ГЛАВА IV. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЙ
Успешная эксплуатация современных электрофизических установок и выбор оптимальных структурных схем систем автоматического управления во многом определяются количеством и качеством рабочей информации об основных параметрах пучка заряженных частиц. Проблема получения такой информации сводится к измерению наиболее важных характеристик пучка, позволяющих получить представление о его временных и пространственных флуктуациях. При этом в зависимости от требований, которые предъявляются к системам управления ускорителями, выполняются следующие измерения:
1) тока пучка заряженных частиц, причем в зависимости от принципа ускорения и характера работы ускорителя сюда включаются вопросы измерения среднего и импульсного тока пучка, а также измерение тока сгустков или числа ускоренных частиц сгустков импульса тока пучка;
2) положения непрерывного и импульсного пучка и сгустков ускоренных частиц импульса пучка в пространстве;
3) средней энергии ускоренных частиц пучка;
4) распределения ускоренных частиц по энергиям в пучке, его импульсах и сгустках;
5) эмиттанса пучка;
6) формы импульсов тока пучка и формы сгустков частиц в импульсе;
7) профиль пучка;
8) излучения ускоренных частиц пучка.
По степени воздействия на пучок ускоренных частиц все известные методы измерения параметров пучка можно разделить на три большие группы.
1. «Непрозрачные» методы, при которых пучок полностью перекрывается и для измерений используются все частицы пучка. При этом дальнейшее использование пучка для других целей невозможно (кроме тех случаев, когда объект облучения одновременно служит чувствительным элементом в схеме измерения).
2. «Полупрозрачные» методы, при которых для измерения параметров пучка постоянно или периодически используется только некоторая (обычно меньшая) часть частиц пучка, большая же часть
ускоренных частиц используется по прямому назначению для облучения.
3. «Прозрачные» методы (контактные и бесконтактные), которые не уменьшают интенсивности и не вызывают расходимости пучка.
Необходимо отметить, что при измерении параметров пучков заряженных частиц используются всевозможные электрофизические методы (индукционные, электростатические, эмиссионные, калориметрические и т. п.).
Основные требования, которые предъявляются к элементам, позволяющим производить измерение различных параметров пучка заряженных частиц, следующие:
1) надежная работа в условиях больших излучений и вакуумной среды;
2) достаточное быстродействие;
3) высокая чувствительность и точность;
4) стабильность характеристик;
5) конструктивная простота, технологичность изготовления и взаимозаменяемость.
Большое внимание, уделяемое этим вопросам, определяется тем, что от качества измерения параметров пучка в значительной степени зависит создание и наладка ускорителей заряженных частиц, процесс эксплуатации различных электрофизических установок и особенно разработка автоматических систем управления ими. Наиболее важное значение имеют вопросы измерения тока пучка ускоренных заряженных частиц. Для измерения импульсного и среднего тока пучка используются измерители различного типа, которые по принципу работы можно разделить на измерители прямого и косвенного действия.
В измерителях прямого действия для определения тока пучка используются полностью или частично сами ускоряемые частицы. Это непрозрачные или полупрозрачные устройства.
Измерители косвенного действия дают информацию о токе пучка по различным вторичным эффектам: наведенному заряду, наведенному напряжению, эмиссионному току и т. п.
К измерителям прямого действия относится цилиндр Фарадея, коллиматоры, диафрагмы и токопроводящие мишени.
Цилиндр Фарадея полностью перекрывает пучок и измеряет непосредственно средний ток пучка, используя для этих целей калиброванный конденсатор или инерционность механической части измерительного стрелочного прибора.
С помощью коллиматоров и диафрагм различной конструкции «вырезается» часть пучка (обычно меньшая), по которой можно получить информацию о величине полного тока пучка.
В качестве измерителей тока пучка можно использовать непосредственно мишень, если она изготовлена из электропроводного материала. В этом случае мишень представляет собой модификацию цилиндра Фарадея.
К измерителям косвенного действия относятся электроиндукционные или электростатические, магнитоиндукционные и эмиссионные измерители.
Наведение заряда или потенциала на изолированных электродах, пропорционального плотности сгустков пролетающих заряженных частиц, лежит в основе работы электростатических измерителей. Такие специальные электроды носят название «сигнальных» электродов или пикап-электродов.
Рис. IV. 1. Классификация измерителей тока импульсного пучка заряженных частиц
В магнитоиндукционных измерителях используется явление электромагнитной индукции, т. е. наведение в обмотке э. д. с., величина которой определяется скоростью изменения магнитного потока, создаваемого пучком заряженных частиц.
Принцип работы эмиссионных измерителей, часто называемых «мониторами вторичной эмиссии», основан на использовании вторичных электронов, выбиваемых проходящим пучком ускоренных частиц из одной или нескольких тонких фольг, которые устанавливаются на пути пучка. Классификация измерителей тока импульсного пучка заряженных частиц иллюстрируется таблицей (рис. IV.I).
