Устройство для измерения распределения плотности ускоренных частиц в фазовом пространстве

(19) 1018 НО 0 БРЕТЕНИЯ ИОАН СВИЦЕТЕЛ ИЯ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕИЯ ПЛОТНОСТИ УСКОРЕННЫХЗОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ, вкн-маску с системой отвзатор для выделенияи, орый провод л,Ф 2 А.Хижня к хрониременние,чтоо раз в кот тли с цель шения жит ми разова ицвз уюот з ейфа,ол нышфазового астиц,4 с 40 ков объ Обз х ч А, 197вков Ю.П.,ристики ионннейного ускозическая аппбб, вып. 4,прео ов час деленн твом д изатор импуль с микр ель ра злект т учки, о ростран синхро ольтных оединен измери ей токо го п рите рату лек зда Сб.Атом ов, вых канальи пределе онных п еев Г араме Атом лев В.А., С Г. Измерени женных част овдат.К 1 о Веав-ргХпс 1 Яетотип),ОсудАРственный кОмитет сссРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ 3218503/18-2517.12.8007.08.83 БюП.А.Демченко.И. Методы иза пучка заряжОД-З, Л., НИванов Н.ф.,ышков А.И,Харачка инжекторая. Э тр 3. Моска Шестаков В пучков заря 1980, с. 124. Раг)е Мце 11 ег Р. Е 11 е щоп 1 со 1 е 1 ечхз 1 оп 1971, Х 5-18 54)(57) АСПРЕДЕ АСТИЦ В аюцее э тий, си омента я измеря те ременно ости, о ластину мых пуч ю повышения и чувствитель кроканальную тель исследуе лектронные крана-маски подключенный ратор высокоод которогоой пластинойния плотносучков.931018 35 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что н качестве измерителя распределения плотностей токов электронных пучков использованы расположенный вблизи микро- канальной пластины люминесцентный 1Изобретение относится к диагности-,ке пучков ускоренных заряженных инейтральных частиц и может быть, вчастности, использовано для изучения ионно-оптических свойств источников ионов и систем Формированияпучков заряженных и нейтральныхчастиц, коллективных процессов впучках заряженных частиц и их динамики в ускорителях. 10Известно несколько типов устройствдля измерения распределения плотности ускоренных частиц в Фазовомпространстве и нахождения фазовогообъема пучков 1 . Как правило, онивключают перемещающуюся по сечениюпучка диафрагму с коллимирующейщелью либо стационарный экран-маскус системой отверстий, которые служатдля выделения элементов пучка, пространство дрейфа, в котором выделенные элементарные пучки расходятсяв поперечном направлении эа счетразброса по скоростям и регистрирующее устройство для измерения распределения плотности тока в поперечном сечении разошедшихся пучков.Регистрация разошедшихся элементарных пучков в большинстве случаевосуществляется сканирующими проволочными датчиками или цилиндрами 30Фарадея. Так как для сканированияприменяются механические приводы,помещенные в вакуум то время измерений достигает нескольких секунди даже минут.Известно также устройство 2,в котором регистрация распределенияплотности тока в элементарном пучкеосуществляется непосредственно Фотопленкой, помещенной в вакуумнуюкамеру, а коллимирующая щель перемещается в поперечном сечении ана-.лизируемого пучка механически, одновременно с фотопленкой. В данномслучае также время измерений составляет десятки секунд,45В том случае, когда необходимыизмерения за малые интервалы времени, выделение элементарного пучкаи измерение распределения плотности н его сечении осуществляют с 50помощью стационарной диафрагмы инеподвижного регистрирующего устрой экран, покрытый токопроводяшим слоем, источник постоянного напряжения, положительный полюс которого подключен к токопроводящему слою люминесцентного экрана, и регистратор оптического излучения,2ства, при этом сканируется сам исходный пучок. Сканирование пучка осуществляется изменяющимися во времени магнитными или электрическими полями. Различные модификации таких устройств приведены в монографии 3,Основные их недостатки - громоздкость и сложность изготовления. Требуются большие мощности питания, особенно в случае высокоэнергетических пучков. Эти устройства не могут быть использованы для исследования пучков ускоренных нейтральных атомов, Временное разрешение таких устройств т.е. время измерения) составляет десятки микросекунд или более. Кроме того, использование для сканирования отклоняющих электромагнитных полей вносит искажение в величину и форму фазового объема пучка из-за разброса по продольной компоненте импульса частиц.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, включающее экран-маску иэ меди с системой отверстий для в выделения элементарных пучков, синхронизатор для выделения момента времени, в который проводится измерение, пространство дрейфа, при прохождении которого пучки расходятся из-Эа разброса по поперечным составляющим импульса, люминесцентный экран из кварца, при бомбардировке которого пучки образуют систему оптических изображений 4, Распределение яркости в каждом изображении связано с распределением плотности тока в соответствующем разошедшемся элементарном пучке, Регистрация оптических изображений осуществляется передающей телевизионной трубкой - видиконом, с записью сигналов на видеоноситель для последующей обработки на ЭВМ, Момент включения системы регистрации кэображений определяется сигналом, поступающим от синхронизатора.Основными недостатками данного устройства измерения распределения плотности в фазовом пространстве являются: сравнительно большое время разрешения, которое определяется временем считывания изобретения сэкрана телевизионной трубки и, какправило, составляет единицы - десятки микросекунд; сравнительно низкаячувствительность, которая не позволяет проводить исследования пучков малой интенсивности, вызывающих слабое свечение люминесцентногоэкрана.Цель изобретения - повышение временного разрешения и увеличение чувствительности при измерении распределения плотности частиц в фазовомпространстве,Это достигается тем, что устройство для измерения распределенияплотности частиц в фазовом пространстве дополнительно содержит микроканальную пластину - преобразователь исследуемых пучков частиц вэлектронные пучки, отделенную отэкрана-маски пространством дрейфа,подключенный к синхронизатору генератор высоковольтных импульсов,выход которого соединен с микроканальной пластиной,и измерительраспределения плотностей токов вэлектронных пучках, В качестве измерителя распределения плотноститока в электронных пучках можетбыть использовано устройство. содержащее расположенный вблизи микроканальной пластины люминесцентный 30экран, покрытый токолроводящим слоем,источник напряжения, положительныйполюс которого подключен к токолроводящему слою люминесцентного экранаи регистратор оптического изображения, Регистратором оптического изображения, получаемого на люминесцентном экране, может быть фотокамера илителевизионная камера.Микроканальная пластина ИКП 40представляет собой плоскую матрицу,состоящую из множества открытых канальных умножителей. С помощью МКПисследуемые пучки частиц преобразуются в пучки электронов значительноболее высокой интенсивности, но сраспределениями плотностей токов,подобным распределениям в исходныхпучках, что и позволяет существенноповысить чувствительность устройства.Такое преобразование происходит 50только при подаче на МКП импульсапитающего напряжения, длительностькоторого определяет временное разрешение. Переход к управлению электронными пучками и позволяет существенно уменьшить время измерений.Так как на выходе ИКП получаются низкоэнергетические пучки электронов, то для более эффективной регистрации в них раслределений плотности тока эти пучки дополнительноускоряются, например, в зазоре между МКП и токопроводящим слоем люминесцентного экрана, на который относительно МКП подан положительный 65 потенциал. Распределение яркости в получаемых на люминесцентном экране изображениях измеряется регистратором оптического изображения.На чертеже изображено предлагаемое устройство с направлением движения в нем ускоренных частиц.Перпендикулярно к направлению дви жения исследуемого потока ускоренных частиц 1 помещен металлический экран-маска 2 с системой отверстий 3, проходя через которые лоток разбивается на элементарные пучки 4. На расстоянии дрейфа 5 от экрана- маски 2 находится микроканальная пластина 6. Измеритель распределения плотностей токов в электронных пучках включает люминесцентный экран 7 покрытый токопроводящим слоем 8, уплотненное на вакуум оптическое окно 9 и регистратор оптического изображения. Регистратором оптического изображения является фотокамера или передающая телевизионная камера 10 с объективом 11, К микро- канальной пластине б подключен генератор 12 прямоугольных импульсов напряжения регулируемой длительности, соединенный с синхронизатором 13. Токолроводящий слой 8 люминесцентного экрана 7 соединен с положительным полюсом высоковольтного источника 14 напряжения. Узлы устройства, обведенные контуром, находятся в вакуумной системе пучка.Система отверстий 3 в экране-маске 2 представляет либо серию узких параллельных щелей, либо серию круглых отверстий, расположенных в узлах двумерной решетки, з зависимости от того исследуется ли двухмерное или четырехмерное сечение фазового объема.Предлагаемое устройство работает следующим образом. С помощью экрана-маски с системой отверстий исследуемый поток ускоренных заряженных частиц или нейтральных атомов разбивается на элементарные%пучки, которые лри движении в свободном от внешних полей пространстве дрейфа расширяются из-за разброса поперечных составляющих импульса частиц. Длина гространства дрейфа должна быть достаточной для получения распределения плотности тока в этих пучках.После прохождения пространства дрейфа элементарные пучки попадают на ИКП, на которой происходит преобразование элементарных пучков заряженных или нейтральных частиц в электронные с теми же профилями плотности тока. Коэффициент усиления электронных пучков определяется амплитудой прикладываемого к МКП напряжения от генератора, а момент931018 Составитель С,ПростовРедактор Л.Письман Техред И,Тепер Корректор Л,Тяско Заказ 8130/4 Тираж 710 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 его подачи - синхронизатором. Вслед. ствии того, что регистрация элементарных пучков происходит лишь при наличии напряжения на ИКП, тО его длительность определяет временное разрешение проводимых измерений. Электронные пучки на выходе ИКП ускоряются до энергии нескольких кзВ в зазоре между МКП и люминесцентным экраном, служащим для преобразования электронного изображения в оптическое. Для предотвращения зарядки экрана и для подачи на него напряжения его поверхность со стороны МКП покрыта токопроводящим слоем, толщина которого меньше длины пробе га в нем ускоренных электронов, Подача ускоряющей разности потенциалов на люминесцентный экран осуществляется от источника постояннаго напряжения, регулировкой которого можно изменять яркость оптического изображения. Регистрация оптических изображений производится фотокамерой и объективом, либо телевизионной системой с накоплением информации на электронно-лучевой трубке с памятью или другом видеоносителе.После того как на основании измерений распределения яркости в полученных иэображениях найдены распределения плотности тока в элементарных пучках, определение распределения плотности в фазовом пространстве и нахождение эмитанса исследуемого потока производится известным способом. 35При регистрации изображений фотокамерой время после свечения люминесцентнаго экрана не имеет значения, в то время как при использовании телевизионной системы оно должно су щественно превышать время передачи кадра. Однако и в этом случае временное разрешение определяется только длительностью импульса напряжения, приходящего на ИКП .для уменьшения радиационных повреждений при исследованиях с пучками частиц высоких энергий поверхность ИКП со стороны экранамаски покрывается тормозящей металлической фольгой.При конкретной реализации данного устройства были использованы ИКП отечественного производства диаметром 34 мм и диаметром каналов 19 мкм, которые позволяют получать минимальные времена разрешения порядка нескольких наносекунд. Коэффициент усиления ИКП достигает 10. В качестве люминесцентного экрана используют пластмассовый сцинтиллятор, на который напыляют в вакууме такопроводящий слой алюминия,Временное разрешение при измерении распределения плотности частиц в фазовом пространстве с помощью известного устройства составляет несколько микросекунд. Предлагаемое устройство позволяет уменьшить время измерений до нескольких наносекунд. Чувствительность предлагаемого устройства как минимум на 1-2 порядка величины превосходит чувствительность известного устройства. Следует также отметить, что наиболее существенные элементы конструкции устройства, в частности МКП, изготавливаются отечественной промышленностью, поэтому создание пред" лагаемого устройства не вызывает принципиальных затруднений.