ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.05
протонный микроскоп на ускорительном
комплексе твн-итэф
© 2014 г. А. В. Канцырев*, А. А. Голубев*, А. В. Богданов*, В. С. Демидов*, Е. В. Демидова*,
Е. М. Ладыгина*, Н. В. Марков*, В. С. Скачков*, Г. Н. Смирнов*, И. В. Рудской*, А. П. Кузнецов*, А. В. Худомясов*, Б. Ю. Шарков***, С. В. Дудин***, С. А. Колесников***, В. Б. Минцев***, Д. Н. Николаев***, В. Я. Терновой***, А. В. Уткин***, Д. С. Юрьев***,
Н. С. Шилкин***, В. Е. Фортов***, В. И. Туртиков****, В. В. Бурцев*****, М. В. Жерноклетов*****, Н. В. Завьялов*****, С. А. Картанов*****, А. Л. Михайлов*****, А. В. Руднев*****, М. В. Таценко*****, Д. В. Варенцов******, Л. М. Шестов******
*ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Россия,117218, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 E-mail: kantsyrev@itep.ru **FAIR Facility for Antiproton and Ion Research in Europe GmbH Planckstrasse 1, 64291, Darmstadt, Germany ***Институт проблем химической физики РАН Россия, 142432, Черноголовка, просп. Академика Семенова, 1 **** Некоммерческая организация Фонд развития Центра разработки и коммерциализации новых технологий (Фонд "Сколково")
Россия, 123610, Москва, Краснопресненская наб., 12 ***** РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607188, Саров, просп. Мира, 37 ****** GSi Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung Planckstrasse 1, 64291, Darmstadt, Germany Поступила в редакцию 07.05.2013 г.
На ускорительном комплексе ТВН-ИТЭФ (тераваттном накопителе ИТЭФ) создана протонно-ра-диографическая установка с применением магнитной оптики (протонный микроскоп ПУМА), которая позволяет проводить измерения распределения плотности вещества внутри статических и динамических объектов с помощью пучка протонов с энергией 800 МэВ. Протонно-радиографическое изображение изучаемого объекта, помещенного в предметную плоскость установки, формируется в плоскости детектора с коэффициентом увеличения К = 4 с помощью магнитооптической системы, состоящей из четырех квадрупольных линз на постоянных магнитах. Установка рассчитана на проведение измерений объектов с массовой толщиной до 20 г/см2 при поле обзора диаметром до 20 мм. Пространственное разрешение радиографических изображений существенно зависит от массовой толщины исследуемого объекта и для установки ПУМА составляет от 60 до 115 мкм при толщине объектов от 0.46 до 17 г/см2 соответственно. Временная структура протонного пучка, состоящая из четырех импульсов длительностью 47 нс (ш.п.в. — ширина на полувысоте) каждый с интервалом между ними 250 нс, позволяет исследовать динамическое состояние вещества в четырех последовательных радиографических кадрах. Данная статья посвящена описанию конструкции протонного микроскопа. Приведены основные метрологические характеристики установки на примере экспериментов со статическими и динамическими объектами.
БОТ: 10.7868/80032816214010169
ВВЕДЕНИЕ
Существующие радиографические установки на ускорителях протонов в США [1, 2] и России [3—5] наглядно показали преимущества метода протонной радиографии по сравнению с традиционными рентгенографическими методами диагностики при исследовании плотных объектов, особенно в динамических опытах. Наилучшее пространственное разрешение для протонной ра-
диографии было получено на установках с увеличением изображения, построенных по схеме протонного микроскопа [2]. До настоящего времени в России аналогов подобных установок не существовало.
Целью данной работы являлось создание на протонном ускорителе ИТЭФ протонно-радио-графической установки с магнитной оптикой (протонный микроскоп ПУМА), предназначен-
Исследуемый Плоскость Фурье И
Рис. 1. Схема расположения магнитных элементов и траектория пучка протонного микроскопа ПУМА.
ной для измерения распределения плотности статических и динамических объектов при проведении фундаментальных и прикладных исследований в области физики высокой плотности энергии в веществе, радиобиологии и материаловедения.
МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОТОННОГО МИКРОСКОПА
Схема протонного микроскопа на квадруполь-ных линзах, выполненных из постоянных магнитов (постоянные магнитные квадруполи), была впервые реализована на ускорителе ЬАМ8СЕ (США) [2].
Протонный микроскоп ПУМА создан на быстром выводе пучка протонов ускорительно-накопительного комплекса ТВН-ИТЭФ [6] и является частью многофункционального экспериментального комплекса ПРИМА. При проектировании установки ПУМА ставилась задача размещения элементов протонного микроскопа на той же линии транспортировки пучка, на которой ранее были выполнены первые динамические эксперименты с помощью протонной радиографической установки с квадрупольными электромагнитным линзами [3]. Для решения поставленной задачи было предложено использовать квадрупольные линзы на постоянных магнитах (п.м.к.), имеющие высокий градиент магнитного поля при малых геометрических размерах.
Схема магнитной оптики всей установки представляет собой систему из 7 магнитных квадру-польных линз (рис. 1). Три электромагнитные квадрупольные линзы МЛ-15 (1—3) обеспечивают оптимальные параметры (размер и угловые характеристики) протонного пучка в плоскости размещения исследуемого объекта М и частично компенсируют аберрации установки.
Для формирования и увеличения изображения объекта в плоскости регистрации И используется система из четырех п.м.к.-линз (4—7). Настройка резкости изображения производится продольным перемещением п.м.к.-линз. Магнитная оптика протонного микроскопа спроектирована таким образом, что в середине измерительной части (между линзами 5 и 6) формируется так называе-
мая плоскость Фурье К, в которой происходит промежуточная фокусировка пучка и разделение в пространстве (по расстоянию от оси пучка) протонов, набравших в исследуемом объекте различные углы многократного кулоновского рассеяния (м.к.р.). В эту точку для улучшения контраста получаемых изображений помещается коллиматор или антиколлиматор, обеспечивающий отбор протонов, имеющих определенный угол м.к.р.
Определение плотности в исследуемом объекте производится после обработки радиографических изображений, получаемых с помощью регистрации на п.з.с.-камеры по свечению сцинтилля-тора, расположенного в плоскости регистрации. Процедура обработки протонно-радиографиче-ских изображений представлена на рис. 2. На первом этапе обработки из полученного протонно-ра-диографического изображения вычитается "черный фон" — изображение, полученное п.з.с.-камерой в отсутствие пучка. Это позволяет компенсировать дефекты изображения, вызванные работой самой п.з.с.-матрицы. Далее производится деление полученного изображения на изображение "белое поле", полученное в отсутствие объекта, из которого так же было вычтено изображение "черного фона". Это позволяет устранить вклад в результирующее изображение дефектов в сцинтилляторе, оптической системе регистрации изображений и неоднородности поперечного профиля пучка.
Таким образом, получаем изображение исследуемого объекта в единицах трансмиссии пучка протонов. Ее величина в плоскости регистрации определяется процессами ядерного взаимодействия и многократного кулоновского рассеяния в объекте. Трансмиссию пучка, зависящую от процессов ядерного взаимодействия, можно записать в виде выражения [1]:
Тпис! = в (1)
где х, г/см2 — массовая толщина исследуемого объекта; Хс — ядерная длина взаимодействия.
Трансмиссию пучка, определяемую процессами кулоновского рассеяния в исследуемом объекте, можно записать в следующем виде [1]:
Протонно-радиографическое изображение объекта
"Черный фон"
«
Вычитание
С
/
Деление
"Белое поле" Трансмиссия протоннго пучка Рис. 2. Процедура обработки радиографических изображений.
Т = 1 - е
mrv
-0с2/202
(2)
где 9С — угловой аксептанс установки, определяемый диаметром коллиматора; 9 — средний угол многократного кулоновского рассеяния, значение которого определяется выражением [7]:
13.6 МэВ jx lx0
pßc
1 + 0.038ln—
xo_
(3)
где х0 — радиационная длина взаимодействия; р — импульс протонов пучка; Рс — скорость протонов в пучке, выраженная по отношению к скорости света с.
Результирующую трансмиссию пучка в плоскости регистрации запишем в виде
T = е
-x Ac
/öcPßCl ¿О 1 _ е' 13.6 ' 2x
V
(4)
у
Параметры Хс и х0 определяются химическим составом объекта. Параметр 9С позволяет настраивать оптимальную контрастность изображений с помощью изменения диаметра коллиматора. Таким образом, измеряя трансмиссию пучка, из выражения (4) с учетом знания химического состава исследуемого объекта можно определить значение х массовой толщины объекта. В случае известной геометрии объекта, используя значение х, можно рассчитать значение объемной плотности объекта.
РАСЧЕТ ИОННОИ ОПТИКИ ПРОТОННОГО МИКРОСКОПА
Расчеты магнитной оптики микроскопа были выполнены в работе [3] с помощью программы COSY INFINITY [8]. Протонный микроскоп настраивался на коэффициент увеличения K = 4. Направление полей в квадрупольных линзах чередуются в следующей последовательности: Д -Ф - Д - Ф - Д - Ф - Д, где Ф и Д - фокусировка и дефокусировка пучка протонов квадрупольны-ми линзами в вертикальной плоскости.
Для описания схемы квадрупольных линз установки используется матричный формализм описания систем магнитной оптики. Для частиц пучка с разбросом по импульсу А = dp/p в плоскости установки объекта с начальными координатами (x, ф) конечная координата в плоскости регистрации выражается следующим образом:
Xf = Mnx + М12Ф + ТшхД + ТшфД, (5)
где Mn, M12, Т116, Т126 - коэффициенты транспортной матрицы: M11 - увеличение радиографической установки; M12 = 0 - условие формирования изображения в плоскости регистрации; Т116, Т126 определяют хроматические аберрации магнитооптической схемы установки.
Влияние слагаемого Т116хД ("поперечный хроматизм") из формулы (5) исключается использованием системы согласования (линзы 1-3 на рис. 1), обеспечивающей угловую корреляцию [3] исходного протонного пучка: ф = wx + 0, где w = -Т116 /Т126. В этом случае выражение (5) перепишем как
Рассеиватель
Вакуумная камера с исследуемым объектом
Сцинтиллятор
Мишень
■ Пучок
Трехосевой манипулятор
С
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.