RU161857U1

RU161857U1 - BEAM DISTRIBUTION SENSOR

Info

Publication number: RU161857U1
Application number: RU2015139411/28U
Authority: RU
Inventors: Фархат Фагимович Валиев; Никодим Александрович Макаров; Олег Иванович Столяров; Григорий Александрович Феофилов
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2016-05-10

Abstract

Датчик распределения ионизирующих частиц в пучке, расположенный в корпусе и содержащий систему регистрации распределения ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка с ускоряющим электродом, микроканальными пластинами и печатной платой с линией задержки, отличающийся тем, что в датчик вдоль направления пучка ионизирующих частиц и ортогонально системе регистрации дополнительно введена такая же система регистрации, линии задержки на печатных платах имеют форму меандра, а корпус имеет окна для прохождения пучка и выводы сигналов с линий задержки.A distribution sensor of ionizing particles in the beam, located in the housing and containing a registration system for the distribution of ionizing particles in the beam cross section with an accelerating electrode, microchannel plates and a printed circuit board with a delay line, characterized in that the sensor along the direction of the beam of ionizing particles and orthogonal to the registration system additionally the same registration system was introduced, the delay lines on the printed circuit boards are in the form of a meander, and the case has windows for the passage of the beam and signal outputs from delay.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области ядерной физики, а именно, к ускорительной технике, и позволяет измерять распределение ионизирующих частиц в поперечном сечении импульсных пучков.The proposed utility model relates to the field of nuclear physics, namely, to accelerator technology, and allows one to measure the distribution of ionizing particles in the cross section of pulsed beams.

Известно устройство для неразрушающего измерения распределения плотности тока по поперечному сечению импульсных пучков заряженных частиц [1]. Оно имеет набор коллекторов в виде проводящих пластин, подключенных к регистрирующему устройству, и расположенных радиально по отношению к пучку. Радиальные размеры пластин различаются. Пластина минимального размера только касается пучка, максимального размера входит в пучок на половину его диаметра. Сигналы от наведенного пучком тока обрабатываются в регистрирующем устройстве для получения информации о радиальном распределении тока пучка. Однако, известное устройство имеет недостаток, связанный с невозможностью получить полную информацию о распределении ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка за счет того, что остается неизвестным азимутальное распределение тока пучка и воздействие на пучок введенных в него коллекторов.A device for non-destructive measurement of the distribution of current density over the cross section of pulsed beams of charged particles [1]. It has a set of collectors in the form of conductive plates connected to a recording device and arranged radially with respect to the beam. The radial dimensions of the plates vary. A plate of minimum size only touches the beam; the maximum size enters the beam by half its diameter. The signals from the current induced by the beam are processed in a recording device to obtain information about the radial distribution of the beam current. However, the known device has the disadvantage associated with the inability to obtain complete information about the distribution of ionizing particles in the beam cross section due to the fact that the azimuthal distribution of the beam current and the effect of the collectors introduced into the beam remain unknown.

Известен датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц [2], в котором использованы извлекающий конденсатор в виде пластин, размещенных по обеим сторонам пучка, анализирующий конденсатор, двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с усилителем на микроканальных пластинах (МКП), регистрирующее устройство, выполненное в виде телевизионной камеры. Извлекающая пластина (пластина, к которой движутся ионы остаточного газа) имеет щель, ортогональную направлению пучка. Вдоль щели отсчитывается первая координата распределения плотности пучка. Ионы, прошедшие эту щель, попадают в поле анализирующего конденсатора. Под действием этого поля они направляются на входную поверхность микроканальной пластины усилителя, имея распределение по второй ортогональной координате, повторяющее распределение в пучке. Выходной экран ЭОПа выполнен в виде четырех взаимно изолированных квадрантов. По сигналам с этих квадрантов определяют отклонение пучка от оптимального положения. Однако известный датчик имеет сложную конструкцию, трудоемкий в эксплуатации и имеет недостаточно высокую чувствительность к распределению плотности пучка вдоль второй координаты за счет наличия в его конструкции узкой щели.A known sensor of the transverse distribution of the density of the beam of accelerated particles [2], which uses an extracting capacitor in the form of plates placed on both sides of the beam, an analyzing capacitor, a two-coordinate position-sensitive detector in the form of an electron-optical converter (EOP) with an amplifier on microchannel plates ( MCP), a recording device made in the form of a television camera. The extraction plate (the plate to which the ions of the residual gas move) has a gap orthogonal to the beam direction. Along the slit, the first coordinate of the beam density distribution is counted. Ions passing this gap fall into the field of the analyzing capacitor. Under the influence of this field, they are directed to the input surface of the microchannel plate of the amplifier, having a distribution along the second orthogonal coordinate that repeats the distribution in the beam. The output screen of the image intensifier tube is made in the form of four mutually isolated quadrants. The signals from these quadrants determine the deviation of the beam from the optimal position. However, the known sensor has a complex structure, time-consuming to operate and has a low sensitivity to the distribution of the beam density along the second coordinate due to the presence of a narrow gap in its design.

Известно устройство для бесконтактной (неразрушающей) диагностики профиля пучка заряженных частиц, использующее ионы остаточного газа [3]. Устройство имеет 2 плоских параллельных электрода, один из которых выполнен в виде сетки, прозрачной для ионов, две пластины МКП и печатную плату с 32-мя ламелями в виде параллельных проводящих полосок, соединенных с блоком обработки сигналов с ламелей. Контролируемый поток заряженных частиц находится между электродами и ионизирует остаточный газ. Под действием поля между электродами ионы направляются к МКП. Сигнал распределения зарядов вдоль одной координаты поперечного сечения пучка снимается с ламелей печатной платы. Однако, это устройство имеет недостатки, связанные с получением не полной информации о распределении ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка только вдоль одной координаты и со сложностью обработки информации с большого количества ламелей в блоке обработки сигналов.A device for non-contact (non-destructive) diagnostics of the profile of a beam of charged particles using residual gas ions [3]. The device has 2 flat parallel electrodes, one of which is made in the form of a grid transparent for ions, two MCP plates and a printed circuit board with 32 lamellas in the form of parallel conductive strips connected to the signal processing unit from the lamellas. A controlled flow of charged particles is between the electrodes and ionizes the residual gas. Under the action of the field between the electrodes, the ions are directed to the MCP. The charge distribution signal along one coordinate of the beam cross section is removed from the lamellas of the printed circuit board. However, this device has drawbacks associated with obtaining incomplete information about the distribution of ionizing particles in the beam cross section along only one coordinate and with the complexity of processing information from a large number of lamellas in the signal processing unit.

Известно устройство для диагностики пучков [4], наиболее близкое по технической сущности к заявленной полезной модели и выбранное в качестве прототипа. Оно представляет собой систему регистрации профиля пучка вдоль одной координаты, включающую ускоряющий электрод, микроканальные пластины и печатную плату с линией задержки. Поверхность ближайшей к пучку МКП и ускоряющий электрод образуют извлекающий конденсатор. Обработка сигналов с линии задержки в этом устройстве более простая, так как съем сигналов производится не с большого количества ламелей, а только с двух выходов линии задержки.A device for diagnosing beams [4], the closest in technical essence to the claimed utility model and selected as a prototype. It is a system for registering a beam profile along one coordinate, including an accelerating electrode, microchannel plates, and a printed circuit board with a delay line. The surface of the MCP closest to the beam and the accelerating electrode form an extracting capacitor. The processing of signals from the delay line in this device is simpler, since the signals are not taken from a large number of slats, but only from two outputs of the delay line.

Недостатком этого устройства является не достаточно полная информация о профиле пучка, так как извлекающий конденсатор позволяет получить распределение извлекаемых ионов только вдоль одной координаты.The disadvantage of this device is not enough complete information about the beam profile, since the extraction capacitor allows you to get the distribution of the extracted ions only along one coordinate.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предложенная полезная модель, является повышение объема информации о распределении ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка за счет получения этой информации вдоль двух ортогональных координат при упрощении обработки сигналов. Это достигается использованием еще одной системы регистрации профиля пучка и линий задержки, для которых обработка сигналов менее сложная по сравнению с обработкой информации с большого количества ламелей.The technical result aimed at achieving the proposed utility model is to increase the amount of information about the distribution of ionizing particles in the beam cross section by obtaining this information along two orthogonal coordinates while simplifying signal processing. This is achieved by using another system for registering the beam profile and delay lines, for which the signal processing is less complicated compared to the processing of information from a large number of slats.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее систему регистрации профиля пучка вдоль одной координаты, включающую ускоряющий электрод, микроканальные пластины, печатную плату с линией задержки, согласно заявленной полезной модели, дополнительно введена расположенная ортогонально вдоль направления пучка такая же система регистрации, линии задержки на печатных платах имеют форму меандра а корпус имеет окна для прохождения пучка и выводы сигналов с линий задержкиThe specified technical result is achieved by the fact that in the known device containing a beam profile registration system along one coordinate, including an accelerating electrode, microchannel plates, a printed circuit board with a delay line, according to the claimed utility model, an additional registration system located orthogonally along the beam direction is additionally introduced, the delay lines on the printed circuit boards are in the form of a meander and the housing has windows for the passage of the beam and the output signals from the delay lines

Общими признаками с прототипом являются ускоряющий электрод, микроканальные пластины, линия задержки.Common features with the prototype are an accelerating electrode, microchannel plates, a delay line.

Структурная схема заявленного датчика распределения ионизирующих частиц в пучке приведена на Фиг.The block diagram of the claimed sensor of the distribution of ionizing particles in the beam is shown in FIG.

Датчик имеет корпус 1, в котором ортогонально расположены ускоряющие электроды 2 и 6, микроканальные пластины 3, 4 и 7, 8, печатные платы с линиями задержки 4 и 9. Для сигналов с линий задержки имеются выводы через корпус 10, 11, 12, 13. Относительно контролируемого пучка ионизирующих частиц устройство располагается так, чтобы пучок находился в области между элементами 2, 3, 6, 7. Направление пучка считается ортогональным рисунку. Корпус имеет окна для прохождения пучка 14.The sensor has a housing 1, in which accelerating electrodes 2 and 6 are located orthogonally, microchannel plates 3, 4 and 7, 8, printed circuit boards with delay lines 4 and 9. For signals from the delay lines, there are outputs through the housing 10, 11, 12, 13 Regarding a controlled beam of ionizing particles, the device is positioned so that the beam is in the region between elements 2, 3, 6, 7. The direction of the beam is considered to be orthogonal to the pattern. The housing has windows for the passage of the beam 14.

Датчик распределения ионизирующих частиц работает следующим образом.The distribution sensor of ionizing particles works as follows.

Пучок ионизирующих частиц, проходя между ускоряющим электродом 2 и микроканальной пластиной 3 одной из систем регистрации ионизирует остаточный газ. Так как между ускоряющим электродом 2 и регистрирующей поверхностью микроканальной пластины 3 есть напряжение, то образовавшиеся ионы дрейфуют в электрическом поле к поверхности микроканальной пластины 3. В каналах пластин 3 и 4 от каждого иона за счет эффекта вторичной эмиссии происходит образование сгустка зарядов гораздо большей величины по сравнению с зарядом иона. Положение этого сгустка вдоль одной координаты определяется по сигналам с линии задержки на печатной плате 5. Аналогично работает другая (дополнительная) система регистрации, состоящая из ускоряющего электрода 6, микроканальных пластин 7 и 8 и печатной платы с линией задержки 9.A beam of ionizing particles passing between the accelerating electrode 2 and the microchannel plate 3 of one of the registration systems ionizes the residual gas. Since there is voltage between the accelerating electrode 2 and the recording surface of the microchannel plate 3, the formed ions drift in the electric field to the surface of the microchannel plate 3. In the channels of the plates 3 and 4 from each ion due to the secondary emission effect, a bunch of charges of a much larger magnitude compared to the charge of an ion. The position of this bunch along one coordinate is determined by the signals from the delay line on the circuit board 5. Another (additional) recording system consisting of an accelerating electrode 6, microchannel plates 7 and 8, and a circuit board with a delay line 9 works similarly.

Заявленный датчик распределения ионизирующих частиц в пучке позволяет проводить двумерную диагностику импульсных пучков заряженных частиц без дополнительного влияния на них.The claimed sensor of the distribution of ionizing particles in the beam allows two-dimensional diagnostics of pulsed beams of charged particles without additional influence on them.

Работа датчика была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и результаты апробации кратко описаны ниже.The operation of the sensor was tested in the laboratory conditions of St. Petersburg State University and the testing results are briefly described below.

Конкретный образец системы регистрации распределения ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка с ускоряющим электродом, микроканальными пластинами и печатной платой с линией задержки в форме меандра был испытан на вакуумном стенде с электронным оборудованием. В вакуумной камере установлен альфа источник узконаправленного ионизирующего излучения с возможностью его перемещения вдоль одной координаты, а также размещены ускоряющий электрод 2, микроканальные пластины 3 и 4, печатная плата с линией задержки в форме меандра 5. Напряжение на микроканальные пластины подается от высоковольтного источника питания. Сигналы с линий задержки из вакуумной камеры поступают через гермовыводы по кабелям в стандартную ядерно-физическую систему регистрации и обработки сигналов, реализованную в крейте КАМАК.A specific sample of the system for recording the distribution of ionizing particles in the cross section of a beam with an accelerating electrode, microchannel plates and a printed circuit board with a delay line in the shape of a meander was tested on a vacuum stand with electronic equipment. An alpha source of narrowly directed ionizing radiation is installed in the vacuum chamber with the possibility of moving along one coordinate, and an accelerating electrode 2, microchannel plates 3 and 4, a printed circuit board with a delay line in the form of a meander 5 are placed. Voltage is supplied to the microchannel plates from a high-voltage power source. The signals from the delay lines from the vacuum chamber are fed through the cable glands to the standard nuclear-physical signal recording and processing system implemented in the KAMAK crate.

Описанная установка позволяет определить изменение числа регистрируемых ионов при прохождении около микроканальных пластин альфа частиц в зависимости от координаты альфа источника. При изменении этой координаты имитируется пучок частиц с заданным профилем. Главная информация, которая важна при настройке ускорителей, - положение центра тяжести пучка. Это положение, определяемое по результатам измерений, с точностью до погрешностей измерения совпадает с заданным. Аналогичные измерения проведены при азимутальном развороте на 90 градусов ускоряющего электрода, микроканальных пластин и печатной платы. Результаты получены аналогичные.The described setup makes it possible to determine the change in the number of registered ions during passage of alpha particles near microchannel plates, depending on the coordinate of the alpha source. When this coordinate is changed, a particle beam with a given profile is simulated. The main information that is important when setting up accelerators is the position of the center of gravity of the beam. This position, determined by the measurement results, up to measurement errors coincides with the specified. Similar measurements were carried out with an azimuthal turn of 90 degrees of the accelerating electrode, microchannel plates and the printed circuit board. The results are similar.

Таким образом, полученные данные проверки работоспособности предложенного датчика показали возможность его использования для двумерной диагностики профиля пучка ионизирующих частиц, что существенно повышает объем получаемой информации.Thus, the obtained data for checking the operability of the proposed sensor showed the possibility of its use for two-dimensional diagnostics of the beam profile of ionizing particles, which significantly increases the amount of information received.

Литература.Literature.

1. Логачев Е.И., Ремнев Г.Е., Толопа A.M. Устройство для неразрушающего измерения распределения плотности тока по сечению импульсных пучеов заряженных частиц. Патент РФ №1021264, МПК G01T 1/29, 1994.1. Logachev E.I., Remnev G.E., Tolopa A.M. Device for non-destructive measurement of the distribution of current density over the cross section of pulsed charged particles. RF patent No. 1021264, IPC G01T 1/29, 1994.

2. Комиссаров П.Ю., Резвов В.А., Рощин А.А. и др. Датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц. Патент РФ №2033630, МПК G01T 1/29, 1995.2. Komissarov P.Yu., Rezvov V.A., Roshchin A.A. et al. Transverse particle density distribution of an accelerated particle beam. RF patent No. 2033630, IPC G01T 1/29, 1995.

3. А.А. Балдин, А.И. Берлев, И.В. Кудашкин и др. Детектор на основе микроканальных пластин для контроля пространственно-временных характеристик циркулирующего пучка нуклотрона. // Письма в ЭЧАЯ”, 2014, T. 11, N 2 (186), с. 209-2183. A.A. Baldin, A.I. Berlev, I.V. Kudashkin et al. Microchannel plate based detector for monitoring the spatio-temporal characteristics of a circulating Nuclotron beam. // Letters to the ECHAI ”, 2014, T. 11, N 2 (186), p. 209-218

4. Валиев Ф.Ф., Виноградов Л.И., Касаткин ВА. и др. Координатно-чувствительный детектор для диагностики пучков // Тезисы докладов 48-го международного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. 1998. Л: Наука, с. 306 (прототип).4. Valiev F. F., Vinogradov L. I., Kasatkin VA. et al. Coordinate-sensitive detector for beam diagnostics // Abstracts of the 48th international meeting on nuclear spectroscopy and atomic nucleus structure. 1998. L: Science, p. 306 (prototype).

Claims

A distribution sensor of ionizing particles in the beam, located in the housing and containing a registration system for the distribution of ionizing particles in the beam cross section with an accelerating electrode, microchannel plates and a printed circuit board with a delay line, characterized in that the sensor along the direction of the beam of ionizing particles and orthogonal to the registration system additionally the same registration system was introduced, the delay lines on the printed circuit boards are in the form of a meander, and the case has windows for the passage of the beam and signal outputs from delay.