Распределенный датчик потерь пучка на основе черенковского излучения

Распределенный датчик потерь пучка на основе черенковского излучения в оптоволокне. Выполнили: Сысоев А. и Трухманов В. , МБОУ «Лицей № 124» , 10 класс. Научные руководители: В. А. Рыбицкая, МБОУ «Лицей № 124» Т. В. Рыбицкая, ИЯФ СО РАН Научный консультант: Ф. А. Еманов, ИЯФ СО РАН

Актуальность темы: Одна из основных задач, возникающих при наладке и запуске ускорителя заряженных частиц, — минимизация потерь пучка заряженных частиц вдоль всего периметра ускорителя. Для контроля потерь пучка и их минимизации вдоль всего периметра ускорителя используют датчики потерь пучка.

Цель работы: создание модели распределенного датчика потерь пучка, в котором вместо сцинтиллятора используется оптоволокно, и на выходе с помощью ФЭУ регистрируется черенковское излучение.

Изучение видов оптоволокн. - Изучение механизма получения сигнала в датчике Задачи: - Изучение видов оптоволокн и механизма получения сигнала в датчике. - Определение уширения импульса вследствие модовой и хроматической дисперсии сигнала на выходе из оптоволокна.

Практическая значимость: Основное преимущество распределенного датчика по сравнению с традиционными датчиками потерь заключается в том, что один длинный отрезок оптоволокна способен заменить сразу большое количество локальных датчиков. Также за счет малой длительности вспышки черенковского излучения такой датчик является быстрым (10 -100 нс), что позволяет производить измерения для циклических ускорителей и накопителей заряженных частиц.

Оптическое волокно: Оптическое волокно - волновод, переносящий информационные световые сигналы. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Виды оптического волокна: Многомодовое оптическое волокно обладает относительно большим диаметром сердцевины (сотни микрон). Уменьшая диаметр сердцевины и разность показателей преломления сердцевины и оболочки, можно добиться распространения по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения. Такое оптоволокно называется одномодовым, диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 мкм. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе – показатель преломления сердцевины плавно уменьшается от центра к краям

МОДЕЛЬ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДАТЧИКА ПОТЕРЬ ПУЧКА : При попадании пучка на стенку вакуумной камеры, возникает электромагнитный ливень. Если с внешней стороны вакуумной камеры протянуть оптоволокно, то вторичные ультрарелятивистские электроны и позитроны, попадая в него, двигаются со скоростью больше, чем скорость света в волокне, и следовательно, генерируют черенковское излучение, которое распространяется по оптоволокну и регистрируется при помощи ФЭУ. По времени прихода сигнала можно судить о месте потерь пучка.

Черенковское излучение возникает при движении заряженной частицы в прозрачной среде со скорость большей, чем фазовая скорость света в этой среде. Волновой фронт этого излучения представляет собой поверхность конуса и идет под определенным углом θ к направлению скорости частицы. cosθ (λ )= c ⋅V/n(λ ) где λ – длина волны излучения, n – показатель преломления среды.

Полное внутреннее отражение Оптическое волокно имеет круглое сечение и состоит из трех частей: сердцевины (световедущей жилы), отражающей оболочки и специального покрытия, которое защищает сердцевину и оболочку от влаги и внешних воздействий. И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Перенос черенковского излучения по оптоволокну осуществляется за счет явления полного внутреннего отражения. α кр=arccos(n 2/n 1 ) где n 2 и n 1 -показатели преломления двух сред

Параметры оптического волокна : Оптическое волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и дисперсия распространяемого сигнала на единицу длины в оптоволокне, тем выше качество переданного сигнала и тем длиннее отрезки оптоволокна можно использовать.

Модовая дисперсия Дисперсия – это уширение длительности импульса света по мере его распространения в волокне. Существует два основных вида дисперсии: модовая и хроматическая. Модовая дисперсия обусловлена тем, что лучи света, распространяющиеся по оптоволокну под разными углами, затрачивают различное время на прохождение одного и того же отрезка оптоволокна. Модовая дисперсия имеет место только в многомодовых оптоволокнах. В со ступенчатым профилем, где она доминирует над хроматической,

Оценка модовой дисперсии: Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место при α =0 , а максимальное при α =α кр , соответствующие им значения времени распространения можно записать: tmin=Ln/c и tmax=Ln/(c*cosα кр) откуда значение модовой дисперсии равно: t мод=tmax−tmin=Ln (1/ cosαкр − 1) /c где L – длина оптоволокна, n – показатель преломления сердцевины, α кр – максимальный угол захвата в оптоволокно, c – скорость света. Модовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна.

Оценка хроматической дисперсии: Для оценки хроматической дисперсии можно использовать следующую формулу, вычисляющую разность между самым быстрым и самым медленным лучом света: tхр≈L (nλ min−nλ max) /c где nλ min – показатель преломления сердцевины для минимальной длины волны сигнала, а nλ max – для максимальной длины волны.

Сравнение дисперсий: При параболическом профиле показателя преломления модовая дисперсия равна: t мод= Ln(1/ cosα кр− 1) 2/2 c Рассмотрим пример многомодового ступенчатого оптоволокна, изготовленного из кварца, в котором модовая дисперсия доминирует над хроматической, поэтому оценим во сколько размодовая дисперсия больше хроматической и как изменится ширина сигнала, если подавить модовую дисперсию. Для оргстекла: nλ син≈1. 505 , nλ кр≈1. 487 , 〈 n〉 =1. 502. Пусть α кр≈20 o. Тогда t мод / L≈0. 25 нс /м , tхр / L≈0. 05 нс /м. Получаем, что в уширение длительности импульса модовая дисперсия вносит вклад примерно в 5 раз больше, чем хроматическая дисперсия.

ФЭУ Эксперимент - тестовые измерения и определение параметров пространственного разрешения датчика. Место падения луча Отрезок 2 м γ ФЭУ Осцф Петля 7 м Петля 10 м В ИЯФ СО РАН был проведён следующий эксперимент. Волновод был уложен двумя петлями. Вершины петель расположили около места падения пучка на стенку вакуумной камеры. Попадание пучка в заданное место камеры осуществлялось корректором. Корректор представлял собой две катушки, создающие поперечное движению пучка магнитное поле.

Эксперимент Пик 1 Среднее время нсек 35. 27 Среднеква дратичное отклонение нсек 3. 86 Пик 2 Пик 3 72. 11 125. 61 5. 56 8. 50

Пик 1 Обработка сигнала. 3. 0 2. 5 Пик 3 Y 2. 0 1. 5 1. 0 0. 9 0. 5 0. 8 0. 0 0. 7 -0. 5 20 30 40 50 60 t, нс 0. 5 0. 4 Y Пик 2 Y 0. 6 0. 3 1. 6 1. 4 1. 2 1. 0 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0. 0 0. 2 0. 1 0. 0 115 120 125 130 135 140 145 150 t, нс 60 70 80 t, нс 90 100

Эксперимент Пик Пик 1 Пройденный путь L 2 3 м 2. 0 9. 0 19. 0 нсек 0. 5 2. 3 4. 8 нсек 3. 9 5. 6 8. 5 нсек 3. 4 3. 3 3. 7 Дисперсия сигнала расчётная tд Ширина сигнала измеренная 2σ Начальная ширина импульса 2σ-tд Вычитая из измеренной ширины сигнала расчётную дисперсию, получим начальную ширину импульса света. Таким образом, начальная ширина импульса равна 3. 5 ± 0. 2 нсек.

Преимущества оптического датчика: В сравнении с другими типами датчиков, волокнооптические датчики обладают следующими преимуществами: 1) они состоят из диэлектрических материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением; 2) они не подвержены электромагнитным помехам и радиации и сами по себе не электризуют другие устройства; 3) их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки; 4) они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

Выводы: 1. Для распределеного датчика потерь пучка на основе черенковского излучения в оптоволокне на линейном ускорителе пространственное разрешение составило 2 м. С таким разрешением можно отслеживать потери, отстоящие друг от друга более, чем на 2 м, более частые потери уже не получится разделить. 2. На пространственное разрешение датчика существенно влияет модовая дисперсия в оптоволокне, чтобы избежать расплывания сигнала вследствие модовой дисперсии необходимо использовать оптоволокна с градиентным показателем преломления, либо после оптоволокна использовать коллиматор, который позволит улучшить пространственное разрешение датчика примерно в 5 раз. Направления дальнейшего исследования. Провести тестовые измерения и определить параметры пространственного разрешения датчика.

Информационные ресурсы: 1. Интернет-энциклопедия www. rp-photonics. com. 2. Википедия https: //ru. wikipedia. org/wiki 3. А. П. Онучин, «Экспериментальные методы ядерной физики» , НГТУ, 2009. 4. http: //iopscience. iop. org/1367 - 2630/11/6/065008/fulltext/ 5. http: //laser-portal. ru/content_359 6. Д. В, Иоргачев, О. В. Бондаренко, «Волоконнооптические кабели и линии связи» , Эко-Трендз, Москва, 2002. 7. http: //vepp 2 k. inp. nsk. su/fon-rus. html.