ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФРАГИРОВАННОГО ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1 Теоретическое описание 8
1.2 Общее рассмотрение 11
1.3 Результаты расчетов 14
1.4 Зависимость параметров угловых распределений от условий
измерений 20
1.5 Недостатки предлагаемого метода и возможные пути их устранения 26
1.6 Выводы 28
ГЛАВА 2 АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФРАГИРОВАННОГО ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 30
2.1 Введение 30
2.2 Теоретическое рассмотрение 31
2.3 Результаты расчетов 34
2.4 Анализ возможности использования рентгеновских зеркал для
диагностики параметров пучков быстрых электронов 41
2.5 Выводы 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 51
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 52
ГЛАВА 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФРАГИРОВАННОГО ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1 Теоретическое описание 8
1.2 Общее рассмотрение 11
1.3 Результаты расчетов 14
1.4 Зависимость параметров угловых распределений от условий
измерений 20
1.5 Недостатки предлагаемого метода и возможные пути их устранения 26
1.6 Выводы 28
ГЛАВА 2 АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИФРАГИРОВАННОГО ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 30
2.1 Введение 30
2.2 Теоретическое рассмотрение 31
2.3 Результаты расчетов 34
2.4 Анализ возможности использования рентгеновских зеркал для
диагностики параметров пучков быстрых электронов 41
2.5 Выводы 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 51
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 52
В настоящее время пучки заряженных частиц, получаемых на ускорителях, широко используются в различных отраслях науки и техники. В современных ускорителях, как для их надежной работы, так и для интерпретации экспериментальных данных, чрезвычайно важна информация о параметрах пучка, в частности, его расходимости, поперечных размерах и продольном и поперечном распределении частиц в отдельном банче.
Планирование строительства линейных электрон-позитронных коллайдеров: International Linear Collider (ILC) и Compact Linear International Collider (CLIC) на энергию до 1 ТэВ требует разработки новых методов неразрушающей диагностики параметров пучков этих ускорителей.
Одним из наиболее важных параметров, определяющих эффективность использования проектируемых линейных электрон- позитронных коллайдеров [1, 2], является светимость:
nbN2frep
4ла. а
x y
где nb- количество банчей, N - число частиц в банче, frep- частота повторения, HD - фактор усиления светимости, oxи о, характерные размеры пучка в горизонтальном и вертикальном направлении, соответственно. Для коллайдера ILC планируемое значение светимости L ~1034 см-2с-1 и выше достигается в том числе и за счёт малых размеров пучков в месте встречи ~ 5*100 нм2. Развитые к настоящему времени возмущающие [3] и невозмущающие [4, 5] методы определения поперечных размеров пучков, основанные на регистрации оптического излучения из металлических фольг, установленных в ускорителе, не в состоянии обеспечить измерения параметров пучков с такими размерами из-за когерентных эффектов в излучении [6]. Та же проблема возникает в случае создания лазера на свободных электронов (ЛСЭ) в рентгеновском диапазоне с использования линейных ускорителях со сгустками фемтосекундной длительности на энергию несколько десятков ГэВ [3].
Одним из методов, способных обеспечить невозмущающее измерение пространственных размеров пучка сверхбыстрых электронов, является использование Шинтайк монитора, основанного на взаимодействии частиц исследуемого пучка с интерферирующим пучком лазерного излучения, и регистрации рассеянных комптоновских фотонов, вылетающих в направлении движения пучка электронов [7]. Недавно с помощью этого метода были измерены размеры пучка KEK-ATF в диапазоне от 20 нм до нескольких микрон с погрешностью не более 10% [8]. Для использования этого метода необходимо отворачивать пучок электронов магнитом после взаимодействия с пучком лазерных фотонов, поэтому его использование в ЛСЭ рентгеновского диапазона невозможно, а для условий коллайдера потребует больших дополнительных затрат. По этой же причине он не может использоваться для промежуточной диагностики и контроля параметров электронного и позитронного пучков в коллайдере в процессе ускорения.
Очевидным выходом из сложившейся ситуации может явиться уменьшение длины волны регистрируемого излучения за счет перехода к рентгеновскому диапазону частот и механизму параметрического рентгеновского излучения (ПРИ), предложенное в работе [9], см., также, [10]. Этот механизм излучения иногда называют дифракцией виртуальных фотонов поля частицы в кристалле, отличающегося от поля частицы в вакууме из-за эффекта поляризации среды [9].
Выбор механизма ПРИ для определения размеров пучка частиц на мишени, сделанный авторами вышеупомянутых работ, обусловлен тем фактом, что оно испускается под большими углами к направлению движения частиц, и может быть сравнительно легко зарегистрировано обычными детекторами рентгеновского диапазона. Развитые к настоящему времени методы расчёта характеристик ПРИ в кинематическом приближении обеспечивают согласие с результатами измерений в широком диапазоне энергий частиц вплоть до нескольких ГэВ с погрешностью не хуже 10-15% [11].
Исследование влияния размеров электронного пучка на пространственное распределение ПРИ электронов с энергией 855 МэВ из кристалла кремния толщиной 50 микрон в эксперименте [12] с помощью рентгеновской камеры высокого разрешения (HRC) [13] на основе тонкого сцинтиллятора, соединенного световодами с CCD матрицей, подтвердило принципиальную возможность оценки поперечных размеров пучка электронов с помощью таких измерений. Результаты измерений пространственного размера пучка электронов с энергией 255 МэВ с помощью механизма ПРИ в кристалле кремния толщиной 20 микрон и координатного детектора на основе тонкой пластины из BaF(Br,I):Eu2+ (IP) [14] в эксперименте [15] совпали с результатами измерений с помощью оптического переходного излучения (ОПИ).
В отличие от Шинтайк монитора устройства, реализующие этот способ измерения, могут использоваться на любой стадии ускорения, требуют существенно меньших затрат и могут быть сравнительно легко встроены в систему управления ускорителем заменив уже существующие мониторы пучка на основе оптического переходного излучения [3], оптического дифракционного излучения (ОДИ) [4] и излучения Смита- Парсела (ИСП) [5].
Необходимо отметить, что результаты измерений, выполненных в выше цитированных статьях и ряде других экспериментальных работ с тонкими кристаллами, не совпадали с результатами предсказаний теории ПРИ. Интенсивность излучения в центре углового распределения была существенно выше, чем предсказывает теория ПРИ, согласно которой в центре рефлекса должно наблюдаться практически полное отсутствие выхода излучения.
ПРИ быстрых электронов в кристаллах всегда сопровождается дифрагированными в нём свободными фотонами, которые рождаются непосредственно внутри кристалла или на его поверхности [16, 17]. В первом случае можно говорить о дифрагированном тормозном излучении (ДТИ), а во втором о дифрагированном переходном излучении (ДПИ). Первый тип излучения преобладает при выполнении условия ш >> ушр, где ш - энергия фотона, у - Лоренц-фактор, а шр - плазменная частота среды. Второй при выполнении противоположного условия. Если выполняется условие ш ~ ушр, наблюдается вклад обоих механизмов излучения. Соотношение вкладов ПРИ и дифрагированных реальных фотонов в полную интенсивность излучения определяется толщиной кристалла и другими экспериментальными условиями.
Поэтому вполне естественно предположить, что наблюдаемое отличие результатов измерений в тонких кристаллах от предсказаний теории ПРИ связано с дифракцией реальных фотонов. Недавно в работе [18] было показано, что с ростом энергии частиц угловая плотность ДПИ становится существенно больше угловой плотности ПРИ в центре рефлекса, и высказано предположение, что для оценки параметров пучка частиц высоких энергий (более 10 ГэВ) удобнее использовать дифрагированное переходное излучение, а не ПРИ.
Не менее важной проблемой, возникающей при использовании оптического переходного излучения для анализа параметров пучков современных ускорителей, стало рассеяние частиц в процессе прохождения фольг, на которых происходит генерация излучения, используемого для анализа параметров пучка, что очень нежелательно при его применении в рентгеновском ЛСЭ и коллайдерном режиме, где необходимы малые поперечные размеры и расходимость. Для решения этой проблемы в последнее время используется механизм оптического дифракционного излучения, возникающего при пролете пучка вблизи проводящей мишени. Дифракционное излучение заряженных частиц имеет практически ту же природу, что переходное излучение и ПРИ. Во всех случаях излучают атомы среды, электронные оболочки которых подверглись возмущению со стороны кулоновского поля быстрой частицы. К сожалению и этот тип излучения до сих пор применяется только в оптической области и, как следствие этого, перестает адекватно работать при уменьшении размера пучка частиц. Поэтому возможность использования дифракционного излучения в рентгеновском диапазоне представляется весьма интересной и актуальной.
Наличие нерешённых проблем и очевидные преимущества использования рентгеновского излучения электронов в тонких кристаллах для диагностики параметров пучков электронов сверхвысоких энергий позволяют считать исследования в этом направлении важными и актуальными.
Исходя из выше изложенного, цель предлагаемой работы можно сформулировать следующим образом:
1) Проанализировать применимость существующих механизмов генерации дифрагированного излучения в тонких кристаллах для измерения параметров пучков частиц высокой энергии и выбрать наиболее оптимальный.
2) Для выбранного механизма определить оптимальные условия регистрации излучения для измерения параметров пучков частиц высокой энергии. Оценить достоинства и недостатки.
3) Исследовать возможность применения дифракционного излучения в рентгеновском диапазоне для измерения параметров пучков релятивистских частиц. Оценить достоинства и недостатки.
4) Оценить перспективы использования искусственных периодических структур - рентгеновских зеркал для невозмущающего измерения параметров пучков быстрых частиц и наметить пути реализации.
Планирование строительства линейных электрон-позитронных коллайдеров: International Linear Collider (ILC) и Compact Linear International Collider (CLIC) на энергию до 1 ТэВ требует разработки новых методов неразрушающей диагностики параметров пучков этих ускорителей.
Одним из наиболее важных параметров, определяющих эффективность использования проектируемых линейных электрон- позитронных коллайдеров [1, 2], является светимость:
nbN2frep
4ла. а
x y
где nb- количество банчей, N - число частиц в банче, frep- частота повторения, HD - фактор усиления светимости, oxи о, характерные размеры пучка в горизонтальном и вертикальном направлении, соответственно. Для коллайдера ILC планируемое значение светимости L ~1034 см-2с-1 и выше достигается в том числе и за счёт малых размеров пучков в месте встречи ~ 5*100 нм2. Развитые к настоящему времени возмущающие [3] и невозмущающие [4, 5] методы определения поперечных размеров пучков, основанные на регистрации оптического излучения из металлических фольг, установленных в ускорителе, не в состоянии обеспечить измерения параметров пучков с такими размерами из-за когерентных эффектов в излучении [6]. Та же проблема возникает в случае создания лазера на свободных электронов (ЛСЭ) в рентгеновском диапазоне с использования линейных ускорителях со сгустками фемтосекундной длительности на энергию несколько десятков ГэВ [3].
Одним из методов, способных обеспечить невозмущающее измерение пространственных размеров пучка сверхбыстрых электронов, является использование Шинтайк монитора, основанного на взаимодействии частиц исследуемого пучка с интерферирующим пучком лазерного излучения, и регистрации рассеянных комптоновских фотонов, вылетающих в направлении движения пучка электронов [7]. Недавно с помощью этого метода были измерены размеры пучка KEK-ATF в диапазоне от 20 нм до нескольких микрон с погрешностью не более 10% [8]. Для использования этого метода необходимо отворачивать пучок электронов магнитом после взаимодействия с пучком лазерных фотонов, поэтому его использование в ЛСЭ рентгеновского диапазона невозможно, а для условий коллайдера потребует больших дополнительных затрат. По этой же причине он не может использоваться для промежуточной диагностики и контроля параметров электронного и позитронного пучков в коллайдере в процессе ускорения.
Очевидным выходом из сложившейся ситуации может явиться уменьшение длины волны регистрируемого излучения за счет перехода к рентгеновскому диапазону частот и механизму параметрического рентгеновского излучения (ПРИ), предложенное в работе [9], см., также, [10]. Этот механизм излучения иногда называют дифракцией виртуальных фотонов поля частицы в кристалле, отличающегося от поля частицы в вакууме из-за эффекта поляризации среды [9].
Выбор механизма ПРИ для определения размеров пучка частиц на мишени, сделанный авторами вышеупомянутых работ, обусловлен тем фактом, что оно испускается под большими углами к направлению движения частиц, и может быть сравнительно легко зарегистрировано обычными детекторами рентгеновского диапазона. Развитые к настоящему времени методы расчёта характеристик ПРИ в кинематическом приближении обеспечивают согласие с результатами измерений в широком диапазоне энергий частиц вплоть до нескольких ГэВ с погрешностью не хуже 10-15% [11].
Исследование влияния размеров электронного пучка на пространственное распределение ПРИ электронов с энергией 855 МэВ из кристалла кремния толщиной 50 микрон в эксперименте [12] с помощью рентгеновской камеры высокого разрешения (HRC) [13] на основе тонкого сцинтиллятора, соединенного световодами с CCD матрицей, подтвердило принципиальную возможность оценки поперечных размеров пучка электронов с помощью таких измерений. Результаты измерений пространственного размера пучка электронов с энергией 255 МэВ с помощью механизма ПРИ в кристалле кремния толщиной 20 микрон и координатного детектора на основе тонкой пластины из BaF(Br,I):Eu2+ (IP) [14] в эксперименте [15] совпали с результатами измерений с помощью оптического переходного излучения (ОПИ).
В отличие от Шинтайк монитора устройства, реализующие этот способ измерения, могут использоваться на любой стадии ускорения, требуют существенно меньших затрат и могут быть сравнительно легко встроены в систему управления ускорителем заменив уже существующие мониторы пучка на основе оптического переходного излучения [3], оптического дифракционного излучения (ОДИ) [4] и излучения Смита- Парсела (ИСП) [5].
Необходимо отметить, что результаты измерений, выполненных в выше цитированных статьях и ряде других экспериментальных работ с тонкими кристаллами, не совпадали с результатами предсказаний теории ПРИ. Интенсивность излучения в центре углового распределения была существенно выше, чем предсказывает теория ПРИ, согласно которой в центре рефлекса должно наблюдаться практически полное отсутствие выхода излучения.
ПРИ быстрых электронов в кристаллах всегда сопровождается дифрагированными в нём свободными фотонами, которые рождаются непосредственно внутри кристалла или на его поверхности [16, 17]. В первом случае можно говорить о дифрагированном тормозном излучении (ДТИ), а во втором о дифрагированном переходном излучении (ДПИ). Первый тип излучения преобладает при выполнении условия ш >> ушр, где ш - энергия фотона, у - Лоренц-фактор, а шр - плазменная частота среды. Второй при выполнении противоположного условия. Если выполняется условие ш ~ ушр, наблюдается вклад обоих механизмов излучения. Соотношение вкладов ПРИ и дифрагированных реальных фотонов в полную интенсивность излучения определяется толщиной кристалла и другими экспериментальными условиями.
Поэтому вполне естественно предположить, что наблюдаемое отличие результатов измерений в тонких кристаллах от предсказаний теории ПРИ связано с дифракцией реальных фотонов. Недавно в работе [18] было показано, что с ростом энергии частиц угловая плотность ДПИ становится существенно больше угловой плотности ПРИ в центре рефлекса, и высказано предположение, что для оценки параметров пучка частиц высоких энергий (более 10 ГэВ) удобнее использовать дифрагированное переходное излучение, а не ПРИ.
Не менее важной проблемой, возникающей при использовании оптического переходного излучения для анализа параметров пучков современных ускорителей, стало рассеяние частиц в процессе прохождения фольг, на которых происходит генерация излучения, используемого для анализа параметров пучка, что очень нежелательно при его применении в рентгеновском ЛСЭ и коллайдерном режиме, где необходимы малые поперечные размеры и расходимость. Для решения этой проблемы в последнее время используется механизм оптического дифракционного излучения, возникающего при пролете пучка вблизи проводящей мишени. Дифракционное излучение заряженных частиц имеет практически ту же природу, что переходное излучение и ПРИ. Во всех случаях излучают атомы среды, электронные оболочки которых подверглись возмущению со стороны кулоновского поля быстрой частицы. К сожалению и этот тип излучения до сих пор применяется только в оптической области и, как следствие этого, перестает адекватно работать при уменьшении размера пучка частиц. Поэтому возможность использования дифракционного излучения в рентгеновском диапазоне представляется весьма интересной и актуальной.
Наличие нерешённых проблем и очевидные преимущества использования рентгеновского излучения электронов в тонких кристаллах для диагностики параметров пучков электронов сверхвысоких энергий позволяют считать исследования в этом направлении важными и актуальными.
Исходя из выше изложенного, цель предлагаемой работы можно сформулировать следующим образом:
1) Проанализировать применимость существующих механизмов генерации дифрагированного излучения в тонких кристаллах для измерения параметров пучков частиц высокой энергии и выбрать наиболее оптимальный.
2) Для выбранного механизма определить оптимальные условия регистрации излучения для измерения параметров пучков частиц высокой энергии. Оценить достоинства и недостатки.
3) Исследовать возможность применения дифракционного излучения в рентгеновском диапазоне для измерения параметров пучков релятивистских частиц. Оценить достоинства и недостатки.
4) Оценить перспективы использования искусственных периодических структур - рентгеновских зеркал для невозмущающего измерения параметров пучков быстрых частиц и наметить пути реализации.
Результаты проведённых исследований можно кратко сформулировать следующим образом:
1) Размеры пучка планируемых электрон-позитронных коллайдеров намного меньше типичного размера элемента CCD матрицы или любого другого прибора для измерения пространственного распределения рентгеновского излучения. Измерение пространственного распределения параметрического рентгеновского излучения быстрых электронов в тонких кристаллах не в состоянии дать информацию о размерах электронного пучка на кристалле.
2) Эта информация может быть получена из значений эмиттанса электронного пучка в обеих плоскостях и расходимости, которая может быть получена из результатов измерений углового распределения электронного пучка путем измерения углового распределения дифрагированного переходного излучения. Эмиттанс пучка может быть определён расчётным путем или измерен на предыдущих стадиях ускорения с помощью традиционных методов.
3) Основным препятствием на пути использования дифрагированного переходного излучения электронов в тонких кристаллах для определения расходимости и пространственных размеров пучка быстрых частиц в коллайдере является разрушение структуры кристалла под действием излучения.
4) Использование дифрагированного дифракционного излучения для диагностики параметров интенсивных пучков быстрых электронов успешно решает проблему разрушения кристаллов при прохождении через них интенсивных пучков современных и планируемых электронных ускорителей при сохранении всех остальных достоинств использования для этой цели дифрагированного переходного излучения.
5) Основной проблемой при использовании ДДИ для диагностики параметров электронных пучков является слишком малый выход излучения, обусловленный экспоненциальным членом в выражении для интенсивности дифракционного излучения, и очень малым значением прицельных параметров, для которых это излучение может уверенно регистрироваться.
6) Решение этой проблемы состоит в замене кристаллов рентгеновскими зеркалами. В этом случае можно ожидать, что технически разрешенные значения прицельных параметров, как и интенсивность регистрируемого излучения, окажутся существенно выше.
7) Для определения оптимальных условий применения рентгеновских зеркал для диагностики необходимо развитие теории дифракционного излучения для случая наклонного падения поля частицы на мишень и поиск альтернативных методов расчета эффективности отражения мягкого рентгеновского излучения такими зеркалами.
1) Размеры пучка планируемых электрон-позитронных коллайдеров намного меньше типичного размера элемента CCD матрицы или любого другого прибора для измерения пространственного распределения рентгеновского излучения. Измерение пространственного распределения параметрического рентгеновского излучения быстрых электронов в тонких кристаллах не в состоянии дать информацию о размерах электронного пучка на кристалле.
2) Эта информация может быть получена из значений эмиттанса электронного пучка в обеих плоскостях и расходимости, которая может быть получена из результатов измерений углового распределения электронного пучка путем измерения углового распределения дифрагированного переходного излучения. Эмиттанс пучка может быть определён расчётным путем или измерен на предыдущих стадиях ускорения с помощью традиционных методов.
3) Основным препятствием на пути использования дифрагированного переходного излучения электронов в тонких кристаллах для определения расходимости и пространственных размеров пучка быстрых частиц в коллайдере является разрушение структуры кристалла под действием излучения.
4) Использование дифрагированного дифракционного излучения для диагностики параметров интенсивных пучков быстрых электронов успешно решает проблему разрушения кристаллов при прохождении через них интенсивных пучков современных и планируемых электронных ускорителей при сохранении всех остальных достоинств использования для этой цели дифрагированного переходного излучения.
5) Основной проблемой при использовании ДДИ для диагностики параметров электронных пучков является слишком малый выход излучения, обусловленный экспоненциальным членом в выражении для интенсивности дифракционного излучения, и очень малым значением прицельных параметров, для которых это излучение может уверенно регистрироваться.
6) Решение этой проблемы состоит в замене кристаллов рентгеновскими зеркалами. В этом случае можно ожидать, что технически разрешенные значения прицельных параметров, как и интенсивность регистрируемого излучения, окажутся существенно выше.
7) Для определения оптимальных условий применения рентгеновских зеркал для диагностики необходимо развитие теории дифракционного излучения для случая наклонного падения поля частицы на мишень и поиск альтернативных методов расчета эффективности отражения мягкого рентгеновского излучения такими зеркалами.