Невозмущающая диагностика пучков заряженных частиц на основе дифракционного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

1 Введение

1.1 Невозмущающие и почти невозмущающие методы диагностики пучков заряженных частиц.

1.2 Мониторы для определения профиля пучка.

1.2.1 Монитор - профилометр.

1.2.2 Проволочный сканер.

1.2.3 BSM на основе процесса комптоновского рассеяния лазерных фотонов.

1.2.4 Интерферометр синхротронного излучения.

1.3 Основные характеристики оптического переходного излучения.

1.4 Дифракционное излучение как новый невозмущающий метод диагностики пучков.

2 Дифракционное излучение для полубесконечного идеально проводящего экрана при произвольной ориентации начальной частицы.

2.1 Основные характеристики дифракционного излучения.

2.1.1 ДИ в перпендикулярной геометрии.

2.1.2 ДИ в параллельной геометрии.

2.2 Лоренц-преобразование.

2.2.1 Лоренц - преобразование полей. Получение формул для полей

ДИ в общем случае.

2.2.2 Спектрально-угловая плотность ДИ для общего случая.

2.3 Радиационные потери.

2.4 Ультрарелятивистское приближение.

2.5 Дифракционное излучение умеренно релятивистских и нерелятивистских частиц.

2.6 Выводы.

3 Дифракционное излучение при пролете заряда через щель.

3.1 Дифракционное излучение на наклонной щели для перпендикулярной геометрии.

3.2 Спектрально-угловая плотность ДИ на щели.

3.3 Полные радиационные потери, спектр ДИ.

3.4 Поля ДИ для щели при произвольных углах начальной частицы относительно мишени.

3.5 Возможность невозмущающей диагностики на основе ДИ.

3.6 Выводы.

4 Влияние параметров начального пучка заряженных частиц на характеристики ДИ от щели.

4.1 Учет влияния расходимости и размера начального электронного пучка при расчете угловых характеристик ДИ на щели.

4.1.1 Размер пучка.

4.1.2 Расходимость пучка.

4.2 Результаты численного моделирования характеристик ДИ.

4.2.1 Стратегия по разделению эффектов размера пучка и его расходимости.

4.2.2 Метод получения оценки расходимости пучка.

5 Возможное применение метода оценки расходимости пучка на ускорителе MAMI (Германия)

5.1 Ускоритель MAMI.

5.2 Критерии выбора параметров эксперимента.

5.3 Применение метода эллипсов, для определения расходимости.

1.1 Невозмущающие и почти невозмущающие методы диагностики пучков заряженных частиц.

Линейные ускорители широко используются для получения высокоэнергетичных электронных и гамма пучков для экспериментов на фиксированной мишени. Кроме того, подобные ускорители используются в качестве инжекторов в накопительных кольцах и в синхротронах [1]. Для этих целей требования к качеству пучка (эмиттанс, стабильность параметров, длина электронного сгустка) не являются столь высокими, как в появившихся недавно направлениях, где также планируется использование линейных ускорителей - создание электрон - позитронных коллайдеров и лазеров на свободных электронах [2], [3]. Так например, в экспериментах на фиксированной мишени, выполненных на линейном ускорителе SLAC с энергией Е0 = 9.7 ГэВ диаметр электронного пучка на мишени составил 0.5 мм [4]. Однако уже в экспериментах на Стэнфордском Линейном Коллайдере (SLC) с энергией электронного и позитронного лучков Еж 40 ГэВ, поперечный размер электронного пучка составил уже 70 мкм [5]. В проекте будущего электрон - позитронного коллайдера поперечные размеры сталкивающихся пучков не должны превышать 0.1 мкм, чтобы достичь требуемой светимости. Не менее жесткие требования предъявляются и к пучку линейного ускорителя для создания лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Так например, в проекте ЛСЭ для рентгеновского диапазона LCLS [3], размер электронного пучка с энергией Е = 14.35 ГэВ составляет 20 мкм, а расходимость меньше 1 мрад. Предъявляемые требования к параметрам электронных и позитронных пучков таковы, что наряду с развитием ускорительной техники, необходимо параллельнно развивать средства контроля и диагностики пучков, поскольку существующие подходы не всегда обеспечивают необходимую точность.

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих электронный пучок, является поперечный эмиттанс, или, другими словами, область, которую занимает пучок в 4-х мерном фазовом пространстве (х,у,х',у'). Здесь через (х,у) обозначается горизонтальная и вертикальная координаты частицы, а через (х':уг) - горизонтальный и вертикальный углы импульса частицы относительно центральной линии ускорителя. Фазовые распределения обычно имеют форму эллипса на плоскости (х, х') и (у, у'), которые полностью описываются тремя независимыми параметрами, например, моментами < х2 >,< х2 >,< хх' >, или эмиттансом е и двумя параметрами

Твисса а,/3. Определение эллипсов на обеих плоскостях требует измерения 3-х вторых моментов в данной точке ускорителя. Наиболее распространенные детекторы позволяют измерить только размер пучка < х2 > (beam-size monitor, BSM). Для измерения эмиттанса необходимо измерять размер пучка в данной точке при изменении фазы бетатронных колебаний (/3 - функции), например, изменяя ток в ближайшей квадрупольной линзе. На современных ускорителях более часто используется подход, когда одновременно используются несколько BSM, расположенных вдоль траектории пучка [6]. По известной /в- функции эмиттанс определяется без изменения режима работы ускорителя. Ниже приводится краткое описание известных BSM.

6 Заключение

В работе получены следующие результаты:

1. На основании Лоренц-преобразования, примененного к компонентам скорости импульса заряженной частицы для известного частного решения задачи ДИ (перпендикулярная геометрия, /3 = 0}) и к компонентам четырехвек-тора = (p,jx,0,jz) была получена система координат, где вектор скорости частицы содержит все три не нулевые компоненты Д = {Дс, Py,/3Z}, что соответствует общему случаю генерации ДИ. Таким образом, этот метод позволил получить как напряженность поля ДИ для произвольной ориентации вектора скорости заряженной частицы относительно наклонной идеально проводящей полуплоскости (так называемый общий случай), так и точную формулу для спектрально-углового распределения ДИ для общего случая, совпадающую при частных условиях с известными результатами [29], [28].

2. В общем случае получена точная формула для радиационных потерь, справедливая для любых углов наклона импульса частицы относительно полуплоскости, которая включает в себя как частный случай известную ранее формулу для перпендикулярной геометрии.

3. Поскольку, что дифракционное излучение зависит от заряда частицы, была оценена возможность использования ДИ для диагностики пучков релятивистских ядер, например, ядер золота (Z = 79) и показана перспективность невозмущающей диагностики, основанной на оптическом ДИ для пучков ускоренных ионов ускорителя RHIC.

4. Напряженность поля ДИ от щели была получена как суперпозиция полей ДИ от двух полуплоскостей и найдено выражение для фазовых сдвигов ДИ от двух краев щели. В ультрарелятивистском приближения были получены выражения для полей ДИ, генерируемого заряженной частицей пролетающей через щель в наклонной мишени и получено спектрально-угловое распределение ДИ, зависящее от расстояния между траекторией частицы и центральной линией щели (импакт-параметр).

5. Получена формула для радиационных потерь ДИ от щели, справедливая для любого импакт-параметра.

6. Предложен и обоснован метод, полученный для оценки расходимости пучка в двух перпендикулярных плоскостях, основанный на зависимости формы деформации спектрально-углового распределения ДИ в параллельной щели плоскости (xz) от расходимости пучка в двух перпендикулярных направлениях а'ф, а'ф. Вклады от a^ и а'^ связаны между собой уравнением эллипса, эксцентриситет которого линейно зависит от выбранной для эксперимента длины волны ДИ z. Таким образом, зная z и получив из эксперимента значение критерия R, определенного как (4.50), можно получить эллипс, по уравнению которого определяется значение расходимости а'ф и a'v

7. Создан компьютерный код, позволяющий моделировать угловое распределение ДИ на щели от расходящегося пучка и проведено моделирование возможного эксперимента на пучке электронов ускорителя MAMI.

Автор диссертации выносит на защиту:

- модель ДИ для заряженных частиц, пролетающих вблизи бесконечного, идеально проводящей полуплоскости под произвольными углами;

- модель ДИ для частиц, пролетающих через щель в наклоненном идеальном экране под произвольными углами;

- точные аналитические формулы для полных радиационных потерь в процессе ДИ;

- новый метод определения расходимости электронного пучка по характеристикам оптического ДИ на щели;

- программа для расчета характеристик ДИ пучка частиц с двумерным угловым распределением;

- код для Монте-Карло моделирования процесса ДИ на щели и оценки чувствительности невозмущающего измерения угловой расходимости электронного пучка.

Практическая ценность полученных результатов. Аналитические формулы для вычисления радиационных потерь могут быть использованы при планировании экспериментов по измерению длины банча по когерентному ДИ. Полученный метод оценивания расходимости начального пучка несомненно важен с практической точки зрения как адекватный метод для невозмущающей диагностики ультрарелятивистских пучков заряженных частиц. В частности, простота данного метода позволяет использовать его для диагностики on-line, что для нового поколения линейных ускорителей является одним из обязательных требований.

Личный вклад автора. Автором была получена точная формула спектрально-углового распределения ДИ для идеально проводящей полубесконечной полуплоскости для общего случая, т.е. когда вектор скорости частицы имеет три не нулевые компоненты, получены аналитические выражения для расчета радиационных потерь, создан компьютерный код для расчетов характеристик ДИ и получен метод оценивания расходимости начального пучка для двух перпендикулярных плоскостей.

Диссертация была выполнена на кафедре общей физики факультета ЕНМФ ТПУ под руководством проф. И.П.Чернова. Автор благодарит руководителя за разностороннюю поддержку и помощь в решении многих практических вопросов и предложенную возможность плодотворных контактов с физиками из Дрездена, Россендор-фа, Майнца.

Я признательна научному консультанту, почетному профессору ТПУ М. Кренингу (Саарбрюккен, Германия), за гостеприимство, предоставленную возможность ознакомления с современным физическим оборудованием и обсуждение методов невозмущающей диагностики на электронных накопительных кольцах.

Особую благодарность хочу выразить проф. А.П.Потылицыну за проявленное терпение, бесчисленное количество дискуссий, полезную критику и поддержку.

Также я очень признательна Dr. G.Kube (Университет И.Гутенберга, Майнц, Германия) за ценные практические советы.

Автор выражает глубокую признательность prof.X.Artru за неоценимую помощь в создании теоретических моделей и постоянное внимание к работе.

Я очень благодарна Третьяковой Э.В. (ОАУУП) за ее терпение и доброжелательность.

Автор также благодарит своих соавторов из НИИ ЯФ ТПУ Г.А.Науменко, И.Е.Внукова и П.В.Каратаева.

1. Wiedemann Н. // Particle Accelerator Physics. Berlin, Springer-Verlag, 1993.

2. Harris F., Olsen S., Pakvasa S. and Tata X. // Proceedings "Physics and Expere-ments with e+e~ Linear Colliders". Waikoloa, Hawaii, 1993.

3. Arthur JBane K., Bharadwaj V. et al. // LCLS Design Study Report. SLAC-R-521,1998.

4. Cooper P.S., Alguard M.J., Ehrlich R.D. et al. // Phys.Rev.Letters. 1975.- V.34-P.1589

5. Bula C., Prebys E.J., et al. Observation of Nonlinear Effects in Compton Scattering. // Phys.Rev.Lett.- 1996.- V.76 P.3116

6. Ross M. Review of Diagnostics for Next Generation Linear Accelerators. // SLAC-PUB-8826, 2001.

7. Allison R. W. A radiation Resistant Chromium Activated Aluminium Oxide Scintillator. // UCRL-19270, Univ. Calif., Berkeley, 1969.

8. Loulergue A., Dowell D.H., Joly S., J.P. de Brion, Haouat G. et al. Transverse and longitudinal emittance measurements in the ELSA linac. // Nuclear Instrum. and Methods 1997.- V.A384. - C. 285-292

9. Piot P., Denard J.-C., Adderley P., Capek K., Felde E. High-Current CW Beam Profile Monitors Using Transition Radiation at CEBAF. // Proc. of YII Beam Instrumentation Workshop, Argonne, AIP Conf.Proc., 1996.- V.390.- P.298-305

10. Castellano M., Verzilov V.A. et al. Measurements of coherent diffraction radiation and its application for bunch length diagnostics in particle accelerators. // Phys.Rev.-1998.- V.E 63,- P.056501

11. Jung R., Colchester R.J. Development of beam profile and fast position monitors for the LEP injector linacs. // CERN-LEP-BI-85-16,1985

12. Tenenbaum P., Shintake T. Measurement of Small Electron Beam Spots. // Annual Review of Nuclear and Particle Science 1999 - V.49 - P. 125

13. Leemans W.P. Electron Beam Monitoring at High Frequencies and Ultrafast Time Scales. Ij New York, AIP Conf.Proc. 1996,- V.398 P. 23-39

14. Ross M., et al. // Proc. Beam Instrument Workshop 7, New York, AIP, 1997.

15. Hoffman A., Meaot F. // Nuclear Instrum. and Methods. 1982 - V.203 - C. 483

16. Hayano H, Kubo K, Naito Т., Mitsuhashi Т., Toge N. et al. Emittance measurement at KEK-ATF damping ring. // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999

17. Takayama S., Kamada S. Spatial coherence of bending magnet radiation and application limit of the van Cittert-Zernike theorem. // Phys.Rev.E- 1999.- V.59-P. 7128-7140

18. Тер-Микаелян М.Л. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1969 - 343с.

19. Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Переходное излучение и переходное рассеяние. -М.: Наука, 1984.

20. Wartsky L. Beam diagnostics using transition radiation produced by a 100 MeV electron beam. // J.Appl.Phys. 1975. - V.46.- P. 3644.

21. Rule D. W., Fiorito R.B. Imaging micron size beams with optical transition radiation. // AIP Conf. Proc.-1991.- No.229.-P. 315

22. Lebedev V.A. Diffraction-limited resolution of the optical transition radiation monitor. // Nuclear Instrum. and Methods 1996 - Y. A372.-p. 344

23. Fiorito R.B., Rule D. W., Lumpkin A.H. et al. Emittance Measurements of FEL Accelerator Using Optical Transition Radiation Methods. // Conf.Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference.- 1991.- V.2.- P. 1204-1206

24. Castellano M. A new non-intercepting beam size diagnostics using diffraction radiation from a slit. // Nuclear Instrum. and Methods.- 1997 A 394 - P. 275-280.

25. Rule D. W., Fiorito R.B., Kimura W.D. Diagnostics Based on Diffraction Radiation. // Proceedings of the 7-th Beam Instrumentation Workshop.- Argonne, 1996.

26. Potylitsyn A.P. Transition radiation and diffraction radiation. Similarieties and differences. 11 Nucl. Instrum. and Methods.- 1998. V.B145. -P.169-179

27. Днестровский Ю.Н., Костомаров Д.П Излучение модулированного пучка заряженных частиц при пролете через круглое отверстие в плоском экране. // ДАН СССР. 1959.- Т. 124(4). - С. 792-799

28. Казанцев А.П., Сурдутович Г. И. Излучение заряженной частицы, пролетающей вблизи металлического экрана.// ДАН СССР- 1962 Т.147(1).- С. 74

29. Седракян Д.М. Дифракционное излучение линейного источника, пролетающего вблизи края идеально проводящей полуплоскости.// Известия АН Арм.ССР. Сер. физ.-мат. наук,- 1964,- Т.17 С. 209

30. Bolotovskii В.М., Voskresenskii G.V. Difraktsionnoe izluchenie. // Uspehi Fizich-eskih Nauk.- 1966,- T.88. P.209

31. Shibata Y., Hasebe S., Ishi K. et al. Observation of coherent diffraction radiation from bunched electrons passing through a circular aperture in the millimeter- and submillimeter-wavelength regions. // Phys.Rev. 1995 - V.E52- C. 6787

32. Urakawa J., Hayano H., Kubo K.,., Potylitsyna N. et al. Fasibility of optical diffraction radiation for non-invasive low-emittance beam diagnostics. // Nuclear Instrum. and Methods.- 2001.- A 472.- P. 309-317

33. Bolotovskii B.M., Galst'ya E.A. Diffraction and diffraction radiation. // Physics -Uspekhi 2000.- T.43(8) - C. 755-775

34. Потылицын А.П., Потыяицына H.A. Дифракционное излучение ультрарелятивистских частиц при пролете через наклонную щель.// Изв. вузов. Физика. -2000,- No 4.- С. 56

35. Potylitsina N.A. Diffraction radiation from relativistic heavy ions. // Nucl. Instrum. and Methods.-2001.-B 173.- P.83-87

36. Datz J. et al. Anomalies in the Nuclear Dissociation Cross Sections of 208Pb at 33 TeV. // Phys.Rev.Lett. 1997.- V.79 - P. 3355

37. Barrette J., Bellwied R., Bennett S., Clemen M., David G. et al. Au |-Au Collisions in E917 at the AGS. // Proceedings of workshop RHIC 2000.

38. Rule D. W., Fiorito R.B. Optical transition radiation beam emittance diagnostis. // AIP Conf.Proc.- 1994. V.319. - P. 21

39. Artru X., Castellano M., Catani L., Chehab R., et al.Experimental investigations on geometrical resolution of optical transition radiation (OTR). // Nucl. Instrum. and Methods. 1998.- V.A410 - P. 148-158

40. Fiorito R.B., Rule D.W. Diffraction radiation Diagnostics for moderate to high energy charged particle beams. // Nuclear Instrum. and Methods. 2001 - В 173.-P. 68

41. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теория поля. M.: Наука, 1967.

42. Urakawa J., Hayano H., Kubo К.,., Potylitsyna N. et al. Investigation of Optical Diffraction Radiation as a Basis for a New Non-invasive Beam Diagnostivs. // KEK Report, 2000-5, 2000.

43. Potylitsyna N.A. Diffraction radiation from relativistic heavy ions. //IV International Symposium "Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures", Book of Abstracts, p.75, Lake Baikal,1999.

44. Ahrens J. et al. The Mainz Microtron MAMI. A facility portrait with a glimps at first results. 11 Nucl.Phys. 4,5 (1994).

45. Kube G., Backe H., Euteneuer H., Grendel A., Hagenbuck F. et al. Observation of optical Smith-Purcell radiation at an electron beam energy of 855 MeV. // To be published in Phys.Rev.E, V.65