Назначение станции

Станция «Экстремальные состояния вещества» предназначена для регистрации проходящего излучения и малоугового рентгеновского рассеяния при исследовании детонационных и ударно-волновых процессов. Она введена в эксплуатацию на «0» канале ускорителя ВЭПП-3 в Институте ядерной физики СО РАН и являетя единственной в мире. На ней можно проводить эксперименты с использованием до 30 г взрывчатого вещества (ВВ). Станция отвечает нормам радиационной и взрывной безопасности. Особенностью станции является использование взрывной камеры с тонкими бериллиевыми окнами для прохода пучка СИ и системы высокоточного дистанционного перемещения детектора.

Общий вид и основные технические параметры станции
	Диапазон энергии 20 – 40 кэВ Рентгенооптическая схема Коллиматор Кратки Размер входного пучка 0.1x10 мм Время набора спектра рассеяния 1 нс Интервал набора спектров 250 нс - 1 сек Полное колличество кадров 32 Системы детектирования DIMEX, кремниевый микростриповый детектор, imaging plate Разрешение детектора 100 мкм

 Станция состоит из:

• Взрывной камеры на 30 г ВВ (в тротиловом эквиваленте).
• Блока детекторов.
• Блока формирования пучка СИ.
  

 1. ВЗРЫВНАЯ КАМЕРА

Взрывная камера сделана из нержавеющей стали и имеет: а) входное окно для пучка СИ; б) выходное окно для вывода прямого пучка и рассеянного излучения; в) высоковольтный ввод для инициирования детонатора; г) четыре вывода для синхронизирующих электрических сигналов; д) выхлопной канал для вывода газов (продуктов детонации); е) два крана для подключения к вакуумной системе и для наполнения газами.

1.1.   Бериллиевые окна для ввода и вывода излучения.

• По условиям минимальных потерь рентгеновского излучения входные и выходные окна для СИ были изготовлены из бериллия толщиной 2 мм. Для сохранения герметичности окон после взрыва в камере были сделаны специальные «глушители ударной волны».

Камера имеет герметичные уплотнения на всех окнах и кранах и может быть откачана и наполнена инертными газами (гелием).  

1.3.   Система точного перемещения заряда ВВ по вертикали.

Конструкция позволяет дистанционно перемещать по вертикали экспериментальную сборку внутри взрывной камеры с точностью до 5 мкм.

 1.4.   Для инициирования зарядов ВВ используются высоковольные детонаторы.

 
2. БЛОК ДЕТЕКТОРОВ.

Представляет собой стальной шестигранник толщиной 20 мм (из-за радиационной безопасности), внутри которого расположен механизм высокоточного перемещения детектора, а также детектор (приемник) рентгеновского излучения. Временно в этом же блоке расположен быстрый затвор.

 2.1.   Блок точного перемещения детектора.

Для перемещения детекторов был установлен двухкоординатный высокоточный привод, управляемый с помощью КШД-485. Система позволяет дистанционно перемещать детектор по вертикали и горизонтали дискретно с точностью до 5 мкм.

2.2.   Детекторы.  

Газовый детектор DIMEX.

Специально для данной станции был разработан одно координатный детектор для изучения динамики быстропротекающих процессов на пучках СИ, позволяющий накапливать и запоминать информацию о распределении плотности потока рентгеновского излучения за время меньшее, чем расстояние между соседними банчами в накопителе (~100нс для ВЭПП-3). Детектор может записывать 32 кадра, накопленных в таком быстром режиме, и имеет пространственное разрешение ~0.1мм при эффективности регистрации >50%. для g-квантов с энергий ~30кэВ. Апертура детектора в направлении измеряемой координаты составляет 25,6 мм. В перпендикулярном направлении ~ 2мм.

• Разработанный вариант детектора представляет собой ионизационную камеру с Газовым Электронным Усилителем (ГЭУ), отделяющим область конверсии рентгеновских фотонов от промежутка, где заряд наводится на считывающую микрополосковую структуру, выполненную с шагом 100 мкм. Координатное распределение интенсивности определяется по величине заряда, протекшего через каждый элемент считывающей структуры за время экспозиции (100 нс). При заполнении камеры смесью Xe-CO2 (80%-20%) под давлении > 7 атм обеспечивается пространственное разрешение ~200 мкм (рис. 1) и эффективность к фотонам 30 кэВ не менее 50%.

Считывание и оцифровка записанной информации осуществляется поочередным подключением всех (128кан.*32ячеек/канал) ячеек аналоговой памяти через выходной усилитель чипа ко входу 14-ти разрядного АЦП. Результат оцифровки накапливается в ОЗУ, после чего передается в ЭВМ по Ethernet кабелю.

Кремниевый микростриповый детектор.

В экспериментах использовалась линейная структура с шагом 100 мкм, шириной 2 мм и толщиной приемного Si слоя ~ 0,3 мм. К каждой полоске был припаян вывод, который затем подсоединялся к индивидуальному каналу измерения. Система записи сигналов была принципиально другой по сравнению с детектором DIMEX. Для оцифровки и запоминания данных были разработаны специализированные 4-х канальные 12-ти разрядные АЦП со временем преобразования ~ 25 нс. Поскольку импульс СИ длится всего 1 нс, то перед АЦП ставился усилитель-формирователь сигналов, который увеличивал длительность сигнала до ~ 50 нс. Были испытаны три вида формирователей, отличающихся амплитудой усиления: от 1 до 300. Малое усиление использовалось при регистрации проходящего излучения, максимальное – при регистрации МУРР. Для контроля положения нулевого сигнала, сигнал с детектора записывался также через половину оборота пучка СИ (через 125 нс). В экспериментах пока одновременно работало восемь каналов. Емкость памяти АЦП составляла 32 000 ячеек, что позволяло записывать весь процесс с самого начала

 2.3. Быстрый затвор.

Перед детектором был установлен быстрый затвор, позволяющий ограничить полное время нахождения детектора под пучком до 40 мкс. Открытие детектора непосредственно перед появлением фронта детонации (путем использования быстрого затвора) привело к резкому сокращению остаточных положительных ионов в детекторе. При этом улучшилось его временное разрешение.

Быстрый затвор можно условно разбить на 3 части:

• Механическую часть;
• формирователя сигналов синхронизации от затвора;
• блока вычисления угла поворота диска затвора.

 Конструкция механической части показана на рис. 1.

Рис. 1 Конструкция быстрого затвора

 Вращающийся диск диаметром 200 мм и толщиной 1.5 мм выполнен из бериллиевой бронзы и имеет радиальную щель длиной 25~мм и шириной 2~мм для прохождения пучка СИ. Диск приводиться в движение электромотором постоянного тока марки ДПР-72-Ф1-03, имеющим максимальную паспортную скорость вращения 7500 об/мин. Мотор крепится к дюралевому кожуху. Кожух прикрывает вращающиеся части затвора и крепиться к передней стенке хатча с регистрирующей аппаратурой. В торце кожуха имеется, также, блокировочный винт, стопорящий диск в положении, обеспечивающем сквозное прохождение пучка СИ.

Источником для сигнал синхронизации является сигнал с инфракрасной фотопары. Фотопара крепиться к кожуху затвора по обе стороны диска. Сигнал в фотодиоде возникает в момент прохождения мимо него специальных отверстий в диске. Всего таких отверстий 3 --- для более точного определения угла поворота диска, а значит и момента открытия пучка СИ. К кожуху затвора прикрепляется преобразователь сигнала с фотопары в NIM стандарт, который по коаксиальному кабелю передается далее в блок вычисления угла поворота диска затвора.

Блок вычисления угла поворота является подсистемой Триггера системы, выполненного в стандарте CAMAC. Задачей этого блока является вычисление момента открытия затвора по нескольким предшествующим синхроимпульсам и выработка стробов для сигнала детонации и, при необходимости, сигнала запуска детектора. Достигнутая точность синхронизации составила ~ 4 мкс, что позволяет проводить регистрацию детонационных процессов.

 3.   БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА СИ

На станции установлен блок для размещения аппаратуры формирования пучка СИ (щелей, ножей, фильтров). Ранее для этих целей использовался блок станции «Лига-2».
В блоке расположены ножи, разнесенные на 200 мм и позволяющие формировать пучок СИ с более высокой точностью настройки (до 10 -4 рад), что позволило проводить эксперименты по измерению углового распределения МУРР. Ножи управляются компьютером с помощью контролеров КШД-485.

4.   СПИСОК ПРОВОДИМЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЙ-УЧАСТНИКОВ (2001-2005 гг.)