Корпускулярная диагностика пучков заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РГ6 од 1 о МАП 1593

ИНСТИТУТ 'ШЙЗЗИЧЕСКШ И ЭКСЩРЫЙТЛЛЬН 0/1 'ШИШ

пОР11УС1-£УЛЛНШ1 ^ШЮОША 1£ЖО.Ь ¿дОД&НзА ЧАОЗИЦ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускоштельная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Шест-ак Валерий Петрович

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Московском инженерно - физическом института.

Официальные оппоненты:

-профессор, доктор технических наук Ё.В.Арчснский /:дИ5У;

- профессор, доктор физико-математических наук В.В.Петренко /РКЦ "Курчатовский институт1'/;

- профессор, доктор технических наук Г.Л.Саксагаиский /НИИЗМ им.Д.В.Ефремова, С.-Петербург/

Ведущая организация: Институт ядерных исследований РАК

Защита состоится "Ло" июня 1993 г. в часов на заседании специализированного Совета Д 034.01.0.2 при Институте теоретическая и {экспериментальной дизик'л по адресу: 117259, Москва, Б. Черемушкинская ул., 25, тел. 125-92-04.

Просим принять участие в работе Совета или присла-г;. отзнв в одном экземпляре, заверенный печатью Ваше;": организации.

С диссертацией могно ознакомиться в библиотеке ИТ35. Автореферат разослан " Ьо " 1393 г.

специализированного совета И.В0БШ1аВ

Подписано в печать /У^ ЧЬ Заказ $Щ) йралс 100 окз Типография ЖЖ, Каширское шоссе, 31

ОБЛУШ XAPAIfTKFM.CraKA РАБОТЫ.

Акту а л ь к ост ь. темы..

Диагностика пуч-а позволяет осуществить проверку соответствия принятых при проектировании усоритёля и его 'систем теоретических представлений и итогов!,тх результатов, наблюдаемых в процессе ввода ускорителя в действие и при его эксплуатации. Считая параметры или характеристики пучка частиц, генерируемого, ускоряемого, формируемого или сохраняемого в ускорительной (накопительной) установке, итоговым элементом принятой модели ускорителе, справедливо рассчитывать на то, что диагностика пучка, то есть полевое исследование или контроль отдельных его параметров, группы параметров или характеристик с помощью информационно-измерительных систем (ИИС) позволит, например, провести анализ качества модельных представлений пучка и на его основе осуществить либо корректировку принятой модели, либо уточнение режимов работы «тдельных систем и узлов ускорителя с •целью сближения теории и практики. Очевидно, что средет-Da диагностики пучка в свою очередь' должны быть адекватны используемым модельным представлениям - чем проще модель, тем проще датчик.

За более чем шестидесятилетний период развития в ускорительной технике сложились три направления: создаются ускорительные установки для проведения исследований в области физики высоких энергий; налажен промышленный выпуск ускорителей прикладного назначения, пучки которых используются для проведения радиационно-технологических процессов; изготавливаются установки, являющиеся источниками пучков частиц, используемых для проведения исследований в различных областях современной физики и электроники.

Требования, предъявляемые к системам диагностики пучков, в каждом из направлений очень схожи, их отличия определяется разноплановостью целеР измерения и, в конечном счете, уровнем сложности принимаемой модели пучка.

Известны работы, в которых проводится классификация принципов и средств диагностики пучков: <9.Geiarot 1970; Е.Б.Арменский, В.М.Рыбин, А.П.Цьтпляков*, 1979х - 85; В.А.Москалев, Г.И.Сергеев, В.Г.Шестаков*, 1980х - 91; ^.¿'ггл^е, 1982; J.eoe,7*i ^P.Ju.wg, Yi'SA\D.Bo!JiSAi>3> , t.PoTTc*, 1985; , 1988. Можно согла-

ситься с ü.foz'ot (IQ38) в том, что идея классифицировать пара-

3

метры пучков по группам и датчики по возможностям измерения этих параметров и. другим признакам не имеет особой ценности в тем смысля, что подразумевает наличие некоего фиксированного соответствия "параметр - датчик." или наоборот, тогда как ссногсй классификации б диагностике пучков долчеен являться уровокь адекватности физического объекта - пучка и его модельного представления. Именно на таг о* основе возможна разработка".. .многофункииональных первичных преобразователей (датчиков), обеспечивающих получение а реальном масштабе времени ин^ор^апии о параметрах пуч"а.для создания которых "недостаточно дальнейшего совершенствования традиционных методов и средств измерения, используемых на практике, а необходимо разрабатывать датчики на основе новых физических принципов преобразования информации, что позволит в подно.Ч мере решить проблему измерения параметров пучков заряженных частиц" (Е.В.Ашенекий, В.М.ктбин, 1935).

Ретроспективный аналитический обзор методов и средств диагностики пучков показал, что на каждом этапе развития ускорительной техники к ним предъявлялись нараставшие по уровню сложности требования по рабочим диапазонам, по точности, по обеспечению измерений новых параметров или характеристик пучков. Е настоящее Бремя, например, необходимо обеспечить субмккрониуш разрешающую способность при измерениях положения пучков в линейных коллайдерах и минимальный шунтовой импеданс датчиков в каоиньк фабриках. Количественная сторона этих требований перерастает в качественную, что приводит к формулировке задачи по изучению принципов организации диагностики пучков, по анализу ее структуры (А.Н.Скринский, 1991).

Датчики, используемые для диагностики пучков, мохн? разделить на дне группы: антенные» действие которых основано на улавливании электромагнитного поля, сопровождающего пучок заряженных частиц, и кинетические, в которых для измерений используются различные эффекты, возникающие при взаимодействии частиц пучка со средами, находящимися (или вводимыми) на пути пучка.

Антенные датчики имеют малый пунтовой импеданс, что определяет их высокие радиационную и тепловую стойкости, малое воздействие на исследуемый пучок. Кинетические датчики могут дать дифференциальную информацию о пучке в отличие от интегральной, ас-лучаемой от антенных датчиков'.

Датчики обеих групп имеют принципиальные ограничения, не позволяющие беспредельно улучшать их метрологические характеристики. Кроме того, все известные датчики имеют достаточно простую структуру, что ставит под сомнение целесообразность использования в датчиках "программно-управлпеыых модульных структур" (Арменский, Рыбин, 1985), явл'то^тося одним из основных требований, определгдчднм реализации оптимальных алгоритмов измерений, обеспечение мнсгогу-ункиионалышго режима работы, снижение погрешностей кгмер-шй, самотестирование и т.п.

Нетрадигиси:ч)с реасше при создании "оптимального датчика", следовательно, должно быть найдено на стыке двух ияз^/уазандах групп, с тс:-!, чтобы остались восможность иопояьооьания досто:'н-стй как антенных, татг и кинетических датчиков. То есть с одной стороны, ото должен быть антенный датчик, а, с другой., оШ'оСсс-лечивась хсмерекиз дч-^ср-т.тиг'дьгак параметров. Очевидно, что электрг/лаггитное гг:-:, окр/ъ-кмев пучок, еучес'гэует и внутри него. -.'О есть мо-кно гсиорнть о "внутреннем1' поле, которое моче? являться искомым источником информации, о пучке. Решение вопроса о методе получения этсЯ информации и о степени пригодности отек информации для разрешения возникающих проблем диагностики зависит от разработки датчика "чнутренгего" -гиля.

Подобный дптчкг широко используется в физике плазмы, его принцип действия основан на активном корпускулярном зондировании (КЗ) простроис:вгньмх зарядовых образований (А.й,К.'.сляксв, 19Й1).

При ««гользоийг.и/. акцизного КЗ' для диагностики пучкез за-чисгкп осио^зй взаимодействие зоедируюпих частиц с частицами пуч*а, таг-?? как и при зондировании плазмы, является их кулоновсксе рассеяние в поле пучка. Электронно-лучевое зондирование, рассмотренное в работах: 1953), С.И.Павлова (Г/72), М.Д.Габонича (1973), С.М.Левитского (1973), В.Б.Салицкого (1931), ¿¿.ин-ос» (1983), (1990), В.Н.Азарова (1990), М.Л/'ге (1592), является: одни« из вариантов активного КЗ пучков уске штелей зарячешатх частиц (УЗЧ).

Первые эксперименты па ускорителях заключались в поштках использовать электронной »она п качестве антенного датчика, зондирование внутри пучка осуществлялось только длт измерения степени нейтрализации заряда пучка, Автором впервые (1963) поставлена задача по использованию активного КЗ для комплексно.": дмаг-

5

ностики пучков УЗЧ и организованы системные исследования с целью создания инженерного варианта датчика КЗ.

Проведенной анализ состояния и перспектив развития корпускулярной диагностики пучков заряченних частиц показали актуальность й научную значимость разработки теории корпускулярной диагностики (КД4;, разработки принципов комплексной диагностики пучков, со&дания основ проектирования и применения датчиков корпускулярного зондирования, создания математического аппарата, обеспечивающего проведение расчетов датчиков и обработку результатов измерений, исследование метрологических характеристик датчиков, создание измерительных систем на основе указанных разработок и их окепериментальное исследование на ускорителях.

Целью диссертационной работы является научно-обоснованное решение методических, технических и технологических проблем, определяющих применение активного корпускулярного зондирования з диагностике пучков заряженных частиц, и включающее: рассмотрение физических основ корпускулярной диагностики на базе структурного анализа измеряемых величин и процессов измерения; теоретический анализ корпускулярного зондирования на основе модельного рассмотрения процессов взаимодействия зондирующего и исследуемого пучков; разработку и анслиз способов измерений, систем и датчиков, реализующих метод корпускулярного зондирования; экспериментальное исследование систем корпускулярного зондирования; разработку основ .проектирования и применения датчиков корпускулярного зондирования.

Научная, новизна материалов, включенных в диссертацию, определяется следующими положениями, которые выносятся на защиту:

I. 5 с р м у л и р о в к а принципов корпус-к у л я р н о й диагностики п у ч к о в ускорителей заряженных частиц, состоящей в зондировании пучкоз ускоренных частиц слаботочными пучками заряженное частиц з поперечном оси ускорителя направлении и последующим анализе и регистрации отклонений зондирующих частиц от их начальной траектории при их взаимодействии с электрическим полег.; исследуемого пучка /X-И/.

Развитые теоретические представления позволяют обосновать измерения поперечных параметров пучков, таких как профиль, размер, положение, симметрия распределения частиц в пучке, расходимость и т.п.

2. Методика и результаты численного моделирования процессов взаимодействия зондирующего и исследуемого пучков, включая решение обратной математической задачи при реконструкции профиля пучка по экспериментальным данным. /5^7/.

В модель исследуемого пучка не закладывается ограничение в виде требования осесимметрин распределения частиц в сечении пучка, обычное в случае реконструкции профилей пучков.

3. Структурный анелиэ диагностик и пучков на базе его описания с помощью одночастичной функции распределения в фазовом пространстве, ;; представления численных значений моментов этой функции в виде параметров или характеристик пучка. Предложен принцип моментной диагностики пучков, при котором все момент:.? равноправии с точки зрения экспериментального исследования пучка. •

Предложен информационный критерий выбора метода измерений, включающий выбор датчика параметра пучка, существо которого с^"*-тоит ь увеличении количества прямых измерений параметров при одновременном уменьшения количества получаемой измерительной информации /8*107.

^.Результаты т е о р е т у ч е с к о г о а к ал и з а датчиков корпускулярного зонанрования, работающих з многсТу.П'инональном пс«сж» и построенных на основе программно-упозгл^емых модульных структур,, что обеспечивает проведение оптимизации алгоритмов измерений /11*13/.

Исследование метрологических характеристик систем корпусуу-л«рногс зондирование позволило построить эквивалентную схему датчика КЗ, провести расчет мучтоього жподанса датчика, сссов ■ -ляс:!;его мен^е 0,04 Ом.

5. К е т о д и I' а и результаты эксперимент а л ь н о г о и с с л е д о в а н и я датчиков корпускулярного зондирования при измерениях пучков ионов !Г: протонов к дейтронов при налички, сильных электромагнитных помех, почти полной нейтрализации заряда пучка, несимметрии распределения частиц в поперечном сечении пучков.

Экспериментальные исследования впервые позволили провести бесконтактные измерения поперечных префнлей пучков с русской разреетпце" способностью., результаты измерении находятся в хорошем соответствии с результатами, полученпж;: с помоцьй проаопоч-

7

нъгс зондов. Измерена зависимость коэффициента нейтрализации от радиуса пучка /14^18/.

6. Н о в ы е способы измерений на базе КЗ: поперечного профиля пучков с разрешающей способностью до

20 нм /19,20/; средней энергии модулированных гтучков с разрешением до 10 /21/; полного тока пучка с порогом чувствительности до 10 нА /22,23.7; расходимости пучка с разрешающей способностью до 10~°рад /2442?/, основные метрологические характеристики которых лучие, чем у используемых в настоящее время способов.

7. Принципы проект и рова н ь я и конструирования, основы применения датчиков корпускулярного, зондирования. Создан алгоритм проектирование датчиков КЗ. разработан проект 2-х координатной станции диагностики пучка Московской незонной Фабрики, рассмотрены инженерные вопросы изготовления основных модулей датчиков КЗ (электронные и ионные пушки, позиционно-чувствительные детекторы и т.д.). Проведен анализ перспективности применений" КД на ускорителях заряженных частиц /26432/.

Методы, исрде,сований,примененные в диссертационной работе, базируются на фундаментальных представлениях термодинамики, теории информации,теории вероятностей, ыетаолс.гии, физики пучков. теории ускорителей заряженных частии, теории планирования экспериментов, физической электроники, статистической физики; используют математическое моделирование и численные методы решения интегро-дифференциальных уравнений, приемы решения обратных математических задач, приемы эвристического проектирования приборов и их элементов.

Достоверность научных результатов,подученных в ходе выполнения диссертационной работы, подтверждается рядом обстоятельств: во-первых, адекватность® экспериментальных данных принятым б исследованиях моделям пучков (либо тонкие заряженные нити, либо тонкие равномерно заряженные слои в случае сгруппированных пучков) и физического взаимодействия зондирующего и исследуемого пучков зарргкенных частиц; во-вторых, качественным и хорошим количественны/] совпадением (в пределахС53-Ю)1?) результатов измерений, проведенных в одних и тех же условиях традиционными средствами и датчиками корпускулярного зондирования, в частности, при измерениях попеиечных профилей пучков; и, в-третьих,

качественным совпадением результатов измерений с результатами, полученными другими исследователями при измерениях частично нейтрализованных пучков. Доказана работоспособность'созданных датчиков корпускулярного зондирование при измерениях параметров пучков как положительно так и отрицательно заряженных ионов, получены воспроизводимые я стабильные результаты измерений.

Практическая пеннссть результатов диссертационной работы состоит з разработке теоретических и практических основ корпускулярной диагностики пучков ускоренных заряженных частиц, которая позволяет использовать более елочные модельные представления пучков, повысить степень адекватности используемых ИИС, рас-пирить Функциональные вс.адо :ности систем управления ускорителей.

Датчики корпускулярного зондирования обеспечивает практически певозмущагму.е измерени.г попеоечннх параметров и характеристик пучков линейных коллайг^ров с пространственной разре;;;а-иэдй способности- 20 нм,' пучков чаоьиых фабрик с щун?оввд импе-

м-!еом 0.04 Ом, сильноточных влектронных и ионных ускорителей (с мо!®-:остьи пучк?. более 100 кВт) с неограниченными тепловой и радиашошей стойкостлми при частотном диапазоне от 0 до 100 МГц.

Создана и испытана микропроцессорная диагностическая система на основе метода активного корпускулярного (электронного) зендиривгии«, работающая в многофункциональном режиме, в которой микропроцессор осуществляет-управление работой датчика с нель'т очткмийрпии алгоритма измерений, а не только обработку экспериментальных данных.

Преп-'.'гчрнкыЯ им^ермв'тионнчй критерий• выбора метода измерзни,". в»'л."чая выбор датчика, мотет быт» применен при организации измерений в лпбых зыоокеэнтрепнйных мпогопараметричосгих системах, что обеспечит минимальный уровень возмущений, вносимых датчиком в систему.

Экспериментально исследованный способ измерения параметров частично и полностью нейтрализованных пучков обеспечивает возможность измерении параметров пучкове-плазменнгтх образований, включат измерения потенциала гтучка, что часто необходимо при проведении имплзнтапии.

Корпускулярное зондирование использовано для диагностики пучков в каналах мн-хощип московской (г.Трсяттк) и канадской ( тк/имг- , г.Ванкувер} кгзокнте аабрик, и для диагностик:;

9

пучка дейтронов нейтронного генератора Т-400 (ГИРРДМЕТ,г.Москва).

Апробация научных, .результатов. Основные результаты диссертационной работы доложены на 11,12 и 13 Всесоюзных совещаниях по ускорителям зартаенных частиц (1988,1990-, 1992 г.г.), 5 и б Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных час-тип в народном хозяйстве (1985,1988 г.г.), 9-м Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям (1985 г.), Всесоюзной конференции НТО им.С.И.Вавилова "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (1584 г.), 2 и 3 Зсесою31ггэс совещаниях "Датчики и преобразователи информационных систем измерения, контроля и управления" (1990,1991 г.г.), Всесоюзной конференции "Ионко-лучевая техника, технология и оборудование ионной имплантации" (1991 г.),

Работа обсуждалась на семинарах в Ш5'Л (1988-1392 . г.), в ИАЭ им.И^В.Курчатова (1988-1992 г.г.), в ГКНТ ССОР (1969г.), на московской (1989-1991 г.г.), канадской (1985-1987 г.г,) и швейцарской (1990 г.) мезоннкх фабриках, на .научной конференции выставки ГКНТ СССР "Высшие технологии из СССР" (Германия, Карлсруэ, 1991 г.).

Ряд результатов исследований используется в учебном процессе в московских институтах электронного машиностроения и ип-■текрно-физцческом, включены в обзорную монографию В.А.Москалева, и Г.И.Сергеева (1991 г.), .посвященную измерениям параметров пучков.

Публикации по диссертации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 46 научных работах, в числе которых II авторских свидетельств на изобретения.

Структура и. объем, диссертации. Отбор и порядок изложения материала, включенного в диссертацию, отражают ход проведенных за 9 лет исследований, направленных на разработку и совершенствование методов и средств корпускулярной диагностики пучков ускорителей, на создание завершенной инженерной конструкции датчика, годной.к тиражированию и использованию на любых ускорителях.

Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 224 источника, и приложения. Общий объем'работы 334 страницы, из них 242 страницы основного текста, 114 рисункор, 8 таблиц и 5 страниц приложений.

■ СОДЕВДНИЕ РАБОТЫ

Получаема^ в процессе измерения информация уточняет и дополняет априорную информацию только в рамках выбранных моделей, следовательно, основной проблемой при организации измерений является обеспечение адекватности моделей реальному пучку, в частности, их полнота, уровень детализации и т.д. Поскольку объем выборки при измерениях конечен, то возникает противоречие мржду техническими возможностями реальной ИИС и уровнем сложности модельных представлений. Субъективней, выражающийся в сознательном упрощении модели, может привести к искаженному представлений' о пучке по результатам измерений, к обесценивание измерительно? информации. Количество измерительно!" информации также зависит от уровня модельного представления, поскольку по модели определяется априорна« энтропия объекта. Таким образом, можно констатировать, что существует проблема взаимосвязи и взаимовлияния уоовн" моделирования и используемого метода измерения.

Для оптимизации измерений по количеству измерительной информации и, следовательно, по уроветр энергообмена между ИИС и пучком, использовано понятие ценности информации, которая оп-рр!гел"ртся по вероятности достижения целой измерение. Исхода из точности ип^срмании, измеряемые величин" расположены по при-оонт^ту в та*- называемом "ргду ценности". В этом случае не составляет "руда Бт.тбоать датчик, обеспечивающий согласование кет-ролгглч^егих требсвани" измеоени'1 и метрологических характеристик- метопа кзмео<=ниР. . =

Предложе^нм« "информационны-/ критерий выбора метода измерений" состоит в максимализации возможностей проведения прямых измерений при минимизации количества измерительно? информации в каждом отдельном измерении.

При полном.информационном описании пучка и универсальности целей измерений стратегии измерений определяет структурирование измеряемых параметров к характеристик. Структурирование, принятое в диссертации, использует принцип "моментной диагностики" пучков, состоящий в том, что при модельном описании пучков с помощью Функции распределения в Фазовом пространстве диагностика пучка может быть сведена к количественной опенке всех или некоторых ее моментов. В этом случае появляется воз-

II1 ________ _

I Мощность с математической строгостью составить ряд ценности • ; измеряемых параметров, провести расчет количества измеритель! ной информации при отдельных измерениях, после чего провести оптимизацию выбора датчиков к алгоритмоз измерений.

Полная информация о пучке в случае измерения всех момек- ; тоз бесконечна и не нукна на практике. Однако анализ современ- ; кых методов и средств диагностики пучков выявил тенденции раз- ; работки стандартизованных и унифицированных датчиков, создания комбинированных датчиков, увеличения доли косвенных измерений за счет информационно? избыточности прямых. Это свидетельствует о справедливости концепции "моменткой диагностики", для реализации которой необходимы датчики, позволяющие путем структурных изменений собственно датчиков, составленных из программно-управляемых модуле?, обеспечивать прямые измерения максимального числа параметров или характеристик' пучка и, следовательно ; работать з многофункциональном режиме (МФ^.

Для проверки соответствия информационному критерии бшо проведено исследование метрологических возможностей метопа КЗ при зондировании пучка ионов электронным пучком, пересекающим ■ его под углом 90°. При этом предполагалось, что исслелуекы* пучок состоит из отрицательно заряженных ионов к «вляетс^ цилиндрическим. непрерывным и бесконечным; в его поперечном сечении частиш распределены равномерно, плотность частиц на краю пучка.скачком обращается в ноль; зондирующий пучок состоит из ' электронов и также непрерывен; оба пучка распространяются в свободном пространстве. '

Схема расчетной модели представлена на рис.1. Зондирующий электронный пучок со скоростью распространяется от точки

' вылета с координатами х0,Уз,20 вдоль оси X в электрическом и магнитном полях исследуемого пучка радиуса -а , с током

1/т и скоростью . двигающегося параллельно оси Я

Координата точки вил?та- по оси У может изменяться, б этом случае переменная у выступает в качестве прицельного параметра. Результатом решения уравнение движения зондирующих электронов в электромагнитном поле исследуемого пучка является зависимость отклонения зондирующего пучка в плоскости анализа, расположенной перпендикулярно оси X в точке Х^ , от прицельного параметра у .• .

i Характерное семейство таких зависимостей, названных "кри-; выми отклонения" и полученных для случая зондирования непрс-! рывного пучка ионов Н~ с энергией ICO МэВ,. током I A, X¡> =0,1м; í Xj =0,3 м; ¡Z =10"^ м; р(г)=ссжт ■ t представлено на | рис.2, "Кривые отклонения" являются сложными гункпияыи многих i параметров и характеристик как исследуемого пучка, так и зонда: Лункойя преобразования датчика КЗ мочет быть записана в виде:

лу=г[>.-/,,e3¿3(г)ы,v„,J„MLJMzn,^P.t.J

где Gj ,J¡ (г) - энергии, радиус и вид распределении' час-тип в поперечном сечении зондирующего пучка, сС - угол его подлета к исследуемому пучку, - скорость, ток и pan кус

исследуемого пучка, у - координата влета зондирующего в исследуемый пучок, Z . - длина траектории зондирующего пучка, Jn {'¿) - п'-ун.'-ция распределения плотности тока частиц в поперечном сечении исследуемого пучка, ^т- - временна" структура исследуемого пучка, ~ радиус тоакта, в котором распрос-

траняется исследуемый пучок, р - давление остаточного газа в этом трлктр, i ' - тетт'цее время и т.д.

Использование #ун*пии (D тл» измерений неудобно, и путем соответству^-дем калибровки, Фиксации ряда параметров и величин, избирательной настро"ки. на преобразование отдельного параметра " реализацией избранного алгоритма измерения возможно вкпление частных '"унт-пи" гго«5 обра зов а ни п. Примеры реализании некоторых из них приведены -в-таблице I.

Таким образом, датчики КЗ способны работать в Mí режиме, что соответствует концепции "момрнтной диагностики" пучков, удовлетворяют предложенному информационному критерии и основанному на нем алгоритму выбора датчиков.

В диссертации продолжена разработка теории корпускулярной диагностики пучков заруленных чзститт, дл<? чего проведено математическое моделирование работы датчика. Разработанът методики ре:зени^ обратных задач дл^ реконструкции измеримых параметров и характеристик пучков, предложена экяипэлтп-чя" схема датчика КЗ.

Показано, что дел« упруго рассеянных «зетт зош'а лзя либо й плотное)1!! часгип в пучке ускорится пренебреги.vi о мяла »л

: сравнению с долей частиц, отклоненных з результате кулоновскогО взаимодействия, поэтому при построении математической модели : датчика КЗ учитывается взаимодействие частип зонда только с суммарны?." электромагнитним полем частиц пучка.

Таблица I .

Измеряемы? параметр ФУНКЦИЯ . преобразования Чувствительность Условия измеое-■ ний Порог, чувствительное, ти

Ток 1а v _ А ———Х„ Щ -Цт ^=8,3 [К] = м Я^ =1кэВ =15кэ£ М .=1<Г5м /ТУ/Г! -т- 0,83 мкА

Пол С'К^НИР центра тяжести. ицГ 1 лу = а тч "1мм Г'^3 = и ■ 7 мил

Поояиль р(у) № ^ токовая при минимальном шаге сканирования^ 11 * ¡=

Радиус а О = У^сгх 0 Ц-У ^ ^ л1ш г ! параметр распред-лекй« 4*"=500м? 40мкм ! А

Расходимость 9 где база по оси ¿? ■ о,- тп^-у •лм- . 1и х1рад =0,6 { 5-1СГй 1п =500мкА Рад 1 =1м \ ............ \ ,........

Физическая модель пучка ускорителя при корпускулярном ■зондировании представляет непрерывное распределение его электромагнитного поля, следовательно, в математическую модель входят соответствующие функции распределения этого поля для конкретного вида пучков и условий измерений., Модель пучка описывает широкий спектр пучков УЗЧ: электронных и искньтх, непрерывных и сгруппированных, яерелятивкстскчх и рел°тивистских, трубчатых и ленточных, а также имеющих произвольную ггорму поперечного сечения.

При численном моделировании пропрсса ззаиьгодействия зснца с исследуемым пучком задается распределение/ плотности заряда сечении пучка, и, соответственно, распределение электромаг-

| китного поля, после чего решается уравнение движения зондирую-■ пшх частип б заданных пол«тс. Результаты, расчета для табулиро-' ванных распределений позволит оценить погрешности, всзникаю-| щие при решении обратных задач реконструкции параметров пучков. ; В качестве базовой модели пучка з диссертации выбран равномерно зараженный эллипсоид, что упрощает расчеты в случае ! сгруппированных пучков, а при условии увеличения продольной полуоси эллипсоида до бесконечности он превращается в эллиптический цилиндр.

Начальна данные задаются в лабораторной системе координат, движение зондирующих частиц рассчитывается з системе координат пучка, а конечные данные вновь переводятся в лабораторную систему ког.рди м-г. Расчет динамики зондирующего пучка в одночастичном лрг&песрпии сродитс« к рспенкю уравнения движения яондируадей части™ в пплпс нескольких неподышилс равко-' мерно зарятсрннмх трехосных эллипсоидов. ! 1 Потенциал такого эллипсоида задается выражением:

<г>

/■■ ■■ ' ............— ;

гдр г7<, аь', аг - полуоси эллипса; -

ее - ко нет янт.ч нсп:,г!!рор"(1; 5* равно нулю, если точка ¿{•','/,2) саорслг->грнм «яутои эллипг.оипа, и положительному коо-

у-г </2 - / / I

т-> упэрнг-ни" —~г -»'■ + ДТГТ -I, если точка / ргепележеня виг- эллипсоида, компонент» напряженности электрического лол% ка* слп.уст из имеют вид: гдр £? - зар^-д эллипсоида; ; Му = ^ "

Систем« уравнен«« цвк^ени» зондирующей "астигм в поле нескольких эллипсоидов может быть п'.^пставлена в вине:

ОН . _£_ , Л.

сМ Л-А * <31

Индексы суммирование зазист от времени, так как количество сг.уст^ов в области взаимодействия, вообще говоря, явл^ет-с- переменным. При моделировании пучка тонкими равномерно заряженными эллипсоидальными слоями с заданной плотностью заряда возможен расчет для произвольных распределений.

При зондировании сгруппированного пуч*а электронный зонд дл" каждого прицельного иарам°тра списывает в плоскости анализа замкнутую кривую, характерные точки которой могут быть ис-

15 . .. .. ... . . .

пользованы для построения единой "кривой отклонения", что | позволяет использовать одинаковую методику измерений как непрерывных, так и сгруппированных пучков. ! Разработанная математическая модель датчика корпускулярно-' го зондирования включает в себя: концепцию Физического принципа • 1 действия датчика - отклонения зондирующих частиц электромагнит: ными полями исследуемых пучков и их последующих измерений; модель пучка и выражения для описания его попей; систему используемых понятий; Функцию пространственного распределения плотности заряда; количественные зависимости результата взаимодей-' ствия двух пучков; программу для вычисления многопараметрической "кривой отклонения".

Математически задача, решаемая в корпускулярной диагностике, сводится к решению операторных уравнений I рода вида:

Р= ? [4,8,

где У - результирующий вектор взаимодействия зонда с пучком; Р - векторный Функционал взаимодействия; Л _и 3 - векторы, характеризующие параметры зонда и пучка; г"¿) -вектор характеристик пучка, таких как распределение частот в координатном пространстве, стабильность характеристик, распределение потенциалов з пространстве, занятом пучком и т.п. __ Диагностика предполагает реконструкцию векторов В и ¿Сг^) , описывающих- пучок, по'экспериментально измеренному вектору у при заданном векторе 4 < Рид параметров пучка может быть измерен прямо: ток, энергия, размер, положение и т.д. Уравнение (4) в этом случае сводится к интегральному или к системе линейных алгебраических уравнений, решение ко-■тсрых выполняется известными методами. Косвенные измерения такого важного параметра пучка, как профиль, предполагают разработку программы реконструкции .для обработка "кривой отклонений".

Для достаточно простых видов распределения частиц в поперечном сечении пучка прйФиль пучка может быть получен путем дифференцирования "кривой отклонения". На рис.3 приведены результаты расчета для распределения с параметром эт. =6.

В случаях, когда применение дифференцирования вызывает затруднения, например, не выполняются условия . или пучок частиц сгруппирован, может быть использован друго"

способ определрния профиля. Он заключается в том, что при моделировании пучок разбивается на п- тонких горизонтальных . слоев, плотность заряда в каждом из. которых предполагается 'постоянно". В поле каждого такого слоя с номером к (-£=1,2... ... П- ^ и постоян'-длм зарядом С[.К , моделируемого эллипсоидом или эллиптическим цилиндром, раесчитывартс" динамика'зондирующего пучка и при гТиксированных значениях прицельного параметра </ по соответствующим кривым отклонения А (у) составляете" матрица отклонения с элементами ^¿к. , равными ЛуК(у£) Затем Формируется вектор с компонентами Л, равными значениям экспериментальной "кривой отклонение" в я. точках у- к составляется матричное уравнение.вида » Щ{#•)

решением которого "плюется вектор, составленный лз зарядов от-' дельных слоев и определяющей профиль пучка Р(у)

Если Дз £ или дз*се «, то реконструкция по "кривой отклонения" лг>бым методом позволяет получить только "повернутый профиль", что изменяет реальный масштаб поперечного сечени-* пучка и приводит к вознич^-ноес-кип систематической е." иб"и при реконструкции пролпля пучка, которая должна быть учтена при вычислениях.

Задзча реконструкции профиля пучка г.1Л.яется некорректно поста."л°нно!" п, строго говор*, пользоваться Формулами обраще-ни"» пргобрасм'р.гм:;'7 Галопа для нахождения приближенного реше-нм" упг.вч«-нк-1 (4) н-'ль: К^пу тем, условие устойчивости ре-• •'•*«{«• задачи <.<'.>"но сртячо о ебяим принципом детерминизма, :: --го нп'ыгплнгчн«» о;-н-"чпст невэзнохнссть придать Физический смысл пайдеппеуу ргг<-ккп. 'С этМ течки срения возникает вопрос: чтл следует понимать под приближенным решением уравнения (4) в диагнсстикг пучков? Ответ на него зависит, во-первых, от априоп-ноЯ информации об измеряемых парам^тоах и, во-вторых, от уровня средств традиггнонной.диагностики на ускорителе, позволяющих проводить независимые от КЗ параллельные измерения. Кными словами, для КЗ в этих условиях всегда приближенно известна левая часть уравнения (4) (реально: вид "кривой отклонения") и, следовательно, возможно использование принципа регуляризации, то ееI о •'н.п.ьтрсци'' нерегулярных решений на основе априорно? ип5оъ-маппч в частности о лроТнл" лучка.

Основной вопрос д.1;" датчика КЗ как средства иймергни" ссс-

| тоит .в определении точности производимых им прямых измерений. ! Поскольку КЗ представляет собой достаточно новый метод в дкаг-' ! ностике пучков, и практических данных для его метрологического анализа недостаточно; то итот анализ базируется на разрабстан-I ной математической модели датчика.

' Псгрепности измерений при корпускулярнсС- диагностике пучков условно распреаелену по четырем группам:

1. Погрешности, связанные с выбором и сохранением начальных условий дло зондирующего пучка ¿5 - его энергии, положения, расходимости, размера, чевозмущенной траектории, параллельности траекторий зонда при сканирований.

2. Погрешности, возникающие я прсгессе взаимодействия зонда с пучком ¿3 - нестабильность пояо-'еп!'^, тога я других параметров пучка, накопление в пучке посду-тов иокизапик оста-тсяис-рс газа, воз^вЯст:« внешних элстрс-кагкитных поле? на зонд, неиденткодссть условий трохс^пенк** зонда в центре к на кра^х пучка, влияние зонда на пучок, ол^ние пролетного угла, наличие разброса по скоростям я г.уч^е, оасходимо'стъ цучка, не-йзбирательноет'ь "?тчика по измеряемому параметру.

3. Погрешности, связанные с регистрацией отклонения зонда ¿МЛ. ~ влияние магнитного поля пучка, влияние группировки

пучка, отличия в условиях прохождения зонда в полях пучка и дефлекторов при изменении угла влета.

4. Погрешности,. определяемые методами реконструкции измеряемых параметров пучка методами реконструкции измеряемых параметре з пучка по экспериментальным данным ¿рех .

Основное количество погрешностей относится к систематическим и может быть учтено либо путем калибровки, либо при ■обработке результатов измерех'ий. Анализ погрешностей показал, что датчики КЗ способны вып&йять прецизионные, измерения.

Оценка пространственной разрешающей способности проведена для случая зондирования пучка линейного коллайдера' с электронами в сгустке микронного размера пучком ионов А& с энергией 10 кзВ. При измерении отклонений ионов с помощью мик-роганальной пластин« с разрешением £0'Ю~С м возможно дости-

с;

^ение разрешения в области сгустка 2*10 ° м, что лучше, чем в случае зондирозгки^ лазерным лучом.

Частст-кьг/ диапазон датчика КЗ определяется временем проле-

; та зонда через зону взаимодействия и расположен от О до ЮОМГс 1 при энергии зондирующих электронов 2 кзВ.

; Дяя анализа взаимовлияния датчика и пучка разработана зк-i вивалентная схема датчик?. КЗ. Поскольку датчик являете« гене> ратернь'м. он может быть представлен активным четырехпо»ксником, ' аналогично электронному усилятелч. Величина поперечного аунто-зого импеданса датчика КЗ при смещении з н-?м зонда ка ICO мгм р тпеяелях области, занимаемой пучке« оценкам, не превышает 0.04 Ом, что существенно глень у датчиков яруги:: типос

пои той же чувствительности.

В диссертации ппчведенм результаты разработки и анализа ocHOBinrx способов я систем, реализующих и«тод корпускулярного ¡зондирована«. Предложены схему ягтчккоэ КЗ длч измерения тока, соедн«? энергии модулированных пуч*05, пробил- и ваехояимоста пучков УЗЧ.

Бее способы измерений и схемы датчиков обладают ков&вной vi защищен;j аз?ерски'.:и свидетельствами на изобретения.

Поскольку датчик !í3 измеряет ;■> яг Франческу ¡u сумму запяцов в поперечно« сечении пучка, он «*ял*?те« уникальнш с точки зрения задачи измерени« коэффициента и динамики э^ента нейтрализации, состоящего б накопления заряженных продуктов ионизации осатсчного газа и ионизируемых вторичных частиц в потенпиаль- . кой гме, образуемой пучком, росте их 'суммарного заряда и компенсации заряда пучка, имущего противоположный знак.

Однако ¡три использовании КЗ -^щей диагностике пучков возникают трудности при измерениях параметр-..- частично или полностью нейтрализованных пучков, тяк »ак для датчикь ?3 в режиме измерения любого параметра пучка, кроме коздфиииь..-^ нейтрализации, нейтрализация сьляетс1 1умояым Фактором. от KGTopot л Ч^обхоЕ1*""* • ■ избавиться.

Для обеспечения работоспособности датчиков КЗ в усяо.-..sr-'частично'» или полкой нейтрализации заряда исследуемого пучка в диссертации разработана методика измерений, основанная на изменении в заданное число раз £ глубины потенциальной «мы з пространстве, занятом пучком. В тракт транспортировки пучка устанавливаете0 дополнительный цилиндрический электрод, проэ-" рачный для зонда, радиус которого определяется из выра-

жения:,^ = fy.&crfzV?)^ • Проводя зондирование внутри и вне электрода, можно определить истинное значение ординаты "кпивс"

19

сетахонения , неискаженное накопленными в пучке посторонними носителями зарядов.

Погрешность определения ординат ирс^изя пучка растет 5. крап пучка и. составляет на краю пучт^г при Р =2 или 13t при £ =4.

1'иаичес^ие пропессы, происходите при подаче на дополнительный электрод постоянного напряжения,, аналогичны рассмотренным с точностью до граничных условий.. При зятск разность потенциалов £• пространство* занятом яесяедукмым- пучком, и стенкой дополнительного электрода кли- глубин?г потенциально^ ямы регулируются величиной напряжения,. приложенного. к электроду. В этом случае отпадает необходимость сканирования штеяедусмого пучка зондирующим лучком вне электрода, что сокращает общее врем" измерения.

Датчик КЗ для измерена:« средней энергии, модулированных пучков реализует, премяпролетпый метод измерения и работает следующим образом. При. попадании' гонга- в центр сгустка исследуемого пучка или между- егустками- отклонения зонда по сси распространение исследуемого пучка ¿Г равно нулю- Если после этого неотклоненный зонд с помощью электростатических или магнитных б е з д и с п ер с и о н ных систем раггвернут.ь вдоль оси X , пропустить,, например, параллельно исследуемому пучру в- дррМовом участке, а затем с помощью второй1 системы' поворотгг развернуть так,, чтобы' он Прошел поперек оси ¿3? , то на- коллектор, установленный с противоположной стороны сси, он- сможет попасть только в случае, если вновь npof-дет через пентр сгустка пуч^а или ке-"ду сгустками, что возможно при равенстве или- краткости времен пролета исследуемого или зондирующего пучков..

В случае использования в качестве зтгкд® гиектроннпро пучка 'возможно изменять его скорость с- поио^ьп измене; :и<" /гпггднего напряжения ТГа электронной пупки..

Разрешающая способность предлагаемого способа в основном определяется чувствительностью системы измерение г~ока коллектора по опенкам составляет 10"^ при измерении энергии игнкогс пучка в диапазоне от 0 до 5 i/.?3 и изменении величины J/a г,т О до 5 кВ, длине участка дре«*а 0,15 м-, угловом разрешении коллектора I мрад.

Безусловно, садам существенным достоинством корпускулгр-

[ного зондирование язляртсп возможность и.ты ерт ни* поперечного ' I профиля исследуемого пучка без его возмущена*. I Дчгргге ренпированир экспериментально? жргзвс!*! отклонения н? \ : может быть выполнено достаточно точно, что связано с н*теч54еетъю I аппроксимации экспериментальной зависимости, псэтеду р^гон-! стоукаии профиля неизбежно появление допатш,еяь,!!дае погоетеэс-, тей. !

В диссертации предложена методика пвмеданя»» позволяющая ; избежать процедуру дифференцирования, и такт» ойовзом повысить точность. Методика основьтзартся на тем, что производная кривой отклонения может быть получена непосредственно в эксперимент? путем последовательного зондиропания пучка в координатах Ут и У о и измерения отклонений Л и Л £/, соотортствекно. Е этом случае оидинаты профиля могут быть определена из вжатеня«;

Опенки, проведенные пля случае иэмерекиг профиля пучка коноз К- о энергией 15 гаВ, током 500 мкА и диаметром 10 км с помощь« зокдируючрго пучка с энергией 2 кэВ и диаметром показывают, что при устанозке микроканальных пластин на расстояниях 100 мм от оси распространения исследуемого пучка дсетй-жимая разрезающая способность составляет 18 мкм.

Для КЗ ограничения по пространственной разрешавшей способ- • , ности и по времени измерения обусловлены конечным размером зондирующего пучка и необходимостью его сканирования поперек исследуемого. 3 диссертации разработана методика измерений, свободная от этих ограничений, э которой для зондирования использует. ся пучок заряженных частигт, размеры которого равны или превыиаю? размеры исследуемого пучка в попеорччом оси его 'движения кап-1 равлении. При этом изменяется результат вяаимодейстяич зондирующего и исследуемого пучков по сравнению с лучевым зондированием. КЗ при этом становится полобнт,ш процессу проектирования в геометрической оптике, где роль собирающих или рассеивающих линз играрт электрическое поле исследуемого пучка, а величина отклонения зондирующих частии определяет оптическую силу тако?* линзы и коэ<?|*и1тиент линр^ного увеличения изображения поперечного сечения исследуемого пучка в плоскости регистрации.

В результате анализа функции распределения плотности час-тип зпндирующрм пучке до и после его взаимодействия с исслецу-

!

емнм цучгом определяются размеры области, занято? пучком, про- ; изводится пересчет абсцисс в плоскости регистрации в абсциссы е зоне пучка и'затем реконструируются основные параметры исследуемого цучка. Методика измерений получила название "ленточное зондирование", именно она позволяет обеспечить достижение субмикронной пространственной разрешающей способности.

Для измерения тока исследуемого пучка разработаны обладающие новизной способы измерение и методики, позволяющие снизить величины как систематических, так п случайных погрешностей. В их числе:

- методика с измерением энергии зондирующих чгстип, определяемой потенциалом пучка;

- методика с трансформацией поперечного отклонена~ зонда в измеряемы" временно? интерпел путем напоявления отклонен:-,его зонда в магнитную ловугску; достижимая чувствительность измерений по это1" методике составляет 0,1 мкА;

- методика,использующая о^тты многократного взаимодействия зендз с исследуемым пучком и измерение времени сме:ц°ния зонда вдоль оси распространения исследуемого пучкз за счет его взаимодействия с магнитным полем пучка.

Большой раздел работы посвящен вопросу разработки датчиков расходимости пучков. Обоснована необходимость в таком датчике, особенно для сильното-иннх слаборасход^щихс пучков ускоренных ионов. Способ измерения основан на выявлении различий "кригмх отклонений", получаемых при сондиропанич пучка в двух разнесенных сечениях. Оценки показали, что при зондировании пучка ионов Н~ с энергией 15 кэВ, с током 500 мкА электронным зондом с энергией электронов 2 кэВ в двух сечени«х возможно измерение расходимости пучка на уровне Ю- ре.д при разрешавшей способности коллектора 10"® м. что существенно луич-*, чем при измерениях другими способами.

В серии датчиков расходимости пучков ПСИ-Р, разработанной в процессе выполнения диссертационной роботы, используете дяа одинаковых электронных зонда, которые зондируют пучок в сечениях, разнесенных на расстояние I м.

В технич°ском отношении подобные датчит-и Т-ГЗ наиболее сложны, требуют .обеспечения специальных вакуумных и оптических условий транспортировки зондов, однако пр:: измеренных пясхек-

мости сильноточных пуч^ ов альтернативы им нет.

В диссертации призедгны материалы, полученные в прспессе экспериментального исследования методов и средств корпускулярной диагностики пучков УЗЧ, систематизирован огшт работы с датчиком КЗ, содержатся сведения об исследоваьиг.-х отп^лькчх элементов датчиков, об оптимальных алгоритмах управления работой датчиков, представлена созданная микропроцессорная.система управле-' ния. Доказана достоверность результатов измэрокий методом КЗ ' путем сравнении результатов измерений, прогецекннх с помещая традиционных датчиков и датчиков КЗ.

Систем-? "Зодиак-!", использованная ця<» измерений параметров пучка на Канадской кезонной Фабрике" TfftL'fvíF (1936гг.), структурная схема которой приведена на рис.4 и соответствует расчетной схеме рис Л,, была сконструирована с целью проверки основных теоретических положений метода КЗ. Электронная пупка с прямонгхальным ясяь<*раадовчм катодом и электро^но-оптичясо^ системой, аналогично"* используемом в кипе стропах (ггроизво.дстзо США), позволила Формировать зондиру-дий пучок с -энергией электронов от 0,5 до 5 ??эВ, с торгом до 100 мкА, с диаметром от 0,5 до 2 мм. В качестве первого дефлектора использован один кз дефлек-. торов лугкя, в качестве второго и третьего дефлекторов примем«-; нн плосопараллельнме кондрнсаторы. Позинионно-чузстзителы-ГстГ? детектор представлял собой ра.-орзкой м°днчй коллектор с зазором ТО-5 м.

Отклонение зонда А у измерялось методом компенсации при возврате отклоненного зсндируощзгс пучка з центр разрезного ■ .-ллс»тэра путем соответствующего выбора напряжения U¡ , подаваемого на tj.-t-.v~ че^ле^тор. Попадание зонда а центр коллектора фиксируете* при нулевом ^-у.-.пном сигнале лиФференпиалького усилителя, подключенного к пластина!» ч-очлектопг. Таким сбразсм зависимость вида ¿ = J fЩ * Л ¡Js = -

a ZF° - напряжение на третьем дефлекторе г- случае отсутствия • взаимодействуя зонда с исследуемым пучком, • V) и Zf* - напся-жения на первом и втором де'л^к-тооах, обеспечиваю'че параллель-кий перенос зондирующего пучка и тчбор ггсииельнсго о».-,аметра, °ьл- стг>с "кривой' o^vjicHeH-.i"".

Перзк» из:.,,-.р-н'ин 'мли провдд^ньт ча иоточни»«? ионов h энергией 15 кзЗ при токе по-.^глганого пуч»а 500 мкА при диафрагмировании его в зоне взаимен-." - —«т до лиеметоя 4.°

Был измерен ряд "кривых отклонения", дифференцированием реконструированы поперечные профили пучка ионов при разных токах и проведено их сравнение с про?ил«ми, измеренными проволочным зондом, показавшее хорошее качественное и количественное совпа-чрнир реэультатоги Чувствительность датчика по току составила 100 мкА.

Установка коллиматора и меры по очистке ионного пучка привели к тому, что коэффициент нейтрализации был близок к нули. В другом эксперименте при намерении проФнл" пучков ионов К" с энергией 300 кэВ и током 800 мкА бь?ла получена "кривая отклонения" и реконструирован профиль Функции распределения суммарного пространственного заряда дл" случая 90^ нейтрализации пучке. На рис.-1 представлен измеренный профиль пучка (кривая С)} и профиль пучка, измеренный с помощью проволочного датчика (кри- . на б>).

Проверка прикгн::мсст;: метода электронно-лучевого оопдире-' вания для диагностики пучков положительно заряженных частит' была провешена в измерительном эксперименте на высоковольтном ускорителе Т-400 в лаборатории атомного ядра института редких металлов (ГйРЕДЦЕТ, Москва, 7.990 г.). Измерялись параметры непрерывного" пучка дейтронов, ускоренных до энергии 310 кэВ при токе 0,2 мА к диаметре пучка 20 мм; Ди« измерений была создана система "Зодкак-Й*, аналогичная система "Зодиак-!*, не пепель-зугщаг элементе и узлы только отечественного производства. Характер реконструированного профиле не*?трализовамного пучка дейтронов объясняется в рамках разработанной- в диссертации модели нейтрализации пучков. ь

Для диагностики протонного пучка с энергией 750 кэВ Москов-■ской мезонной фабрики (НИИ РАН, Троищ^1992 г.) была создана ■система "Зодиак-З", отличи" которой от ранее использованиях ¡систем состояли в том, что применено веерное сканирование пучка, ■а в качестве третьего дефлектора была применена магнитная отклоняющая система, обеспечивающая зондирование пучка с диаметром :до 40 мм. Кроме этого, так как пучок протонов модулирован им-|пульсом с длительностью огибающей 100 ь;кс, была введен? синхронизация системы управления датчика с управляющей системой ¡ускорителя. В измерительной системе использовано больтое количество электростатических сеточных экранов для локализации не-

'лей дефлекторов, для подавления вторичной эмиссии, для защиты 'от рассеянных протонов и вторичных частиц в тракте. Зону взаи-■моде^стви" окружает дополнительный электрод. Магнитное пкраниро-I ?,ач;те датчика обеспечило величину поля в нем менее 0,2 Гс. Энер-;гия зондирующих электронов 2 кзЗ, ток зонда I мкА, диаметр зонда I мм.

; Управление системой "Зояиак-З" осуществлялось как в ручном |режиме, так и в автоматическом с помощью микроЭВМ ДВК-3, что : позволило проверить повторяемость получаемых результатов и реализовать многоФунклиональныР режим работы датчика. Разработаны ■алгоритмы измерений тока пучка. пространственно-временного представления импульса тока пучка, измерение положения центра тяжести пучка, измерения поперечного профиля пучка протонов.

Полученные результаты качественно совпали с результатами измерений нейтрализованного пучка дейтронов. После полной очистки пучка от нейтрализующих его заряд электронов было получено количественное совпадение реконструированного профиля с профилем, измерен: льты с помощью сеточного коллекторного датчика, что подтверждает достоверность результатов корпускулярной диагностики.

В процессе выполнения диссертационной работы разработаны методики проектирования и применения датчикоз КЗ. ПрйГсжен алго--ритм проектирования, обеспечивающий реализации всех потенциальных возможностей корпускулярной диагностики, рассмотрена варианту конструктивных репенкй как с электронным, так я с ионным зондирующими пучками. Проведен анализ эффективности применения датчиков КЗ в сравнении с тралшгюнно используемыми датчиками.

Модульная структура датчиков КЗ, а которой можно ^ыяедить пять модулей, общих для всех датчиков КЗ: вакуумная камера, источник зсшзирутгаих «аст:т, элионко-оптическая система, позй-пионно-чувствитеяьннй детектор и микропроцессорная система управления^обеспечивает "открытость" датчика КЗ для использование ноеых технических решений, изменяющих или дополняющих существующие- Физическую и математическую модели исследуемых пучков и принпипн регистрации результатов взаимодействие зонда с пучком.

Предложен принцип структурного проектирования, позволяющий реализовать на практике достоинства датчиков КЗ за счет и?ара-

иконного процесса, позволяющего преодолевать возникающие несогласованности и противоречия технических решений. Так ограничение на размер датчика по осям X и У приводят к уменьшению чувствительности .датчика и сокращении диапазона измеряемых токов, ограничения по оси ¿? - уменьшению эффективности очищающего электрода и т.п.

На основе предложенного алгоритма проектирования была разработана двухкоордикатная станция корпускулярной диагностики пучка, ориентированная на измерения пучка протонов Московской меэонной фабрики с параметрами: энергия 160 МэВ, длительность сгибающей импульса тока (50*100) мкс, величина импульсного тока до 50 мА, базовая протяженность сгустков 20°, радиус пучка 5 мм,, частота следования импульсов (1*10) Гц. Внешний вид этой станции представлен на рис.7. '

Сформулированы требования к параметрам зсндирукших пучков, к электронно-ионным оптическим системам, к вакуумным системам.? используемым в датчиках КЗ. Показано, что собственная расходимость зондирующих пучков не должна превышать I мрад при энергетической неоднородности не въке 0,5- и диаметре менее I мм.

Предложена и разработана технология изготовления электронных пулек с прямоканальными вольфрамовыми катодами. Для "ленточного зондирования" предложена конструкция пулки, создающей электронный пучок с поперечными размерами (60x3) мм. Рассмотрены варианты ионных пущек, пригодных для датчиков КЗ.

Проведен анализ возможностей использования для регистрации отклонения зондов микроканальных пластин и мишеней запоминающих электронных трубок, имеющих пространственное разрешение (5*10) мкм. Для последнего варианта показаны перспективы улучшения рабовкх характеристик датчиков КЗ за счет уменьшения тока 'зонда до (12*200) нА и использования режима памяти-мишени , обеспечивающего избирательность при получении измерительной информации.

Дан обзор состояния современной диагностики пучков частип, используемых в радиационно-технологических процессах (РТШ, анализируются перспективы использования в РГП корпускулярной диагностики. Отмечено, что при основной тенденции в РГП, заключающейся в повышении средней и удельной мощности -используемых пучков, датчики КЗ способны решить возникающие измерительные

_______ Щ '_____;_________________

задачи, так как для них не существует проблем радиационной и тепловой стойкости.

Проведен анализ датчиков параметров и характеристик пучков, по их соответствии 25 современным требованиям, среди которых: различные типы исследуемых пучков, широкие динамические и частотные диапазоны, любые размеры пучков, минимальная степень вмешательства в исследуемый пучо?,', унификация датчиков для разных участков ускорителя, многофункциональность, целесообразность использования микропроцессорных систем управления, минимальные размеры по оси исследуемого пучка, возможность работы при наличии плазменных образований, соггуствующих пучкам, и т.д. Оказалось, что датчики КЗ удовлетворит 75?? этих требований, тогда как антенное датчики 56°^. а кинетические 47е?. Основные. результаты, диссертационной работы. I. Проведено развитие метода электронно-яучезого зондирования и сформулированы основные концепции корпускулярной диагностики пучков зароенных частиц, являвшиеся аналогом активней корпускулярной диагностики плазма, методы которой развиты для диагностики пучково-плазменных зарядовых образований.

Математически существо КД пучков может быть сведено к решении операторного уравнения I рода вида: У- Р (г, где5 У - вектор результата зондирования, Р -функционал взаимодействия зондирующего и исследуемого пучков,?5? ,в , / - вектору, характеризующие параметры или характеристики зондирующего к исследуемого пучков соответственно.

Найдены условия решения этого уравнен,:.-:, области существоза-ния каждого из векторов при различных типах зондирующих и исследуемых пучков и критерий согласования их параметров, который может быть представлен в виде: а ^ ^,

где: . ю'2раа ^ ТГ7ЖГ /Ж^з/ 'Л^Г '

* в - угол отклонения зондирующих частно от их начальной

траектории, -усредненная по длине траектории зонда плотность наряда пучка, ¿-„от-координата влета зонда в пучок,.при которой & = , в -длина траектории зондирующих частиц в лолэ пучка, -2-5 и ч/'л -скорости частии зонла и пучка соответственно, и -относительная энергия и масса покоя часгип зонда, -заряд частиц зонда. ^ На. основе анализа принципов организации диагностики гтуч-ков при их з.т-ечнии одночастичной функцией распределения частиц

в шестимгрном разовом пространстве сформулированы принципы мо-менткой диагностики пучков., которым полностью соответствует многофункциональный датчик корпускулярного зондирования, обеспечивающий прямые измерения, а точнее количественную опенку практически всех моментов от 0-го до 4-го порядка, что повышает уровень адекватности систем и принятых модельных представлений исследуемых пучков, упрощает процесс измерения, снижает уровень энергопотребления из исследуемого пучка до ПО -Ю-0)^.

Оптимальным является применение КД при проведении прецизионных измерений поперечник параметров к характеристик сильноточных пучков: например, профиле« е лгаеПних ксллайдерах, в каонных Фабриках•

3. Численное моделирование процессов взаимодействия зондирующих у. исследуе^тх лучкор г оказало, что физической основой действие датчккоз КЗ является кулоноиское взаимодг.Рстзие заряженных зондирующих част:ш с электрическим полем исследуемого пучка. Доказана возможность измерения инт2гр5льн0-ди'[-:ер"нпнальнм.": профилей пучков с произвольным распределенном чаетвд в его поперечном сечении, рассмотрены метрологические характеристики корпускулярного зондирования. Получены теоретические значении:

-- пространственной разрешающей способности - 20 нм:

- токовоГ; чувствительности. ТО^З/А при пороговой токовой чувствительности 1С нА;

- разрешающей способности при .измерении расходимости 10"0

рад;

- частотного диапазона (0-100) МГп^

- величины шунтового импеданса датчика КЗ менее 0,04 Ом.

4. Проведенные экспериментальные «©еяедовакил датчиков КЗ на пучках ионов Н~, дейтронов и протоноз с энергиями в диапазоне (15-750)кэБ, с токами в диапазоне (0,1-50) мА при диаметрах пучков от 5 до 40 мм позволили подтвердить реализуемость основных теоретических предположений, псяучить хорошее соответствие теоретических и экспериментальных данных, например, по величине чувствительности при определении положения яентрз тяжести

и полного тока пучков Ю'ТЗ/А, по' диапазону изменения угла отклонения зондирующего пучка (0-101 мрад, по пространственно? разрешающей способности для использованного позипионно-чувствитоль-ного детектора в'виде разрезного коллектора - 50 мкм. Разработаны методики измерений, накоплен'опыт проектирования датчиков КЗ.

28

Исследована работа датчиков ТСЗ з условиях почта полкой (90^) нейтрализации заряда исследуемого пупка и их помехоустойчивость. Разработано программное обеспечение для управления датчиком КЗ с помощью микро-ЗЗМ и реконструкции измеряемая параметров.

5. Экспериментальные исследования оиявияя оексзнуе недостатки корпускуляркой диагностики гтучкоз, к которым следует отнести; слоянести реализации датчиков КЗ, связанные с использованием в них злионно-оптичсских систем; низкую помехоустойчивость датчиков к воздействиям внешних электромагнитных полей, например, внешнее магнитное поле должно быть менее 0,4 Гс, что связано с низкой (1-2) кзВ энергией зондирующих частиц? необходимость реконструкции измеряешь параметров, связанная с решением обратной задачи; ограничение частотного диапазона свер:<у, связанное с конечным (~Ю ксек) временем пролета частиц зонда через область, занятую исследуемым пучкса.

6. Проведены теоретическая разработка и метрологический анализ способов измерений, систем и датчиков, реализующих методы КЗ при измерениях токз, средней энергии, ксс;М£ипиента нейтрализации, пробилположение и рксходимости пучков, защищенные II авторскими свидетельствами на изобретения. Эти разработки могут случить основой для Еирокогс внедрения КД б ускорительную технику.

7. Разработаны инкенернме основы проектирования датчиков КЗ, создан алгоритм проектирования диагностических станций, обеспечивающих измерение от I до 12 различных параметров пучков на разных участках ускорительны?: установок, предложена техколо-

. гия изготовления электронных пушек с прямонакальными вольбрамо-здаи катодами. Проведено сравнение датчиков КЗ с .датчиками других типов.

Таким образом, в диссертационной работе проведена научпи-обосноз?.чная разработка метода корпускулярного зондирования для диагностики пучков ускоренных заряженных частиц, заключающаяся в комплексном теоретическом и экспериментальном исследовании возможностей метода, его применимости и з практической реализации ряда датчиков, что обеспечивает повышение метрологического уровня средств и методов современной диагностики пучков в уско-" рительной технике.

Основные результаты диссертации опубликована в следующих работах:

1. Воронцов В.А.. Шестак В.П. , Эриванский ¡O.K. Оиенка возможностей применения электронных зондов для диагностики релятивистских пучков заряженных частиц. / Б кн.: Ускорители заряженных частиц. М. : Энергоатокиздат, 1033, С.90

2. Агибалов В.А. , Карпов А.В., Вестак В.П. Диагностика пучков заря.генных частиц методами корпускулярного зондирования.' Тез. докл. XII Бсес.совев.по ускорителям заряженных частшд. М.: изд. ИТЭФ, 1990, С.37

Агибалов В.А., Воронцов В.А.. Шсстак В.П. Диагностика пучков заряженных частиц истодом электронно-лучевого зондирования М.: изд.МИФИ, препринт 079-88. 1088, С. 12 ■

■5. Агибалов Б.А., Шеста к Б.П. Унификация первичных преобразователей параметров пучков ускорении* з.чря.т.енных частиц. Тез. докл. 5-го Всс-с. совсаания по применений ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. Л.: Изд. ,, НИИЭФА, 1935 , С.262

5. Ворониоз В.А., Шестак В.П. Математическое моделирование преобразователей параметров пучков оараженпмх частиц на основе электронно-лучевого зондирования. "1 г- с- докл. 8-го Всес. семинара по линейным ускорители заряженных ча.:тиц. Карьков, 1980, С.65

6. Воронцов В.Л., Шестак В.П. 1'асчет взаимодействия алектронного зондирующего пучка со сгруппированным ионным пучком. / В кк.: Лкпемныс ускорители. М. : Энсргоа т оми \ч.а г. i 53 7. С.69

7. Воронцов В.А. , Шестак B.R, О возможности определении двумерной фазовой плотности пучка заряженных частиц метопом электронно-лучевого зондирования. Анн.локл. XI Всес.семинара по линейным ускорителям заряженных частиц.. Карьков. 19S9. C.5Y

8. Данилов В.Д., Шестак В.П. Морфологический подход при ' проектировании первичных преобразователей. Тез. докл. Зсес. конф. .НТО им. С.И. Вавилова "Информационно-измерительние системы и точность в приборостроении". М.: изд.МИЭм, 1984. С.ЬС

9. Шсстак В.П. Принципы получения информации о пучках заряз;енных частиц. / В кн.: Физика и техника линейных ускорителей. М.: Энергоатомпздат. 1985, С.21

10. Еестак В.П. Информационный критерий выбора метода измерений физических величин. Тез.докл. 3-его Всес.совет."Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф-май 1991. М.: Изд.МЙЭМ, 1991, C.1Z0

11. Агибалов В.А".. Шестак 8.П. Мн огоФункц и онал ькыг

измерительные преобразователи параметров п?."Чков зарлл.енних частиц. Тез. докл. 2-го Всес.совещания "Датчики :« преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Гурзуф- иай 1390, М. : изд.МНЭМ, 1393. С.72

12. Разработка системы диагностики ускоренных ионных пучков на основе электронного зондирования, Агибалов S.A., Воронцов В.Л.. Шестая В.П. и др. / 3 кн.: Физика к техника линейных ускорителей. К.: Энергоатомизлат, 1S85, С.35

13. Агибалов В.п., Иестак В.П. Алгоритмическое снижение погрешностей 'лзмеренкя параметров пучков заряженны?1. частиц метод он электронно-лучевого зондирования. ,// Измерительная техника. 5. 1991, С. 57

14. Shestbk '/., Kost С., Barge R. et al. Electron bea.-n proba for icn beam diagnostica. THIUMF, Vancouver, TKI-DN-37-3S, 19S7, 32?.

15. Исследование возможностей метода электронно-лучевого зондирования для диагностики пучков иезочней и каонной Фабрик ИНН АН СССР. / Рук.работ Шесчак Б.П.: Агибалов S.A., Воронцов

B.А.. Коршуне» A.M. и др. Отчет по НИР tí 02.9.10.010069,

16. Андреев A.B., Карлов A.B., ¡Be ста к В.П. Способ определения коэффициента нейтрализации заряда пучка заряженных частиц. АС СССР » 1683486, БИ » 37, 19Э1

17. Зоронйлз 8.А., Жестак В.П. Измерение степени нейтрализация ускоренных пучков заряженных частиц с помощью электронно-лучевого зондирования. Труды XI Зсес.соЕещ, по ускорителям глряхенных частиц. Дубка, изд.ОИЯИ, 1939, •?.!,

C. 189

13. Агибалов З.А., Коршунов A.M., Иестак В.П. Система измерений параметров пучка Московской мезонной Фабрики. Тез. докл. 3-его Всес. совещания "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурэуф-кай 1991. М.: Изд.НИЭМ, 1991, С.32

19. Васидьеза В.И., Когтев В.В., Еестак В.П. Способ измерения профиля пучков заряженных частиц. АС СССР »1722203, БИ S- 11, 1992

20. Агибалов я А Воронцов В.А., Шестак В.Л. Кевезмущах'ииг измерени.-- тофиля пучкоз зараженных часткц методом электронно-лучевого .-чдирования. Тез.ппкл. в-го Всес. совещания л у применению ускорителен в :--с1лном хоз»»'." i Ленинград. М. : ЦН.ИИатоминфсрм, 1988, С.

21. Способ измерения энергии модулированных пучков заряженних частиц. Агибалов В.А., Воронцов В.А., Демиденкс В.В., Шестак В.П. АС СССР, Я 1461363, 1986

22. Агибалор В.À.. Еестак В.П., Эриванский ¡O.K. Способ измерения тока пучка заряженных частиц. АС CCCF, «1155073. 1S83

23. Воронцов В.А.. {Осста»; Б.П.. Эриванский Ю.К. Способ определения тока пучка ускоренкых заряженных частиц. АС СССР, и. 1276100, 1985

24. Шестак Б.П., Воронцов Б.А. Система измерения угловой расходимости пучка заряженных частиц. / В отчете по НИР, 9/51, разд.З, М.: МИФИ, 1902, С. 65, 20 С. I

25. Шестак В.П. , эриванский Ю.К. Спосо.б измерения параметров пучков ускоренных зарязеннмя частиц. АС СССР, Я 184040, 1933 :

26. Воронцов В.А., Шестак В.П. Способ siCMopetiiin параметров пучков заряженных частиц. АС СССР. U220200, Î9B6

27. Агибалов В. А., Данилов В. Д.. Шеста г. В,П, Способ определения параметром пучков ускоренном зарих^ннмх частии. АС СССР, К 2ЭС08Е, 1938

28. Шестак В.П., Воронцов В.А., ''риванекчй Ю.К. Устройство регистрации отклонения зондирующих пучков пргппчионной си ст,. измерения расходимости ленточного пучка. / В отчете по НИР, 9/367, разд.З, М.: МИФИ, 1983, С.68, 15 С..

I 29. Шестак В.П., Воронцов В.А., Агибалов В.А. Расчет и j экспериментальные исследования элементов систем)' |;чм.грс:п-!Л ■ угловой расходимости ПСМ-ЗР. / Ь отчете по НИР, 10/5О7, р:;зд.4,

К.: МИФИ, 1985, С.77, 21 С. ! 30. Агибалов B.fi. , Воронцом Б.А., Шестак В.П. Разработка j системы измерения угловой расходимости ионных пучков с во/.миими I поперечными сечениями. / В отчете по НИР, 10/825, разд.з. К.: ! МИЗИ, 1037, 19 С.

1 31. Shestak V. Electron bocim probe ln radiation

proces£iing. Talk Eivcn at Knrlaruhe, Germany, Exibition "UdSiTi Technolosie", Apr.1991, Katalog. » 11-21 j 32. Шестак В.П. Оптимизация систем контроля I те-хнологических пучков. Тез.докл. 5-ой конф. "Ионно-лучегая | техника, технология и оборудование нонноЯ имплантации", j Гурзуф-окт.1991, M.: Вакууммаи, 1991, С.105

I I

¿УУ=

I ¿о "Ь

Jk-

-2 гл.

a *

/

//

/ /

J л' /

елло.туемки '' /

пучок /-> /

Ш -/ X

. /

P.:c. I Модель "ззапмо^оиствля зокда с ллслсдускку пупком

АН, tf, I02

Fnc.2 "Кт»:выо отклонения"

Л/С^—

I \/\"кр::пак / ^ отклонения' * /1

1 j v— птэтэктшя

f I ' Суикция

пропз водно/i / 'f-[f~(zf]

"ктэнвси > / i

отклонен:-:,?'-' / i

4«.----

-5 U 5 у, мл

Рие.,3 Реконструкция поперечного профиля пучкэ. ионов Н~ (энергия 15 кэЗ, ток 500 мяА, радиус пучка 5мм, параметрл=с

< Г j

! | i » i L,...,,I-

/ лектор I -у. I™»—-• Л5-".лск'рор2( { t"~* £»

ПУЧОК

«Ifri-лекторЗ I; i Коллектор

fire»4 СгруктугийЯ сх'зг.га датчика корпускулагжого зондитованця

i ' £ • 1 Р 0 s Ö)

л * » • л..

i * * е * / V) ч »

¡ /

-2 О I у , ;.:Ï,i

Рис,5 Реконструкция протиля пуч2:а попов Ы~

а) нейтрализация~ 9Cf,í

б) измерения проволочным зондом

-ю 0 10 у, Ш

Рис.6 Реконструкция прогТ-пля п^лша протоноь

а) нейтрализация ~ ЗО'Л

б) "очи:ijeram" пучок

Рис.7 «Двухкоордикаткая диагностическая станция корпускулярного зондирования