Способ измерения среднего заряда ионов в электронно-ионных кольцах

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕГО ЗАРЯДА ИОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ КОЛЬЦАХ, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и измерение интенсивности характеристического излучения, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия измерения среднего заряда ионов и расширения диапазона измеряемых зарядов ионов в сторону меньших зарядностей и более легких химических элементов, одновременно с характеристическим из лучением дополнительно измеряют интенсивности тормозного излучения сначала на атомах, затем на ионах и по этим измерениям определяют отношение сечений тормозного излучения на ионах и атомах по зависимости S rofHJZl) - N tt Iff &ТОРМ (o 04 ион N пар хор гдебторми)- сечение тормозного излучения на ионах; 6тор«(о - сечение тормозного излу (Л чения на атомах} Zl -средний заряд ионов; с ион N -интенсивность тормознотори го излучения на ионах, § ..атом -интенсивность тормозного торм излучения на атомахJ ион N -интенсивность характерис ЛР 00 тического излучения на ю ионах 1 оо CkTOM N интенсивность характерисХАр тического излучения на атомах, при этом путем сопоставления полученной величины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д) Н 05 Н 7/00

3 »

+It

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВ,Ф

Д

": е "; fz;I M, ги мгн (Oj N моее иче отак

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3556136/24-21 (22) 04.01.83 (46) 30,12.84 Бюл. Ф 48 (72) А,И.Курсков, С.И.Тютюнников

° и В.Н.Шаляпин (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.384.6(088.8) (56) 1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. N.

Атомиздат, 1970.

2. Hегоld Н. Использование и калибровка томпсоновского анализатора ионов для изучения плазменного фокуса. — "Rev. Seien. Instr. 52 (1), Jan. 1981, р. 24.

3. Зиберт Х.У., Длеманн и др.

О воэможности применения спектроскопических методов для исследования некоторых параметров ион-электронных колец. Препринт ОИЯИ Р9-9366, 1975 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕДНЕГО

ЗАРЯДА ИОНОВ В ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ

КОЛЬЦАХ, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо и измерение интенсивности характеристического излучения, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия измерения среднего заряда ионов и расширения диапазона измеряемых зарядов ионов

„„SU„„1132374 А в сторону меньших зарядностей и более легких химических элементов, одновременно с характеристическим из лучением дополнительно измеряют интенсивности тормозного излучения сначала на атомах, затем на ионах и по этим измерениям определяют отношение сечений тормозного излучения на ионах и атомах по зависимости гдеоторм(2 )- сечение тормозного излучения на ионах, Ж

6 (О) — сечение гармонного иелучения на атомах, — средний заряд ионов, — интенсивность тормозноторм го излучения на ионах, „атом

Н„ „ — интенсивность тормозного излучения на атомах, >он Фо

hl р — интенсивность характеристического излучения на ионах, hei дтом й„„ — интенсивность характерис- М тического излучения на «3 атомах, юМ при этом путем сопоставления полученной величины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце. 3

1132374 сечения тормозного излучения на ионах и атомах по зависимости ион,атее дей

s, „(z51

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 выведенного пучка 5 1g °

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 !23.

Однако этот способ обладает теми же недостатками, что и магнитный анализ. 20

Наиболее 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 f3).

Недостатком известного способа является то, что из-за малого эффек- З0 та сдвига энергетических уровней ионов по сравнению с атомом необходим большой набор статистики при измерении спектра излучения, что требует длительного времени экспозициипорядка нескольких часов работы ускорителя. Кроме того, эффект сдвига уровней имеет место только для тяжелых ионов с атомным номеромйщ>30, что сужает область изме- 40 ряемых ионов с Цд<30.

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- 50 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; атом тою и(0) я где Б,орм(Zj,) - сечение тормозного излучения на ионах, to w(o) - сечение тормозного излучения на атомах, Zi. — средний заряд ионов, — интенсивность тормозного излучения на ионах, атом

Я „ — интенсивность тормозного излучения на атомах, ион

Я вЂ” интенсивность характеристического излучения на ионах, отой

Й „ор. — интенсивность характеристического излучения на атомах при этом путем сравнения полученной величины указанного отношения с расчетной зависимостью определяют средний заряд ионов в кольце.

На фиг.1 и 2 показана расчетная зависимость отношения сечения тормоз-! ного излучения электронов на ионах .к сечению на атомах Хе(ксенона) и.Й (азо,та) от заряда иона Z ", на фиг. 3 - геометрия установки для измерений тормозного и характеристического излучений.

Способ заключается в следующем.

Сечение тормозного излучения электронов 5 о,ц„в области малых энергий г -квантов (Е 6 100 кэВ) зависит от заряда ионов Z< . Поэтому оно может служить мерой заряда иона.

Для этого измеряют интенсивность тормозного излучения, которая опре,деляется формулой ион,атом тор бтовм(01 1е ge q0q4+ (1) интенсивность тормозного. излучения на ионах или атомах, сечение тормозного излучения на ионах со средним зарядом, при этом барм (О) — сечение тормозного излучения на атоме (Z =О); энергетическая эффективность регистрации иэлуче ния, 32374 4 с расчетной зависимостью сечения тормозного излучения 6торм от заряда иона Z< определяют средний заряд ионов Z - в кольце.

5 Расчет зависимости сечения тормозного излучения от заряда ионов Zi, В общем виде зависимость тормозного излучения электронов определяется формулой

3 11

ht — время йзмерения;

Я вЂ” число электронов в кольце, — — плотность ионов в кольце

zi со средним зарядом Z< при этом Мо — плотность нейтральных атомов.

Представленная на фиг.1 и 2 зависимость отношения сечения тормозного излучения на ионе к сечению на атоме от заряда иона Zi для ионов ксенона и азота получена расчетным путем.

Измеряя интенсивность тормозного излучения на атомах, например, в мо.мент включения импульсного источника и в момент времени после окончания излучения, когда уже присутствуют ионы, можно определить отношение

20 < (—

137

Яд „ä д б тори (a)

25 д = 1+0 ="/т

О =Роe. g*-3 9 ато и где Й вЂ” интенсивность излучения торн на атомах в момент включения источника атомов, М вЂ” интенсивность излучения торм на ионах, По измерению интенсивности характеристического излучения Мхаена ато- З5 мах и ионах определяют отношение плотностей атомов и ионовр о/и;, поскольку сечение характеристического излучения не зависит от зарядности ионов по формуле, аналогичной (1) 40 атом иоН i 1 кар где и — интенсивность характеристи-45 хае ческого излучения на атомах, N — интенсивность характерисхае тического излучения на ионах.

Из формул (3) и (2) получают

50 -Ъ

Ф где И(p ) — плотность электронов в атоме и ионе.

Поправка на экранирование имеет

55 торн (> >/ бтоон Ь) Из формулы (1) получаем 2 нон торм Ио б тром o) g атОм (2 ) «М i > . Í

1 0p (O) " хбР " маР (4) Путем сравнения полученной величины б(к)= ата т, —" 1 ie,), (+ ), ), (5l о где К = Е /Е©

Eo — энергия электрона, E Ee К, E — энергия ф -кванта, Го =2,8 ° 10 см — классический ра-13 диус электрона, — постоянная тонкой структуры;

y - 5/ +6 (-1)сИ вЂ” экранирующая

4 поправка, 9о — угол между вектором скорос- ти электрона и излученным фстоном

Г=1м f /6)-2-Г(х)+Г{ЦЧ); ХИ= (— — + 0 202-0 060, -+

2.

26оЕ 1+(&

+0,0083а4 -0,002а, а=о Z g r. где Я а — заряд ядра, р(ф ) — поправка на экранирование из-за атомных электронов..

Для ядра F(6j<)=0, для атома и иона F(/ ) выражается че» рез форм-фактор

° ч -ф

"(ф > = /z $4 < h(p)e 50,""(Б/ )= Х (((y-Ffy)) — 1)(q — -)/ з с{.с

Рг

1132374

После замены переменных ф = gA получаем

ПБ(р)=)(((- (6)ЬГ))к-) ed ÷.

Для вычисления сечения (5) надо иметь модели форм-факторов атомов и ионов. На ЭВМ проведено вычисление сечения бтор 1 тормозного излучения для разных энергий -квантов и .разных элементов до Хе включительно. Эти сечения для энергии ф -квантов E 0,2 мс2 =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 эксперименте реализуется точность измерения величины то это обеспечивает точность hZ определения X< заряда ионов Й (азот) в области Z =4, 5Z =+ 1; заряда ионов Хе при Z. =40, ДЕ = 2, что соответствует примерно естественному распределению ионов по зарядности при импульсном напуске нейтральных 80 атомоч в электронное кольцо. Для данного способа область измерения среднего заряда ионов простирается от азота до урана.

Техническая реализация определяет-З5

1 ся энергией ф1 -квантов характеристического излучения. Для атомов, включая железо, для регистрации характеристического излучения может быть

,использован полупроводниковый AuSi- 4o детектор, для излучения с большей энергией может бьггь использован ФЭУ с пластическим сцинтиллятором. В данном предложении высокого разрешения для регистрации спектра характе- 45 ристического излучения не требуется, необходимо только, чтобы число зарегистрированных квантов излучения обеспечивало статистическую ошйбку и 107. Такое же требование наклады- Ы вается на регистрацию тормозного излучения а именно получение минимальр ной ошибки в числе зарегистрированных квантов. Измерения тормозного излучения производятся ФЭУ с кристаллом

NaJ,.ïîñêîëüêó 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 из-лучения, 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

1 у которых энергия характеристического излучения Е > 6 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 -квантов тормозного излучения. !

00 кзВ

Ьйтоон = е< (8(zс)/р f 1(Eф IdEyn о о гдеб(2Ц/Е-, сечение тормозного излучения электронов с энергией с о на ионе с зарядом

Z1, для атомов Хе максимальное значение сечения

5 10-23; — эффективность регистрации детектором 1 (б.(- 1), — геометрическая эффективность регистрации (б — 10 ); — время измерения (61=200 мкс

В детектор, следовательно, попадет следующее количество квантов излучения с энергией Е 4 100 кэВ

h8 6 10 квантов.

В детектор, регистрирующий характеристическое излучение Хе с энер- гией Е - 30 кэВ, число квантов за время ht равно й„ рИею„.г8 Я ай (8g3)

А5Р

7 1132374 где 6„d — сечение характеристического н излучения с учетом выхода флюоресценции(хдр — 10 ) для телесного угла 6 (G 10 ) ьй» гт 10 квантов. Поскольку регистрация характеристического

d 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- 1ð к моэное излучение находится в плос- н

1 кости орбиты в растворе угла т гг 1/у=1/36?

У где g — релятивисгский фактор элек- р тронов. з

Таким образом, отношение выхода в тормозного излучения к характеристическому имеет относительную точность ьМ Nap + ь Кто и

N N KdP К тОРм

Ь1 хiгг - op, Поскольку

25 òroæ (г !

1Р 20 J0 40 Я

Фиг.1 то

2. fMxovs =Оо4

Таким образом, обеспечивается точность измерения отношения выхода тормозного излучения к характеристическому 4Х, что позволяет измерять сечение тормозного излучения в относительных единицах с такой же точостью, а отношение может быть измеено с точностью 10Х что обеспечиает, согласно графику на фиг.1, очность Л Z определения Zг:в обласи малых Zq<30hZ 5; в области

g<)30 й7 2 для Хе (ксенона) .

Измерение среднего заряда ионов такой точностью позволяет оптимиировать процесс накопления ионов в ольце, достигая при этом максималь" ой эарядности, при данном количесве, что позволит реализовать на скорителе максимальную энергию уско-. енных ионов, поскольку она линейно ависит от заряда иона. Это особенно ажно при ускорении тяжелых ионов и,Р и т.д., для которых за о8 труднительно провести расчеты всех факторов, влияющих на определение заряда иона при накоплении.

Базовым объектом является система для диагностики электрон-ионных колец по тормозному излучению, которая измеряет величину Ne Ni (произведение числа электронов Ne на число ионов Ni ). Однако в данном способе измерения полностью отсутствует воэможность измерения заряда ионов.

Предлагаемый способ измерения позволяет определить заряд ионов.

С точки зрения технической реализации он сравнительно прост и реализуется на созданном оборудовании.

1132374

Фиг.2

Фигз

ЗИНПИ Заказ 9807/45 Ткрак. 782 Подписное

® щщ «да ®т», г.уяцород, ул.Проектная, 4