Введение

Сейчас излучение НЛСЭ транспортируется из ускорительного зала, где существует опасность рентгеновского излучения, на пользовательские и диагностические станции при помощи 40-метрового оптического канала. В ближайшее время длина этого канала будет увеличена до 60 - 70 метров. Существуют две проблемы, связанные с этой системой. Первая - создание окон для мощного субмиллиметрового излучения (в настоящее время мощность непрерывного излучения НСЛЭ составляет 500 Вт [1] и в ближайшем будущем она будет увеличиваться). Вторая проблема - создание среды канала с низким поглощением. Вакуумная среда, конечно, идеальна, но с ней связана проблема вакуумных окон. Кроме очень дорогого CVD-алмаза, таким материалом может быть только чистый кремний. Но у него очень высокий коэффициент преломления и, следовательно, очень высокое отражение для нормального угла падения. Тогда окна из этого материала нужно устанавливать под углом Брюстера, что приводит к их большим размерам и высокой стоимости. Кремний непрозрачен в оптическом диапазоне, что делает невозможной юстировку канала при помощи оптических лазеров. Кроме того, нам также будет нужен быстрый затвор, чтобы предотвратить разрушение главного окна НЛСЭ из CVD-алмаза после возможного разрушения одного из пользовательских окон.

По этой причине мы сейчас используем канал, заполненный азотно-воздушной смесью под давлением близким к нормальному, с тонкими окнами из полипропилена. Основной проблемой этой системы является поглощение в водяных парах. Была создана специальная система осушки, чтобы уменьшить их негативное влияние.

В этой работе представлены экспериментальные измерения эффективности системы осушки методом сканирования линии излучения НЛСЭ через выбранную линию поглощения водяных паров.Конструкция оптического канала

Схема оптического канала НЛСЭ показана на рис.1. Излучение НЛСЭ выводится через окно из CVD-алмаза [2] в транспортный канал открытого оптического типа. Излучение приходит на пять пользовательских и две диагностические станции после отражений в некой системе плоских и тороидальных зеркал. Спектроскопическая диагностическая станция с Фурье-спектрометром Bruker IFS-66vs находится в самой дальней точке канала (36 м от алмазного окна). Канал первоначально заполнен сухим азотом. Затем азотно-воздушная смесь циркулирует в замкнутой системе при давлении немного выше нормального, проходя через цеолитовый поглотитель паров воды. Поэтому во время работы НЛСЭ постоянно используется компрессор низкого давления. Излучение на станциях выводится в атмосферу через тонкие, легкозаменяемые окна из полипропиленовой пленки. лазер терагерцовый электрон

Рис. 1. Схема оптического канала НЛСЭ: 1 - НЛСЭ, 2 - окно из CVD-алмаза, 3 - оптический канал, 4 - пользовательские станции, 5 - диагностические станции, 6 - компрессор, 7 - резервуар с цеолитом, 8 - баллон с азотом, 9 - вакуумный насос.

Эксперименты

Мы измеряли ТГц пропускание оптического канала методом, сочетающем в себе лазер на свободных электронах и Фурье-спектроскопию. Линия излучения лазера сканировалась через линию поглощения водяных паров. Обычно мы использовали линию с самым сильным поглощением на л = 180 мкм для повышения точности эксперимента. Форма линии излучения лазера контролировалась при помощи Фурье-спектрометра, так как она могла изменяться во время процедуры сканирования в некоторых неоптимальных режимах. Были две возможности проведения эксперимента. Первая - это сканирование спектра узкой линией излучения лазера (рис. 2а), когда основным изменяемым параметром является амплитуда линии излучения лазера. Вторая - сканирование по широкой линии излучения лазера, когда наибольший интерес представляет изменение формы линии (рис. 2 б). В обоих случаях мы восстанавливали линии излучения лазера, как показано на рис.2 и рис.3, по Фурье-спектру пропускания водяных паров соответствующей концентрации. Эта концентрация составляла примерно 1/300 от нормальной концентрации водяных паров при влажности 30-40% в конце первых 2-3 месяцев работы нашей системы осушки (рис. 2). После регенерации цеолита в системе осушки плотность паров снижалась до 1/500 нормальной концентрации водяных паров (рис.3а). Процедура регенерации заключалась в нагреве и откачке резервуара, заполненного цеолитом.

Рис. 2. Прохождение узких линий излучения ЛСЭ (черные линии) через 36-метровый оптический канал в области линии самого сильного поглощения в водяных парах (серая линия) после 2-3 месяцев работы системы сушки (а); то же самое для еще одной линии воды и широкой линии излучения ЛСЭ (б). Пунктирные линии показывают восстановленные линии излучения лазера.

Текущая деятельность и планы

Как легко видеть на Рис. 3б, эффективность нашей системы осушки со свежим цеолитом такая же, как у лучших систем осушки этого типа. Но ее не достаточно для того, чтобы НЛСЭ работал без заметного влияния линий паров воды. Мы планируем улучшить нашу систему осушки с при помощи макромолекулярного мембранного осушителя с точкой росы - 75 °С при нормальном давлении [3]. У существующей в настоящее время системы осушки этот параметр составляет около - 60 °C. Эта разница в величине точки росы эквивалентна шестикратной разнице в плотности паров воды. Для нашего достаточно большого объема системы осушки (~ 1 м 3) мы ожидаем уменьшения этой плотности в три раза. Пропускание оптического канала в этом случае иллюстрирует пунктирная линия на Рис.3б. Видно, что влияние паров воды становится достаточно малым. Если такое улучшение будет невозможно, мы планируем создать вакуумный оптический канал, установив подходящие выходные окна из CVD-алмаза.

Рис. 3. Прохождение линий излучения ЛСЭ (черные линии) через 36 м оптический канал в области линии самого сильного поглощения в водяных парах (серая линия) для регенерированного цеолита в системе сушки (а): пунктирная линия показывает восстановленную линию излучения лазера. Пропускание оптического канала в основном диапазоне НЛСЭ (б): в настоящем времени (сплошная линия) и планируемое в будущем (пунктирная линия).

Список литературы

V.P. Bolotin, N.A. Vinokurov, N.A. Gavrilov et al., "Status of the Novosibirsk energy recovery linac", Nucl. Instr. & Meth. A, vol.557, pp.23-27, 2006.

Kubarev V.V. Optical properties of CVD-diamond in terahertz range and its applications on the NovoFEL // Conference digest of the Joint 32nd international conference on infrared and millimetre waves, and 15th International conference on terahertz electronics, Cardiff, UK, 3rd -7th Sept., 2007/ Digest eds: M.J. Griffin et al. - Piscataway: IEEE, 2007. - Vol. 2. - P. 863-865.

"Membrane air dryer IDG series", Materials of SMC Corporation, Japan, 2000, http://www.smcworld.com.

Размещено на Allbest.ru