Способ измерения эмиттанса пучка заряженных частиц Советский патент 1991 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к ускорительной технике и- может быть использовано для измерения параметров заряженных частиц.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей :способа.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации предлагаемого способа; на- фиг. 2 показаны рассчитанные распределения оптического переходного излучения (ОПИ)4

Устройство состоит из вакуумного бокса 1 с прозрачным разделительным окном 2, механизма 3 перемеиения экрана-хенератора 4, нанесенного на иа тонкую подложку 5, белого матового

экрана 6 и телевизионной камеры 7. Экран-генератор 4 располагают под углом 45° к оси пучка 8. Объектив телевизионной камеры 7. сфокусирован в плоскости белого матового экрана 6 и просматривает область, центр которой находится на линии, которая является продолжением траектории пучка, отразившегося от зеркала экрана-генератора 4,

У каждой частицы пучка-, прошедшей через экран-генератор, возникает ОПИ,( сконцентрированное вдоль отраженной , траектории частицы, т.е. можно сказать, что излучение, направленное по скорости частицы, затем к.ак бы отражается от зеркала экрана-генератоел

о

in :л

pa. Суммарное излучение от всех частиц, прошедших экран-генератор, несет себе информацию об угловом распределении частиц по скоростям в выде- ленной зоне пучка.

Измерения осуществляются следующим образом.

В необходимое место пучка под углом к оси вводят экран-генератор 4, 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 зоны. Частицы, прошедшие через экран- генератор, генерируют , сконцентрированное в основном под углом отражения, не попавшие на экран-генератор частицы дают фоновое излучение. Оптическое излучение, пройдя череэ разделительное окно 2, попадает на матовый экран 6. Распределение 10 плотности ОПИ в плоскости экрана 6 (измеряют при помощи телевизионной камеры 7, синхронизированной специальным образом с выводом пучка. По измеренным значениям плотности ОПИ, учитывая угловое распределение ОПИ от одной частицы, определяют угловое распределение частиц в выделенной зоне пучка. Затем перемещая экран- генератор в новое положение, повторяют процедуру заново. Сканирование экраном-генератором по апертуре пучк позволяет измерить его эмиттанс.

Причины, по которым для измерения используется ОПИ назад, заключаются в следующем.

Для релятивистских пучков частиц направление ОПИ вперед, возникающего при выходе частицы из вещества, не зависит от угла выхода частиц и направлено всегда-по скорости частиц интенсивность излучения вперед также мало зависит от параметров вещества и угла выхода.

ОПИ назад, возникающее при входе частицы в вещество, направлено вдоль линии, являющейся продолже- нием траектории частицы и отраженной от поверхности вещества. Интенсивность ОПИ назад пропорциональна коэффициенту отражения света от поверхности вещества. Максимум излуче- ния ОПИ приходится на угол, равный 1 /-у .

В случае использования для измерений ОПИ т. необходимо приме

нять дополнительные устройства, разделяющие иэлученир и пучок. Например, вводить в пучок наклонное зеркало, отражающее ОПИ, или отклонять пучо при помощи поворачивающего магнита.

Поэтому для измерений используют излучение, испущенное назад от экрана-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

0

5

5

в пределах от тпах (2 1 , Q V /о 1

пччна

) ДО

0

у - тах(2 -г ,бпучкв), где б nvi4M, -

а максимальная угловая расходимость

частиц в пучке; - характеристический множитель между энергией и массой частицы.

Данное ограничение необходимо для получения неискаженного распределения оптического излучения в плоскости белого матового экрана 6, Для практических целей целесообразно использовать 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 светс Материал экрана-гене- 5 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 Е фОМ от фонового изотропного ОПИ от частиц, не попавших на область металлизации, не прошедших через подложку, отнесенный к полезному сигналу от экрана-гене- ратора Еэг , составляет при качественном рассмотрении величину порядка

0

5

1,/Ч,

fid

(I)

де i, - коэффициенты отражения

света для подложки и зоны металпизацни соответственно;

дигперсия линейного размера пучка;

ЛЧ - птощадь зоны металлизации.k В кячргтпе изм рителя распределе- ия ппг1Т ьсти ОЧИ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ цифро епичина провала плотности энергии МНН между двумя максимумами Ажакс. распределении сильно зависит от веичины углового распределения частиц выделенной зоне, чем больше , тем ольше отношение АМЦН/АМЧКС при эна-„ ительном увеличении &g отношение МИИ /Ам«ке стремится к единице. Таким образом, по измеренному отношению

.... /А„„„. может быть определена 6в

10

20

а«и макс в выделенной зоне пучка.

Пределы измерения углового распределения определяются погрешностью измерения амплитуд и размерами метал- je лизированной зоны.

Предложенный способ позволяет производить измерения как циклических, так и выведенных из ускорителя пучков частиц.

Предельные возможности способа при измерении высокоинтенсивных пучков -определяются теплофизическими параметрами вещества экрана-генератора. Например, для экрана-генерато- 25 ра из алюминия разрушение наступает при интенсивности 10 5част/сма сброс.

Использование для измерения эмит- танса пучка оптического излучения позволяет значительно упростить ап- 30 паратную часть установки, использовать для измерений традиционные оптические устройства и приборы. Установка для измерения эмиттанса обладает небольшими размерами и может быть 35 смонтирована на любом участке ускорителя, экран-генератор прост в изготовлении.

В отличие от известного метода лазерного зондирования, где на одну 40 частицу пучка образуется 10 13фотон, эффективность предложенного способа

-$

значительно выше и составляет 10 фотон/част. Использование в измерениях цифровой телевизионной сястемы 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 ло

0

e

5

0 5 0

5 50

кальности взаимодействия пучка частиц и 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 1 мкм приводит к относительным потерям выведенного пучка на величину 6 10 , а относительное увеличение эмиттанса составляет всего 2-10 .

Формула изобретения

Способ измерения эмиттанса пучка заряженных частиц, включающий сканирование и определение углового распределения частиц в выделенной зоне пучка поэлектромагнитному излучению, отличающийс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в пучок вводят экран-генератор, источник оптического переходного излучения (ОПИ), который располагают так, что его нормаль находитI,

ся в интервале углов от max(2 -- ,

/ s1о

9nwJ д0 I max(2 у e. K °СИ пучка, где у Е/те7 - характеристический множитель; 6nv4KC - максимальная угловая расходимость частиц в пучке, необходимую для измерений зону в пучке выделяют при помощи положения и размера экрана-генератора, измеряют угловое распределение плотности ОПИ 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 распределению ОПИ от одной частицы.

вая телевизионная система

рации слабых световых потоков может

быть использована телевизионная система, имеющая эффективность регистрации одного фотона 4%.

1570315

Для регист- ражение (2) упрощается и переходит н интеграл типа свертки. Задача в такой постановке может быть решена различными математическими методами.

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 эмиттанс- как циклических, так и выведенных из ускорителя пучков частиц. 2 ил. (S i С/) с

Распределение плотности излучения в плоскости регистрации зависит от условий конкретной задачи и может быть разделено на два .предельных слу чая. Первый - когда угловое распределение частиц в пучке значительно болше угла с максимумом ОЛИ (в„унка /-Y Это означает, что излучение сконцентрировано вдоль траектории частицы, ;И распределение света в плоскости регистрации повторяет распределение частицо Во втором случае, когда

/Т РаспРеДеление света в плокости регистрации в значительно степени определяется формой ОПИ. 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 в плоскости измерения от выделенной зоны пучка размером л5 расположенной на расстоянии L, можно представить в виде интеграла

Е(0,Р)лД B(e,Q,X,Y)-H(e-l,Q-n,X,Y)« f(X9Y)-dxdyf1fr,,(2)

где E(9,Q) - угловое распределение излучения в пдрскости измерения;

B(0,Q,X,Y) - функция распределения частиц в четырехмерном фазовом объеме или фазовая плотность;

н(е-ъ Q-П

X,Y) - угловое распределение ОПИ от одной частицы; ffX,Y) распределение частиц

в пучке; X,Y - координаты плоскости,

в которой располагается экран-генератор( 6,Q - углы наблюдения ОПИ; ц,п - углы для области интегрирования

Для практических целей, когда выделенная зона S Много меньше разме- ров пучка, можно считать, что f(X, Y) - const, а функция фазовой плот- ности не зависит от координат X,Y в пределах выделенной зоны. Тогда вы

5

0

Измерение эмиттанса проводилось

для пучка протонов с энергией Еж

11 част

70 ГэВ и интенсивностью -

сброс

Чувствительность используемой цифровой телевизионной системы составляет 8-10 фотон/ммг. Поэтому белый мато-, вый экран 6 не используется, а телевизионная камера 7 располагается за разделительным окном 2 вакуумного бокса 1 так, чтобы иметь возможность измерять распределение плотности ОНИ вблизи углов отражения, равных углу падения пучка на экпан-генератор. Измерение плотности ОПИ в плоскости, нормаль которой составляет 90° с осью пучка, производится путем сканирования телевизионной камерой в этой плоскости и измерением светового потока, попавшего в диафрагму объектива ,

Эмиттанс пучка, определенный как

1

Е- Jdxdx ,

5

0

5

0

где у - угол наклона частиц к оси

чучка;

х - линейный размер пучка, составляет для выведенного из уско-г рителя пучка величину порядка 1 мм t мрад. Размер пучка в кроссовере равен I мм. В качестве экрана-генератора ОПИ испопьэуется тонкий слой алюминия диаметром 0,2 мм, напыленный на полиимидную пленку толщиной 12 мм, имеющую матовую поверхность. Используя формулу (I) с ,4%, 1., , получают Е erf/E 3 -10 Э,

В предположении, что распределение частиц по углам в выделенной зоне пучка имеет осевую симметрию и описывается нормальным распределениём с 6д, можно довольно просто рассчитать распределение плотности энергии ОПИ на единицу частоты излучаемого света ОПИ в плоскости регистрации от металлизированной области. Па фиг в 2 показано рассчитанное распределение плотности ОПИ на расстоянии 50 см от экрана-генератора из алюминия размером 0,2 мм для пучков с угловым распределением соответственно П-Омрад,, 12-1 мрад, 13-3 мрад, 14-6 мрад. Из графиков видно, что

Фиг.1