Устройство для управления пучками заряженных частиц

(9) (11) 51) Сд 21 К 1/02 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ кий инсти 2 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательс тут ядерной физики при Томском политехническом институте(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 723964 кл. С 21 К 1/00, 19792. Р. А 11 еп, Э. ЛосИеу еа 1. "ОЬзегчаС 1 оп оГ СЬаппе 11 п 8 оЕ Иеяагдче Роп оК ПСеЧ/С, МошепСщп" Ьеггеге а 1 Нпочо Сыпепйо, ч. 15, В 15, р. 529-530, 1976.(54)(57)УСТРОЙСТВОДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПУЧКАМИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающее моно кристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности фокусированиярасходящихся пучков частиц ультрарелятивистских энергий, монокристаллическая мишень выполнена в видедвусторонней гребенки с и прямоуголь.ными зубьями с каждой стороны,гдето= - ,ЬЩ - угол коллимации, (с ЬЧкритический упол каналирования, причем с входной стороны зубья изогнуты к медианНой плоскости мишени иприжаты койцами друг к другу, а навыходной стороне зубья изогнутытаким образом, что каждый р -ый изних смещен к медианной плоскости навеличину 1= (1-2 п 3) /28, гдеВ,рзаДанное фокусное расстояние для выходящего пучка, 3 - расстояниемежду зубьями у их основания, а оськоллиматора лежит в медианной плоскости,15 невозможно для пучков заряженных частиц высоких энергий.Известна монокристаллическая мишень для управления пучками частиц высоких энергий, выполненная из кристалла толщиной 3 си =см ь рад 1 изогнутого по дуге радиуса ( см 12 10 з Е МэВД, причем кристалл вырезан в виде плоскопараллельной 1 1 Обч 7Изобретение относится к областитехнической физики и может быть использовано в экспериментальной ядерной физике дпя формирования пучковзаряженных частиц ультрарелятивист 5ских энергий,В настоящее время широкое распространение получили монокристаллические мишени для управления пучкамичастиц и излучений. Управляющееили формирующее действие используемых монокристаллических мишенейосновано на брэгговском отраженииизлучения от атомных плоскостей монокристаллической пластины. Есликакие-либо кристаллографическиеплоскости параллельны поверхноститакой пластины, а пучок падающегорентгеновского излучения или нейтронов составляет угол 8 с направлением этих плоскостей, то при выполнении условия Брэгга Ъ =2 о эи 6 В(гдеи - длина волны излучения,О - межплоскостное расстояние1кРисталлической пластины, о - поРядок отражения) Формируется максимуминтенсивности отраженного пучка подуглом 6 к поверхности пластины.При высоких энергиях нейтронов иквантов механизм брэгговского отра 30жения становится неэффективным из-зарезкого уменьшения требуемого углапод которым лучок частиц падает на мишень. Так, например, еслидля излучения с энергией Е=10 МэВугол 8 - 0,0001 рад, что уже меньше обычной угловой расходимости пуч.ка, то для излучения с энергией вобласти нескольких тысяч МэВ брэгговский угол становится приблизительно равен В 10 рад, что делаетмонокристаллическую мишень практически неработоспособной для управленияпотоками излучения. Формированиетакже пучков заряженных частиц методом брэгговского рассеяния наповерхности или путем пропусканиячерез кристаллическую пластину возможно для электронных пучков с энергией сотни КэВ или несколько МэВ и 92 2пластины так, что какое-либо главное кристаплографическое направление образует с его поверхностью угол 6 в пределах от 30 до 60 , а входО о ной подвижный коллиматор кинематически связан с мишенью так, что при любом изгибе мишени его ось направШ лена по касательной дуге, образованной главным кристаллографическим направлением 11 . Такая монокристал" лическая мишень имеет равномерно изогнутые с одинаковым радиусом кривизны, кристаллические плоскости, Пучок заряженных частиц направляют вдоль кристаллографических плоскостей, под соответствующим углом 8 к входной поверхности пластины, и в процессе каналирования прошедший пучок эффективно отклоняется на уголрад= 4 смсм 16, Поскольку все кристаллографические плоскости имеют одинаковый радиус кривизны, то используемая мишень пригодна только для отклонения пучка частиц, но не позволяет осуществлять фокусирование пучков. По этой же при чине это устройство является работоспособным только для параллельных (не расходящихся)пучков заряженных частиц.Наиболее близким техническим решением является устройство для управ ления пучками заряженных частиц, включающее монокристаллическую мишень с главными кристаллографическими плоскостями, перпендикулярными ее входному и выходному торцам и коллиматор пучка заряженных частиц 2 .Монокристаллическая мишень работает в плоском, неизогнутом варианте. При изгибе такой мишени по дуге окружности изогнутся ее кристаллографические плоскости. Главные кристаллографические плоскости, перпендикулярные поверхности монокристалла, изогнутся при этом неравномерно и так, что их продолжения проецируются в точку фокуса на расстояниисм) 2 10МэВ в центре окружности, по дуге которой изогнут монокристалл, В изогнутом варианте такой мишенью возможно фокусировать пучки заряженных частиц не слишком высоких энергий. Для пучковзаряженных частиц ультравысоких энергий, 1 ГэВ, устройство оказывается неработоспособным из-за условий реализации эффекта каналиро.40 3 1064вания. Захват частиц в режим каналироваиия имеет место при углах падения частиц относительно кристаллоо . -112графической плоскости Е йЕ МэВт.е, для ультрарелятивистских час-,тиц практически для параллельногопучка, падающего нормально.к поверхности пластины, Зная фокусное расстояние такого устройства 3, и величину Я , легко определить предельный поперечный размер с падающегопараллельного пучка, который падает в режим Фокусирования66,3,р. Так,дляпротонов с энергией =10 ГэВ имеемУ ." 10 рад в кристалле (110)-.фкремния и для реального расстояния=100 см, определяемого предельнодопустимой кривизной кристаллическойпластины,получаем с0,1 мм, т.е.пучки ультрарелятивистских частиц среальным поперечным размером и уг 20ловой расходимостью 6 Яс практическиневозможно фокусировать такой монокристаллической мишенью.Цель изобретения - повышение эффективности Фокусирования расходя 25щихся пучков частиц ультрарелятивистских энергий.Указанная цель достигается тем,что в устройстве, включающем монокристаллическую мишень с главнымикристаллографическими плоскостями,перпендикулярными ее входному ивыходному торцам и коллиматор пучказаряженных частиц, монокристаллическая мишень выполнена в виде двусторонней гребенки с 1) прямоугольнымиЬзубьями с каждой стороны где й = -ЧсЬЯ - угол коллимации,- критический угол каналирования. Причемс входной стороны зубья изогнутык медианной плоскости мишени и прижаты концами друг к другу, а на выходной стороне зубья изогнуты такимобразом, что каждый и -ный из нихсмещен к медианной плоскости на 45величину 1 п =(1-2 п 3) /28" где 1 -заданное фокусное расстояние для выходящего пучка, Д - расстояние междузубьями у их основания. Кроме того,ось коллиматора лежит в медианной 50плоскости,На фиг.1 показана половина монокристаллической мишени перед изгибами, на Фиг.2 - симметричная половина изогнутой монокристаллической .55мишени.Пучок частиц пацает на монокристаллическую пластину, состоящую из 792 4монолитной 1 и гребенчатых - входной 2 и выходной 3 частей. Перед монокристаллической пластиной стоит коллиматор 4. Ось 00 определяет положение медианной плоскости пласти. ны, точка А - положение Фокуса падающего пучка, 1 - положение фоку са выходящего сформированного пучка.Полная длина кристалла-мишени определяется условиями максимального захвата частиц в режим каналирования и минимальным их деканалированием т.е. п-+260,5 Ь, где 1 п - полная длина кристацла, 1 - длина неразрезанной части и- длина разрезанной части,- длина каналирования- 1 см Е(ГэВ) (см. Фиг.1 описания предлагаемого изобретения). При этом количество частиц, прошедших через мишень и испытавших фокусирование максимально и составляет величину0,6 от всех захваченных в режим каналирования.Величина неразрезанной части кристалла 6 несущественна и может быть сделана достаточно малой 3/: 0,1, поскольку даже при таких значениях будет обеспечена жесткость кристалла- мишени и условие упругого изгиба его разрезанных частей. Минимальная полная длина кристалла-мишени ьп определяется длиной установления режима каналирования заряженных частиц в кристалле. Таким образом для 5=100 ГэВ диапазон этой величины составляет 100 см 3,п 3 0,1 см. Таким образом, для управления пучками заряженных частиц ультрарелятивистских энергий Е1 ГэВ, для которых неэкономично применение магнитного и электрического принципа отклонения и наиболее оптимально использованиекристаллов, полная длина кристалламишени в предлагаемом изобретенияможет изменяться в широком диапазонеи отвечает размерам реальных кристал.лов, изготавливаемых в настоящеевремя промышленностью.Общая толщина кристалла-мишени,ширина вырезов и толщина вырезанныхпластинок определяется раскодимостьюЬ Я и сечением б пучка частиц. Например, если 1 Я = и (Ц - известнаявеличина - критический угол канапирования, определяемый энергией частиц), .то из условия захвата в режимканалирования в отдельных пластинахмаксимального числа частиц (ф 100%)следует сделать (1 - 1) вырезов,(11 зубьев), тогда в изогнутом состоянии на каждый зуб будет падатьчасть (д) пучка с угловой расходимостью (д . Кроме того, медианакаждой части пучка будет нормальна 5к торцовой поверхности зуба. Это дает, соотношение (если Ц - малая величина) ": откуда(вЯ фЧк2 Ь ь-расстояние между зубьями. С условиемтого, что весь пучок частиц сечением 9 падает на входную частькристалла-мишени имеем толщину кристалла 7-5 Ф=ЬЯо.ск, а толщинукаждой пластины лТ: - . Глубина выреозов, т.е,, параметр несущественный и определяется технологичностьюизготовления мишени.Принцип работы фокусирующей монокристаллической мишени основан наявлении каналирования заряженных частиц в монокристаллах. При падениичастиц вдоль кристаллографическихнаправлений мишени их движение опреЭделяется последовательными скользящими столкновениями с цепочками иплоскостями атомов в режиме каналиро.вания, В такой режим попадают лишьчастицы пучка с угловой расходимостью, меньшей 6 о с 17 Е" МэВ 1 отноЗОсительно направления кристаллографических плоскостей. Частицы падающего пучка с большей угловой расходимостью рассеиваются как в случаеаморфной мишени. Как следует из геометрии рабочей изогнутой мишени, по казанной на фиг,2, если расходящийся пучок частиц с угловым разбросомЬщ направить на входной торец 2сжатой кристаллической мишени, тозначительная часть пучка захватит 40ся в режим плоскостного каналирования,Условие эффективного захвата обеспечивается при разрезе входной частимишени на пщ ч) число пластинок,45при котором обеспечен почти 1007. захват частиц в режим каналирования.При этом условии ширина 3 разрезоввыбирается иэ технологических соображений, так как технически сложновыполнить прорези менее 100 мкм. После выбора 3 необходимо обеспечитьизгиб входньм зубьев радиусом=/2 пьчтобы входные концы былисжаты впритык друг у другу. При выполнении заданного условия падающийрасходящийся пучок частиц попадаеткак-бы на монолитную кристаллическую мишень и каждая часть пучка (отличающаяся углом расходимости ьц ) бу дет каналировать в своей й - той пластинке. Приведенное условие принципиально определяет работоспособность предлагаемого устройства и его эффективность. Если это условие не выполнено, т.е, концы разрезным пластинок не сведены друг к другу, или ок ЬЯ Ц то эффективность захвата пучка в каналы, а следовательно, и эффективность управления пучков час тиц, будут малы. Для предельного случая пучка частиц без расходнмости, д(р =0 имеем и =0 и М =О, т.е. можно использовать для фокусирова-ния нерасходящегося пучка монолитную кристаллическую мишень с гребенчатой выходной частью.Захваченные в каналы частицы устойчиво движутся в изогнутых пластинах при радиусе изгиба не меньшесм 1) 21 О МэВ 1, где Г - энергия заряженных частиц. Пройдя через переходную монолитную область мишени частицы вновь попадают в режим положения в изогнутых каналах в вьмодной части мишени, Здесь условие изгиба пластины 1= (1-2 г 4 ) /(2 Н )принципиально определяет рабочий параметр всего устройства - его фокусное расстояние 1,Р . Задавая смещение при изгибе конца каждой пластины 11, возможно не только регулировать фокусное расстояние для выходящего пучка, причем без потери частиц в пучке, но возможно преобразовать падающий расходящийся пучок в параллельный пучок частиц, так как при 1 д =0 имеет 1 =соТакже возможно, задавая закон смещения преобразовать, например, падающий пучок с равномерной плотностью частиц по сечению в пучок частиц на выходе устройства с неравномерной плотностью, например, с распределением по закону Гаусса, или разделенный на два отдельных расходящихся пучка. Предлагаемое устройство позволяет фокусировать пучки заряженных час. тиц ультравысокой энергии, имеющие реальные угловые расходимости. Если взять пучок протонов от точечного ис точнька с энергией С =100 ГэВ и угловой расходимостью щ =10рад, то в устройстве (2) в режим фокусирования на фокусное расстояние 1 =100 см попадает только часть пмч10647 92 Составитель Г.КовалевРедактор С.Титова Техред Т.фанта Корректор Г.Решетник Заказ 102/2 Тираж 408Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 7ка, не более 107 от первоначального. В предлагаемом устройстве, если сделать мишень общей толщиной (поперечньм размером) Т =.10 см, разрезанную на входе на пластинки тол щиной каждая еТ =2 мм с шириной разрезов 0,5 мм, то в режим фокусирования.попадает около 57 частиц падающегопучка, т,е. выигрыш в эффективности предлагаемого устройства,по сравнению с базовым объектом,в 500 раз больше. Если падающий пучок имеет еще меньшую угловуюрасходимость, то коэффициент захвата частиц возрастает в несколькораз, а для параллельного пучка коэффициент практически равен 1007. Вэтом .случае мишень работает с неизогнутой и негребенчатой входнойчастью.