Устройство для измерения распределения плотности энергии по сечению импульсного электронного пучка большого радиуса

Полезная модель относится к области измерений параметров пучков ускоренных заряженных частиц и может быть использована для измерения распределения плотности энергии (тока) импульсного электронного пучка большого радиуса.
Известно устройство, представленное в способе регистрации распределения плотности потока электронов по сечению импульсного сильноточного пучка («Способ регистрации распределения плотности потока электронов в сечении импульсного сильноточного электронного пучка», Патент РФ на изобретение №2006879, G01T, Богданов Л.Ю., Соминский Г.Г., опублик. 30.01.1994). Устройство включает в себя мишень-коллектор, нагреваемую электронным потоком (пучком), зеркало, отражающее тепловое излучение от облучаемой пучком поверхности мишени, выводное окно, фокусирующую излучение линзу и электронно-оптический преобразователь. Устройство основано на фиксации теплового излучения от мишени с помощью электронно-оптического преобразователя с импульсным питанием. Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная регистрацией теплового изображения (излучения) с поверхности, облучаемой электронным пучком, т.к. от импульса к импульсу воздействие пучка изменяет состояние и, соответственно, излучательную способность поверхности. Это ухудшает повторяемость результатов и разрешающую способность устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство измерения распределения плотности энергии импульсного электронного пучка (Кизириди П.П., Марков А.Б., Озур Г.Е., Фролова В.П. «Исследование распределения плотности энергии нерелятивистского сильноточного электронного пучка с помощью тепловизора» // Известия вузов. Физика, - 2014. - Т. 57, - №3/2. - С.120-123.). Устройство включает в себя мишень (коллектор), представляющую собой фольгу из нержавеющей стали. Тыльная (не облучаемая пучком) сторона фольги зачернена для увеличения коэффициента теплового излучения (коэффициента серости) до 0,9-0,95. Вывод теплового излучения из вакуумной камеры осуществляется через специальное инфракрасное окно из флюорита кальция. Регистрация распределения температуры на тыльной стороне фольги осуществляется с помощью тепловизора, расположенного сразу за окном, обеспечивающим вывод теплового излучения из вакуумной камеры. Недостаток данного устройства также заключается в низкой точности измерений, обусловленной слабым пространственным разрешением измерения теплового поля, поскольку между окончанием импульса пучка и регистрацией термограммы существует временная пауза (около 1 с), за которую происходит расплывание теплового поля. Наличие временной паузы обусловлено необходимостью защиты персонала и оборудования от тормозного рентгеновского излучения, поскольку управляемый вручную тепловизор расположен за фольгой соосно с направлением распространения пучка. Кроме этого, устройство не позволяет проследить эволюцию распределения плотности энергии пучка по мере его распространения без развакуумирования камеры.
Цель заявляемого технического решения состоит в повышении точности и расширении возможностей измерений. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения распределения плотности энергии импульсного электронного пучка, содержащем облучаемую пучком металлическую фольгу, обратная сторона которой зачернена, окно для вывода теплового излучения из вакуумной камеры и тепловизор, за фольгой установлено инфракрасное зеркало, обеспечивающее вывод теплового излучения из вакуумной камеры под углом 90° относительно направления распространения пучка, а металлическая фольга размещена на системе перемещения. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности измерений за счет устранения паузы между окончанием импульса пучка и регистрацией термограммы, поскольку в предлагаемом устройстве тепловизор расположен вне зоны действия тормозного рентгеновского излучения. Устройство позволяет без развакуумирования камеры измерить распределение энергии по сечению пучка на разных расстояниях от области формирования пучка.
Сущность заявляемого технического решения поясняется схемой, представленной на Фиг. На фланце вакуумной камеры 1, откачиваемой механическим насосом, установлен импульсный плазменный источник 2, генерирующий электронный пучок большого радиуса 3. В вакуумной камере на пути распространения электронного пучка установлена плоская металлическая (алюминиевая либо медная) фольга 4, которая натягивается специальным каркасом 5, закрепленным на системе перемещения 6. Тыльная (не облучаемая пучком) сторона фольги 4 зачернена - покрыта черной матовой термостойкой краской, что обеспечивает коэффициент излучения около 0,95. За фольгой установлено специальное серебряное инфракрасное зеркало 7, отражающее тепловое излучение 8 на угол 90° относительно направления распространения пучка. Вывод теплового излучения 8 осуществляется через инфракрасное окно 9. Измерение теплового поля металлической фольги осуществляется с помощью тепловизора 10, сигнал с которого передается на персональный компьютер. Отличие от прототипа состоит в наличии инфракрасного зеркала, которое направляет тепловое излучение в выводное окно, а также в размещении металлической фольги на системе перемещения.
Установка работает следующим образом. После откачки вакуумной камеры до рабочего давления включается источник, обеспечивающий генерацию импульсного электронного пучка. С помощью системы перемещения фольга располагается в области, где необходимо измерить распределение плотности энергии электронного пучка. Электронный пучок, попадая на фольгу, нагревает ее. Тепловое излучение, исходящее от зачерненной поверхности фольги, отклоняется инфракрасным зеркалом на угол 90° относительно направления распространения пучка и выводится из вакуумной камеры через специальное сапфировое окно, пропускающее инфракрасное излучение. Тепловое излучение регистрируется тепловизором, работающим в режиме видеосъемки. Сигнал с тепловизора передается на персональный компьютер. Термограмма пучка получается в результате вычитания термограммы фона, т.е. теплового распределения перед воздействием электронного пучка на фольгу, из термограммы зафиксированной после воздействия пучка. Инфракрасное зеркало, отклоняющее тепловое излучение на угол 90° относительно направления распространения пучка, обеспечивает защиту тепловизора и обслуживающего персонала от действия тормозного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электронного пучка с металлической фольгой, поскольку выводное окно расположено вне области интенсивного рентгеновского излучения. Система перемещения позволяет располагать металлическую фольгу на разных расстояниях от источника и тем самым проследить эволюцию распределения энергии по сечению электронного пучка.
Полезный эффект от использования предлагаемого устройства продемонстрирован в эксперименте. Использование инфракрасного зеркала, отклоняющего тепловое излучение на угол 90° относительно направления распространения пучка, обеспечило снижение интенсивности тормозного рентгеновского излучения, выходящего из вакуумной камеры через инфракрасное стекло, до уровня, не превышающего допустимой нормы 0,25 мкЗв/час, в то время как непосредственно за фольгой интенсивность составляет 50-80 мкЗв/час. Использование системы перемещения обеспечило возможность измерения распределения энергии по сечению пучка без развакуумирования камеры.