СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПУЧКОВ УСКОРЕННЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И НАПРАВЛЯЮЩАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF TRANSFORMING BEAMS OF ACCELERATED CHARGED PARTICLES AND GUIDE STRUCTURE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретения относятся к области технической физики, более конкретно - к средствам для управления движением заряженных частиц, а именно к способу преобразования пучков ускоренных заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) и направляющей структуре, используемой в этом способе.
Хорошо известны и широко распространены способы, в которых для преобразования пучка заряженных частиц используют взаимодействие заряда этих частиц с зарядом электродов, относительно которых проходят траектории частиц, либо взаимодействие заряда движущихся частиц с магнитным полем. Такие способы осуществляются с помощью средств, которые конструктивно сложны и требуют наличия внешних источников питающих электрических напряжений и устройств для управления названными полями.
Известен способ преобразования пучка заряженных частиц по авторскому свидетельству СССР на изобретение №1064792 [1] (опубл. 15.01.1985), в котором используется способность монокристалла к каналированию заряженных частиц. В качестве направляющей структуры при осуществлении этого способа используют монокристалл, которому придана форма двусторонней гребенки с изогнутыми зубьями. Способ осуществляют путем транспортирования частиц пучка по промежуткам между кристаллическими плоскостями. Важным достоинством этого способа является полностью пассивный характер используемого средства в виде монокристалла, т.е. отсутствие необходимости в требующих электрического питания и управления средствах для формирования электрических и магнитных полей. Однако, как указывается в авторском свидетельстве [1], в режим преобразования, в частности фокусирования, могут попасть только около 5% частиц исходного пучка. Кроме того, использование межплоскостных промежутков кристалла для транспортирования частиц накладывает существенные ограничения на время нахождения частицы в канале из-за рассеяния на электронах и тепловых колебаниях атомов решетки. Например, при энергиях электронов в пучке порядка 1 ГэВ характерная длина каналирования близка к 1 микрону, т.е. транспортируемые частицы очень быстро деканалируют.
Известен также способ управления пучком электронов, описанный в патенте США №4,079,285 [2] (опубл. 14.03.1978). При его осуществлении пучок электронов направляют в короткий цилиндрический канал (длина и диаметр - одного порядка) с диэлектрическими стенками и пропускают через этот канал. При этом решают задачу получения большого тока в пучке путем компенсации сил взаимного отталкивания электронов. В патенте [2] высказано предположение, что указанная компенсация происходит благодаря тому, что из используемого для изготовления канала диэлектрика выделяется газообразная компонента, которая ионизируется и своим пространственным зарядом препятствует расширению электронного пучка. Вследствие этого данный способ пригоден для работы только с отрицательно заряженными частицами, а достигаемый результат ограничен предотвращением расширения исходного пучка.
В патенте Российской Федерации на полезную модель №34056 [3] (опубл. 20.11.2003) описан способ, при котором транспортируют пучок ускоренных заряженных частиц через цилиндрический диэлектрический канал, заключенный в заземленный металлический экран. При этом обеспечивается прохождение пучка через канал без соударения с его стенками. Сведения о каком-либо преобразовании пучка при осуществлении данного способа в патенте [3] не приведены.
Способ по патенту Российской Федерации на полезную модель №45199 [4] (опубл. 27.04.2005), в отличие от предыдущего, позволяет одновременно с транспортированием осуществлять фокусирование пучка заряженных частиц. Для этого, аналогично патенту [3], направляют исходный пучок в диэлектрический канал, заключенный в соприкасающийся с наружной стороной его стенки металлический экран, однако при этом используют не цилиндрический канал, а канал, имеющий форму конуса, сужающегося к выходному концу. Данный способ сложен в осуществлении из-за сложности обслуживания указанного устройства. Последнее снабжено подключенным к металлическому экрану заземленным конденсатором и съемной заслонкой-измерителем. При подготовке устройства к использованию стенки канала облучают частицами того же знака, что и частицы будущего рабочего пучка, и измеряют напряжение на указанном конденсаторе в момент достижения максимума тока через упомянутую заслонку-измеритель, установленную на пути пучка, выходящего из канала. На последующих стадиях осуществления способа производят аналогичное облучение стенок при снятой заслонке-измерителе до достижения зафиксированного ранее значения напряжения на конденсаторе.
Известен также способ преобразования пучка ускоренных заряженных частиц, описанный в патентной заявке Японии №2005-185522 [5] (опубл. 11.01.2007). При осуществлении этого способа исходный пучок вводят в направляющую структуру, представляющую собой канал в виде диэлектрического конического капилляра с большим аспектным отношением, который, как и канал, используемый в способе по патенту [4], сужается в сторону выходного торца. Исходный пучок вводят в канал преимущественно в направлении, совпадающем с продольной осью канала. Стенка канала приобретает заряд того же знака, что и транспортируемые частицы.
Конический канал в способах по патенту [4] и патентной заявке [5] используют в расчете на то, что поперечный размер пучка, прошедшего через такой канал, будет определяться размером выходного отверстия канала. При этом можно было бы ожидать увеличения плотности частиц в пучке, соответствующего соотношению площадей входного и выходного отверстий. Однако в действительности оказывается, что увеличение плотности происходит в меньшей степени. Это может быть объяснено тем, что максимальный выход частиц составляет единицы процентов по сравнению с их количеством, введенным в канал. Такой вывод следует из результатов экспериментальных исследований подобных устройств, полученных независимо разными специалистами и приведенных в работе [6] (К.А.Вохмянина. Управление пучками положительных ионов с помощью диэлектрических каналов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, с.19-21. Москва, МГУ, 2007). Вместе с тем в работе [6] приведены данные о прохождении ионов через цилиндрический капилляр, согласно которым на выход проходит до 80% ионов. Это свидетельствует о том, что именно коническая форма канала является причиной весьма малого значения показателя, который можно назвать коэффициентом трансмиссии канала для транспортируемых заряженных частиц преобразуемого пучка. Кроме того, как показывают эксперименты, описанные в статье [7] (F.F.Komarov, A.S.Kamyshan, Cz.Karwat. A fine structure in angular distributions of protons transmitted through insulating capillaries. "Vacuum" 83 (2009), p.51-53), возможно накопление заряда на стенке канала, оказывающее запирающее действие и препятствующее прохождению пучка на выход, в результате чего выходной пучок оказывается прерывистым во времени. Наличие явления запирания отмечается и в патентной заявке [5], где было предложено для ослабления такого явления наносить электропроводящее покрытие на входной торец. Однако, как установлено в результате экспериментов, проведенных авторами предлагаемых изобретений, эта мера не является достаточно эффективной.
Предлагаемое изобретение, относящееся к способу преобразования пучка ускоренных заряженных частиц, направлено на достижение технического результата, заключающегося в предотвращении возникновения запирания канала и в увеличении в получаемом пучке доли частиц по отношению к количеству частиц, содержащихся в исходном пучке, при одновременном обеспечении возможности прецизионного управления пучком заряженных частиц, в частности электронов, протонов, ионов, в том числе фокусирования этого пучка до размеров в поперечном сечении, существенно меньших поперечного сечения канала транспортирования, и возможности управления его формой. Ниже при раскрытии сущности данного изобретения и описании его осуществления в различных частных случаях с помощью устройства по предлагаемому изобретению, относящемуся к направляющей структуре, эти виды технического результата будут конкретизированы, а также будут названы некоторые другие виды достигаемого технического результата.
К предлагаемому способу преобразования пучка ускоренных заряженных частиц наиболее близок способ, известный из патентной заявки [5].
В предлагаемом способе, как и в указанном наиболее близком к нему известном способе, используют направляющую структуру для ускоренных заряженных частиц. Частицы исходного пучка вводят в канал направляющей структуры через его входное отверстие и выводят через выходное отверстие и осуществляют транспортирование между этими отверстиями при наличии электризации стенки указанного канала зарядом того же знака, что и частицы исходного пучка, при этом внутренняя поверхность указанной стенки имеет вид тела вращения вокруг прямолинейной продольной оси с сужением в направлении от входного отверстия к выходному.
пр
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, используют направляющую структуру с каналом, в котором образующей внутренней поверхности стенки является дуга выпуклой гладкой кривой с выпуклостью, обращенной в сторону, противоположную продольной оси. При этом транспортирование по этому каналу введенных в него ускоренных заряженных частиц осуществляют при соблюдении следующего соотношения, связывающего энергию E и заряд Q частиц пучка с электрической прочностью U материала стенки и геометрическими параметрами канала - наименьшим радиусом R кривизны указанной дуги, радиусом r входного отверстия и наименьшей толщиной d стенки:
пр
Физические величины, входящие в соотношение (1), выражаются в единицах СИ, т.е. [E]=Дж, [Q]=K, [U]=В/м, [R]=[d]=[h]=м. Если же энергия E выражается во внесистемных единицах - электрон-вольтах, как это может иметь место в данной области техники, то заряд Q должен выражаться в количестве элементарных зарядов (т.е. зарядов электрона), которому он кратен.
При соблюдении условия (1) частицы, имея, в основном, продольную составляющую скорости, совершают сложное движение, складывающееся из движения вдоль канала и движения в радиальном направлении под действием электрического поля, создаваемого наэлектризованной стенкой. В таком движении группы частиц, вошедших в канал на разных расстояниях от его продольной оси, могут образовывать сгущения, приближаясь к продольной оси по разным радиусам в одних и тех же точках продольной оси, и разрежения, удаляясь от продольной оси и приближаясь к поверхности стенки по разным радиусам. В сгущениях могут достигаться высокая плотность частиц и высокая степень фокусирования. Поперечный размер пучка в местах сгущений может быть значительно меньше текущего поперечного размера канала. В местах разрежений этот размер может быть значительно меньше размера входного отверстия канала, но это достигается, в основном, за счет сужающейся "геометрии" канала, а также благодаря тому, что большинство частиц в поперечном движении не достигает стенки канала. Поэтому даже в случае, когда вблизи выхода канала оказывается зона разрежения, выходное поперечное сечение пучка может быть меньше выходного поперечного сечения канала. Решающую роль в описанном протекании процессов при сужающемся от входа к выходу характере канала, наряду с соблюдением условия (1), играет форма внутренней поверхности его стенки, а именно то, что образующая этой стенки (представляющей тело вращения) является не отрезком прямой, а дугой выпуклой кривой линии, в частности окружности.
6
Если, например, при длине канала 10 см радиус R кривизны линии, являющейся образующей внутренней поверхности стенки канала, равен 5 м, радиус канала во входном торце равен 1 мм, а в выходном - 10 микрон, то пучок электронов с энергией Е=50 кэВ может пройти на выход практически без потерь с формированием фокусного пятна диаметром около 2 микрон на расстоянии порядка 1 мм от выходного торца канала направляющей структуры. Увеличение плотности частиц на выходе канала по сравнению с плотностью в исходном пучке, вводимом в канал, достигает 10. При использовании же конического канала в сопоставимых условиях (при такой же энергии частиц и таких же размерах входного и выходного отверстий и длине канала) на выход канала проходят около 0,6% частиц, а увеличение плотности частиц в выходном пучке по сравнению со входным составляет только около 60.
Расположение упомянутых сгущений и разрежений вдоль канала и расстояние между ними зависят от энергии (скорости) частиц. Поэтому, располагая источником исходного пучка частиц, допускающим регулирование их энергии (скорости), можно получить выходной пучок, сфокусированный снаружи канала на продолжении его продольной оси, либо получить квазипараллельный или расходящийся выходной пучок с тем или иным углом расходимости, как меньшим, так и большим угла расходимости исходного пучка на входе в устройство. В итоге может быть реализовано прецизионное управление параметрами выходного пучка.
Таким образом, в отличие от наиболее близкого известного способа, в котором используют канал конической формы, предлагаемый способ с каналом другой "геометрии" и условием (1) позволяет обеспечить:
- резкое увеличение трансмиссии канала;
- получение фокусного пятна, существенно меньшего, чем размер выходного отверстия канала;
- получение фокусного пятна на достаточном удалении от выходного торца канала, что весьма важно для большинства практических применений;
- возможность управления расходимостью пучка: можно получать как сфокусированный, так и квазипараллельный, так и расходящийся пучок.
В предлагаемом способе при его осуществлении используется направляющая структура для преобразования пучка заряженных частиц, являющаяся предметом второго предлагаемого изобретения.
Выше уже отмечались недостатки хорошо известных средств для управления движением заряженных частиц, в которых используется взаимодействие заряда этих частиц с зарядом электродов, относительно которых проходят траектории частиц, либо взаимодействие заряда движущихся частиц с магнитным полем. Такие средства конструктивно сложны и требуют наличия внешних источников питающих электрических напряжений, а в ряде случаев - сложного управления.
По сравнению с такими средствами существенной положительной особенностью обладает направляющая структура для преобразования пучка ускоренных заряженных частиц по авторскому свидетельству СССР на изобретение №1064792 [1] (опубл. 15.01.1985), в которой используется способность монокристалла к каналированию заряженных частиц. Монокристаллу придана форма двусторонней гребенки с прямоугольными зубьями. Последние изогнуты в зависимости от формы исходного пучка и желаемой формы преобразованного пучка. В этой структуре в качестве каналов выступают промежутки между кристаллическим плоскостями. Эта структура является полностью пассивным устройством, не требующим электрического питания и средств для формирования электрических и магнитных полей. Однако в авторском свидетельстве [1] отмечается, что в режим преобразования, в частности фокусирования, могут попасть только около 5% частиц исходного пучка, т.е. недостаточно высок показатель устройства, который выше был назван коэффициентом трансмиссии. Кроме того, как уже отмечалось при раскрытии изобретения, относящегося к предлагаемому способу, использование межплоскостных промежутков кристалла для транспортирования частиц накладывает существенные ограничения на время нахождения частицы в канале из-за рассеяния на электронах и тепловых колебаниях атомов решетки. Так, при энергиях электронов в пучке порядка 1 ГэВ характерная длина каналирования близка к 1 микрону, т.е. транспортируемые частицы очень быстро деканалируют.
Известное устройство для управления пучком электронов по патенту США №4,079,285 [2] (опубл. 14.03.1978) представляет собой короткий цилиндрический канал (длина и диаметр - одного порядка) с диэлектрической стенкой. Оно решает задачу получения большого тока в пучке путем компенсации сил взаимного отталкивания электронов. Эта компенсация согласно содержащемуся в патенте [2] объяснению происходит благодаря тому, что из материала диэлектрика, из которого изготовлен канал, выделяется газообразная компонента. Она ионизируется и своим пространственным зарядом препятствует расширению электронного пучка. Вследствие этого направляющая структура, которой является данное устройство, работает лишь с частицами, имеющими заряд отрицательного знака, а реализуемая им функция управления, в основном, ограничена предотвращением расширения исходного пучка.
Из патента Российской Федерации на полезную модель №34056 [3] (опубл. 20.11.2003) известно устройство, осуществляющее транспортирование пучка ускоренных заряженных частиц, которое содержит цилиндрический диэлектрический канал, заключенный в заземленный металлический экран. Направляющая структура, выполненная в виде такого устройства, обеспечивает прохождение пучка на выход канала без соударения с его стенкой. Сведения о каком-либо преобразовании пучка данным устройством в патенте [3] не приведены, и его функция ограничивается транспортированием пучка без потерь или с малыми потерями.
Устройство по патенту Российской Федерации на полезную модель №45199 [4] (опубл. 27.04.2005), в отличие от предыдущего, способно осуществлять одновременно с транспортированием также фокусирование пучка ускоренных заряженных частиц. Для этого оно имеет, аналогично описанному выше устройству по патенту [3], диэлектрический канал, заключенный в соприкасающийся с наружной стороной его стенки металлический экран, однако этот канал имеет форму конуса, сужающегося к выходному концу. Направляющая структура, которой является данное устройство, способна по сравнению с устройствами по патентам [2] и [3] (тоже содержащими диэлектрический канал) осуществлять преобразование исходного пучка. Вместе с тем, в отличие от структуры по авторскому свидетельству [1], она не является полностью пассивным устройством. Она снабжена подключенным к металлическому экрану заземленным конденсатором и съемной заслонкой-измерителем. При подготовке устройства к использованию стенки канала нужно облучить частицами того же знака, что и частицы будущего рабочего пучка, и измерить напряжение на указанном конденсаторе в момент достижения максимума тока через упомянутую заслонку-измеритель, установленную на пути пучка, выходящего из канала. При дальнейшей эксплуатации устройства перед началом его работы необходимо произвести аналогичное облучение стенок при снятой заслонке-измерителе до достижения зафиксированного ранее значения напряжения на конденсаторе. Поэтому данное устройство сложно в обслуживании.
Известно также устройство для преобразования пучка ускоренных заряженных частиц, описанное в патентной заявке Японии №2005-185522 [5] (опубл. 11.01.2007). Это устройство является направляющей структурой, которая представляет собой канал в виде диэлектрического конического капилляра. Для данного капилляра характерно большое аспектное отношение, т.е. канал является протяженным. Указанный конический капилляр, как и канал в устройстве по патенту [4], сужается в сторону выходного торца.
Физический механизм функционирования устройств по патентам [3-5] связан с электризацией стенки диэлектрического канала. Выше уже отмечалось со ссылками на работы [6, 7], что для направляющей структуры в виде диэлектрического конического капилляра характерны малая трансмиссия (малая доля частиц исходного пучка проходит на выход канала), возможность запирания канала, а также недостаточно высокое увеличение плотности частиц в выходном пучке по сравнению с исходным пучком (значительно меньшее, чем соотношение площадей входного и выходного отверстий).
Предлагаемое изобретение, относящееся к направляющей структуре для преобразования пучка ускоренных заряженных частиц, направлено на достижение технического результата, заключающегося в исключении эффекта запирания и повышении трансмиссии устройства при одновременном обеспечении возможности прецизионного управления пучком заряженных частиц, в частности электронов, протонов, ионов, в том числе фокусирования этого пучка до размеров в поперечном сечении, существенно меньших поперечного сечения канала транспортирования, и в возможности управления его формой. Ниже при раскрытии сущности данного изобретения и описании его выполнения и использования в различных частных случаях эти виды технического результата будут конкретизированы, а также будут названы другие виды достигаемого технического результата.
Направляющая структура, известная из патентной заявки [5], наиболее близка к предлагаемому изобретению, относящемуся к направляющей структуре для ускоренных заряженных частиц.
Предлагаемая направляющая структура для преобразования пучков ускоренных заряженных частиц (электронов, протонов, ионов), как и наиболее близкая к ней известная по патентной заявке [5], содержит канал для транспортирования ускоренных заряженных частиц исходного пучка, вводимых в этот канал через входное отверстие, расположенное во входном конце, и выводимых через выходное отверстие, расположенное в выходном конце. Указанный канал имеет прямолинейную продольную ось и стенку, выполненную из материала, способного к электризации зарядом того же знака, что и частицы исходного пучка, с внутренней поверхностью в виде тела вращения вокруг указанной прямолинейной продольной оси и сужается в направлении от входного отверстия к выходному.
пр
Для достижения названного выше технического результата в предлагаемой направляющей структуре, в отличие от наиболее близкой к ней известной по патентной заявке [5], образующей указанной внутренней поверхности является дуга выпуклой гладкой кривой, выпуклость которой обращена в сторону, противоположную указанной прямолинейной продольной оси. При этом наименьший радиус R кривизны указанной дуги связан с наибольшей энергией E и зарядом Q частиц пучка, для работы с которыми предназначена данная направляющая структура, следующим соотношением, включающим также наименьшую толщину d стенки канала, электрическую прочность U материала стенки канала и радиус r входного отверстия канала:
пр
Физические величины, входящие в соотношение (2), выражаются, как и в соотношении (1), в единицах СИ, т.е. [Е]=Дж, [Q]=K, [U]=В/м, [R]=[d]=[h]=м. Если же энергия E выражается во внесистемных единицах - электрон-вольтах, как это может иметь место в данной области техники, то заряд Q должен выражаться в количестве элементарных зарядов (т.е. зарядов электрона), которому он кратен. Данное примечание относится ко всем аналогичным соотношениям, используемым ниже при характеристике предлагаемой направляющей структуры.
В частном случае дуга указанной кривой линии может быть дугой окружности. Такое выполнение является предпочтительным, но не обязательным. Если по причинам технологического характера будет иметь место отклонение реальной формы от окружности, но с соблюдением гладкости и выпуклости, то это не скажется на работоспособности направляющей структуры и возможности осуществления с ее помощью предлагаемого способа.
Характер изменения размера поперечного сечения канала по его длине, имеющий место при указанной форме образующей внутренней поверхности его стенки, в сочетании с соблюдением соотношения (2) обеспечивает возможность прохождения заряженных частиц на выход с малыми потерями и без запирания канала.
Разумеется, использование предлагаемой направляющей структуры при осуществлении предлагаемого способа (как и известных средств аналогичного назначения) осуществляется в условиях, обеспечивающих движение заряженных частиц в глубоком вакууме.
При выполнении условия (2) направленные на вход канала заряженные частицы захватываются им и перемещаются вдоль канала, практически не достигая его стенки и совершая в нормальном к стенке направлении движение, имеющее колебательный характер, что обеспечивается благодаря существующему в канале электрическому полю, создаваемому наэлектризованной внутренней поверхностью стенки. Электризация осуществляется зарядами, попадающими на эту поверхность при запуске устройства в работу, а в процессе работы - в результате подзарядки этой поверхности и замены утекающих зарядов новыми, получаемыми из транспортируемого пучка. Кроме того, электризация может быть осуществлена предварительно, до начала использования устройства с конкретным рабочим пучком.
Колебания частиц в указанном направлении происходят относительно продольной оси, т.е. оси симметрии канала. Благодаря наличию названных факторов колебательное движение заряженных частиц приобретает согласованный характер, и они пересекают ось или плоскость симметрии канала в одних и тех же местах, образуя в этих местах пучности плотности пучка. В зависимости от ускоряющего напряжения, под действием которого частицы исходного пучка покидают источник этих частиц и входят в канал направляющей структуры, указанные пучности могут занимать разное положение по длине канала, а последняя из них может находиться вне канала. Выходной пучок может фокусироваться снаружи канала, быть квазипараллельным с весьма малой расходимостью или расходящимся с тем или иным углом расходимости, как меньшим, так и большим угла расходимости пучка на входе в устройство. В итоге может быть реализовано прецизионное управление параметрами выходного пучка.
В частом случае выполнения предлагаемая направляющая структура может быть снабжена дополнительным участком с каналом для транспортирования ускоренных заряженных частиц, имеющим входной и выходной концы и стенку, выполненную из материала, способного к электризации. Внутренняя поверхность стенки канала дополнительного участка в поперечном сечении имеет такую же форму, как и в канале для транспортирования ускоренных заряженных частиц исходного пучка, а размеры этого поперечного сечения постоянны по длине дополнительного участка. Стенка канала дополнительного участка в его входном конце плавно сопряжена и соединена со стенкой указанного канала для транспортирования ускоренных заряженных частиц исходного пучка в его выходном конце, а выходной конец канала дополнительного участка, заканчивающийся выходным торцом с находящимся в нем выходным отверстием, свободен.
Наличие дополнительного участка с каналом, размеры поперечного сечения которого постоянны по длине канала, позволяет управлять формой выходного пучка, подбирая длину этого участка (или энергию (скорость) заряженных частиц исходного пучка, например, изменяя ускоряющее напряжение в источнике этих частиц), а также механически управлять направлением выходного пучка.
Например, канал указанного дополнительного участка может быть выполнен гибким, по меньшей мере, на части его длины. Кроме того, дополнительный участок может быть выполнен изогнутым, но не гибким, а имеющим фиксированную форму. В обоих случаях возможно изменение направления выходного пучка по отношению ко входному.
1
В направляющей структуре, содержащей гибкий или имеющий фиксированную форму изогнутый дополнительный участок, должно быть соблюдено ограничение для соотношения наименьшего радиуса R кривизны продольной осевой линии этого участка и наибольшей энергии Е и заряда Q частиц исходного пучка, для работы с которыми предназначена направляющая структура. Это ограничение выражается условием:
1
1
пр1
в которое входят также наименьшая толщина d стенки канала дополнительного участка, радиус r поперечного сечения внутренней поверхности стенки канала дополнительного участка и электрическая прочность U материала, из которого изготовлена стенка канала дополнительного участка.
Соблюдение этого условия обеспечивает прохождение пучка по изогнутому дополнительному участку без потерь и без запирания.
При выполнении дополнительного участка гибким направляющая структура может быть снабжена средством для управляемого изгиба этого участка. При этом направляющая структура зафиксирована с сохранением возможности изгиба дополнительного участка.
Указанное средство для управляемого изгиба может быть выполнено в виде одного или двух взаимно ортогонально ориентированных пьезоэлектрических изгибных элементов, размещенных на указанном дополнительном участке в его части, выполненной гибкой, и подключенных к источнику управляющих сигналов.
Средство для управляемого изгиба может быть выполнено также в виде одной или двух взаимно ортогонально ориентированных пар ферромагнитных элементов, размещенных на указанном дополнительном участке в его части, выполненной гибкой, или между этой частью и выходным торцом дополнительного участка, и электромагнитной системы для отклонения выходного конца дополнительного участка от нейтрального положения, подключенной к источнику управляющих сигналов.
В любом из описанных выше частных случаев выполнения направляющей структуры, предназначенной для работы с исходным пучком частиц, являющихся электронами, она может быть снабжена мишенью для возбуждения в материале последней характеристического рентгеновского излучения. Мишень может быть размещена, в частности, в выходном торце канала указанного дополнительного участка, закрывая его выходное отверстие. В этом случае она образует прострельный анод.
Мишень для возбуждения в ее материале характеристического рентгеновского излучения может быть выполнена также в виде покрытия материалом мишени внутренней поверхности части стенки канала указанного дополнительного участка, примыкающей к его выходному концу.
Кроме того, мишень для возбуждения в ее материале характеристического рентгеновского излучения может быть выполнена в виде покрытия материалом мишени внутренней поверхности части стенки канала указанного дополнительного участка, расположенной на удалении от его выходного конца. В этом случае находящаяся между указанным покрытием и выходным концом часть образует канал для транспортирования рентгеновского излучения с многократным полным внешним отражением и формирует "карандашный" пучок рентгеновского излучения.
В описанных частных случаях выполнения предлагаемой направляющей структуры с мишенью она может быть использована в качестве средства для получения пучков рентгеновского излучения, в том числе управляемых по форме и направлению.
Непосредственно в материале стенки канала дополнительного участка предлагаемой направляющей структуры возможно возбуждение тормозного рентгеновского излучения.
В совокупности с другими описанными выше случаями выполнения это позволяет судить о разнообразии возможностей использования предлагаемой направляющей структуры в источниках характеристического и тормозного рентгеновского излучения, системах для электронной, ионной и лучевой диагностики и терапии, средствах микрозондирования материалов и других областях.
Перед дальнейшим описанием предлагаемых изобретений снова обратим внимание на то, что конструкция описываемых средств и процесс их эксплуатации должны предусматривать, как и для известных средств такого же назначения, возможность движения заряженных частиц в глубоком вакууме. Реализация этого условия может быть обеспечена с помощью известных средств, выполнение которых традиционно. Поэтому их наличие, конструкция и использование совместно с устройствами по предлагаемым изобретениям далее не обсуждаются.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - предлагаемая направляющая структура (аксонометрическое изображение);
- на фиг.2 - предлагаемая направляющая структура (продольный разрез и поперечное сечение);
- на фиг.3 - примерный вид траекторий частиц в канале предлагаемой направляющей структуры и характер изменения плотности пучка по длине канала;
- на фиг.4 - направляющая структура (аксонометрическое изображение, продольный разрез и поперечное сечение), имеющая выполнение, эквивалентное предлагаемому;
- на фиг.5 - предлагаемая направляющая структура с каналом, имеющим дополнительный участок постоянного поперечного сечения;
- на фиг.6-8 - предлагаемая направляющая структура с рентгеновской мишенью в торце дополнительного участка или в виде покрытия части внутренней поверхности стенки канала в дополнительном участке;
- на фиг.9, 10 - управление сканированием пучка заряженных частиц с помощью предлагаемой направляющей структуры.
Предлагаемая направляющая структура для ускоренных заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) содержит (фиг.1, фиг.2) канал 1 для транспортирования ускоренных заряженных частиц исходного пучка, вводимых в этот канал через входное отверстие 2 и выводимых через выходное отверстие 3. Отверстия 2 и 3 находятся соответственно во входном и выходном концах канала 1, заканчивающихся входным 6 и выходным 7 торцами. Канал 1 сужается в направлении к выходному торцу 7, которым заканчивается его выходной конец. Продольная ось 5 канала 1 прямолинейна. Стенка 4 канала 1 выполнена из материала, способного к электризации. В качестве такого материала могут быть использованы, например, боросиликатное стекло, кварцевое стекло, керамика, полимерные материалы, другие диэлектрические материалы, материалы, обладающие свойствами электретов.
Внутренняя поверхность 8 стенки канала имеет в поперечном сечении вид окружности, а в продольном сечении - вид двух симметричных относительно продольной оси 5 гладких выпуклых кривых, т.е. указанная поверхность является поверхностью вращения любой из этих кривых вокруг продольной оси. Эти кривые ориентированы так, что их вогнутость обращена в сторону продольной оси 5, а выпуклость - в противоположную сторону. В частном случае эти кривые являются окружностью.
пр
При проектировании направляющей структуры выбор ее конструктивных параметров - наименьшего радиуса R кривизны линии, являющейся образующей внутренней поверхности стенки канала, наименьшей толщины d стенки и радиуса r входного отверстия (эти геометрические параметры показаны на фиг.2), а также выбор материала, характеризующегося электрической прочностью U, должны производиться в зависимости от заряда Q частиц исходного пучка и максимального значения Е их энергии, при которой предстоит эксплуатация устройства, с учетом соотношения:
В приведенном выше неравенстве под R и d понимаются их наименьшие значения, а под r - наибольшее, т.е. такие, что это неравенство заведомо выполняется в любом месте канала по его длине. Аналогично, при проектировании устройства должны учитываться заряд частиц и максимальное значение их энергии, при которой предстоит эксплуатация устройства.
пр
При эксплуатации уже изготовленной направляющей структуры и осуществлении с ее помощью предлагаемого способа преобразования пучка ускоренных заряженных частиц, наоборот, необходимо учитывать указанные параметры конкретной направляющей структуры, зависящие от геометрии конструкции (R, d, r) и свойств материала стенки канала (U), для определения с помощью такого же соотношения приемлемых значений энергии E и заряда Q частиц пучка, выступающих в данном случае в качестве режимных признаков способа.
Соблюдение приведенного выше условия (2*), соответствующего условиям (1) и (2), обеспечивает возможность введения пучка в канал и распространение его по каналу без существенных потерь благодаря отсутствию контакта со стенкой и без запирания канала. При работе направляющей структуры (подаче во входное отверстие 2 исходного пучка ускоренных заряженных частиц) возникает электризация внутренней поверхности стенки канала, которая в процессе работы поддерживается в результате подзарядки этой поверхности (замены немногочисленных утекающих зарядов новыми, получаемыми из транспортируемого пучка). Таким образом, электризация происходит зарядами того же знака, что и в подлежащем преобразованию исходном пучке частиц. Такая же электризация может быть достигнута и в результате предварительной зарядки внутренней поверхности канала 1, в частности, при использовании для изготовления стенки канала материалов, обладающих свойствами электретов (см. монографию: Электреты. Под ред. Г.Сесслера, М.: "Мир", 1983, с.32-54 [8], где описаны разнообразные методы зарядки).
Как уже пояснялось выше при раскрытии сущности изобретения, относящегося к предлагаемому способу преобразования пучков ускоренных заряженных частиц, благодаря существующему в канале электрическому полю, обусловленному электризацией стенки, находящиеся в просвете канала частицы перемещаются вдоль канала, не контактируя со стенкой. При этом они, имея первоначальную скорость, направленную преимущественно (в зависимости от расходимости исходного пучка) параллельно продольной оси канала, совершают в направлении, нормальном к продольной оси канала, движение, имеющее квазипериодический колебательный характер. Частицы, входящие в канал на разных расстояниях от продольной оси, движутся согласованно и пересекают ось симметрии (продольную ось) канала в одних и тех же местах, образуя в этих местах сгущения (пучности плотности пучка). В тех местах, где частицы оказываются наиболее удаленными от продольной оси канала, образуются разрежения (минимумы плотности пучка). Примерный вид траекторий частиц и изменение плотности J пучка показаны на фиг.3 (Z - координата вдоль осевой линии канала, Х - координата в нормальном к этой линии направлении, т.е. вдоль одного из радиусов канала). В пучностях плотности пучка его поперечный размер может быть значительно меньше поперечного размера канала, а поперечный размер пучка на выходе из канала - значительно меньше размера выходного отверстия.
6
8
пр
Так, например, при длине канала 10 см, радиусе кривизны образующей внутренней поверхности стенки канала, равном 5 м, радиусах входного и выходного отверстий, равных соответственно 1 мм и 10 микрон, пучок с энергией частиц 50 кэВ проходит на выход практически без потерь, и может быть получено фокусное пятно диаметром около 2 микрон. Увеличение плотности частиц на выходе канала по сравнению с исходной достигает при этом 10. Стенка канала в приведенном примере выполнена из стекла. Электрическая прочность U стекла достигает значений порядка 10 В/м (Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. Том 2, с.207, рис.22-11. М.: Энергоатомиздат, 1987 [9]).
Заметим, что образующая внутренней поверхности стенки канала не обязательно должна быть дугой окружности. Если эта образующая является дугой иной гладкой кривой, кривизна которой неодинакова в разных точках, то под R понимается наименьший радиус кривизны в пределах этой дуги. Если пучок частиц не является моноэнергетическим, то под E следует понимать наибольшую энергию частиц в исходном пучке. Данные замечания относительно смысла радиуса R и энергии E относятся также ко всем описываемым ниже случаям использования предлагаемой направляющей структуры.
Следует также заметить, что наряду с представленным на фиг.1, 2 выполнением канала предлагаемой направляющей структуры возможно выполнение, показанное на фиг.4. В этом случае канал 11 имеет стенку 14, внутренняя поверхность которой образована двумя планарными поверхностями 18 (под планарной поверхностью понимается поверхность, полученная в результате изгиба плоской поверхности вокруг параллельной ей оси) и в продольном разрезе имеет такой же вид, как и стенка канала с круглым поперечным сечением (ср. фиг.4 и фиг.1, 2). В поперечном сечении внутренняя поверхность стенки канала имеет вид отрезков двух параллельных прямых, которые можно видеть в правой части фиг.4. Ширина Н канала должна быть намного больше максимального расстояния h между планарными поверхностями 18. Распространение заряженных частиц в направляющей структуре с таким каналом происходит аналогично описанному выше для структуры с каналом круглого поперечного сечения, с той разницей, что пучок в канале имеет не круглую, а ленточную форму, и колебания частиц при их движении вдоль канала происходят относительно плоскости симметрии, проходящей посредине между двумя поверхностями 18. Две части 14 стенки канала по фиг.4 могут быть соединены боковыми стенками или поддерживающими элементами 10, показанными на фиг.4 штриховыми линиями.
Выполнение направляющей структуры, иллюстрируемое фиг.4, эквивалентно описанному выше, иллюстрируемому фиг.1 и 2, с точки зрения любого из видов технического результата, обеспечиваемых предлагаемыми изобретениями, относящимися к способу преобразования пучка заряженных частиц и направляющей структуре для его осуществления, если в условиях (1), (2) и соответствующем им неравенстве (2*), приведенном выше, заменить радиус r на половину расстояния h между планарными поверхностями 18 во входном сечении. Сказанное относится также к выполнению направляющей структуры во всех описываемых ниже частных случаях.
Канал, как обычно имеет место в средствах подобного назначения, является протяженным, т.е. аспектное отношение канала (отношение его длины к диаметру входного отверстия) велико (первый из указанных размеров больше второго, по меньшей мере, на порядок). Сказанное относится также к соотношению входного и выходного диаметров. Изображения на приведенных чертежах с этой точки зрения условны.
В частном случае выполнения направляющей структуры, показанном на фиг.5, она снабжена дополнительным участком 21 с каналом для транспортирования ускоренных заряженных частиц, имеющим стенку, выполненную из материала, способного к электризации (предпочтительно использовать такой же материал, как и для канала 1 направляющей структуры, в который непосредственно вводится исходный пучок частиц). Внутренняя поверхность этой стенки в поперечном сечении имеет такую же форму, как и в канале 1, фиг.1 или в канале 11, фиг.4 для транспортирования ускоренных заряженных частиц исходного пучка, а размеры этого поперечного сечения постоянны по длине дополнительного участка 21. Стенка канала дополнительного участка 21 со стороны его входа имеет плавное сопряжение и соединена со стенкой канала 1 для транспортирования ускоренных заряженных частиц исходного пучка в его выходном конце (сечение, соответствующее положению выходного торца канала 1, которое этот торец занимал бы при отсутствии дополнительного участка, показано на фиг.5 позицией 17, а упомянутое плавное сопряжение - позицией 22). Выходной конец канала дополнительного участка свободен. В силу необходимости упомянутого плавного сопряжения внутренний диаметр канала дополнительного участка в показанном на фиг.5 случае несколько меньше диаметра выходного отверстия 3 канала 1 (это отверстие находится в торце 7, фиг.1, которому соответствует сечение 17 на фиг.5).
Характер движения частиц в канале дополнительного участка аналогичен описанному выше и иллюстрируемому фиг.3. Наличие дополнительного участка с каналом, размеры поперечного сечения которого постоянны по длине канала, позволяет управлять формой выходного пучка, подбирая длину этого участка. В зависимости от этой длины, последнее сгущение пучка частиц может находиться на разных расстояниях от выходного отверстия канала дополнительного участка, и выходной пучок может быть квазипараллельным, сходящимся или расходящимся. Кроме того, положение сгущений и разрежений можно регулировать, изменяя энергию частиц, используя для этого управляемый источник исходного пучка частиц (при этом изменяется длина периода колебательного движения частиц, иллюстрируемого фиг.3). Например, это можно сделать путем изменения ускоряющего напряжения, если в источнике используется электростатический принцип ускорения. В итоге может быть реализовано прецизионное управление параметрами выходного пучка.
Аналогичная возможность может быть реализована и без дополнительного участка, но наличие дополнительного участка предоставляет не только эту, но и другие возможности.
Так, в предлагаемой направляющей структуре с дополнительным участком последний может быть выполнен изогнутым или гибким, по крайней мере, на части своей длины (гибким может быть устройство даже при изготовлении его из стекла при малом внешнем размере в поперечном направлении). Такая направляющая структура для управления заряженными частицами, например электронами, может использоваться в терапии злокачественных новообразований и других патологий, а также в стереотаксической лучевой хирургии для транспортирования заряженных частиц в область воздействия, в том числе непосредственно в патологический очаг. Частицы могут вводиться как через поверхность тела пациента, так и с помощью иглообразного зонда, в который встроена предлагаемая направляющая структура. Благодаря выполнению ее дополнительного участка гибким возможно введение его в полости тела пациента через естественные отверстия.
В зависимости от специфики избранного метода лучевого воздействия выходящий из устройства пучок может быть сфокусированным или расходящимся, в том числе изменяющим свою форму в процессе лечебной процедуры. При этом изменение его формы может быть осуществлено, как отмечено выше, простым изменением ускоряющего напряжения в источнике частиц.
Подобные устройства весьма дешевы и могут работать при малой (порядка 1 Вт) мощности пучка.
В выходном торце дополнительного участка 21 может быть установлена мишень 31 (прострельный анод) (см. фиг.6) для возбуждения в ней рентгеновского излучения падающим на нее электронным пучком (в этом случае исходный пучок заряженных частиц, вводимых в направляющую структуру, должен быть пучком электронов). В этом случае воздействие на патологический очаг может осуществляться рентгеновским излучением.
Если внутренняя поверхность канала дополнительного участка 21 (фиг.7) в его выходном конце возле выходного торца покрыта материалом мишени 41, направляющая структура тоже становится источником рентгеновского излучения, возбуждаемого под воздействием на материал мишени электронов транспортируемого по каналу пучка. При размещении покрытой материалом мишени 42 в выходном конце канала дополнительного участка 21 не непосредственно возле выходного торца, а на некотором удалении от него (фиг.8), в свободной от покрытия выходной части канала (от места покрытия вплоть выходного торца) рентгеновское излучение распространяется с многократным полным внешним отражением. В этом случае может быть получен "карандашный" пучок рентгеновского излучения с весьма малым поперечным размером (вплоть до десятков нанометров), определяемым поперечным размером канала. Этот размер может быть меньше размера излучающего пятна на аноде традиционной микрофокусной рентгеновской трубки, так как последний даже при малом размере фокусного электронного пятна на аноде определяется длиной свободного пробега электронов в материале анода, имеющей порядок 1 микрон.
При осуществлении воздействия на патологический очаг извне возможно механическое сканирование выходящего из устройства пучка (пучка заряженных частиц или рентгеновского пучка, в зависимости от того, реализованы ли описанные выше особенности выполнения выходной части канала дополнительного участка) путем изгиба этого участка с помощью электромагнитных или пьезоэлектрических сил. Направляющая структура с возможностью такого сканирования имеет и другие области применения.
Указанное выполнение устройства иллюстрируется фиг.9 и фиг.10. Левая по фиг.9, 10 часть устройства (включая левую часть дополнительного участка 21) закреплена неподвижно, а гибкая правая часть 44 свободна и может совершать колебания под действием электромагнитных (фиг.9) или пьезоэлектрических (фиг.10) сил. Для этого на правой части дополнительного участка 21 по фиг.9 или фиг.10, соответственно, закреплены пара ферромагнитных элементов 45 или пьезоэлектрических изгибных элементов 46 (либо две таких пары, установленные ортогонально по отношению друг к другу). Ферромагнитные элементы пары по фиг.9 размещены между полюсами электромагнитной системы 48. Последняя подсоединена к источнику 49 управляющих сигналов, а пьезоэлектрические элементы 46 на фиг.10 - к источнику 50 управляющих сигналов. При таком выполнении можно осуществлять сканирование пучка, формируемого каналом дополнительного участка, в одном или двух взаимно ортогональных направлениях.
1
1
1
пр1
1
Во всех случаях использования направляющей структуры с гибким дополнительным участком, в том числе при наличии средств управляемого изгиба по фиг.9, 10, недопустим изгиб канала дополнительного участка со слишком малым радиусом R кривизны его продольной осевой линии (см. фиг.9, 10, где показан этот радиус). Для обеспечения прохождения пучка по дополнительному участку без потерь изгиб должен соответствовать ограничению, вытекающему из условия (3), связывающего радиус R c наибольшей энергией Е и зарядом Q частиц, для работы с которыми предназначена данная направляющая структура, и включающего также наименьшую толщину d стенки канала дополнительного участка, электрическую прочность U материала его стенки и радиус r (см. фиг.5) поперечного сечения внутренней поверхности этого канала:
Выполнение предлагаемой направляющей структуры, аналогичное описанным выше частным случаям, может быть использовано также в лучевой медицинской диагностике, в частности, для получения фазоконтрастного изображения объекта, содержащего элементы с малым атомным номером, например, в маммографии и при диагностике заболеваний других органов, имеющих мягкие ткани. В таких случаях применяют сфокусированные пучки и совместно с предлагаемой направляющей структурой используют средство для транспортирования вторичного излучения к детектору. Это средство должно иметь фокус, совмещенный с областью фокусирования выходного пучка предлагаемой направляющей структуры. При этом возможно использование как непосредственно заряженных частиц, например электронов, так и рентгеновского излучения, в которое трансформируется электронный пучок, воздействующий на материал при описанных выше частных случаях выполнения.
Предлагаемая направляющая структура в сочетании с источником электронов может быть использована в составе рентгеновской трубки или оптической системы электронного микроскопа. В обоих случаях осуществляется фокусирование выходного пучка. При этом фокусирование осуществляется соответственно на аноде рентгеновской трубки или исследуемом объекте. Как уже отмечалось, размер фокусного пятна может быть значительно меньше поперечного сечения канала в выходном торце. В обоих случаях может осуществляться также сканирование фокусного пятна при использовании, например, схем, аналогичных приведенным на фиг.9 и 10.
При использовании предлагаемого устройства в составе электронного микроскопа последний может работать как в режиме сканирования, так и "на просвет".
Аналогичные рассмотренным технические решения могут быть применены также в протонном и ионном микроскопах.
При фокусировании формируемого выходного электронного пучка в различных точках внутри исследуемого образца с помощью предлагаемой направляющей структуры может быть реализована функция электронного микрозонда. В этом случае изменение положения фокуса по двум пространственным координатам может быть осуществлено с помощью схем, аналогичных приведенным на фиг.9 и фиг.10, а по третьей координате - путем изменения расстояния фокусной точки от выходного торца путем изменения ускоряющего напряжения в источнике электронов.
Выполнение приведенных выше условий (1), (2), (2*), а также условий (3) и (3*), как правило, не встречает трудностей. На практике целесообразно использование усиленных условий, в которых, в отличие от перечисленных, левые части неравенств меньше правых в 5÷10 раз.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1064792, опубл. 15.01.1985.
2. Патент США №4,079,285, опубл. 14.03.1978.
3. Патент Российской Федерации на полезную модель №34056, опубл. 20.11.2003.
4. Патент Российской Федерации на полезную модель №45199, опубл. 27.04.2005.
5. Патентная заявка Японии №2005-185522, опубл. 11.01.2007.
6. К.А.Вохмянина. Управление пучками положительных ионов с помощью диэлектрических каналов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, с.19-21. Москва, МГУ, 2007.
7. F.F.Komarov, A.S.Kamyshan, Cz.Karwat. A fine structure in angular distributions of protons transmitted through insulating capillaries. "Vacuum", 83 (2009), p.51-53.
8. Электреты. Под ред. Г.Сесслера, М.: "Мир", 1983, с.32-54.
9. Справочник по электротехническим материалам. Под редакцией Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. Том 2, с.207, рис.22-11. М.: Энергоатомиздат, 1987.