СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
CHARGED PARTICLE SPECTROMETER

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения энергетического спектра импульсно-периодических и непрерывных пучков заряженных частиц.
Известно устройство для измерения энергетического спектра импульсных пучков заряженных частиц, содержащее последовательно расположенные металлические фольги, которые через одну подключены к накопительным конденсаторам, а расположенные между ними остальные фольги заземлены, причем неподключенные к фольгам вторые выводы конденсаторов также заземлены (авторское свидетельство SU №550884, «Спектрометр заряженных частиц», опубликовано 05.01.1978).
Известное устройство работает за счет торможения импульсного пучка заряженных частиц и накопления зарядов в сигнальных фольгах. Зная заряд, накопленный на сигнальных фольгах, можно по известным соотношениям восстановить энергетический спектр заряженных частиц.
Недостатком данного устройства является то, что с помощью данной схемы возможна работа только с импульсным пучком заряженных частиц. При попадании на пластины импульсно-периодического, состоящего из субнаносекундных электронных сгустков, или непрерывного пучка происходит накопление зарядов на пластинах конденсаторов и растет напряжение до момента пробоя и выхода конденсатора из строя. Данное устройство не дает возможности проведения измерений спектра импульсно-периодического или непрерывного пучка заряженных частиц в режиме реального времени.
Также известно устройство, содержащее последовательно расположенные металлические фольги, полностью покрытые диэлектрической пленкой, и накопительные емкости, имеющие отдельные разъемы для снятия зарядовых характеристик (патент RU №2581728, «Фольговый зарядовый спектрограф», опубликован 20.04.2016).
Известное устройство работает за счет торможения пучка ускоренных электронов и накопления заряда в фольгах. Общая толщина фольг подбирается из условия равенства экстраполированному пробегу электронов максимальной энергии. Измеренный заряд, который накапливается в фольгах, путем восстановления позволяет определить энергетический спектр пучка заряженных частиц. Каждая фольга покрыта диэлектрической пленкой. Нанесение диэлектрической пленки служит для уменьшения погрешности измерений, вызванной вторичной эмиссией электронов с фолы и наличием объемных зарядов в воздухе.
Недостатком данного устройства также является то, что с помощью данной схемы невозможна работа с импульсно-периодическим или непрерывным пучком заряженных частиц, так как происходит накопление зарядов на пластинах конденсаторов и растет напряжение до момента пробоя и выхода конденсатора из строя. Данное устройство также не дает возможности проведения измерений спектра заряженных частиц в режиме реального времени.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному спектрометру заряженных частиц (Архипов О.В., Бобылева Л.В., Бруданин В.Д. и др. Сообщения объединенного института ядерных исследований Дубна, Измерение энергии сильноточного замагниченного пучка электронов в ЛИУ, 1990).
Известное устройство содержит набор титановых фольг (поглощающих элементов), изолированных между собой с помощью керамических шайб. Весь пакет фольг стягивается с помощью изолированных шпилек. Все фольги нагружены на одинаковые низкоиндуктивные шунты, составленные из параллельно включенных резисторов типа ТВО. Сигналы с шунтов выводятся по кабельным линиям и поступают на линейку аттенюаторов с согласованными сопротивлениями входов и различными коэффициентами деления. Сигналы ослабляются и через линию задержки с дискретным ручным переключением подаются на вход зарядово-цифрового преобразователя. Далее сформированные сигналы передаются на осциллограф и визуализируются на экране. По результатам этих измерений восстанавливается энергетический спектр пучка заряженных частиц.
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, является то, что между поглощающими элементами имеются паразитные емкостные связи, и импульсно-периодические пучки заряженных частиц с субнаносекундными длительностями импульсов будут вносить большие погрешности в измерения, так как между соседними поглощающими элементами, образующими высокочастотные контуры, будут возникать паразитные колебания.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, позволяющего производить измерение распределения зарядов в поглощающих элементах и восстановление энергетических спектров имлульсно-периодических и непрерывных пучков заряженных частиц с высокой точностью.
Техническим результатом настоящего изобретения является подавление высокочастотных гармоник в регистрируемом сигнале при сохранении возможности определять распределение напряжений на поглощающих элементах с последующим восстановлением энергетического спектра заряженных частиц в режиме реального времени.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в спектрометре заряженных частиц, содержащем расположенные последовательно по ходу распространения пучка электропроводящие поглощающие элементы, изолированные друг от друга, и систему регистрации и обработки импульсов напряжения, причем суммарная толщина поглощающих элементов находится в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов, согласно изобретению новым является то, что каждый поглощающий элемент подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора, при этом система регистрации и обработки подключена к незаземленному выводу резистора.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство, где:
1 - электропроводящие поглощающие элементы;
2 - сглаживающий интегрирующий RC-фильтр;
3 - аналогово-цифровой преобразователь;
4 - контроллер;
5 - персональный компьютер с программным обеспечением.
На фиг. 2 показано распределение напряжений на электропроводящих поглощающих элементах.
На фиг. 3 показан восстановленный энергетический спектр пучка заряженных частиц.
Спектрометр заряженных частиц включает в себя набор электропроводящих поглощающих элементов 1, каждый из которых подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр 2, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора. Общая толщина электропроводящих поглощающих элементов немного превышает величину экстраполированного пробега заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов. Это делается для того, чтобы обеспечить полное поглощение всех заряженных частиц в поглощающих элементах. Незаземленные выводы резисторов RC-фильтров подключены к входам многоканального аналогово-цифрового преобразователя 3, чьи выходы соединены с входами многоканального контроллера 4. Выход контроллера подключен на вход персонального компьютера 5.
Устройство работает следующим образом. Во время генерации импульсно-периодический пучок заряженных частиц с субнаносекундной длительностью импульсов последовательно проходит через каждый электропроводящий поглощающий элемент сборки. При этом заряженные частицы теряют часть своей кинетической энергии и тормозятся в поглощающих элементах, вызывая протекание тока через резисторы RC-фильтров.
Сглаживающий интегрирующий RC-фильтр пропускает постоянную составляющую и отсекает высокочастотные пульсации напряжений, возникающие на поглощающих элементах в результате прохождения сгустков импульсно-периодического пучка заряженных частиц с субнаносекундными длительностями импульсов.
Благодаря наличию конденсатора в каждом фильтре, устанавливается равновесие между зарядом, накопленным на конденсаторе и зарядом, стекающим через резистор на землю, несмотря на импульсно-периодическую временную структуру пучка.
Номиналы резисторов, используемых в сглаживающем интегрирующем RC-фильтре, выбираются исходя из ожидаемых значений токов и требуемых напряжений на пластинах. Номиналы конденсаторов выбираются так, чтобы обеспечить постоянную времени разряда, намного большую периода следования сгустков в импульсно периодическом пучке заряженных частиц на самой низкой частоте работы ускорителя.
Регистрируемые напряжения на поглощающих элементах снимаются с незаземленных выводов резисторов RC-фильтров и поступают на входы многоканального аналогово-цифрового преобразователя 3. Оцифрованные сигналы поступают на входы многоканального контроллера 4, и затем объединенный сигнал с выхода контроллера подается на вход персонального компьютера 5. На компьютере, с помощью программного обеспечения, полученные сигналы визуализируются и восстанавливаются в энергетический спектр заряженных частиц. Сигналы с поглощающих элементов усредняются контроллером по десяти измерениям для компенсации помех, что обеспечивает повышение точности измерений.
Полный опрос всех n поглощающих элементов с усреднением по десяти измерениям происходит менее чем за 0.1 секунды, что позволяет реализовать работу предложенного спектрометра заряженных частиц в режиме реального времени. Это существенно расширяет функциональные возможности по настройке и работе ускорителей заряженных частиц и дает возможность контролировать рабочие параметры ускорителя, такие как энергетический спектр и ток пучка заряженных частиц.
Пример исполнения устройства. Изготовлен спектрометр заряженных частиц, содержащий в качестве поглощающих элементов 23 изолированные алюминиевые пластины размером 100×100 мм и толщиной 0.15 мм с воздушным зазором 2 мм между каждой парой пластин. Пластины изолированы между собой с помощью диэлектрических шайб и стянуты между собой изолированными шпильками. На пластины под прямым углом подавался импульсно-периодический пучок ускоренных электронов со средней энергией 1.5 МэВ, длительностью сгустка 1 нс и периодом следования сгустков 10 нс. На фиг. 2 изображено распределение напряжений по алюминиевым пластинам. На фиг. 3 приведен восстановленный энергетический спектр пучка ускоренных электронов со средней энергией 1.5 МэВ.