Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 5-10

ВВЕДЕНИЕ

Мониторы профиля ускоренных частиц, основанные на сборе продуктов ионизации остаточного газа проходящим пучком, создавались еще в 60-х годах прошлого века [1, 2]. В литературе они сокращенно называются ионизационными мониторами профиля (и.м.п.). Использование таких приборов относится к неинвазивным методам диагностики. Широкое распространение метод получил после того, как для усиления тока собираемых продуктов ионизации были использованы микроканальные пластины (м.к.п.). С применением м.к.п. стало возможным создать столь быстрые и чувствительные приборы, что с их помощью можно наблюдать изменения профилей каждого из последовательных банчей пучка при ускорении частиц на синхротронах. Поэтому наибольшего применения и.м.п. находят в создании систем контроля для оптимальной настройки процесса ускорения в синхротронах [3–5] или линейных ускорителях [6]. Вместе с созданием новых ускорителей происходит и усовершенствование и.м.п. путем устранения выявляемых в процессе эксплуатации недостатков. В работах, например [7], отмечается, что и.м.п. страдают от эффекта старения м.к.п., усиление не является стабильным и уменьшается с течением времени, причем скорость старения растет с увеличением загрузки и подаваемого на м.к.п. напряжения. Деградация неоднородна, наибольшему старению подвергается та часть м.к.п., на которую попадают продукты ионизации из наиболее интенсивной области пучка. Для отслеживания процесса деградации устанавливаются специальные устройства, и время от времени с их помощью проводится калибровка. Далее программным путем проводят коррекцию измеренного профиля пучка на эффект деградации. В работе [8] для замедления старения перед м.к.п. ставят управляющую сетку, которая периодически перекрывает поток продуктов ионизации, за счет чего уменьшается загрузка и, следовательно, увеличивается время службы.

Условия для работы и.м.п. в каналах транспортировки пучка более мягкие. Во-первых, вакуум в каналах не столь высок, как в ускорителях, следовательно, число продуктов ионизации, образуемых при прохождении пучка, пропорционально больше, а значит, и генерируется больший сигнал. Во-вторых, время измерения профиля обычно ограничено только скоростью реакции оператора при наблюдении за изменениями пучка [8]. Зачастую в каналах могут создаться условия, при которых даже нет необходимости использовать м.к.п. В этом случае эксплуатация и.м.п. существенно упрощается, и ресурс может считаться бесконечным. Но в некоторых случаях есть необходимость использовать м.к.п., следовательно, возникают и связанные с ними проблемы. К сожалению, несмотря на более легкие условия при работе в каналах транспортировки принципиальное исполнение и.м.п. с использованием м.к.п. остается таким же традиционным [9], с теми же проблемами и столь же дорогим.

В каналах транспортировки в и.м.п. также используют м.к.п. больших размеров, чтобы охватить контролем большую область. Для измерения профиля пучка используют два метода. Один из них состоит в том, что электроны с выхода м.к.п. собирают на коллектор, разбитый на большое количество стрипов. С каждого стрипа снимают сигнал либо с помощью многоканальной электроники, либо пользуясь какими-либо коммутаторами в случае сигналов большой амплитуды. В другом методе электроны с выхода м.к.п. ускоряют в электрическом поле и направляют на люминофор. Полученное изображение наблюдают с помощью радиационно-стойких многопиксельных камер, которые весьма недешевы и тоже подвержены деградации при работе в жестких условиях радиации, особенно в нейтронных полях.

Остается традиционным, что в случае измерения распределения одновременно по двум ортогональным координатам используют два одномерных и.м.п., разделенных некоторым промежутком для исключения взаимного влияния электрических полей. Это требует значительного места в линии транспортировки для установки и.м.п.

Имеется еще одна проблема, которая не отмечена в литературе. Она заключается в том, что в мониторах в обычном исполнении м.к.п. расположена близко к траектории исследуемого пучка и подвергается, особенно в период настройки, воздействию гало рассеянных частиц, которое для нее очень пагубно. Близко располагая м.к.п., удается достигнуть максимального пространственного и временного разрешения. Но далеко не всегда это требуется в каналах транспортировки, где пучки имеют размеры около 1 см. Например, в работах [10, 11] достигнуто пространственное разрешение 1 мм, когда продукты ионизации попадают на защищенные от гало пучка м.к.п. уже после прохождения анализирующего конденсатора, предлагаемого авторами в качестве дополнительного элемента в и.м.п. Было предложено использовать свойство собираемых в электрическом поле продуктов ионизации, заключающееся в том, что в процессе движения они приобретают энергию, пропорциональную пройденному пути, т.е. координате. Продукты ионизации, в частности ионы, пропускают в анализирующий конденсатор через протяженную, перпендикулярную оси пучка щель шириной 1 мм, и они попадают на м.к.п. уже после разделения по набранным энергиям, а следовательно, и по ортогональной координате. Таким образом, достигается получение двумерного изображения профиля пучка с помощью одного и.м.п. Недостатком такого метода является более низкая чувствительность, так как для достижения хорошего разрешения сбор продуктов ионизации осуществляется с пути пучка, равного ширине щели, т.е. протяженностью 1 мм, в то время как в традиционных и.м.п. этот путь достигает 50 мм. И так же остается проблема неоднородной деградации м.к.п.

В работе [12] при создании и.м.п. использована идея применения анализирующего конденсатора [10]. Для повышения чувствительности с сохранением разрешения в него направляются продукты ионизации с пути пучка протяженностью до 50 мм, а затем часть из них собирается на коллектор через такой же протяженности щель шириной 1 мм, но уже ориентированную параллельно оси пучка. Для получения двумерного изображения профиля проводится сканирование, при котором в щель последовательно попадают продукты ионизации из различных областей канала транспортировки пучка. Это устройство и было выбрано в качестве прототипа для создания и.м.п. высокой чувствительности и невысокой стоимости, пригодного для работы в каналах транспортировки пучка.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЯ СКАНИРУЮЩЕГО ДВУХМЕРНОГО ИОНИЗАЦИОННОГО МОНИТОРА ПРОФИЛЯ ПУЧКА

Ионизационный монитор состоит из трех основных частей: экстрактора, сканера и анализатора (рис. 1). Каждая из частей работает как пара параллельных проводящих пластин, между которыми существует однородное электрическое поле. Исследуемый пучок проходит через пространство между электродами экстрактора. В результате взаимодействия частиц пучка и молекул остаточного газа последние ионизируются. Продукты ионизации ускоряются в направлении электрического поля и приобретают энергию, пропорциональную пройденному расстоянию. Ускоренные положительные ионы проходят через сетчатый электрод экстрактора и попадают в сканер. В сканере все ионы приобретают дополнительную одинаковую энергию. Ионы покидают сканер через другой сеточный электрод и достигают анализатора, где электроды развернуты на угол α по отношению к электродам сканера. В постоянном электрическом поле анализатора ионы отклоняются, и часть из них проходит через узкую выходную щель. Условие баланса энергии для ионов, прошедших выходную щель анализатора, можно записать в виде линейного уравнения относительно координат:

где Е₁ и Е₂ – напряженности электрического поля между пластинами экстрактора и анализатора; U – разность потенциалов между электродами сканера; α – угол, на который электроды анализатора развернуты по отношению к электродам сканера; (π – α) – угол между векторами электрического поля E₁ и E₂; x и y – координаты места образования электронно-ионной пары на плоскости, перпендикулярной оси пучка.

Среди всех ионов, образующихся в экстракторе, в выходную щель попадают только те, которые возникают в тонком плоском слое, ширина которого зависит от ширины щели. Расположение этой области в экстракторе можно менять, сканируя значение разности потенциалов U. Если напряженности электрического поля между пластинами экстрактора и анализатора постоянны, то ширина слоя и его наклон в плоскости (x, y) остаются неизменными при любом значении U.

Дополнительный вывод, вытекающий из анализа линейного уравнения (1), состоит в том, что распределение пучка может быть измерено одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для этого необходимо определить знак коэффициента перед переменной х в уравнении (1) и, в простейшем случае, преобразовать (1) к виду E₂ = E₁2sin2αcosα. Это условие выполняется, если угол α = 45°. С конструктивной точки зрения это означает, что монитор, оснащенный одним общим экстрактором и сканером, может иметь два анализатора, расположенных последовательно по траектории пучка. Для того чтобы изменить знак переменной х, второй анализатор должен быть повернут на 180° относительно первого, так что его выходная щель окажется на противоположной стороне. Таким образом, с помощью одного и.м.п. можно одновременно измерять двухмерный профиль пучка и сэкономить место для размещения детекторов в линии транспортировки.

МОДЕРНИЗАЦИЯ ИОНИЗАЦИОННОГО МОНИТОРА ПРОФИЛЯ ПУЧКА

Для того чтобы существенно повысить чувствительность и.м.п., между щелью и коллектором размещается усилитель тока из узкой и длинной м.к.п. или в зависимости от требований усиления в виде шеврона из двух м.к.п. Можно также использовать узкий вторично-электронный умножитель. Естественно, что при этом полярность тока с коллектора окажется отрицательной. При работе с м.к.п. на катод собираются электроны, а в прототипе – ионы. Один узкий коллектор гораздо легче экранировать от наводок, чем широкий, состоящий из узких стрипов, используемый в традиционных мониторах. При экранировании узкого коллектора достаточно легко обеспечить уровень шума ниже 1 пА, что позволяет достичь необходимой чувствительности при меньшем напряжении на м.к.п. и уменьшить эффект старения. Необходимо отметить, что для достижения почти 100% эффективности регистрации продуктов ионизации, имеющих разную энергию, отрицательное напряжение на входной плоскости м.к.п. должно быть больше 1.9 кВ [13].

При режиме сканирования на вход м.к.п. периодически попадает как высокоинтенсивный поток продуктов ионизации из области прохождения пучка, так и слабый из областей периферии, таким образом, исчезает проблема неоднородной деградации м.к.п. и существенно увеличивается время старения. Для отслеживания деградации м.к.п. достаточно при одном и том же уровне вакуума периодически вводить в пучок цилиндр Фарадея и сравнивать его показания с интегральным по профилю значением показаний и.м.п. Потерю усиления при старении м.к.п. легко компенсировать увеличением напряжения.

Имеющиеся в ЛЯР ОИЯИ ускорители оборудованы линиями транспортировки пучка с внутренними диаметрами канала: 100 и 70 мм. Первые на своем протяжении оснащены блоками диагностики для размещения оборудования через отверстия ДУ-160, вторые – через ДУ-100. Соответственно разработаны конструкции и изготовлено необходимое количество и.м.п. двух размеров. Обе конструкции разработаны таким образом, что в каждой имеется по две сборки м.к.п. с коллектором, закрепленные на двух винтах, которые могут быть быстро заменены в случае достижения недопустимой деградации. На рис. 2 показан внешний вид и.м.п. для установки в блок диагностики через ДУ-100.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

При сканировании достаточно использовать только два канала электроники для сбора информации, что существенно упрощает и удешевляет создание и эксплуатацию описываемого и.м.п. Для работы с и.м.п. был разработан специальный модуль PRFL-01, внешний вид которого показан на рис. 3. Модуль выполнен в едином корпусе и состоит из нескольких частей: микропроцессора, высоковольтного источника питания и программного обеспечения.

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И.М.П. В КАНАЛАХ ТРАНСПОРТИРОВКИ

Необходимость повышения чувствительности и.м.п., описанного в работе [12], возникла при его использовании в каналах транспортировки пучка на сильноточном циклотроне ДЦ-280 ЛЯР ОИЯИ [14]. Для снижения потерь пучка в процессе транспортировки приняты специальные меры, в частности существенно улучшен вакуум в каналах до уровня n · 10^–6 Па. В пилотном режиме при токе пучка до 100 мкА и при указанном вакууме монитор профиля продолжал успешно работать без м.к.п. Но с таким монитором невозможно проводить настройку ускорителя, которая обычно делается при низких токах пучка, чтобы не создавать повышенную радиационную обстановку. В связи с этим на каждом из каналов установлено по три модернизированных и.м.п. и создана программа, с помощью которой можно одновременно наблюдать прохождение пучка по каналу от ускорителя до мишени пользователя. Для подачи и регулирования напряжения на м.к.п. использованы источники высокого напряжения с дистанционным управлением через канал связи Ethernet. На рис. 4 приведено изображение профиля пучка в одном из каналов транспортировки из циклотрона ДЦ-280, полученное при проведении настройки. При выходе интенсивности пучка на пилотный режим напряжение, подаваемое на м.к.п., приходится существенно снижать, даже ниже 1.9 кВ.

Блоки электроники мониторов и источники напряжения для м.к.п. располагаются в защищенных от радиационного излучения помещениях и отстоят от установленных в каналах и.м.п. на расстояниях до 15 м.

Проведена попытка определения минимального порога чувствительности модернизированных и.м.п. при работе с пучком ускоренных ионов ⁴⁰Ar с энергией 5 МэВ/нуклон. Ток пучка измерялся с помощью цилиндра Фарадея, который был установлен на канале в блоке диагностики сразу после и.м.п. Минимальный ток, который мог быть измерен с помощью цилиндра Фарадея, составлял 1 нА. Отмечено, что при таком значении тока можно надежно измерять профиль пучка. Судя по отношению сигнал/фон сделана примерная оценка, что профиль пучка мог бы быть измерен и при токе порядка десятков пикоампер.

В процессе эксплуатации модернизированного и.м.п. были продемонстрированы его высокая чувствительность и безотказность работы. Он может быть использован и там, где для производства изотопов используются пучки протонов или где проводятся исследования в области биологии и материаловедения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведена модернизация сканирующего двухмерного ионизационного монитора профиля для диагностики в каналах транспортировки пучка. Монитор состоит из основных частей: экстрактора, сканера и двух анализаторов с щелью, в которые направляются продукты ионизации остаточного газа с пути пучка протяженностью до 50 мм. Для повышения чувствительности и.м.п., в условиях высокого уровня вакуума (n · 10^–6 Па), после щели каждого анализатора располагается усилитель тока из микроканальных пластин, а затем коллектор тока. Получение двумерного изображения профиля достигается сканированием. Для сканирования и управления работой и.м.п. создан блок электроники, в котором размещены высоковольтные источники и измерители токов с коллекторов. На каждом из каналов циклотрона ДЦ-280 ЛЯР ОИЯИ на пути от ускорителя до физических установок расположено по три модернизированных и.м.п. Обработка данных и отображение результатов измерений одновременно с нескольких и.м.п. осуществляется с помощью программы, которая разработана в среде проектирования LabVIEW. Минимальный ток пучка ионов ⁴⁰Ar c энергией 5 МэВ/нуклон, при котором монитор сохраняет свою работоспособность, оценивается в десятки пикоампер. В процессе эксплуатации модернизированного и.м.п. продемонстрирована безотказность его работы.