Способ определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне Советский патент 1990 года по МПК H05H13/04 G01B9/00 

Изобретение относится к технической физике в части создания способов определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты в поворотных магнитах синхротрона и может быть использовано в метрологических комплексах, в которых синхротрон является калиброванным источником излучения в широкой спектральной области, а парамет- рами для расчета спектральной мощности этого излучения служат энергия релятивистского пучка синхротрона и радиус кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне.

Целью изобретения является повышение точности определения, сокращение времени и трудоемкости определения. На чертеже представлено устройство щя реализации способа в плоскости релятивистской орбиты пучка (без соблюдения масштабных соотношений), разрез.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, расположенную между полюсами поворотного магнита (в разрезе показан один из полюсов-2), в зоне исследуемого участка 3 MN релятивистской орбиты пучка с искомым радиусом. Камера 1 имеет средний радиус кривизны RX

05

оп

00

со сд

полупшрину P и окно 4 для вывода СИ. Камера 1 соединена, например, с помощь фланца (не показан) с каналом 5 СИ (канал 5 представляет собой проходную вакуумную камеру). Фильтр 6, например бериллиевая фольга толщиной до , расположенньй между камерой 1 и каналом 5 СИ, выделяет из спектра СИ его рентгеновский компонент. В канале 5 СИ перпендикулярно плоскости релятивистской орбиты пучка электронов, совпадающей с плоскостью участка 3, расположена плоскость 7, вьшолнен- :ная из материала, непрозрачного для |СИ пуска электронов, например листо- |Вой стали, В плоскости 7 расположены |три параллельные, например прямо- :угольные диа фрагмы 8. При осуществлении способа проводят оптимальный вы- |бор и оценку всех конструктивных и |цругих параметров (ширина, высота |циафрагм, расстояние между их центрами, удаленность от орбиты, угловое Положение относительно направления распространения потока СИ) и выбор спектрального диапазона фильтров,

Каждая из диафрагм 8 расположена IB плоскости 7 так, что оптимальным Кдпя математической части определения радиуса) является такое расположение диафрагм, когда их высота перпендикулярна плоскости релятивистской орбиты гтучка, и плоскость орбиты равноудале- «а от нижнего верхнего краев каждой л3 диафрагм 8 т,е. расположена на половине высоты диафрагм 8. В этом же канале 5 СИ расположена перпендикулярно плоскости 7 другая плоскость 9,

которая также перпендикулярна плоскос- ги релйвистской орбиты. Плоскости 7 И 9 пересекаются lio линии 10, а Ь(,

b

1

ъ

наименьшие расстояния от ли|нии пересечения плоскостей до центра соответствующих диафрагм 8, Плоскость 9 совпадает с плоскостяМи приемных поверхностей трех приемников 11-13 рентгеновского излучения, расположенных на плоскости 9 в плоскости релятивистской орбиты, В качест ве приемников 11-13 используются, например, фотопластинки, проволочные приемники с люминофором на приемной поверхности или другие координатночувствительные приемники рентгеновского излучения. Все приемники t1 - 13 могут независимо перемещаться вдоль плоскости 9 для предварительной юсти ровки (механизмы юстировки приемникоь

0

5

5

0

0

5 . ..

5

не показаны), Плоскости 7 и 9 жестко соединены одна с другой и могут быть ориентированы (механизмы для ориентации плоскостей не показаны) по отношению к направлению распространения потоков пучков СИ, прошедшего через диафрагмы 8, так, что наименьший из углов (Х), . падения потоков этих пучков на плоскость 9 равняется при- мерно половине углового размера ф участка 3 орбиты пучка,

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно, до начала измерений, связанных с собственно определением радиуса кривизны, используя СИ пучка электронов, в течение несколь- ких циклов ускорения пучка в синхротроне с помощью юстировочных механизмов ориентируют плоскости 7 и 9 так, что наименьший (Хз из трех углов , , а, падения пучков СИ на плоскость 9 (т,е. на плоскость приемника 13) находится в указанных пределах, и выбирают местоположения приемников 11-13 излучения, передвигая их в плоскости 9 так, чтобы они могли регистрировать наиболее интенсивную часть потока соответствуюс его пучка , СИ, располагают в этих местах приемники 11-13 и завершают операцию юс- тировки,

Когда во время очередного цикла ускорения пучок электронов попадает в вакуумную камеру 1 поворотного магнита синхротрона и движется по релятивистской орбите на участке 3 с искомым радиусом кривизны, для осуществления способа определяют значения параметров, связанных функциональной зависимостью с радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которым судят о значении искомого радиуса. В качестве таких параметров используют наименьшие расстояния а., а, а а, от линии 10 пересечения плоскостей 7 и 9 до центров тяжести распределений потока излучения соответствующего пучка СИ, I .

Для этого из СИ, распространяющего- ся с участка 3 релятивистской орбиты пучка, выделяют с помощью по крайней мере трех диафрагм 8, расположенных в плоскости 7 (ранее сьюстированной описанным образом), три пучка этого излучения в области мягкого рентгена, регистрируют распределения потоков этих .пучков во второй плоскости 9 с помощью трех приемников 11-13 излучения (ранее съюстированных описанным образом). По зарегистрированным расопределяют наименьшие расстояния от линии 10 пересечения плоскостей до центра каждой из диафрагм bj, b bj

Iпределениям потоков определяют коорди-, и с учетом определенных указанным обнаты а, ag, a-j - наименьшие расстояния от линии 10 пересечения плоскос- ;тей 7 и 9 до энергетического центра тяжести каждого из распределений и

разом параметров судят о значении радиуса кривизны участка релятивитской орбиты пуска электронов в поворотном магните синхротрона по соотношению:

определяют наименьшие расстояния от линии 10 пересечения плоскостей до центра каждой из диафрагм bj, b bj

и с учетом определенных указанным образом параметров судят о значении радиуса кривизны участка релятивитской орбиты пуска электронов в поворотном магните синхротрона по соотношению:

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты в поворотном магните синхротрона. Цель изобретения - повышение точности определения и сокращение времени и трудоемкости определения радиуса кривизны орбиты пучка. Способ заключается в определении значений параметров, связанных функциональной зависимостью с радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которым судят о значении этого радиуса. В качестве таких параметров выбраны координаты центров тяжести распределений потоков пучков синхротронного излучения, выделяемых из общего потока синхротронного излучения тремя диафрагмами и координаты центров каждой из трех диафрагм, измеряя которые определяют затем радиус кривизны участка орбиты. При реализации способа время измерения радиуса кривизны орбиты пучка сводится до минут против часов при традиционных измерениях. 1 ил.

R

Kj(az-aO - (Kz-Ki) (аз+аО

- ....--... .. .«

14+1 (,)--JK|+i (к,,-к,) (Кз-кр

где К 31. v 2, к- 2 1де к - , R.- Г S - Г

Ь Ьг. 3 ь, ,20

Указанное соотношение получено следующим образом.

Траекторию движения релятивистского электрона на участке 3 в поворот- ном магнита синхротрона, по касательной к которой распространяется испус- каеь;ое им СИ, считают соответствующей окружности с радиусом кривизны R, уравнение которой в произвольных пря- моугольных координатах X, Y записывают в виде

(Х-Х,)Ч a-Yo) R

где X JI и YIJ- координаты центра окружности, которые заранее неизвестны,Для определения значения радиуса в уравнении окружности требуется до- папнительно минимум три уравнения прямых, касательных к этой окружности, которые в тех же координатах можно рапиеать в ввде: :

V - Jf V - а

|2,3 i2,3.

где К

ЬЗ

b,g

1-3 1котангенс угла наклона соответствующей касательной к оси Y; точки пересечения касательными осей X и Y.

Касательными к траектории электрона в способе считают траектории рентгеновских квантов, фиксацию направлений распространения излучения осуществляют с помощью трех Дх1афра гм, выделяющих из потока СИ три пучка этого излучения и трех координатно-чувстви- тельных приемников, которыми регистрируют излучение пучков и определяют радиус кривизны R участка релятивистской орби- ы, решая систему уравнений:

1 - iXjA 3. л

где

Y КгХ - а, Y КзХ - аз, (X-Xof-t-(Y-Yo)

К 2J. к - 1 b. . Ь

я

0

В этой системе уравнений известными параметрами считают расстояния от начала координат до центров диафрагм bjjj b, b, а регистрируемыми параметрами a, а, а координаты точек, в которых иялучение регистрируют прием- киками, при этом угловая величина ч частка MN релятивистской орбиты ф (рад) равна arcctg arcctg К , а линейный размер участка MN равен (| R. Пример, Проводят теоретическую и экспериментальную проработку предлагаемого способа со следующей аппаратурной реализацией: синхротрон типа рейстрек на 680 Мэв ФИлН с длительностью цикла ускорения G,7 с и че- тьфьмя поворотными магнитными с максимальным полем 11500 э, каналом СИ; плоскость с диафрагмами м плоскость с приемниками излучения и механизмами для их перемещения вдоль плоскости; механизмы для юстировки плоскостей в канале СИ; аппаратура для обработки сигналов, зарегистрированных приемниками .

16

Выбор и оценку количественных значений параметров, используемых при ре ализации способа, проводят с учетом и: вклада в суммарную погрешность определения радиуса кривизны и возмож- нФстями приборной реализации способа. Использование в способе компоненты СИ в области мягкого рентгена ( :Л С 10 им) обусловлено тем, что та- выбор позволяет пренебречь влия

. дифракции от краев диафрагм 8 на р{ гистрируемые приемниками 11-13 рас- Щ еделенных потоков излучения, и тем cjiMbiM повысить точность определения и I позволяет эффективно регистрировать д4же небольшие потоки излучения ввиду, большой энергии отдельных квантов это- rci излучения, Вьщеление зт азанной части спектра СИ обеспечивается фильтром 20 6 которьш одновременно разделяет ка- Mcjipy 1 и канал 3 с разным вакуумом, что позволяет проводить юстировку и ; измерения при. реализации способа в усЦ ЯС1ВИЯХ относительно низкого вакуума ( ) торр.

: Выбор в способе координат знергети- ч4ских центров тяжести распределений регистрируемых потоков пучков СИ а. .

е Г

Исходя из малости величины (, расстояние 2d можно считать равным (1, где 1 - среднее расстояние по ка- е сательной к релятивистской орбите от Г средней точки выбранного участка 3 орбиты до плоскости 7 с диафрагмами 8, оцениваемое как 1 S + Sg, где расстояние от центра окна 4 для вывода СИ до одной из диафрагм

аз 3 качестве одного из парамет-30 ,

рев функциональной зависимости, по о, S () расстояние по ка-- KCTopbiM судят о радиусе кривизны,, сатеяьной от средней точки выбранного оеусловлен тем, что конечные размеры . участка 3 траектории до центра того сечения, релятивистского пучка с сим- же окна (при этом условно считают, ме тричным относительно равновесной ор-эс то траектория движения пучка прохо- бкты гауссовым радиальным расгфеделе- днт по середине вакуу1 1ной камеры 1 ни ем электронов в пучке, конечные раз-, полушириной Р и радиусом кривизны Rj/). йеры диафрагм 8, наклон плоскостей йриемников 11-13 по отношению к потоку излучения, приводят к формированию.в 40 плоскости этик приемников распределе- , НИИ потоков излучения с близкой к тра- пещеидальной формой, через энергетический центр тяжести которого (через

л. see в меньшей мере, что затрудняет

тяжести трапеции) проходят кван-45 jdipyMHHKi

использова ние способа, а при значениПрактически величина участка 3 MN релятивистской орбиты находится в пределах 1 - , что обусловлено тем, что при значениях меньше 1 участок , орбиты все более приближается к прямой линии, его кривизна проявляется

ты рентгеновского излучения, испускав- мые электронами пучка, находящимися на равновесной орбите, и проходящие через центры соответствующих диафрагм, позволяет создать математическ1по jO модель физического явления, адекватнт/ю , с одним электрономр в которой электроны равновесной орбиты,геометриях болышах 6 становится большой степень усреднения радиуса, что увеличивает погрешность определения спектральной мощности СИ при использовании синхротрона в качестве калиброванного источника.

Таким образом, конкретный углЬвой размер участка 3 релятивистской орбиТаким образом, конкретный углЬвой размер участка 3 релятивистской орбичаский центр каждой из диафрагм 8,

энергетический центр тяжести а соот- 55 ™ определяется конкретными метроловатствующего распределения принадае- гическими задачами,, связанными с опжат прямым, .служащим касательным к

равновесной орбите электронного пучка

с рар,иусом кривизны R, и измерять тем

ределением радиусу.При проработке предлагаемого способа угловой размер Ц участка 3MN составляет 1

8

самым описанным способом искомый радиус, при этом значения радиуса определено с высокой точностью по траектории реальной орбиты пучка в вакуумной камере 1 .

Расстояние 2d между центрами крайних диафрагм 8 выбрано из условия, чтобы ими охватывался исследуемьй участок 3 MN релятивистской орбиты с угловой величиной ( , при условии, что плоскость 7 расположена на усред- :ненном расстоянии 1 от этого участка,. действительная угловая величина которого становится известной лишь в процессе определения радиуса и может незначительно отличаться от выбранной величины в большую или меньшую сторону.

Исходя из малости величины (, расстояние 2d можно считать равным (1, где 1 - среднее расстояние по ка- сательной к релятивистской орбите от средней точки выбранного участка 3 орбиты до плоскости 7 с диафрагмами 8, оцениваемое как 1 S + Sg, где расстояние от центра окна 4 для вывода СИ до одной из диафрагм

,

о, S () расстояние по ка-- сатеяьной от средней точки выбранного участка 3 траектории до центра того же окна (при этом условно считают, то траектория движения пучка прохо- днт по середине вакуу1 1ной камеры 1 полушириной Р и радиусом кривизны Rj/).

Практически величина участка 3 MN релятивистской орбиты находится в пределах 1 - , что обусловлено тем, что при значениях меньше 1 участок , орбиты все более приближается к прямой линии, его кривизна проявляется

ях болышах 6 становится большой степень усреднения радиуса, что увеличивает погрешность определения спектральной мощности СИ при использовании синхротрона в качестве калиброванного источника.

Таким образом, конкретный углЬвой размер участка 3 релятивистской орбигическими задачами,, связанными с определением радиусу.При проработке предлагаемого способа угловой размер Ц участка 3MN составляет 1

1,0 м, d 30 мм;

2 м; Р

0,15 м. Определение расстояния приведено из условия оптимального выбора

Iо

расстояния & по условию - 0,3-

0,8, учитывающего оптимальность габаритов канала 5 СИ. Оптимальным выбо- IpOM наименьшего угла падения (х; одного из трех пучков излучения на плос- кость 9 координатно-чувствительного приемника (при уже выбранной угловой величине участка траектории tf ) явi

ляется выбор по условию -гт 0,4-0,6

Это практическая рекомендация выбора учитьшает как влияние этого угла на оптимизацию габаритов установки, реализующей способ, так и оптималь- ность условий регистрации с помощью приемников 11-13 центров тяжести распределения потоков пучков СИ. Оптимальным является также практический выбор расстояния bj (0,5-2)d, который также оптимизирует габаритные параметры установки, реализующей способ.

При экспериментальном исследовании способа значение , значение Ъц d 30 мм.

Оптимальным является выбрр ширины диафрагм 8 в диапазоне 10-30 мкм. Так как больший размер неоправдано увеличивает ширину областей с максимальным сигналом на приемниках 11-13, что затрудняет регистрацию центров тяжести распределения потоков излучения , а при меньшей ширине поток может оказаться слишком слабым для его регистрации. При эксперименте ширина диафрагмы составляет 20 мкм.

Высота диафрагм 8 выбрана из условия оптимизации регистрации излучения по соотношению, составляющему (5-10) ширины диафрагмы. В эксперименте вы- сота диафрагм равна 200 мкм.

В таблице приведены сопоставительные данные при определении радиуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне по предлагаемому и известному способам.

Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов показывает, что точность определения значения ра- ЕС диуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка не менее чем в два раза

.больше, чем по известному, что обусп

I

:Ловлено тем, что величина радиуса

определяется непосредственно по СИ пучка электронов, движущемуся по ре- апьной траектории. При этом значительно (на несколько порядков) сокращено время определения и снижена трудоемкость определения, так как иск1дачены операции разгерметизации вакуумной камеры ускорителя и установки датчи- ков магнитного поля внутри этой камеры ,

Формула изобретения

Способ определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне путем определения значений параметров, связан |ных функциональной зависимостью с ис- :комым радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которьм судят о значении искомого радиуса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, сок- ращения времени и трудоемкости про- иесса определения, из синхротронного излучения, распространяющегося с ука- занного участка релятивистской орбиты вьщепяют не менее трех пучков этого излучения в области мягкого рентгена с помощью трех диафрагм, которые располагают в одной плоскости, перпендикулярной плоскости релятивистской орбиты, и регистрируют с помощью приемников координаты а (, а и а центро тяжести распределений потоков излучения этих пучков, вьщеленных соответствующими диафрагмами в другой плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости, в которой расположены указанные диафрагмы, при этом координаты определяют, как наименьшие расстояния от линии пересечения плоскостей до центра тяжести распределения потока излучения соответствующего пучка, и используют в качестве указанных параметров, связанных функциональной зависимостью с искомым радиусом кривизны, при этом судят об искомом значении R радиуса кривизны с учетом определенных параметров по зависимости

R

К(а,-а,)-(К2-К,)(а5+а;)

к|+1 (К2-К,) (,)-fjKf+ 1 (К,-ГУ

где

к- §i. к- - Sil. V .- fJ. Г b, 2. Ьг 5 b,

bj, b и b

наименьшие расстояния от линии пересечения указанных плоскостей до

центра соответствующей диафрагмы.