ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 11, с. 44-48
УДК 537.567:621.387
ВЫСОКОВАКУУМНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА С ВЫСОКИМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ ДЛЯ МОНИТОРИРОВАНИЯ ПУЧКА СИ
© 2011 г. А. В. Косов, Э. А. Купер, М. А. Шеромов
Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 12.01.2011 г.
Экспериментально исследована возможность применения ионизационной камеры с разрезным коллектором в вакууме 10-4—10-5 Па для мониторирования положения пучка синхротронного излучения в реальном времени. Показана возможность измерять положение пучка СИ по вертикали с точностью до нескольких микрометров в условиях высокого вакуума открытого в накопитель ВЭПП-4М канала (в отсутствие бериллия). Две такие ионизационные камеры, работающие синхронно и расположенные одна за другой, могут служить основой системы стабилизации положения пучков СИ в соседних каналах.
ВВЕДЕНИЕ
Использование ионизационных камер с разрезным коллектором для мониторинга положения пучка синхротронного излучения (СИ) известно довольно давно [1, 2]. Не внося возмущений в пучок, такие камеры достаточно надежны в работе и обеспечивают высокую точность измерений, достигающую несколько микрометров и выше. Ранее нами была проведена работа по исследованию такой ионизационной камеры [3] на станции № 5 накопителя ВЭПП-3 на "белом" пучке СИ. Эксперимент показал высокую чувствительность, измеряемую единицами микрометров. При этом полость камеры была заполнена аргоном при давлении 5 х 104 Па.
Мониторирование пучка СИ в "открытых" каналах, т.е. в каналах, вакуум в которых является общим с вакуумом накопителя (отсутствует бериллиевая разделительная фольга), является в настоящее время важной и насущной задачей. При этом особенно существенно, чтобы монитор не вносил возмущений в пучок СИ. В связи с этим было сделано предположение о возможности использования монитора, описанного в [3], при давлении в нем, соответствующем условиям во фронтэндах. Настоящая работа была выполнена на открытом канале № 10 накопителя ВЭПП-3 Института ядерной физики СО РАН, (рис. 1). Секции канала откачивались безмасляными вакуумными насосами до давления порядка 10-5—10-6 Па. Канал оснащен собственной аварийной системой безопасности.
ра в присутствии пучка СИ состояла из двух частей. Первая — исследование в области высокого вакуума; при этом вакуумный затвор 3 (рис. 1) был открыт, и спектр пучка СИ представлял собой стандартный спектр при энергии в накопителе 2.0 ГэВ, а ток пучка СИ в накопителе варьировался в пределах 50— 110 мА. По мере повышения давления в канале, в зависимости от настройки порогов срабатывания системы безопасности, последняя неизбежно должна была аварийно отсечь канал. В силу специфики конструкции запорных элементов дальнейшая работа на канале становилась проблематичной. Этим обстоятельством была ограничена возможность провести измерения чувствительности в области среднего вакуума. Для того чтобы провести измерения по чувствительности при более высоком давлении был закрыт вакуумный затвор 3, при этом излучение из накопителя проходило через бериллиевую фольгу, встроенную в затвор. Спектр пучка СИ при этом терял часть значений энергии ниже 1.5—2 КэВ.
На рис. 2 приведены результаты измерений для обоих диапазонов давления. Сравнивая левую и правую кривые, можно видеть, что подавляющий вклад в интенсивность сигнала с монитора обеспечивает именно та часть спектра пучка СИ, которая "обрезается" бериллиевой фольгой. Можно также предположить, судя по ходу левой кривой в ее "высоковакуумной" части, что при дальнейшем понижении давления в объеме монитора до 10-6—10-7 Па сигнал с монитора будет достаточно большим для надежного измерения положения пучка СИ.
ЗАВИСИМОСТЬ УРОВНЯ СИГНАЛА С КОЛЛЕКТОРОВ ОТ УРОВНЯ ДАВЛЕНИЯ В ОБЪЕМЕ КАМЕРЫ
В силу конструктивных особенностей канала № 10 задача определения уровня сигнала от монито-
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА КАК МОНИТОР ПОЛОЖЕНИЯ ПУЧКА СИ ПРИ ВЫСОКОМ ВАКУУМЕ
Основной задачей данной работы являлось исследование метрологических характеристик иони-
Рис. 1. Общий вид канала № 10 накопителя ВЭПП-3: 1 - цельнометаллический затвор; 2 - щели; 3 - цельнометаллический затвор с бериллиевым окном; 4 - расположение внутренних электродов; 5 - манометрический преобразователь; 6 - натекатель; 7 - монитор; 8, 9 - сварные сильфоны; 10 - подвижка И2-160 с системой управления.
зационной камеры с разрезным коллектором в качестве монитора положения пучка СИ при давлении в объеме камеры 10-4—10-7 Па. Схема экспериментального участка приведена на рис. 3. Пучок СИ, поступающий из щелевого приемника излучения, расположенного в начале фронтэнда через открытый затвор 1, формируется в горизонтальной плоскости входными рентгеновскими щелями 2. Правая и левая губки щели двигаются независимо друг от друга так, что регулировать можно и положение пучка по горизонтали, и ширину пучка. Для визуализации пучка снизу вводится люминофор. Коллимирован-ный таким образом пучок проходит затвор 3, в зависимости от задачи, с закрытой заслонкой (тогда излучение проходит через бериллиевую фольгу толщиной 200 мкм) либо с открытой заслонкой, и тогда спектр излучения не обрезается. Далее пучок проходит через область действия электрического поля, создаваемого электродами 4 и внешним источником высокого напряжения. Вакуумные условия в камере контролируются с помощью манометрического преобразователя 5 типа РВЯ-260. Изменять вакуумные условия в некотором диапазоне можно было с помощью натекателя 6. Ионизационная камера (монитор) встроена в канал через сильфоны 8 и 9. Сильфоны позволяли двигать монитор вверх и вниз с помощью подвижки 10 на расстояние порядка ±5 мм. В измерениях при перемещении монитора по вертикали использовался шаг 200 мкм. Для того чтобы исключить зависимость показаний ионизационной
камеры от тока в накопителе, мы пользовались безразмерной функцией
вд, и2) = (и - и2)т +
Здесь и1 — напряжение на верхней пластине разрезного коллектора, и2 — напряжение на нижней пластине. Разность этих сигналов характеризует положение пучка относительно оси камеры, а сумма их
I, (А) 10-5 -
10
—6
10
—7
101 X 10-51 X 10-41 X 10-3 0.01 0.1
10 Р, Па
Рис. 2. Зависимость суммарного тока с обеих пластин ионизационной камеры от вакуума в ее объеме. Левая кривая - сигнал без бериллия, правая - с бериллием. Ток электронного пучка в накопителе 100-90 мА.
1
46
КОСОВ и др.
СИ
Рис. 3. Схема экспериментального участка канала №10 ВЭПП-3: 1 - затвор, 2 - формирующие входные щели, 3 - затвор с бериллиевой диафрагмой, 4 - высоковольтные электроды, 5 — манометрический преобразователь, 6 - натека-тель, 7 - монитор, 8, 9 - сварные сильфоны, 10 - вертикальная подвижка и/-160.
прямо пропорциональна интенсивности пучка СИ и току электронов в накопителе. То есть безразмерная функция У( Ц1, и2) отражает только взаимное положение пучка СИ и камеры.
На рис. 4 показан пример калибровки монитора. Приведена зависимость функции от рас-
стояния между осью монитора и осью пучка СИ Н, которое выражается в единицах шага, равного
-25 -20 -15 -10 -5
10 15 Н, мм
Рис. 4. Калибровка монитора. Давление в камере монитора - 10-4 Па, ток в накопителе 99.5-95 мА. Справа дана шкала Нс(мм) = А ■ У, рассчитанная при А = 10137 мкм.
200 мкм. Сплошной линией показаны экспериментальные данные, пунктирной - линейная экстраполяция, посчитанная по 12 экспериментальным точкам вблизи нулевого значения функции У Отсюда легко вычислить величину соответствия по изменению высоты оси монитора над осью пучка СИ Нс (смещение, измеренное ионизационной камерой) и значению функции У: Нсс(мкм) = А(и1 - ^)/(Ц1 + + и2), А = 10137 мкм. Здесь Нс - расстояние между осью камеры и осью пучка СИ.
На рис. 5 приведен график разности между этой линейной экстраполяцией и экспериментальной кривой, разность А У приведена в единицах У Данный график позволяет в первом приближении оценить разброс и отклонение от линейности экспериментальных данных. Видно, что в диапазоне ±1.6 мм перемещения камеры по вертикали отклонение не превышает 5 мкм. Аналогичные эксперименты, проведенные для другого экземпляра ионизационной камеры, дали весьма близкие характеристики, что может свидетельствовать о неплохой воспроизводимости в технологии изготовления. Характерную ¿'-образную форму обеих экспериментальных кривых можно объяснить, вероятно, краевыми эффектами электрического поля в объеме монитора. Расширить линейный участок тарировки монитора можно либо увеличивая общую высоту обеих пластин, либо уменьшая расстояние между ними. Оба варианта имеют как плюсы, так и минусы. Выбор тех или иных параметров геометрии всей электродной
0
5
системы будет определяться условиями общей задачи в конкретном месте канала.
ВЛИЯНИЕ ФОТОЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ОБЪЕМА КАНАЛА СИ
Важным вопросом при применении исследуемого монитора является влияние фотоэлектронов, порожденных пучком СИ в объеме вакуумного канала вверх по ходу пучка. Необходимо исследовать степень этого влияния, и в случае, когда оно велико, найти способы борьбы с ним. Для этого на плоские пластины электродов, расположенные под пучком СИ на расстоянии 15 мм, протяженностью 200 мм подавалось высокое напряжение от внешнего высоковольтного источника. Схема их взаимного расположения показана на рис. 3. Напряжение ступеньками в 300 В поднималось до 1200 В. Результаты приведены на графиках рис. 6 и 7.
Перед измерением монитор устанавливался в определенное положение на оси пучка СИ. После включения записи через некоторое время для определения масштаба эффекта монитор сдвигался вниз на расстояние порядка 200 мкм (рис. 6). Затем на электроды подавалось высокое напряжение и велась запись. Из поведения графика видно, что влияние напряжения отсутствует. Некоторый сдвиг кривой в отрицательную область (10-15 мкм) можно объяснить естественным дрейфом пучка во времени. Это предположение подтверждается характером хода графика на рис. 7, где приведены результаты другого аналогичного эксперимента. Здесь дрейф идет в сторону увеличения значения функции У На этом графике такж
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.