НЕРАЗРУШАЮЩИЙ ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛОМЕТР РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
NON-DESTRUCTIVE TRANSVERSAL PROFILOMETER OF A RELATIVISTIC ELECTRON BEAM

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам измерения параметров пучков ускоренных заряженных частиц.
В настоящее время измерение поперечного профиля пучка можно осуществить с помощью разрушающих и неразрушающих методов диагностики. Разрушающие методы диагностики (например, люминофорные экраны) позволяют получить наилучшее качество изображения, но существенно ухудшают электронный пучок. Неразрушающие методы диагностики (например, регистрация синхротронного излучения) либо имеют не столь высокое пространственное разрешение, либо недостаточную чувствительность, либо их применение затруднительно в силу специфических особенностей исследуемого пучка (энергия частиц, ток пучка). В любом случае следует стремиться к минимальному воздействию метода измерений на исследуемый объект и производить измерение распределения частиц в поперечном профиле пучка с высоким пространственным разрешением без искажения свойств пучка (например, эмиттанса), чего не позволяют сделать известные разработки.
Известно устройство для измерения распределения плотности энергии по сечению импульсного электронного пучка большого радиуса [п. РФ на полезную модель №175410, МПК G01T 1/29, приор. 09.08.2017 г., опубл. 04.12.2017 г.], содержащее вакуумную камеру (участок тракта проводки электронного пучка), на которой установлены источник импульсного электронного пучка (источник потока рабочего вещества) и пропускающее ИК-излучение стекло (окно), и тепловизор (регистрирующее устройство), при этом источник импульсного электронного пучка и пропускающее ИК-излучение стекло сообщены через отверстия в боковой поверхности вакуумной камеры с ее внутренней полостью. Известное устройство включает облучаемую пучком металлическую фольгу, обратная сторона которой зачернена. Фольга установлена на системе перемещения, а за фольгой установлено инфракрасное зеркало, отражающее тепловое излучение и обеспечивающее его вывод из вакуумной камеры под углом 90° относительно направления распространения пучка.
Недостатками известного устройства являются: разрушение электронного пучка на алюминиевой фольге и невозможность его дальнейшего применения, от взаимодействия ускоренных электронов с алюминиевой фольгой возникает тормозное излучение, от которого необходимо строить дополнительную биологическую защиту, невозможность работы в различных режимах, поскольку нагрева фольги может быть недостаточно для регистрации профиля, а в противном случае она вовсе может расплавиться, невозможность работы в многоимпульсном режиме, поскольку фольга не будет успевать остывать.
Известно устройство диагностики пучка частиц, описанное в изобретении под названием «Способ диагностики пучка частиц в ускорителе» [п. РФ №2212690, МПК G01T 1/29, приор. 27.07.2001 г., опубл. 20.09.2003 г.], содержащее камеру ускорителя (участок тракта проводки электронного пучка), на которой установлены источник потока рабочего вещества, окно и позиционно-чувствительный детектор (регистрирующее устройство), при этом источник потока рабочего вещества и окно сообщены через отверстия в боковой поверхности камеры ускорителя с ее внутренней полостью. Через окно в камере ускорителя свет от одной из светящихся областей пучка собирается посредством оптической системы. Для этого, например, с помощью известных оптических систем зеркал, линз или диафрагмы Соллера получают изображение пучка на плоскости и регистрируют его позиционно-чувствительным детектором.
Недостатками известного устройства являются: необходимость наличия молекул остаточного газа в вакуумной камере для диагностики пучка, сложность реализации импульсной системы впрыска молекулярного пара (сложность временной синхронизации, сложность подготовки йодистого цезия), необходимость применения мощной системы вакуумной откачки, загрязнение камеры ускорителя сцинтиллирующими добавками, высокая химическая активность йодистого цезия негативно сказывается на внутреннем объеме вакуумной камеры, низкое разрешение поперечного профиля из-за применения позиционно-чувствительного детектора, низкая светосила диагностики в случае использования диафрагмы Соллера. Все вышеуказанные признаки снижают точность измерения электронного пучка и значительно ухудшают вакуум в установке.
Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения поперечного профиля электронного пучка с помощью неразрушающей диагностики, сохранении свойств электронного пучка после измерения его параметров и сохранении вакуума в установке.
Указанный технический результат достигается тем, что неразрушающий поперечный профилометр релятивистского электронного пучка содержит участок тракта проводки электронного пучка, на котором установлены источник потока рабочего вещества, окно и регистрирующее устройство, при этом источник потока рабочего вещества и окно сообщены через отверстия в боковой поверхности участка тракта с его внутренней полостью, согласно изобретению он снабжен ловушкой рабочего вещества, расположенной соосно источнику потока рабочего вещества на диаметрально противоположной стороне участка тракта и сообщенной с внутренней полостью участка тракта через отверстие в его боковой поверхности, при этом источник потока рабочего вещества выполнен в виде источника потока паров металла, состоящего из корпуса, во внутренней полости которого установлены емкость для рабочего вещества, нагреватель и плоское сопло, а окно установлено в полом корпусе параллельно центральной оси источника потока паров металла, регистрирующее устройство выполнено в виде цифровой фотокамеры, установленной у поверхности окна, причем объектив цифровой фотокамеры установлен перпендикулярно поверхности окна.
Кроме того, с целью использования томографических алгоритмов обработки информации для увеличения объема полезной информации о регистрируемом электронном пучке, на участке тракта выполнено дополнительное отверстие и установлены второе окно и дополнительное регистрирующее устройство, причем дополнительное отверстие расположено между отверстием для источника потока паров металла и отверстием для ловушки рабочего вещества и сообщает второе окно с внутренней полостью тракта, а дополнительное регистрирующее устройство, выполненное в виде цифровой фотокамеры, установлено у поверхности второго окна так, что его объектив установлен перпендикулярно поверхности второго окна.
Таким образом, снабжение неразрушающего поперечного профилометра релятивистского электронного пучка ловушкой рабочего вещества, расположенной соосно источнику потока рабочего вещества на диаметрально противоположной стороне участка тракта и сообщенной с внутренней полостью участка тракта через отверстие в его боковой поверхности, выполнение источника потока рабочего вещества в виде источника потока паров металла, состоящего из корпуса, во внутренней полости которого установлены емкость для рабочего вещества, нагреватель и плоское сопло, установка окна в полом корпусе параллельно центральной оси источника потока паров металла, выполнение регистрирующего устройства в виде цифровой фотокамеры, установленной у поверхности окна, причем объектив цифровой фотокамеры установлен перпендикулярно поверхности окна, позволяют увеличить временное разрешение полученного изображения, а также увеличить пространственное разрешение полученного изображения, при сохранении исходных параметров электронного пучка, что позволяет повысить точность измерения поперечного профиля электронного пучка с помощью неразрушающей диагностики, сохранить свойства электронного пучка после измерения его параметров и сохранить вакуума в установке.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежом:
на фиг. 1 представлен общий вид устройства;
на фиг. 2 - вид сверху на устройство.
Неразрушающий поперечный профилометр релятивистского электронного пучка содержит (фиг. 1) участок тракта 1 проводки электронного пучка, источник 2 потока рабочего вещества, ловушку 3 рабочего вещества, окно 4 и второе окно 5 вывода оптического излучения, регистрирующее устройство 6 и дополнительное регистрирующее устройство 7.
Участок тракта 1 проводки электронного пучка выполнен в виде полого цилиндра с отверстиями 8, 9, 10, 11 в боковой поверхности и установлен на опорах. Отверстия 8 и 9 выполнены на диаметрально противоположных сторонах участка тракта 1, а отверстие 10 выполнено между отверстиями 8 и 9, при этом отверстия 8 и 11 выполнены на одной оси вдоль участка тракта 1, параллельной центральной оси участка тракта 1.
Источник 2 потока рабочего вещества выполнен в виде источника потока паров металла, который содержит корпус, выполненный в виде полого цилиндра, внутри которого расположены емкость 12 для рабочего вещества - металла (например, кадмий), нагреватель 13, например графеновый, и плоское сопло 14. Использование источника паров металла позволяет сохранить электронный пучок после мониторинга, за счет слабого взаимодействия заряженных частиц с атомами нейтрального газа, а также получить достаточное количество света в видимом диапазоне для дальнейшей регистрации. Источник 2 потока паров металла сообщен через отверстие 8 в боковой поверхности участка тракта 1 с внутренней полостью участка тракта 1 и жестко зафиксирован на поверхности участка тракта 1 сваркой.
Ловушка 3 рабочего вещества - паров металла выполнена в виде стакана, установлена соосно источнику 2 струи паров металла, сообщена через отверстие 9 в боковой поверхности участка тракта 1 с внутренней полостью участка тракта 1 и жестко зафиксирована на поверхности участка тракта 1 сваркой. Ловушка 3 позволяет избежать разлета атомов нейтрального газа по вакуумной камере, а также сохранить показатели вакуума, за счет улавливания и осаждения оставшихся частиц в ловушке 3.
Окно 4 и второе окно 5 (фиг. 2) вывода оптического излучения установлены в полых цилиндрических корпусах 15 и 16 соответственно, что позволяет без искажений выводить оптическое изображение из вакуумной камеры, за счет применения радиационно-стойких стекол. Корпуса 15 и 16 сообщены через отверстия 11 и 10 соответственно в боковой поверхности участка тракта 1 с внутренней полостью участка тракта 1 и жестко зафиксированы на поверхности участка тракта 1 сваркой. Корпуса 15 и 16 зафиксированы на участке тракта 1 таким образом, что окно 4 расположено параллельно центральной оси источника 2 струи паров металла, а второе окно 5 расположено перпендикулярно центральной оси источника 2 струи паров металла.
Регистрирующее устройство 6 и дополнительное регистрирующее устройство 7 установлены на внешней поверхности участка тракта 1 рядом с окном 4 и вторым окном 5 вывода оптического излучения соответственно и выполнены в виде цифровых фотокамер. Объективы фотокамер выставлены так, что центральная ось фотокамер направлена перпендикулярно поверхности окна 4 и второго окна 5 соответственно, что позволяет улучшить качество регистрируемого изображения, за счет пространственного разрешения. Наличие двух направлений регистрации свечения рабочего вещества позволяет использовать томографические алгоритмы обработки изображений для реконструкции поперечного профиля, что увеличивает получаемый объем полезной информации о регистрируемом электронном пучке.
Работает устройство следующим образом
Включают источник 2 струи паров металла, в котором производится нагрев графеновым нагревателем 13 емкости 12 с рабочим веществом - металлом до рабочей температуры, в результате чего образуются пары металла. Образовавшийся пар коллимируется плоским соплом 14 и направляется узким потоком через отверстие 8 во внутреннюю полость участка тракта 1, после пересечения которого через отверстие 9 попадает в ловушку 3 паров металлов и оседает в ней. Получив сколлимированный поток паров металла, запускают ускоритель (не показано), соединенный герметичным разъемным соединением с участком тракта проводки электронного пучка 1 со стороны регистрирующего устройства 6, и включают регистрирующее устройство 6 и дополнительное регистрирующее устройство 7. Пучок электронов образованный ускорителем летит во внутренней полости участка тракта 1 и пересекает поток паров металла. В момент пересечения потока паров металла электроны, сталкиваясь с нейтральными атомами металла, переводят их в возбужденное состояние. Возбужденные атомы паров металла излучают кванты света в видимом диапазоне, которые фиксируются регистрирующим устройством 6 и дополнительным регистрирующим устройством 7 через окна 4 и 5 соответственно. Зафиксированные кванты света преобразуются регистрирующим устройством 6 и дополнительным регистрирующим устройством 7 в цифровые сигналы, которые передаются оператору. Использование паров металла позволяет получить информацию о пучке электронов, не разрушая его, и произвести мониторинг нескольких пучков электронов с минимальным интервалом времени между ними.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для измерительной техники, а именно для устройств измерения параметров пучков ускоренных заряженных частиц;
Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
Средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить повышение точности измерения поперечного профиля электронного пучка с помощью неразрушающей диагностики, сохранение свойств электронного пучка после измерения его параметров и сохранение вакуума в установке.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «Промышленная применимость».