УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ ПРОТОННЫХ ПУЧКОВ УСКОРИТЕЛЕЙ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Полезная модель относится к области измерительной аппаратуры для ионизирующих излучений и непосредственно к измерению профилей протонных пучков ускорителей высоких энергий.
Под профилем пучка подразумевается функция распределения числа частиц по сечению пучка в двух ортогонально-выбранных направлениях, которые позволяют определить интенсивность и размеры пучка, его форму, распределения плотности частиц по сечению, положение центра тяжести, горизонтальный и вертикальный эмиттанс и т.п., а соответствующий прибор называется профилометр.
Профилометры широко используются в ускорительной технике, с помощью которых ведется настройка и контроль за параметрами пучков как во время процесса их ускорения, так и после вывода и использования их для экспериментов или облучения.
Известно большое количество профилометров разной конструкции и назначения, в которых используются различные физическо-химические процессы для преобразования информации от энергетических заряженных частиц к информационному носителю, используемые на ускорителях: В.Д. Москалев, Г.И. Сергеев «Измерение параметров пучков заряженных частиц», Энергоатомиздат, 1981 [1], Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 [2].
В качестве аналога рассмотрен профилометр, описанный в патенте РФ №2341919 [3], работающий на основе «Способа измерения профиля пучка на ускорителях», предложенный в ИФВЭ, г. Протвино. В устройстве-аналоге используется «неподвижная измерительная мишень и детектор вторичного излучения. Перемещение пучка обеспечивается с помощью нарастающего во времени магнитного поля, создаваемого изменением тока в отклоняющих магнитах».
Недостатком устройства-аналога является сложность устройства из-за необходимости использования магнитного поля для отклонения пучка, а также невозможность использования профилометра в режиме реального времени (online).
В качестве прототипа выбрано «Устройство для измерения профилей пучков ускорителей заряженных частиц» (А.С. №1101009 приоритет от 30.06.1982) [4].
Устройство-прототип состоит из четырех основных функциональных частей:
- измерителя протонного пучка;
- приемника-преобразователя информации;
- узла передачи информации от измерителя к приемнику-преобразователю;
- регистратора параметров.
В прототипе:
- В качестве измерителя протонного пучка использована система из двух ортогонально-перемещающихся датчиков из полупроводниковых пластин на основе селена.
- В качестве приемника-преобразователя использован усилитель тока.
- В качестве устройства передачи информации от измерителя к приемнику-преобразователю использованы линии электрической связи, аналоговые усилители, трансформаторы, преобразователи типа АЦП и т.п.
- В качестве регистратора используется система контрольных приборов на основе цифровой техники и визуальных экранов.
Устройство-прототип работает следующим образом. Измеритель, состоящий из двух ортогонально-перемещающихся перпендикулярно оси протонного пучка датчиков из полупроводникового материала, находясь в поле измеряемого протонного пучка, вырабатывает электрические сигналы, пропорциональные числу протонов, попадающих на датчики. Эти сигналы через устройство передачи информации по линиям электрической связи с использованием усилителей, АЦП и т.п. поступают в приемник-преобразователь, состоящий из усилителей тока. После этого сигналы поступают в регистратор для сбора информации и ее визуализации.
Недостатком прототипа является сложность устройства, невысокая чувствительность (из-за попадания на датчик только малой части пучка), большое время измерения профилей (из-за механического перемещения датчиков) и невозможность работы профилометра в режиме реального времени (onlin), т.к. в процессе измерения пластины измерителя перекрывают часть пучка и препятствуют использованию пучка по назначению (т.е. проведение на пучке экспериментов, лечение больных и т.п.)
Задачей данной полезной модели является создание простого надежного и высокочувствительного устройства для измерения профилей протонных пучков ускорителей высоких энергий, которое может надежно работать в режиме реального времени (online) с ускорителем, регистрируя необходимые параметры профиля выведенного пучка и не препятствуя использованию пучка по его прямому назначению.
Технический эффект достигается за счет того, что в известном устройстве для измерения протонных пучков ускорителей высоких энергий, включающем измеритель протонного пучка, приемник-преобразователь информации, узел переноса информации от измерителя к приемнику-преобразователю и регистратор параметров информации, новым является то, что в качестве измерителя протонного пучка использован сцинцилляционный экран на основе оксисульфида гадолиния (Gd202S), нанесенный на подложку из алюминия или оргстекла, и в качестве приемника-преобразователя информации использована КМОП-матрица, а узел переноса информации от измерителя к приемнику-преобразователю выполнен в виде зеркала и оптического фокусирующего устройства-объектива, причем зеркало расположено под углом 45° к оси распространения пучка, а оптическое фокусирующее устройство-объектив расположено по оси отраженного под углом 45° к плоскости зеркала луча, и в качестве регистратора параметров и профилей использован компьютер, связанный с приемником-преобразователем.
Положительный эффект заключается в использовании измерителя, работающего на принципе визуализации изображения протонного пучка на сцинциляционном экране, использование в качестве приемника-преобразователя полупроводниковой светочувствительной матрицы и пространственного разнесения экрана и приемника-преобразователя с целью удаления полупроводниковой матрицы от радиационного воздействия измеряемого пучка с использованием между ними узла передачи информации, состоящего из зеркала и оптического фокусирующего устройства.
Таким образом, в заявляемом устройстве все четыре составные функциональные узлы, указанные в прототипе, заменяются узлами, работающими по новым физическим принципам, в результате чего предлагаемое устройство и приобретает новые положительные характеристики.
Сущность предлагаемого устройства поясняется схемой, фиг. 1.
1 - Измеряемый пучок протонов высокой энергии.
1-A - Пучок протонов, прошедший сквозь профилометр.
2 - Измеритель протонного пучка - сцинтилляционный экран из оксисульфида гадолиния, расположенный перпендикулярно оси распространения пучка.
2-A - Подложка экрана.
3 - Зеркало, расположенное под углом 45° к оси пучка OY.
4 - Путь передачи изображения от зеркала 3 к объективу 5.
5 - Оптическое фокусирующее устройство, объектив.
(3, 4, 5 - узел переноса информации).
6 - Приемник-преобразователь изображения - КМОП-матрица.
7 - Каретки для передвижения объектива 5 и приемника 6.
8 - Связь приемника-преобразователя 6 с компьютером 9.
9 - Компьютер.
10 - Кожух.
11 - Измерительное помещение.
OXY - Координатные оси.
Предлагаемое устройство, фиг. 1, состоит из измерителя протонного пучка в виде сцинциллятора 2, нанесенного на подложку 2A, и ориентированного перпендикулярно оси пучка OY, зеркала 3, расположенного под углом 45° к оси пучка OY, фокусирующего устройства (фотообъектива) 5, расположенного по оси отраженного под углом 45° к плоскости зеркала луча, и приемника-преобразователя изображения 6, в качестве которого использована КМОП матрица, и персонального компьютера 9, сочлененного с приемником 6 связью 8. Все элементы профилометра заключены в кожух 10.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Высокоэнергетичный пучок протонов ускорителя 1, распространяясь вдоль оси OY, проходит практически без искажения и потерь сквозь конструктивные элементы профилометра и поступает к потребителю 1A. На пути его распространения находится измеритель-сцинциллятор 2 на основе оксида гадолиния. В результате взаимодействия протонного пучка и сцинцилляционного экрана 2 на нем появляется изображение пучка. Это изображение при помощи зеркала 3, «поворачивается» на 90° - 4 и поступает на вход оптического фокусирующего устройства (объектив) 5. Изображение пучка фокусируется на приемник-преобразователь изображения 6 и через связь 8 передается в компьютер 9. Объектив 5 и приемник 6 - могут передвигаться вдоль оси OX для фокусировки и выбора размера изображения при помощи кареток 7.
Таким образом, предлагаемое устройство в отличие от прототипа состоит из четырех новых функциональных частей, работающих по новым физическим принципам.
Отметим положительные свойства предлагаемого устройства.
В качестве измерителя параметров протонного пучка использован сцинтилляционный экран с покрытием на основе оксисульфида гадолиния (Gd202S), который относится к новому перспективному классу люминофоров, используемых в томографии, рентгенографии и т.п. Его эмиссионная активность в области спектра длин волн 620-630 нм и радиационные характеристики зависимости светимости от энергии регистрируемых частиц позволяют успешно использовать его и для регистрации протонного пучка высоких энергий: Справочник химика 21 (chem. 21.info/info 3894212) [5].
В качестве приемника-преобразователя использована КМОП-матрица. Как известно: препринт 2003 г., ИПМ им. М.В. Келдеша РАН [6], матрица КМОП (комплементарный металл-оксидный полупроводник, по английски CMOS) является светочувствительным элементом, выполненным по особой технологии с использованием полевых транзисторов с изолированным затвором и каналами разной проводимости. КМОП-матрица обладает низким уровнем шумов, высоким разрешением, большим динамическим диапазоном и используется в высокоскоростных цифровых видеоустройствах различного назначения.
Чтобы защитить КМОП матрицу от повреждающего радиационного воздействия пучка измеряемых протонов, осуществлен перенос информации от измерителя-экрана к КМОП матрице при помощи зеркала, расположенного под углом 45° к оси пучка протонов и оптической системы, расположенной по оси отраженного под углом 45° к плоскости зеркала луча. Таким образом, КМОП-матрица пространственно удалена от зоны распространения пучка и радиационное воздействие на нее сведено к минимуму, что делает прибор работоспособным долгое время.
В результате использования в предлагаемом устройстве новых его составных частей, все устройство в целом приобретает новые свойства и качества.
- Прозрачность профилометра. Расположенные на пути распространения высокоэнергетичного протонного пучка сцинциллятор с подложкой и зеркало является практически прозрачными для высокоэнергетичных протонов и не препятствуют дальнейшему использованию пучка по его назначению (т.е. проведение на пучке экспериментов, лечение больных и т.п.)
- Быстродействие - время фиксации профиля пучка определяется быстродействием обработки информации КМОП-приемником и компьютером и занимает время меньше 1 с.
- В свою очередь, эти два свойства позволяют использование профилометра в режиме реального времени (online) при непрерывном режиме слежения за пучком во время работы ускорителя и позволяют введение обратной связи для стабилизации или авторегулирования параметров пучка в процессе работы ускорителя.
- Простота и надежность. Простота конструкции очевидна, а надежность достигается выбором радиационностойкого сцинциллятора на основе оксисульфида гадолиния и выноса регистрирующей электроники за пределы зоны распространения пучка путем поворота и удаления пути передачи изображения при помощи зеркала.
- Высокая точность обусловлена высокой разрешающей способностью КМОП матрицы и оптической системы.
Перечисленные преимущества предлагаемого устройства выгодно отличают его от прототипа и всех известных аналогичных устройств.
Предлагаемое устройство для измерения профилей протонных пучков прошло испытание в ФГБУ «ПИЯФ» им. Б.П. Константинова на синхроциклотроне 1000 МэВ. В таблице 1 приведены основные параметры устройства.
На Фиг. 2 показан один из «автографов» протонного пучка, полученный на макете устройства, а на Фиг. 3 - профили пучка, прошедшего через коллиматор 0100 мм.
В ФГБУ «ПИЯФ» ведутся работы по внедрению предлагаемого устройства в постоянную эксплуатацию.
Источники информации
1. В.Д. Москалев, Г.И. Сергеев
«Измерение параметров пучков заряженных частиц».
Энергоатомиздат, 1981, 236 с.
2. Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев
«Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012.
3. А.Г. Афонин, В.Г. Баранов
«Способ измерения профиля пучка на ускорителях».
Патент РФ №2341919, с приоритетом от 27.09.2006. Аналог.
4. Н.К. Абросимов, А.В. Куликов, Г.Ф. Михеев
«Устройство для измерения профилей пучков ускорителей заряженных частиц».
Авторское свидетельство СССР №1101009, от 30.06.1982. Прототип.
5. Справочник химика 21 (chem. 21.info/info 3894212).
6. А.М. Овчинников, А.А. Ильин, М.Ю. Овчинников
«Принцип работы и устройство активно-пиксельных датчиков».
Препринт 2003 г., ИПМ им. М.В. Кельдыша РАН.