Способ определения параметров ионного компонента в электронно-ионных кольцах

 

СОЮЗ СО6ЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) )) g И 05 Н 7/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где 7., 4 (t) Hl а, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 15.04.88. Бюл. ¹ 14 (2 l ) 3727991/24-21 (22) 20.04;84 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) С.И.Тютюнников и В.Н.Шаляпин (53) 621.384.6(088.8) (56) Зиберт Х. и др. Об использовании спектроскопических методов для измерения некоторых параметров электронного кольца. — Сообщение

ОИЯИ Р-9-9366, 1975, с. 3-10.

Авторское свидетельство СССР № И)32991, кл. Н 05 Н ll/00, 1983. (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИОННОГО KONFIOHEHTh, В ЭЛЕКТРОННО-ИОННЬК КОЛЬЦАХ, включающий импульсный напуск нейтральных атомов в кольцо, измерение частот бетатрониых колебаний, количества и размера электронного компонента по синхротронному излучению, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа за счет увеличения числа определяемых параметров, измеряют количество и радиальное распределение электронов, выле-.зющнх из кольца в аксиальном направлении в момент времени t, соответствующий окончанию импульса потока нейтральных атомов, при этом измерение частоты бетатронных колебаний электронов кольца производят s момент времени t, и в момент

С,)С,, рассчитывают средний радиальный размер и количество ионов в кольце, а средний заряд ионов определяют по формуле

7,=(4 (С1- ) ()1

R-r й; заряд ионов, Кл; частота бетатронных колебаний электронов после

O е напуска нейтральных атомов в момент С, Гц; частота бетатронных коле баний без напуска атомов, Гц, радиус электронного кольца, см; классический радиус элек- Ю трона, см, количество ионов;

- радиальный размер сечения (;Я электронно-ионного кольца; Щ релятивистский фактор элек- ©) тронов.

1220556

Ъ

10 г

1

71 о

N.

Х(z,„z,j20

Г чг е

r(z.

Так, на до Е <1 в ниде

40 ше 57

В этом равен

* 4ti

50 а =Ne /Ne, Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к коллективному методу ускорения ионов электронными кольцами, и может быть использовано для определения заряда, плотности и пространственного распределения ионов в электронно-ионных кольцах.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет увеличения числа измеряемых параметров, что позволяет значительно повысить оперативность диагностики колец и облегчает настройку и эксплуатацию ускорителя.

На чертеже изображена геометрия эксперимента, иллюстрирующая пред" лагаемый способ.

Установка содержит камеру адгеэатора 1 электронно-ионное коль- .

Р

4 цо 2, систему зеркал 3, объектив приемник излучения 5, зеркало 6, окно 7 и сцинтиллятор 8.

Измерение средних значений таких параметров ионного компонента как заряд, плотность н размер осуществляется следующим образом.

В электронно-ионном кольце электроны имеют круговую скорость 1, и вращаются по окружности. В результате многократного упругого рассеяния электронов на ионах они приобретают скорость в аксиальном направлении V и соответственно кинетиz ческую энергию. Если глубина внешней потенциальной ямы, удерживающей электроны, будет меньше этой энергии, то электрон вылетает иэ кольца, сохраняя при этом азимутальную скорость, т.е ° эти электроны будут иметь тот же радиус вращения, что и основные. Количество этих потерянных электронов зависит от количества и заряда ионов кольца, а радиальное пространственное распределение — от радиального распределения ионов.

Известно, что коэффициент потерь электронов из-за процесса многократного рассеяния где Ne — число электронов в кольце, Ие — потерянное количество электронов иэ-за рассеяния, можно рассчитать по следующей формуле: частота бетатрониых колебаний электронов, Гц; интервал времени измерения, с; радиус кольца, см; малый размер кольца, см классический радиус электрона (r =2,8 10 см); скорость света, релятивистский фактор электрона", заряд ион, Кл, заряд ядра суммарное количество ионов в кольце, функция, характеризующая зависимость сечения многократного рассеяния от соотношения заряда иона и заряда ядра

1 37 ф (г„Z„P =g о " Р ) 1, 30

В начальный момент накопления, когда заряд иона значительно меньше заряда ядра, с большой степенью точности

z„) z. lu â€,1-;- * (2)

137 ь пример, для свинца с Z,=82

0 точность представления одного члена Г(7... Z;) лучслучае коэффициент потерь

Размер ионной компоненты определяется ио пространственному распределению потерянных электронов. Как показывают расчеты, радиальное расЯ пределение плотности ионов в кольце описывается формулой п (r)=I1exp(-r (а ), (4)

4 а распределение плотности электронов кольца формулой ие (г }=Ыехр(-г { а. ) (5) и (г)=А ехр(-r /а )

Ф 2 где а 2=- — —. е а +а

Е 2

Отсюда получают и

C. а а с а -8. е (6) (7) Таким образом, зная радиальный полуразмер распределения вторичных ! электронов ае н зная этот параметр для основного электронного кольца, находят по формуле (7) соответствующее значение а; для ионного размера. Измерение радиального профиля потерянных электронов может быть проведено с помощью сцинтиллятора

8. Из измерений частоты бетатронных колебаний электронов кольца 11 можно найти суммарный ионный заряд f. по

2 формуле а

И;-N;Z; -(3 -J J е,! 1 где 1 — квадрат частоты бетатронных колебаний в присутствии ионов;

- квадрат частоты бетатронных колебаний беэ ионов, обусловленный фокусировкой . внешней магнитного поля.

Зная суммарное число ионов N, по формуле (9) можно определить заряд ионов в кольце. Если накопление ионов происходит при импульсном напуске нейтралов в кольцо, суммарное число ионов в кольце сохраняется, происходит последовательная ионизация и соответственно зарядность ионов в течение времени растет, Поэтому, зная число ионов в кольце по формуле (9) можно определить заряд ионов по измерению час-. тоты бетатронных колебаний 1) . Для нахождения количества ионов используется формула (3). Существенным является то, что измерения потерь электронов проводят сразу после окончания импульса нейтралов; когТогда распределение плотности по.терянных электронов будет описываться зависимостью

1220556 да заряд ионов мал, и точность рас-чета по формуле (,3) высокая.

Таким образом, процесс измерения параметров ионов в кольце сводится к следующему:

1. Измерение частоты бетатронных колебаний в два момента временипервый момент 1,, соответствующий окончанию импульса нейтральных атомов; второй момент и 1 — момент определения заряда ионов.

2. Измерение коэффициента потерь электронов p =Ne/Ne в момент С

3. Измерение пространственного профиля электронов, например, по свечению сцинтиллятора.

4. Определение количества ионов в кольце по формуле (3): т

«П(4 ) г, C 2Z . e i, (— "- —,, ) t о

20

5. Определение плотности ионов

u.=N /2ПБа25

i 1

6. Определение заряда иона в произвольный момент времени по формуле (9) (,) О г а

6 i

Пример. Для ускорения тяжелых ионов электронными кольцами выбрана импульсная схема загрузки

З5 нейтральными атомами, которые получаются из лазерного источника нейтральных атомов. Рассмотрим накопление ионов свинца Zo =82, Измере,ние коэффициента потерь электронов

40 в аксиальном направлении иэ-эа рас, сеяния производят, например, с помощью зеркала 3 по синхротронному излучению, которое отражается от зеркала, поворачивается и попа-, 45 дает в детектор 5. Синхронный свет от первоначального кольца в ак., сиальном направлении не попадает вследствие резкой угловой аниэатропии. Расчет дает значение потока света под углом 90 к плоскости кольца I (90 ) 10 ?., где I — интенсивность излучения под нулевым углом. Минимальный порог по измеряемому коэффициенту потерь определя-. ется чувствительностью ФЭУ. 11апример, для чувствительности ФЭУД =

=1 00 А/мм составляет T- 10 что в пересчете на минимальное регист1220556

Составитель Е.Громов

Редактор Т.Иванова Техред М.Ходанич Корректор О. Луговая

Тираж 832 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3371 филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 рируемое число ионов Р составит

И " 2,10 . Ожидаемое количество

1 ю ионов свинца й; =!О . Коэффициент потерь измеряют сразу после окончания импульса нейтралов. Например, в. на6тбящее время длительность импульса .нейтралов свинца из лазерного источника составляет Ф„ и 10 мкс.

Интервал времени измерения коэффицнента потерь должен быть меньme характерного времени ионизации с учетом требуемой точности изме рений. Например, нри заданной точности измерений 10Х Формула (4) .справедлива до зарядности ионов свинца Š— 15- Расчетное время иони-! эации для свинца от Z;--0 до Е; =15; при плотности электродов в кольце т2. ц «2 10 см оно составляет И

200 мкс. Таким образом, должно выполняться условие: дС (2/0 мкс.

Определяя количество ионов в кольце в начальный момент накопления затем по измерению частоты бетатронных колебаний определяют за» ряд ионов. Частота бетатронных колебаний определяется, например, 1б по ширине углового распределения синхротронного излучения.

Точность определения заряда ионов по формуле (9) определяется

15 точностью определения частоты бетатронных колебаний и соответственно коэффициента потерь. При автоматизированной обработке результатов легко реализуется 103-я точность определения заряда ионов.