Ускоритель высокоскоростных твёрдых микрочастиц

Полезная модель относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц.
Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц, основанный на ускоряющей системе Слоуна - Лоуренса, состоящий из инжектора, линейного ускорителя, двух индукционных датчиков, цилиндрических электродов, источника фиксированного напряжения, усилителей, селектора скоростей, генератора управляемой частоты и мишени (Слеттери, Беккер, Хамерменш, Рой. Линейный ускоритель для моделирования микрометеоритов. (Приборы для научных исследований., 1973, т. 44, №6.).
Недостатки данного изобретения:
1. данный ускоритель имеет большие габариты, так как каждая последующая труба дрейфа имеет большую длину по сравнению с предыдущей;
2. данный ускоритель имеет узкий диапазон удельных зарядов усоряемых частиц, так как напряжение на трубках дрейфа является функцией скорости частицы на входе ускорителя, а удельных заряд частицы входит в расчетную модель как константа;
3. вследствие неодинаковости коэффициентов усиления зарядочуствительных усилителей (их коэффициенты усиления имеют погрешность настройки), скорость микрочастиц измеряется также с большой погрешностью.
Известен ускоритель высокоскоростных твердых частиц с автоподстройкой функции распределения частиц по радиусу (Патент на изобретение №2451434 опубликован 20.05.2012). Ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, согласно изобретению между второй парой индукционных датчиков и первым цилиндрическим электродом установлены четыре параллельных электрода, каждый из которых связан с блоком подачи напряжения на электроды, мишень выполнена из стекла, на поверхности которого нанесена пленка люминофора, а с обратной стороны его установлена ПЗС - матрица, соединенная с блоком обработки данных с ПЗС матрицы, которое управляет блоком подачи напряжения на электроды.
Недостатки данного изобретения является неодинаковости коэффициентов усиления зарядочуствительных усилителей (их коэффициенты усиления имеют погрешность настройки), скорость микрочастиц измеряется также с большой погрешностью.
Наиболее близким прототипом является ускоритель высокоскоростных твердых частиц с коррекцией вектора скорости (Патент на изобретение №2593594 опубликован 10.08.2016). Ускоритель высокоскоростных твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, блок подачи напряжения на электроды, цилиндрические электроды, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, мишень, согласно изобретению в ускоритель введен блок контроля и селектор координат, при этом блок контроля соединен к селектору координат, который подсоединен к генератору изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке.
Недостатком данного изобретения является то, что для измерения скорости ускоряемой микрочастицы используется индукционные датчики, к сигналы с которых измеряются двумя неодинаковыми усилителями, а это может привести к ошибки измерения скорости микрочастицы.
Поставлена задача - устранить неодинаковость параметров усилителей, подключенных к индукционным датчикам, что позволит уменьшить погрешность измерения скорости микрочастиц, повысить точность формирования напряжения на трубках дрейфа и повысить КПД ускорителя.
Поставленная задача достигается тем, что ускоритель высокоскоростных твердых микрочастиц, содержащий инжектор, индукционные датчики, линейный ускоритель, источник фиксированного высокого напряжения, цилиндрические электроды, селектор скоростей, селектор удельных зарядов, блок подачи напряжения на электроды, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке, блок сопряжения, электронно-вычислительную машину, усилитель пачки импульсов переменной длительности, каскадный генератор, мишень, состоящую из люминофора, нанесенного на стекло, ПЗС матрицы, согласно изобретению каждый индукционный датчик состоит из двух больших электродов и двух малых электродов, закрепленных на диэлектрической вставке, экранирующего кольца, прикрепленного к держателю кольца, которое прикреплено к диэлектрической вставке, экрана, расположенного поверх диэлектрической вставки, при этом дополнительно введены усилители малых электродов и больших электродов, решающие устройства, каждый большой электрод индукционных датчиков соединен с входом соответствующего усилителя больших электродов, малые электроды одного индукционного датчика соединены общим проводом с входом усилителя малых электродов, выходы усилителей больших электродов и усилителя малых электродов индукционного датчика соединены с решающими устройствами, выход решающих устройств, соединенных с усилителями первого индукционного датчика, соединен с селектором удельных зарядов, выход решающих устройств, соединенных с усилителями второго индукционного датчика, соединен с селектором удельных зарядов и селектором скоростей, выход третьего индукционного датчика соединен с генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображен общий вид ускорителя совместно с обслуживающей аппаратурой;
на фиг. 2 изображена конструкция индукционного датчика.
Устройство содержит инжектор 1, индукционные датчики 2, усилители малых электродов 3, усилители больших электродов 4, решающее устройство 5, линейный ускоритель 6, источник фиксированного высокого напряжения 7, четыре параллельных электрода 8, селектор скоростей 9, селектор удельных зарядов 10, блок подачи напряжения на электроды 11, цилиндрические электроды 12, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13, блок сопряжения 14, электронно-вычислительную машину 15, усилитель пачки импульсов переменной длительности 16, каскадный генератор 17, блок обработки данных с ПЗС матрицы 18, мишень, состоящую из люминофора 19, нанесенного на стекло 20, ПЗС матрица 21. При это индукционный датчик 2 состоит из больших электродов 22, металлического экрана 23, диэлектрической вставки 24, малых электродов 25, экранирующего кольца 26, держателя кольца 27.
Каждый большой электрод 22 индукционных датчиков 2 соединен с входом соответствующего усилителя больших электродов 4, малые электроды 25 одного индукционного датчика 2 соединены между собой и общим проводом соединены с входом усилителя малых электродов 3. Выходы усилителей больших электродов 4 и усилителя малых электродов 3 одного индукционного датчика соединены с решающими устройствами 5, выход которых соединен с входом селектора скоростей 10, выход селектора скоростей 10 и выход селектора удельных зарядов 9 соединены с входами генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13, выход генератора изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13 соединен с первым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 16, выходы которого соединены с цилиндрическими электродами 12, выход каскадного генератора 17 соединен со вторым входом усилителя пачки импульсов переменной длительности 16, генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13 соединен с входом блока сопряжения 14, который соединен с электронно-вычислительной машиной 15.
0
Устройство работает следующим образом. Инжектор 1 генерирует заряженные частицы в заданном диапазоне масс с частотой порядка 1 Гц. Заряженная частица последовательно проходит первый индукционный датчик 2, линейный ускоритель 6, второй индукционный датчик 2, цилиндрические электроды 12, третий индукционный датчик 2 и попадает на люминофор 19. Первая пара индукционных датчиков 2 и линейный ускоритель 6 предназначены для определения параметров частицы (удельного заряда Q/m и начальной скорости V). При пролете высокоскоростной микрочастицы индукционного датчика на большой и малый электроды наводится заряд согласно теоремы Рамо-Шокли, при этом для усиления сигнала с малых электродов используется один усилитель, что позволяет получить на выходе усилителя малых электродов 3 импульс напряжения в виде сигнала с двумя вершинами, при этом каждая из вершин сигнала соответствует пролету микрочастицей середины малого электрода. Для того, чтобы высокоскоростная микрочастица одновременно не наводила заряд на оба малых электрода и оба больших электрода используется экранирующее кольцо 26. Расстояние на временной шкале между двумя этими вершинами будет обратно пропорционально скорости микрочастицы. Для того чтобы разделить в дальнейшим этот сигнал на два различных входа используются, решающие устройства 5, работающие по схеме логического "И", на один из входов которого поступает сигнал с усилителя малых электродов 3, а на второй вход сигнал с одного из усилителей больших электродов 4. По поступающим с индукционных датчиков сигналов селектор скоростей 9 и селектор удельных зарядов 10 формируют на своих выходах цифровой код начальной скорости частицы и код ее удельного заряда. В селекторе скоростей 9 измеряются временные интервалы пролета частицей индукционных датчиков. Пройдя через линейный ускоритель 6, частица получает приращение скорости. По данным кодам начальной скорости и удельного заряда в генераторе изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13 формируется пачка импульсов, которая создает ускоряющее поле между каждой парой электродов 12. Данное поле меняется во времени соответственно положению частицы в ускоряющем тракте. Параметры пачки выбираются из ряда данных для формирования импульсов, заранее заложенных в генератор изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13 с ЭВМ 15. Усилитель пачки импульсов переменной длительности 16 усиливает сформированные генератором изменяемых во времени частоты и длительности импульсов в пачке 13 импульсы. Усиленные импульсы поступают на цилиндрические электроды 12. Затем уже ускоренная частица попадает на мишень и весь процесс повторяется. ЭВМ 15 производит сбор статистики эксперимента и динамическое управление ускорителем. Удар микрочастицы по мишени, состоящей из люминофора 19 вызывает свечение в месте удара, который регистрируется с помощью ПЗС матрицы 21. По информации полученной с ПЗС происходит выработка управляющих импульсов в блоке обработки данных с ПЗС 18, и происходит изменение напряжения на четырех электродах с помощью блока подачи напряжения на электроды 11, согласно формуле:
1
2
0
где U1, U2, U3, U4 - потенциалы, подаваемые на четыре электрода, k, k - постоянные коэффициенты, U - постоянное напряжение на электродах, ΔХ - отклонения по оси 0Х места попадания частицы по мишени от центральной оси ускорителя, выработанное блоком обработки данных с ПЗС матрицы 18, ΔY - отклонения по оси 0Y места попадания частицы по мишени от центральной оси ускорителя, выработанное блоком обработки данных с ПЗС матрицы 18, где оси 0Х и 0Y расположены взаимно перпендикулярно друг к другу и перпендикулярны центральной оси ускорителя.
По данным полученным с третьего индукционного датчика 2 оценивается на сколько увеличилась скорость частицы относительно скорости частицы, измеренной с помощью второго индукционного датчика 2.
Регулировка заканчивается, когда частицы начнут попадать точно в центр мишени.
Техническим результатом является повышение эффективности работы ускорителя за счет уменьшение погрешности измерения скорости микрочастиц путем использования одного усилителя вместо двух в индукционных датчиках, и это приводит к повышению точности формирования напряжения на трубках дрейфа и повышению КПД ускорителя.