Способ определения параметров пучка заряженных частиц

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 540 у А 1 51) 5 ЫЙ ИНСТи ЛЕйНОЙ ЧНОСТИ ио ВЧТ"О АНИЕ ИЗОБРЕТЕН 2 В.И. Измерение ных частиц. М.: овский А.М. Дию открытых ци- . М,: Энергия,ИЯ ПАРАМЕТЧАСТИЦк ускорительния - расшир- еозможносте ИЬ Изобре рительной т ке средств частиц, и мо контактного характерис их плотност стке трансп ускорителя,Плотнос ми характерк области ускости к разработков заряженных зовано для бесго определения енных частиц - каком-либо учали на выходе из тение относится ехники, в частно диагностики пуч жет быть исполь неразрушающе тик пучка заряж и и энергии - в ортного канала и ия являются основн пучка заряженных ч тьиэн исти ка ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Московский радиотехнический институтАН СССР(56) Москалев В.А., Сергеевпараметров пучка заряженАтомиздат, 1980,Авторское свидетельство СССРМ 667034, 1979, вып,47.Москалев И,Н., Стефанагностика плазмы с помощьлиндрических резонаторов1985.Рел ятивистская высокочастотная электвып.3. Горький, 1983, с.26. 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕН РОВ ПУЧ КА ЗАРЯЖЕ Н Н ЫХ 57) Изобретение относитс ной технике. Цель изобрете ние функциональных в бесконтактного, неразрушающего способа диагностики пучков, основанного на измерении сдвига частоты колебания высокодобротного цилиндрического резонатора, возникающего как реакция резонатора на нагрузку его замагниченным пучком, Для одновременного определения плотности и энергии пучка возбуждают в резонаторе два различных Н-колебания с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, и измеряют сдвиги частот обоих колебаний. Плотность и энергию пучка определяют по формулам. После проведенного определения параметров пучка уточняют значение скорости частиц. Для этого в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, и измеряют сдвиг.его частоты. Для дополнительногоповышения чувствительности метода изменяют энергию пучка в резонаторе на небольшую, заранее известную величину. Такое изменение осуществляется подачей на резонатор напряжения смещения. 2 з.п, ф-лы, 1 ил. стиц. Известно много способов измерения этих характеристик путем частичного или полного разрушения пучка, которые реализованы в таких устройствах, как цилиндр Фарадея (измеряет ток пучка, т.е, произведение плотности частиц на их скорость), магнитный спектрометр (измеряет энергию пучка) и т,п. Все эти приборы,как основанные на разрушающих принципах измерения, могут быть установлены лишь в качестве мишенного устройства, принимающего пучок, но нев начале и не в средней части пучковогоканала транспортировки,Известен способ бесконтактного измерения тока пучка, реализованный в устройстве типа пояса Роговского. 5Известен также способ бесконтактногоопределения мощности пучка, основанныйна измерении мощности колебания, возбуждаемого тестируемым пучком в резонаторе. 10Однако непосредственного способа одновременного бесконтактного измеренияплбтности и энергии пучка заряженных частиц не существует.Известен также способ бесконтактного 15определения плотности плазмы по реакциивысокодобротного резонатора на нагрузкуего плазмой, в котором измеряется сдвигчастоты резонатора, возникающий вследствие заполнения его плазмой, а плотность 20плазмы определяется по известной расчетной формуле.Однако в плазме отсутствует понятиесредней скорости частиц, а ее главной характеристикой является плотность. 25Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является способ определения параметров пучка заряженныхчастиц, заключающийся в измерении сдвигачастоты цилиндрического резонатора, по 30оси которого проходит замагниченный пучок. В этом способе по известной расчетнойформуле сдвиг частоты резонатора (измеряемый так же, как и в предыдущем способе)связывается с комбинацией основных параметров пучка - его плотностью и энергией.Способ позволяет определить плотностьпучка, если известна его энергия, или энергию пучка,.если известна его плотность.Однако недостатком известного способа является невозможность одновременноопределить плотность и энергию пучка заряженных частиц в одном акте измерения,Кроме того, определение энергии пучка приизвестной плотности затруднено, поскольку 45в общем случае зависимость сдвига частотырезонатора от энергии пронизывающего егопучка достаточно сложна,Целью изобретения является расшире ние функциональных возможностей способа путем одновременного определения плотности и энергии пучка,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в из мерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по оси которого проходит замагниченный пучок, в резонаторе возбуждают два различных Н-колебания с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и измеряют сдвиги частоты обоих колебаний.Для повышения точности определения скорости пучка в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и измеряют сдвиг его частоты,Кроме того, на резонатор может быть подан электростатический потенциал.На чертеже показана схема цилиндрического резонатора, осуществляющего предлагаемый способ, и проходящего по его оси замагниченного пучка (стрелкой показано направление продольного магнитного поля Но, фокусирующего пучок),Способ осуществляется следующим образом.Будем исходить из соотношений, связывающих плотность и энергию пучка 2, пронизывающего резонатор 1 по его оси, со сдвигом частоты собственного колебания этого резонатора, В общем случае эти формулы достаточно сложны, Наиболее простой вид они имеют для Н-колебаний с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора,Л 1 е пь Ьт 2 лао у 1-а,/угде 1 - невозмущенная частота собственного колебания резонатора; пь - плотность пучка заряженных частиц; е и во - заряд и масса покоя частиц; у - релятивистский Лоренц-фактор пучка; а = Й/2 л 1; Я - нерелятивисткая циклотронная частота частиц пучка во внешнем продольном магнитном поле Но, Ьо - форм-фактор, определяемый геометрией и типом колебания резонатора,1 и гЬ. - Хрг -1(х)++Р +1(Х)ХО Х,где а - радиус пучка; Й - радиус резонатора; в - число вариаций поля по азимуту; ЦХ) - функция Бесселя; ,и - корень функции 1 п (Х),В случае тонкого пучка максимальная величина форм-фактора достигается для мод резонатора с одной вариацией по азимутур а куа1 г гг21 и),иг - 1 рг 4 гВозбуждая в резонаторе два различных Н-колебания с различными значениями а, 1 и,и с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и измеряя их сдвиги частоты, возникающие при прохождении по оси резонаторапучка, можно определить плотность и энергию тестируемого пучка заряженных частицпо выражениям формулы (1) х, х, (1-1,60,0069 о 5 ав юН,-(ть пучка, см ующее маг пучка, эВ; первого и Гс; ого колебаг - относительный сдв частоты резонатора;Ю - абсолютный сдвиг частоты, Гц,Число и вариаций поля в плоскостперпендикулярной к оси резонатора, должно быть выбрано из условия де- длина резонатора, см; - число ва иа ий поля в оль оси Е,4 ".й корень функции 1 п 8=2 при ц=0 и 8=1ц)1. В случае тонкого пучка для симичной моды Ь 1 = (дгР/1 бя ) (а/й)4,ЖУ/4 е)(а/В),а для моды с одноййациейэ по азимуту Ь 1 = (дР/4 е)(а/Щ,( Р/32 ец)(а/й) . Формулы (1) исправедливы . п р и усл о в и и( (2 к 1/с) (1 - а 1/у),овышение точности определения скопучка при измерении сдвига частоты. ет вариЬг=(3)л/П ост Ц Р ц д резонатора. 25Для повышения точности определения скорости пучка следует в резонаторе дополнительно возбудить Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, п (й/.)ц и 30 измерить сдвиг его частоты. Этот сдвиг следующим образом зависит от параметров пучка, проходящего по оси резонатора35, (мф,(-м/уг 1"т 7му)с ,. ур Ц+(0 (С 05" л 5 й")Ьгде г = 2 П /О - угол пролета частиц пучка 40 через резонатор; О - скорость пучка; ф.- -О/с; с - скорость света; форм-факторы: Е-колебания происходит вследствие зависимости правой части(3) оттригонометрических функций с большим аргументом т (или пропорциональным ему). Поэтому небольшие относительные изменения скорости пучка, приводящие к изменению значения 7 на величину порядка единицы, уже могут быть зарегистрированы в предлагаемом способе. Порог чувствительности метода таким образом составляет Ь . 1/т:-ф/м) (В/1 ) .Еще более повысить чувствительность метода и точность определения скорости пучка можно, если подать на резонатор электростатический потенциал, слегка изменив скорость проходящего через резонатор пучка и угол пролета х. Оптимальные значения угла пролета соответствуют максимуму производной правой части (3) по т.Предлагаемый способ определения плотности и энергии пучка заряженных частиц заключается в измерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по оси которого проходит замагниченный пучок, причем в резонаторе возбуждают два различных Н-колебания с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и (В/)ц, измеряют сдвиги частот обоих колебаний и определяют плотность и энергию пучка по формулам (2), Для повышения точности определения скорости пучка дополнительно возбуждают Е-колебание резонатора с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора п(й/1 )ц, измеряют сдвиг его частоты и численно определяют значение, скорости пучка из уравнения (3). С этой же целью на резонатор может быть подан электростатический потенциал,Расчетным путем получены данные, которые позволяют убедиться в возможности одновременного определения плотности и энергии пучка заряженных частиц, При осуществлении способа по измеренным величинам сдвигов частот двух различных Н-колебаний резонатора определяют согласно формулам (2) значения плотности и энергии пучка, Измерение сдвига частоты Е-колебания позволит уточнить значение скорости пучка путем решения уравнения (3) относительно угла пролета т, когда приближенное его значение уже известно по предыдущим измерениям Н-колебаний. Это уточнение может быть облегчено, если путем подачи на резонатор электростатического потенциала (и, следовательно, изменения энергии пучка, пересекающего резонатор, на определенную величину) пере 1725409х, хЕЕф 1ь "00069 Нь р,0 ь д 8,ц)ьн х Еххмагн поле, Гс; о колебаНо - фоку1,г - частГц;1Х 1.г= ( -Ь ирующее ты перво е орог носительный сдвиг тора;ютный с частоты резо Ж- абсоГц; г часто вести параметр г в область значений, упрощающих решение уравнения (3).Использование изобретения позволитрасширить функциональные возможностиспособа бесконтактной неразрушающейдиагностики пучка заряженных частиц, позволяющего судить о параметрах пучка посдвигам частот собственных колебаний резонатора, нагруженного этим пучком,Формула изобретения1. Способ определения параметров пучка заряженных частиц, заключающийся визмерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по оси которого проходитзамагниченный пучок, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем одновременногоопределения плотности и энергии пучка, врезонаторе возбуждают два различных Нколебания с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора,п)ц,йгде й - радиус резонатора, см;Е - длина резонатора, см;о - число вариаций поля вдоль оси резонатора,измеряют сдвиги частот обоих колебаний иопределяют плотность пь и энергию Ю пучкав соответствии со следующими соотношениями:форм-факторы2 приЧ=Ои е =1 приРелятивистскии фактор пучкакорень функциир),особ по и 2 о тл и ч а ю щ и ирезонатор подают напряже 3 м, что намещения. Ь - 3 4 - 1(Х) ++1 г 1 + 1 (Х)Х б Х, - форм-фактор;5 а - число вариаций поля по азимуту;а - радиус пучка, см;в(Х) - функция Бесселя;Р - корень функции 10 (Х).2, Способпо п 1,отл ича ю щи йся 10 тем, что, с целью повышения точности определения скорости пучка, в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание счислом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, 15 Ви - ,аизмеряют сдвиг его частоты и численно определяют значение скорости пучка из урав1725409 3 0 5 оставитель М.Капчинскийехред М.Моргентал орректор М.Максимишинец едактор Л.Гратил оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 Заказ 1186 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5