Способ оптической регистрации параметров пучка заряженных частиц

 

СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТ- РАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, включающий измерение интенсивности провзаимсГдействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности и помехозащищенности измерений , анализирующее лазерное излучение пропускают по полупроводниковому пленочному световоду,модулируют по интенсивности электрическим полем исследуемого пучка и анализируют форму и амплитуду импульсов тока пучка по поглощению лазерного излучения в световоде; (Л

СОЕЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧ ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

r1O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3605127/18-25 (22) 07.06.83 (46) 23. 12. 85 . Бюл, Р 47 (72) Ю.С.Павлов (53) 621,387,424 (088,8) (56) Москалев В.А., Шестаков В,Г.

Контроль и измерение параметров пучков заряженных частиц. М, Атомиздат, 1980, с.44-50.

Никитин М.М,, Медведев А.Ф., Моисеев M.Á. и др. Экспериментальное исследование ондуляторного излучения релятивистских электронов.

Журнал технической физики, 1981, т.51, вып. 3, с. 584-600.

Журавлев В.А., Музалевский В,Е,, Петров Г.Д. Поляризационные и спектральные характеристики излучения, рассеянного сильноточным электронным пучком. Физика плазмы, 1981, т.7, вып. 3, с.540-546.

„„Я0„„1119467 А (51) 4 0 01 Т 1/29 (54)(57) СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ, включающий измерение интенсивности провзаимбдействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью повьппения чувствительности и помехозащищенности измерений, анализирующее лазерное излучение пропускают по полупроводниковому пленочному световоду,модулируют по интенсивности электрическим полем исследуемого пучка и анализируют форму и амплитуду импульсов тока пучка по поглощению лазерного излучения в световоде;

1119467

Изобретение относится к технической физике, в частности к измерению корпускулярных излучений, и может быть использовано в ускорительной технике для измерения параметров пучков заряженных частиц.

Для проведения экспериментальных работ с использованием пучков заряженных частиц в различных областях науки, например в радиобиологии для исследования радикальных. продуктов импульсного радиоузла в пикосекундном диапазоне, требуется непрер.льный прецизионный метролог.ческий контроль основных параметров пучка без возмущения и потерь исследуемого пучка.

Оптические способы измерений являются наиболее перспективными для регистрации параметров моноимпульсных и кодово-импульсных пучков заряженных частиц в пиконаносекундном диапазонах. Оптическими методами измеряют форму, длительность фронта и среза, период повторения, амплитуду и положение коротких импульсов, а также аналогичные параметры микроструктуры кодово-импульсных пучков.

Известные оптические способы измерения параметров тока пучка основаны на получении и регистрации черенковского,флуоресцентного, переходного, тормозного, спонтанного и других видов излучений светового и рентгеновского диапазонов, возникающих при движении заряженных частиц в различных средах (остаточных газа, газах под давлением, жидкостях, кристаллах, сцинтилляторах и т.д.). Поэтому такие способы измерений являются непрозрачными или полупрозрачными для исследуемого пучка и значительная часть пучка тратится на создание светового излучения, Способ регистрации синхротронного излучения, возникающего лишь при движении заряженных частиц по круговым или криволинейным траекториям, применяется только на синхротронах и накопительных кольцах, либо при транспортировке пучка в системе разведки, содержащей поворотные магниты, Причем достаточная для измерений интенсивность синхротронного излучения возникает только при криволинейном движении

45 сравнительно легких заряженных частиц (например, электронов или позитронов) °

Известен способ регистрации параметров (формы и амплитуды импульсов тока) сильноточного пучка на основе получения от пучка и регистрации ондуляторного излучения.

Способ заключается в том, что исследуемый пучок направляют по криволинейной траектории, которая имеет вид змейки. В результате этого пучок при движении по змейке излучает достаточно интенсивное свечение, обладающее линейчатым спектром, которое регистрируется фотоприемниками. 1(»едостаткам способа следует отнести слишком большие размеры электромагнита (называемого виглер) для создания криволинейной траектории пучка, необходимость высокой мощности и стабильности электропитания виглера при измерении сильноточных и высокоэнергетичных пучков заряженных частиц. Основные недостатки этого способа состоят н том, что в результате многократных поворотов пучка в виглере теряется существенная часть пучка, вносятся возмущения в исследуемый пучок, увеличивается расходимость и ухудшаются фазовые характеристики пучка при его транспортировке. Поэтому такой способ измерений можно практически использовать лишь для однократных измерений параметров пучка при настройке и выводе у корителя на заданные режимные параметры и нельзя применять для постоянного контроля параметров пучка при проведении экспериментальных работ.

Наиболее близким к изобретению является способ оптической регистрации параметров пучка заряженных частиц, включающий измерение интенсивности провзаимодействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения.

В этом способе анализирующее лазерное излучение под небольшим углом (в несколько градусов) пересекает исследуемый электронный пучок, причем направление распространения лазерного излучения и электронного пучка противоположны, Рассеянное электронным пучком лазерное излучение регистрируется и по

11194б7

5 !

О числу рассеянных фотонов измеряют параметры электронного пучка (форму и амплитуду импульсного тока).

Комптоновское рассеяние является процессом практически безынерциальным и интенсивность рассеянного излучения пропорциональна току исследуемого электронного пучка, Способ заключается в регистрации лазерного излучения, рассеянного пучком электронов (в результате эффекта комптоновского рассеяния лазерного излучения на свободных электронах), Недостатком способа является черезвычайно малая интенсивность рассеянного лазерного излучения в направлении, противоположном направлению лазерного зондирующего излучения, что является причиной небольшой чувствительности способа.

В результате этого способ лазерной диагностики практически применим лишь к сильноточным килоамперным электронным пучкам, При этом требуются мощные лазеры в качестве источников зондирующего излучения.

Способ лазерной диагностики обладает малой помехозащищенностью, так как в направлении измеряемого рассеянного излучения распространяется собственное излучение электронного пучка, а также паразитное излучение, возникающее в результате рассеяния части лазерного излучения на деталях установки, Целью изобретения является повышение чувствительности и помехозащищенности измерений параметров пучка заряженных частиц (формы и амплитуды импульсов тока пучка).

Цель достигается тем, что в способе оптической регкстрапии параметров пучка заряженных частиц, включающем в себя измерение интенсивности провзаимодействовавшего с пучком заряженных частиц лазерного излучения, анализирующее лазерное излучение пропускают по полупроводни. ковому пленочному световоду, модулируют по интенсивности электрическим полем исследуемого пучка и анализируют форму и амплитуду импульсов тока пучка по поглощению лазерного излучения в световоде. Предлагаемая операция пропускания анализирующего лазерного излучения по полупроводниковому пленочному световоду, помещенному в электрическое поле

50 исследуемого пучка, позволяет увеличить чувствительность предлагаемого способа по сравнению с известним способом рассеяния лазерного излучения на электронном пучке, Увеличение чувствительности происходит за счет предлагаемой операции модуляции интенсивности света в результате эффекта Франца-Келдыша, возникающего при действии электрического почя на полупроводниковый световод, Этот полевой эффект заключается в практически полном поглощении света в полупроводниковом световоде при приложении электрического поля и в пропускании всего света прк отсутствии электрического поля, Предлагаемая операция анализа параметров пучка.по поглощению света в полупроводниковом световоце, помещенном в электрическое поле, позволяет увеличить помехозащищенность предлагаемого способа по сравнению с известной операцией измерения рассеянного излучения в способе лазерной диагностики пучка. Увеличение помехозащищенности происходит в результате отсутствия воздействия на регистр :Iðóåìoå излучение дополнительного паразктного излучения от самого ксслсд5смогО пучка, Это происходит за счет того, что анализирующее лазерное излучение пропускается в пределах .1леночного световода, на которык непосредственно не воздействует электронный пучок.

Данный способ может быть реализован на измерительной системе с использованием тонкопленочного полупроводникового световода, IIo мещенного в электрическое поле от исследуемого электронного пучка.

На чертеже приведена структурная схема системы регистрации для реализации данного способа.

Электронный пучок иэ ускорителя 1 проходит вблизи тонкопленочного полупроводникового световода 2. По световоду пропускается световое излучение от лазера 3. Световое излучение, промодулированное под действием электрического поля пучка элект ронов, измеряется с помощью фоторегистратора 4.

Прин|нлп работы системы регистрации следующий. Пучок ускоренных электронов, пролЕтая вблизи полупро" в виде ф ï Ч1< п+ +P s/а — — — — — -(Wg-3ca) (1)

ЗеЪ Е

К= ехр где Я частота светового излучения; постоянная Планка (и =1,05 10 Дж С); ширина запрещенной зоны полупроводника (для полупроводников и 3 эв); величина напряженности электрического поля от пучка заряженных частиц, в которое помещен полупроводниковый световод; эффективные массы носителей в зоне полупроводникового световода; заряд электрона (1, 6 10 Кп) .

Так, например, для полупрородникового тонкопленочного световода из арсенида галлия (для GaAsWg=1,45 эв) и при длине волны светового излучения лазера 3 h = 0,88 мкМ изменение величины напряженности электрического поля от 0 до 10 В/см приводит

S 11 водникового световода 2, возбуждает " в нем электрическое поле, величина которого пропорциональна току пучка из ускорителя 1. Таким образом в момент пролета пучка электронов, свет, проходящий по световоду, поглощается в результате эффекта Франца-Келдыша.. При отстутствии пучка свет от лазера 3 проходит по световоду без существенного поглощения. Регистрируя свет на выходе световода с помощью фоторегистратора 4, можно получить форму светового импульса, которая соответствует форме электронного тока пучка.

Изменение поглощения света происходит в чистых, слабо- и сильнолегированных полупроводниках, помещенных в электрическое поле электронного пучка для межзонного, примесного и экситонного механизмов поглощения света, Это происходит иэ-за сдвига длинноволнового края собственного поглощения в электрическом поле на основании эффекта

Франца-Келдыша. Частотная зависимость коэффициента поглощения света в полупроводниковом световоде 2 (при и u < W ), помещенном в электрическое поле пучка, записывается

19467 а к изменению коэффициента поглощения от 1до 10

Электрическое поле релятивистского точечного заряда заметно отли-. чается от нуля лишь в узком интервале углов З 9 =2 « --у 7Гз вблизи плоскости, перпендикулярной направлению движения заряда, и при R » Rо (где Ra радиус пучка) может быть оп1О ределено по формуле

v2

g(1 — — )

Сг г

47<55 R (1- — cos2 — ) о где < — заряд ускоренного пучка заряженных частиц; скорость движения частиц; расстояние от пучка до по20 лупроводникового световода; со — электрическая постоянная (Ео =8985 10

Так, например, для световода из

GaAs(E = 12,5) при энергии пучка

g0 электронов из ускорителя 1We=100 NeB получаем, что 6 0 = 0,58 и изменение величины заряда <1 от 0 до 2/5 нКл приводит к возникновению электрического поля с напряженностью до

i 2 i0 В/см при 1 = 1 см, Ф

Таким образом, зная параметры пучка и рассчитав .напряженность поля E по формуле (2), определяем коэффициент поглощения света в полупроводниковом световоде по формуле (1). Часть света, прошедшую через полупроводниковый световод длиной Е, помещенный в электрическое

45 поле пучка, и измеренную с помощью фоторегистратора 4, найдем по формуле (3)

При = 1 см и Зо = 1 Вт для

t0 см 1 пбо<„= 45 мквт, а пРи

K - =100 см Л. „„= 0,3 10 -" Вт.

Из приведенного расчета следует, что чувствительность предлагаемого способа черезвычайно высокая, так

55 как отношение интенсивностей излучения в отсутствии электронного пучка и его наличии различается на несколько порядков.

1119467

Заказ 8136!Э

Подписное

ВНИИПИ

Тираж 747

Это означает, что в момент пролета пучка вблизи полупроводникового световода анализирующее излучение практически полностью поглощается в световоде, Чувствительность известного способа лазерной диагностики по рассеянию излучения не превышает нескольких сотен фотонов на один миллиампер электронного пучка при энергии лазерного зондирующего импульса 1 Дж.

Таким образом, даже в случае использования лазеров мощностью в десятки джоулей и при электронных токах в десятки килоампер чувствительность способа лазерной диагностики мала для надежных измерений, Кроме того, при использовании способа лазерной диагностики интенсивность регистрируемого рассеянного излучения сравнима с интенсивностью собственного излучения пучка, что понижает помехозащищенность способа.

Сравнительные оценки дают, что чувствительность предлагаемого способа примерно на два порядка превышает чувствительность способа лазерной диагностики по рассеянию, В случае применения способа обеспечивается помехозащищенность, так как регистрируемое излучение свободно от паразитного излучения пучка заряженных частиц и рассеянного излучения, Преимущество предлагаемого способа перед базовым объектом заключается в уменьшении потерь пучка

15 при проведении измерений эа счет исключения возможности возмущения исследуемого пучка сильным магнитным полем, что, следовательно, повышает точность измерений. Кроме

20 этого, устройство, на котором может быть реализован данный способ, будет иметь меньшие размеры и конструктивно проще, чем базовый объект.

Филиал IIIIII "Патент", r,Ужгород, ул.Проектная, 4