Устройство для измерения параметров пучков заряженных частиц

(19) ( 9978 3(59 С 01 ТГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ствиучеэиче соэеИцс 1. 27-931; Атом переход формы элеки тех- Иэд-во Фип) .(71) Московский ордена ТрудовКрасного Знамени инженерно-фикий институт(56) Могг 1 з Б.Б, Непа К.К. Рсопй В 1 аш Моп 1 гогз 1 ЕЕЕ Тгап8 сху 1969, ч. МЯ, Р 3, р,2. Москалев В.А., ШестаковКонтроль и измерение параметрпучков заряженных частиц. М.издат, 1973, с, 27-34.3. Джилавян Л.З., ОбозныйПономарев В,Н. Использованиеного излучения для наблюденияи положения пучка ускоренныхтронов. Вопросы атомной наукиники. ХФТИ АН УССР, Харьков,"Ленинские ускорители", 1976вып. 1 (2), с, 61-62.4, Авторское свидетельствпо заявке В 2771597/18-25,кл. Н 05 Н 7/00, Н 0139/О05.02.79, от 20.09.79 (прото 4)(57): УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ .ЧАСТИЦдержащее источник светового излния, преобразователь световоголучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувтельный к электромагнитному излнию исследуемого пучка частиц, регистратор светового излучения, атакже средства для ввода световогоизлучения в преобразователь и для .транспортировкипреобразованногосветового излучения к регистратору,о т л и ч а ю щ. е е с я тем, что,с целью повышения чувствительностии помехоэащищенности, преобразователь помещен в металлический корпусиз немагнитного материала с отверстиями для прохождения светового излучения, выполнен в виде тороида изферромагнетика, в теле которого надиаметрально противоположных сторонахдля прохождения светового излученияобразованы два параллельных канала,плоскость которых ориентирована перпендикулярно к исследуемому пучку,а в середине каждого из каналов установлены оптические неактивные парамагнитные кристаллы, причем оптическая ось каждого кристалла ориентирована перпендикулярно к оси кана 1 8599Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения параметров пучков заряженных частиц.5Как правило, регистрация параметров пучков заряженных частиц на выходе ускорителя осуществляется датчиками магнитно-индукционного, резонаторного или коллекторного типа, элек Отростатическими сигнальными электродами, датчиками Холла, мониторамиГвторичной эмиссии, стеклянными и фотопленочными индикаторами, Такие преобразователи позволяют измерять параметры пучков заряженных частиц, еслидлительность сгустков тока пучка находится в интервале от сотен микросекунд до единиц наносекунд.В последнее время перспективноеразвитие получили линейные ускорители электронов, работающие в пикосекундном .временном интервале. Актуальность измерения тока, длительности иположения таких коротких импульсовускоренных электронов потребоваларазработки широкополостных преобразователей, обладающих хорошей помехоустойчивостью, повышенной чувстви-.тельностью и прозрачных по отношению30к пучку.Известно устройство для измеренияпараметров пикосекундных импульсовс помощью коаксиальных датчиков 1.Однако хорошие частотные характеристики коаксиальных датчиков не уда-З 5ется реализовать из-за ограниченнойширокополостности передающих цепейи конечного времени нарастания современных стробоскопических осциллографов, необходимость использования которых является недостатком этого .устройства,Известно устройство для измеренияимпульсного тока пучка и положенияпучка ускоренных электронов с помощью магнитно-индукционного датчика.Такой преобразователь является полностью прозрачным и позволяет не раэ.рушая и не возмущая пучок, измеритьего параметры 12 .50Основным недостатком является малая широкополостность преобразовате-ля, что не позволяет использоватьего для измерения параметров пучка,состоящего из сгустков длительностью 55менее 1 нс.Известно устройство, используемоедля наблюдения формы и положения 78пучка ускоренных электронов. В устройстве используется свечение, возникающее при бомбардировке пучком поверхности различных материалов. Основной вклад в свечение вносит переходное, излучение, которое возникает при переходе равномернодвижущегося электрона из одной среды в другую. Обладая очевидными достоинсФ- вами: широкополостностью и высокой чувствительностью, данное устройство может быть использовано для измерения параметров пучков пикоеекундной длительности ГЗ 1.Основным недостатком этого устройства является его непрозрачность по отношению к пучку.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения параметров пучков заряженных частиц, содержащее источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувствительный к электромагнитному излучениюисследуемого пучка частиц, регистратор светового излучения, а также средства для ввода светового излучения в преобразователь и для транспортировки преобразованного светового излучения к регистратору.Преобразователь выполнен в виде коаксиала с емкостныщ зазором на одном из концов. В полости коаксиала размещен оптический элемент. При прохождении емкостного зазора пучок возбуждает в коаксиале электромагнитную волну типа ТЕМ. Электрическое поле этой волны, приложенное вдоль оптической оси кристалла, вызывает поворот плоскости поляризации проходящего через него света на определенный угол, величина которого линейно пропорциональна величине приложенного напряжения (эффект Поккельса) 4 1,Основными недостатками данногоустройства являются технологическая сложность и дороговизна изготовления преобразователя, недостаточная чувствительность из-за того, что лишь некоторая часть электромагнитного поля, создаваемого движущимся пучком заряженных частиц, оказывает воздействие на кристалл, а также неудовлетворительная помехозащищенность преобра-зователя и невозможность измерения3положения пучков пикосекундной длительности,Цель устройства - повышение чувствительности и помехозащищенности.Поставленная цель достигается тем,что в известном устройстве для измерения параметров пучков заряженныхчастиц, содержащем источник светового излучения, преобразователь светового излучения с оптически неактивными парамагнитными кристаллами, чувствительный к электромагнитному излучению исследуемого пучка частиц, регистратор светового излучения, а такжесредства для ввода светового излучения в преобразователь и для транспортировки преобразованного светового.излучения к регистратору, преобразователь помещен в металлический корпус из немагнитного материала с отверстиями для прохождения светового излучения, выполнен в виде тороида иэферромагнетика, в теле которого надиаметрально противоположных сторонах для прохождения светового излучения образованы два параллельных канала, плоскость которых ориентирована перепендикулярно к исследуемомупучку, а в середине каждого из каналов установлены оптически неактивныепарамагнитные кристаллы, причем оптитическая ось каждого кристалла ориен.тирована перпендикулярно к оси каналаСхема устройства для измерения тока пучка и положения пучка пикосе 35кундной длительности показана на чертеже,Предлагаемое устройство состоитиз прербразователя. светового излуче 40ния, представляющего собой ферритовый тороид 1, в котором имеются дваканала 2 для прохождения световогоизлучения от источника 3, в качествекоторого используется лазер, и рас 45положенного на выходе ускорителя 4.В каналах размещены оптические элементы - кристаллы 5. Ферритовый тороид 1 помещен в экранирующий кожух6, в котором имеются четыре отверстия.для прохождения светового излучения.50Для разводки светового излучения поканалам использована система полупрозрачных зеркал 7 и зеркал в поворотных. На выходе каналов датчика установлена система регистрации, в качестве которой использованы поляроиды 9,электронно-оптический преобразователь (ЭПО) 10 и фотохронограф 11. 4Работа устройства происходит следующим образом.Плоскополяризованное световое излучение от лазера 3 через оптическую систему зеркал 7 и 8 попадает на кристаллы 5. Движущийся пучок заряженныхчастиц создает вокруг себя магнитноеполе, которое индицируется в магнитопроводе датчика. Действие магнитногополя пучка заряженных частиц на кристаллы 5 сводится к следующему: магнитное поле поворачивает угол плоскости поляризации светового излученияна некоторый угол в случае, если направление силовых линий магнитногополя перпендикулярно оптической осикристалла (эффект Фарадея). Величина поворота плоскости поляризации зависит от величины тока и положенияпучка заряженных частиц. При измерении тока пучка достаточно использовать лишь один кристалл, а измерениеположения требует использования двухкристаллов,Рассмотрим более подробно работуустройства при измерении положенияпучка заряженных частиц. При прохождении пучка точно по центру тороидаположение кристаллов 5 должно бытьвыбрано так, что оптическая ось кристаллов 5 лежит в плоскости поляризации светового излучения от лазера 3,Положение поляроидов 9 выбирается так,что световое излучение не проходит.через них, Тогда при отклонении пучка от центра за счет магнитного вращения плоскости поляризации в кристаллах на систему регистрации по- .ступают два сигнала интенсивностью1и 1 Разность этих сигналов ЬТзависит от величины смещения положения пучка заряженных частиц от центра оси симметрии датчика. Можно показать, что дТ может быть оцененопо формуле, ачф, ачф,ЙЭ=Зрд 51 п81 (, (1) интенсивность световогоизлучения, падающего накаждый из кристаллов,Вт/см,ю 8минЧ= - + 8 - постоянная Верде,Ъ Лф ф Тлмф толщина крцсталда, м 3коэффициенты, зависящиеот природы вещества итемпературы;859978 ф 1 и ф 2 10 причем Ф = Оценяя величину А 1, измеренную 20 системой регистрации, для примера задают следующие параметры преобразователя и пучка заряженных частиц; К= 0,03 м; К = 0,05 м, с = 50 (феррит марки 50 Вч); толщина ферритово го тороида - Ь = 0,01 м; 1 П = 100 А, 4 = 510- м; У = 28,2 х 10+мин/Тл м, для кристаллов ЕПЯ при 20 С и длине волны светового излучения Ь = 589 ф 10 м; 1 = 1 Вт/см; величина сме- З 0 щения - 41 = 10 з м.Тогда для ЬТ получаем величину 1 О Вт/смф . В настоящее время измерение таких интенсивностей возможно только с использованием электронно- оптического преобразователя, обладающего кроме, высокого разрешения по мощйости и высоким временным разре- . шением (10 фс)В качестве источника излучения может быть использован любой лабораторный газовый лазер непрерывного действия с интенсивностью излучения (1 + 10) Вт/смф Лля измерения пара- метрОВ пучкОВ заряженных частиц пи 45- длина волны световогоизлучения, м;- площадь поперечного сечения ферромагнитноготороида, м;- потоки магнитной индукции, действующиена кристаллы 1 и 2 соответственно, Вб;0,2 1 Ер Е ф, (г) где 1 - ток пучка, А;длина магнитопровода, м;р, - магнитная проницаемостьферромагнетика, Тл/А м;и г - расстояние от пучка до2внешней и внутренней поверхности тороида, м. косекундной длительности может бытьиспользован фотохронограф, напримерприбор типа "Пикохрон" или "ФЭР",В фотохронографе использован электронно-оптический преобразовательтипа УИИ,С целью улучшения помехозащищенности ферритовый тороид помещен вэкран из немагнитного материала.Устройство обладает повышенной чувствительностью за счет применениясовременных быстродействующих ферритов, предназначенных для усилениямагнитного поля, создаваемого пучком5 ускоренных заряженных частиц. Дальнейшее увеличение чувствительностипреобразователя в устройстве можетбыть получено за счет использованияметода многократного прохождениясветового излучения через оптическийэлемент, для чего кристалл помещается в оптический резонатор открытоготипа.Устройство .обладает простой и технологичной конструкцией датчика. Предлагаемое устройство позволяет измерять ток, положение пучка ускоренныхзаряженных частиц при работе линейного ускорителя в нано- и пикосекундномрежиме. При этом измерение положенияпучка, состоящего из коротких сгуст"ков, возможно при сохранении максимальной чувствительности датчика.Таким образом, предлагаемое устройство полностью прозрачно для измеряемого пучка заряженных частиц, обладает высокой чувствительностью, помехозащищенностью и позволяет измерятьпараметры пучков пико- и наносекундной длительности с высоким временнымразрешением. Устройство найдет широкоеприменение при разработке сильноточныхкороткоимпульсных линейных ускорителей, при проведении физических и химических радйационных исследований.859978 Составите дактор М.Лысогорова Техред О, Корректор А е аз 7084/ сно д. 4/ П "Патент", г П ная,гор Тираж 710 По ИИПИ Государственного комитета СС по делам изобретений и открытий 35, Москва, Ж, Раушская наб.,