Устройство для диагностики параметров потока электронов

 

Использование: ускорительная техника, радиационная технология, метрология электронного излучения. Сущность изобретения: с целью упрощения конструкции и расширения функциональных возможностей устройство содержит преобразователь тока электронов в виде проводящего поглотителя потока и измеритель тока проводимости, причем поглотитель выполнен в виде двух гальванически связанных тел с возможностью их одновременного перемещения с одинаковой скоростью навстречу друг другу нормально и симметрично оси пучка по разные стороны общей плоскости скольжения, причем передние по ходу движения части тел имеют форму клина. 4 ил.

Изобретение относится к преобразователям параметров электронного излучения малой энергии (≈ 10 МэВ) и может быть использовано в ускорительной технике, радиационной технологии, метрологии электронного излучения.

Известно устройство для измерения энергетического спектра потока электронов с возможностью одновременного измерения их спектральной плотности, содержащее электромагнит с коллиматором и цилиндром Фарадея на выходе магнита [1] .

Недостатками устройства являются сложность осуществления, связанная с необходимостью изготовления магнита и источника его питания, а также низкая точность измерения потока электронов за счет потерь при его транспортировке к преобразователю (цилиндр Фарадея - ЦФ).

Известно устройство - преобразователь потока и плотности потока электронов, содержащее коллиматор и размещенный за ним ЦФ, с возможностью двухкоординатного перемещения устройства в поле излучения [2] .

Его недостатками являются относительная сложность осуществления, связанная с необходимостью наличия двух узлов перемещения устройства по двумя координатам, низкая оперативность проведения измерений профиля плотности пучка, а также невозможность измерения энергии электронов.

Прототипом изобретения является устройство-преобразователь энергетического спектра и потока электронов, содержащее набор плоских проводящих поглотителей пучка (фольг), с возможностью измерения заряда, полученного каждой фольгой в результате воздействия потока электронов [3] .

Недостатками устройства являются относительная сложность осуществления с его помощью измерений, связанная с необходимостью раздельного сохранения и измерения заряда каждой фольги, ограничение по энергетическому разрешению за счет использования конечного числа фольг с фиксированной толщиной, а также невозможность измерения при помощи устройства-прототипа профиля плотности исследуемого потока электронов.

Целью изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей.

Цель достигается в устройстве, содержащем поглотитель пучка электронов, выполненный в виде двух гальванически связанных тел с возможностью их одновременного перемещения с одинаковой скоростью навстречу друг другу нормально и симметрично оси пучка по разные стороны общей плоскости скольжения, причем передние по ходу движения части тел имеют форму клина, одна поверхность которого контактирует с плоскостью скольжения, другая образует с ней угол α = arctg, (1) где R - максимальный пробег электронов в материале; - энергетическое разрешение преобразователя; Δ х - пространственное разрешение преобразователя, а ширина основания каждого клина составляет R, причем у ближнего к источнику электронов тела клин у основания переходит в плоскопараллельную пластину, имеющую в верхней части под углом 45^о к оси перемещения тел прямоугольный вырез глубиной a = (h+d) , (2) где h - поперечный размер поглотителя; d - максимальный размер сечения пучка.

Не обнаружено в других технических решениях признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа. Поэтому можно сделать вывод, что предлагаемое решение обладает существенными отличиями. Предлагаемое решение также позволяет получить положительный эффект, заключающийся в упрощении устройства и расширения функциональных возможностей.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения устройства.

Части поглотителя (тела) 1,2 закреплены на каретках 3,4, которые при помощи ходового винта 5 могут перемещаться вдоль направляющей 6. Винт 5 опирается концами в подшипники 7, запрессованные в щеки 8,9 опоры, к которым также крепятся концы направляющей 6. К щеке 9 прикреплен двигатель 10, вал которого соединен с винтом 5, разделенным на две симметричные относительно оси пучка части с левой и правой резьбой. Соответствующую резьбу имеют гайки ходового винта кареток 3, 4 (на схеме не показаны). Вся конструкция закреплена на изоляторах 11 и заземлена через измеритель тока проводимости (амперметр) 12.

Принцип работы устройства поясняют фиг. 2 и 3. В исходный момент (перед началом измерений) обе части поглотителя разведены и пучок полностью проходит между ними на облучаемый объект (фиг. 2). Для проведения измерений поглотители начинают перемещать навстречу друг другу нормально и симметрично оси пучка со средней скоростью V путем передачи напряжения на двигатель 10 (например, шаговый двигатель ШДР 721). При перекрытии частями поглотителя пучка (фиг. 3, а) прибор А начинает регистрировать ток I(х), величина которого возрастает с ростом общей толщины поглощающих тел при увеличении координат Xвершины клина относительно оси пучка, причем, начиная с х= d/2 , для всех частиц пучка клиновидная геометрия частей поглотителя обеспечивает равную толщину поглощающего слоя (фиг. 3, б). Поскольку величина коэффициента поглощения электронов в плоском слое определяется его толщиной, углом наклона поглотителя к оси пучка и энергией электронов [4] , то зависимость I(х) позволяет определить энергетический спектр пучка по формуле I(E) = )F(xʹ, E)dxʹ, (3) где I(E) - поток частиц, имеющих энергию в единичном интервале вблизи значения Е, F(Х, Е) - функция чувствительности преобразователя, зависящая от величины угла клина и материала поглотителя. Она может быть определена расчетным методом [4] , либо измерена экспериментально, например, с использованием магнитного анализатора энергии.

Перейдя в формуле (3) от интегрирования к суммированию по Δ х, где Δ х - шаг перемещения поглотителя, нетрудно убедиться, что для обеспечения энергетического разрешения ≃ необходимо выполнить условие = , (4) откуда α = arctg , (5) При величине смещения ХXʹ ≥ весь пучок за исключением рассеянных электронов поглощается. Отсюда величину протока электронов можно определить по формуле Φ = , (6) где I_м - величина максимума тока, измеренная прибором А, е - заряд электрона, К₂(Е) - поправочный коэффициент, зависящий от эффективного атомного номера Z_эф. материала поглотителя и эффективной энергии электронов Е. Его значение можно установить расчетным путем [5] либо провести калибровку преобразователя по потоку электронов методом прямого сличения с образцовым прибором (например, цилиндром Фарадея из состава государственного эталона ГЭТ 72-90). В частности, для снижения коэффициента рассеяния электронов поглотитель целесообразно изготовлять из материала с малым Z_эф. (графит, Al и т. д. ).

На фиг. 4 представлен принцип работы преобразователя в режиме измерения профиля плотности потока электронов. Так, в процессе перемещения поглощающих тел наступает момент, когда вырез переднего из них правой стороной приоткрывает часть пучка (фиг. 4, а), вследствие чего регистрируемый прибором ток I(х) начинает снижаться так, что = - j(x₁y)dy , (7) где j(x, y) - распределение плотности потока электронов в системе координат X, Y, совпадающей с направлениями сторон выреза. Иначе говоря, производя перемещение поглотителя с шагом Δ хмы тем самым обеспечиваем зондирование потока электронов в направлении оси Х с величиной шага (пространственным разрешением) Δx = . (8)
Аналогичная процедура имеет место при перекрытии пучка левой стороной выреза (фиг. 4, б) с той лишь разницей, что в этом случае
= - j(x₁y)dx , (9) т. е. I(х) возрастает, причем зондирование пучка производится вдоль оси Y с шагом
Δy = . (10)
Таким образом, с учетом (8), (10) формула (5) приводится к окончательному виду (1).

Восстановление распределения j(x, y) по экспериментальной зависимости I[x, j(x, y)] производится следующим образом. Поскольку распределение плотности потока по обеим координатам взаимно независимо, то можем записать
j(x, y) = A(x) ^. B(y) (11) откуда
y
Решая систему уравнения (10, 11) с учетом
j(x₁y)dx dy = eΦ , (14) получаем
j(x₁y) = - , (15) где и - производные тока поглотителя по координате хпри его перемещении левой и правой сторонами выреза соответственно.

Из рассмотренного выше принципа работы предлагаемого измерителя профиля плотности потока электронов вытекает требование к глубине выреза: в случае a < (h+d существует интервал времени перемещения поглотителя, когда пучок одновременно взаимодействует с обеими сторонами выреза, что не позволяет разделить во времени зондирование потока по каждой из осей Х; Y (формула (15) не работает); при a > (h+d пучок свободно проходит между сторонами среза, не взаимодействуя с поглотителем, что снижает эффективность работы преобразователя (оперативность проведения измерений). Указанные обстоятельства определяют соотношение (2) в формуле предполагаемого изобретения.

Из (3), в частности, следует, что в предлагаемой конструкции преобразователя низкоэнергетичная часть спектра электронов с пробегом tgα выпадает из рассмотрения. Это обстоятельство становится несущественным, если выполнить условие
tgα<<R, (16) или, с учетом (1),
<< , (17) что определяет соотношение между энергетическим и пространственным разрешением преобразователя, и является вполне приемлемым условием. Так, например, в случае характерных параметров пучка технологического ускорителя электронов [6] : Е = 10 МэВ, d ≃ 20 мм, частоте следования импульсов f_у = 300 Гц, задав Δ х = 1 мм, = 3·10^-2 для преобразователя поперечным размером h = 60 мм из графита (R ≃ 27 мм - [7] ) с учетом (1) получаем α = 16^о. При этом минимальное время, необходимое для проведения измерений, можно оценить по формуле
Δt ≃ , (18)
или в нашем случае Δ t 0,5 с.

Следует отметить, что для повышения точности измерений профиля плотности потока за счет снижения числа электронов, рассеянных через поверхность выреза, путем увеличения коэффициента их отражения от этой поверхности ее можно покрыть тонким ( << Δ х) слоем материала с большим Z_эф (Рф, Та, W и т. п. ).

Таким образом, предложенная конструкция преобразователя отличается достаточной простотой изготовления и позволяет путем его одномерного перемещения в одном цикле измерений определить основные характеристики пучка электронов - энергетический спектр, величину потока и распределение его плотности. Для выполнения цикла требуется лишь два канала (управления двигателем перемещения преобразователя и измерения зависимости I(x), что значительно облегчает возможность использования преобразователя в автоматизированной системе управления ускорителем. Перечисленные преимущества наряду с высокой радиационной стойкостью позволяют широко использовать преобразователь предлагаемой конструкции в радиационно-ускорительных комплексах. (56) 1. B. L. Cohen, Rev. Scient. Instrum. , 1962, v. 33, р. 85.

2. В. А. Москалев, В. Г. Шестаков. Контроль и измерение параметров пучков заряженных частиц. М. : Атомиздат, 1973.

3. В. И. Дронин, О. С. Милованов, В. А. Шабров. Доклады IV Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. Л. , 1982, т. 2. , с. 170-172.

4. E. I. Kobetich, R. Katz. Phys. Rev. , 1968, v. 170, p. 391.

5. T. Tabata etal. Ann. Rep. Rad. Center Osaka Pref. 1979, v. 20, p. 87.

6. В. И. Белоглазов, Е. З. Биллер, В. А. Вишняков и др.

Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. М. , 1986, вып. 1(38), с. 89-91.

7. L. Pages et al. Atomic data, March 1972, v. 4, N 1.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ, включающее преобразователь тока электронов в виде проводящего поглотителя потока и измеритель тока проводимости, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и расширения функциональных возможностей, поглотитель выполнен в виде двух гальванических связанных тел с возможностью их одновременного перемещения с одинаковой скоростью навстречу друг другу нормально и симметрично оси пучка по разные стороны общей плоскости скольжения, причем передние по ходу движения части тел имеют форму клина, одна поверхность которого контактирует с плоскостью скольжения, другая образует с ней угол
α = arctg
где R - максимальный пробег электронов в материале поглотителя;
- требуемое энергетическое разрешение преобразователя;
Δx - требуемое пространственное разрешение преобразователя,
а ширина основания каждого клина составляет R, причем у ближнего к источнику электронов тела клин у основания переходит в плоскопараллельную пластину, имеющую в верхней части под углом 45^o к оси перемещения тел прямоугольный вырез глубиной
d = (h+d)/
где h - поперечный размер поглотителей;
d - максимальный размер сечения пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4