СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА В ПУЧКЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
METHOD OF MEASURING CURRENT DENSITY DISTRIBUTION IN CHARGED PARTICLE BEAM

Изобретение относится к области измерений параметров пучков заряженных частиц в ускорительной технике.
Известны способы измерения распределения плотности тока в пучке заряженных частиц, при реализации которых в пучок вводят зонд в виде проволоки, перемещают его в пределах пучка, регистрируют результаты действия частиц пучка на зонд при разных положениях зонда и по этим результатам судят о распределении плотности тока в пучке [1]. При этом получают информацию об интегральном вдоль проволоки-зонда распределении.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения распределения плотности тока в пучке заряженных частиц, при реализации которого в пучок вводят зонд на проволоке-подвесе, перемещают его в пределах пучка, регистрируют результаты действия частиц пучка на зонд и проволоку-подвес при разных положениях зонда с проволокой-подвесом и по этим результатам судят о распределении плотности тока в пучке [2]. При достаточно большом соотношении между диаметром зонда и диаметром проволоки-подвеса измерения дают информацию о дифференциальном распределении плотности тока в пучке. Однако ограниченный минимальный диаметр проволоки-подвеса, а значит, и зонда позволяет проводить измерения только в пучках электронов, уже ускоренных до энергий в несколько сотен МэВ.
При измерениях в процессе ускорения электронов точность способа мала из-за возмущающего действия зонда и подвеса на ускоряемый пучок.
Целью изобретения является повышение точности измерений распределения плотности тока заряженных частиц в пучке в процессе ускорения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения распределения плотности тока в пучке заряженных частиц, заключающемся в том, что в пучок вводят зонд на подвесе, перемещают его в пределах пучка, регистрируют результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондом при разных положениях подвеса и по результатам судят о распределении плотности тока в пучке, на подвесе в пучок вводят зонд уменьшенного размера и регистрируют результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондом уменьшенного размера при положениях подвеса и зонда предыдущего размера, сравнивают результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесами и зондами и по различию результатов судят о погрешности измерения распределения плотности тока в пучке, причем при различии, большем заданного значения, регистрируют результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесами и зондами все меньших размеров и по ним судят о распределении плотности тока в пучке и его погрешности. Вводят в пучок подвес без зонда, регистрируют результат взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом при предыдущих положениях подвеса с зондом и по различию между результатами взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондом и только с подвесом судят о распределении плотности тока в пучке. Подвес выполнен в виде отдельного углеродного волокна.
-3
Малая толщина отдельного углеродного волокна (около 6-7 мкм) позволяет выполнить зонд размером до 10 мкм. Такой небольшой размер зонда, а также малая толщина углеродного волокна, малый атомный номер (z=6) и малая плотность (примерно 1,8 г·см) материала волокна обеспечивают малое возмущающее воздействие подвеса и зонда на электронный пучок даже при малых энергиях электронов, что позволяет измерять распределения плотности тока в пучке в процессе ускорения. Высокая температурная стойкость углеродного волокна в условиях высокого вакуума и выполнение зонда из материала с высокой температурой плавления позволяют проводить измерения при достаточно больших плотностях тока в пучке, при которых температура зонда еще не достигает температуры плавления материала зонда за счет теплоотдачи излучением. При этом предпочтителен материал с более низким атомным номером ввиду меньшего возмущающего действия на пучок, например медь, хром, молибден, титан, бериллий. Этим исключается искажение результатов измерения распределения плотности тока в пучке возмущающим действием зонда и подвеса на пучок.
На фиг. показано устройство для реализации предлагаемого способа.
Устройство содержит зонд 1, подвес 2 из отдельного углеродного волокна толщиной, например, 6-7 мкм, закрепленный на держателе 3, ускорительную камеру 4, расположенную в межполюсном пространстве, например, бетатрона. Против измерительного патрубка 5 с окном 6 расположен детектор 7, например, сцинтилляционный.
Способ, например, осуществляют следующим образом (фиг.).
1
Устанавливают зонд 1, например, в виде медного шара размером r=100 мкм на подвес 2. Вводят держатель 3 с подвесом 2 и зондом 1 в ускорительную камеру 4, в процессе работы ускорителя перемещают держатель 3 с подвесом 2 и зондом 1 в пучке и детектором 7 регистрируют через окно 6 патрубка 5 ускорительной камеры 4 результаты взаимодействия заряженных частиц пучка, например электронов, с зондом 1 и подвесом 2 в виде рассеянных подвесом 2 и зондом 1 и вышедших из процесса ускорения электронов пучка и возникающего при взаимодействии электронов пучка с материалом подвеса 2 и зонда 1 фотонного излучения в течение цикла ускорения при перемещении подвеса 2 и зонда 1, например, в нормальной к равновесной орбите плоскости в декартовой системе координат.
Усредняют по n циклам ускорения и получают зависимость
i
i
m
k
где X, Y - координаты i-того положения подвеса в ускорительной камере; T - m-й интервал времени от начала цикла ускорения; r - размер k-го шарообразного зонда (k=1, 2, 3, …), n - количество циклов ускорения.
1
i
i
m
1
m
1
Функцию <F(X,Y,T,r)> принимают за распределение плотности тока в пучке в момент времени T от начала цикла ускорения при использовании зонда размером r.
2
1
2
2
i
i
m
2
2
1
2
m
При необходимости оценки точности распределения плотности тока в пучке уменьшают размер зонда, например, химическим травлением до размера r<r, проводят измерения, аналогичные измерениям с предыдущим зондом, и получают функцию <F>=<F(X,Y,T,r)>. Сравнивают <F> и <F> в нормированном виде, и если различие между ними не превосходит заданную величину, то <F> принимают за распределение плотности тока в пучке в момент времени T от начала цикла ускорения.
3
2
3
3
2
3
m
k-1
k
k
Если различие превосходит заданную величину, то уменьшают размер зонда до r<r, получают <F>, сравнивают <F> и <F> в нормированном виде, и если различие между ними не превосходит заданную величину, то <F> принимают за распределение плотности тока в пучке в момент времени T от начала цикла ускорения. Если различие превосходит заданную величину, то продолжают до получения удовлетворительного различия между <F> и <F>, которое соответствует требуемой точности, и <F> принимают за распределение плотности тока в пучке.
k
0
0
i
i
m
i
i
m
k
i
i
m
k
0
i
i
m
При малых размерах зонда, когда вклад подвеса в результат взаимодействия заряженных частиц пучка с зондом и подвесом сравним с вкладом зонда, точность измерения распределения плотности тока в пучке повышается путем исключения вклада подвеса. Для этого полностью стравливают зонд, проводят измерения, аналогичные измерениям с предыдущим зондом, имеющим размер r, и получают зависимость <F>=<F(X,Y,T,0)>, а в качестве меры плотности тока в пучке используют ΔF(X,Y,T)=<F(X,Y,T,r>-<F(X,Y,T,0> в предположении аддитивности вкладов подвеса и зонда в результат взаимодействия заряженных частиц пучка с зондом и подвесом для данного ускорителя.
m
В итоге получают распределения плотности тока в пучке в разные моменты времени T цикла ускорения с необходимой точностью, которая обеспечивается малым возмущающим воздействием зонда на подвесе из отдельного углеродного волокна на пучок.
Источники информации
1. Москалев В.А., Шестаков В.Г. Контроль и измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Атомиздат, 1973, с.52.
2. Москалев В.А., Сергеев Г.И., Шестаков В.Г. Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.: Атомиздат, 1980, с.103-105.