СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ УЛЬТРАРЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ
DIAGNOSTIC METHOD OF ULTRARELATIVISTIC ELECTRON BEAMS

Область техники
Изобретение относится к области диагностики пучков ультрарелятивистских электронов, используемых на линейных ускорителях, в лазерах на свободных электронах, синхротронах 4-го поколения, в частности, определения их поперечных размеров.
Предшествующий уровень техники
Диагностика пучков является одним из ключевых элементов работы современных ускорителей. Современные ускорительно-излучательные комплексы, такие как синхротроны и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) 4-го поколения, особенно требовательны к качествам пучков. Для того, чтобы комплекс мог выполнять свою функцию по генерации излучения высокой яркости, необходима работа большого числа диагностических станций, контролирующих положение электронного пучка, его размеры, форму, эмиттанс, и другие ключевые характеристики, которые непосредственно отражаются на характеристиках излучения, генерируемого этим пучком в различных вставных устройствах, прежде всего, ондуляторах. Говоря о диагностике пучков, общепринято иметь в виду, что пучки существуют в виде сгустков, параметры которых - поперечные размеры, длина, эмиттанс, положение в пространстве, энергия и другие - и являются объектом диагностики. Далее по тексту эти оба понятия рассматриваются как синонимы.
Для измерения характеристик пучка отлично подходит синхротронное излучение, однако оно генерируется только в кольцевых частях ускорителей; в линейных частях, или в устройствах исходно содержащих только линейные отрезки ускорения (ЛСЭ), диагностика должна осуществляться без использования синхротронного излучения. При этом, если для определения положения пучка достаточно использования универсальных датчиков положения пучка, то для определения размеров пучка и его эмиттанса необходимо генерировать излучение каким-либо образом, и уже по характеристикам этого излучения определять характеристики пучка. На функционирующих сегодня линейных ускорительно-излучательных комплексах с этой целью используются несколько конкурирующих подходов. Один из них относительно старый: использовать тонкие проволочки, которыми проводят поперек пучка - это достаточно грубый способ диагностики, более пригодный для протонных и ионных ускорителей, и на современных электронных высокоэнергетичных ускорителях он практически не используется (U. Hahn et al., Wire scanner system for FLASH at DESY, Nuclear Instruments and Methods A, vol. 592, no. 3, pp. 189-196, 2008). Другими способами являются использование сцинтилляционных экранов и мониторов переходного излучения (Y. Shibata et al., Diagnostics of an electron beam of a linear accelerator using coherent transition radiation, Phys. Rev. E, no. 50, p. 1479, 1994.). Эти способы, в силу их простоты и надежности, являются наиболее широко распространенными. Есть также и другие методы, такие как использование световых пучков (эффект обратного комптоновского рассеяния), или использование электрооптических методов диагностики. Эти способы известны, но в реализации являются крайне сложными, прежде всего ввиду проблем синхронизации. Важно также, что все эти методы приводят к рассеянию пучка электронов при их непосредственном прохождении сквозь мишень, что ведет к изменению характеристик электронного пучка.
Важнейшие тенденции в эволюции методов диагностики - повышение точности определения характеристик электронного пучка, снижение обратного влияния процесса диагностики на параметры пучка, увеличение совместимости с системами обратной связи, способными осуществлять корректирующее воздействие на пучки, - влекут за собой необходимость дальнейшей оптимизации методов, используемых в диагностике современных ускорительно-излучательных комплексов. Сюда входит не только разработка электронной подсистемы диагностических комплексов, но и применение новых типов генерации излучения, обеспечивающих с одной стороны невозмущающую диагностику, то есть диагностику, не разрушающую свойства пучков, а с другой стороны, несущих возможно более полную информацию о различных свойствах пучка. К таким современным методам диагностики относится дифракционное излучение (ДИ) (А.P. Potylitsyn, M.I. Ryazanov, M.N. Strikhanov, A.A. Tishchenko, Diffraction Radiation from Relativistic Particles. Berlin: Springer-Verlag, 2011), возникающее при движении пучка заряженных частиц вблизи экрана, без пересечения им поверхности экрана (М. Castellano, A new non-intercepting beam size diagnostics using diffraction radiation from a slit, Nuclear Instruments and Methods A, vol. 394, no. 3, pp. 275-280, 1997). Взаимодействие осуществляется за счет наведения динамически изменяющихся поляризационных токов на экране в области ближайшей к траектории электронов, с последующим излучением. Частным случаем ДИ, и, при этом вероятно одним из наиболее важных в прикладном плане объектом исследований, является так называемый эффект Смита-Парселла в ДИ, имеющий место в случае использования дифракционной решетки в качестве экрана. Для краткости эффект Смита-Парселла в дифракционном излучении чаще всего называют излучением Смита-Парселла (ИСП). Впервые оно было зарегистрировано американскими учеными С. Смитом и Е. Парселлом в 1953 г. (S.J. Smith, Е.М. Purcell, Visible Light from Localized Surface Charges Moving across a Grating, Physical Review, vol. 92, p. 1069, 1953), a теоретически предсказано И.М. Франком в 1942 г. (I.M. Frank, Doppler effect in a refractive medium, Izv. Akad. Nauk USSR. Fizika, vol. 6, p. 3, 1942).
x
Основные свойства ИСП наиболее полно описываются дисперсионным соотношением, связывающим скорость электронов v, скорость света в вакууме с, период дифракционной решетки d, длину волны излучения λ, и угол θ, под которым излучение испускается - угол между направлением скорости электронного пучка и направлением наблюдения:
Восстановление информации о параметрах пучка проводится путем сравнения формы теоретических и экспериментальных кривых (спектрально-угловых распределений, угловых распределений, интерферограмм). Поскольку форма теоретических кривых зависит от параметров пучка, то такое сравнение позволяет путем фитирования (подбора параметров, заложенных в теорию) определить размеры и другие характеристики пучка. Тип и параметры дифракционной решетки, в свою очередь, накладывают ограничения на то, какую именно информацию можно извлечь из сравнения экспериментальных и теоретических распределений.
Известен способ диагностики пучка ультрарелятивистских электронов по излучению Смита-Парселла, а именно, измерение его поперечного размера. (G. Kube, Н. Backe, W. Lauth, Н. Schope, Smith-Purcell radiation in view of particle beam diagnostics, in Proceedings DIPAC, Mainz, 2003, pp. 40-44) - прототип. Способ включает направление пучка ультрарелятивистских электронов параллельно плоскости дифракционной решетки, представляющую собой плоско-параллельную пластину - подложку с выступами, расположенными перпендикулярно направлению пучка на одинаковом расстоянии друг от друга, т.е. дифракционная решетка представляет собой одномерную периодическую решетку.
Наличие периодичности дает характерную интерференционную картину, фактически одномерную в случае ультрарелятивистских электронов, ввиду того что поле пучков таких электронов сильно Лоренц-деформировано, и близко по своим характеристикам к полю плоских волн (данное явление лежит в основе известного приближения Вайцзекера-Уильямса, или метода эквивалентных фотонов, которое применяется в квантовой электродинамике). Наличие такого рода интерференционных картин позволяет путем фитирования экспериментальных данных теоретическими извлекать информацию о вертикальном размере пучков (P. Karataev et al., Beam-Size Measurement with Optical Diffraction Radiation at KEK Accelerator Test Facility, Physical Review Letters, vol. 93, p. 244802, 2004; G Doucas, M.F. Kimmitt, J.H. Brownell, S.R. Trotz, J.E. Walsh, A new type of high-resolution position sensor for ultra-relativistic beams, Nuclear Instruments and Methods A, vol. 474, no. 1, pp. 10-18, 2001), а также о длительности пучков (то есть о длине пучка) (H.L. Andrews et al., Reconstruction of the time profile of 20.35 GeV, subpicosecond long electron bunches by means of coherent Smith-Purcell radiation, Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, vol. 17, p. 052802, 2014). Этого недостаточно для осуществления диагностики ультрарелятивистских электронных пучков в случае, когда нужна полная информация о двух поперечных размерах, что важно для новейших источников 4-го поколения на основе синхротронов и лазеров на свободных электронах.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является расширение функциональных возможностей невозмущающей диагностики пучков электронов.
Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является предложенный способ невозмущающей диагностики двух поперечных размеров пучка электронов.
Для достижения указанного результат предложен способ диагностики поперечных размеров пучка ультрарелятивистских электронов по излучению Смита-Парселла (ИСП, включающий направление пучка ультрарелятивистских электронов параллельно плоскости дифракционной решетки, представляющую собой плоскую пластину с выступами, регистрацию интерференционной картины излучения ИСП с последующим фитированием экспериментально измеренных и теоретических интерференционных картин и извлечением информации о размерах пучка, при этом регистрируют двумерную интерференционную картину ИСП от дифракционной решетки, представляющую собой плоскую пластину с точечными выступами, расположенными на равном расстоянии друг от друга dx в направлении пучка и на равном расстоянии dy друг от друга в перпендикулярном направлении, по которой определяют два поперечных размера пучка, при которых теоретическая интерференционная картина совпадает с экспериментально измеренной.
Предложенный способ иллюстрируется фигурами, где:
- на фигуре 1 представлен возможный вариант конкретной реализации двумерной дифракционной решетки, на фигуре 2 показано спектрально-угловое распределение излучения Смита-Парселла от дифракционной решетки с двумя периодами, на фигуре 3 показано спектрально-угловое распределение излучения Смита-Парселла от дифракционной решетки с одним периодом.
Способ осуществлялся следующим образом. Пучок ультрарелятивистских электронов с энергией от 5 МэВ направлялся параллельно поверхности дифракционной решетки. Детектором излучения измерялась зависимость интенсивности излучения от двух углов θ (угол между направлением скорости электронного пучка и направлением наблюдения) и φ (азимутальный угол излучения, отсчитываемый от нормали к поверхности дифракционной решетки). Производилось фитирование измеренных зависимостей теоретическими зависимостями, полученными на основе численного интегрирования свертки функции распределения электронов в пучке с аналитическими выражениями для ИСП от дифракционной решетки с двумя периодами (D.Yu. Sergeeva, А.А. Tishchenko, M.N. Strikhanov, Microscopic theory of Smith-Purcell radiation from 2D photonic crystal, Nucl. Instr. and Meth. В vol. 402, pp. 206-211, 2017). To есть при известных функциональных зависимостях был выполнен поиск всех параметров математических функций, описывающих измеренные зависимости. В результате фитирования определялись значения двух поперечных размеров пучка электронов.
Дифракционная решетка представляет собой выступы на подложке - плоской пластине - расположенные периодически, т.е. на равном расстоянии друг от друга, в направлении вдоль траектории электронов пучка и в поперечном траектории направлении. (фиг. 1). Электронный пучок, пролетая вблизи дифракционной решетки, поляризует материал, из которого состоят выступающие элементы, что приводит к возбуждению ИСП. Использование двумерной решетки приводит к значительному пространственному перераспределению излучения из плоскости на конические поверхности, перекрытие которых дает резкие максимумы на двумерной интерференционной картине (фиг. 2), вместо одномерной (фиг. 3). Дифракционная решетка отличается от существующих наличием второй периодичности, в направлении поперечного размера сгустка, что позволяет осуществлять диагностику двух размеров одновременно и зарегистрировать двумерную интерференционную картину ИСП (фиг. 2). Результатом последующего фитирования измеренной двумерной интерференционной картины теоретическими интерференционными картинами являются два значения поперечных размеров пучка электронов.
Способ приводит к возможности определения двух поперечных размеров пучка без использования дополнительных средств, и тем самым сокращает время и количество манипуляций процесса диагностики.
x
y
x
y
x
y
Для подтверждения заявленного эффекта была рассчитана угловая зависимость ИСП от двумерной дифракционной решетки (фиг. 1). Для расчета были выбраны следующие параметры: Лоренц-фактор электронного сгустка - 30, размер элементов дифракционной решетки - R=0.2 мм, длина волны излучения - 0.4 мм, периоды дифракционной решетки вдоль траектории электронного сгустка d и в перпендикулярном направлении d совпадали и составляли d=d=0.8 мм, количество периодов в обоих направлениях - 11. В качестве отдельных элементов решетки могут быть взяты металлические частицы произвольной формы, металл следует выбирать из имеющих наилучшую проводимость. Например, медь, алюминий, золото. Материал подложки роли не играет, поскольку излучение от подложки-пластинки в случае ультрарелятивистских электронов направлено под углами порядка обратного Лоренц-фактора, т.е. существенно меньше единицы, по отношению к траектории пучка, в то время как ИСП излучается под углами значительно большими, вплоть до 90 градусов по отношению к траектории пучка. По той же причине размер подложки не играет роли, он ограничен только снизу размерами области, на которую нанесены выступающие элементы двумерной дифракционной решетки. Для расчета были взяты элементы дифракционной решетки, представляющие собой полусферы из технической меди, расположенные на поверхности квадратной подложки из сапфира с размерами L=1,5 см. на L=1,5 см. В качестве детектора излучения должен быть выбран детектор, чувствительный к диапазону длин волн регистрируемого ИСП. Для длины волны 0,4 мм это может быть диод Шоттки.
Таким образом, доказана возможность регистрации двумерной интерференционной картины ИСП, и как следствие возможность диагностики двух поперечных размеров пучка электронов одновременно.