Способ определения параметров пучка заряженных частиц
Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к разработке средств диагностики пучков заряженных частиц, и может быть использовано для бесконтактного неразрушающего определения характеристик пучка заряженных частиц - их плотности и энергии - в каком-либо участке транспортного канала или на выходе из ускорителя. Плотность и энергия являются основными характеристиками пучка заряженных чабесконтактного , неразрушающего способа диагностики пучков, основанного на измерении сдвига частоты колебания высокодобротного цилиндрического резонатора, возникающего как реакция резонатора на нагрузку его замагниченным пучком. Для одновременного определения плотности и энергии пучка возбуждают в резонаторе два различных Н-колебания с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, и измеряют сдвиги частот обоих колебаний. Плотность и энергию пучка определяют по формулам. После проведенного определения параметров пучка уточняют значение скорости частиц. Для этого в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, и измеряют сдвиг его частоты . Для дополнительного повышения чувствительности метода изменяют энергию пучка в резонаторе на небольшую, заранее известную величину. Такое изменение осуществляется подачей на резонатор напряжения смещения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. стиц. Известно много способов измерения этих характеристик путем частичного или полного разрушения пучка, которые реализованы в таких устройствах, как цилиндр Фарадея (измеряет ток пучка, т.е. произведение плотности частиц на их скорость), магнитный спектрометр (измеряет энергию пучка) и т.п. Все эти приборы.как основанные на разрушающих принципах измерения, могут быть установлены лишь в качестве мишенного устройства, принимающего пучок, но не Ё VI ю ел о ю
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК ((9) (1!) (51)5
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ЫЙ ИИТи (:, ЛЮДНОЙ
ЧНОСТИ фр цг Тг"
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4802512/21 (22) 15.03.90 (46) 07.04.92. Бюл. hL 13 (71) Московский радиотехнический институт
АН СССР (72) М.И. Капчинский, И, Н.Москалев и
Л.А.Юдин (53) 621.384(088.8) (56) Москалев В.А., Сергеев В.И. Измерение параметров пучка заряженных частиц. М;:
Атомиздат, 1980, Авторское свидетельство СССР
М 667034, 1979, вып.47.
Москалев И.Н., Стефановский А.М. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов. М,: Энергия, 1985.
Релятивистская высокочастотная электроника, вып.3. Горький, 1983, с.26. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПУЧ КА ЗАРЯЖЕ Н Н ЫХ ЧАСТИ Ц (57) Изобретение относится к ускорительной технике. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей
Изобретение относится к области ускорительной техники, в частности к разработке средств диагностики пучков заряженных частиц, и может быть. использовано для бесконтактного неразрушающего определения характеристик пучка заряженных частиц —их плотности и энергии — в каком-либо участке транспортного канала или на выходе из ускорителя.
Плотность и энергия являются основными характеристиками пучка заряженных чабесконтактного, неразрушающего способа диагностики пучков, основанного на измерении сдвига частоты колебания высокодобротного цилиндрического резонатора, возникающего как реакция резонатора на нагрузку его замагниченным пучком, Для одновременного определения плотности и энергии пучка возбуждают в резонаторе два различных Н-колебания с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, и измеряют сдвиги частот обоих колебаний. Плотность и энергию пучка определяют по формулам. После проведенного определения параметров пучка уточняют значение скорости частиц. Для этого в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, и измеряют сдвиг.его частоты. Для дополнительного повышения чувствительности метода изменяют энергию пучка в резонаторе на небольшую, заранее известную величину. Такое изменение осуществляется подачей на резонатор напряжения смещения. 2 з.п, ф-лы, 1 ил. стиц. Известно много способов измерения этих характеристик путем частичного или полного разрушения пучка, которые реализованы в таких устройствах, как цилиндр
Фарадея (измеряет ток пучка, т.е, произведение плотности частиц на их скорость), магнитный спектрометр (измеряет энергию пучка) и т.п. Все эти приборы,как основанные на разрушающих принципах измерения, могут быть установлены лишь в качестве мишенного устройства, принимающего пучок, но не
1725409 в начале и не в средней части пучкового канала транспортировки.
Известен способ бесконтактного измерения тока пучка, реализованный в устройстве типа пояса Роговского. 5
Известен также способ бесконтактного определения мощности пучка, основанный на измерении мощности колебания, возбуждаемого тестируемым пучком в резонаторе. 10
Однако непосредственного способа одновременного бесконтактного измерения плбтности и энергии пучка заряженных частиц не существует.
Известен также способ бесконтактного 15 определения плотности плазмы по реакции высокодобротного резонатора на нагрузку его плазмой, в котором измеряется сдвиг частоты резонатора, возникающий вследствие заполнения его плазмой, а плотность 20 плазмы определяется по известной расчетной формуле.
Однако в плазме отсутствует понятие средней скорости частиц, а ее главной характеристикой является плотность. 25
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения параметров пучка заряженных частиц, заключающийся в измерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по 30 оси которого проходит замагниченный пучок. В этом способе по известной расчетной формуле сдвиг частоты резонатора (измеряемый так же, как и в предыдущем способе) связывается с комбинацией основных пара- 35 метров пучка — его плотностью и энергией.
Способ позволяет определить плотность пучка, если известна его энергия, или энергию пучка,.если известна его плотность.
Однако недостатком известного спосо- 40 ба является невозможность одновременно определить плотность и энергию пучка заряженных частиц в одном акте измерения.
Кроме того, определение энергии пучка при известной плотности затруднено, поскольку 45 в общем случае зависимость сдвига частоты резонатора от энергии пронизывающего его пучка достаточно сложна, Целью изобретения является расшире- 50 ние функциональных возможностей способа путем одновременного определения плотности и энергии пучка.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в из- 55 мерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по оси которого проходит замагниченный пучок, в резонаторе возбуждают два различных Н-колебания с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и измеряют сдвиги частоты обоих колебаний.
Для повышения точности определения скорости пучка в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и измеряют сдвиг его частоты.
Кроме того, на резонатор может быть подан электростатический потенциал.
На чертеже показана схема цилиндрического резонатора, осуществляющего предлагаемый способ, и проходящего по его оси замагниченного пучка (стрелкой показано направление продольного магнитного поля Но, фокусирующего пучок), Способ осуществляется следующим образом.
Будем исходить из соотношений, связывающих плотность и энергию пучка 2, пронизывающего резонатор 1 по его оси, со сдвигом частоты собственного колебания этого резонатора. В общем случае эти формулы достаточно сложны, Наиболее простой вид они имеют для Н-колебаний с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, Af 3 пь Ьо
2mmo yf2 1 аг )Я где f — невозмущен ная частота собственного колебания резонатора; nb — плотность пучка заряженных частиц; е и m< — заряд и масса покоя частиц; у — релятивистский Лоренц-фактор пучка; а = Я4/2 л1; Q,— нерелятивисткая циклотронная частота частиц пучка во внешнем продольном магнитном поле Ho, Ьо — форм-фактор, определяемый геометрией и типом колебания резонатора, 1 и г
Ь г г г 1(12 1(Х)+
+1г +g (X))XdX, где а — радиус пучка; Я вЂ” радиус резонатора;
m — число вариаций поля по азимуту; Im(X)— фун кция Бесселя;,и — корен ь фун кции
im (x)
В случае тонкого пучка максимальная величина форм-фактора достигается для мод резонатора с одной вариацией по азиM Ò (Я В « К а
1 г г г
2Я(,и),иг 1 рг 4 рг
Возбуждая в резонаторе два различных
Н-колебания с различными значениями а, f и,и с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и измеряя их сдвиги частоты, возникающие при прохождении по оси резонатора
1725409
1%
Q2 «2ц J ($<<<.<(Õ)+ < < (11) X@X
1 <
1аЯ
45 пучка, можно определить плотность и энергию тестируемого пучка заряженных частиц по выражениям формулы (1) x,x,(f -<,) 0,0069 Н« 5
W=5,1 <О 2.8 1Î Но -(,-> °
2 < и "й < "< где nb — плотность пучка, см;
Hp — фокусирующее магнитное поле, Гс; 10
W — энергия пучка, эВ;
f>,г — частоты первого и второго колебаний, Гц;
1 Ю
Х1,2= (††)1,2 относительный сдвиг
Ь 15 частоты резонатора;
Ю вЂ” абсолютный сдвиг частоты, Гц.
Число и вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, должно быть выбрано из условия 20
n» — q
R (< где L — длина резонатора, см;
q — число вариаций поля вдоль оси резонатора. 25
Для повышения точности определения скорости пучка следует в резонаторе дополнительно возбудить Е-колебание с большим числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, п» (R/L)q и 30 измерить сдвиг его частоты. Этот сдвиг следующим образом зависит от параметров пучка, проходящего по оси резонатора
35 !
<<(I M/ "1 b ((бм/У)а (1-«/К1 П 4 Г1 < л,,< 1 (3) -+(-i) < " « <<< )) << где г = 2 afL/U — угол пролета частиц пучка 40 через резонатор; U —; P= -U/c; с - скорость света; форм-факторы: где корень функции Im(X);Eq=2 при Ч=0 v8q=1 при q>1. В случае тонкого пучка для сим- ->О метричной моды Ь = (лг l16я ) (а/R), Ьг= (m>/4 е ) ° (а/R),а для моды с одной и вариацией по азимуту Ь1 = (xv/4 е )(а/R), Ь = (ztv/32е ) ° (а/R) . Формулы (1) и (3) справедливы . п р и условии. л q/L < ((2 кf/с) (1 — !а!бу) . Повышение точности определения скорости пучка при измерении сдвига частоты. Е-колебания происходит вследствие зависимости правой части (3) от тригонометрических функций с большим аргументом т (или пропорциональным ему). Поэтому небольшие относительные изменения скорости пучка, приводящие к изменению значения на величину порядка единицы, уже могут быть зарегистрированы в предлагаемом способе. Порог чувствительности метода таким образом составляет Л . 1/т:=-ф/м) (й/1 ) . Еще более повысить чувствительность метода и точность определения скорости пучка можно, если подать на резонатор электростатический потенциал, слегка изменив скорость проходящего через резонатор пучка и угол пролета х. Оптимальные значения угла пролета соответствуют максимуму производной правой части (3) по т. Предлагаемый способ определения плотности и энергии пучка заряженных частиц заключается в измерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по оси которого проходит замагниченный пучок, причем в резонаторе возбуждают два различных Н-колебания с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и» (R/L)q, измеряют сдвиги частот обоих колебаний и определяют плотность и энергию пучка по формулам (2). Для повышения точности определения скорости пучка дополнительно возбуждают Е-колебание резонатора с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора n»(R/L)q, измеряют сдвиг его частоты и численно определяют значение, скорости пучка из уравнения (3). С этой же целью на резонатор может быть подан электростатический потенциал. Расчетным путем получены данные, которые позволяют убедиться в возможности одновременного определения плотности и энергии пучка заряженных частиц, При осуществлении способа по измеренным величинам сдвигов частот двух различных Н-колебаний резонатора определяют согласно формулам (2) значения плотности и энергии пучка, Измерение сдвига частоты Е-колебания позволит уточнить значение скорости пучка путем решения уравнения (3) относительно угла пролета т, когда приближенное его значение уже известно по предыдущим измерениям Н-колебаний. Это уточнение может быть облегчено, если путем подачи на резонатор электростатического потенциала (и, следовательно, изменения энергии пучка, пересекающего резонатор, на определенную величину) пере1725409 вести параметр z в область значений, упрощающих решение уравнения (3). Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности способа бесконтактной неразрушающей диагностики пучка заряженных частиц, позволяющего судить о параметрах пучка по сдвигам частот собственных колебаний резонатора, нагруженного этим пучком. Формула изобретения 1. Способ определения параметров пучка заряженных частиц, заключающийся в измерении сдвига частоты цилиндрического резонатора, по оси которого проходит замагниченный пучок, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем одновременного определения плотности и энергии пучка, в резонаторе возбуждают два различных Нколебания с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, и >)Lq, и где R — радиус резонатора, см; L — длина резонатора, см; q — число вариаций поля вдоль оси резонатора, измеряют сдвиги частот обоих колебаний и определяют плотность пь и энергию W пучка в соответствии со следующими соотношениями: Х,Х,(f2,-<,) Оо 0,0069Но W=5I 5 « а и, —.I) х*-х 2 2 t Е,ХХ-f < Х, где Ho — фокусирующее магнитное поле, Гс; f1,z — частоты первого и второго колебаний, Гц; 1 ф Х1Д= (, ) 1р- относительный сдвиг частоты резонатора; Ж вЂ” абсолютный сдвиг частоты, Гц; )% Ь 2 . <" W (< .,l l < „<<)5<5; а 2О< < — j < III<5 2 р q2 )<2(9) а< ) 8 5" о — форм-факторы; Eq = 2 при ц = 0 и Eq = 1 при q > 1; ) — релятивистский фактор пучка, и- корень функции Im (Х). 3, Способ по п.2, отличающийся тем, что на резонатор подают напряжение смещения. 1 ь 2 2 2 f(12 1(x)+ (/u — m ) I (/u) о +Irk+1(X))Xd Х, — форм-фактор; 5 m — число вариаций поля по азимуту; а — радиус пучка, см; Im(X) — функция Бесселя; 1 — корень функции 1н (Х). 2, Способ по п1, отл ич а ю щи йс я 10 тем, что, с целью повышения точности определения скорости пучка, в резонаторе дополнительно возбуждают Е-колебание с числом вариаций поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, 15 R n >) —,а измеряют сдвиг его частоты и численно определяют значение скорости пучка из урав20 Ц<-7,8 l0 2Н2/Е )/2 а /О $f 9(5 Наа L ((< 2,8 <ОаН,/) Е) 6<«(1-2,В ФО Н ///Е)5)1 4 (Е-28 <Оо На/Е Е) )1 < I 2(2 () " 25 (- — -«)5 ) п 2 л 2 где U — скорость пучка, см/с; г=2л fL/U; P= U/с; с = 3 10 — скорость света, см/с; 1О 1725409 г,-Ф 30 40 50 Составитель М. Капчинский Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец Редактор Л.Гратилло Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1186 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
