датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц

Формула изобретения

1. ДАТЧИК ПОПЕРЕЧНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий извлекающий конденсатор, пластины которого размещены симметрично по обеим сторонам от тракта транспортировки ускоренного пучка на расстоянии, превышающем максимальный размер контролируемого пучка, и в извлекающей пластине которого выполнена формирующая щель в плоскости, перпендикулярной к оси тракта, анализирующий конденсатор, плоскости пластин которого размещены под углом 45^o относительно плоскостей пластин извлекающего конденсатора и оси тракта, во входной пластине которого в месте пересечения с плоскостью, проходящей через щель в извлекающей пластине перпендикулярно к оси тракта, выполнена аналогичная формирующая щель, резистивный делитель напряжения, источник питания, двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор выполнен в виде электронно-оптического преобразователя с усилителем на микроканальных пластинах, размещенного в окне, выполненном во входной пластине анализирующего конденсатора, регистрирующее устройство выполнено в виде телевизионной камеры и оптически соединено с выходом электронно-оптического преобразователя через окна, выполненные в обеих пластинах извлекающего конденсатора и снабженные сеткой с высокой прозрачностью так, что оптическая ось телевизионной камеры перпендикулярна к плоскости пластин извлекающего конденсатора и совпадает с центром экрана электронно-оптического преобразователя, при этом извлекающая пластина извлекающего конденсатора электрически соединена с входной пластиной анализирующего конденсатора, с входной поверхностью микроканальной пластины усилителя и потенциальным выходом источника питания, выходная поверхность микроканальной пластины соединена с резистивным делителем напряжения, все другие элементы соединены с шиной нулевого потенциала источника питания, а зазоры между пластинами извлекающего X и анализирующего Z конденсаторов и расстояние Y между формирующей щелью и центром оптического преобразователя связаны соотношениями



2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в него введены дополнительно суммирующие и дифференциальные усилители, а экран электронно-оптического преобразователя выполнен в виде четырех взаимоизолированных квадрантов, причем входы каждого суммирующего усилителя соединены попарно с рядом лежащими квадрантами, а выходы суммирующих усилителей, соединенных по входу с противолежащими парами квадрантов, соединены попарно с входами дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с устройствами коррекции положения пучка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике физического эксперимента, в частности к ускорительной технике, и может быть использовано на ускорителях различных типов для стабилизации положения пучка на мишени.

Известен датчик положения пучка заряженных частиц, содержащий разрезные емкостные или индуктивные электроды, соединенные с дифференциальным усилителем, выход которого соединен с управляющим элементом оптического тракта ионопровода [1]

Недостатком этого датчика является невысокая помехоустойчивость, затрудняющая а во многих случаях и исключающая возможность его применения на ускорителях, характеризующихся повышенным уровнем электромагнитных помех. Кроме того, датчик не дает информации о размерах и поперечном распределении плотности пучка.

Известен ионизационный датчик поперечного распределения пучка, содержащий извлекающий конденсатор, позиционно-чувствительный токоприемник и дополнительную сетку, размещенную между извлекающим электродом и токоприемником и соединенную с генератором пилообразного напряжения [2]

Недостатками этого датчика являются невысокие чувствительность и быстродействие, а также сложность его практической реализации, связанная с созданием высоковольтного генератора пилообразного напряжения.

Известен датчик поперечного распределения плотности пучка заряженных частиц, содержащий извлекающий конденсатор, пластины которого размещены симметрично по обеим сторонам от оси ионопровода на расстоянии, превышающем максимальный размер контролируемого пучка, в извлекающей пластине которого выполнена формирующая щель в плоскости, перпендикулярной оси ионопровода, анализирующий конденсатор, плоскость пластин которого размещена под углом 45^о относительно плоскости пластин извлекающего конденсатора и оси ионопровода, во входной пластине которого в месте пересечения с плоскостью, проходящей через щель в извлекающей пластине перпендикулярно оси ионопровода, выполнена аналогичная формирующая щель, резистивный делитель напряжения, источник питания, двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор и регистрирующее устройство [3]

Основным недостатком этого датчика является его невысокая чувствительность, ограничивающая его динамический диапазон и, в конечном итоге, его сферу применения ускорителями с высокой плотностью пучка типа синхротронов. Пространственное разрешение датчика ограничено размерами структурного элемента токоприемника, уменьшение которых связано с трудностями создания большого количества высоковакуумных вводов. Обеспечение указанного в прототипе соотношения между напряженностями электрического поля извлекающего и анализирующего конденсаторов ограничено сложностью точного отбора высокоомных резисторов делителя напряжения. Кроме того, датчик не имеет выходов электрического сигнала о смещении пучка с увеличенным быстродействием, необходимым для повышения устойчивости при использовании датчика в системах стабилизации положения пучка на физической мишени.

Задачей, на которую направлено изобретение, является повышение чувствительности и улучшение пространственного разрешения, упрощение практической реализации, а также увеличение быстродействия датчика поперечного распределения плотности пучка заряженных частиц.

Для повышения чувствительности и улучшения пространственного разрешения, а также для упрощения практической реализации датчика, содержащего извлекающий конденсатор, пластины которого размещены симметрично по обеим сторонам от оси тракта транспортировки ускоренного пучка на расстоянии, превышающем максимальный размер контролируемого пучка, в извлекающей пластине которого выполнена формирующая щель в плоскости, перпендикулярной оси тракта, анализирующий конденсатор, плоскость пластин которого размещена под углом 45^о относительно плоскости пластин извлекающего конденсатора и оси тракта, во входной пластине которого в месте пересечения с плоскостью, проходящей через щель в извлекающей пластине перпендикулярно оси тракта, выполнена аналогичная формирующая щель, резистивный делитель напряжения, источник питания, двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор и регистрирующее устройство, в нем двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор выполнен в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с усилителем на микроканальных пластинах, размещенным в дополнительном окне, выполненном во входной пластине анализирующего конденсатора, регистрирующее устройство выполнено в виде телевизионной камеры и оптически соединено с выходом ЭОП через дополнительные окна в пластинах извлекающего конденсатора, выполненные с сеткой с высокой прозрачностью, так, что оптическая ось телевизионной камеры перпендикулярна плоскости пластин извлекающего конденсатора и совпадает с центром экрана ЭОП, при этом извлекающая пластина извлекающего конденсатора электрически соединена с входной пластиной анализирующего конденсатора, с входной поверхностью микроканальной пластины усилителя и потенциальным выходом источника питания, выходная поверхность микроканальной пластины соединена с резистивным делителем напряжения, все другие элементы соединены с шиной нулевого потенциала, а зазоры между пластинами извлекающего Х и анализирующего Z конденсаторов и расстояние между формирующей щелью Y и центром ЭОП связаны соотношениями Z X/ и Y X.

Для увеличения быстродействия датчика, т.е. повышения тем самым устойчивости систем стабилизации положения пучка, в него введены суммирующие и дифференциальные усилители, а экран ЭОП выполнен в виде четырех взаимоизолированных квадрантов, причем входы каждого суммирующего усилителя соединены попарно с рядом лежащими квадрантами, а выходы суммирующих усилителей, соединенных по входу с противолежащими парами квадрантов, соединены попарно с входами дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с устройствами коррекции положения пучка.

Предложенное устройство не известно из уровня техники, следовательно, оно является новым. Предложенное устройство явным образом не следует из уровня техники, следовательно, оно имеет изобретательский уровень. Предложенное устройство может быть использовано в промышленности, в частности в ускорительной технике на ускорителях различных типов для диагностики и стабилизации размеров и положения пучка на мишени, следовательно, оно является промышленно применимым.

Введение вышеперечисленных признаков в устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение чувствительности и пространственного разрешения датчика, упрощает практическую реализацию устройства и значительно увеличивает быстродействие датчика.

Предлагаемый датчик позволяет осуществлять стабилизацию положения пучка относительно оси ионопровода. Малая постоянная времени по цепи обратной связи, определяемая только полосой пропускания суммирующих и дифференциальных усилителей, обеспечивает необходимую устойчивость системы стабилизации пучка в целом. При этом сохраняются возможности телевизионного контроля распределения пучка по поперечному сечению ионопровода и цифровой обработки информации о размерах и форме пучка, обеспечивающие наладку ускорителя по заданным размерам пучка.

На фиг. 1 показана общая схема датчика; на фиг. 2 схема соединения квадрантов экрана ЭОП с суммирующими и дифференциальными усилителями, где 1 контролируемый пучок, 2 извлекающий конденсатор, 3 извлекающая пластина, 4 формирующая щель в пластине извлекающего конденсатора, 5 анализирующий конденсатор, 6 его входная пластина, 7 формирующая щель во входной пластине анализирующего конденсатора, 8 экран ЭОП, 9 усилитель на микроканальных пластинах, 10 резистивный делитель напряжения, 11 источник питания, 12 окно во входной пластине анализирующего конденсатора, 13 телевизионная камера, 14 окна в пластинах извлекающего конденсатора, снабженные сеткой с высокой прозрачностью, 15 взаимоизолированные квадранты экрана ЭОП, 16 суммирующие усилители, 17 дифференциальные усилители.

По обеим сторонам от оси контролируемого пучка 1 размещены пластины извлекающего конденсатора 2 с зазором Х, превышающим максимальный размер контролируемого пучка. Извлекающая пластина 3 имеет формирующую щель 4. Под углом 45^о относительно плоскости пластин извлекающего конденсатора 2 и оси пучка 1 размещен анализирующий конденсатор 5 с зазором между пластинами Z. Входная пластина 6 имеет формирующую щель 7 в плоскости, проходящий через формирующую щель в извлекающей пластине перпендикулярно оси ионопровода. Двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор выполнен в виде ЭОП с экраном 8 и усилителем 9 на микроканальных пластинах, соединенных через резистивный делитель 10 напряжения с источником 11 питания, и размещен в дополнительном окне 12 во входной пластине анализирующего конденсатора 5. Регистрирующее устройство, выполненное в виде телевизионной камеры 13, размещено по другую сторону от оси пучка 1 и оптически соединено с экраном 8 ЭОП через дополнительные окна 14 в пластинах извлекающего конденсатора 2, выполненные с сеткой с высокой прозрачностью, так, что оптическая ось телевизионной камеры 13 перпендикулярна плоскости извлекающего конденсатора 2 и совпадает с центром экрана 8 ЭОП. Извлекающая 3 и входная 6 пластины конденсаторов электрически соединены с входной поверхностью микроканальных пластин усилителя 9 и с потенциальным выходом источника 11 питания. Зазоры между пластинами извлекающего Х и анализирующего Z конденсаторов и расстояние Y между формирующей щелью и центром оптического преобразователя связаны соотношениями Z X/ и Y X.

Экран 8 ЭОП (фиг. 2) выполнен в виде четырех взаимоизолированных квадрантов 15. Входы каждого суммирующего усилителя 16 соединены попарно с рядом лежащими квадрантами 15, а выходы суммирующих усилителей 16, соединенных по входу с противолежащими парами квадрантов 15, соединены попарно с входами дифференциальных усилителей 17, выходы которых соединены с устройствами коррекции положения пучка.

Датчик работает следующим образом.

Контролируемый пучок 1, пролетая в зазоре извлекающего конденсатора 2, ионизует остаточный газ ионопровода. Плоским электрическим полем освобожденные ионы ускоряются к извлекающей пластине 3, снабженной формирующей щелью 4, направленной поперек оси ионопровода. Проходя через формирующую щель 4, ускоренные ионы образуют ленточный пучок, пространственное распределение частиц в котором в направлении вдоль щели соответствует распределению частиц в контролируемом пучке 1 в этом направлении. Энергетическое распределение извлеченных ионов соответствует распределению исследуемого пучка по другой ортогональной координате. Электрическим полем анализирующего конденсатора 5 осуществляется анализ этого энергетического распределения. Через окно 12 во входной пластине 6 анализирующего конденсатора 5 ионы попадают на вход усилителя 9 на микроканальных пластинах. В результате на экране 8 ЭОП формируется двухкоординатное оптическое изображение распределения извлеченных ионов, соответствующее поперечному распределению частиц в контролируемом пучке 1. Размещение анализирующего конденсатора 5 под углом 45^о к направлению извлечения и плоскости извлекающего электрода обеспечивает линейную связь размеров полученного изображения с размерами контролируемого пучка. Выбранные соотношения размеров зазоров между пластинами извлекающего Х и анализирующего Z конденсаторов и расстояния Y между формирующей щелью и центром оптического преобразователя Z X/ и Y X обеспечивают единичный масштаб передачи размеров контролируемого пучка на светочувствительный элемент телевизионной камеры.

Сигналы, выделяемые на квадрантах 15 экрана ЭОП, соответствуют интегралу тока на данный квадрант. В случае совпадения центра тяжести пучка с осью ионопровода сигналы на всех квадрантах 15 одинаковые. При смещении пучка от оси ионопровода в направлении одного из квадрантов сигнал на этом квадранте увеличивается с соответствующим уменьшением сигнала на противоположном квадранте. Попарное сложение сигналов с соседних квадрантов на суммирующих усилителях и последующее вычитание сигналов с суммирующих усилителей 16, соединенных по входу с противолежащими парами квадрантов, на дифференциальных усилителях 17 обеспечивает однозначное выделение сигналов, соответствующих смещению центра тяжести пучка вверх-вниз и влево-вправо относительно оси ионопровода. Время выделения этих сигналов определяется только полосой пропускания суммирующих 16 и дифференциальных 17 усилителей и, например, для усилителей типа К140УД6 составляет несколько микросекунд, что существенно (на несколько порядков) меньше, чем в случае цифровой обработки сигналов.

Примером конкретного исполнения может служить датчик поперечного распределения плотности пучка по поперечному сечению, испытанный на циклотроне ИАЭ. Пластины извлекающего конденсатора 3 выполнены из латуни в виде дисков диаметром 150 мм, зазор между пластинами Х 60 мм. Пластины анализирующего конденсатора 5 прямоугольные с размерами 120 х 100 мм, зазор Z 42,6 мм. Размеры формирующих щелей (4 и 7) 1 х 50 мм, размеры окна 12 и смотровых окон 14 60 х 40 и 40 х 40 мм соответственно. Усилитель ЭОП выполнен на двух микроканальных пластинах 43 х 63 мм, включенных последовательно. В качестве экрана ЭОП применено стекло с люминофором, покрытым тонким слоем алюминия. Экран выполнен в виде четырех взаимоизолированных квадрантов. В качестве суммирующих и дифференциальных усилителей использованы операционные усилители типа К140УД6.

Проведенные на циклотроне эксперименты показали, что датчик эффективно работает в диапазоне средних токов ускоренных частиц от десятка наноампер. Легко достижимая точность стабилизации пучка, ограниченная разрешающей способностью датчика, составляет доли миллиметра.