распределении ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка только вдоль одной координаты и со сложностью обработки информации с большого количества ламелей в блоке обработки сигналов.
Известно устройство для диагностики пучков [4], наиболее близкое по технической сущности к заявленной полезной модели и выбранное в качестве прототипа. Оно представляет собой систему регистрации профиля пучка вдоль одной координаты, включающую ускоряющий электрод, микроканальные пластины и печатную плату с линией задержки. Поверхность ближайшей к пучку МКП и ускоряющий электрод образуют извлекающий конденсатор. Обработка сигналов с линии задержки в этом устройстве более простая, так как съем сигналов производится не с большого количества ламелей, а только с двух выходов линии задержки.
Недостатком этого устройства является не достаточно полная информация о профиле пучка, так как извлекающий конденсатор позволяет получить распределение извлекаемых ионов только вдоль одной координаты.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предложенная полезная модель, является повышение объема информации о распределении ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка за счет получения этой информации вдоль двух ортогональных координат при упрощении обработки сигналов. Это достигается использованием еще одной системы регистрации профиля пучка и линий задержки, для которых обработка сигналов менее сложная по сравнению с обработкой информации с большого количества ламелей.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее систему регистрации профиля пучка вдоль одной координаты, включающую ускоряющий электрод, микроканальные пластины, печатную плату с линией задержки, согласно заявленной полезной модели, дополнительно введена расположенная ортогонально вдоль направления пучка такая же система регистрации, линии задержки на печатных платах имеют форму меандра а корпус имеет окна для прохождения пучка и выводы сигналов с линий задержки
Общими признаками с прототипом являются ускоряющий электрод, микроканальные пластины, линия задержки.
Структурная схема заявленного датчика распределения ионизирующих частиц в пучке приведена на Фиг.
Датчик имеет корпус 1, в котором ортогонально расположены ускоряющие электроды 2 и 6, микроканальные пластины 3, 4 и 7, 8, печатные платы с линиями задержки 4 и 9. Для сигналов с линий задержки имеются выводы через корпус 10, 11, 12, 13. Относительно контролируемого пучка ионизирующих частиц устройство располагается так, чтобы пучок находился в области между элементами 2, 3, 6, 7. Направление пучка считается ортогональным рисунку. Корпус имеет окна для прохождения пучка 14.
Датчик распределения ионизирующих частиц работает следующим образом.
Пучок ионизирующих частиц, проходя между ускоряющим электродом 2 и микроканальной пластиной 3 одной из систем регистрации ионизирует остаточный газ. Так как между ускоряющим электродом 2 и регистрирующей поверхностью микроканальной пластины 3 есть напряжение, то образовавшиеся ионы дрейфуют в электрическом поле к поверхности микроканальной пластины 3. В каналах пластин 3 и 4 от каждого иона за счет эффекта вторичной эмиссии происходит образование сгустка зарядов гораздо большей величины по сравнению с зарядом иона. Положение этого сгустка вдоль одной координаты определяется по сигналам с линии задержки на печатной плате 5. Аналогично работает другая (дополнительная) система регистрации, состоящая из ускоряющего электрода 6, микроканальных пластин 7 и 8 и печатной платы с линией задержки 9.
Заявленный датчик распределения ионизирующих частиц в пучке позволяет проводить двумерную диагностику импульсных пучков заряженных частиц без дополнительного влияния на них.
Работа датчика была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и результаты апробации кратко описаны ниже.
Конкретный образец системы регистрации распределения ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка с ускоряющим электродом, микроканальными пластинами и печатной платой с линией задержки в форме меандра был испытан на вакуумном стенде с электронным оборудованием. В вакуумной камере установлен альфа источник узконаправленного ионизирующего излучения с возможностью его перемещения вдоль одной координаты, а также размещены ускоряющий электрод 2, микроканальные пластины 3 и 4, печатная плата с линией задержки в форме меандра 5. Напряжение на микроканальные пластины подается от высоковольтного источника питания. Сигналы с линий задержки из вакуумной камеры поступают через гермовыводы по кабелям в стандартную ядерно-физическую систему регистрации и обработки сигналов, реализованную в крейте КАМАК.
Описанная установка позволяет определить изменение числа регистрируемых ионов при прохождении около микроканальных пластин альфа частиц в зависимости от координаты альфа источника. При изменении этой координаты имитируется пучок частиц с заданным профилем. Главная информация, которая важна при настройке ускорителей, - положение центра тяжести пучка. Это положение, определяемое по результатам измерений, с точностью до погрешностей измерения совпадает с заданным. Аналогичные измерения проведены при азимутальном развороте на 90 градусов ускоряющего электрода, микроканальных пластин и печатной платы. Результаты получены аналогичные.
Таким образом, полученные данные проверки работоспособности предложенного датчика показали возможность его использования для двумерной диагностики профиля пучка ионизирующих частиц, что существенно повышает объем получаемой информации.
Литература.
1. Логачев Е.И., Ремнев Г.Е., Толопа A.M. Устройство для неразрушающего измерения распределения плотности тока по сечению импульсных пучеов заряженных частиц. Патент РФ №1021264, МПК G01T 1/29, 1994.
2. Комиссаров П.Ю., Резвов В.А., Рощин А.А. и др. Датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц. Патент РФ №2033630, МПК G01T 1/29, 1995.
3. А.А. Балдин, А.И. Берлев, И.В. Кудашкин и др. Детектор на основе микроканальных пластин для контроля пространственно-временных характеристик циркулирующего пучка нуклотрона. // Письма в ЭЧАЯ”, 2014, T. 11, N 2 (186), с. 209-218
4. Валиев Ф.Ф., Виноградов Л.И., Касаткин ВА. и др. Координатно-чувствительный детектор для диагностики пучков // Тезисы докладов 48-го международного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. 1998. Л: Наука, с. 306 (прототип).