Спектрометр заряженных частиц

09) (П) СОЮЗ СОВЬТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК З(50 С 01 Т 1 36 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики, электроники иавтоматики при Томском политехническом институте им. С.М.Кирова(53) 539. 12164 (088. 8) (56) 1. Герасимов А.И. и др. Спектрометр импульсного пучка электронов, ПТЗ, Р 3, 1972.2. Авторское свидетельство СССР В 550884, кл. 6 01 Т 1/36, 1975.3. Сопде С. апд а, "Тпе яесоп-, дагу ас)пй)ай)оп опГцпТ о( хепоп и а цп)Гаге Уе)дь 9 аа ргорогй 1 опа 1 эе и Г) 1)агоп соппУе г ЕЕЕ ТгаПв о 1 Мцс) Зс) Ч 24, 9 1, 1977, р. 221.4. Ро) 1 сагро 4, Т. аУ а 1, "Тпе аг 9 оп-и) Йго 9 еп ргорогс 1 опа) ье) и- Т 11 аГ 1 оп соппУегп Нцс 1 1 цьГг апд Ие 1 Ь. Ч 55, Р 1,. р. 105, 1967 (прототип).д(54) (57)1 СПЕКТРОМЕТР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий корпус, заполненный смесью газов А(-Иу, с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения точности измерения спектра.сильноточного импульсного пучка, у противоположных стенок корпуса размещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор, ось которого параллельна плоскости окна.для ввода частиц, а детектор светового излучения выполнен в виде светочувствительного ма" териала, размещенного снаружи зеркал.,2. Спектрометр по п. 1, о т л и- а ч а ю щ и и с я тем;.что, с целью повышения точности спектрометрии электронных пучков за счет подавления рассеяния электронов в газе, корпус размещен внутри соленоида, ось которого перпендикулярна плоскости окна для ввода частиц, 10212665 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Изобретение относится к областиспектрометрии заряженных частиц иможет быть использовано для измерения энергетических спектров импульсных пучков заряженных частиц.В связи с развитием мощной импульсной ускорительной техники дляинерционного управляемого термоядерного синтеза, обработки материалов,накачки мощных лазеров стала актуальной задача спектрометрии сильноточных импульсных пучков заряженных частицэлектронных, ионных ) сэнергиями сотни КэВ -единицы МэВ,плотностями тока пучка от А/см докА/см и длительности в десятки нс.Известен спектрометр заряженныхчастиц, содержащий поворотный магнит, подключенный к источнику питания, измеритель интенсивности повернутого пучка 1 . Это устройствоработает за счет различного отклоняющего воздействия поперечного магнитного поля на движущиеся заряженные частицы, имеющие различныеэнергии.1Недостатком такого устройстваявляются большие габариты и вес,а также большой расход мощности,потребляемой от источников питания.Известно устройство, содержащеепоследовательно расположенные в корпусе металлические фольги, являющиеся детекторами заряженных частиц, иразделенные металлическими экранирующими фольгами накопительные конденсаторы, устройство считывания иизмерения потенциалов 2 . Такоеустройство работает за счет торможения пучка заряженных частиц,.проходящих через фольги, и оседания частиц в фольгах. Пробег частиц в фольгах связан с их энергией, что позволяет по измеренному заряду, накопленному в фольгах, определитьэнергетический спектр пучка.Недостатком этого устройства является низкая точность определенияэнергетического спектра в связи сограниченным числом фольг,Известно использование газовыхпропорциональных счетчиков, состоящих из корпуса, заполненного газом,окон для ввода частиц и вывода излучения, электродов и детекторасветового излучения для спектрометрирования пучков частиц 3 . Принцип его действия основан на том, что интенсивность вспышки свечения газа, вызванная прохождением заряженной частицы, пропорциональна потере энергии ею в газе, а в некотором узком диапазоне энергий частицы и энергии самой частицы. Интенсивность вспышки измеряется .с помощью фотоумножителя. Спектр энер гий гучка получается после анализирования амплитуд импульсов с ФЭУ ивременного накопления. Существенно,что устройство работает в режименакопления со слабыми токами пучкаи непригодно для разового анализаспектра импульсного пучка частиц.Наиболее близким по техническойсущности является спектрометр заряженных частиц, содержащий корпус,заполненный смесью газов А.-й, с окнами для ввода частиц,и вывода светового излучения и детектор светового излучения 141.В корпусе имеются два электрода,находящиеся под разностью потенциалов. Приемником излучения газа служат два ФЭУ. Спектрометрированиеосуществляется с помощью электронной схемы анализа и накопления амплитуд импульсов с ФЭУ,Недостатками этого устройстваявляются ограниченная точность анализа в связи с конечным числом каналов в анализаторе импульсов и невозможность разового анализа спектра импульсного пучка частиц, слабаяпомехозащищенность в условиях мощных электромагнитных полей,Целью изобретения является увеличение точности измерения энергетического спектра сильноточногоимпульсного пучка заряженных частиц,Поставленная цель достигается тем, что в спектрометре заряженных частиц, содержащем корпус, заполненный смесью газов Аг-й,с окнами для ввода частиц и вывода светового излучения и детектор светового излучения, у противоположных стенок корпуса размещены плоские зеркала, образующие оптический резонатор, ось которого параллельна плоскости окна для ввода частиц, а детектор светового излучения выполнен в виде светочувствительного материала, размещенного снаружи зеркал,Кроме того, для повышения точности спектрометрии электронных пучков путем подавления рассеяния электронов в газе, коргус размещен внутри соленоида, ось которого пергендикулярна плоскости окна для ввода частиц. На чертеже схематично изображен спектрометр заряженных частиц в аксонометрии.Спектрометр состоит из корпуса 1, заполненного газовой смесью А-М, с тонким вхбдным окном 2. Снаружи корпуса размещены зерк."ла 3, .на которые также снаружи помещается фоточувствительный материал 4, Внешний соленоид на чертеже условно не показан.Спектрометр работает следующим образом.1021266 помещенного на внешней стороне зеркала 3, без искажений, связанных срасходимостью излучения или формированием модовой структуры излучения,Кроме того, высокая направленность излучения позволяет отодвинуть фоточувствительный материал нарасстояние, достаточное для подавления помеховых.засветок, которыемогут возникать в генераторе пучкачастиц.Распределение энергии излучения,вызывающей почернение фоточувствительного материала, в зависимостиот координаты , совпадающей с ко"ординатой глубины проникновения вгаз заряженных частиц (масштаб преобразования в силу высокой направленности лазерного излучения составляет 1:1), будет определяться следующим выражением: смокеб Ь) е Х х-гЕ)=И) и(е)е)д 1о где д х - шаг, с которым, берутсясотсчеты плотности почернения фоточувствительного ма.териала;К - количество отсчетов накривой почернения. При попадании пучка 5 заряженных частиц через входное окно 2частицы тормозятся и останавливаются в пределах объема газовой смеси, что обеспечивается давлениемгаза и размером объема, просматриваемого сбоку через зеркала. Энергиячастиц при их торможении передаетсягазовой смеси. Смесь подобранатак, чтобы ввод в нее энергии уско. Ренными заряженными частицами приводил к лазерной генерации. В качестве такой, смеси наиболее подходит газовая смесь Аг -И), обладающая высоким усилением и генерирующая в ближней ультрафиолетовой областк.Механизм лазерной генерации всмеси Аг -Й допускает инжекцию различных частиц, ионизирующих газнапример, электроны, ионы) и определяет следукщий диапазон давлеьий смеси: 0,5Р й 10 ати. Соотношение газов должно быть РГг Рй(например, 5 И и 95 Гг). Внегэтого диапазона лазерная генерация 25или не возникает, или ее эффективность слишком низка. Заметим что1У где Ерассеяние электронов в газе, влияющее на генерацию, может быть подавлено наложением продольного магЦЧнитного поля достаточного для зР с М Е)магничивния электронов. На лазерную генерации магнитное поле практически не повлияет.В зависимости от своей энергиичастицы проходят вгазе на огредет.Е)ленную глубину и возбуждают его.Величина пробега данного сорта час- пФ)тицы в смеси Аг-Я 2 гри указанныхдавлениях определит размер зеркал,который должен быть больше пробегачастицы с максимальной энергиейНапример, для частиц с наибольшимпробегом электронов с энергией1 МЭВ размер зеркал должен быть око. -ло 30 см. В случае спектрометрироьания протонов размер зеркал непревышает 3 см.Степень возбуждения газа, а соответственно, и интенсивность лазерного излучения определяется количеством частиц, Таким образом,распределение интенсивности лазерного излучения в сечении лазерноголуча 6, выводимого поперечно к направлению движения заряженных час. тиц в используемом резонаторе, несет информацию об энергетическомспектре заряженных частиц. Высокаянаправленность лазерного луча, атакже короткая длительность импульса тока пучка и соответственно лазерного излучения ь смесипозволяет зафиксировать распреаеление интенсивности излучения в лазерном луче в виде плотности почернения фоточувствительного материала 4, 65 энергия заряженных частицв диапазоне О- Е макс;плотность светового потокав лазерном луче;искомый спектр пучка заряженных частиц,ступенчатая функция Хэвисай.да;пробег в газовой смеси за-ряженной частицы с энергиейЕю-эффективностьперехода энергик заряженной, частицы сэнергией Е в лазерное излучение,эффективность преобразования газовой смесью вложенной в нее энергии в лазер- "ное излучение,1021266 Составитель С. КондратенкоРедактор Е, Зубиетова Техред А.Ач Корректор А. Дзятко Заказ 10648/7 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5Подписное Филиал ппп "патент", г ужгород ул. проектная 4 Точность восстановления спектра частиц определяется количеством уравнений, т.е. количеством отсчетов. В првдлагаемом устройстве количество отсчетов ничем не ограничено, так как отсчеты берутся по непрерывной по Х кривой почернения. В связи с этим точность восстановления спектра заряженных частиц повыаается.по сравнению с известными устройствами.Техническая эффективность изобретения заключается в повышении точности измерения спектра сильноточного импульсного пучка частиц за , счет того, что в базовом объекте число отсчетов, по которым восстанавливается спектр, определено числом фольг, т.е. физически ограничено, в то время как в предлагае- .мом устройстве число отсчетов не ограничено н может быть выбрано достаточным для обеспечения требуемой точности. другими словами, полученный в предлагаемом устройстве эффект эквивалентен тому, как если бы в базовом объекте было использовано бесконечное число бесконечнотонких фольг. В предлагаемом устройстве в отличие от базового объекта, для которого необходим электрические измерения зарядов, накопленных на фольгах, не требуется никаких электрических или магнитныхизмерений и соответственно приборов,то исключает воздействие электро магнитных полей на процесс регистрации спектра и тем самым увеличивает1 очность измерения.Кроме того, в предлагаемом устройстве потребления энергии на про цесс измерения не требуется.В целом предложенный спектрометрдает возможность повысить точностьи достоверность спектральных измерений сильноточных импульсных пучков И тем самым способствует дальнейшему научному прогрессу в важнойобласти, связанной с управляемымпучковым термоядерным синтезом, обработкой материалов пучками, накач,кой мощных лазеров и др.