Способ измерения эмиттанса пучка заряженных частиц

 

Изобретение относится к ускорительной технике и может использовано для измерения параметров заряженных частиц. Цель изобретения расширение функциональных возможностей . По способу в выделенную зону пучка вводят экран-генератор. Частицы, прошедшие экран-генератор, генерируют оптическое переходное излучение (ОПИ), Размер и положение экрана-генератора определяют выделяющую для измерений в зону. Измеряют угловое распределение ОПИ назад, измеряют плотность ОПИ, при этом используют телевизионную измерительную систему. По измеренным значениям плотности ОПИ и углового распределения определяют угловое распределение частиц в выделенной зоне. Сканирование экраном-генератором по апертуре пучка позволяет измерить его эмиттамс. При этом можно измерять эмиттанскак циклических , так и выведенных из ускорителя пучков частиц. 2 ил. (S i С/) с

СО1ОЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ ИЕСНИХ

РЕС 1УБЛИН

II9) Я01И> (5!)5 G 01 Т 1/29

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ KOMHTET

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

OPH 1ННТ СССР

Н ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 (46) 07.05.91. Бюл. Р 17 (21) 4621040/25 (22) 19. 12.88 (72) В.П, Новиков, Е.В. Cepra и А.В. Харламов (53) 539.!.074.9(088,8) (56) Москвалев В.A ° Измерение параметров пучков заряженных частиц. М.:

Атомиздат, 1980, с. 127.

1. R. Samr et al, А Laser — Induced

Comptor Back-Scottbred Photon Beam at !

the Cambridge Electron Accelerator.

IREE Trans Nucl Sci Vienna 1969, v.1á, !!" 3, р. !069-1072. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭМИТТАНСА ПУЧКА

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения .параметров заряженных частиц. Цель изобретенияИзобретение относится к ускорительной технике и-может быть использовано для измерения параметров заряженных частиц.

Целью изобретения является расширение функциональных воэможностей способе.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации предлагаемого способа; ка- фкг. 2 показаны рассчитанные распределения оптического переходного излучения (ОПИ).

Устройство состоит кз вакуумного бокса I с прозрачным разделительным окном 2, механизма 3 перемещения экрана-генератора 4, нанесенного на .иа тонкую подложку 5, белого матового

2 расширение функциональных воэможностей. По способу в выделенную зону пучка вводят экран-генератор. Частицы, прошедшие экран-генератор, генерируют оптическое переходное излучение (ОПИ).

Размер и положение экрана-генератора определяют выделяющую для измерений в пу ке зону. Измеряют угловое распределение OITH "назад", измеряют плотное ь ОПИ, прн этом используют телевизионную измерительную систему, По измеренным значениям плотности

ОПИ н углового распределения.определяют угловое распределение частиц в вь!деленной зоне. Сканирование экраном-генератором по апертуре пучка позволяет измерить его эмиттанс. При этом можно измерять эмнттанс- как циклических, так и выведенных из ускорителя пучков частиц. 2 ил. экрана б и телевизионной камеры 7, Экран-генератор 4 располагают под углом 45 к осн пучка 8. Объектив телео визионной камеры 7. сфокусирован в плоскости белого матового экрана 6 и просматривает область, центр которой находится на линии, которая является продолжением траектории пучка, 1 отразившегося от зеркала экрана-генератора 4, У каждой частицы пучка; прошедшей 3» через экран-генератор, возникает ОПИ, I сконцентрированное вдоль отраженной траектории частицы, т.е. можно сказать, что излучение, направленное по скорости частицы, затем как бы отражается от зеркала экрана-генерато1570515

50 ра. Суммарное излучение от всех частиц, прошедших экран-генератор, несет в себе информацию об угловом распределении частиц по скоростям в вьще"

5 ленной зоне пучка, Измерения осуществляются следующим образом.

В необходимое место пучка под углом к оси вводят экран-генератор 4, 1р размещенный на подложке 5. Размер и положение экрана-генератора определяют выделяемую для измерений в пучке зону, как правило, размер пучка более чем на порядок больше размера 15 зоны, Частицы, прошедшие через экрангенератор, генерируют ОПИ, 9, сконцентрированное в основном под углом отражения, не попавшие на экран"генератор частицы дают фоновое излучение, gp

Оптическое излучение, пройдя через

,разделительное окно 2, попадает на матовый экран 6. Распределение 10 плотности ОПИ в плоскости экрана 6

1измеряют при помоши телевизионной ка- 25 меры 7, синхронизированной специальным образом с. выводом пучка, По измеренным значениям плотности ОПИ, учитывая угловое. распределение ОПИ от одной частицы, определяют угловое gp распределение частиц в выделенной зоне пучка. Затем перемещая экрангенератор в новое положение, повторяют яроцедуру заново, Сканирование экраном-генератором по апертуре пучка З5 позволяет измерить его эмиттанс.

Причины, по которым для измерения используется ОПИ "назад", заключаютJ ся в следующем. Для релятивистских пучков частиц 40 направление ОПИ "вперед", возникающего при выходе частицы из вещества, не зависит от угла выхода частиц и направлено всегда-по скорости частиц, интенсивность излучения "вперед" так- 45 же мало зависит от параметров вещества и угла выхода.

ОПИ "назад", возникающее при входе частицы в вещество, направлено вдоль линии, являющейся продолжением траектории частицы и отраженной . от поверхности вещества. Интенсивность OJIH "назад" пропорциональна коэффициенту отражения света от поверхности вещества. Максимум излучения ОПИ приходится на угол, равный 1/у.

В случае использования для измерений ОПИ "вперед" пеобх.вдпмо применять дополнительные устройства, разделяющие излучение и пучок. Например, вводить в пучок наклонное зеркало, отражающее ОПИ, или отклонять пучок при помощи поворачивающего магнита, Поэтому для измерений используют излучение, испущенное "назаД" от эк рана-генератора, расположенного под углом к оси пучка, а измерение производят под углом отражений, равным углу падения пучка на экран-генератор.

Угол между осью пучка и нормалью экрана-генератора может быть любым в пределах от max (2 1!ó, 0 ) до

$ — max(2, 0„„„„), где 8 „„„„„ у """" максимальная угловая расходимость частиц в пучке; y=E/ml — характе2 ристический множитель между энергией и массой частицы.

Данное ограничение необходимо для получения неискаженного распределения оптического излучения в плоскости белого матового экрана 6, Цля практических целей целесообразно испольо зовать углы, близкие к 45

Экран-генератор напылен на тонкую несущую подложку, выполненную из материала с малым коэффициентом отражения света и имеющую матовую поверхность, способную диффузионно отражать падающий свет, Материал экрана-гене- ратора имеет большой коэффициент отражения света и зеркальную поверхность.

В качестве несущей подложки может быть использован диэлектрик, а в качестве экрана-генератора — покрытие из металла. Сигнал F, ф,„ от фонового изотропного ОПИ от частиц, не попавших на область металлиэации, не прошедших через подложку, отнесенный к полезному сигналу от экрана-генератора F. z „, составляет при качественном рассмотрении величину порядка

Е фОн и

lI& — - / — — —, (1)

F у.г т где,, 1 — коэффициенты отражения света для подложки и зоны металлизации соответственно;

h — дисперсия линейного размера пучка;

ЛЯ вЂ” площадь зоны металлиза((ни, I

В .качестве измерителя распределениЯ пппT

1570515 вепиччна провала плотности энергии

А между двумя максимумами А„ „ в распределении сильно зависит от величины углового распределения частиц в выделенной зоне, чем больше b, тем

5 больше отношение А „„ /A «, при зна-, чительном увеличений $ g отношение А /A„„Таким образом, по измеренному отношению 10

А „„ /А может быть определена 6б в выделенной зоне пучка.

Пределы измерения углового распределения определяются погрешностью измерения амплитуд и размерами металлизированной зоны.

11редложенный способ позволяет про" изводить измерения как циклических, так и выведенных из ускорителя пучков частиц. 20

Предельные возможности способа при измерении высокоинтенсивных пучков определяются теплофиэическими параметрами вещества экрана-генератора. Например, для экрана-генератора из алюминия разрушение наступает при интенсивности 10 част/см сброс. 5- 2

Использование для измерения эмиттанса пучка оптического излучения позволяет значительно упростить an- 30 паратную часть установки, использовать для измерений традиционные апти. ческие устройства и приборы. Установка для Измерения эмиттанса обладает небольшими раэмерамч и может быть смонтирована на любом участке ускори". теля, экран-генератор прост в изготовлении.

В отличие от известного метода лазерного зондирования, где на одну 40 частицу пучка образуется 10 1 фотон, эффективность предложенного способа значительно выше и. составляет 10 фо" тон/част. Использование в измерениях цифровой телевизионной системы с вы- 45 сокочувствительной телевизионной камерой позволяет существено сократить время измерения в одной точке, оно в, основном определяется длительностью телевизионного кадра. 50

Известный способ лазерного зондирования не обладает свойствами локальности взаимодействия пучка частиц н лазерного излучения, что затрудняет его применение для пучков с большой угловой сходимостью, это вызвано.малым углом столкновения и параметрами фокусировки лазерного луча.

В этом смысле способ, основанный на регистрации ОПИ, лишен этого недостатка, так как генерация фотона происходит в месте пересечения частицей границы раздела двух сред.

Применение тонкой фольги не вызывает значительного ухудшения параметров пучка. Например, применение фольги из алюминия толщиной мкм приводит к относительным потерям выведенного пучка на величину 6 10 а относительное увеличение эмиттанса составляет всего 2 10, Формула из о бр етения

Способ измерения эмиттанса пучка заряженных частиц, включающий сканирование и определение углового распределения частиц в выделенной зоне пучка по.электромагнитному излучению, о т л и ч а ю щ и и " я тем, что, с целью расширения функциональньх возможностей, в пучок вводят экран-генератор, источник оптического переход- . ного излучения (ОПИ), который располагают так, что его нормаль находит- !

l ся в интервале углов от max(2 --, до —, — max(2 —, Д„„ц„) к оси йучка

1 пучка, где =Е/me — характеристический множитель1 д„„„„,ц — максимальная угловая расходииость частиц в пучке, необходимую для измерений зону в пуч- ке выделяют при помощи положения и размера экрана-генератора, измеряют угловое распре,;еление плотности -ОПИ

Ф

"назад" от экрана-генератора под углом отражения, равным углу падения частиц на экран-генератор, определяют угловое распределение частиц в выделенной зоне пучка по измеренному излучению и известному угловому распреде- лению ОПИ от одной частицы.! 5705 вая телевизионная система. Для регистР рации слабых световых потоков может быть использована телевизионная система, имеющая эффективность регистрации одного фотона 4 ..

Распределение плотности излучения в плоскости регистрации зависит от условий конкретной задачи и может быть разделено на дна предельных случая, Перный - когда угловое распределение частиц в пучке значительно больше угла с максимумом ОПИ (9„„„„„1/y).

Это означает, что излучение сконцентрировано вдоль траектории частицы,,и распределение света в плоскости регистрации повторяет распределение частиц, Во втором случае, когда

9„цч„„(1/у, распределение света н плоскости регистрации н значительно степени определяется формой GIIH. Нахождение углового распределения частиц в этом случае представляет самостоятельную математическую задачу. Степень сложности этой задачи зависит от потребностей эксперимента.

В общем случае угловое распределение излучения н плоскости измерения от выделенной зоны пучка размером лБ, расположенной На расстоянии L, можно

30 представить н виде интеграла

К(Е,О)= 53 В(Е,О,Х,Y) H(g-q,Q-n,X,Y) йз Я

f(X,Y) d„d,f„t„, (2)

35 где Е(О,Q) — угловое распределение излучения н пг оскости

1 измерения;

B(e Q X Y) — функция распределения частиц в четырехмерном 40 фазовом объеме или фазо. вая плотность;

H(e- 1, Q-пф, Х, Y) - угловое распределение

ОПИ от одной частицы1

Е(Х,У) — распределение частиц в пучке;

X Y — координаты плоскости, в которой располагается экран-генератор; 50

О,Q - углы наблюдения ОПИ;

q,n - -углы для области интегрирования Я, Для практических целей, когда выделенная эона д Я много меньше раэме- 55 ров пучка,.можно считать, что f(X, Y) - const, а функция фазовой плотности ие зависит от координат X„Y в пределах выделенной зоны. Тогда вы15 б ражение (2) упрощтется и переходит в интеграл типа свертки, Эадача н такой постановке может быть pefaeHa различными математическими методами.

Измерение эмиттанеа проводилось для пучка протонов с энергией Е ц част 70 ГэВ и интенсивностью 1!О сброс

Чувствительность испоЛьзуемой цифровой телевизионной системы составляет

8 !0 фотон/ми т, Поэтому белый мато-, вый экран 6 не используется, а телевизионная камера ? располагается за разделительным окном 2 вакуумного бокса 1 так, чтобы иметь нозможность измерять распределение плотности ОПИ вблизи углов отражения, равных углу падения пучка на экран-генератор. Измерение плотности ОПИ в плоскости, нормаль которой составляет 90 с осью пучка, производится путем сканиронаФ ния телевизионной камерой н этой плоскости и измерением светового потока, попавшего н диафрагму объектина.

Эмиттанс пучка, определенный как

Š— ) dxdx

П

I где . — угол наклона частиц к оси тучка; х - линейный размер пучка, составляет для выведенного из уско-. рителя пучка величину порядка J мм» смрад, Размер лучка в KpoccQBepe ра" нен мм, В качестве экрана-генератора ОПИ используется тонкий слой алюминия диаметром 0,2 мм,, напиленный на полиимидную пленку толщиной 12 мм, имеющую матовую поверхность. Используя формулу {1) с II,=4, < =95, у=70, получают Е „,/Е „ 2 .!О

В предположении, что распределение частиц по углам н выделенной зоне пучка имеет осевую симметрию и описывается нормальным распределением с 6>, можно довольно просто рассчитать распределение плотности энергии

ОПИ на единицу частоты излучаемого света OIIN a плоскости регистрации от металлиэированной области. Па фйг.2 показано рассчитанное распреде" ление плотности ОПИ на расстоянии

50 см от экрана-генератора из алюминия размером 0,2 мм для пучков с угловым распределением соответственно 1 1 — 0 мрад,, 1 2-1 мрад, 1 3-3 мрад, 14-6 мрад. Из графиков видно, что

-Х "4 3 -2 -1 О 1

Фиг 2

Составитель С. Кондратенко

Техред М.Ходаннч Корректор Б. Кабаний

Редактор Т, Юрчикова. Заказ 2300 Тираж 311 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьггиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101