УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в ускорительной технике для измерения распределения ионизирующих частиц в поперечном сечении импульсных пучков.

Известно устройство для измерения пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении пучка или направленного излучения [1]. В нем для получения двумерной информации о распределении плотности потока используются конвертор потока излучения в поток вторичных электронов, коллиматор вторичных электронов и многоэлектродная позиционно-чувствительная ионизационная камера. Такая информация позволяет при лучевой терапии оптимально расположить облучаемый орган пациента. Однако известное устройство имеет недостаточно высокую точность за счет имеющегося в нем конвертора потока излучения.

Известно устройство для визуализации распределения плотности потока в пучке импульсного ионизирующего излучения [2]. В нем для получения двумерной информации применен волоконно-оптический экран, который через волоконно-оптическую линию связи подключен к фотоэлектрическому преобразователю, выход которого соединен с микропроцессором. Однако известное устройство не позволяет получить полную информацию о распределении ионизирующих частиц без нарушения целостности самого пучка.

Известно устройство для неразрушающего измерения распределения плотности тока по сечению импульсных пучков заряженных частиц [3], которое имеет набор коллекторов в виде проводящих пластин, подключенных к регистрирующему устройству и расположенных радиально по отношению к пучку. Радиальные размеры пластин различаются. Пластина минимального размера только касается пучка, максимального размера входит в пучок на половину его диаметра. Сигналы от наведенного пучком тока обрабатываются в регистрирующем устройстве для получения информации о радиальном распределении тока пучка. Однако известное устройство не позволяет получить полную информацию за счет того, что невозможно учесть азимутальное распределение тока пучка и воздействие на пучок введенных в него коллекторов.

Известен датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц [4], в котором использованы извлекающий конденсатор в виде пластин, размещенных по обеим сторонам пучка, анализирующий конденсатор, двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор в виде электронно-оптического преобразователя (ЭОП) с усилителем на микроканальных пластинах (МКП), регистрирующее устройство, выполненное в виде телевизионной камеры. Пластина, к которой движутся ионы остаточного газа, имеет щель, ортогональную направлению пучка. Вдоль щели отсчитывается первая координата распределения плотности пучка. Ионы, прошедшие эту щель, попадают в поле анализирующего конденсатора. Под действием этого поля они направляются на входную поверхность микроканальной пластины усилителя, имея распределение по второй ортогональной координате, повторяющее распределение в пучке. Выходной экран ЭОПа выполнен в виде четырех взаимно изолированных квадрантов. По сигналам с этих квадрантов определяют отклонение пучка от оптимального положения. Однако известный датчик имеет сложную конструкцию, трудоемкий в эксплуатации и имеет недостаточно высокую чувствительность к распределению плотности пучка вдоль второй координаты за счет наличия в его конструкции узкой щели.

Известно устройство для бесконтактной (неразрушающей) диагностики профиля пучка заряженных частиц, использующее ионы остаточного газа [5]. Устройство имеет два плоских параллельных электрода, один из которых выполнен в виде сетки, прозрачной для ионов, две пластины МКП и печатную плату с 32-мя ламелями в виде параллельных проводящих полосок, соединенную с блоком обработки сигналов. Контролируемый поток заряженных частиц находится между электродами и ионизирует остаточный газ. Под действием поля между электродами ионы направляются к МКП. Сигнал распределения зарядов вдоль одной координаты поперечного сечения пучка снимается с ламелей печатной платы. Однако это устройство имеет недостатки, связанные с получением ограниченной информации - только вдоль одной координаты, а также со сложностью обработки информации в блоке обработки сигналов при большом количестве ламелей.

Известно устройство для диагностики пучков [6], наиболее близкое к заявленному изобретению и выбранное в качестве прототипа. Оно представляет собой систему регистрации профиля пучка вдоль одной координаты, включающую ускоряющий электрод, микроканальные пластины и плату с линией задержки, подключенную к блоку обработки сигналов. Поверхность ближайшей к пучку МКП и ускоряющий электрод образуют извлекающий конденсатор.

Недостатком известного устройства является не достаточно полный объем получаемой информация о профиле пучка, так как извлекающий конденсатор позволяет получить распределение извлекаемых ионов только по одной координате.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение объема получаемой информации о распределении ионизирующих частиц вдоль двух ортогональных координат. Это достигается за счет использования еще одной системы регистрации профиля пучка и линий задержки, для которых обработка информации в блоке обработки сигналов менее сложная по сравнению с обработкой информации с большого количества ламелей.

Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для диагностики профиля пучка ионизирующих частиц, содержащее систему регистрации распределения ионизирующих частиц в поперечном сечении пучка, включающую ускоряющий электрод, микроканальные пластины, печатную плату с линией задержки, соединенную с блоком обработки сигналов, согласно изобретению имеет расположенную вдоль направления пучка ионизирующих частиц ортогонально системе регистрации распределения ионизирующих частиц такую же систему регистрации, печатная плата которой соединена с блоком обработки сигналов, линии задержки на печатных платах имеют форму меандра а блок обработки сигналов имеет по две пары входов для каждой из ортогональных систем регистрации.

Общими признаками с прототипом являются ускоряющий электрод, микроканальные пластины, печатная плата с линией задержки, соединенная с блоком обработки сигналов.

Схема заявленного устройства приведена на Фиг. 1. Одна из систем регистрации более наглядно показана на Фиг. 2.

Устройство состоит из ортогонально расположенных ускоряющих электродов 1 и 6, микроканальных пластин 2, 3 и 7, 8, печатных плат с линией задержки 4 и 9. Последние соединены с блоком обработки сигналов, имеющим 2 входа для каждой печатной платы. Относительно контролируемого пучка ионизирующих частиц устройство располагается так, чтобы пучок находился в области между элементами 1, 2, 6, 7. На Фиг. 1 направление пучка считается ортогональным рисунку, на Фиг. 2 это направление показано стрелкой.

Устройство работает следующим образом.

Пучок ионизирующих частиц, проходя между ускоряющим электродом 1 и микроканальной пластиной 2 системы регистрации, ионизирует остаточный газ. Так как между ускоряющим электродом 1 и регистрирующей поверхностью микроканальной пластины 2 есть напряжение, то образовавшиеся ионы дрейфуют в электрическом поле к поверхности микроканальной пластины 2. В каналах пластин 2 и 3 от каждого иона за счет эффекта вторичной эмиссии происходит образование сгустка зарядов гораздо большей величины по сравнению с зарядом иона. Положение этого сгустка вдоль одной координаты определяется по сигналам с линии задержки на плате 4, которые поступают в блок обработки сигналов 5.

Аналогично работает другая система регистрации, состоящая из ускоряющего электрода 6, микроканальных пластин 7 и 8 и печатной платы с линией задержки 9, соединенной с блоком обработки сигналов 5.

Блок обработки сигналов 5 имеет по два входа для каждой из ортогональных систем регистрации, так как сигнал о наведенном от зарядов токе поступает с двух концов каждой из линий задержки.

Линия задержки на каждой печатной плате имеет форму меандра. Такая форма наиболее удобна для планарных замедляющих структур.

Заявленное устройство было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты апробации приведены ниже в виде конкретного примера реализации макетного образца на вакуумном стенде с электронным оборудованием (Фиг. 3) с пояснением его работоспособности

В вакуумной камере 10 установлен альфа-источник узконаправленного ионизирующего излучения с возможностью его перемещения вдоль одной координаты, а также размещены ускоряющий электрод 1, микроканальные пластины 2 и 3, печатная плата с линией задержки в виде меандра 4. Вакуум в камере обеспечивается форвакуумным насосом 14, азотной ловушкой 15 и магниторазрядным насосом 13, соединенным фланцами 12 с камерой. Напряжение на микроканальные пластины подается от высоковольтного источника питания 16 через делитель 17, расположенный на съемном фланце 11. В качестве блока обработки сигналов 5 применен крейт КАМАК 18 с компьютером 27. Для обработки сигналов с линии задержки были использованы быстрые усилители 19, формирователи 20, преобразователь время - амплитуда 21, преобразователь амплитуда - код 22. Сигналы из вакуумной камеры поступают через гермовыводы 25 по кабелям 26.

Приведенный пример конкретной реализации заявленного устройства позволяет определить изменение числа регистрируемых ионов при прохождении около микроканальных пластин альфа-частиц в зависимости от координаты их пролета. При изменении координаты источника имитируется пучок частиц с заданным профилем. Главная информация, которая важна при настройке ускорителей, - положение центра тяжести пучка. Это положение, определяемое по результатам измерений, с точностью до погрешностей измерения совпадает с заданным. Аналогичные измерения проведены при азимутальном развороте на 90 градусов ускоряющего электрода, микроканальных пластин и печатной платы. Результаты получены аналогичные.

При изготовлении заявленного устройства в заводских условиях выполнима более удобная в применении конструкция в едином корпусе с окнами для пучка и блоком обработки сигналов на основе известных электронных компонентов.

Таким образом, полученные данные проверки работоспособности устройства показали возможность ее использования для двумерной диагностики профиля пучка ионизирующих частиц, что существенно повышает объем и качество получаемой информации.

Литература

1. Тюрин Г.П., Румянцев Б.В., Тренкин В.А., Дмитриев В.Д. Драпчинский Л.В. Устройство для измерения пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении пучка (импульсного и непрерывного) направленного излучения высокой интенсивности и энергии фотонов и локализации отдельных органов пациента. Патент РФ №2334251, МПК G01T 1/29, 2008.

2. Демьянович М.В., Евреев А.И., Казачков Ю.П. Устройство для визуализации распределения плотности потока в пучке импульсного ионизирующего излучения. Патент РФ №2019858, МПК G01T 1/29, 1994.

3. Логачев Е.И., Ремнев Г.Е., Толопа A.M. Устройство для неразрушающего измерения распределения плотности тока по сечению импульсных пучков заряженных частиц. Патент РФ №1021264, МПК G01T 1/29, 1994.

4. П.Ю. Комиссаров, В.А. Резвов, А.А. Рощин и др. Датчик поперечного распределения плотности пучка ускоренных частиц. Патент РФ №2033630, МПК G01T 1/29, 1995.

5. А.А. Балдин, А.И. Берлев, И.В. Кудашкин и др. Детектор на основе микроканальных пластин для контроля пространственно-временных характеристик циркулирующего пучка нуклотрона. // Письма в ЭЧАЯ”, 2014, Т. 11, N 2 (186), с. 209-218

6. Валиев Ф.Ф., Виноградов Л.И., Касаткин В.А. и др. Координатно-чувствительный детектор для диагностики пучков // Тезисы докладов 48-го международного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. 1998. Л.: Наука. С. 306 (прототип).