СПОСОБ ОЦЕНКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОННОГО ПУЧКА ПЕРЕЗАРЯДНОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ НА ОБЛУЧАЕМОМ ОБРАЗЦЕ
METHOD FOR ASSESSMENT OF ION BEAM DISTRIBUTION FOR TANDEM ELECTROSTATIC ACCELERATOR AT IRRADIATION SAMPLE

Изобретение относится к ускорителям низких и средних энергий различного назначения и, в частности, к электростатическим ускорителям.
Известен способ оценки поперечного распределения зарядов в пучках заряженных частиц [Патент РФ России №1392645 «Способ измерения поперечного распределения зарядов в пучках заряженных частиц». Приоритет от 30.08.1988], включающий извлечение ионизированных исследуемым пучком частиц остаточного газа в электрическом поле конденсатора, формирование извлеченных ионизированных частиц в ленточный пучок при помощи щели, отклонение электрическим полем конденсатора ионизированных частиц ленточного пучка в зависимости от их энергии, формирование двухмерного изображения сечения исследуемого ионного пучка, путем подачи извлеченного ленточного пучка на электронно-оптический преобразователь, состоящий из усилителя на микроканальных пластинах и покрытой люминофором пластины, регистрацию оптического изображения с помощью видеокамеры.
Недостатком указанного способа является относительно низкая точность оценки распределения ионного пучка из-за фиксированного расположения оптической оси видеокамеры по центру экрана датчика изображения сечения пучка и фиксированная настройка объектива с полем зрения, охватывающим весь экран датчика изображения сечения пучка, что при малых размерах сечения пучка ухудшает разрешающую способность системы, а также из-за отсутствия проверки точности позиционирования видеокамеры перед экраном датчика изображения сечения пучка, что может приводить к искажению получаемых данных.
Технический результат состоит в исключении указанного недостатка, а именно в повышении точности оценки распределения ионного пучка.
Для достижения указанного технического результата в способе оценки распределения ионного пучка перезарядного электростатического ускорителя на облучаемом образце, включающий извлечение ионизированных исследуемым пучком частиц остаточного газа в электрическом поле конденсатора, формирование извлеченных ионизированных частиц в ленточный пучок при помощи щели, отклонение электрическим полем конденсатора ионизированных частиц ленточного пучка в зависимости от их энергии, формирование двухмерного изображения сечения исследуемого ионного пучка, путем подачи извлеченного ленточного пучка на электронно-оптический преобразователь, состоящий из усилителя на микроканальных пластинах и покрытой люминофором пластины, регистрацию оптического изображения с помощью видеокамеры, предлагается:
- оптическую ось видеокамеры позиционировать относительно экрана датчика изображения сечения пучка;
- фокусное расстояние объектива видеокамеры настраивать в соответствии с положением и размером ионного пучка;
- на экране датчика изображать тестовую геометрическую фигуру;
- начать юстировку положения видеокамеры;
- эталонную геометрическую фигуру, заложенную в программном алгоритме в вычислительной машины, сравнивать с тестовой геометрической фигурой, нанесенной на экран датчика изображения сечения пучка;
- продолжать юстировку видеокамеры до момента совпадения форм эталонной и тестовой геометрических фигур.
Техническая сущность и принцип действия способа поясняются с помощью устройства, представленного на фиг.1-3, со следующими обозначениями: 1 - видеокамера; 2 - вычислительная машина; 3 - дисплей вычислительной машины; 4 - изображение сечения пучка; 5 - ионизационный датчик изображения сечения пучка; 6 - плоскость пластин извлекающего конденсатора датчика изображения сечения пучка; 7 - экран датчика изображения сечения пучка.
На фиг.1 представлены элементы системы оценки распределения ионного пучка перезарядного электростатического ускорителя на облучаемом образце, на фиг.2 - иллюстрация позиционирования видеокамеры и изменения фокусного расстояния объектива для наиболее полного использования матрицы видеокамеры и повышения разрешающей способности системы оценки распределения ионного пучка, где а - в поле зрения видеокамеры 1 весь экран датчика 7; б - в поле зрения камеры только изображение сечения пучка 4; на фиг.3 - иллюстрация искажения формы регистрируемого изображения сечения пучка, где а - корректное положение видеокамеры, оптическая ось видеокамеры перпендикулярна плоскости пластин извлекающего конденсатора датчика 6; б - некорректное положение видеокамеры, оптическая ось видеокамеры неперпендикулярна плоскости пластин извлекающего конденсатора датчика; в - сравнение получаемых изображений, искаженное изображение показано пунктиром.
Способ оценки распределения ионного пучка перезарядного электростатического ускорителя на облучаемом образце включает: извлечение ионизированных частиц остаточного газа в электрическом поле конденсатора, формирование извлеченных ионизированных частиц в ленточный пучок, отклонение электрическим полем ионизированных частиц ленточного пучка в зависимости от их энергии и формирование двухмерного изображения сечения исследуемого ионного пучка.
Формирование двухмерного изображения сечения исследуемого ионного пучка осуществляют путем подачи извлеченного ленточного пучка на электронно-оптический преобразователь, состоящий из усилителя на микроканальных пластинах и покрытой люминофором пластины.
Полученное распределение сечения ионного исследуемого пучка преобразуют в видимое изображение, которое регистрируют с помощью видеокамеры 1.
Оптическую ось видеокамеры 1 позиционируют относительно экрана датчика изображения сечения пучка 7. Фокусное расстояние объектива видеокамеры 1 настраивают в соответствии с положением и размером исследуемого ионного пучка.
На экране датчика изображают тестовую геометрическую фигуру. Эталонную геометрическую фигуру, заложенную в программном алгоритме вычислительной машины 2, сравнивают с тестовой геометрической фигурой, нанесенной на экран датчика изображения сечения пучка 7.
Продолжают юстировку видеокамеры 1 до момента совпадения форм эталонной и тестовой геометрических фигур.
Работы по облучению различных материалов высокоэнергетичными ионами требуют строго контролировать и поддерживать на заданном уровне основные параметры ионного пучка в процессе облучения.
Высокие требования к параметрам ионного пучка при проведении облучений объясняются тем, что при дальнейшей обработке облученный материал делится на части, каждая из которых должна иметь минимально возможное отклонение по свойствам от заданных требований. Так, разброс энергий ускоренных ионов при проведении экспрессных имитационных исследований реакторных материалов не должен превышать ±0,5%, а неравномерность плотности распределения частиц по площади образца не должна превышать ±10%.
На тракте формирования и ускорения ионных пучков расположено множество ионно-оптических систем, которые влияют на выходные параметры ускоренных ионных пучков, такие как интенсивность, пространственное положение и энергия. По этим соображениям необходимо выбрать оптимальные режимы всех ионно-оптических систем по тракту ускорения ионов, обеспечивающих требуемый уровень параметров ускоренных пучков, и поддерживать их на заданном уровне в течение всего цикла облучения образцов.
Работа по поддержанию на заданном уровне параметров ионных пучков существенно осложняется тем обстоятельством, что процесс облучения образцов, в зависимости от поставленных условий по интенсивности ионного пучка, может длиться от нескольких секунд до суток и более. Прерывания пучка после начала облучения не допускается, поэтому для непрерывного контроля его параметров необходимо применение неразрушающих методик.
Примером конкретного исполнения может служить способ оценки распределения ионного пучка на облучаемом образце, реализованный на перезарядном электростатическом ускорителе ЭГП-15 ГНЦ РФ-ФЭИ. Остаточный газ - воздух. Напряжение на обкладках извлекающего конденсатора примерно 7,5 кВ. Геометрические размеры ленточного пучка, не более: 50×1 мм (по размеру формирующей щели). Формирование двухмерного изображения сечения исследуемого ионного пучка осуществляют путем подачи извлеченного ленточного пучка на усилитель на основе микроканальной пластины размером 64×42 мм. Люминофор на основе ZnS преобразует поток заряженных частиц в оптическое изображение, которое регистрируется аналоговой черно-белой видеокамерой с разрешением 600 ТВЛ. Объектив видеокамеры вариофокальный.
Оптическую ось видеокамеры позиционируют относительно экрана датчика изображения сечения пучка, фокусное расстояние объектива видеокамеры настраивают в соответствии с положением и размером ионного пучка, на экран датчика нанесена тестовая геометрическая фигура: прямоугольник (рамка по периметру экрана датчика изображения сечения пучка). Затем производят сравнение тестовой геометрической фигуры с эталонной геометрической фигурой также в виде прямоугольника.
Вычислительная машина: PentiumD/2.8 ГГц/2 ГБ ОЗУ. Программное обеспечение: модифицированное ПО [2].
Положение и размер ионного пучка: положение изменяется в процессе настройки ускорителя, форма круг или эллипс с размерами по осям в пределах 3-10 мм.
Юстировкой камеры добиваются отсутствия искажений изображения сечения пучка, что повышает точность оценки распределения ионного пучка.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №1462521. Ионизационный датчик распределения плотности пучка заряженных частиц по поперечному сечению. Приоритет от 08.12.1986.
2. Артемьев А.Н., Артемьев Н.А., Латушкин С.Т. и др. Цифровая обработка телевизионной информации о геометрических параметрах ионизирующих пучков. // Труды 13-й Международной конференции "Электростатические ускорители заряженных частиц". Обнинск, май 2000 г. - Обнинск: ОНТИ ГЩ РФ-ФЭИ. - Стр. 246-248.