Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 9, стр. 32-36

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных частей ускорительных комплексов является система диагностики, предназначенная для определения пространственных и временных характеристик пучков частиц. В настоящее время известно множество способов диагностики пучков, основанных на использовании разных физических явлений [1–4]. Например, для определения положения, размеров, формы и поперечных профилей пучков ионизирующих излучений могут применяться люминофорные экраны [5, 6], а также экраны на основе переходного [7, 8] и параметрического рентгеновского [9, 10] излучений, несущих информацию также о расходимости пучков заряженных частиц. Для предотвращения разрушающего воздействия на диагностируемые пучки твердотельные экраны могут быть заменены на газовые завесы (струи) [11–13]. В некоторых ускорительных комплексах высоких энергий неразрушающий мониторинг пространственных параметров пучка осуществляют с помощью синхротронного [14–16] или ондуляторного [17, 18] видов излучения.

В качестве универсального средства диагностики поперечных размеров и формы пучков низких и высоких энергий, отличающегося простой конструкцией и низкой стоимостью, широкое распространение получили проволочные сканеры, которые могут быть выполнены в виде статичных проволочных сеток [19] или включать в конструкцию подвижные проволочки [20–22]. При работе таких сканеров регистрируют интенсивность тормозного излучения или ток вторичной эмиссии, образующихся при взаимодействии частиц пучка с проволочками. Для минимизации деструктивного воздействия на пучки высоких энергий вместо классического проволочного сканера возможно использовать его лазерный аналог [23, 24].

В настоящей работе приводится конструкция проволочного сканера, предназначенного для определения пространственных характеристик (положения, поперечных размеров и профилей, расходимости, эмиттанса) пучков релятивистских и нерелятивистских заряженных частиц, а также пучков фотонов. Для получения поперечных профилей предлагается измерять зависимость интенсивности характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) от расстояния между осью пучка и сканирующим элементом, представляющим собой тонкую проволочку. Для регистрации спектров ХРИ используется энергодисперсионный детектор, позволяющий разделить сигналы от разных сканирующих элементов по энергии излучения.

КОНСТРУКЦИЯ

Устройство и внешний вид предлагаемого проволочного сканера, представленного на рис. 1, является результатом продолжения работ [25–27], посвященных системам диагностики пучков частиц. Сканер содержит четыре сканирующих элемента, выполненных в виде проволочек диаметром около 0.1 мм, изогнутых в форме буквы “Г”. Проволочки изготовлены из разных материалов (титана, меди, молибдена и вольфрама) и закреплены в вилкообразные алюминиевые держатели, плоскости которых посредством двух направляющих всегда ориентированы перпендикулярно предполагаемой оси пучка. Для регистрации ХРИ, образующегося в проволочках под воздействием быстрых частиц, используется полупроводниковый энергодисперсионный кремниевый детектор Amptek XR100SDD, позволяющий измерять рентгеновские спектры с эффективностью, близкой к 100% в диапазоне энергии 2–10 кэВ. Поскольку ХРИ распространяется изотропно, детектор может быть установлен под любым углом к оси пучка, обеспечивающим наблюдение всех сканирующих элементов в процессе работы. Одновременное перемещение всех сканирующих элементов в перпендикулярном оси пучка направлении осуществляется при помощи моторизованного транслятора Standa 8MT175 с минимальным шагом около 2.5 мкм. Расстояние между сканирующими элементами, отсчитываемое вдоль оси пучка, зависит от угла между осью пучка и направляющими, который может изменяться посредством предусмотренного в конструкции вспомогательного моторизованного привода.

Рис. 1.

Внешний вид проволочного сканера.

В процессе сканирования держатели двигаются перпендикулярно пучку, каждая проволочка пересекает пучок дважды (рис. 2). Благодаря форме проволочек, традиционно используемой в подобных устройствах [28, 29], пересечение пучка происходит в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет измерить сразу два поперечных профиля.

Рис. 2.

Схема измерения поперечных профилей пучка частиц.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Взаимодействие частиц пучка с проволочками сопровождается образованием ХРИ, интенсивность которого пропорциональна плотности потока частиц пучка, а спектр содержит узкие пики, или линии, энергия которых определяется строением атомов проволочки. На рис. 3 представлены спектры ХРИ материалов, используемых для изготовления проволочек. Из рисунка видно, что, измерив энергию пика в спектре, можно однозначно определить, какой проволочке этот пик соответствует.

Рис. 3.

Спектры характеристического рентгеновского излучения, регистрируемые во время работы сканера.

Для получения информации о поперечных профилях пучка частиц в месте расположения конкретной проволочки необходимо измерить зависимость интенсивности соответствующей линии ХРИ от величины смещения сканера в целом. В общем случае такая зависимость (рис. 4) будет иметь два пика, формы которых соответствуют вертикальному и горизонтальному профилям пучка и содержат информацию о его размерах σ_x и σ_y, а положения пиков l_x и l_y позволяют вычислить координаты пучка: x = l_x/2^1/2 + x₀, y = = l_y/2^1/2 + y₀ (где x₀ и y₀ – константы, определяемые при калибровке сканера).

Рис. 4.

Пример измеренных поперечных профилей.

На основе поперечных профилей, измеренных в местах расположения проволочек, можно определить, как зависят поперечные размеры пучка от координаты вдоль оси z: (σ_i)² = A_i(z – z₀)² + (σ_{i, min})², где σ_{i, min} – минимальные размеры пучка, A_i и z₀ – параметры фитирования, i = x, y (рис. 5). Исходя из результатов фитирования можно оценить соответствующие значения эмиттанса ε_i = σ_{i, min}(A_i)^1/2 и расходимости θ_i = 2 arctg(ε_i/σ_{i, min}).

Рис. 5.

Пространственные характеристики пучка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проволочный сканер описанной конструкции использовался на экспериментальной установке НИУ “БелГУ” для определения пространственных характеристик пучков электронов с энергией от 10 до 50 кэВ, током около 1 мкА и размером около 1 мм. Нужно отметить, что с ростом энергии заряженных частиц сечение ионизации атомных оболочек [30] существенно не меняется, что делает возможным применение разработанного сканера в том числе для диагностики пучков ультрарелятивистских частиц как при атмосферном давлении, так и в условиях глубокого вакуума.