Разработка методов определения характеристик пучка в ускорителях на основе численного анализа магнитотормозного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

йс^&вс&д ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

~ „ ...4ПГ1Г • (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

С 2 ! • : ' ------------

На правах рукописи

Чубарь Олег Витальевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЧКА В УСКОРИТЕЛЯХ НА 9СНОВЕ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА МАГНИТОТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

■ I

Автор:

Москва - 1994

Работа выполнена в Российском Научном Центра "Курчатовский Институт* и Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник МАСУНОВ Э.С.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор ПЕРЕЛЬШТЕЙН З.А.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник БАШМАКОВ Ю.А.

Ведущее предприятие.' Институт Ядерной Физики СО РАН (г: Новосибирск).

Защита состоится • /#* ЫНзН^ 1995 года в _/£"час. ООмин. на заседании диссертационного совета КОБЗ.03.07 в МИФИ по адресу: Москва, 115403, Каширское шоссе, д. 31; тел. 324-84-98, 323-91-67 ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан ' // * (МаЛ 1995 года.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь \

диссертационного совета " •

кандидат технических наук А- В. Нестерович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ..

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Синхротронноз излучение (СИ) ябляетсп в настоящее время важным инструментом исследований во многих областях науки и техники. Создание накопителей электронов - специализированных источников СИ - стало отдельной важной задачей ускорительной физики. Магнитная структура таких накопителей оптимизируется для получения наилучших с точки зрения пользователей параметров генерируемого излучения. Потребность в увеличении „ яркости источников приводит к необходимости уменьшения, эмиттанса электронного пучка и увеличения накапливаемого тока. Для большинстеа ..экеперимаггал'ыгых приложений важны стабильность положения и. большое время жизни пучка. Надежная работа современных накопителей, а также .успешное проведение экспериментов с использованием СИ невозможны без прецизионного контроля параметров пучка электронов. Поэтому с повышением требований к источникам СИ возрастает и потребность в развитии все более» совершенных, информативных и точных методов диагностики пучка. > . В общем случае спектрально-угловое распределение генерируемого пучком электронов магнитотормозного излучения зависит от распределения частиц пучка по координатам и скоростям. Использованием соответствующей геометрии измерений, а также применением специальных вставных или фокусирующих устройств можно добиться усиления этой зависимости. Зная, как связано результирующее распределение интенсивности излучения с параметрами пучка электронов, по регистрируемому детектором распределению излучения можно определить искомые параметры пучка. Таким образом, точный расчет характеристик магнитотормозного излучения в ускорителях - электронов весьма важен для разработки информативных • методов контроля электронного пучка. Кроме • того, точное знание характеристик формируемого излучения способствует наиболее полному и эффективному использованию возможностей источников СИ для проведения экспериментов с излучением. Разработке эффективных численных методов расчета характеристик любых видов магнитотормозного излучения в. ускорителях электронов (в том числе краевого излучения и излучения из элементов электронной оптики), созданию на этой основе новых и повышению возможностей существующих методов' диагностики электронного пучка и посвящена настоящая диссертация.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертации является: разработка методики численного расчета характеристик магнитотормозного излучения с учетом

' з

особенностей магнитной системы ускорителя и коночного фазового объема излучающего пучка; численный анализ свойств краевого излучения (КИ) й разработка на этой основе метода определения параметров пучка в накопителях электронов; теоретическое исследование дифракции синхротронного излучения и разработка методики повышения пространственного разрешения при измерении поперечного распределения плотности электронов с помощью сфокусированного синхротронного излучения.

В работе исследуются теоретически и экспериментально: -- особенности краевого излучения бесконечно тонкого электронного пучка и пучка с ненулеаым эмиттансом в реальной магнитной системе современного накопителя электроноа;

-- возможность определения угловых рэсходимостей, поперечных размеров, аффективных эмиттансов, энергии, поперечного положения и средних углов наклона пучка электронов в накопительном кольце на основе численного анализа измеряемого распределения интенсивности КИ видимого диапазона длин волн;

-- особенности дифракции синхротронного излучения и возможность повышения пространственного разрешения численным методом в задаче измерения профиля электронного пучка с помощью СИ видимого диапазона длин волн.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. В настоящее время в мире разработано множество методов расчета спектрально-угловых распределений магнитотормозного излучения в приближении боскснечно тонкого пучка, для большого удаления "плоскости детектора" от области формирования излучения (много большего, чем продольный размер этой области). В существующей научной литературе теоретически и экспериментально хорошо изучено краевое излучение в дипольнрм приближении, выполняющемся с хорошей точностью в протонных синхротронах. 3 приближении бесконечно тонкого пучка (без учета влияния поперечных размеров и угловых расходимостей пучка) изучены отдельные особенности КИ' в ускорителях электронов, такие как интерференция излучения от двух краев поворотных магнитов, ограничивающих один прямолинейный промежуток, угловое распределение КИ от одного края магнита в пределе бесконечно больших длин волн. Вследствие того, что приближения бесконечно тонкого пучка и большого удаления "плоскости детектора" далеко не всегда выполняются при

проведении экспериментов с излучением, результата расчетов в

количественном отношении, как правило, недостаточно хорошо согласуются с--------------- -

экспериментальными данными. Отсутствует представляющий большой практический интерес точный расчет характеристик магнитотормозного излучения в реальной магнитной система накопителя электронов, для реальных условий регистрации излучения; не исследовано количественно влияние конечного (ненулевого) эмиттанса электронного пучка на распределение, интенсивности КИ. Отсутствует последовательное строгое описание дифракции магнитотормозного излучения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана и реализована новая методика прецизионного численного расчета распределений интенсивности магнитотормозного излучения любого типа в современных ускорителях . электронов, принимающая во внимание конечный фазовый объем излучающего пучка; проведен последовательный теоретический анализ свойств краевого излучения в реальной магнитной системе накопителя электронов; впервые количественно исследуется влияние конечного фазового объема пучка на распределение интенсивности" КИ; ' разработан и экспериментально опробован на накопителе электронов Сибирь-1 новый метод определения угловых расходимостей, поперечных размеров, эффективных эмиттаксов, поперечных координат "центра тяжести", средних углов наклона, анергии пучка в накопителях электронов на основе численного анализа измеряемых распределений интенсивности КИ видимого диапазона длин золн; впервые предложена методика строгого расчета обусловленного дифракцией распределения интенсивности фокусируемого магнитотормозного излучения; разработана новая методика повышения пространственного'разрешения при измерении поперечного'распределения плотности электронов в пучке с помощью сфокусированного СИ видимого диапазона длин волн путем численного решения диагностического уравнения измерительной системы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. На основе результатов диссертации создана и экспериментально опробована система диагностики пучка электронов с помощью КЙ видимого диапазона длин волн Для накопителя Сибирь-1, разработана и изготавливается аналогичная система для накопителя Сибирь-2 (Курчатовский источник СИ, РНЦ "Курчатовский Институт"). Эти системы не имеют прямых аналогов в мире и во многих отношениях превосходят существующие устройства того же назначения. С их

\

помощью может осуществляться непрерывный неразрушающий контроль угловых расходимостей, поперечных размеров, эффективных эмиттансов, энергии, тока и положения пучка в накопителях электронов. Данные, получаемые с помощью этих . систем, могут использоваться для экспериментального исследования динамики электронного пучка, выбора оптимальных режимов работы ускорителей, а также при проведении пользовательских экспериментов с излучением.

Результаты диссертации могут быть применены для создания систем диагностики пучка в тех ускорителях электронов, где имеются секторные поворотные магниты, разделенные прямолинейными промежутками. Наиболее перспективным представляется использование результатов диссертации для диагностики пучка в современных специализированных источниках СИ. Разработанная методика повышения пространственного , разрешения при измерении профиля пучка с помощью сфокусированного СИ видимого диапазона длин волн позволяет использовать данный метод диагностики пучка в ускорителях электронов на' высокие' энергии, где ограничиваемое дифракцией естественное оптическое разрешение при таких измерениях сравнимо с определяемыми поперечными размерами пучка. Кроме диагностики пучка, разработанные методы численного расчета характеристик мап ;ито тормозного излучения могут применяться при планировании и проведении экспериментов в различных областях науки с использованием обычного СИ. излучения из вигглеров и ондуляторов, краевого излучения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на X Международной конференции по физике ВУФ-излучения VUV-10 (Париж, июль 1392 г.), на конференции по ускорителям заряженных частиц IEEE РАС-93 (Вашингтон, май 1993 г.), на Второй Международной школе по динамике пучка и оборудованию для источников синхротронного излучения (Second !CFA Schoo! of Synchrotron Light Sources, Тайвань, октябрь

1993 г.), на Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц ЕРАС-94 (Лондон, июнь 1994 Г;), на Международной конференции по оборудованию для источников синхротронного излучения SRI-94 (США, июль

1994 г.), на Международном семинаре по проблемам эмиттанса в кольцевых ускорителях (Workshop on Emittance in Circular Accelerstors, Цукуба, Япония, ноябрь 1994 г.), на семинарах и конференциях в ИОЯФ РНЦ "Курчатовский Институт1.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в восьми статьях (J.Optics (Paris) - 1, Proceedings of the IEEE PAC93 - 3, Proceedings of the EPAC94 - 1, Rev. Sei. Instrum. - 1, БАНТ - 2)", в трех препринтах РНЦ "Курчатовский Институт", двух отчетах Курчатовского источника СИ. ' ' *

'СТРУКТУРА РАБОТЫ. " Диссертация состоит, из Введения, пяти

разделов, Заключения, Приложения и списка литературы. Во Введении кратко обоснована актуальность разработки, эффективных . методов расчета характеристик магнитотормозного излучения и применения их для определения параметров электронного пучка а ускорителях; дан 'краткиЛ обзор известных методов и систем диагностики пучка 'с- помощью магнитотормозного излучения в ускорителях электронов; отмечаются достоинства и недостатки методов, В первом разделе изложен общий подход к. расчету характеристик магнитотормозного излучения релятивистских заряженных частиц в приближении бесконечно тонкого пучка. Б качестве отправных используются, выражения для запаздывающих потенциалов создаваемого частицами электромагнитного поля. Второй раздел посвящен численному анализу свойств краевого магнитотормозного излучения в накопителях электронов с учетом особенностей магнитной системы в приближении бесконечно тонкого электронного пучка; особое внимание уделено свойствам, привлекательным для диагностики пучка и экспериментов с использованием излучения в диапазоне длин волн от ВУФ до ИК. 3 третьем разделе предлагается универсальная методика расчета распределений интенсивности магнитотормозного излучения, принимающая во внимание конечный., фазовый объем пучка и особенности магнитной системы ускорителя; приведены результаты численного расчета распределений интенсивности КИ в накопителе Сибирь-1; обосновывается метод определения угловых расходимостей, поперечных размеров, энергии пучка электронов с помощью краевого излучения. В четвертом разделе описана система измерения распределений интенсивности КИ в накопителе электронов Сибирь-1: изложена методика обработки экспериментальных данных с целью определения параметров пучка;' приведены результаты измерений распределений интенсивности КИ и найденное параметры электронного пучка в накопителе Сибирь-1. Пятый раздел посвящен проблеме строгого описания дифракции и фокусировки магнитотормозного излучения и ее приложению к диагностике пучка в накопителях электронов высоких'энергий; предлагается методика численного расчета распределения

интенсивности сфокусированного СИ в оптическом изображении профиля электронного пучка, а также метод повышения предельного пространственного разрешения при измерении поперечного распределения плотности частиц с помощью сфокусированного СИ - путем численного решения диагностичзского уравнения измерительной системы. В Заключении перечислены основные результаты работы. В Приложении приведены формулы для численного ' расчета . распределений интенсивности мзгнитотормознэго излучения пучка с ненулевым эмиттзнсом, используемые ь рамках методики, изложенной в третьем разделе.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Основная часть диссертации содержит 129 стр. машинописного текста, в том числе 7 таблиц и 24 рисунка. Список использованной литературы содержит 83 наименования.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

— методику численного расчета распределений интенсивности магнитотормознсго излучения бесконечно тонкого релятивистского пучка .■" электронов (пучка с нулевым поперечным эмиттансом), исходящую из преобразований Фурье запаздывающих потенциалов, учитывающую особенности магнитной системы ускорителя и применимую при любом (в том числе и малом) удалении "экрана детектора" от области излучения;

— результаты численного анализа свойств краевого излучения в накопителях элекгроноя высоких энергий в приближении бесконечно тонкого пучка, дополняющие и уточняющие положения существующей теории;

--метод/,ку численного расчета распределений интенсивности некогерснтнсго магнитотормозного излучения релятивистского пучка электронов с ненулсоым гмитгаксом, учитывающую динамику пучка в магнитной системе ускорителя электронов и применимую при любом {в том числе и малом) удалении "экрана детектора* от области излучения;

— результаты модельных численных расчетов распределений интенсивности краевого излучения в накопителе электронов на энергию 450 МзВ Сибирь-1 при различных углээых расходимостях и поперечных размерах излучающего • пучка; .. '

— метод определения среднеквадратичных угловых расходимостей, поперечных размеров, эффективных эмипансоз, энергии, среднего , поперечного положения и углов наклона пучка в накопителях электронов на основе численной "подгонки* (по параметрам пучка) расчетных распределении интенсивности монохромагичного краевого излучения

видимого диапазона длин волн под соответствующие измеренные распределения;......

-- результаты определения параметров пучка с помощью краевого излучения' в накопителе электронов Сибирь-1;

— методику строгого расчета обусловленного дифракцией распределения интенсивности фокусируемого магнитотормозного излучения; /.-- основанную на,точном описании дифракции методику численнбй обработки экспериментальных данных, приводящую к повышению пространственного разрешения при измерении профиля пучка электронов с помощью сфокусированного СИ видимого диапазона длин волн. \

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Расчет характеристик некогерентного у

пучка. Прецизионный расчет характеристик магнитотормозного излучения может быть основан на выражениях, исходящих непосредственно из

преобразований " Фурьо.....запаздывающих " "' потенЦйгиюв. ' Выражения,

получаемые в рамках этого подхода, отличаются простотой, однако неудобны для непосредственного использования в численных расчетах (сходимость получающихся несобственных интегралов определяется фазой; подынтегральные функции носят осциллирующий характер). Вследствие этого для расчета характеристик магнитотормозного излучения традиционно используются другие, более сложные соотношения, включающие напряженность магнитйого поля в предэкспоненциальном члене. В разделе предложено использовать для численных расчетов выражения, получающиеся из запаздывающих-потенциалов, с повышающими сходимость остаточными членами. Такой подход к расчету характеристик магнитотормозного излучения отличается высокой практической эффективностью и допускает дальнейшее развитие с целью учета конечного эмитганса излучающего пучка (раздел 3). Отдельной отличительной чертой предлагаемой методики является возможность прецизионного расчета распределений интенсивности магнитотормозного излучения при лсбом, в том числе и малом, удалении "экрана детектора" от области формирования излучения (последнее актуально, например, в случае ондуляторного или краевого излучения).

Спектрально-угловые характеристики КИ в электронных синхротронах и накопительных кольцах существенно

отличаются от характеристик генерируемого в однородном магнитном поле обычного СИ (Никитин М.М., Медведев А.Ф., Моисеев М.Б.. и др. - 1979-1981 г.г.). При этом, как правило, геометрия измерений такова, что наблюдается суперпозиция излучения, генерируемого частицами на краях двух соседних поворотных магнитов, ограничивающих один прямолинейный промежуток ускорителя. Поэтому в ряде работ основное внимание уделялось влиянию интерференционных эффектов на спектр излучения частиц (Башмаков Ю.А., Серое A.B., Смоляков H.B. - 1S84-1992 г.г.). Вместе с тем, характеристики интерферирующего КИ электронов во многом определяются особенностями спектрально-углового распределения излучения, формируемого на одном крае поворотного магнита. Согласно Теоретическому анализу, проведенному на примере излучения из одного края поворотного магнита накопителя Сибирь-2 (энергия пучка 2,5 ГэВ, критическая длина волны СИ V=0,7 им), можно утверждать следующее. Для длин волн Ъ-Хс в угловом распределении КИ появляются пики, превышающие уровень обычного СИ. Так, например, при X = 103 Яс превышение в интенсивности составляет более чем один порядок. Для о- компоненты излучения максимумы расположены в медианной плоскости при горизонтальном угле Е, « ±у"' (у - относительная энергия электронов); максимумы я- компоненты лежат в вертикальной плоскости при угле ^ » ±у"' (углы отсчитызаются от оси прямолинейного промежутка). Спектр излучения, распространяющегося в медианной плоскости под углом 4 = у"', с увеличением длины волны спадает значительно медленнее, чем спектр обычного СИ. Можно показать, что для спектрального потока фотонов

dN

з единицу телесного угла КИ выполняется: dtdCi(dZ/Ä)

дуЧ

Ллге. где а ■

константа тонкой структуры, е - заряд электрона, / - ток электронов (на енапогичное свойство излучения из коротких магнитов было указано Бессоьовым Е.Г. в 1983 году); в то же время, для обычного СИ, как известно.

Д-»«

dN

имеет место: didCi{dljX)

-> 0 '

. Жесткое излучение (Я.<ХС) в диапазоне углоз (»г1 ■ -

|С1 < 2у"', |С|< 2у"ь оказывается подавленным. Если для расстояния между краями поворотных магнитов синхротрона (накопительного кольца) выполняется Ь^Х^, то происходит интерференция. длинноволнового излучения от двух ьраев поворотных магнитов, ограничивающих один прямолинейный промежуток. При этом результирующее распределение

интенсивности представляет собой хорошо известную в оптике систему _ интерференционных колец и, в то же время, продолжает проявлять особенности КИ, генерирующегося в областях спада магнитного поля на каждом из краев магнитов в отдельности. Углоеая ширина к- го интерференционного кольца при к » 1 приближенно равна [А/(21Ж)],п. Наибольшее интерференционное усиление излучения, генерируемого на двух краях поворотных магнитов, происходит при Ь - Ху2(2п -1)/2, п-1,2,... . В

2 9 -2

этом случае интенсивность КИ при £ + £ = / вчетверо превосходит интенсивность излучения, генерируемого на одном крае поворотного магнита. Эти и другие свойства КИ электронов □ д/.аг.азепе длг.н если Хс«Х<2Ьу~г (что в современных источниках СИ соответствует диапазону от ВУФ до ИК) могут оказаться весьма полезными для проведения пользовательских экспериментов с излучением. Отдельным многообещающим приложением КИ (видимого ' диапазона длин волн) представляется диагностика электронного пучка, поскольку характерные угловые размеры распределения интенсивности КИ в приближении бесконечно тонкого пучка (у1 и [Д/(20;)]"г) оказываются сравнимыми с типичными угловыми расходимостями электронного пучка, а также с ого поперечными размерами, отнесенными к расстоянию до "экрана детектора" в накопителях электронов.

Накодщднае. , магышаюрмсанао__излучение релятизисхекогя

элеетроннрго пучка с ненулевым эмиттансом. Учет конечного эмиттанса излучающего пучка весьма важен в тех случаях, когда естественные характерные ■ угловые размеры распределений интенсивности магвитотормозного излучения (в приближении бесконечно тонкого пучка) меньше либо сравнимы с эффективной угловой расходимостью электронного пучка. В современных накопителях электронов это, например, имеет место для обычного, жесткого СИ (Х<Хс) и для излучения из вставных устройств (ондуляторов и вигглерсв). Учет конечного эмиттанса также принципиально необходим при анализе распределений интенсивности длинноволнового КИ {?->?.<). Однако, если п традиционных случаях (обычное СИ и, с некоторой точностью, излучение из вставных устройств) расчет облегчается тем, что для суммарного распределения интенсивности излучения верно соотношение типа свертки функции распределения частиц в поперечном фазовом пространстве с распределением интенсивности излучения бесконечно тонкого пучка, то а случае КИ от двух поворотных магнитов ситуация значительно сложнее. В прямолинейном промежутке между краями

поворотных магнитов, где формируется наблюдаемое'КИ, могут находиться (и, как правило, находятся) элементы электронной оптики - корректоры, квадрупольные линзы и т.д. Это приводит к тому, что условия формирования излучения для разных частиц пучка 'могут быть-различными; и расчет распределения интенсивности традиционными - методами" оказывается затрудненным. Предлагается новая . универсальная - методика расчета распределений интенсивности магнитотормозного излучения пучка с ненулевым эмиттансом. В методике учитывается, что в большинстве случаев распределение плотности частиц пучка в поперечном фазовом пространстве можно считать Гауссовым, а динамику, движения частиц пучка -описывающейся линейными дифференциальными уравнениями второго порядка. В Этих приближениях значительную'часть' вычислений* можно провести аналитически, оставив лишь двукратное интегрирование вдоль равновесной траектории пучка для численных расчетов (при необходимости можно учесть отклонение формы распределения пучка от Гауссовой, а также нелинейные поправки к движению). Т.о., кроме параметров распределения частиц пучка в фазовом пространстве, в данной, методике с высокой точностью учитываются особенности магнитной . системы ■ ускорителя. Подчеркнем, что разработанная методика расчетов справедлива для любого вида магнитотормозного излучения в накопителях электронов, от излучения из вигглеров и ондуляторов до излучения из квадрупольных линз, и для любого (сколь угодно малого) удаления, 'экрана детектора" от области формирования излучения; соответствующий алгоритм вычислений отличается высокой эффективностью по сравнению с другими использующимися в настоящее время методами расчета характеристик излучения пучка с ненулевым эмиттансом. С помощью данной методики проведены расчеты распределений интенсивности. КИ в накопителе Сибирь-1 при различных угловых расходимостях и поперечных размерах пучка. Установлен характер влияния ненулевого эмиттанса пучка на результирующее распределение КИ. Проиллюстрирована высокая чувствительность распределений интенсивности монохроматичного КИ видимого диапазона длин волн к горизонтальным и вертикальным угловым расходимостям, поперечным размерам, эффективным эмиттансам Излучающего электронного пучка. ;

краевого излучения. На основе разработанной методики расчета распределений интенсивности ,'-' монохроматичного , магнитотормозного излучения пучка с ненулевым эмиттансом написано программное обеспечение, позволяющее по измеренному распределению интенсивности

КИ определять .угловые расходимости, поперечные размеры, эмиттансы, энергию,1 ток, положение пучка в накопителе электронов. В качестве входных параметров используются также результаты измерения магнитного поля в : элементах магнитной • структуры ускорителя . (в ■ большинстве случаев достаточно контрольных измерений, проводимых при изготовлений этих элементов). Разработана и собрана система измерения распределений интенсивности монохроматичного КИ видимого диапазона длин волн, использующая в качестве детекторов автоматизированные цифровые телекамеры на основе матричных ; фоточувствительных • • микросхем с • зарядовой связью.-..ЛрозедснаЛ,экспериментальная проверка расчетных свойств КИ в накопитело . Сибирь-1. Экспериментально показано, что разработанная методика определения параметров пучка электронов с помощью КИ является действенным средством диагностики пучка и может использоваться при выборе оптимальных режимов работы ускорителя, при экспериментальном исследований динамики пучка, а также при проведении пользовательских экспериментов с излучением. Проведенный теоретический анализ показывает, что предлагаемая методика определения параметров электронного' пучка 'применима ■ в накопителях' электронов существенно разных классов - с энергиями от сотен МэВ до десятков ГэВ. Метод на основе краевого излучения отличается от других методов диагностики пучка, использующих магнит'отормозное излучение, высоким угловым разрешением, максимальной экспериментальной простотой, универсальностью и возможностью одновременного определения большого числа параметров электронного пучка.

приложения в области_диагностики электронного пучка, Проблема

адекв?тного описания дифракции СИ важна при рассмотрении фокусировки излучения, которую осуществляют, например, в экспериментах с мягким излучением для улучшения коллимационных характеристик пучка СИ, а также для измерения профиля электронного пучка с помощью СИ видимого диапазона длин волн. Наиболее широко применяющееся в настоящее время приближение "для описания фокусировки СИ с учетом дифракции -заимствованное из лазерной физики приближение гауссозых пучков - не позволяет адекватно описать дифракцию СИ в горизонтальном направлении (Зинин Э.И. и др., 1930 г.). Независимый учет эффектов дифракции (например,' в- приближении параллельного пучка) м дефокусировки, обусловленной конечной протяженностью области излучения вдоль оптической оси, 'хоть и дает реалистичные оценки для оптического

разрешения при измерении профиля' электронного пучка с помощью СИ видимого диапазона длин волн (А.Но(тапп, Р.Мео!, Э.И.Зинин, 1982 г.), но не позволяет точна описать распределение интенсивности сфокусированного СИ, которое соответствует бесконечно тонкому пучку. Предлагается строгий последовательный подход к описанию дифракции магнитотормозного излучения, исходящий из преобразований Фурье запаздывающих потенциалов и основанный на применении теоремы Кирхгофа к точному выражению для Фурье-компоненты электрического поля излучения. Этот подход естественным образом учитывает' как условия формирования излучения, так и особенности оптической системы, вплоть до аберраций различного происхождения, возникающих при формировании дифракционного изображения. На основе предложенного подхода разработана методика расчета распределения интенсивности в дифракционном оптическом изображении профиля электронного пучка. Разработана система измерения поперечного распределения плотности электронов в пучке накопителя Сибирь-2 и расчитана передаточная функция этой системы. Предложен метод повышения пространственного разрешения измерительной системы путем обработки экспериментальных данных, сводящейся к численному решению диагностического уравнения. Проведены модельные вычислительные эксперименты для предполагаемых параметров пучка в накопителе Сибирь-2. Результаты расчетов свидетельствуют о возможности повышения оптического разрешения.предложенным методом в 1,5 - 2,5 (а при использовании априорной информации о профиле пучка - и более) раза. Данный метод позволяет эффективно использовать СИ видимого диапазона длин волн для измерения распределения плотности частиц по поперечным координатам в пучках накопителей электронов высоких энергий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ;

1. Разработана эффективная методика численного расчета характеристик краевого излучения в.накопителях электронов в приближении бесконечно тонкого пучка, справедливая для любого удаления точек наблюдения от области формирования излучения и учитывающая все основные особенности магнитной системы ускорителя.

2. Проведен подробный численный анализ свойств КИ в реальных магнитных системах накопителей электронов в приближении бесконечно тонкого пучка. Указано на особенности КИ, привлекательные для экспериментального использования в длинноволновой области

{Хс « X < 2£у~3). Впервые предложено использовать особенности длинноволнового КИ в накопителях электронов для определения горизонтальных и вертикальных угловых расходимостей, поперечных размеров, эмиттансов излучающего пучка.

3. Разработана н'овая универсальная методика расчета распределений интенсивности магнитотормозного излучения электронного пучка с ненулевым эмиттансом а реальной магнитной системе ускорителя, справедливая для любого удаления точек наблюдения от области формирования излучения.

4. Впервые проведено численное исследование влияния угловых расходимостей и поперечных размеров пучка о накопителе апеетронов на распределение интенсивности генерируемого им краевого излучения. Проделаны модельные вычисления распределений интенсивности КИ для накопителя электронов Сибирь-1.

.5. Разработан и экспериментально опробован новый метод определения горизонтальных и вертикальных среднеквадратичных угловых расходимостей, поперечных размеров, эмиттансов, энергетического •»

разброса, средней энергии, поперечного положения и углов наклона пучка электронов, состоящий в измерении распределений интенсивности монохроматичного кгаевого излучения видимого диапазона длин волн и

V

последовательном численном расчете этих же распределений при различных значениях модельных параметров излучающего пучка с целью нахождения тех значений параметров, при которых расчетные распределения интенсивности излучения наилучшим образом совпадают с измеренными.

6. Проведено экспериментальное исследование свойств КИ в накопителе электронов Сибирь-1. С помощью разработанного нового метода (п. 5) определены горизонтальные и вертикальные среднеквадратичные угловые расходимости, поперечные размеры, эмиттансы, энергетический разброс, средняя энергия пучка электронов в накопителе Сибирь-1.

7. Предложено последовательное строгое описание дифракции магнитотормозного излучения и методика прецизионного расчета обусловленного дифракцией распределения интенсивности фокусируемого синхротронного излучения. Проведены модельные расчеты распределений интенсивности фокусируемого СИ для системы измерения профиля пучка электронов в накопителе Сибирь-2.

,. 8. Предложен новый метод повышения пространственного разрешения при измерении поперечного распределения плотности электронов в пучке с

помощью фокусируемого СИ видимого диапазона длин волн - путем численного решения диагностического уравнения измерительной системы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. O.V.Chubar, N.V.Smolyakov. VUV range edge radiation in electron storage rings. - J.Optics (Paris), 1993. vol. 24, No. 3. pp. 117:121.

2. O.V.Chubar, N.V.Smolyakov, Generation of Intensive Long-Wavelength Edge

Radiation in High-Energy Electron Storage Rings.- Proceedings of the 1993 IEEE Particle Accelerator Conference, vol. 2, pp. 1626-1628.

3. O.V.Chubar, ES.Masunov. Electron beam diagnostics by means of edge

radiation.- Proceedings of the 1993 IEEE Particle Accelerator Conference, vol. 3. pp. 2474-2476.

4. O.V.Chubar. Resolution Improvement in Beam Profile Measurements with

Synchrotron Light.-Proceedings of the 1993 IEEE Particle Accelerator Conference, vol. 3, pp. 2510-25.12. .

5. O.V. Chubar, I.M. Nagornykh, Yu.V. Krylov. Edge Radiation Based System for

Beam Diagnostics on Siberia-1 Electron Storage Ring.- Proceedings of the 4th European Particle Accelerator Conference EPAC-94 (London, June 27 - . July 1), vol. 2, pp. 1673-1675.

6. O.V. Chubar. Precise Computation of Electron Beam Radiation In Non-uniform

Magnetic Feilds as a Tool for the Beam Diagnostics.- International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation SRI-94 (USA, July 18-22), Scientific. Program and Abstracts, TuE9, to appear in.Rev. Sci. Instum., 1995, Vol.66, No.2.

7. Саморуков M.M., Чубарь O.B. Методика измерения поперечного распределения плотности частиц в пучке электронов на основе ПЗС-линейки в накопителе Сибирь-2.- Сб. "Вопросы атомной науки и техники", серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). Москва. "ЦНИИатоминформ", 1990, в.11 (19), с.131. •

8. Чубарь О.В., Саморуков М.М. Математическая модель системы измерения поперечного распределения плотности электронов в пучке накопителя . Сибирь-2. - Сб. "Вопросы атомной науки и техники", серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент).- Москва, "ЦНИИ атоминформ", 1992, в. 3, с.106-108. Препринт ИАЭ им. И.В.Курчатова, 1991, ИАЭ-5377/14, 20 с.

9. Чубарь О.В., Смсляков H.B. Особенности краевого излучения в накопителях электронов высоких энергий,- Препринт ИАЭ им. И.В.Курчатова, 1992, ИАЭ-5596/14, 23 с.-----------------1 _______

10. O.V.Chubar. Measurements of Effective Electron Beam Emittance Using Edge Radiation. - Preprint RRC "Kurchatov Institute", 1994, IAE-563S/14, Б p.

Подписано в нечать/У, О1/. Заказ -У53 'Тираж- S0

Типография ШШ, Каширское шоссе, 31