Способ оптической регистрации параметров пучка заряженных частиц

(54)(57) СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИ РАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ЗАРЯЖЕН ЧАСТИЦ, включающий измерение и сивности провзаимбдействовавше пучком заряженных частиц лазер излучения, о т л и ч а ю щ и й СТ- ЫХ нтено с ног ем, что, ительнос мерений, а лучение пр вому плено по интенси исследуемого пучка и анализируютформу и амплитуду импульсов токапучка по поглощению лазерного излчения в световоде; ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Москалев В.А., Шестаков В,Г,Контроль и измерение параметров пучков заряженных частиц. М Атомиздат, 1980, с.44-50.Никитин М.М Медведев А.Ф.,Моисеев М,Б, и др, Экспериментальное исследование ондуляторного излучения релятивистских электронов,Журнал технической физики, 1981,т,51, вып. 3, с, 584-600.Журавлев В.А., Музалевский В.Е.,Петров Г,Д. Поляризационные и спектральные характеристики излучения,рассеянного сильноточным электронным пучком. Физика плазмы, 1981,т.7, вып, 3, с,540-546,с целью повышения чувст- и и помехозащищенности из нализирующее лазерное изопускают по полупроводникочному световоду,модулируют вности электрическим полемИзобретение относится к технической физике, в частности к измерению корпускулярных излучений, и может быть использовано в ускорительной технике для измерения параметров пучков заряженных частиц,Для проведения экспериментальных работ с использованием пучков заряженных частиц в различных областях науки, например в радиобиологии для исследования радикальных продуктов импульсного радиоузла в пикосекундном диапазоне, требуется непрерывный прецизионный метролог,.ческий контроль основных параметров пучка без возмущения и потерьисследуемого пучка.Оптические способы измерений являются наиболее перспективными для регистрации параметров моно- импульсных и кодово-импульсных пучков заряженных частиц в пико- наносекундном диапазонах. Оптическими методами измеряют форму, длительность фронта и среза, период повторения, амплитуду и положение коротких импульсов, а также аналогичные параметры микроструктуры кодово"импульсных пучков.Известные оптические способы измерения параметров тока пучка основаны на получении и регистрации черенковского,флуоресцентного, переходного, тормозного, спонтанного и других видов излучений светового и рентгеновского диапазонов, возникающих при движении заряженных частиц в различных средах (остаточных газа, газах под давлением, жидкостях, кристаллах, сцинтилляторах и т.д.). Поэтому такие способы измерений являются непрозрачными или полупрозрачными для исследуемого пучка и значительная часть пучка тратится на создание светового излучения,Способ регистрации синхротронного излучения, возникающего лишь при движении заряженных частиц по круговым или криволинейным траекториям, применяется только на синхротронах и накопительных кольцах, либо при транспортировке пучка в системе разведки, содержащей поворотные магниты, Причем достаточная для измерений интенсивность синхротронного излучения возникает только при криволинейном движении1119467 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 сравнительно легких заряженныхчастиц (например, электронов илипозитронов),Известен способ регистрации параметров (формы и амплитуды импульсов тока) сильноточного пучкана основе получения от пучка и регистрации ондуляторного излучения.Способ заключается в том, чтоисследуемый пучок направляют покриволинейной траектории, котораяимеет вид змейки, В результатеэтого пучок при движении по змейке излучает достаточно интенсивноесвечение, обладающее линейчатымспектром, которое регистрируетсяфотоприемниками. 1( недостаткамспособа следует отнести слишкомбольшие размеры электромагнита(называемого виглер) для созданиякриволинейной траектории пучка,необходимость высокой мощности истабильности электропитания виглера при измерении сильноточных ивысокоэнергетичных пучков заряженных частиц. Основные недостатки этого способа состоят н том,что в результате многократных поворотов пучка в виглере теряетсясущественная часть пучка, вносятсявозмущения в исследуемый пучок,увеличивается расходимость и ухудшаются фазовые характеристики пучка при его транспортировке. Поэтомутакой способ измерений можно практически использовать лишь для однократных измерений параметров пучка при настройке и выводе ускорителя на заданные режимные параметрыи нельзя применять для постоянногоконтроля параметров пучка при проведении экспериментальных работ,Наиболее близким к изобретениюявляется способ оптической регистрации параметров пучка заряженныхчастиц, включающий измерение интенсивности провзаимодействовавшего спучком заряженных частиц лазерногоизлучения. В этом способе анализирующее лазерное излучение под небольшим углом (в несколько градусов) пересекает исследуемый электронный пучок, причем направление распространения лазерного излучения и электронного пучка противоположны, Рассеянное электронным пучком лазерное излучение регистрируется и по5О числу рассеянных фотонов измеряют параметры электронного пучка (форму и амплитуду импульсного Фока). Комптоновское рассеяние является процессом практически безынерциальным и интенсивность рассеянного излучения пропорциональна току исследуемого электронного пучка, Способ заключается в регистрации лазерного излучения, рассеянного пучком электронов (в результате эффекта комптоновского рассеяния лазерного излучения на свободных электронах),Недостатком способа является чрезвычайно малая интенсивность рассеянного лазерного излучения н направлении, противоположном направлению лазерного зондирующего излучения, что является причиной небольшой чувствительности способа, В результате этого способ лазерной диагностики практически применим лишь к сильноточным килоамперным электронным пучкам, При этом требуются мощные лазеры в качестве источников зондирующего излучения, Способ лазерной диагностики обладает малой помехозапцвценностью, так как в направлении измеряемого рассеянного излучения распространяется собственное излучение электронного пучка, а также паразитное излучение, возникающее в результате рассеяния части лазерного излучения на деталях установки,Целью изобретения является повышение чувствительности и помехозащищенности измерений параметров пучка заряженных частиц (формы и амплитуды импульсов тока пучка).Цель достигается тем, что в способе оптической регкстрапии параметров пучка заряженных частиц, включающем в себя измерение интенсивности провзаимодействонавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения, анализирующее лазерное излучение пропускают по полупронодни ковому пленочному светоноду, модулируют по интенсивности электрическим полем исследуемого пучка и анализируют форму и амплитуду импульсов тока пучка по поглощению лазерного излучения в световоде, Предлагаемая операция пропускания анализирующего лазерного излучения по полупроводниковому пленочному световоду, помещенному в электрическое поле 5 20 25 30 35 40 45 50 исследуемого пучка, позволяет увеличить чувствительность предлагаемого способа по сравнению с известним способом рассеяния лазерного излучения на электронном пучке,Увеличение чувствительности происходит засчет предлагаемой операциимодуляции интенсивности света врезультате эффекта Франца-Келдыша,возникающего при действии электрического почя на полупроводниковый снетонод, Этот полевой эффектзаключается в практически полном поглощении света в полупроводниковом снетоводе при приложении электрического поля и в пропускании всего света прк отсутствии электрическо. го поля, Предлагаемая операция анализа параметрон пучка,по поглощению света в полупроводниковом снетовоце, помещенном в электрическое поле, позволяет увеличить помехозащищенность предлагаемого способа по сравнению с известной операцией измерения рассеянного излучения в способе лазерной диагностики пучка, Увеличение помехозащищенности происходит в результате отсутствия воздействия на регистрируемое излучение дополнительного паразктного лзлученкя От самого ксслсдусмого пучка, Это происходит за счет того, что анализирующее лазерное излучение пропускается в пределах пленочного снетовода, на которык непосредственно не воздействует электронный пучок.Данный способ может быть реализован на измерительной системе с использованием тонкопленочного полупроводникового световода поУ мещенного н электрическое поле от исследуемого электронного пучка.На чертеже приведена структурная схема системы регистрации для реализации данного способа.Электронный пучок иэ ускорителя 1 проходит вблизи тонкопленочного полупроводникового световода 2. По снетоноду пропускается световое излучение от лазера 3, Световое излучение, промодулированное под действием электрического поля пучка элект ронов, измеряется с помощью фоторегистратора 4,Приннлп работы системы регистрации следующий, Пучок ускоренных электронов, пролЕтая вблизи полупро"5 11 водникового световода 2, возбуждает " в нем электрическое поле, величина которого пропорциональна току пучка из ускорителя 1. Таким образом в момент пролета пучка электронов, свет, проходящий по световоду, поглощается в результате эффекта Франца-Келдышаа. При отстутствии пучка свет от лазера 3 проходит по световоду без существенного поглощения, Регистрируя свет на выходе световода с помощью фоторегистратора 4, можно получить форму светового импульса, которая соответствует форме электронного тока пучка.Изменение поглощения света происходит в чистых, слабо- и сильно- легированных полупроводниках, помещенных в электрическое поле электронного пучка для межзонного, примесного и экситонного механизмов поглощения света, Это происходит иэ-за сдвига длинноволнового края собственного поглощения в электрическом поле на основании эффекта Франца-Келдыша. Частотная зависимость коэффициента поглощения света в полупроводниковом световоде 2 (прия с Ъ), помещенном в электрическое поле пучка, записывается в виде фщп ВрПп+ зпр Мй----- -(Жы) (1)ЗеЪ Е К= ехр где Я частота светового излучения;постоянная Планка( =1,05 10 Дж С);ширина запрещенной зоныполупроводника (для полупроводников Ю3 эв);величина напряженностиэлектрического поля отпучка заряженных частиц,в которое помещен полупроводниковый световод;эффективные массы носителей в зоне полупроводникового световода;заряд электрона (1, 6 1 О ф Кп) . Так, например, для полупроводникового тонкопленочного световода из арсенида галлия (для СаАв 1=1,45 эв) и при длине волны светового излучения лазера 3 Ъ = 0,88 мкМ изменение величины напряженности электрического поля от 0 до 10 т В/см приводит 19467 ьк изменению коэффициента поглощенияот 1 до 10 см ,Электрическое поле релятивистского точечного заряда заметно отли-.чается от нуля лишь в узком интервале углов З 9 =241-уз/Г вблизиплоскости, перпендикулярной направлению движения заряда, и при й ) 1 О(где 8 радиус пучка) может быть оп О ределено по формулец (1 - ) с 11ь 8 4 и ЕЕ К (1- - соз в ) с Я где г 1 - заряд ускоренного пучка заряженных частиц;скорость движения частиц;расстояние от пучка до по лупроводникового световода;Ео - электрическая постоянная(Е, =8,85 10й/ );относительная диэлектрическая проницаемость материа ла световода;скорость света в вакууме(С =3 10 м/к).Так, например, для световода изСаАз( Е = 12,5) при энергии пучка З 0 электронов из ускорителя 1 Уе=100 МеВполучаем, что 6 0 = 0,58 и изменениевеличины зарядаот 0 до 2/5 нКлприводит к возникновению электрического поля с напряженностью до 35 1,2 10 В/см при 1 = 1 см,ФТаким образом, зная параметрыпучка и рассчитав .напряженность поля Б по формуле (2), определяемкоэффициент поглощения света в полупроводниковом световоде по формуле (1). Часть света, прошедшую через полупроводниковый световод длиной 1, помещенный в электрическое 45поле пучка, и измеренную с помощьюфоторегистратора 4, найдем по формуле(3)При= 1 см и Зо = 1 Вт для 50ч = 10 см Зп,о,= 45 мкВт, а приК = 100 см Л про= 0,3 10Вт,Из приведенного расчета следует,что чувствительность предлагаемогоспособа чрезвычайно высокая, так 55как отношение интенсивностей излучения в отсутствии электронного пучкаи его наличии различается на несколько порядков.1119467 Это означает, что в момент пролета пучка вблизи полупроводникового световода анализирующее излучение практически полностью поглощается в световоде,Чувствительность известного способа лазерной диагностики по рассеянию излучения не превышает нескольких сотен Фотонов на один миллиампер электронного пучка при энергии лазерного зондирующего импульса 1 Дж. Таким образом, даже в случае использования лазеров мощностью в десятки джоулей и при электронных токах в десятки килоампер чувствительность способа лазерной диагностики мала для надежных измерений, Кроме того, при использовании способа лазерной диагностики интенсивность регистрируемого рассеянного излучения сравнима с интенсивностью собственного излучения пучка, что понижает помехозащищенность способа. Сравнительные оценки дают, чточувствительность предлагаемого способа примерно на два порядка превышает чувствительность способа лазер 5 ной диагностики по рассеянию, В случае применения способа обеспечивается помехозащищенность, так какрегистрируемое излучение свободноот паразитного излучения пучка за 10 ряженных частиц и рассеянного излучения,Преимущество предлагаемого способа перед базовым объектом заключается в уменьшении потерь пучка15 при проведении измерений эа счетисключения возможности возмущенияисследуемого пучка сильным магнитным полем, что, следовательно, повышает точность измерений, Кроме20 этого, устройство, на котором может быть реализован данный способ,будет иметь меньшие размеры и конструктивно проще, чем базовыйобъект,ВНИИПИ Заказ 8136 Э Тираж 747 Подписное Филиал ППП "Патент",г.Ужгород, ул.Проектная, 4