Способ измерения энергетического спектра электронного пучка и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 3 ШС 01 Т лЙЯБЛИИ 2ъ 4 й АВТОРСКО ВИДЕТЕЛ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ИСАНИЕ ИЗОБР(71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при ,Томскомполитехническом институте(56).1.Уа 1 яЬ Х.ЕМагсЬа 11 Т С.БсЬ 1 е 1 паег Б.Р. Сепегадоп оК соЬегеп АгепЬоч гайхагоп юхЬ оп пйепяе ге 1 айчдяйс е 1 есйгоп Ьеаш. -"РЬуя.Т 1 пЫя"20, Р 4, 1977,р. 709-710.2. Иванов М.И. и др. Исследованиепараметров сильноточных релятивистских пучков электронов по выходутормозного излучения, - "Атомная энергия", т.15, вып,4, 1978,.с.280-284(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГОСПЕКТРА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.(57) 1. Способ измерения энергетического спектра электронного пучка путемизмерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности ипроведения неразрушающих измерений,взаимодействие электронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления, при этомизмеряют мощность СВЧ излучения после каждой из диэлектрических замедляющих структур, а по известной степени замедления волн в структурахи измеренным значениям мощностиизлучения судят об энергетическомспектре электронного пучка.1109693 2. Устройство для измерения энер-, гетического спектра электронного пучка, включающее активную среду и систему регистрации, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и проведения не- разрушающих измерений, активная среда выполнена в виде наборов диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления и согласованных нагрузок, а система регистрации представляет собой набор устройств СВЧ связи, подключенных к блоку детектирования, связанному с блоком обработки данных, причем диэлектрические замедляющие структуры последовательно чередуются с устройствами СВЧ связи и согласованными нагрузками. 1Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения параметров электронных пучков, инжектируемых в ускорители на большие энергии или в мощные релятивистские СВЧ приборы.Известен способ измерения энергии электронных пучков, основанный на измерснии длины волны черенковского излучения, возникающего при взаимо действии пучка с диэлектрической замедляющей структурой11.Такая структура представляет собой отрезок волновода с вставленным в него полым цилиндром из люсита или 15 полиэтилена. При движении электронного пучка через пролетный канал структуры возникает черенковское излучение, которое принимается антенной системы регистрации. Длина волны 20 генерируемых колебаний измеряется с помощью дисперсионной линии, а по известной длине волны и геометрическим размерам диэлектрика судят об энергии электронного пучка. 25Такой способ обладает существенным недостатком, так как не позволяет производить измерения энергетического спектра электронного пучка.В реальных же случаях пучки элект- Зо роков обладают заметным разбросом 3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов одинакового диаметра с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одного внутреннего диаметра и изготовленными из материалов с различной диэлектрической проницаемостью. 4. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов различных диаметров с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одинакового внутреннего диаметра и выполненными из одного материала. 2по энергиям, Это обусловлено конечными размерами области фазовой устойчивости движения частиц в циклических и линейных ускорителях, процессами во взрывоэмиссионных диодах, прохождением электронов через анодную Фольгу, колоколообразностью формы импульса напряжения в сильноточных ускорителях прямого действия. Для генерации электромагнитного излучения и нагрева плазмы часто используются пучки, удерживаемые внешним магнитным полем. Прохождение через области неоднородности поля также приводит к увеличению разброса. Для многих процессов, основанных на использовании релятивистских электронных пучков и особенно в релятивистской электронике, важнейшим параметром является разброс электронов по продольным скоростям, т.е, спектральный состав пучка по продольным энергиям, измерить который с помощью способа, основанного на измерении длины волны черенковского излучения, невозможно.Наиболее близким к предлагаемому является. способ измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникаю1109693 щего при взаимодействии пучка со средой 2 .Устройство, реализующее данный .Г способ, состоит из активной среды и системы регистрации 2 . В качестве активной среды используется анод из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Система регистрации включает в себя блок обоаботки данных на основе осциллограФа 6 ЛОР и блок чувствитель ных к у-излучению датчиков. Датчики располагаются в некотором телесном угле, на расстоянии 30-60 см от анода и выполняются на основе сильноточных Фотоэлементов в комбинации с 15 пластмассовыми цилиндрическими сцинтилляторами (полистирол+27-ный р-тер- Фил+РОРОР). Каждый датчик снабжается поглотителем, Фильтром тормозного излучения, в качестве которого 20 используются свинцовые Фольги различной толщины. Во время проведения измерений пучок поглощается на аноде, испуская у -кванты тормозного излучения. 25По известному поглощению у -квантов в материале анода и Фильтров судят об энергии электронов, а по Фиксированной энергии электронов абсолютные значения интенсивности тор- З 0 мозного излучения позволяют определить количество электронов данной энергии.Однако такой способ измерения энергетического спектра электронно го пучка имеет существенные недосттатки - невозможность проведения не- разрушающих измерений и невысокая точность измерений. Такая точность определяется прежде всего тем, что данный способ не позволяет производить измерения параметров реальных пучков, использующихся в эксперименте. А так как параметры существующих сильноточных ускорителей прямо 45го действия или линейных индукционных ускорителей отличаются нестабильностью, то исследованный пучокможет не соответствовать реальному. Другой причиной, снижающей точность50измерений, является наличие анодана пути лучка. Это связано с тем, что анод изменяет условия Формирования виртуального катода, а зарядэлектронов, уже выпавших на анод,искажает картину измерений. Плотный55пучок заряженных частиц быстро разрушает анод, изменяет Форму егоповерхности и приводит к изменейию диаграммы направленности тормозногоизлучения, что также отрицательносказывается на точности измерений.Кроме того, при взаимодействииэлектронов с материалом анода возникает переходное излучение, потерина которое в рамках рассматриваемогоспособа, не учитывается.Цель изобретения - повышение точности и проведение неразрушающихизмерений энергетического спектраэлектронного пучка,Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу измеренияэнергетического спектра электронногопучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения,возникающего при взаимодействиипучка со средой, взаимодействиеэлектронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляющих структур с пролетными каналами с различной степенью замедленияСВЧ колебаний, при этом измеряютмощность СВЧ излучения после каждойиз диэлектрических замедляющихструктур, а по известной степенизамедления волн в структурах и измеренным значениям мощности излучения судят об энергетическом спектреэлектронного пучка. Для предлагаемого способа нет принципиальных ограничений на величину различий степени замедления структур и при реализации способа они выбираются исходя из чувствительности системы регистрации. После каждой структуры измеряют мощность СВЧ излучения, которая зависит от степени замедления диэлектрических замедляющих структур и спектрального энергетического состава пучка. По известным степеням замедления и мощности излучения определяют Функцию распределения электронов по энергиям. Мощность спонтанного черенковского излучения, а следовательно, потери энергии электронами незначительны. Поэтому пучок после процесса измерений оказывается практически невозмущенным, т.е. использование в качестве активной греды диэлектрических замедляющих структур, обладающих слабой связью с пучком, позволяет избежать влияния анода на измеряемые параметры. В результате этого повышается точность измерений и открывается возможность неразрушаю693 6 1109щего измерения энергетического спектра электронных пучков,Укаэанная цель в устройстве дляосуществления данного способа достигается тем, что в устройстве содер 5жащем активную среду и систему регистрации, активная среда выполненав виде наборов диэлектрических замедляющих структур с различной степеньюзамедления и согласованных нагрузок,а система регистрации представляетсобой набор устройств СВЧ связи, подключенных к блоку детектирования,связанному с блоком обработки данных,причем диэлектрические замедляющиеструктуры последовательно чередуютсяс устройствами СВЧ связи и согласован/ными нагрузками. Такое выполнениеустройства позволяет реализовать предпредлагаемый способ, и повысив точность, производить неразрушающие измерения энергетического спектраэлектронных пучков.Изменения степени замедления структуры при постоянной поперечной геометрии электронного пучка можно добиться различными вариантами, одиниз которых отличается тем, что диэлектрические замедляющие структурывыполнены в виде отрезков волноводов30одинакового диаметра с вставленнымив них полыми диэлектрическими цилиндрами одного внутреннего диаметра и изготовленными из материаловс различной диэлектрической проницаемостью. 35Другой вариант отличается тем,.что диэлектрические замедляющиеструктуры выполняются в виде отрезков волноводов различных диаметровс вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одинакового внутреннего диаметра и выполненнымииз одного материала,Но так как увеличение диэлектрической проницаемости диэлектрика или 45его внешнего диаметра приводит к одному и тому же эффекту - увеличениюстепени замедления электромагнитнойволны в диэлектрических замедляющих структурах, - то случай реализации способа можно рассмотреть напримере устройства для его осуществления, в котором замедляющие, структуры отличаются диэлектрическойпроницаемостью материала.55 На чертеже показано устройстводля измерения спектра пучка. Устройство состоит из набора диэлектрических замедляющих структур 1,выполненных из материалов с различной диэлектрической проницаемостью,последовательно чередующихся с устройствами 2 СВЧ связи и согласованными нагрузками 3. Устройства 2 СВЧсвязи подключены к блоку 4 детектирования, который связан с блоком 5обработки данных. С помощью устройст, ва 2 СВЧ связи часть генерируемоймощности в каждой диэлектрическойзамедляющей структуре 1 подается наблок 4 детектирования. Диэлектрические замедляющие структуры 1 помещаются в волновод 6. Для того, чтобы исключить СВЧ связь между диэлектрическими замедляющими структурами1, после каждого устройства 2 СВЧсвязи устанавливается согласованная нагрузка 3 длиной несколько длинволн.Рассмотрим способ измерения энергетического .спектра электронногопучка на примере работы устройства,так как предлагаемый способ можетбыть реализован только в предлагаемомустройстве.Измеряемый электронныйпучок подают на вход замедляющей структуры1. При взаимодействии электронов сматериалом диэлектрических замедляющих структур 1 возникает спонтанное черенковское излучение. Мощностьэтого излучения . зависит от геометрических размеров, диэлектрическойпроницаемости замедляющих структур1 и энергетического спектра пучканри фиксированной величине тока.Уровень мощности после каждой издиэлектрической замедляющей структур1 с помощью устройств 2 СВЧ связи,блока 4 детектирования и блока 5 обработки данных измеряют. СВЧ излучение, которое не ушло в систему регистрации, поглощают на согласованных нагрузках 3. По известным степеням замедления волн в структурахи измеренным значениям мощности излучения судят об энергетическомспектре электронного пучка.Более подробно принцип работы устройства, осуществляющего предлагаемыйспособ, поясняется следующим,Пусть В-потери энергии в единицувремени одного электрона, которыйпролетает в канале радиуса ю, проделанном в волноводе 6 радиуса Ь,заполненном диэлектрической замедляю1109693 где С - ско 1 О где Ро Рт Ь 2 05о гас 25-кори Ю05с Бесс 51 ро т 7щей структурой 1 параллельно оси на расстоянии ( от оси, на черенковское излучение в фиксированном интервале частот Ь, иг ). Если выбрать длинноволновую границу интерваСла так, что О 3рость света, Е -диэлектрическаяпроницаемость материала, то 5 оФ=рс.Е В,( ), (1)где (5 С в . скорость электрона; 15Ж (м ) - потери энергии одного элект"рона на,черенковском излучении начастотах ыо 5=упс- импульс электрона, а М -набор параметрова,в, Е , характеризующих данную структУру, о - массаэлектрона.Рассмотрим теперь некогерентноечеренковское излучение пучка электронов, движущегося в данной структуре. В пренебрежении влиянием поперечного движения на излучение (нерелятивистские поперечные импульсы),выражение для мощности, излучаемойв интервале частотв, мпучкомчастиц, записывается в видеР(м(=В(р;,м)Г(р, )дрор, иде (р,-) в .функция распределенияэлектронов по координате и продольному импульсу. 8В случае сплошного однородного пучка с максвелловским распределением, длительность импульса которого много больше среднего времени пролета электроном диэлектрической замедляющей структуры 100 о2 и(. (,Р "о)ДРе- %(Р,г/М)Ыг., 2)трйс т оИ:1- средний продольный импульсэлектронов;- разброс;- плотность пучка,- радиус пучка;- длина структуры,вс- минимальное значение имс,-1пульса, при котором существует черенковское излучение..Таким образом, Р=Р(р Р М) т.е. мощность, излучаемая в интервале частот ы Ф )в любой из диэлектрических замедляющих структур 1, есть функция двух переменных (Р , Р )о и набора параметров М. С помощью предварительно калиброванных устройств 2 СВЧ связи и блока 4 детектирования определяются величины мощности излучения в каждой из структур 1 в фиксированном диапазоне частот ы, ог) которые подаются в блок 5 обработки данных, где происходит окончательная обработка информации. Диапазон ы, и,выбирается в области длин волн, сравнимых с поперечными размерами волновода, так как и в этом интервале потери на черенковское излучение наиболее значительны.Экспериментально определенную мощность в 1-й структуре обозначим Р .э 11 т. е. при=1 =1, 2 М, Очевидйо, минимально необходимое число измерений мощности И =2. В этом случае имеем систему двух управлений с двумя неизвестными решение которой и дает неизвестные параметры р , р . Такой подход целетсообразен при абсолютно точных измерениях экспериментальных значений Р (51В случае измерения значений Р . .с помехами общепринятый подход методики наименьших квадратов диктует1109693 1 О р 1 45 50 9выбор .М) 2, при этом погрешность оцениваемых значений Р , Р имеет порядок3%, где 6 - дисйерсия случайной величины помехи в предположении ее нормального распределения. 5 Далее составляется функция суммы квадратичных невязок М2ф 1 1:Р -Р Р Г 11 1 и значения Р 1 и Р , при которых эта функция минимальна, определяют величины среднего импульса пучка и теплового разброса. 15Функция (3) существенно нелинейна по параметрам ро, р . Ее минимумтможет быть найден одним из методов минимизации квазиньютоновского класса, 20В предлагаемом устройстве величина И выбрана равной 4, что обеспечивает сравнительно хорошую точность оценки.Блок 5 обработки данных осуществляет вычислениеи минимизацию функции (3) и, таким образом, определяется спектр электронного пучка. Здесь необходимо отметить сле- З 0 дующее. Формула (2) описывает некогерентное спонтанное черенковскоеизлучение электронов пучка. А описанная выше структура может генерировать мощное электромагнитное излуче- З 5 ние, как лампа бегущей волны, работающая в режиме усиления собственных шумов. Аналитического выражения для излучаемой при этом мощности не существует. Поэтому изложенный 40 способ может быть применен для диагностики пучков, токи которых не превышает значения, определяемоговыражением 1( 3 =0421 1 пуск3Ь ьаМГДЕ 1.1 - напряжение, соответствующее кинетической энергии электронов;с Ь- число замедленных длин волн,замукладывающихся вдоль структуры,к О - сопротивление связи замедляющей системы, которую представляет собой структура.Величина дОлжна быть достаточно большой, так как формула (1) получена в предположении .Ь . 10Простые оценки показывают, чтопри-10 условие (4) выполземняется для самых интенсивных, имеющихся в настоящее время, пучков линейных резонансных ускорителей электронов,и микротронов.Для диагностики низкоэнергетических и сильноточных пучков линейныхиндукционных ускорителей и особенносильноточных ускорителей. прямогодействия необходимо обеспечить достаточно малое сопротивление связиструктуры. Это достигается увеличением радиуса пролетного канала посравнению с размерами пучка. Приэтом Диапаэон частот Ш 1 о 2сдвигается в длинноволновую область,что приводит к необходимости увеличения длины структуры,Рассмотрим пример конкретногоисполнения устройства для реализации данного способа.Пусть для исследования генерации электромагнитного излучения влазере на свободных электронах наоснэве электронного пучка микротрона с энергией 5 МэВ и током 18 Анеобходимо производить постоянныенеразрушающие измерения спектрапучка. Между выходом микротрона илазером на свободных электронах вмагнитном поле лазера устанавливается устройство для измерения энергииэлектронного пучка по измерениюпараметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего привзаимодействии пучка со средой. Уст-.ройство помещается в волновод, который образует одну вакуумную системус лазером. В качестве материала длявыполнения структур используются фторопласт 4, полиэтилен, эбонит и текстолит, имеющие диэлектрическую проницаемость соответственно 2,08; 2,26;2,67 ф 3,67, Для реализации данногоспособа не имеет значения во сколько раз различаются величины диэлектрических проницаемостей замедляющихструктур. Поэтому выбор материаловдля изготовления их определяетсялишь доступностью материала и разрешающей способностью системы регистрации. Степени замедления в этомслучае равны 1, 162, 1, 177, 1,206;1,254, соответственно. Длина однойструктуры 8 см, радиус пролетногоканала 10 мм, радиус волновода 15 мм.Устройства СВЧ связи представляютсобой электрические зонды с полосо1109693 15 Составитель В. ДрыгинРедактор Е. Папп Техред С.Мигунова Корректор О.Тигор Заказ 6026/31 Тираж 711 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 выми фильтрами, настроенные и калиброванные в диапазоне длин волн 8-10 мм. Согласованные нагрузки выполняются конусными из графита, длиной 3 см, Детектирование СВЧ сигна лов производится с помощью криоген.ных детекторов на горячих носителях. Первичная обработка данных производится на осциллографе ИНИ-З, а окончательная на ЭВМ. Информация 1 О выводится на дисплей и цифропечать,Другим вариантом конкретного исполнения устройства для реализации предлагаемого способа является прибор, у которого все замедляющие структуры выполнены из полиэтилена с одинаковым диаметром пролетного канала, но разной толщиной диэлектрика. Волновод в этом случае выполняется ступенчатым и имеет 4 участка 20 по 10 см каждый с радиусом 13,15,17 и 20 мм соответственно. Система регистрации при этом не изменяется.Таким образом, предлагаемый способ измерения энергетического спект ра электронного пучка по сравнению с известным способом позволяет устранить присущие базовому способу недостатки и производить измерение спектра без разрушения электронного ЗО пучка. Использование устройства на основе предлагаемого способа позволяет повысить точность измерений реальных пучков, параметры которых являются критичными для работоспособности электрофизических установок, в которых они используются. Это связано с тем, что устройство на основе предлагаемого способа, в отличие от базового, имеет слабую связь 4 О с пучком и не оказывает влияния на изменяемые параметры, в то.время, как устройства на основе базового способа при размещении анода на пути пучка изменяют распределение пространственного заряда и искажают картину из-за влияния заряда, уже выпавшего на коллектор, тогда как предлагаемые устройства исследуют пучок, находящийся в действительных условиях конкретного эксперимента и почти не влияют на него, так как потери энергии электронов на черенковское излучение малы. Достоинство предлагаемого способа заключается также в том, что последовательный анализ и обработка данных во время импульса тока ускорителя позволяет не только регистрировать распределение заряженных частиц по энергиям, но и проследить его временную эволюцию.С применением неразрушающего текущего контроля открываются широкие возможности для объяснения многих физических явлений в работе ускорителей сверхвысоких энергий при нагреве плазмы и при генерации мощного СВЧ излучения в приборах релятивистской электроники для целей радиолокации, разделения изотопов и исследования тонких структур биологических объектов, что имеет важное народнохозяйственное значение.Использование предлагаемого способа и устройства, его реализующего, позволяет производить дистанционные измерения и автоматизировать обработку данных с включением предлагаемого прибора в систему сброса и первичной обработки информации на ЭВМ.