Способ определения положения центра тяжести ускоренного пучка заряженных частиц Советский патент 1993 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к способам измерения параметров пучка ускоряемых и накапливаемых частиц.

В ускорительной технике известны способы определения координат центра тяжести пучка частиц, заключающиеся в определении отношения сигналов, образующихся в результате наведения заряда на пикап-электроды, установленные вокруг пучка частиц. Однако, способ имеет сравнительно низкую чувствительность и недостаточную помехоустойчивость, что не позволяет обеспечить достаточную точность измерения при малых смещениях центра тяжести пучка частиц.

Наиболее близким техническим решением является способ определения положения центра тяжести пучка частиц, при котором ускоренный пучок частиц пропускают через поперечное магнитное поле, возникающее при этом электромагнитное синхротронное излучение в оптическом диапазоне длин волн выводят за пределы пуч- копровода, посредством полупрозрачного зеркала расщепляют излучение на вертикальную и горизонтальную составляющие, которые системой зеркал и объективов проецируют на фотодиодные матрицы и по форме распределения сигналов на последних определяют положение центра тяжести синхротронного излучения, совпадающее с

У |00

00 Qs О

ел

центром тяжести пучка. Известное устройство, реализующее этот способ, содержит четыре отклоняющих зеркала, полупрозрачное зеркало, два объектива и две диодные матрицы.

Недостаток известного способа и устройства, реализующего его, заключается в том, что они не позволяют производить измерения на прямолинейных участках траектории движения частиц, в результате чего не могут быть применены на линейных ускорителях, а также на участках столкновения пучков в коллайдерах и на выведенных пучках. Чувствительность устройства ограничена величиной шумов диодной матрицы, а также размерами ячеек, составляющих диодную матрицу.

Целью изобретения является повышение точности измерения положения центра тяжести частиц в пучках, обеспечение возможности измерений как на прямолинейных, так и на криволинейных участках траектории путем использования дифракционного излучения быстрых частиц при их пролете через отверстие произвольной формы в экране,

Указанная цель достигается тем, что в способе определения положения центра тяжести частиц пучок пропускают через отверстие в экране, при этом генерируется дифракционное излучение, обладающее следующими свойствами: оно обусловлено только наличием экрана и не зависит от кривизны траектории движения частиц; интенсивность излучения экспоненциально зависит от расстояния между краем отверстия и центром тяжести пучка и имеет резкую направленность вперед; излучение поляризовано таким образом, что преимущественное направление вектора электрических колебаний лежит в плоскости экрана. Далее излучение выводят за пределы пучкопровода. очищают от рассеянного фонового излучения, затем изображение излучающих краев отверстия или щели проецируют на детектирующее устройство и по форме этого изображения определяют положение центра тяжести пучка.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство содержит экран с круглым отверстием с диаметром, отвечающим условию I A E/mc2, где Я-длина регистрируемой волны, Е и тс - энергия и масса покоя излучающих частиц, светофильтр с относительной полосой пропускания ЗА/Ах )Л поляризационный фильтр для исключения рассеянного фона, а также объектив для проецирования изображения излучающих краев отверстия на детектирующее устройство. По форме пространственного изображения картины излучения и по соотношению интенсивностей на различных участках края отверстия определяют положение центра тяжести пучка частиц.

Другим вариантом является устройство, содержащее экраны, образующие щель, через которую пролетают частицы пучка; при этом расстояния I от центра тяжести пучка

до краев щели должны удовлетворять условию I :ЈА E/mc .

Поставленная цель достигается благодаря экспоненциальной зависимости интенсивности излучения от расстояния

между излучающей кромкой щели или отверстия и центром тяжести пучка, а также независимости интеь сивности излучения от кривизны траектории движения частиц в сочетании с монохроматизацией и оптическим

переносом изображения излучающей кромки на детектирующее устройство обеспечивают достижение поставленной цели. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым

изобретательским замыслом.

На фиг. 1 приведена зависимость изменения числа излученных фотонов относительно исходного d I/I от величины относительного смещения положения центратяжести пучка д I/I при среднем радиусе пучка 25 мкм, начальном расстоянии I 1 мм, у 8000, А 300 нм и дА/А 0.001; на фиг. 2 - распределение интенсивности дифракционного излучения вдоль края щели

при вышеуказанных условиях; на фиг. 3 - пример выполнения устройства.

Предлагаемые способ и устройство определения положения центра тяжести пучка частиц реализованы следующим образом.

Экран-генератор дифракционного излучения устанавливается на контролируемом участке пучка частиц. Диаметр отверстия или размер щели I определяется Лоренц- фактором у E/mc , где Е и тс - энергия и

масса покоя частиц пучка, и регистрируемой длиной волны в соответствии с условием I Ау. Отсюда следует, что предлагаемое техническое решение может быть реализовано на современных ускорителях и накопителях с диаметром пучка менее 100 мкм и Лоренц-Фактором 100.

Нижеследующие результаты получены в результате численного моделирования методом Монте-Карло процессов излучения и

детектирования для варианта экрана со щелью и пучка частиц с поперечным распределением плотности, имеющим форму распределения Гаусса со средним значением радиуса R 25 мкм.

Как следует из фиг. 1, при приведенных выше в качестве примера параметрах относительное смещение положения центра тяжести пучка на величинуд I/I 0,001 (т.е. при I -г 1 мм д I 1 мкм) сопровождается относительным изменением интенсивности излучения на величину д I/I 7,2-Ю3. Очевидно, что отношение интенсивностей, излученных двумя противоположными краями щели при указанном смещении пучка, составит 1/1 1,014 в отличие от известных технических решений с использованием синхротронного излучения или пикап-электродов, где относительное изменение величины сигнала Ai/A2 составило бы 1,002. Абсолютное число фотонов, излучаемых каждым из краев щели, при среднем токе ускорителя 100 мкА составит порядка 108 . Помимо резкой зависимости интенсивности излучения от величины смещения положения центра тяжести пучка, пространственное распределение интенсивности излучения вдоль края щели также чувствительно к положению центра тяжести пучка. Как следует из фиг. 2, излучение на каждом из краев щели имеет четко выраженный максимум, совпадающий с положением центра тяжести пучка, что дает дополнительную информацию о смещениях пучка.

Возможны два варианта практической реализации способа.

На фиг. 3 приведен вариант, использующий в качестве детектора излучения четыре фотоумножителя. Пучок проходит последовательно сквозь щель экрана 1 (на фигуре указана только вертикальная щель) и сквозь отверстие наклонного зеркала 2. Излучение с краев экрана отражается зеркалом и выводится за пределы пучкопрово- да (в случае криволинейной траектории отражающее зеркало не требуется). Далее оно системой оптических линз 3 попадает на поляризованный фильтр 4, отсекающий неполяризованное фоновое излучение. Затем излучение проходит через светофильтр 5, необходимый для выделения из полного спектра излучения узкого интервала длин волн. В результате на детектирующее устройство 6 параллельно переносится изображение картины излучающих кромок щели (при необходимости можно получить увеличенное изображение). Детектирующее устройство состоит из четырех фотоумно-, жителей, регистрирующих свет с каждого из краев щели, затем по соотношению сигналов с противоположных фотоумножителей определяется положение центра тяжести пучка. При вышеуказанных условиях смещение центра тяжести пучка на величину

д l/мкм/ относительно центрального положения приведет к изменению отношения сигналов двух противоположных фотоумножителей на величину 5,8210 д I. Это означает, что если сигналы с фотоумножителей анализировать посредством амплитудно- цифровых преобразователей с числом разрядов 10 , то минимальная чувствительность устройства составит 0,17 мкм.

Возможен вариант устройства, в котором излучение с каждого края щели регистрируется позиционно-чувствительным детектором типа приборов с зарядовой связью, либо мозаики из волоконно-оптических световодов, разведенных на индивидуальные фотоумножители или фотодиоды. При этом имеется возможность, контролировать положение пучка не только по соотношению суммарных сигналов от каждой из

краев, но и по положениям максимумов в изображениях излучающих краев,

Использование предлагаемого способа определения положения центра тяжести пучка ускоренных частиц и устройства для

его реализации обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: -высокую чувствительность к малым смещениям центра тяжести пучка; - возможность его применения как на

кольцевых, так и на линейных ускорителях и накопителях частиц, а также на выведенных пучках; - высокое быстродействие устройства и возможность его включения в цепь обратной связи для автоматического

регулирования положения центра тяжести пучка; - возможность визуализации положения пучка.

Формула изобретения Способ определения положения центра

тяжести ускоренного пучка заряженных частиц, основанный на регистрации электромагнитного излучения частиц в оптическом диапазоне длин волн, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности измерений как на прямолинейных, так и на криволинейных участках траектории движения частиц, а также повышения точности измерения,

пучок пропускают через отверстие произвольной формы в экране, имеющее ширину I AE/mc , где Я - длина регистрируемой волны, м;

Е и тс2 - соответственно энергия и масса покоя частицы, регистрируют возникающее при этом дифракционное излучение, затем по форме пространственного распределения этого излучения определяют положение центра тяжести пучка.

Использование: относится к ускорительной технике, в частности к способам измерения параметров пучка ускоряемых и накапливаемых частиц. Сущность изобретения: контролируемый пучок частиц пропускают через отверстие в экране, при этом генерируется дифракционное излучение, интенсивность которого экспоненциально зависит от расстояния между краем экрана и центром тяжести пучка. Далее изображение излучающих краев отверстия оптическим устройством проецируется на детектирующее устройство и по его форме определяют положение центра тяжести пуч- каю.Новым в изобретении является применение экрана с отверстием, генерирующим оптическое дифракционное излучение, причем размер отверстия должен удовлетворять условию I A E/mc . где А - длина волны излучения, Е и тс - энергия и масса покоя излучающей частицы. 3 ил.