Диагностика электронных пучков низких энергий по оптическому переходному излучению тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

Шарафутдинов Алексей Фердаусович

Диагностика электронных пучков низких энергий по оптическому переходному излучению

01 04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск, 2004

Работа выполнена в государственном научном учреждении "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете".

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Потылицын А.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Рыжов Виктор Васильевич, ИСЭ СО РАН

Ведущая организация: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Защита диссертации состоится: 22.ноября 2004 года в 15 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.269.05 Томского политехнического университета по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 2а, ГНУ "НИИ ЯФ при ТПУ"

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан октября 2004 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета,

доктор физико-математических наук, Таратин Александр Михайлович, ОИЯИ, г. Дубна

(г. Москва)

кандидат физико-математических наук

Кононов В.К.

г г 800

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время в мире строится новое поколение ускорителей заряженных частиц, имеющих субмиллиметровые размеры пучка, увеличенную стабильность и многократно улучшенную эффективность ускорения. Это продиктовано современными требованиями к качеству ускорителей, которые планируется использовать как источники синхротронного излучения 5-го поколения и в качестве источников для лазеров на свободных электронах. Для подобных ускорителей необходимо разработать методы диагностики, позволяющие не только отслеживать параметры пучка, но и добиваться заданных характеристик, что заставляет использовать методы, позволяющие измерять заданный параметр как минимум в 10 раз лучше, чем это необходимо для ускорителей с фиксированной мишенью или накопительных колец. При этом точность существующих методов зачастую недостаточна либо цена их реализации для заданных параметров пучка слишком высока. Все это заставляет искать новые физические принципы, на которых можно построить необходимую диагностическую аппаратуру.

Измерение параметров пучков низких энергий (Ее < 20 МэВ) становится актуальным в последнее время в связи с широким распространением ускорительной техники в народном хозяйстве. Такие ускорители широко используются, например, в качестве источников излучения для диагностики материалов. Так же такие ускорители широко используются и в медицине. Во всех случаях предъявляются жесткие требования к качеству и стабильности получаемого пучка частиц. Поэтому необходимо разрабатывать методы диагностики, которые с одной стороны, позволяли бы контролировать параметры пучка с приемлемой точностью, а с другой, были относительно дешевыми, чтобы не увеличивать цену конечной установки.

Электроны низких энергий также могут быть использованы в качестве модельных частиц при проектировании методов диагностики для ускорителей тяжелых частиц, например протонов, поскольку характеристики электромагнитного излучения частиц определяется, как правило, Лоренц-фактором частицы. Например, переходное излучение для электрона с энергией 10 МэВ будет точно таким же, как для протонов с энергией и методы измерений в обоих случаях будут одинаковыми.

Одним из.таких новых методов измерения параметров пучков заряженных

РОС. {¡АЦИОИлЛЬНАМ I БИБЛИОТЕКА

частиц является использование оптического переходного излучения (ОПИ). Это излучение возникает при пересечении заряженной частицей границы раздела двух сред и зависит только от Лоренц-фактора частицы и ее направления [7]. Этот факт позволяет использовать данное излучение для целей диагностики как положения и сечения электронного пучка [8, 9], так и его угловой расходимости [10, 11].

Цель диссертационной работы

• Создание модели, описывающей влияние угловой расходимости начального электронного пучка на форму ориентационной зависимости ОПИ.

• Экспериментальная проверка созданной модели и обоснование нового метода измерения угловой расходимости электронного пучка.

• Разработка и создание установки, позволяющей измерять ориентационные зависимости ОПИ, профиль и положение единичных макроимпульсов электронов низких энергий, с длительностью в несколько микросекунд.

• Создание установки, позволяющей измерять угловое распределение ОПИ, возникающего под действием макроимпульса электронов низких энергий, с длительностью в несколько микросекунд

Научная новизна работы

1. Разработана методика измерения угловой расходимости пучка заряженных частиц низких энергий (Е ,< 10 МэВ) путем измерения ориентационной зависимости выхода оптического переходного излучения.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая измерять ориентационные, поляризационные и угловые характеристики ОПИ, а также измерять поперечный профиль электронного пучка с энергией 6,1 МэВ.

3. Впервые измерены ориентационные зависимости оптического переходного излучения для электронов с энергией 6,1 МэВ и экспериментально доказана работоспособность предложенной методики.

4. Достигнутая чувствительность позволила впервые измерить профиль единичного макроимпульса электронов с энергией 6,1 МэВ, а гак же угловое распределение ОПИ от этого макроимпульса, имеющего длительность несколько микросекунд и интенсивность 1012 частиц.

Практическая значимость

Результаты настоящей работы имеют практическое применение для создания станций мониторинга пучков заряженных частиц низких энергий. Аналитические формулы, полученные в настоящей работе, позволяют определить угловую расходимость пучка заряженных частиц низких энергий путём измерения угловых зависимостей оптического переходного излучения. Простота и дешевизна предложенного метода измерений позволяет быстро и без особых затрат внедрить его как на уже построенных, так и на вновь строящихся ускорителях. В работе предложен унифицированный метод, позволяющий измерять как размеры и сечение пучка заряженных частиц, так и его угловую расходимость. Это позволяет строить станции для измерения эмиттанса пучка частиц в реальном времени, что является одним из важных требований для нового поколения ускорителей.

Положения, выносимые на защиту

1. Экспериментальная установка и методика изучения свойств излучений, возникающих в различных средах под действием электронного пучка с энергией 6,1 МэВ

2. Результаты измерений угловых и ориентационных зависимостей оптического переходного излучения, возникающего в алюминиевой мишени под действием пучка электронов с энергией 6,1 МэВ. Экспериментальное исследование поляризационных свойств этого излучения.

3. Аналитические формулы и методика измерений угловой расходимости начального пучка частиц путем измерения отношения глубины центрального минимума углового распределения оптического переходного излучения к максимуму этого распределения.

4. Экспериментальное исследование влияния угловой расходимости начального электронного пучка на форму ориентационной зависимости оптического переходного излучения от электронов с энергией 6,1 МэВ.

5. Результаты экспериментальных измерений сечения электронного пучка с энергией 6,1 МэВ на основе оптического переходного излучения, генерируемого за один импульс микротрона.

6. Результаты экспериментальных измерений угловой зависимости оптического переходного излучения генерируемого электронами с энергией 6,1 МэВ в течении одного макроимпульса длительностью несколько микросекунд и интенсивностью ~ 1012 электронов.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих симпозиумах и совещаниях:

• Международный симпозиум Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-01), оз. Ая, Россия, 2001 г.

• Международный симпозиум Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-03), г. Томск, Россия, 2003 г.

• Международный симпозиум Korea-Russia International Symposium on Science and Technology, г. Томск, Россия, 2001 [5]

Результаты работы обсуждались на следующих семинарах:

• Университет Йоханеса Гуттенберга, коллаборация XI, г. Майнц, Германия, 2001 г.

• Научный семинар кафедры Прикладной физики ТПУ. Публикации

Основные результаты работы опубликованы в статьях [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Структура и содержание диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы; содержит 87 страниц", 58 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 45 ссылок.

Во введении рассмотрены существующие методы диагностики ускоренных пучков заряженных частиц, приведен обзор работ по проблеме, состояние исследований к моменту начала работы. Основное внимание

уделено использованию оптического переходного излучения для целей диагностики и сравнение с другими методами. Приведено обоснование необходимости проведения дальнейших исследований, постановка задачи для диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано описание свойств переходного излучения, а также возможности использования этого излучения для целей диагностики пучков заряженных частиц низких энергий.

Переходное излучение возникает когда заряженная частица пересекает границу раздела двух сред с различной диэлектрической проницаемостью Излучение возникает как вперед, вдоль импульса движения частицы, так и назад, под углом зеркального отражения к границе раздела сред.

Спектрально-угловые характеристики излучения могут быть получены путем точного решения уравнений Максвелла, описывающих поля излучения и движение частицы вблизи границы раздела двух сред. Точное решение для случая наклонного падения было получено Пафомовым в работе [7].

Спектрально-угловое распределение переходного излучения зависит от скорости заряженных частиц и оптических свойств среды, выраженных через диэлектрическую проницаемость с. Для реальных материалов диэлектрическая проницаемость является конечной комплексной величиной и описывает как отражение, так и поглощение излучения в среде, которые для каждого материала имеют свою зависимость от энергии излучения.

Если устремить значение е к бесконечности, то формулы для спектрально-угловой плотности будут описывать случай, когда частица пересекает границу раздела между вакуумом и идеальным проводником.

На рисунке 1 показано угловое распределение компоненты переходного излучения, поляризованной в плоскости отражения, с длиной волны 550 нм для электронов энергии 6Д МэВ (7 = 12.9) от идеально проводящей мишени (е = оо) и алюминиевой мишени (е = —43,84 — 12,82i). Как видно из приведенного рисунка различия между этими двумя случаями начинаются только для углов наблюдения близких к В остальном эти две кривые совпадают. Это позволяет в дальнейших выкладках использовать более простые формулы для случая идеально проводящей мишени.

Как видно на рисунке переходное излучение имеет два характерных максимума а также провал между ними - Провал

находится точно под углом отражения (если представить заряженную частицу в виде потока виртуальных фотонов, то генерируемое переходное излучение назад можно рассматривать как отражение этих фотонов от зеркальной поверхности мишени), а максимумы сдвинуты на расстояние

!<»-У

Угол юблюмимя. • рад

Рис. 1: Угловая зависимость параллельной компоненты ОПИ для алюминиевой и идеальной мишени

7-1 от минимума. Этот факт позволяет измерять угловые характеристики начального пучка частиц. В самом деле, для одной частицы, падающей на мишень под углом, отличным от \ к поверхности мишени, мы должны наблюдать смещение положения пиков и минимума между ними в угловом распределении переходного излучения. Для ансамбля частиц положение пиков и минимума будет прежним, изменится только ширина пиков, а также глубина провала. Величиной, характеризующей угловую расходимость пучка частиц, может быть выбран параметр описывающий "контраст" между минимальным значением в провале и максимальным значением интенсивности углового распределения ОПИ:

Л =

2 /„

"Ь 1+тпах) 1-тах + 1+

(1)

Так как максимумы расположены под углом 7-1 <С 1 к направлению зеркального отражения, то используя новые угловые переменные: вх = в —ф, ву = втузЕт?/), где ■ф - угол, под которым электроны падают на мишень, «С 1, мы можем записать выражения, описывающие спектрально-угловое распределение ОПИ в следующем виде:

/ц(*«А)=

1±(9Х,8у) —

ар2 в1 + вх{Т2~в1 + в1)Ьыф ар . вЦ 1-вхИтф)

(2)

(3)

ву) = h(6x, в у) + 4(0», *») =

a/?2 g2 + g1(7~2-^)tanV> 7Г2 (7~2 + 02)2(1 — 0Х tan ф)2'

é>2 = í£ + 02,

(4)

(5)

Вводя безразмерные переменные = 7$*, = 70„, ¿2 = £2 + £2 и пренебрегая членами порядка 7~2 выражение 4 можно записать в более простом виде:

cPW dt,dtv

<27

• +

£х tan тр

(1 + i2)2 7(1+ t2).

оя

= ^-A(Í1,Í!,,7,^)- (6)

Влияние угловой расходимости начального пучка на форму регистрируемого углового распределения ОПИ наиболее просто исследовать на модельном примере. Предположим, что угловое распределение пучка заряженных частиц, падающих на мишень, можно описать равномерным распределением:

, í^r, если Д2 + Д2<<т2, У> [О, если Д2 + Д2Хг2,

(7)

где Ах к Ау - углы влета частиц в мишень относительно направления

V-1

среднего импульса, в единицах 7 , а - параметр, характеризующий угловую расходимость пучка в тех же единицах.

Для расчета влияния угловой расходимости пучка на угловое распределение ОПИ необходимо вычислить свёртку выражений 6 и 7.:

A„{tx, ty) = У У Fe(Ax, Д„) ■ A{tx + АХ, tv + Ay)dAxdAy. (8)

Интегрируя выражение (8) аналитически, мы получим:

Для случая а <1С 1 это выражение можно упростить, опуская члены выше второго порядка по

__3 Í2

,2

(1 + í2)2

K{tX,ty) =

3t2 \]

(10)

Приведенные выражения справедливы для детектора, имеющего бесконечно малый размер, что практически недостижимо в реальных

измерениях. Конечная апертура детектора будет вносить свой вклад в величину минимума в угловом распределении ОПИ. Для оценки этого вклада предположим, что детектор имеет круглую форму с угловой апертурой 8, выраженной в единицах 7-1. После этого необходимо выражение для углового распределения ОПИ проинтегрировать по апертуре детектора.

где + <52 < <52 и йХ1 - угловые координаты центра детектора. Для случая 5 «С 1 и а <С 1 возможно найти приблизительную формулу, описывающую влияние обоих параметров - конечной апертуры детектора и угловой расходимости пучка на форму угловой зависимости ОПИ. Для этого в выражение (И) необходимо подставить выражение (10) и разложить его по степеням 6. Отбрасывая степени больше 2, мы можем получить следующее выражение для критерия' Я, выражающего контраст между минимумом и максимумом в угловом распределении ОПИ:

Приведенные формулы описывают влияние угловой расходимости начального электронного пучка на форму углового распределения ОПИ, которое генерируется этим пучком, и могут быть использованы для определения величины угловой расходимости пучка электронов как путем измерения угловой зависимости ОПИ так и путём измерения его ориентационной зависимости. Однако в связи с тем, что для определения величины контраста нет необходимости измерять всю угловую зависимость, можно ограничиться измерением выхода ОПИ всего в трех точках, что позволяет измерять угловую расходимость пучка любой энергии и на любой установке, даже если невозможно провести измерения полного углового распределения ОПИ.

Во второй главе приведено описание экспериментальной установки и методика измерений характеристик оптического переходного излучения, возникающего под действием электронов низких энергий. Исследования оптического переходного излучения проводилось на установке, построенной на основе микротрона-инжектора синхротрона "Сириус", ускоряющего электроны до энергии 6,1 МэВ.

Для этого на тракте инжекции синхротрона был установлен поворотный магнит, который направлял электроны в вакуумную камеру экспериментальной установки как это показано на рисунке 2.

(11)

Я и 2{6г + а2)

(12)

пучка

Рис 2 Схема экспериментальной установки

На тракте транспортировки электронов от микротрона до камеры рассеяния установлены 2 пары квадрупольных линз, позволяющих сфокусировать электронный пучок. В камере рассеяния установлены средства контроля положения - люминесцентный экран и тока пучка -индукционный датчик, а также гониометр для вращения и перемещения мишеней

Для измерения свойств оптического переходного излучения в гониометр устанавливалась алюминиевая мишень, которая могла вращаться вокруг оси, перпендикулярной пучку. Под углом 90 градусов к направлению движения пучка устанавливался детектор оптического излучения, который представлял собой фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-30. Дополнительно перед детектором располагалась шторка, перекрывающая только оптическое излучение и служившая для измерения уровня фона. Перед детектором также устанавливался поляризатор, предназначенный для измерения поляризационных свойств оптического переходного излучения. Детектор излучений был закреплен неподвижно Для измерения угловых свойств ОПИ производилось вращение мишени вокруг горизонтальной оси, и производилась измерение выхода излучения в каждой точке ориентации мишени. Данная зависимость названа ориентационной зависимостью ОПИ в отличие от угловой зависимости, когда мишень остается в фиксированном по отношению к падающему пучку положении, а перемещается детектор

Используя теоретические формулы для расчета переходного излучения можно легко показать, что для ОПИ "назад" эти две зависимости

эквивалентны, отличаются только по ширине в два раза. Это факт позволяет проводить относительно простое измерение ориентационной зависимости для получения той же информации о свойствах ОПИ, что и достаточно громоздкий эксперимент по измерению угловых зависимостей.

Созданная экспериментальная установка позволяет изучать излучение, возникающее в различных направлениях - прямо вперед, по движению частиц, назад, под малыми углами к направлению импульса частиц а также в стороны. Это позволяет проводить широкий спектр экспериментов по изучению свойств излучений возникающих в различных материалах под действием пучка заряженных частиц низких энергий.

В третьей главе приведены результаты экспериментального измерения ориентационной зависимости оптического переходного излучения, полученные на созданной экспериментальной установке, а также зависимость влияния угловой расходимости начального электронного пучка на форму этой зависимости.

В первом разделе главы приведены результаты измерения угловых свойств переходного излучения путем измерения его ориентационной зависимости. На рисунке 3 приведено экспериментальное измерение ориентационной зависимости ОПИ.

Из этого измерения мы видим, что ориентационная зависимость излучения имеет два максимума и минимум между ними при угле ориентации мишени 45 градусов к начальному импульсу электронного пучка, при этом максимумы расположены на расстоянии от положения минимума, что для электронов с энергией 6,1 МэВ составляет 2,5 градуса. Измеренное излучение является поляризованным.

На приведенном рисунке кривой 1 Рис. 3: Экспери^ниш,^ измерение

ориентационной зависимости ОПИ. показана компонента, поляризованная Кривая 1 - параллельная поляризация, вдоль плоскости отражения, кривая 2 - перпендикулярная кривой 2 - компонента излучения, поляризация

поляризованная перпендикулярно первой. Сравнивая эти зависимости с теоретически предсказанной кривой, показанной на рисунке 1, мы можем с уверенностью утверждать, что измеренное нами излучение действительно

является переходным излучением.

Во втором разделе главы приведено экспериментальное исследование влияния угловой расходимости начального электронного пучка на форму ориентационной зависимости ОПИ. В связи с тем, что на нашей установке не предусмотрено средств, контролирующих угловую расходимость пучка, мы измеряли влияние поперечных размеров пучка на форму 03. При этом, мы исходили из следующих соображений. Если в небольших пределах изменять размер пучка с помощью только одной магнитной линзы и только по одной координате, то пропорционально уменьшению его размера должна увеличиваться угловая расходимость пучка по этой координате, поскольку эмиттанс пучка остаётся постоянным.

Измерения проводились в несколько этапов. В начале, используя только одну магнитную линзу, на люминофоре устанавливался фиксированный размер пучка. Затем на пучок устанавливалась мишень и проводилось измерение ориентационной зависимости ОПИ. После этого, на пучок снова устанавливался люминофор, с помощью той же линзы, размер пучка изменялся по одной координате, и снова проводилось измерение 0 3. При этом размер, пучка по другой координате оставался прежним.

Ориентационные зависимости были измерены для различных размеров пучка. Измерения показали, что, как и предсказывает теория, глубина центрального минимума в угловом распределении ОПИ уменьшается с уменьшением размера пучка, т.е. с ростом угловой расходимости начального электронного пучка. Величина контраста Л характеризующего глубину минимума в угловом распределении для различных размеров пучка показана на рисунке 4а. А на рисунке 4Ь показана рассчитанная на основе этого контраста угловая расходимость начального электронного пучка, выраженная в единицах

Таким образом, экспериментально доказано, что имеется возможность использовать оптическое переходное излучение для целей диагностики угловой расходимости начального электронного пучка низких энергий, даже в тех случаях, когда использование методов измерений с интерферометром является неприменимым.

В четвертой главе приведено описание экспериментальной установки и измерений профиля одного импульса населенностью 1012 электронов, ускоренных до энергии 6,1 МэВ. Именно такой импульс генерируется за один цикл ускорения микротрона, используемого в качестве ускорителя на нашей экспериментальной установке.

Методы с использованием люминесцентных экранов не подходят

I I 4 I I II

Раммр луч«* ми

(а) Зависимость величины контраста Д от горизонтального размера пучка

Рис. 4: Зависимость величины контраста Д его размеров

(Ь) Зависимость величины угловой расходимости начального пучка от горизонтального размера пучка, кривая 1 расчет по формуле для круглого пучка, кривая 2 - по формуле для плоского пучка.

03 ОПИ и угловой расходимости пучка от

в случае малых размеров пучков, 'так как видимый размер может значительно превышать реальный. Это происходит из-за особенностей свечения таких экранов, когда свечение частиц люминофора вызывается не только падающим на экран пучком, но и вторичным излучением возникающим в материале экрана. Это вторичное излучение как правило является изотропным, имеет большую интенсивность и засвечивает большое скопление частиц люминофора вокруг места прохождения начального пучка.

В то же время, переходное излучение возникает на границе раздела двух сред, когда её пересекает электрон. При этом излучает сама среда, которая поляризуется под действием поля заряженной частицы, а затем возвращается в свое первоначальное состояние путем излучения электромагнитных волн. В отличии от люминофора, размер "светящейся" области на мишени при прохождении через неё отдельного электрона определяется длиной волны и апертурой оптической системы и, как правило, не превышает нескольких микрон. Эти свойства излучения позволяют использовать ОПИ для измерения профиля пучка частиц.

В нашей установке для измерений сечения пучка частиц использовалась видеокамера, предназначенная для систем видеонаблюдений, и специально разработанная оптическая система. Основной трудностью при измерениях сечения пучка с использованием ОПИ для электронов низких энергий является широкий конус, в который излучается основная доля энергии этого излучения. Это заставляет делать объективы больших диаметров

1 I

I

Видеокамера

Видеокамера

165 мм

¡49 мм

Рис 5' Схема оптической системы для измерения сечения сгустка электронов

и располагать их близко к источнику излучения. В таких условиях стандартные объективы, которыми комплектуются видеокамеры и которые часто применяются для измерения размеров пучка по люминофору не пригодны. Это вынуждает нас изготовить специальную оптическую систему.

Схематическое изображение оптической системы с рассчитанными параметрами приведено на рисунке 5.

В основе системы лежит видеокамера ТОМ-ЭЗО, имеющая чувствительность 0,01 люкс. Как показывает расчет, проведенный в главе, этой чувствительности достаточно для подобного рода измерений.

Измерение пятна ОПИ проводилось в два этапа Вначале на место мишени выставлялся люминофор, изображение которого выводилось с помощью дополнительной видеокамеры на экран. Поверхность люминофора расчерчена сеткой. Расстояние между горизонтальными линиями сетки составляет 2 мм, между вертикальными - 5 мм. Наблюдая изображение на люминофоре, и используя магнитную систему фокусировки, настраивался пучок, имеющий заданные размеры. Изображение пучка на люминофоре фотографировалось и после оцифровки записывалось на диск для дальнейшей обработки. После этого на место люминофора устанавливалась мишень и производилось наблюдение пятна ОПИ через построенную для этих целей оптическую систему Сигнал с видеокамеры можно было наблюдать на экране монитора и записать на диск в форме, удобной для дальнейшей обработки на компьютере, например, для построения профиля пучка

На рисунке 6 приведена фотография пятна ОПИ, генерируемого в алюминиевой мишени пучком, имеющим размеры на люминофоре 2x2 мм2. Фотография представляет собой распределение плотности излучения ОПИ на мишени за один импульс микротрона длительностью 4 мкс. Из правил оптики и особенностей генерации ОПИ эта фотография будет эквивалентна распределению плотности электронов в пучке, падающем на мишень, в результате чего и генерируется ОПИ. Измерение пятна ОПИ позволяет

Рис. б. Фотография пятна ОПИ для пучка 2x2 мм2

видеть профиль пучка. На рисунках 7 и 8 показано, соответственно, горизонтальное и вертикальное сечение пятна ОПИ. Оба сечения проведены через центр пятна.

Ос»х мммп

и И НО м >« Ш 1Н м

• ■ Ч II М !■

ОсьХ мм

Рис. 7. Горизонтальное сечение пятна ОПИ для пучка 2x2 мм2.

Оба сечения аппроксимированы кривой распределения Гаусса, позволяющей оценить ширину пика. Полная ширина на полувысоте для горизонтального сечения составляет 20,8 пиксель или 1,7 мм. Для

О&У ттсаг

М К « <1 М Ш 1Н м

■ « 10 II 14 П

ОАТ.Ш

Рис. 8: Вертикальное сечение пятна ОПИ для пучка 2x2 мм2.

вертикального - 19,4 пиксель или 1,6 мм. Разрешение оптической системы было определено заранее путем фотографирования линейки, расположенной в плоскости мишени. Для построенной оптической системы оно составляет 12 пикселей/мм.

Таким образом, построенная нами система позволяет измерять размеры пучка электронов с энергией 6,1 МэВ на основе регистрации оптического переходного излучения. При этом для измерений применялась относительно дешевая и широко распространенная камера для видеонаблюдений. Как было показано, такая камера может быть с равным успехом применена как для наблюдений за поперечными размерами, пучка на люминофоре, так и для измерения сечения пучка с использованием ОПИ. Например, подобные измерения были опубликованы в работах [8, 9]. Однако в этих измерениях применялись специализированные видеокамеры, а также суммирование излучения по нескольким импульсам или за какой-то промежуток времени, при этом измерения для одного импульса короткой длительности не проводились. Нами показана возможность измерения сечения пучка для одного импульса микротрона, длительностью 4 мкс и населенностью 1012 электронов.

В пятой главе описано измерение угловых распределений ОПИ с использованием оптической системы, построенной для измерения сечения электронного пучка. Если эту оптическую систему сфокусировать на бесконечность, т.е. поместить в её фокус детектор излучения, то мы сможем наблюдать угловое распределение источника излучения, расположенного на мишени. Дополнительно в системе было предусмотрено измерение поляризации углового распределения ОПИ. Для этого после последней

Рис 9 Фотография углового распределения ОПИ

(а) Горизонтальное сечение (Ь) Вертикальное сечение

Рис 10 Сечение углового распределения показанного на рисунке 9

линзы непосредственно перед ПЗС-матрицей видеокамеры размещался поляризатор

На рисунке 9 показано угловое распределение ОПИ для электронного пучка, имеющего выставленные по люминофору размеры 3x3 мм2, измеренное за один импульс микротрона длительностью 4 мкс.

На рисунке 10 в качестве примера показаны вертикальное и горизонтальное сечения полного углового распределения (рис. 9) проведенные через его центр (167-й пиксель по горизонтали, 117-й пиксель по вертикали).

Из приведенных рисунков видно, что в перпендикулярно поляризованной компоненте излучения есть некий артефакт на правом пике, а несимметрия пиков в параллельно поляризованной компоненте излучения слишком велика. Подобная деформация в угловом распределении возможна из-за недостаточно точного положения линз относительно оси оптической системы В связи с тем, что в системе используются короткофокусные линзы, смещение одной из них на несколько миллиметров приведет к деформации

изображения. К сожалению, на построенной установке две линзы не могли двигаться в горизонтальном направлении, и настроить оптическую систему точнее, чем это было сделано, не представляется возможным.

На приведенных сечениях видно, что минимум в угловом распределении переходного излучения не достигает нуля. Такое поведение минимума в угловом распределении ОПИ обусловлено только влиянием угловой расходимости начального пучка электронов.

Для определения угловой расходимости пучка необходимо найти значение величины Л, . введенной в выражении (1). Это значение для параллельно поляризованной компоненты будет характеризовать горизонтальную расходимость начального пучка электронов, а для перпендикулярной - вертикальную.

Сводные параметры электронных пучков, для которых была измерена угловая расходимость, приведены в таблице 1. Угловая расходимость- в этой таблице дана как в безразмерных единицах, так и в радианах.

Таблица 1: Значения параметров пучков электронов измеренные с использованием ОПИ

Н, мм V, мм трад <Ту 7оу, рад

2 2 0,441 0,037 0,497 0,042

3 3 0,466 0,039 0,458 0,038

4 10 0,665 0,055 0,630 0,053

Большая величина угловой расходимости для пучка, имеющего размеры 4 х 10 мм2, объясняется тем, что для получения такого размера пучка, пришлось настраивать все 4 магнитные фокусирующие линзы. Это привело к сильной деформации пучка еще до поворотного магнита и, как следствие, к увеличению его угловой расходимости.

Основываясь на полученных результатах, можно утверждать, что используя достаточно простую оптическую систему и дешевую видеокамеру созданная установка позволяет:

1. регистрировать угловую зависимость ОПИ для электронов с энергией 6,1 МэВ, а также ее компоненты поляризации по отдельности;

2. проводить измерения углового распределения ОПИ и обеих его компонент поляризации для сгустков частиц населенностью 1012 электронов, имеющих энергию 6,1 МэВ;

3. определять угловую расходимость начального электронного пучка, анализируя форму поляризации компонент ОПИ.

В связи с тем, что для измерения угловой зависимости ОПИ использовалась аналогичная оптическая система, как и для измерения профиля пучка электронов, эти два измерения можно совместить. Для этого необходимо построить такую диагностическую станцию, которая могла бы одновременно наблюдать как размер пучка, так и угловую зависимость ОПИ, генерируемого этим пучком. Это возможно, например, с использованием двух видеокамер и полупрозрачного зеркала, разделяющего оптическое переходное излучение между ними. При этом оптическая система одной из камер должна быть сфокусирована на мишень, для измерения размера и сечения пучка, а для второй камеры - на бесконечность для измерения углового распределения ОПИ. Такая система позволит измерять размер пучка и его угловую расходимость в режиме реального времени, что позволит быстро настраивать пучок с необходимыми параметрами. Использование простой оптики позволит сделать' такую станцию диагностики достаточно дешевой для установки ее на ускорители, массово применяемые в народном хозяйстве.

Основные результаты работы

1. Разработана и создана установка, изготовлен комплекс измерительной аппаратуры, а также создано программное обеспечение, предназначенные для экспериментального исследования свойств оптического переходного излучения и параметров электронного пучка посредством ОПИ.

2. Предложена методика измерения угловой расходимости электронного пучка на основе измерений ориентационной зависимости (03) ОПИ. Теоретически и экспериментально показано влияние угловой расходимости пучка электронов на форму 03 переходного излучения.

3. Впервые проведены измерения ориентационных зависимостей ОПИ для электронного пучка с энергией 6,1 МэВ. Показано, что форма 03 совпадает с предсказанной теоретически, изучены поляризационные свойства ОПИ. На основе экспериментальных результатов получена информация об угловой расходимости электронного пучка.

4. Проведены измерения сечения электронного пучка энергии 6,1- МэВ с помощью ОПИ и оптической системы с использованием видеокамеры для охранных систем видеонаблюдения типа риМ-930. Показана

возможность измерения профиля электронного пучка за каждый макроимпульс.

5. С использованием построенной оптической системы впервые проведены прямые измерения угловых зависимостей ОПИ для электронов с энергией б,1 МэВ от одного макроимпульса интенсивностью ~ 1G12 электронов. Измерена поляризация в угловом распределении ОПИ, и показано влияние угловой расходимости начального электронного пучка на форму углового распределения ОПИ

Список литературы

Список основных публикаций по теме диссертации

[1] ГА Науменко, АП. Потылицын, Б.Н. Калинин, r.A. Саруев, АФ. Шарафутдинов, Диагностика электронных пучков низких энергий на основе оптического переходного излучения - Известия ТПУ, том 3G7, №2, 2GG4

[2] B.N. Kalinin, G A Naumenko, A. P. Potylitsyn, O.V. Chefonoy, A.N. Aleinik, G.A. Saruev, W. Wagner, A. Sharafutdinov, Low-energy electron-beam diagnostics based on the optical transition radiation - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2G1, 2GG3

[3] A.H. Ллейник, М.Ю. Aндреяшкин, Б.Н. Калинин, П.В. Каратаев, ГА Науменко, АП. Потылицин, r.A. Саруев, АФ. Шарафутдинов, Экспериментальная установка для исследования поляризационного тормозного излучения в оптическом и рентгеновском диапазонах на б МэВ микротроне - Известия высших учебных заведений. Физика, №3, 2GG1

[4] ГА Науменко, АН. Aлейник, АС. Aрышев, Б.Н. Калинин, П.В. Каратаев, АП. Потылицин, ГА Саруев О.В. Чефонов, АФ. Шарафутдинов, Оптическое поляризационное излучение релятивистких электронов в проводящих мишенях - Известия высших учебных заведений. Физика, №9, 2GG2

[5] B.N. Kalinin, GA Naumenko, A. P. Potylitsyn, O.V. Chefonov, A.N. Aleinik, G.A. Saruev, A. Sharafutdinov, Free electron laser in a millime-

ter wavelength region on the base of Smith-Purcell radiation - KORUS-OI proceedings, 2001

[6]-A.N. Aleinik, A.S. Aryshev, B.N. Kalinin, G.A. Naumenko, A.P. Potylitsyn, G.A. Saruev, O.Yu. Malakhovskii, E.A. Manastyrev, A. Sharafutdinov, Coherent Diffraction Radiation of a 6-MeV Microtron Electron Beam - JETP Letters, Vol. 76, No. 6, 2002, pp 337-340

Список цитируемой литературы

[7] B.E. Пафомов, Излучение заряженной частицы при наличии границ раздела - Труды ордена Ленина физического института им. П.Н. Лебедева, том XLIV, 1969

[8] А.Н. Ермаков, Б.С. Ишханов, В.И. Шведунов и др., Измерение параметров пучка электронов с использованием оптического переходного излучения - Приборы и техника эксперимента, №4, 2001.

[9] D. Giove, С. De Martinis, G. D.Auria, M. Ferianis, С. Rossi, A. Variola, Optical transition radiation measurements on the ELETTRA linac, EPAC-98 proceedings, 1998

[10] M.-A Tordeux, J.Papadacci, A new OTR based beam emittance monitor for the linac of lure - Proceedings of EPAC, 2000.

[11] L.Wartski, S.Roland, J.Lasalle, M.Bolore, G.Filippy, Interference phenomenon in optical transition radiation and its application to patricle beam diagnostics and multiple-scattering measurements - Journal of applied physics, Vol. 46, Is. 8, 1975.

Подписано к печати 12.10.2004. Формат 6СХ84/16. Бумага "Классика" Печать ЯШ Усл.печл. 1,4. Уч.- изд.л. 1,26. Заказ № 577. Тфаж 100 э кз.

ИЗДАТЕАЬСТВО^ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

• РО * 77

РНБ Русский фонд

2005-4 228 00

Введение

1 Влияние параметров электронного пучка на измеряемые характеристики оптического переходного излучения.

Теоретический анализ.

2 Экспериментальная установка

2.1 Описание экспериментальной установки.

3 Измерение ориентационных зависимостей ОПИ

3.1 Измерение ориентационных зависимостей оптического переходного излучения

3.2 Измерение влияния угловой расходимости пучка на форму ориентационной зависимости переходного излучения.

4 Измерение профиля электронного пучка

4.1 Конструирование оптической системы для измерения профиля электронного пучка по оптическому переходному излучению

4.2 Экспериментальное измерение профиля электронного пучка по оптическому переходному излучению

5 Измерение угловых распределений ОПИ

5.1 Конструирование оптической системы для измерения углового распределения ОПИ.

5.2 Экспериментальное измерение углового распределения ОПИ

Актуальность проблемы

В настоящее время в мире строится новое поколение ускорителей заряженных частиц, имеющих субмиллиметровые размеры пучка, увеличенную стабильность и многократно улучшенную эффективность ускорения. Это продиктовано современными требованиями к качеству ускорителей, которые планируется использовать как источники синхротронного излучения 5-го поколения и в качестве источников для лазеров на свободных электронах. При этом требования к качеству пучка ускоренных частиц постоянно возрастают, что можно проследить на примере Стенфордского линейного ускорителя, параметры пучка для которого приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1: Сравнение параметров нескольких поколений ускорителей

SLC LCLS NLC ах(цт) 90 30 7 ау(цт) 50 30 1 oz(ßm) 1300 30 100

1(A) 700 3400 1000

P(W/m2) 2 • 1013 1 • 1013 1 • 1018

Здесь: SLC (SLAC Linear Collider) - линейный коллайдер, построенный в 1985 году, LCLS (SLAC Linac Coherent Light Source) - источник когерентного излучения на основе линейного ускорителя, планируемый к запуску в ближайшие годы, и NLC (Next Linear Collider) - линейный коллайдер нового поколения, проектирующийся в настоящий момент, ах, ау, az - характерные размеры сгустка частиц, соответственно в двух поперечных и продольном направлениях, I - пиковый ток в сгустке частиц, Р - плотность потока энергии.

Как видно из таблицы при переходе к следующему поколению ускорителей параметры пучка улучшаются в среднем на порядок. Для этих ускорителей необходимо разработать методы диагностики, позволяющие не только отслеживать параметры пучка, но и добиваться заданных характеристик, что заставляет использовать методы, позволяющие измерять заданный параметр как минимум в 10 раз лучше, чем это необходимо для ускорителей с фиксированной мишенью или накопительных колец. При этом точность существующих методов зачастую недостаточна, либо цена их реализации для заданных параметров пучка слишком высока. Все это заставляет искать новые физические принципы, на которых можно построить необходимую диагностическую аппаратуру.

Кратко рассмотрим основные параметры пучка, которые необходимо отслеживать, а также физические принципы, которые могут быть использованы для целей диагностики.

Первым и наиболее важным, особенно для коллайдеров, является положение пучка в точке встречи. Важен этот параметр и для некоторых схем лазеров на свободных электронах. Методы с использованием люминесцентных экранов не подходят в случае малых размеров пучков, так как размеры светящихся "зерен" экрана оказываются больше размеров пучка и зачастую такой экран не позволяет даже увидеть пучок или же его видимый размер многократно превышает реальный [2]. Это происходит из-за особенностей свечения таких экранов, когда свечение частиц люминофора вызывается не только падающим на экран пучком, но и вторичным излучением, возникающим в материале экрана. Это вторичное излучение, как правило, является изотропным, имеет большую интенсивность и засвечивает большое скопление частиц люминофора вокруг места попадания начального пучка. Решением этой проблемы может стать уменьшение размеров частиц люминофора и уменьшение толщины светящегося слоя одновременно с уменьшением толщины слоя подложки, на которую этот слой нанесен. Однако это может привести к тому, что такой экран будет генерировать недостаточно света для нормальных измерений. Подобные рассуждения справедливы и для проволочного сканера. Здесь критичным являются размеры проволочки и шаг ее перемещения по сечению пучка.

Еще один распространенный метод - это измерение положения пучка по взаимодействию пучка с радиочастотным излучением в резонаторе. Типичной разрешающей способностью для данного метода измерения является величина 10~41? , где И - диаметр резонатора. Так, например, для резонатора имеющего диаметр 1 см данная величина будет составлять порядка 10 мкм, что уже больше чем типичные поперечные размеры пучка и совершенно не годится для коллайдеров. Прецизионные резонаторы меньших размеров являются весьма дорогостоящими установками.

Одним из возможных и, вероятно, единственным методом определения положения микронных пучков является регистрация рентгеновского излучения возникающего при движении пучка частиц в ондуляторе или использование синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне

3]. Достоинством метода является возможность использования данного излучения, как для определения положения пучка, так и его эмиттанса. В то же время, при всех достоинствах метода у него есть и недостатки. Так, фокусировка рентгеновского излучения является нетривиальной задачей

4]. В некоторых случаях может оказаться существенным, что не всегда возможно поместить ондулятор или поворотный магнит в месте, где непосредственно необходимо контролировать положение пучка.

Для пучков имеющих размеры порядка 10 мкм возможно использование оптического переходного излучения (ОПИ) для контроля положения пучка [1, 7]. При больших энергиях частиц (Е 10 МэВ) могут быть использованы хорошо отработанные и достаточно простые методы оптических измерений, ранее применявшиеся для измерений параметров пучков с помощью люминофора. Кроме определения центра тяжести пучка, данный метод позволяет получить также и форму распределения или профиль пучка.

Профиль пучка является важной характеристикой для коллайдеров и лазеров на свободных электронах, так как определяет один из критичных параметров для таких установок - светимость начального пучка, которая для линейного ускорителя определяется как [5]:

Рь N.

Ь = — х --х Нв, (1)

Ьст ^тгахау где: Рь - энергия пучка, Ест - центр масс, - число частиц в пучке, Но - влияние эффектов самофокусировки пучка, аХ;У - размеры пучка в точке взаимодействия.

Мониторы профиля пучка можно разделить на две категории: измерители плотности частиц (например, проволочный сканер) и измерители излучений заряженных частиц в различных внешних полях или материалах (фотография, переходное излучение, синхротронное излучение). Измерители плотности частиц имеют ограничения на размеры пучка, профиль которого они могут измерять. Это ограничивается размерами "зонда", который используется для измерений. Так, например, нельзя измерить профиль пучка имеющего размеры в несколько микрометров, используя проволочный сканер с проволочкой толщиной 10 микрометров. В работе [6] приведен пример проволочного сканера, позволяющего измерять размеры пучка в несколько десятков микрометров с точностью до 1 микрометра. Вероятно, это предел для таких измерений. Однако, использование излучения, генерируемого частицами во внешних полях или материалах, для измерения профиля пучка позволяет достичь разрешения, определяемого только длиной волны и законами волновой оптики [7]. Профилометр, основанный на детектировании электромагнитного излучения пучка частиц, позволяет отслеживать распределение частиц в пучке в режиме реального времени, а также положение каждого сгустка частиц, циркулирующих на орбите в циклических ускорителях. Проволочный же сканер требует значительных затрат времени на проведение измерений.

На сегодняшний день использование оптического переходного излучения для измерения размеров и профиля пучка частиц высокой энергии можно считать одним из основных методов диагностики [8]. Это объясняется тем, что техника измерения остается в точности такой же, как и при использовании люминофора, однако ОПИ позволяет получить гораздо больше информации о пучке. Для энергий больше 100 МэВ и больших токов измерение ОПИ не представляет больших трудностей и на сегодняшний день предложено много схем для измерения профиля пучка с использованием как прямого [9] так и обратного [1, 10] переходного излучения. Для больших значений энергий электронов (Е > 100 МэВ) при создании диагностических станций на основе ОПИ решаются чисто технические проблемы, такие как улучшение пространственного разрешения измерений [11, 12, 13].

Для энергий меньше 10 МэВ при измерении ОПИ возникают трудности, связанные с малой интенсивностью ОПИ в заданную апертуру детектора из-за его специфического характера углового распределения. При малых энергиях конус ОПИ определяется обратной величиной Лоренц-фактора 7"1 == ^- и для его регистрации требуются специальные методы, отличные от тех, что применяются на больших энергиях частиц (Ее > 100 МэВ). Тем не менее, в ряде экспериментов использовалось ОПИ для измерения профиля пучка и в случае малых энергий частиц [14, 15]. В цитируемых работах для измерения профиля пучка, имеющего энергию несколько десятков МэВ, используются специальные видеокамеры, имеющие большую чувствительность. Применение стандартной оптики хоть и позволяет увидеть пучок, но не позволяет измерить его профиль, а также не позволяет измерять профиль одного ускоренного сгустка частиц (банча), так как требует сбора и суммирования информации как минимум по нескольким банчам в виду низкой интенсивности излучения, фиксируемого камерой. Такие измерения не несут в себе дополнительной информации по сравнению с измерениями сделанными с использованием люминесцентного экрана, требуя при этом существенно больше материальных и временных затрат. Например, измерения ОПИ сделанные в работе [15] позволяют увидеть поперечные размеры пучка электронов с энергией 50 МэВ, но не позволяют получить из этих данных информацию о его профиле. Однако нет никаких принципиальных ограничений на измерение профиля отдельного банча даже для частиц низких энергий. Например, в работах [16, 17, 18] приведены примеры измерений профиля пучка электронов имеющего энергию 4-6 МэВ. В этих работах показана возможность измерения профиля пучка, однако, для измерений используется специальная техника и суммирование излучения от нескольких десятков банчей, что требует определенных временных затрат на измерения и не позволяет настраивать пучок в режиме реального времени.

Еще одним важным параметром является угловая расходимость пучка, которая определяет максимальное угловое отклонение траектории частицы от заданной. Данная величина является важным, и часто критичным, параметром, определяющим выход изучаемой реакции при столкновении двух пучков или при взаимодействии пучка с кристаллами, а также определяет яркость источника на основе синхротронного излучения.

Одним из простых способов определения угловой расходимости является измерение профиля пучка в двух местах на прямолинейном участке, отстоящих друг от друга на известное расстояние. Изменение размеров пучка позволяет оценить угловую расходимость. Другим методом является измерение параметров излучения, возникающего во внешних полях или материалах под действием заряженных частиц. Например, для этих целей может использоваться краевое излучение заряженных частиц в магнитном поле. Так же возможно использование переходного и дифракционного излучения и их интерференции [19]. В общем, для целей диагностики угловой расходимости подходит любое излучение, которое генерируется под действием поля ансамбля частиц пучка и имеет какой либо параметр, зависящий от угловой расходимости начального пучка.

Одним из первых идею использовать переходное излучение для целей диагностики угловой расходимости пучка высказал, вероятно, Вартски. В его работе [20] указано на тот факт, что направление излучения переходного излучения жестко привязано к направлению движения частицы. Помимо этого, данное излучение имеет некоторые характерные особенности, позволяющие использовать его для целей диагностики. Например, положение максимумов и интенсивность излучения определяются энергией частиц. Характерный провал, почти до нулевого уровня, точно

ОПИ совпадает с направлением движения частицы. ПИ в тонкой пластинке образует два конуса излучения с характерным углом при вершине ~ 7-1 - вдоль траектории движения частицы, так называемое ОПИ "вперед", и вблизи угла отражения от мишени - ОПИ "назад". Излучение одной частицы от любого числа границ раздела сред будет когерентным по определению [21, 22]. На основе этих характеристик ОПИ Вартски предложена схема измерения углового распределения пучка частиц на основе регистрации интерференции между двумя компонентами (вперед и назад) переходного излучения. Для этого нужно использовать сборку из двух мишеней и регистрировать интерференцию излучения вперед от первой мишени с излучением назад от второй, как это показано на рисунке 1.

Данный метод хорошо применим для частиц высоких энергий, однако в силу особенностей ПИ и конструктивных особенностей сборки из двух мишеней, не может быть использован для частиц низких энергий. Это обусловлено длинной когерентности ОПИ которая составляет 72А. Здесь 7 - Лоренц фактор, А - длина волны излучения. Эта величина показывает максимальное расстояние на котором излучение, возникающее под действием электронов, будет когерентным. Для интерферометра показанного на рисунке 1, эта величина определяет максимальное расстояние Ь между границами раздела сред, при котором еще возможно получить интерференцию ОПИ от этих двух границ. В работе [20] проведено измерение интерференции переходного излучения в таком интерферометре для электронов, имеющих энергию 60 МэВ. В этом эксперименте в качестве двух границ раздела сред в интерферометре использовалась майларовая пленка, передняя граница которой была первой границей раздела сред, а задняя - второй. Для такой энергии и указанного интерферометра, Вартски удалось получить четкую интерференционную картину в угловом распределении обратного переходного излучения. Дальнейшее развитие и экспериментальную проверку данная идея получила в работе [23]. В этой работе аналогичный интерферометр использовался для измерения угловой расходимости пучка электронов с энергией 25 МэВ, и как показал эксперимент данная методика позволяет оценивать угловую расходимость электронного пучка даже если она больше характерного угла 7-1.

Однако для величины 7 = 10 и видимого света с длинной волны Л = 0,5 ■ 10~6 мм, величина Ь составит всего 0,5 ■ Ю-4 мм. Т.е. построить оптический интерферометр для диагностики угловой расходимости пучка электронов низких энергий не представляется возможным.

Однако в другой схеме переходное излучение может быть использовано для измерения угловой расходимости пучка частиц низких энергий, так как оно имеет ещё один параметр, который зависит от величины угловой расходимости начального пучка частиц. Это глубина провала в конусе переходного излучения, направленного точно по движению частицы, или под углом отражения в случае обратного ПИ. Для одиночной частицы этот провал достигает нуля, в то время как для ансамбля частиц, в котором каждая из них обладает своим углом влета в мишень, величина провала не будет достигать нуля. Именно эту особенность можно использовать для регистрации угловой расходимости пучка частиц как это предложено в работах [24, 25]. В этих работах показано влияние расходимости начального пучка на форму угловой зависимости переходного излучения. Основной трудностью в данном случае является измерение самой угловой зависимости ОПИ, так как для частиц низких энергий она является очень широкой. Как показано в работе [24], эта трудность не позволяет адекватно оценить угловую расходимость начального пучка частиц. Однако следует признать, что данный метод является перспективным, так как регистрация глубины провала по отношению к максимуму излучения не представляет трудностей даже для малых энергий частиц и указанный метод применим для любых энергий частиц, для которых возможно зарегистрировать угловое распределение переходного излучения. В этом случае не обязательно измерять именно угловые зависимости ОПИ, а можно обойтись другими методами измерения отношения глубины провала к максимуму излучения, например путем измерения в двух точках, или измерения ориентационных зависимостей ОПИ, как это показано в работе [26].

Угловая расходимость в совокупности с профилем пучка определяют эмиттанс пучка. Данная величина является инвариантной ко всем преобразованиям пучка с помощью магнитных систем. Более того, эта величина остается постоянной и для нормально работающего ускорителя при изменении в разумных пределах параметров ускорения. Это приводит к тому, что очень часто данная величина измеряется однократно после постройки ускорителя и полагается постоянной величиной в процессе эксплуатации. Часто эта величина измеряется в начале линии транспортировки пучка частиц и непосредственно на месте, там где это необходимо, измеряется только профиль (или даже поперечный размер пучка), а остальные величины, составляющие эмиттанс вычисляются [27]. Однако иногда необходимо контролировать эмиттанс постоянно и в режиме реального времени. Как было показано выше, использование переходного излучения позволяет достаточно легко измерять параметры, определяющие эмиттанс пучка.

Измерение параметров пучков низких энергий (Ее < 20 МэВ) становится актуальным в последнее время в связи с широким распространением ускорительной техники в народном хозяйстве. Такие ускорители широко используются, например, в качестве источников излучения для диагностики материалов. Так же такие ускорители широко используются и в медицине. В обоих случаях имеются довольно жесткие требования на качество получаемого пучка частиц. Поэтому необходимо разрабатывать методы диагностики, которые бы позволяли, с одной стороны, контролировать параметры пучка с приемлемой точностью, а с другой, были относительно дешевыми, чтобы не увеличивать цену конечной установки.

Примером такой установки может служить генератор монохроматического рентгеновского излучения на основе обратного комптоновского рассеяния на пучке лазера. В случае прямого лобового столкновения пучка электронов с энергией 20 МэВ и пучка фотонов лазера видимого диапазона в направлении начального импульса электронов излучается монохроматическое рентгеновское излучение с энергией порядка 15 КэВ. Энергия линии зависит от соотношения энергий фотонов и электронов и может легко перестраиваться. При этом плотность излучения превышает плотность излучения, возникающего при каналировании электронов [28]. Такой мощный источник монохроматического рентгеновского излучения может быть применен в медицине при исследовании с использованием веществ, имеющих разную поглощающую способность для рентгеновского излучения различной энергии. Однако светимость такой установки определяется аналогично светимости реакции в коллайдерах и зависит от поперечных размеров взаимодействующих пучков. Чем меньше размеры пучков тем выше выход рентгеновского излучения. Поэтому на такого рода установках необходимо постоянно и точно отслеживать положение и размеры пучка электронов.

Электроны низких энергий также могут быть использованы в качестве модельных частиц при проектировании методов диагностики для ускорителей тяжелых частиц, например протонов. Это позволяет делать физика излучений частиц, большинство из которых имеют зависимость только от Лоренц-фактора частицы. Т.е. например, переходное излучение для электрона с энергией 10 МэВ будет точно таким же, как для протонов с энергией ~ 20 ГэВ, и методы измерений в обоих случаях будут одинаковыми.

Цель диссертационной работы

К моменту начала работ положенных в основу диссертации сложилась следующая ситуация:

Началось строительство нового поколения ускорителей заряженных частиц, имеющих малые размеры пучка и высокие требования к его качеству и положению. Методов, позволяющих вести мониторинг и настройку подобных пучков до сих пор не создано.

Широкое внедрение ускорителей частиц в народное хозяйство. Эти ускорители характеризуются низкой (до 20 МэВ в случае ускорителя электронов) энергией частиц, и высоким требованием к настройке пучка. Данные ускорители являются продуктом массового производства и поэтому его производство должно быть относительно дешевым. Это накладывает ограничения, в том числе и на цену'устройства контроля качества пучка.

Все это заставляет вести поиск достаточно точных и относительно дешевых методов контроля качества и положения пучка частиц. Одним из таких методов является использование оптического переходного излучения, который и был выбран в данной работе. Поэтому основные цели работы можно сформулировать следующим образом:

• Создание модели, описывающей влияние угловой расходимости начального электронного пучка на форму угловой зависимости ОПИ.

• Экспериментальное подтверждение созданной модели.

• Создание установки, позволяющей измерять профиль и положение макроимпульса электронов низких энергий.

• Создание установки, позволяющей измерять угловое распределение ОПИ, возникающего под действием макроимпульса электронов низких энергий.

Положения, выносимые на защиту

1. Экспериментальная установка и методика изучения свойств излучений, возникающих в различных средах под действием электронного пучка с энергией 6,1 МэВ

2. Результаты измерений угловых и ориентационных зависимостей оптического переходного излучения, возникающего в алюминиевой мишени под действием пучка электронов с энергией 6,1 МэВ. Экспериментальное исследование поляризационных свойств этого излучения.

3. Аналитические формулы и методика измерений угловой расходимости начального пучка частиц путем измерения отношения глубины центрального минимума углового распределения оптического переходного излучения к максимуму этого распределения.

4. Экспериментальное исследование влияния угловой расходимости начального электронного пучка на форму ориентационной зависимости оптического переходного излучения от электронов с энергией 6,1 МэВ.

5. Экспериментальная установка и результаты экспериментальных измерений сечения электронного пучка с энергией 6,1 МэВ на основе оптического переходного излучения, генерируемого за один импульс микротрона.

6. Экспериментальная установка и результаты экспериментальных измерений угловой зависимости оптического переходного излучения для электронов с энергией 6,1 МэВ.

Научная новизна работы

1. Разработана методика измерения угловой расходимости пучка заряженных частиц низких энергий (Е < 10 МэВ) путем измерения ориентационной зависимости выхода оптического переходного излучения.

2. Создана экспериментальная установка, позволяющая измерять ориентационные, поляризационные и угловые характеристики ОПИ, а также измерять поперечный профиль электронного пучка с энергией 6,1 МэВ.

3. Впервые измерены ориентационные зависимости оптического переходного излучения для электронов с энергией 6,1 МэВ и экспериментально доказана работоспособность предложенной методики измерения угловой расходимости пучка электронов низких энергий.

4. Достигнутая чувствительность позволила впервые измерить профиль единичного макроимпульса электронов, длительностью 4 мкс и населенностью 1012 частиц с энергию 6,1 МэВ, а также измерить угловое распределение ОПИ генерируемого этим макроимпульсом.

Практическая значимость

Результаты настоящей работы имеют практическое применение для создания станций мониторинга пучков заряженных частиц низких энергий. Аналитические формулы, полученные в настоящей работе, позволяют определить угловую расходимость пучка заряженных частиц низких энергий путём измерения угловых зависимостей оптического переходного излучения. Простота и дешевизна предложенного метода измерений позволяет быстро и без особых затрат внедрить его как на уже построенных, так и на вновь строящихся ускорителях. В работе предложен унифицированный метод, позволяющий измерять как размеры и сечение пучка заряженных частиц, так и его угловую расходимость. Это позволяет строить станции для измерения эмиттанса пучка частиц в реальном времени, что является одним из важных требований для нового поколения ускорителей.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих симпозиумах и совещаниях:

• Международный симпозиум Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-01), оз. Ая, Россия, 2001 г. [29]

• Международный симпозиум Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-03), г. Томск, Россия, 2003 г. [30]

• Международный симпозиум Korea-Russia International Symposium on Science and Technology, г. Томск, Россия, 2001 [37]

Результаты работы обсуждались на следующих семинарах:

• Университет Йоханеса Гуттенберга, коллаборация XI, г. Майнц, Германия, 2001 г.

• Научный семинар кафедры Прикладной физики ТПУ. Публикации

Основные результаты работы опубликованы в статьях [17, 26, 34, 35, 37, 38].

Заключение

В работе основное внимание было уделено оптическому переходному излучению, характеристики которого несут всю информацию о параметрах пучка, генерирующего это излучение. Так, например, измерение интенсивности ОПИ в каком либо узком спектральном диапазоне позволяет отслеживать ток пучка частиц, или его энергетическую стабильность. ОПИ позволяет достаточно легко измерять профиль и положение пучка частиц, при использовании схемы измерений, аналогичной схеме измерения размеров пучка частиц на люминофоре. Измерение углового распределения ОПИ несет в себе информацию об угловой расходимости пучка частиц. Таким образом, использование только одного переходного излучения позволяет получить практически всю информацию, характеризующую пучок частиц (в отличии от традиционного подхода, с использованием люминофора). В представленной работе основной упор делался на измерение профиля и угловой расходимости пучка частиц низких энергий. Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана и создана установка, изготовлен комплекс измерительной аппаратуры, а также создано программное обеспечение, предназначенные для экспериментального исследования свойств оптического переходного излучения и параметров электронного пучка посредством ОПИ.

2. Предложена методика измерения угловой расходимости электронного пучка на основе измерений ориентационной зависимости (03) ОПИ. Теоретически и экспериментально показано влияние угловой расходимости пучка электронов на форму 03 переходного излучения.

3. Впервые проведены измерения ориентационных зависимостей ОПИ для электронного пучка с энергией 6,1 МэВ. Показано, что форма 03 совпадает с предсказанной теоретически, изучены поляризационные свойства ОПИ. На основе экспериментальных результатов получена информация об угловой расходимости электронного пучка.

4. Проведены измерения профиля электронного пучка энергии 6,1 МэВ с помощью ОПИ и оптической системы с использованием видеокамеры для охранных систем видеонаблюдения типа ЩМ-930. Показано, что сечение электронного пучка, измеренное с помощью люминофора, систематически (на десятки процентов) превышает размер пучка, полученный по характеристикам ОПИ. Показана возможность измерения профиля электронного пучка за каждый макроимпульс интенсивностью ~ 1012 электронов.

5. С использованием построенной оптической системы впервые проведены прямые измерения угловых зависимостей ОПИ для электронов с энергией 6,1 МэВ. Измерена поляризация в угловом распределении ОПИ, и показано влияние угловой расходимости начального электронного пучка на форму углового распределения ОПИ.

В заключение считаю своим долгом поблагодарить профессора, доктора физико-математических наук А.П. Потылицына за научное руководство при проведении исследований, а также коллег, с которыми были выполнены работы, составившие основу диссертации: Б.И. Калинина, Г.А. Науменко, Г.А. Саруева, А.Н. Алейника, и персонал синхротрона "Сириус" за обеспечение хорошей работы ускорителя на протяжении длительного времени.

Я также искренне признателен всему персоналу лаборатории 11 НИИ ЯФ за поддержку и помощь в работе.

1. H. Koziol, Beam diagnostics, old and new, DIPAC 1999 Proceedings ESRF, 1999

2. Chubar, Novel applications of optical diagnostics Proceedings of EPAC, 2000.

3. T. Weitkamp, 0. Chubar, M. Drakopoulos, I. Snigireva, A. Snigirev, Electron beam size and profile measurements with refracrive X-ray lenses, Proceedings of EPAC, 2000.2001 reprort on the Next Linear Collider, SLAC-R-571, 2001

4. H. Hayano, Wire scanners for small emittance beam measurement in ATF, arXiv:physics/0008084, 2000

5. H. Schlarb, Diagnoctic tools for ultra-low emittance and ultra-short electron bunches, Proceedings of EPAC, 2000

6. P. Catravas, W. P. Leemans, E. Esarey and M. Zolotorev, D. Whittum, R. Iverson, M. Hogan, D. Walz, Beam profile measurement at 30 GeV using optical transition radiation, Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999.

7. J.-C.Denard, P.Piot, K.Capek, E.Feld, High power beam profile monitor with optical transition radiation PAC proceedings, 1997.

8. M.Ross, S.Anderson, J.Frisch, at al., A very high resolution transition ra-diaton beam prfile monitor SLAC-PUB-9280, July, 2002.

9. M.Castellano, V.A. Verzilov, Spatial resolution in optical beam diagnostics Physical review special topics - Accelerators and beams, Vol.1, 062801, 1998.

10. X. Artru, R. Chehab, К. Honkavaara, A. Variola, Resolution power of optical transition radiation: Theoretical considerations, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, vol. 145, 1998.

11. X. Artru, M.Castellano, R.Chehab at al., Experimental investigation on geometrical resolution of optical transition radiation NIM A, 410, 1998.

12. S.Dobert, R.Eichorn, H.Genz, at al., Transverce and Longitudinal beam Diagnostics using Transition Radiation Proceedings of EPAC, 1996.

13. D. Giove, C. De Martinis, G. D'Auria, M. Ferianis, C. Rossi, A. Variola, Optical transition radiation measurements on the ELETTRA linac, EPAC-98 proceedings, 1998

14. A.H. Ермаков, B.C. Ишханов, В.И. Шведунов и др., Измерение параметров пучка электронов с использованием оптического переходного излучения Приборы и техника эксперимента, №4, 2001.

15. Г.А. Науменко, А.П. Потылицын, Б.Н. Калинин, Г.А. Саруев, А.Ф. Шарафутдинов, Диагностика электронных пучков низких энергий на основе оптического переходного излучения Известия ТПУ, том 307, №2, 2004

16. R. Chehab, M.Taurigna, G. Bienvenu, Beam emittance determination using optical transition radiation, EPAC-92 proceedings, 1992

17. R.B. Fiorito, D.W. Rule, Diffraction radiation diagnostics for moderate to high energy charged particle beams NIM B, 173, 2001.

18. Wartski, S.Roland, J.Lasalle, M.Bolore, G.Filippy, Interference phenomenon in optical transition radiation and its application to patricle beam diagnostics and multiple-scattering measurements Journal of applied physics, Vol. 46, Is. 8, 1975.

19. B. Pardo and J.-M. Andre, Classical theory of resonant transition radiation in multilayer structures, Physical Review E, vol. 63, 2000.

20. Y. Shibata at al. Coherent transition radiation in the far-infrared region, Physical Review E, vol. 49 No 1, 1994.

21. R.Fiorito, D.Rule, Optical transition radiation beam emittance diagnostics AIP Conference proceedings, 319, 21, 1994.

22. М.-А. Tordeux, J.Papadacci, A new OTR based beam emittance monitor for the linac of lure Proceedings of EPAC, 2000.

23. M.Castellano, M.Ferrario at al. Analysis of optical transition radiation emitted by 1 MeV electron beam and its possible use as diagnostic tool NIM A, 357, 1995.

24. A. Loulergue, D.H. Dowell, S. Joly, J.P. de Brion, G. Haouat, F. Schumann, Transverse and longitudial emittance measurements in the ELSA linac, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 384, 1997

25. K. Chouffania, D. Wellsa, F. Harmona, J. Jonesb, G. Lancasterb, Laser-Compton scattering from a 20MeV electron beam, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 495, 2002

26. A.F. Sharafutdinov, A.P. Potylitsyn, G.A. Naumenko, B.N. Kalinin, G.A. Saruev, Low energy electron beam diagnostics on an optical transition radiation, VI International Symposium RREPS-03, 2003

27. В.Л. Гинзбург, И.М. Франк, ЖЭТФ, 16, 15, 1946

28. M. JI. Тер-Микаелян Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях Ереван, АН Армянской ССР, 1969

29. В.Е. Пафомов, Излучение заряженной частицы при наличии границ раздела Труды ордена Ленина физического института им. П.Н. Лебедева, том XLIV, 1969

30. А.Н. Алейник, М.Ю. Андреяшкин, Б.Н. Калинин, П.В. Каратаев, Г.А. Науменко, А.П. Потылицин, Г.А. Саруев, А.Ф. Шарафутдинов, Экспериментальная установка для исследования поляризационного тормозного излучения в оптическом и рентгеновском диапазонах на 6

31. МэВ микротроне Известия высших учебных заведений. Физика, №3, 2001

32. B.N. Kalinin, G.A. Naumenko, A.P. Potylitsyn, O.V. Chefonov, A.N. Aleinik, G.A. Saruev, A. Sharafutdinov, Free electron laser in a millimeter wavelength region on the base of Smith-Purcell radiation KORUS-Ol proceedings, 2001

33. А.Н. Алейник, А.С. Арышев, E.A. Богомазова, Б.Н. Калинин, Г.А. Науменко, А.П. Потылицын, Г.А. Саруев, А.Ф. Шарафутдинов, Стимулированное излучение Смита-Парселла Письма в ЖЭТФ, том 79, вып. 7, 2004

34. В. Fenga, M. Oyamada, F. Hinode, S. Sato, Y. Kondo, Y. Shibata, M. Ikezawa, Electron bunch shape measurement using coherent diffraction radiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, v. 475, 2001

35. A. Tremaine, at al., Fundamental and harmonic microbunching in a high-gain self-amplified spontaneous-emission free-electron laser, Physical Review E, v. 66, 2002

36. Handbook of Optical Constants of Solids, edited by Edward D. Palik -Orlando, Academic Press, 1985, p. 804

37. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. М.: Советское радио, 1980.

38. Матвеев А.Н. Оптика: Учебное пособие для физических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1985.

39. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Высшая школа, 1980.