Содержание
1 Введение 1
1.1 Невозмущающие и почти невозмущающие методы диаг ностики пучков
заряженных частиц................................................... 1
1.2 Мониторы для определения профиля пучка.............................. 2
1.2.1 Монитор - профилометр......................................... 2
1.2.2 Проволочный сканер............................................ 3
1.2.3 ВБМ на основе процесса компгоновского рассеяния лазерных
фотонов...................................................... 3
1.2.4 Интерферометр синхротронного излучения........................ 5
1.3 Основные характеристики оптического переходного излучения........... 5
1.4 Дифракционное излучение как новый невозмущающий метод диагностики пучков 9
2 Дифракционное излучение для полу бесконечного идеально проводящего экрана при произвольной ориентации начальной частицы. 14
2.1 Основные характеристики дифракционного излучения................... 14
2.1.1 ДИ в перпендикулярной геометрии.............................. 14
2.1.2 ДИ в параллельной геометрии.................................. 19
2.2 Лоренц-лреобразование.............................................. 20
2.2.1 Лоренц преобразование полей. Получение формул для полей
ДИ в общем случае............................................ 21
2.2.2 Спектрально-угловая плотность ДИ для общего случая...........23
2.3 Радиационные потери................................................ 26
2.4 Ультрарелятивисгское приближение................................... 28
2.5 Дифракционное излучение умеренно релятивистских и нерелятивистских частиц 32
2.6 Выводы............................................................. 34
і
3 Дифракционное излучение при пролете заряда через щель. 36
3.1 Дифракционное излучение на наклонной щели для перпендикулярной геометрии............................................................... 36
3.2 Спектрально-угловая плотность ДИ на щели.............................40
3.3 Полные радиационные потери, спектр ДИ............................... 42
3.4 Поля ДИ дія щели при произвольных углах начальной частицы относительно мшпени......................................................... 43
3.5 Возможность невозмущающей диагностики на основе ДИ.................. 44
3.6 Выводы.............................................................. 45
4 Влияние параметров начального пучка заряженных частиц на характеристики ДИ от щели. 46
4.1 Учет влияния расходимости и размера начального электронного пучка
при расчете угловых характеристик ДИ на щели....................... 46
4.1.1 Размер пучка................................................. 46
4.1.2 Расходимость пучка........................................... 49
4.2 Результаты численного моделирования характеристик ДИ................ 51
4.2.1 Стратегия по разделению эффектов размера пучка и его расходимости............................................................ 51
4.2.2 Метод получения оценки расходимости пучка.................... 52
5 Возможное применение метода оценки расходимости пучка на ускорителе МАМІ (Германия) 61
5.1 Ускоритель МАМІ..................................................... 61
5.2 Критерии выбора параметров эксперимента............................. 63
5.3 Применение метода эллипсов, для определения расходимости.............67
6 Заключение 71
7 Приложение 74
іі
1 Введение
1.1 Невозмущающие и почти невозмущающие методы диагностики пучков заряженных частиц.
Линейные ускорители широко используются для получения высокоэнергетичных электронных и гамма пучков для экспериментов на фиксированной мишени. Кроме того, подобные ускорители используются в качестве инжекторов в накопительных кольцах и в синхротронах |1]. Для этих целей требования к качеству пучка (эмиттанс, стабильность параметров, длина электронного сгустка) не являются столь высокими, как в появившихся недавно направлениях, где также планируется использование линейных ускорителей - создание электрон - позитронных коллайдеров и лазеров на свободных электронах [2], [3]. Так например, в экспериментах на фиксированной мишени, выполненных на линейном ускорителе 8ЬАС с энергией Е0 = 9.7 ГэВ диаметр электронного пучка на мишени составил 0.5 мм [4]. Однако уже в экспериментах на Стэнфордском Линейном Коллайдере (БЬС) с энергией электронного и позитронного пучков Е ж 40 ГэВ, поперечный размер электронного пучка составил уже 70 мкм [5]. В проекте будущего электрон - позитронното коллайдера поперечные размеры сталкивающихся пучков не должны превышать 0.1 мкм, чтобы достичь требуемой светимости. Не менее жесткие требования предъявляются и к пучку линейного ускорителя для создания лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Так например, в проекте ЛСЭ для рентгеновского диапазона ЬСЕлЗ [3], размер электронного пучка с энергией Е = 14.35 ГэВ составляет 20 мкм, а расходимость меньше 1 мрад. Предъявляемые требования к параметрам электронных и позитронных пучков таковы, что наряду с развитием ускорительной техники, необходимо параллельнно развивать средства контроля и диагностики пучков, поскольку сутпествуютцие подходы не всегда обеспечивают необходимую точность.
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих электронный пучок, является поперечный эмиттанс, или, другими словами, область, которую занимает пучок в 4-х мерном фазовом пространстве (х,у,х',у'). Здесь через (х,у) обозначается горизонтальная и вертикальная координаты частицы, а через (х\у') - горизонтальный и вертикальный углы импульса частицы относительно центральной линии ускорителя. Фазовые распределения обычно имеют форму эллипса на плоскости (х, х') и которые полностью описываются тремя независимыми параметрами, например, моментами < х1 >,< х2 >,< хх' >, пли эмиттансом є и двумя параметрами
1
Твисса а, (3. Определение эллипсов на обеих плоскостях требует измерения 3-х вторых моментов в данной точке ускорителя. Наиболее распространенные детекторы позволяют измерить только размер пучка < х2 > (beam-sizc monitor, BSM). Для измерения эмиттанса необходимо измерять размер пучка в данной точке при изменении фазы бетагронных колебаний (/3 - функции), например, изменяя ток в ближайшей квадрупольной линзе. На современных ускорителях более часто используется подход, когда одновременно используются несколько BSM, расположенных вдоль траектории лучка [б]. По известной в- функции эмиттанс определяется без изменения режима работы ускорителя. Ниже приводится краткое описание известных BSM.
1.2 Мониторы для определения профиля пучка.
1.2.1 Монитор - профилометр.
В подобных мониторах лучок пересекает
- либо тонкий экран с нанесеным флуоресцентным слоем [7],
- либо металлическую фольгу (8). [9].
Электроны при пересечении экрана иапучают фотоны видимого света: люминесценция в первом случае, оптическое переходное излучение - во втором. Простая оптическая схема позволяет фокусировать изображение на объектив CCD-камеры, после которой изображение трансформируется в двумерный числовой файл.
Несмотря на очевидные достоинства (дешевизна, надежность, высокая чувствительность) данпьгй метод обладает рядом недостатков:
- "возмущающий” характер диагностики;
- низкое пространственное разрешение;
- ограниченный динамический диапазон.
Действительно, при взаимодействии электронного пучка малых размеров с "твердотельной” мишенью (экран, фольга) ухудшаются параметры пучка. Кроме того,
2
энерговыделение в мишени из-за ионизационных потерь ведет к радиационному по вреждению материала мишени и, как следствие, к изменению ее оптических характеристик. Далее, размер зерна флюоресцентного покрытия (~ 20) мкм ставит естественный предел на минимальный диаметр электронного пучка. В случае оптического переходного излучения (ОНИ) предел чувствительности может быть на порядок выше 2) мкм [10], однако для этого случая необходимо использовать оптическую систему высокого качества. Тем не менее, субмикронный размер пучка в принципе невозможно измерить с помощью ОПИ.
Наконец, в большинстве ССБ-камер, используемых для оптической диагностики, область линейности ограничивает динамический диапазон, поэтому при изменении интенсивности "засветки” более чем в 10 раз при обработке информации возникают большие ошибки.
1.2.2 Проволочный сканер.
Проволочный сканер использует принцип так называемой ''летящей” проволочки. Проволочка диаметром —*010 мкм перемещается в направлении перпендикулярном пучку [11], [12]. Электроны, пересекающие проволочку, испускают кванты тормозного излучения в направлении прямо-вперед. Детектор жестких фотонов измеряет интенсивность тормозного излучения в зависимость от положения проволочки относительно центральной линии ускорителя, что позволяет определить положение центра тяжести пучка и его среднеквадратичный размер. Если диаметр пучка существенно превышает диаметр проволочки, то описываемый детектор можно рассматривать как практически невозмущающий. Однако и проволочный сканер будет 'возмущающим” детектором для пучков размерами меньше ~ 10 мкм (диаметр проволочки), причем пространственное разрешение детектора определяется диаметром проволочки, который по технологическим причинам не может быть меньше ^ 5 мкм.
1.2.3 ВБМ на основе процесса комптоновского рассеяния лазерных фотонов
Современный прогресс лазерной техники позволяет получать пучки лазерного излучения с очень высокой концентрацией фотонов в единице об'ьема. Такой пучок может рассматриваться как "световая мишень” ("лазерная проволочка”), если лазерный пучок пересекается с электронным пучком (13]. В сравнениии с процессом тормозного
3
излучения, который характеризуется сечением ^ olZ\\ (а = ^' постоянная тонкой структуры, Z-заряд ядра атомов мишени, г0-классический радиус электрона), сечение комптоновского рассеяния ~ rj, вообще говоря, незначительно
ниже, однако концентрация ядер в твердотельной мишени на несколько порядков выше концентрации лазерных фотонов в световой мишени. Тем не менее, при использовании современных лазеров выход рассяенных фотонов позволяет определять размер электронного пучка В эксперименте [14) использовался твердотельный YLF лазер с мощностью ^ 10 МВт, генерирующий третью гармонику с длиной волны Л = 0.35 мкм. Оптическая система позволяла фокусировать лазерный пучок до размера <т$ = 0.45 мкм с примерно постоянным сечением на длине ~ 5 мкм. Пучок электронов с энергией Е = 46 ГэВ и диаметром < 3 мкм пересекал лазерный пучок под углом 90°, хе. в геометрии схожей с проволочным сканером. Перемещая электронный пучок относительно лазерного и измеряя выход рассеянных фотонов, можно получить профиль электронного пучка. В описываемом эксперименте был измерен вертикальный размер пучка а = 1.14 мкм. Следует отметить, что число электронов, провзаимодействоваших с "фотонной” мишенью весьма незначительно (в эксперименте [14] из ^ 1012е~/ сек рассеивалось и выбывало из пучка около ~ 104е_/ сек), что позволяет рассматревать этот метод как "невозмущающий”. В эксперименте [13) с помощью Nd:YAG лазера (длина волны А = 0.8 мкм, длительность вспышки т\ ~ 10“13 сек., энергия лазерного импулься 0.04 Дж) исследовались характеристики электронного банча (Ее = 50 МэВ, Ne ™ Ю10е-/ банч, те^п = Ю”14 сек.). Для перпендикулярного пересечения электронного и лазерного пучков энергия рассеянных фотонов составляет около 30 КэВ, что позволило легко их детектировать с помощью флкюресцентного экрана и CCD камеры. В эксперименте были измерены не только вертикальный и горизонтальный размеры электронного пучка (около 50 мкм), но и его угловая расходимость в горизонтальном и вертикальном направлениях (соответственно 6.3 ± 0.2 и 3.9 ±0.2 мрад ). Предложенная схема, где используются короткие лазерные вспышки, позволяет проводить послойное исследование характеристик электронного банча при изменении времени задержки между электронным и лазерным импульсом. Основным недостатком описанного метода является дороговизна оборудования и проблема синхронизации на суб-пикосекундном уровне лазерной вспышки и электронного банча.
4
- Київ+380960830922