Способ формирования мишени для диагностики пучков заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике, Цеяь изобретения - упрощение способа формирования мишени . Мишень в виде потока нейтральных частиц, вводимых в исследуемый пучок, формируют из мелкодисперсного порошка. При этом размер частиц d и расстояние 1 между ними выбирают согласно следующим выражениям: сЗми(|6 , d(Lo/pL), где d ft (2f20)- - минимальный размер мелкодисперсных частиц, м; (U 0,1- 0,3 - коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества и допустимыми возмущениями исследуемого пу«- ка; L - глубина проникновения заряженных частиц в мишень, м; L размер мишени в направлении движения заряженных частиц, м; у - разрешающая способность, м ; р - коэффициент, характеризующий допустимое ослабление потока заряженных частиц в ни. Такой способ формирования ния позволяет отказаться от дополнительных вакуумных систем, необходимых для случаев, когда мишень формирую, в виде потока атомов или молекул газа . При этом использование такой мьшени позволяет существенно повысить интенсивность излучения, возникающего при взаимодействии исследуемого пучка с мишенью, не нарушая существенно структуру пучка. 2 ил, с. 9 Г Я Wtsss

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИА ЛИСТ ИЧЕСНИX

РЕСПУЬЛИН (5!)5 H 05 Н 6/00 ИЮЗИЯ

Щ ф.у

1 д 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНР1!ТИММ

ПРИ ГННТ СССР (46) О/. 02. 91. Бюл. !! 5 (2!) 4200693/21 (22) 27,02,87 (71) Ленинградский политехнический институт им. M.È. Калинина (72) Aв.В. Архипов, О,И. Лукшар

В.Б. Толкачев и О.Ю. Цыбин (53) 621 384,6(088.8) (56). Авторское свидетельство СССР И 5481 26, кл. Н 05 Н 7/00, 1 980.

Москалев В.А, и др. Измерение параметров пучков заряженных частиц.

М.; Атомиэдат, 1982, с. 82-86 (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИШЕНИ ДЛЯ

ЦИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к ускори" тельной технике, Цель изобретения— упрощение способа формирования мишени. Мишень в; вице потока нейтральных частиц, вводимых в исследуемый пучок, формируют из мелкодисперсного порошка. При этом размер частиц d и расстояние 1 между ними выбирают согласно следующим выражениям: d„„„ й

Изобретение относится к ускорительной технике, а -именно к мишенным системам, используемым при изме",, внии распределения плотности зарядов в пучках заряженных частиц, Целью изобретения является упрощение способа и повьппение величины отношения сигнал/шум.

На фиг. 1 и 2 изображены примеры конструкций устройств для осуществления предлагаемого способа формирования мишени иэ мелкодисперсного порошÄÄSUÄÄ 1475470 Д 1 Й р?., d (L, /1 1.)" <1е(, где d „„=

- (2-;20) 10 — минимальный размер мелкодисперсных частиц, и; !!. =0, !в

О, 3 — коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества и допустимыми возмущениями исследуемого пучка; L — глубина проникновения заряженных частиц в мишень, м; L — раз— мер мишени в направлении движения заряженных частиц, м; g — разрешающая ! способность, и; З вЂ” коэффициент, характеризующий допустимое ослабление готока заряженных частиц в мип ени. Такой способ формирования мпг ния позволяет отказаться от дополнительных вакуумных систем, необходимых

Я для случаев, когда мишень формируюг в виде потока атомов или молекул га- (Р за. При этом использование такой мп— шени позволяет существенно повысить интенсивность излучения, возникающего при взаимодействии исследуемого пучка с мишенью, не нарушая существенно структуру пучка. 2 ил, Д ка-инжекторов мелкодисперсного порошка.

Устройство содержит камеру 1 инжектора с отверстиями, мелкодисперсный порошок 2, наполнитель 3, электромагнитный привод 4 камеры 1.

Инжектор располагается вне трубки дрейфа 5, в которой распространяется исследуемый пучок 6.

Формирование мишени из мелкоднсперсного порошка позваляе достичь высоких значений локальной и средней

1475470 па объему концентрации нещества мишени, так как концентрация атомов или молекул в частице порошка соответствует концентрации их в твердом теле, -э п l 0 см . Увеличение интенсивности излучения (по сравнению с использованием газовой мишени) в среднем составляет не менее 3-4 порядков.

Локальное значение концентрации атомов или молекул практически не изменяется от частицы к частице, что позволяет, сравнивая интесивности излучения, измерять распределение концентрации и энергии н потоке заряжен" 15 ных частиц. Обычно концентрация ато мов или молекул газа.в подобных мишенях сильно изменяется от точки к тачке, В данном же случае при столкновении заряженных частиц с частица" 20 ми мишени возникает инфракрасное, 1 карпускулярнае, световое или рентгеновское излучение, отношение сигнал/ шум в котором на несколько порядков ньппе иэ-эа высокой концентрации ато- 25 ман или молекул н мишени. Для повыше"" ния помехазащищеннасти устройства н спектре нидимага света н качестве мишени выбирается люминофор или сцинтиллятар, например ZnS или лавсан, 3р а н спектре рентгеновского излучения — тяжелые материалы, например вольфрам, B виде мелкадисперснага порошка. Оптическая прозрачность мишени высокая. Сочетание высокой ло-: кальной концентрации и высокой оптическай прозрачности является достоинством, отличающим порошковые мишени. Эффективность порошковых мишений значительно выше известных тонкопленочных или стержневых мишеней. Порошковые мишени позволяют получать излучение н широком диапазоне длин волн от инфракрасного света да рентгеновского, изменять в широких пределах пороговое значение Е,, испольэовать весь комплекс существующих приемников излучения, считывать информацию одновременно из нсех точек объема мишени, осуществлять устойчивые измерения н импульсных режимах, Известные тонкопленочные и стержневые мишени испытывают зарядку током исследуемого пучка. При использовании веществ, испаряющихся в исследуемом потоке, порошковые мишени по3Boляют создать дополнительно высокую локальную концентрацию вещества в газовой фазе, МалЫми частицами называются частицы размером d от 2 10 м до 10 м при- чем образование кристаллической решетки происходит при величине

d„„„ 20.10 м ° Существует> таким образам, определенный минимальный размер малых частиц d Если размер атомного образования меньше, чем

d зто образование представляет собйо кластер, Если d d»„, то нейтральная частица вещества может двигаться преимущественно под действием силы тяжести, а не теплового движе" ния атомов или молекул. Это и определяет возможность применения в качестве одного из вариантов формирования такой мишени метода осыпания, Скорости малых частиц при осыпании относительно невелики, их масса на много парядкон выше, чем масса ионов атаман или молекул. Поэтому н большинстве случае можно считать частицы мишени неподвижными при измерениях в импульсных устройствах. При наличии в измеряемых потоках заряженных частиц больших электрических полей, большой длительности импульсов потока, трудностях поддержания кваэинейтральности частиц, высокой разрешающей способности измерений и т.д. нижний предел размерон d ппределяют по в ыр аже нию 1мин - 1 в где >! — коэффициент, учитывающий перечисленные выше факторы, В виде мелкадисперсного порошка могут сущестнонать разнообразные материалы: металлы, полимеры, люминофоры. Для большинства иэ них давление л

P паров при температурах 300-500 К

-8 пренебрежимо мало, Рс10 Тор. Поэтому метод осыпания мелкодисперсных порошков позволяет формировать локализонанные мишени беэ применения дополнительных вакуумных насосов, с помощью конструктивно простых инжек" торов, Реализацию способа удобно рассмотреть на примере работы устройств, приведенных на фиг.l и 2 °

Инжектор мелкодисперсного порошка выполнен, например, в виде камеры 1 с отверстием в одной из .стенок и с электромагнитным ее приводом 4 (фиг,1,2). Движение камеры 1 может иметь характер вибрации (виброинжектор), Вибраинжектор устанавливается над исследуемым объемом или под ним по вертикали (фиг.1). На фиг.2 изоб1475

При выборе значения р может учитынаться также величина оптической прозрачности R мишени в целом, причемрК. При высокой прочности R можно допустить большие возмущения в элементарном акте взаимодействия с каждой частицей мишени. Для определения прозрачности необходимо знать еще и среднее расстояние 1., м, между частицами: сложный нелинейный характер потерь энергии заряженной частицы в веществе мишани не позволяет определять простым образом свойств мишени н целом по процессам, происходящим на одной частице.

Эффективная толщина Lз, м, вещест,— ва мишени для пролетающей длину мишени L, м, заряженной частицы

Ь х (-) L

d 7

Допустимое ослабление падающего пота-" ка в мишени

Ьэ Ьо

Э о

Ь 1 L

Отсюда величина 1:

1f, „Ь.,1з

p1. а максимальное значение определяется иэ условия обеспечения необходимой разрешающей способности, Для этого выбирают количество частиц, приходящихся на единицу длины, большим необходимого количества штрихов изображения.

В данном способе заключена также возможность сущестненнога увеличения локальной разрешающей способности измерений при наблюдении тонкой структуры свечения единичных малънс частиц.

Измерения по данному способу производят следующим образом. Помещают мелкодисперсйый порошок и камеру инжектора в вакуумном объеме исследуемого устройства, на время измерений включают инжектор, и через время установления мишени с регистрируют излучение объекта в видимом свете, рентгеновском диапазоне, инфракрасном диапазоне — н зависимости ат выбранного вещества мишени и поставле .-ной задачи. ражен вращающийся инжектор, установленный соосно с исследуемым потоком.

При вращении инжектора частицы порошка участвуют в замкнутом цикле дви- 9 жения, созданая мишень для,визуализации или нейтрализации, потока заряженных частиц, Параметры отверстий в стенке камеры позволяют задавать требуемую концентрацию частиц мишени, Разброс размеров частиц мелкодисперсного порошка определяет размер отверстий из условия, что частицы наибольшего размера не должны "забивать" заметную часть отверстий инжек- 15 тора при данном расходе порошка эа время измерений.

Для снижения этого ограничения, улучшения однородности пространственного распределения частиц мишени н 2п камере инжектора. содержится наполнитель в виде шариков диаметрам D u.

8 рабочем состоянии инжектора шарики спускаются на стенку с отверстиями, протирая сквозь нее малые частицы, 25 не эабиная отнерстий и однородно по ним распределяясь.

Размеры элементов инжекторов, исходя из приведенных выше требований, определяются соотношениями 30

1а — с 3, n=1, D

0 0, г h, где h — расстояние между отверстиями, м;. ц 2-;1О: — коэффициент, определяемый по разбросу размерон частиц мелкодисперсного порошка; r — коэффициент, определяемый отношением размеров D и h, Конструкции инжекторов могут быть 40 основаны .также на передаче частицам в вакууме требуемого механического импульса с помощью механического устройства, электромагнита, пьезакерамики, динамического конденсатора. 45

Сверху величина д ограничена допустимой степенью возмущения иссле. дуемого потока, т.е, Ы1! L, где Lглубина проникновения частиц исследуемого пучка и вещество мелкадис- 50 персных частиц; р =0,1,0,3 — коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества мелкодисперсного порошка и допустимыми возмущениями исследуемого куска. 55

Минимизация возмущения исследуемого потока заряженных частиц и сохранение высокой интенсивности свечения в элементарном акте возбуждения

470 6 единичной малой частицы обусловливают выбор 111 =О,! -. 0,3, поскольку мак- симум функции распределения удельных потерь энергии па толщине образца соL ответствует значению, большему

147 т.

1 25 ч . — ус и

В интенсивных короткоимпульсных, а также в непрерывных и длинноимнульсных потоках заряженньи частиц может потребоваться учет нагрева и нспаре- 30 ния малых частиц, Время,, определяется при осыпании частиц мишени геометрией иссле- . дуемого потока, инжектора и местом его расположения. При измерения могут быть также существенны следующие факторы. !

Вторичные, заряженные частицы, вы" биваемые из частиц мишени, не должнЫ достигать энергии, при которой они производят излучение при ударах о частицы мишени в полосе частот наблюдения:

1Е Ч где Ч - пороговый потенциал излучеР ния вещества мишени в поло-. се частот наблюдения;

Е - среднее значение напряженности электрического поля в объеме мишени, Учет времени „ послесвечения при испольэоваиии люминофоров накладывае

- ограничение на скорость мальи частиц мишени:

Поддержание кваэинейтральности малых частиц может быть обеспечено соответствующим выбором вещества этих. частиц, их концентрации, скорости осыпания с учетом энергии, тока, геометрии, длительности импульса по1тока заряженных частиц.

5470 8

Формула изоб ре те ния

Способ формирования мишени для диагностики пучков заряженных частиц, 5 заключающийся во введении в исследуемый пучок потока свободньи нейтральных частиц, о т л и ч а ю щ и и ся тем, что, с целью упрощения способа, поток свободньи нейтральфях

10 частиц формируют из мелкодисперсного порошка, состоящего иэ частиц, размер которых d м„ и среднее расстояние 1, м, между которыми выбраны согласно следующим выражениям: ., Из а„„„ а а.; а< )» x g,, 1 где а,„„„ . . .

"- (2-,20) ° 10 — минимальный размер мелкоднсперсньи час20 тнцР м9

L - глубина проникновения заряженных частиц в мишень, и;

Р 0,1-0,3 — коэффициент, определяемый физическими свойствами вещества мишени и допустимыми возмущениями исследуемого пучка; .

It - разрешающая способность, и

Ь " размер мишени в направлении движения за"" ряженных частиц, м;

- коэффициент, характеризующий допустимое ослабление потока заряженных частиц в мишени

I475470

Составитель Е. Громов

Редактор Г. Бельская Техред. Л.Олийнык Корректор Н. Король

Заказ 768 Тираж 470 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", .r.Óæãoðîä, ул. Гагарина,!01