Способ измерения среднего заряда ионов в электронно-ионных кольцах

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК З(51) Н 05 Н 7/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Е, ать Н еги8 тоом (а) - ц моееатак ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Объединенный институт ядерных исследований(56) 1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Атомиздат, 1970.2. Него 16 Н. Использование и калибровка томпсоновского анализатора ионов для изучения плазменного фокуса. - "Кеч. Бс 1 еп. 1 пэТг.", 52 (1), Лап. 1981, р. 24.3. Зиберт Х.У Длеманн и др.0 воэможности применения спектроскопических методов для исследования некоторых параметров ион-электронных колец. Препринт ОИЯИ Р 9-9366, 1975 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГОЗАРЯДА ИОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХКОЛЬЦАХ, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо иизмерение интенсивности характеристического излучения, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения быстродействия измерениясреднего заряда ионов и расширениядиапазона измеряемых зарядов ионов,801132374 А в сторону меньших зарядностей и более легких химических элементов, одновременно с характеристическим излучением дополнительно измеряютинтенсивности тормозного излучениясначала на атомах, затем на ионах ипо этим измерениям определяют отношение сечений тормозного излученияна ионах и атомах по зависимости гдеотом(2)- сечение тормозного излучения на ионах; Жбагие(01 - сечение гармонного иелучения на атомах,- средний заряд ионов,- интенсивность тормознотогмго излучения на ионах,атомНто- интенсивность тормозногоизлучения на атомах 1он ФооМй р - интенсивность характеристического излучения наионах, Юдтомй - интенсивность характерис- Мтического излучения на ф 3атомах, фМпри этом путем сопоставления полученной величины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце, Ь1132374 сечения тормозного излучения на ионах и атомах по зависимости ион,атьгде й Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к ускорению ионов электронными кольцами, и может быть использовано для изме рения среднего заряда ионов при 5 накоплении их в электронном кольце.Известен способ измерения заряда ионов по магнитному анализу выведен" ного пучка Г 13 .Однако он предполагает измерение 10 заряда ионов при отделении электронов и не позволяет провести измерение на этапе формирования ионной компоненты.Известен также способ измерения 15 заряда ионов по их анализу в электрическом поле 123.Однако этот способ обладает теми же недостатками, что и магнитный анализ. 20Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ измерения заряда ионов тяжелых элементов, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и 25 заключающийся в измерении сдвига линий характеристического излучения этих элементов 3).Недостатком известного способа является то, что из-за малого эффек- З 0 та сдвига энергетических уровней ионов по сравнению с атомом необходим большой набор статистики при измерении спектра излучения, что требует длительного времени экспозиции " порядка нескольких часов работы ускорителя. Кроме того, эффект сдвига уровней имеет место только для тяжелых ионов с атомным номе- ромйщ 30, что сужает область изме ряемых ионов сЙл 430. Цель изобретения - повышение быстродействия измерения среднего заряда ионов и расширение диапазона измеряемых зарядов ионов в сторону меньших эарядностей и более легких химический элементов.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения среднего заряда ионов в электронно ионных кольцах, включающему импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и измерение интенсивности характе= ристического излучения, одновременно измеряют интенсивности тормозного и 55 характвристического излучений сначала на атомах, затем на ионах и пб этим измерениям определяют отношение; атомтоои(О) И ща Г К где БоРмХь)- сечение тормозного излучения на ионах,Вто 40) - сечение тормозного из"лучения на атомах,7 - средний заряд ионов,- интенсивность тормозного излучения наионах,атомЯ о - интенсивность тормозного излучения на атомах;ионН - интенсивность характеристического излученияна ионах;атомЙоР, - интенсивность характеристического излученияна атомах,при этом путем сравнения полученнойвеличины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце.На фиг.1 и 2 показана расчетнаязависимость отношения сечения тормозного излучения электронов на ионахк сечению на атомах Хе(ксенона) и,й (азо,та) от заряда иона Е", на фиг. 3 - геометрия установки для измерений тормозногои характеристического излучений.Способ заключается в следующем,Сечение тормозного излученияэлектронов Во,цв области малыхэнергий у -квантов (Е 6 100 кэВ)зависит от заряда ионов. Поэтомуоно может служить мерой заряда иона.Для этого измеряют интенсивностьтормозного излучения, которая опре,деляется формулой ион,атомфтором = 6 том(ОЙе)о Р 101 Ь (1) интенсивность тормозного.излучения на ионах илиатомах,сечение тормозного излучения на ионах со среднимзарядом, при этом 6 то Ри (О) - сечение тормозного излучения на атоме (Е). =О)",энергетическая эффективность регистрации иэлучениязПосле замены переменных ф = /6получаемДля вычисления сечения (5) надо иметь модели форм-факторов атомов и ионов. На ЭВМ проведено вычисление сечения вторм тормозного излучения для разных энергий-квантов и .разных элементов до Хе включительно. Эти сечения для энергии -квантов Кб 0,2 мс 2=100 кэВ приведены в зависимости от заряда иона для ксенона на фиг,1, для азота - на фиг.2.Из фиг.1 и 2 видно, что если в 2 О эксперименте реализуется точность измерения величиныто это обеспечивает точность 6 Х определения Хзаряда ионов Й (азот) в области Е=4, ЬЕ =+1; заряда ионов Хе при Й =40, ДЕ =2, что соответствует примерно естественному распределению ионов по зарядности при импульсном напуске нейтральных 30 атомоч в электронное кольцо. Для данного способа область измерения среднего заряда ионов простирается от азота до урана.Техническая реализация определяет-З 5ся энергией 1 -квантов характеристического излучения. Для атомов, включая железо, для регистрации характеристического излучения может быть ,использован полупроводниковый ЛцБ детектор, для излучения с большей энергией может быть использован ФЭУ с пластическим сцинтиллятором. В данном предложении высокого разрешения для регистрации спектра характе ристического излучения не требуется, необходимо только, чтобы число зарегистрированных квантов излучения обеспечивало статистическую ошйбку й 107. Такое же требование наклады- Ы вается на регистрацию тормозного из" лучения а именно получение минимальной ошибки в числе зарегистрированных квантов. Измерения тормозного излучения производятся ФЭУ с кристаллом ВаЛ,.поскольку в этом случае обеспе.чивается эффективность регистрации. Поэтому измерения среднего заряда данным методом могут .быть выполнены в каждом цикле сжатия кольца и наполнения его ионами. В процессе накопления ионов, который длится порядка " 3 мс,проведено несколько измерений с длительностью 200-300 мкс.Определение среднего заряда ионов.На фиг.3 приведена схема установки для реализации данного способа .измерения заряда ионов, где представлены детекторы 1 тормозного излучения, детектор 2 характеристического излучения, электронно-ионное кольцо 3 и камера 4 ускорителя, Детектор 1 регистрирует тормозное излучение от ионов,Детектор 2 регистрирует характеристическое излучение ионов из кольца 3, находящегося в камере 4. В ка,честве детектора 2 для ионов до А может быть использован канальный умножитель внутри камеры. Для ионов у которых энергия характеристического излучения Е6 кэВ, может быть использован ФЭУ с пластиковым сцинтиллятором, расположенным вне камеры: в детектор 1, регистрирующий тормозное излучение, в импульсе сжатия за время ЬЙ =200 мкс попадет следующее количество у -квантов тормозного излучения.ЮОкзьЬйтоон =феЕ Х 61 с)/р с(ЕТ)Еуогдеб(20/Ц сечение тормозного излучения электронов с энергиейо на ионе с зарядомЕ для атомов Хе максимальное значение сечения6 - 10 д;- эффективность регистрациидетектором 1 ( 61) ,- геометрическая эффективность регистрации (б - 10 );ь - время измерения И=200 мкс 1В детектор, следовательно, попадет следующее количество квантов излучения с энергией Е 4 100 кэВ ,Ьйорфба 102 квантов.В детектор, регистрирующий характеристическое излучение Хе с энер гией Е кэВ, число квантов за время ЬЬ равноб рм - фе ювЕ а+ Ы -1),йр7 1132374 , где 6 - сечение характеристического н излучения с учетом выхода флюоресценции хдр - 10) для телесного угла 6 (6 " 10 ) ьМае -10 З квантов. Поскольку регистрация характеристического т излучения ведется под углом 90 к плоскости орбиты, то вклад в измерение характеристического излучения с тормозного излучения на атомах пре- з небрежимо мал, за счет того, что тор О к моэное излучение находится в плос- н 1кости орбиты в растворе угла т91/у=1/36=2У где у - релятивистский фактор элек- ртронов. зТаким образом, отношение выхода в тормозного излучения к характеристическому имеет относительную точность ьйаР + Ь Ктои Й Й хбр КТОРМ 20 Ьйхбр -ЙЯаР,ПосколькуТОРМ - Йторм 25 то+ -2./lйОРМ - ЮфТаким образом, обеспечивается точность измерения отношения выхода тормозного излучения к характеристичес кому4 Х, что дозволяет измерять сечение тормозного излучения в относительных единицах с такой же точостью, а отношение может быть измеено с точностью 103, что обеспечиает, согласно графику на фиг,1,очность Ь 2 определения 2.в обласи малых ЕЗОЬ 2-" 5; в областиЕ )30 а 2 2 для Хе (ксенона) .Измерение среднего заряда ионовтакой точностью позволяет оптимиировать процесс накопления ионов вольце, достигая при этом максималь"ой эарядности, при данном количесве, что позволит реализовать наскорителе максимальную энергию уско-.енных ионов, поскольку она линейноависит от заряда иона, Это особенноажно при ускорении тяжелых ионов0 , Ри т.д., для которых зао 8труднительно провести расчеты всехфакторов, влияющих на определениезаряда иона при накоплении,Базовым объектом является система для диагностики электрон-ионныхколец по тормозному излучению, которая измеряет величину Юекй (произведение числа электронов Не на число ионов Н 1 ), Однако в данном способе измерения полностью отсутствуетвоэможность измерения заряда ионов.Предлагаемый способ измеренияпозволяет определить заряд ионов./С точки зрения технической реализации он сравнительно прост и реализуется на созданном оборудовании,1132374 Я 2 сно 4 ФигзЗНИНПН Заказ 9807/45Тирах. 782 По Фюиаи Шй фВвюатф, г.Уамород, ул.Проев