Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Импульсные электростатические генераторы. Использование электростатических ускорителей в качестве импульсных источников нейтронов для спектрометрических измерений методом времени пролета имеет много преимуществ по сравнению с циклотроном. Простота конструкции, легкость осуществления импульсного режима с любыми значениями тн и T, малый энергетический разброс частиц в пучке, незначительное угловое расхождение, низкий фон, удобство вывода частиц на внешнюю мишень —все эти достоинства способствовали весьма широкому распространению импульсных электростатических установок.
Обычный электростатический генератор типа Ван-де-Граафа (или каскадный генератор Кокрофта — Уолтона) дает постоянный ток ионов на мишень. Импульсный режим работы проще всего получить прерыванием пучка с таким расчетом, чтобы он попадал на мишень лишь в пределах коротких интервалов времени. Для этого на пути ионов помещают пару отклоняющих пластин, на которые
445- от специального генератора подается переменное напряжение (рис. 13.26). За отклоняющими пластинами устанавливается диафрагма с небольшим отверстием посредине. Очевидно, что пучок ионов может попасть на мишень через отверстие в диафрагме только в те моменты времени, когда разность потенциалов между пластинами проходит через нуль. Время, в течение которого пучок попадает на мишень, можно оценить следующим образом.
Предположим, что источник дает очень тонкий аксиальный пучок ионов с одинаковой энергией, причем скорость ионов настолько велика, что за время пролета отклоняющих пластин разность
Ускоряющий ' I2 промежуток
Рис. 13 26. Схема устройства для прерывания ионного пучка:
1 — ионный источник; 2 — отклоняющие пластины; 3 — диафрагма; 4 — мишень
потенциалов между ними U не успевает существенно измениться. Между пластинами ионы движутся по параболе с ускорением a = eU/mnd, направленным перпендикулярно их первоначальной траектории, в результате чего при вылете из системы пластин они будут иметь дополнительную скорость в том же направлении
и = at = eU I1Iimndv0) (13.77)
и смещение
Уо = а?! 2 = eU I2J(AEd), (13.78)
где E = mnvll2 — энергия ионов; d — расстояние между пластинами. Угол а между новой и прежней траекториями ионов определяется соотношением
tgoc = UlV0 = eUl1l(2Ed), (13.79)
откуда смещение пучка ионов на диафрагме
У = У о + № = eUlt (I1 + 2l2)l(4Ed). (13.80)
Предполагая, что напряжение между пластинами меняется по гармоническому закону U=U0 sincot, дифференцированием выраже-
446- ния (13.80) можно найти время At (у), в течение которого пучок ио нов оказывается в пределах щели Ay:
2Ed д T
—Ti-Au-
neUо J h(li+2k)
А(У=^ГГАУ , „ .о,ч- (13-81)
Из этого выражения видно, что, меняя различные параметры системы (например, частоту и амплитуду подводимого к пластинам высокочастотного напряжения), можно по-разному изменять значения Aty и Т. При E = 4 кэв, d = 1 см, А у = 0,2 см, T = = 300 нсек (vB4 « 3 Мгц), U0 = 1 кв, I1 = 4 см, I2 = 5 см получаем, что Aty a! 3 нсек.
Устройство для прерывания пучка можно устанавливать как до ускоряющего промежутка (сразу же за ионным источником), так и после него (непосредственно перед мишенью). Первый вариант более предпочтителен, потому что в этом случае для отклонения пучка требуются меньшие напряжения, ускоряющая система не нагружается током в интервалах между импульсами и фон оказывается весьма низким. Второй вариант конструктивно проще — отклоняющая система находится вне ускорителя, однако сильный фон от реакций, идущих при попадании пучка ускоренных ионов на диафрагму (особенно при ускорении дейтонов), мешает проведению многих экспериментов.
Общий недостаток подобных систем — низкая средняя интенсивность пучка, причем ионный источник большую часть времени работает вхолостую. Для повышения коэффициента полезного действия источника и соответственного увеличения среднего тока ионов (без ухудшения спектрометрических качеств установки) предложено несколько систем, в которых первоначально длинные импульсы укорачиваются группировкой частиц в процессе ускорения или после него. Рассмотрим два способа такой группировки:
1. Клистронная группировка ионов в процессе ускорения. Предварительно сформированные с помощью прерывателя относительно длинные цуги ионов попадают в промежуток между двумя электродами, на которые подается переменное напряжение с небольшой амплитудой ( по сравнению с напряжением предварительного ускорения ионов в источнике). Закон изменения этого напряжения скоррелирован с прерывателем таким образом, что при попадании в данный промежуток первых ионов цуга электрическое поле оказывается замедляющим, затем напряженность поля убывает, проходит через нуль и к моменту пролета последних ионов цуга поле становится ускоряющим. В результате ионы, имевшие до пролета ускоряющего промежутка одинаковые скорости, вылетают из него с разными скоростями, причем первые ионы имеют минимальные скорости, а последние — максимальные. Поэтому после выхода из системы отстающие ионы цуга догоняют ушедшие вперед ионы, причем в некоторой точке пространства все ионы одного цуга оказываются почти одновременно. Если в этой точке расположить мишень, то длительность ионного
