CC BY
14
УДК 539.1.08
МОНИТОР ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА НА ОСНОВЕ ЧЕРЕНКОВСКОГО СЧЕТЧИКА
В. И. Алексеев, В. А. Басков, О. Д. Далькаров, А. В. Кольцов, А. И. Львов, И. А. Мамонов, Л. Н. Павлюченко, В. В. Полянский
Описана конструкция быстрого монитора релятивистского электронного пучка на основе черенковского счетчика, способного определять интенсивность в диапазоне 106 — 1011 электрон/сек.
Ключевые слова: черенковский счетчик, электронный пучок, интенсивность пучка.
В связи с задачей создания магнитооптического канала транспортировки высокоинтенсивного релятивистского электронного пучка (100-500 МэВ), выведенного из синхротрона С-25З "Пахра" Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) в экспериментальный зал, требуется монитор, который должен контролировать в режиме on-line интенсивность пучка на всех этапах его транспортировки от ускорителя до рабочего места в экспериментальном зале.
В качестве такого монитора планируется использовать черенковский детектор той же конструкции, которая уже применялась в эксперименте ФИАН [1] по исследованию процесса низкоэнергетического электрорасщепления дейтрона и генерации нейтронов в дейтерированных мишенях-фольгах титана и палладия. Целью эксперимента был поиск влияния кристаллического окружения дейтерия на протекание ядерной реакции ed ^ enp, происходящей под действием виртуальных фотонов электронного пучка с энергией 7 МэВ от микротрона-инжектора синхротрона С-25Р.
Экспериментальных данных, связанных с исследованием появления нейтронов под действием низкоэнергетических электронных, ионных пучков и электрических разрядов, до сих пор недостаточно, хотя, например, имеются данные о генерации вспышек нейтронов под действием высоковольтных атмосферных разрядов, в которых играют роль как ионные, так и электронные потоки относительно невысоких энергий [2]. Однако интерпретация подобных данных не вполне однозначна [3, 4], и дальнейшие исследования продолжаются (см., напр., [5]).
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: baskov@x4u.lebedev.ru.
В настоящей статье описана конструкция и основные характеристики модернизированного монитора, использовавшегося в эксперименте ФИАН [1] и запланированного к использованию в дальнейшем.
Рис. 1: Схема экспериментальной установки по исследованию процесса электрорасщепления дейтрона в дейтерированных мишенях (вид сбоку): 1 - мишень; 2 - нейтронный детектор; 3 - сцинтилляционный счетчик антисовпадений; 4 - детектор протонов; 5 - черенковский монитор); 6 - видеомонитор. Расстояние от дейтериро-ванной мишени до счетчиков протонного плеча Ь = 100 см.
Рис. 2: Схема черенковского монитора: 1 - радиатор; 2 - ФЭУ-85; 3 - делитель напряжений; 4 - корпус.
Схема экспериментальной установки [1] представлена на рис. 1. Установка состояла из двух плеч, располагавшихся в вертикальной плоскости перпендикулярно горизонтальной плоскости орбит электронов в микротроне. Детектор верхнего плеча (2, 3) регистрировал нейтроны (нейтронное плечо), детектор нижнего плеча (4) регистрировал протоны (протонное плечо). Видеомонитор (6) обеспечивал контроль состояния мишени (1) и её положения относительно электронного пучка.
Важнейшим элементом установки являлся монитор (5), предназначенный для определения "текущей" интенсивности электронного пучка на экспериментальной мишени, как в момент одновременного появления сигналов в обоих плечах установки, так и суммарной интенсивности за время набора экспериментальной статистики. Монитор располагался на оси электронного пучка за мишенью с целью снизить его загрузку. Кроме того, расположение монитора до экспериментальной мишени нецелесообразно, поскольку наличие вещества на пути низкоэнергетического пучка сильно ухудшает его пространственные и энергетические характеристики.
Первоначально в качестве монитора использовался цилиндр Фарадея диаметром 7 см и длиной 12 см. Однако работа экспериментальной установки при различных ин-тенсивностях пучка электронов (1010-1012 электрон/сек) показала значительную фоновую загрузку обоих плеч, обусловленную, в том числе, массивным цилиндром Фарадея, находящимся в зоне прямой видимости детекторов нейтронов и протонов. Несмотря на то, что детекторы обоих плеч установки находились в защитных свинцовых боксах, фотоэлектронные умножители (ФЭУ-85) детекторов установки практически работали в токовом режиме, амплитуды сигналов счетчиков достигали величины более 1 В по осциллографу. (Входное сопротивление осциллографа 1 МОм.) Поэтому было решено заменить монитор на основе цилиндра Фарадея на детектор с существенно меньшим содержанием вещества.
В качестве монитора был предложен, а в дальнейшем создан и использован счетчик на основе регистрации черенковского излучения, генерируемого электронами пучка при прохождении через тонкий стеклянный радиатор [6]. Особенностями применения черенковского счетчика для данной задачи являлись наличие небольшого количества вещества, хорошее быстродействие детектора, необходимое при высоких интенсивно-стях пучка, и самое важное - пропорциональная зависимость числа черенковских фотонов от числа прошедших через счетчик электронов.
Монитор располагался в 40 см по пучку от экспериментальной мишени, находящейся в вакуумной камере, сразу за алюминиевой фольгой выходного фланца толщиной
50 мкм, отделяющего вакуумный объём канала от атмосферы (рис. 1). Размеры радиатора составляли 45x45x1.2 мм3 (рис. 2). Через воздушный промежуток 80 см свет от радиатора попадал на фотокатод ФЭУ-85. Радиатор помещался на верхнем конце алюминиевой трубы, а ФЭУ вместе со стандартным делителем находились в трубе на её нижнем конце. Чтобы исключить попадание внешнего света, радиатор был обёрнут алюминиевой фольгой толщиной 30 мкм. ФЭУ, находящийся на нижнем конце монитора, регистрировал "прямой" черенковский свет, выходящий из стеклянного радиатора. Для исключения перегрузок ФЭУ, связанных с регистрацией отражений светового потока стенками корпуса, внутренняя сторона корпуса монитора была покрыта черной бумагой.
Для защиты ФЭУ и делителя от низкоэнергетического фона гамма-квантов во время работы микротрона ФЭУ с делителем были помещены в свинцовый бокс.
Рис. 3: Зависимость амплитуды сигнала с черенковского монитора от интенсивности выведенного пучка электронов 7 МэВ (1 — [Д = 750 В; 2 — и2 = 980 В).
Калибровка монитора в зависимости от интенсивности была проведена для двух напряжений на делителе ФЭУ [Д = 750 В и и2 = 980 В при наличии экспериментальной мишени перед монитором (рис. 3). В дальнейшей работе использовалась ка-
либровка при и = и2 = 980 В. Суть калибровки и последующего мониторирования пучка заключалась в сопоставлении амплитуды сигнала монитора с интенсивностью электронного пучка. Интенсивность электронного пучка, определяемая аппаратурой контроля и управления микротроном, сопоставлялась амплитуде сигнала с черенков-ского монитора, измеряемой как с помощью осциллографа визуально в единицах [мВ], так и в каналах ЗЦП (ЗЦП - зарядо-цифровой преобразователь). Поскольку сигнал с монитора пропорционален интенсивности электронного пучка, это дало возможность контролировать интенсивность пучка на экспериментальной мишени.
При работе экспериментальной установки триггером события, по которому в память компьютера происходила запись данных с монитора, являлось совпадение сигналов плеч установки и синхроимпульса, вырабатываемого системой вывода электронного пучка из микротрона, триггер Т = (Сп • Ср) • Б (Сп и Ср - сигналы с одного из счетчиков нейтронного плеча и сигнал со счетчика протонного плеча, соответственно; Б -синхроимпульс). Триггерный сигнал Т подавался на электронный блок "ворота", который вырабатывал сигнал "старт" длительностью 100 нсек для запуска блока ЗЦП, с помощью которого через крейт-контролер системы КАМАК производилась "запись" цифрового сигнала с монитора в память компьютера.
Надо отметить, что в работе использовался ЗЦП с диапазоном рабочей шкалы 1024 канала. Сигналы с монитора на вход ЗЦП подавались через ослабитель с уровнем ослабления в 10 ёЬ, чтобы максимальная величина амплитуды, соответствующая рабочей интенсивности микротрона ~3 мА (~1010 электрон/сек), находились в диапазоне ~200 канала. Это было сделано для того, чтобы при неуправляемом повышении интенсивности микротрона (более ~5 • 1011 электрон/сек) блок ЗЦП не вышел из строя.
На рис. 4 представлена гистограмма амплитуды сигналов монитора или спектр изменения интенсивности микротрона за 7 часов его работы. Видно, что при рабочем напряжении на делителе ФЭУ монитора и = 980 В диапазон изменения интенсивности микротрона составил от ~1 до ~11 мА или от ~5 • 109 до ~2.2 • 1010 электрон/сек. Средняя интенсивность пучка составила ~3 мА или ~1010 электрон/сек.
Стекло с примерным составом БЮ2 (71.8%), А^Оз (2.0%), MgO (4.1%), СаО (6.7%), Ка2О (14.8%), Ге2О3 (0.1%), БО3 (0.5%) имеет показатель преломления п ~ 1.52 и Z = 10.2. Оценка числа фотонов на единицу пути пропорциональна квадрату среднего Z вещества радиатора и для стекла составляет Жчф ^ 4500 фотон/см [7]. Для данного радиатора толщиной 1.2 мм и потока электронов ~1010 электрон/сек число черенковских фотонов составляет N1.2 ~ 5.4 • 1012.
i-1-1-1-1-1-1-1-
L ■
100 200 300 400
I, каналы ЗЦП
_i_i_i_i_i
1.5 3.0 4.5 6.0 7.5
/, мА
_i_i_i_i_i
5109 Ю10 1.5-Ю10 2-Ю10 2.5-Ю10
I, электрон/сек
Рис. 4: Спектр величин интенсивности ускорителя за 7 часов работы, измеренный черенковским монитором.
Интенсивность выведенного пучка электронов из ускорителя "Пахра" в экспериментальный зал составляет ~108 электрон/сек и для радиатора данного монитора число черенковских фотонов составит N12 ~ 5.4-1010, что будет соответствовать ~2-му каналу ЗЦП или ~3 мВ по осциллографу. Для достижения уровня амплитуды сигнала монитора, соответствующему ~1010 электрон/сек, необходимо убрать ослабление сигнала, что увеличит число черенковских фотонов в потоке до ~4.5 • 1011 и, соответственно, амплитуду сигнала с монитора до ~20 канала ЗЦП. Для увеличения уровня амплитуды до ~180 канала необходимо поднять напряжение на делителе ФЭУ монитора до величины ~1100 В. Это определяется из данных рис. 3 с учетом зависимости амплитуды сигнала от напряжения при соответствующих интенсивностях.
Черенковский монитор способен работать и при величинах интенсивностей электронного пучка менее ~108 электрон/сек, например, при интенсивности ~106 электрон/сек. В этом случае при увеличении напряжения на делителе до ~1200 В амплитуда сигнала может составить величину, соответствующую 25-му каналу ЗЦП, что вполне
N
600 г-500 -400 -300 -200 -100 -
приемлемо для регистрации. Увеличение толщины радиатора монитора до 10 мм при том же напряжении ~1200 В позволит увеличить уровень амплитуды сигнала до величины ~180-го канала ЗЦП.
Таким образом, черенковский монитор электронного пучка ускорителя ФИАН "Пахра", несмотря на простую конструкцию, способен определять интенсивность электронных пучков в диапазоне 106 — 1011 электрон/сек.
Работа выполнена при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (NICA - РФФИ) № 18-02-40061 и № 18-02-40079.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Отчет ФИАН по госконтракту с Минобрнаукой № 14.518.11.7075 по теме "Изучение стимулирования ядерных реакций и излучений на границе твердого тела и плазмы высоковольтным разрядом и пучками ионов и электронов на уникальных установках ФИАН" (2013); (https://sites.lebedev.ru/ru/OFVE/3141.html; http://x4u.lebedev.ru/phys-work/results2013/report-MON-2013.pdf).
[2] A. V. Agafonov, A. V. Bagulya, O. D. Dalkarov et al., Phys. Rev. Lett. 111, 115003 (2013).
[3] Л. И. Бабич, Е. И. Бочков, А. Н. Залялов, И. М. Куцык, Письма ЖЭТФ 97(6), 333 (2013).
[4] L. P. Babich, Phys. Rev. C 92, 044602 (2015).
[5] А. В. Багуля, О. Д. Далькаров, М. А. Негодаев, А. С. Русецкий, ЭЧАЯ 48(5), 589 (2017).
[6] С. П. Денисов, В. Н. Евдокимов, А. В. Козелов и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 37(4), 17 (2010).
[7] В. К. Ляпидевский, Методы детектирования излучений (М., Энергоиздат, 1987).
Поступила в редакцию 25 апреля 2019 г.
После доработки 15 ноября 2019 г.
Принята к публикации 18 ноября 2019 г.
