RU2616930C2

RU2616930C2 - Beam monitor

Info

Publication number: RU2616930C2
Application number: RU2014116034A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Скворцов
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2017-04-18
Also published as: RU2014116034A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to accelerative engineering and can be used in nuclear physics and astrophysics. The beam monitor for measuring particles beam intensity and its spatial distribution is a set of signal and high voltage electrodes, disposed perpendicularly to the incident particles, wherein the signal electrodes with locking support columns are separated by gas gap about 100 microns at atmospheric pressure; the voltage is applied between the electrodes , under the influence of which the ionization electrons are collected at the signal electrode.

EFFECT: invention provides a significant increase in the range of variable beam intensities and self-calibration of the detector.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано в ядерной физике и астрофизике.The invention relates to accelerator technology and can be used in nuclear physics and astrophysics.

Известно устройство (С. Bromberg, S.R.W. Cooper and R.A. Lewis, A Scintillation counter hodoscope for 10 MHz beams, Nuclear Instruments and Methods 200 (1982) 245), который состоит из сцинтилляционных элементов в виде полосок или волокон. Каждый элемент имеет оптический контакт с фотодетектором, регистрирующим сигнал от прохождения через элемент заряженной частицы. Распределение числа отсчетов по элементам за цикл интенсивности ускорителя дает пространственное распределение пучка частиц, а суммарное число отсчетов соответствует полной интенсивности пучка. Конструкция такого устройства довольно сложная - поперечные размеры сцинтилляторов и фотодетекторов, как правило, сильно отличаются, что требует сложных оптических световодов. Кроме того, при стоимости фотодетекторов не менее $100 цена многоканальных годоскопов велика. Но основным недостатком таких детекторов являются просчеты при интенсивностях выше 10⁶ частиц/с на канал (наложение импульсов). Поэтому годоскопы используются при сравнительно небольших интенсивностях пучков.A device is known (C. Bromberg, SRW Cooper and RA Lewis, A Scintillation counter hodoscope for 10 MHz beams, Nuclear Instruments and Methods 200 (1982) 245), which consists of scintillation elements in the form of strips or fibers. Each element has optical contact with a photodetector that registers a signal from a charged particle passing through an element. The distribution of the number of samples among the elements per cycle of the accelerator intensity gives the spatial distribution of the particle beam, and the total number of samples corresponds to the total beam intensity. The design of such a device is quite complex - the transverse dimensions of scintillators and photodetectors, as a rule, are very different, which requires complex optical fibers. In addition, at the cost of photo detectors of at least $ 100, the price of multi-channel hodoscopes is high. But the main disadvantage of such detectors is miscalculations at intensities higher than 10 ⁶ particles / s per channel (imposition of pulses). Therefore, hodoscopes are used at relatively low beam intensities.

С другой стороны, имеется ионизационная камера (Д. Ритсон. Экспериментальные методы в физике высоких энергий. Издательство "Наука", 1964, с. 500) для измерения интенсивности пучков заряженных частиц, состоящая из двух электродов, между которыми находится газ, установленных перпендикулярно пучку падающих частиц. Между электродами подается напряжение, под влиянием которого электроны ионизации, образованные проходящим пучком, собираются на сигнальном электроде и регистрируются электронными схемами. Сигнальный электрод может быть сплошным (и тогда регистрируемый сигнал пропорционален интенсивности падающего пучка) или состоящим из проводящих полосок, ламелей (и тогда по распределению сигналов с полосок измеряется распределение интенсивности пучка в пространстве).On the other hand, there is an ionization chamber (D. Ritson. Experimental methods in high energy physics. Publishing House "Nauka", 1964, p. 500) for measuring the intensity of charged particle beams, consisting of two electrodes, between which there is a gas installed perpendicular to the beam falling particles. A voltage is applied between the electrodes, under the influence of which the ionization electrons formed by the transmitted beam are collected on the signal electrode and recorded by electronic circuits. The signal electrode can be solid (and then the recorded signal is proportional to the intensity of the incident beam) or consisting of conducting strips, lamellas (and then the distribution of the beam intensity in space is measured by the distribution of signals from the strips).

У таких устройств имеются следующие недостатки:Such devices have the following disadvantages:

1. при больших потоках частиц происходит насыщение тока ионизации, что приводит к нелинейной зависимости показаний монитора от интенсивности пучка;1. at high particle fluxes, the ionization current saturates, which leads to a nonlinear dependence of the monitor readings on the beam intensity;

2. ионизационные камеры являются относительными приборами и требуется отдельный детектор и отдельные измерения для калибровки мониторов.2. The ionization chambers are relative instruments and a separate detector and separate measurements are required to calibrate the monitors.

Задача, решаемая изобретением, - существенное увеличение диапазона изменяемых интенсивностей пучка и самокалибровка детектора.The problem solved by the invention is a significant increase in the range of variable beam intensities and the detector self-calibration.

На фиг.1 изображено заявляемое устройство. Оно включает ограничивающие газовый объем пластмассовые пленки 1, координатный сигнальный электрод 3, опорные колонки 4, высоковольтный электрод в виде металлической сетки 2, сплошной высоковольтный электрод 5 и сигнальный электрод 6. Детектор наполняется газом (неон, аргон, гелий и т.д.) при атмосферном давлении. Между сигнальным электродом 3 и электродом 2 и между сигнальным электродом 6 и высоковольтным электродом 5, разделенными зазором около 100 мкм, подается напряжение порядка 50 кВ/см. Зазор фиксируется опорными колонками диаметром около 200 мкм и расстоянием между колонками 2 мм. Между высоковольтным электродом 5 и сеткой 2, разделенными зазором около 5 мм, разность напряжения порядка 1 кВ/см. Сигнальный электрод 3 представляет изолятор, на который нанесены проводящие полоски шириной около 1 мм и шагом 0,1 мм (определяется требуемой точностью измерения пространственного распределения пучка), сигнальный электрод 6 - сплошной металлический проводник. Опорные колонки изготавливаются стандартным литографическим методом из паяльной маски.Figure 1 shows the inventive device. It includes gas-limiting plastic films 1, a coordinate signal electrode 3, support columns 4, a high-voltage electrode in the form of a metal grid 2, a solid high-voltage electrode 5 and a signal electrode 6. The detector is filled with gas (neon, argon, helium, etc.) at atmospheric pressure. A voltage of about 50 kV / cm is applied between the signal electrode 3 and the electrode 2 and between the signal electrode 6 and the high voltage electrode 5, separated by a gap of about 100 μm. The gap is fixed by supporting columns with a diameter of about 200 μm and a distance between columns of 2 mm. Between the high-voltage electrode 5 and the grid 2, separated by a gap of about 5 mm, the voltage difference is of the order of 1 kV / cm. The signal electrode 3 is an insulator on which conductive strips are applied with a width of about 1 mm and a pitch of 0.1 mm (determined by the required accuracy of measuring the spatial distribution of the beam), and the signal electrode 6 is a solid metal conductor. The support columns are made using the standard lithographic method from a solder mask.

Монитор работает следующим образом. Заряженная частица пучка, проходящая через камеру в направлении, показанном на фиг.1 стрелкой, создает в зазоре между сеткой и высоковольтным электродом электроны ионизации, которые под действием приложенного напряжения дрейфуют к сетке, проходят сетку, и в поле между сеткой и сигнальным электродом происходит ударная ионизация, приводящая к усилению порядка 10⁴-10⁵ (зависит от состава газа и напряжения). Проходя через высоковольтный электрод 5, частица выбивает из металла электроны вторичной эмиссии малой энергии (~эВ). Они попадают в газовый объем, где в сильном электрическом поле усиливаются в 10⁴-10⁵. Вероятность высокоэнергетичной частицы произвести в этом зазоре ионизацию мала и, кроме того, равномерно распределена по длине зазора, что делает сигнал от этой частицы пренебрежимо малым по сравнению с электроном вторичной эмиссии. Таким образом с сигнального электрода 3 с каждой полоски регистрируется число сигналов за цикл интенсивности ускорителя и измеряется по распределению числа отсчетов профиль пучка и по суммарному числу отсчетов - интенсивность пучка. Одновременно измеряется заряд с электрода 6. При интенсивности пучка 10⁴-10⁷ частиц/с просчетами с электрода 3 можно пренебречь и соотношение между числом отсчетов с этого электрода и величиной заряда с электрода 6 является абсолютной калибровкой монитора. При интенсивности пучка выше 10⁷ частиц/с просчетами нельзя пренебречь. Поэтому напряжение между сигнальным электродом 3 и сеткой уменьшается, чтобы просчеты не исказили форму профиля пучка, а с сигнального электрода 6 величина заряда продолжает быть пропорциональной интенсивности пучка, поскольку при измерении заряда наложений и просчетов нет.The monitor operates as follows. A charged beam particle passing through the chamber in the direction shown by the arrow in Fig. 1 creates ionization electrons in the gap between the grid and the high-voltage electrode, which drift to the grid under the influence of the applied voltage, pass the grid, and an shock occurs in the field between the grid and the signal electrode ionization, leading to an amplification of the order of 10 ⁴ -10 ⁵ (depends on the composition of the gas and voltage). Passing through the high-voltage electrode 5, the particle knocks low-energy secondary emission electrons (~ eV) from the metal. They fall into the gas volume, where in a strong electric field amplify in 10 ⁴ -10 ⁵ . The probability of a high-energy particle to produce ionization in this gap is small and, in addition, is evenly distributed along the length of the gap, which makes the signal from this particle negligible compared to the secondary emission electron. Thus, from the signal electrode 3 from each strip, the number of signals per accelerator intensity cycle is recorded and the beam profile is measured by the distribution of the number of samples and the beam intensity by the total number of samples. At the same time, the charge from electrode 6 is measured. At a beam intensity of 10 ⁴ -10 ⁷ particles / with miscalculations from electrode 3, the ratio between the number of readings from this electrode and the amount of charge from electrode 6 is the absolute calibration of the monitor. At a beam intensity above 10 ⁷ particles / with miscalculations, one cannot neglect. Therefore, the voltage between the signal electrode 3 and the grid is reduced so that the miscalculations do not distort the shape of the beam profile, and from the signal electrode 6 the charge continues to be proportional to the beam intensity, since there are no overlaps and miscalculations in the measurement of charge.

Преимущества этого метода:Advantages of this method:

- линейность детектора в широком диапазоне интенсивностей;- linearity of the detector in a wide range of intensities;

- для абсолютной калибровки монитора не требуется привлечения дополнительных детекторов;- for absolute calibration of the monitor does not require the involvement of additional detectors;

- одновременное измерение абсолютной интенсивности пучка и его пространственного распределения.- simultaneous measurement of the absolute intensity of the beam and its spatial distribution.

Claims

A beam monitor for measuring the intensity of a particle beam and its spatial distribution, representing a set of signal and high-voltage electrodes located perpendicular to the incident particles, characterized in that the signal electrodes with fixing support columns are separated by a gas gap of about 100 μm at atmospheric pressure; voltage is applied between the electrodes, under the influence of which ionization electrons are collected on the signal electrode.