RU156716U1 - Пироэлектрический дефлектор пучка заряженных частиц - Google Patents

Abstract

Пироэлектрический дефлектор пучка заряженных частиц, содержащий модуль с кронштейном-теплопроводом, двумя пироэлектрическими кристаллами, элементом Пельтье, отличающийся тем, что устройство состоит из двух модулей, расположенных друг напротив друга на расстоянии, определяемом поперечным размером управляемого пучка, каждый из модулей содержит один пироэлектрический кристалл, соединенный с элементом Пельтье, дополнительно встроенным теплопроводом, выполненным в виде пластины.

Description

МПК G21K1/087

G05F3/02

Пироэлектрический дефлектор пучка заряженных частиц

Полезная модель относится к электронной оптике и может быть использована для управления пучками заряженных частиц: электронов, ионов, протонов, позитронов, в различной ускорительной технике: в медицинских ускорителях, устройствах досмотрового контроля, в исследовательских ускорителях: коллайдерах, синхротронах и т. д.

Известно устройство для отклонения электронного пучка в ускорителе частиц, в котором управление пучком заряженных частиц основано на применении магнитного поля (US №3660658(A), публ. 02.05.1972 г.). Однако использование магнитного поля требует больших энергетических затрат, резко увеличивает объем устройства в котором используется. Данные недостатки особо заметны при применении таких систем для управления пучками заряженных частиц с энергией 10 МэВ и выше.

Известен способ управления пучками заряженных частиц с энергией от 1 ГэВ и выше, основанный на явлении каналирования. (В.М. Бирюков и др. Управление пучками заряженных частиц высоких энергии при помощи изогнутых монокристаллов, УФН, том 164, №10). Данный способ позволяет изменять направление распространения пучка заряженных частиц без каких-либо затрат энергии, однако данный эффект работает лишь для частиц очень высоких энергий и позволяет изменять направление движения частиц в очень малом угловом диапазоне, меньше 1°.

Такжеизвестны технические решения (RU №2462009, публ. 20.09.2012 г. и RU№147239, публ.27.10.2014 г.) в которых предлагается для управления пучками заряженных частиц использовать изогнутый диэлектрический канал. К недостаткам таких систем стоит отнести необходимость периодических потерь части пучка на электризацию внутренних стенок канала.

Известна электростатическая отклоняющая система (RU №1557603, публ. 15.04.1990 г.), в которой для управления направлением движения пучка используются плоские электроды, расположенные друг напротив друга, на которые подается внешнее напряжение разной полярности. Управляется пучок заряженных частиц электрическим полем, путем изменения величин напряжения на внешнем источнике. Электрическое поле возникает за счет подачи внешнего напряжения.

Недостатком известной системы является то, что она применима только для пучков с энергией не более 100 кэВ, так как для управления пучками больших энергией, необходимо повышать напряжение на электродах, что чревато пробоем электродов в вакууме.К тому же сама необходимость использования высокого напряжения резко усложняет эксплуатацию устройства, делает его менее безопасным.

Известно устройство для генерации рентгеновского излучения с использованием пироэлектрического эффекта - пироэлектрический генератор рентгеновского излучения.(J.D. Brownridge, PyroelectricX-raygenerator, Nature, 1992). Два основных элемента этого устройства: пироэлектрический кристалл и тормозная мишень. При изменении температуры пироэлектрического кристалла при давлении 10^-3Торр генерируется электрическое поле, достаточное для ионизации молекул остаточного газа и генерации рентгеновского излучения при торможении электронов в пироэлектрическом кристалле или мишени. Направление электрического поля зависит от фазы изменения температуры и направления вектора поляризации кристалла. Компания Amptek производит подобные пироэлектрические источники рентгеновского излучения. (http://www.amptek.com/products/cool-x-pyroelectric-x-ray-generator/).

Также пироэлектрический генератор может применяться для генерации электронов и положительных ионов (В.И. Нагайченко, В.С. Мирошник, А.М. Егоров, А.В. Щагин Исследования спектров пучков заряженных частиц в пироэлектрическом ускорителе., Сер. “Ядерно-физические исследования”(534, 2010 №.2, с.34-38).

Модификация схемы с двумя кристаллами (использование в качестве остаточного газа - дейтерия, нанесение дейтерированной пленки на поверхности кристаллов) используется для генерации нейтронов. (Don Gillich, Andrew Kovanen, Bryan Herman, Travis Fullem, YaronDanon, Pyroelectric crystal neutron production in a portable prototype vacuum system, NIM A, 602 (2009) 306-310.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является известная модификация геометрии пироэлектрического генератора рентгеновского излучения. Предлагается пироэлектрический генератор рентгеновского излучения состоящий из двух пироэлектрических кристаллов, расположенных друг напротив друга в одном модуле. Оба кристалла нагреваются и охлаждаются одновременно одним элементом Пельтье. Подвод и отвод тепла между кристаллом и элементом Пельтье осуществляется медным кронштейном-теплопроводом. Расстояние между кристаллами зафиксировано и не изменяется. При изменении температуры кристаллов, генерируется электрическое поле, способствующее генерации рентгеновского излучения от кронштейна и кристаллов. (J. Geuther, Y. Danon, F. Saglime, B. Sones, Electron Acceleration for X-ray Production Using Paired Pyroelectric Crystals, Proceedings from the Sixth International Meeting on Nuclear Applications of Accelerator Technology (2003) 591-595).

Недостатком данного технического решения является то, что оно не может управлять пучком заряженных частиц, из-за невозможности управлять температурой каждого из кристаллов, невозможности изменения расстояния между пироэлектрическими кристаллами.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства, позволяющего управлять направлением движения пучка заряженных частиц без его потери (рассеяния) в широком диапазоне его энергии и тока с минимальными затратами внешней энергии.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства - пироэлектрического дефлектора пучка заряженных частиц, содержащего модуль скронштейном-теплопроводом, двумя пироэлектрическими кристаллами, элементом Пельтье, причем, устройство состоит из двух модулей, расположенных друг напротив друга на расстоянии, определяемом поперечным размером управляемого пучка, каждый из модулей содержит кронштейн-теплопровод, один пироэлектрический кристалл, соединенный с элементом Пельтье, дополнительно встроенным теплопроводом, выполненным в виде пластины.Кроме того, в каждом модуле изменение температуры пироэлектрического кристалла осуществляется соответствующим элементом Пельтье.

Указанная совокупность существенных признаков обеспечивает решение поставленной задачи таким образом, что при подаче питания на элементы Пельтье изменяется температура пироэлектрических кристаллов в условиях вакуума, что способствует генерации электрического поля в промежутке между модулями и с помощью которого появляется возможность управлять пучком заряженных частиц. Расстояние между модулями зависит от поперечного размера пучка (необходимо чтобы размер пучка составлял максимум треть от расстояния между кристаллами для эффективного поворота в двух эквивалентных направлениях) и области его применения.

Технический результат заключаетсяв управлениинаправлением движения пучка заряженных частиц без его потери (рассеяния) в широком диапазоне его энергии и тока с минимальными затратами внешней энергии.

Изобретение поясняется чертежами.

Фиг. 1 - функциональная схема устройства, вид сверху.

Фиг. 2 - схема отдельного модуля устройства.

Устройство состоит из двух модулей. Модули расположены друг напротив друга. В состав каждого модуля входит: кронштейн-теплопровод 1 с возможностью отвода тепла, элемент Пельтье 2, теплопровод3, передающий тепловую энергию между пироэлектрическим кристаллом 4, и элементом Пельтье 2(Фиг. 1).

Схема отдельного модуля представлена на Фиг. 2. Пироэлектрический кристалл 4, например, ниобат лития (LiNbO₃) представляет собой цилиндр, высотой и диаметром около 10 мм. Он крепится к теплопроводу 3 с помощью электропроводящего клея. Теплопровод 3 между пироэлектрическим кристаллом 4 и элементом Пельтье 2 представляет собой пластину, например, из меди или дюралюминия толщиной до 1.5 - 2 мм, с площадью поверхности большей, чем площадь поверхности элемента Пельтье. Теплопровод 3 должен быть обязательно заземлен через припаянный провод. Кронштейн-теплопровод 1 выполнен также из меди или алюминия, его геометрия зависит от конструкции устройства, в котором оно будет применяться. Элемент Пельтье 2 соединен с кронштейном-теплопроводом 1 с помощью теплопроводящего клея.

Работает устройство в условиях вакуума при давлении остаточного газа 10^-5 Торр и ниже. Для поворота пучка в необходимом направлении, на элементы Пельтье 2, входящие в состав пары модулей, подается питание. Благодаря эффекту Пельтье, температура кристаллов изменяется. При этом, из-за пироэлектрического эффекта, на поверхностях пироэлектрических кристаллов 4, образуются противоположные по знаку заряды, и при этом, например, на поверхности пироэлектрическогокристалла, в сторону которого будет притягиваться пучок, должен образовываться заряд противоположной полярности к заряду пучка. Знак заряда, образующегося на пироэлектрических кристаллах 4 и полярность питания элемента Пельтье 2 должны быть согласованы, например, прямая полярность - образование положительного заряда, обратная полярность - образование отрицательного заряда на одном из пироэлектрическихкристаллов 4. Для изменения направления поворота пучка на противоположное, достаточно изменить полярность питания элементов Пельтье на противоположное. Тепло, выделяющееся с противоположной стороны к теплопроводу 3 и пироэлектрическому кристаллу 4, нагревающейся стороны элемента Пельтье 2, поглощается кронштейном-теплопроводом 1.Изменение температуры пироэлектрического кристалла осуществляется соответствующим элементом Пельтье.

Примеры конкретного использования.

Для поворота пучка электронов с энергией 10 кэВ и током 100 пА на 10° достаточно изменения температуры пироэлектрических кристаллов 4 на 0.25°С. При этом в условиях пониженного давления или вакуума на поверхностях пироэлектрических кристаллов 4 образуется положительный или отрицательный заряд (в зависимости от фазы изменения температуры и направления вектора поляризации пироэлектрического кристалла). С помощью поля, образующегося при появлении зарядов, можно управлять пучком заряженных частиц самых разных энергий и токов. При мощности, подаваемой на элементы Пельтье 2 около 300 мВт, обеспечивается изменение температуры пироэлектрических кристаллов 4 со скоростью 0.02 ℃/сек.Пучок заряженных частиц, проходя в пространстве между пироэлектрическими кристаллами 4, отклоняется поперечным электрическим полем со средней скоростью поворота пучка 0.9°/сек. Скорость изменения температуры кристалла должна быть одинакова в обоих модулях. Изменяя полярность питания элементов Пельтье2 мы меняем направление поля на противоположное и пучок будет смещаться в противоположную сторону с той же скоростью.При работе элемента Пельтье, тепло подводится к нему и отводится от него через кронштейн-теплопровод 1 и теплопровод 3.

Для поворота пучка c энергией 30 кэВ и током 100 пА на 10° достаточно изменения температуры пироэлектрических кристаллов на 1.5°С, что обеспечивается мощностью 400 мВт на элементах Пельтье, со скоростью изменения температуры 0.03 ℃/сек. Средняя скорость поворота пучка - 0.275°/сек. Мощность 600 мВт обеспечивает среднюю скорость поворота пучка - 0.4°/сек.

Предлагаемое устройство может использоваться, например, в сканирующих устройствах с применением пучков заряженных частиц, таких как α- или β-дефектоскопы, где благодаря такому простому, эффективному и малозатратному способу поворота пучка, можно осуществлять сканирование объекта большой площади без потери качества получаемого изображении. Также устройство может применяться в линейных медицинских ускорителях протонов, ионов для смены позиции облучаемого участка без применения, так называемогогентри, сложного устройства, применяемого в настоящее время. Другой пример удачного применения пироэлектрического дефлектора - ионная имплантация, широко применяемая для производства полупроводниковых приборов. Используя это устройство, можно добиться качественного распределения имплантированных ионов в образце, варьируя скорость и направление поворота пучка с помощью элементов Пельтье. Другой перспективный пример применения, для электронных пучков - электронно-лучевая сварка, пироэлектрический дефлектор позволяет тратить минимум энергии на перемещение пучка, без потери его интенсивности и тока, что очень важно при подобном применении. Пироэлектрический дефлектор может успешно применяться в других ускорительных устройствах, применяемых, например, для стерилизации продуктов, материалов, очистки сточных вод и т.д., способствуя при этом, повышению качества и эффективности исполняемой функции.

Применение предлагаемого устройства позволит существенно уменьшить объем систем управления пучка, так как необходимый характерный размер самого устройства составляет около 10 см.

Claims (1)

1. Пироэлектрический дефлектор пучка заряженных частиц, содержащий модуль с кронштейном-теплопроводом, двумя пироэлектрическими кристаллами, элементом Пельтье, отличающийся тем, что устройство состоит из двух модулей, расположенных друг напротив друга на расстоянии, определяемом поперечным размером управляемого пучка, каждый из модулей содержит один пироэлектрический кристалл, соединенный с элементом Пельтье, дополнительно встроенным теплопроводом, выполненным в виде пластины.

   

Images