Применение электронного пучка низкой энергии как средства неразрушающей диагностики интенсивных пучков заряженных частиц

• Автор: Старостенко, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 93 с. : ил.

Глава 1. Неразрушающие методы диагностики интенсивных пучков
1.1. Лазерный комптоновский измеритель поперечного размера пучка
1.2. Монитор поперечного размера пучка на основе ионизации остаточного
газа
1.3. Неразрушающий сканирующий измеритель профиля интенсивных ионных пучков
Глава 2. Пучковый датчик: принцип действия и основные возможности
2.1. Измерение продольного распределения заряда в сгустке
2.2. Измерение параметров интенсивных сгустков с предельно малыми размерами
2.3. Измерение геометрических параметров исследуемого сгустка
2.4. Регистрация полей излучения
2.5. Томография интенсивных протонных пучков высокой энергии
Глава 3. Описание экспериментальной установки
3.1. Описание основных систем
3.2. Калибровка детектирующей системы
Глава 4. .Оптимизация конструкции пучкового датчика для различных приложений
4.1. Диагностика пучков линейных ускорителей 8-диапазона
4.2. Регистрация полей излучения
4.3. Исследование сгустков сверхвысокой интенсивности
4.4. Томография интенсивных протонных пучков высокой энергии
4.5. Применение пучкового датчика в циклических коллайдерах
Заключение
Приложение А: Численное моделирование движения пробного пучка в пучковом
датчике
Приложение Б: Управляющие программы
Литература

Современное развитие ускорителей заряженных частиц идёт в направлении увеличения интенсивности пучков [1,2], что в свою очередь требует разработки новых методов диагностики. Эти методы, во-первых, должны быть неразрушающими, т. е. не ухудшающими качество исследуемого пучка, во-вторых, они должны работать при огромных плотностях мощности в изучаемом пучке (до 1015 Вт/см2) [3]. Такую плотность мощности не может выдержать ни одно известное твёрдое тело. Неразрушающие методы могут быть основаны на взаимодействии интенсивного пучка с веществом или излучением достаточно низкой плотности, чтобы не возмущать существенно исследуемый объект. Агентом взаимодействия может быть поток нейтральных атомов, а также электронный пучок. Для тех же целей может использоваться и луч мощного лазера.
Остаточный газ или газовый поток, трудно сконцентрировать должным образом в области взаимодействия. Это приводит к тому, что количество ионов, образованных в исследуемом сгустке и ускоренных его электрическим полем, будет мало. Как раз эти ионы и детектируются микроканальными пластинами, расположенными на стенках вакуумной камеры [4]. Малое количество таких ионов от одного сгустка требует накопления сигнала от большого количества сгустков, что не дает возможности наблюдать эволюцию параметров от сгустка к сгустку. Так, для импульсного значения плотности гелия в области взаимодействия с релятивистским пучком 1014 атомов гелия в кубическом сантиметре, поперечных размерах релятивистского пучка 0.2х650рм, требуется около 3-1012 электронов в релятивистском пучке на энергии 50 ГэВ, чтобы измерить времяпролётный спектр ионов гелия с 10 % точностью. Низкая эффективность ионизации связана с большой энергией исследуемого пучка и малостью его поперечных размеров (ионизация происходит только внутри пучка).
Существенной особенностью пробного лазерного пучка является его нечувствительность к относительно слабым макроскопическим электромагнитным полям исследуемого сгустка. В данном случае диагностика основана на детектировании комптоновских гамма-квантов, что ограничивает применение этого метода фактически только ультрарелятивистскими пучками электронов и позитронов
[5]. Малое количество комптоновских гамма-квантов при высоких плотностях как в электронном (позитронном), так и в световом потоках, опять же, не позволяет проводить измерения в однопролетном режиме. Дополнительно к этому, комптоновские гамма-кванты излучаются в очень малом угле относительно направления движения исследуемого пучка, что приводит к необходимости отклонения последнего на значительный угол в поворотном магните.
Данная работа посвящена новому методу пучковой диагностики, в котором инструментом исследования интенсивных сгустков заряженных частиц является электронный пучок низкой энергии. Применение электронного пучка в качестве пробника даёт ряд преимуществ по сравнению с другими неразрушающими методами диагностики [6,7]. Применение пробного электронного пучка позволяет проводить измерения в однопролётном режиме. Это связано с тем, что поперечный размер пробного пучка в области взаимодействия может быть гораздо больше поперечного размера исследуемого сгустка, и, при этом, все электроны тестирующего пучка получают вполне измеримые углы отклонения в полях исследуемого сгустка. Эти углы и определяют, в итоге, распределение тестирующих электронов на экране. Здесь можно выделить два предельных случая: когда поперечные размеры пробного пучка в области взаимодействия значительно меньше размеров исследуемого сгустка, и когда поперечные размеры пробного пучка значительно превосходят поперечные размеры изучаемого сгустка. В первом случае возможности метода могут быть реализованы в полной мере, во втором случае возможно измерение поперечного положения сгустка и наклона сгустка в плоскости, проходящей через траекторию его движения. Полная реализация возможностей метода подразумевает измерение продольного распределения заряда в сгустке, если его продольный размер превышает максимальный поперечный, так же возможно измерение поперечного размера и поперечного профиля исследуемого сгустка. Важно отметить, что все эти измерения являются однопролётными, давая своего рода фотографии конкретного сгустка в конкретном месте [8].
Цель проведения работы.
Основной целью проведенной работы являлось исследование возможности применения электронного пучка для неразрушающей диагностики интенсивных пучков заряженных частиц. Исследование включает в себя:
1. Теоретический анализ возможностей метода.

2.5. Томография интенсивных протонных пучков высокой энергии
Другой интересной областью применения пучкового датчика может стать диагностика интенсивных и достаточно длинных (сотни наносекунд) протонных пучков на энергиях около 1 ГэВ и со средней мощностью в несколько мегаватт. Такие пучки планируется использовать для создания интенсивного источника нейтронов, который, в свою очередь, будет применён для исследования материалов и переработки радиоактивных отходов. Такая установка (Spallation Neutron Source) начинает свою работу в Окридже (США). Линейный ускоритель протонов обеспечивает инжекцию пучка в синхротрон на энергии 1 ГэВ, пучок накапливается в синхротроне и выводится по специальному каналу на конверсионную мишень нейтронного источника. Для получения большой средней мощности и плотности пучка на мишени нужно иметь интенсивный пучок с минимальным фазовым объёмом, что невозможно без детального изучения и подавления различных неустойчивостей, возникающих в интенсивном протонном пучке. В данном случае, пучковый датчик позволяет неразрушающим образом контролировать состояние пучка во время нормальной работы установки [17].
Решение обратной задачи рассеяния при сканировании протонного пучка электронным пучком может быть проведено следующим образом. Угол отклонения пробного электронного пучка при взаимодействии с протонным сгустком задаётся следующим выражением:
0(.<Р,Р)= [—(£*cos<р + £ sin
где e,v есть заряд и масса электрона соответственно, v - скорость электронов в пробном пучке, ЕХ,ЕУ есть горизонтальная и вертикальная компоненты электрического поля протонного сгустка, <р - угол между направлением движения пробного электронного при выходе из пушки и горизонтальной поперечной осью вакуумной камеры, р есть минимальное расстояние между осью вакуумной камеры и первоначальной траекторией движения пробного пучка (см. рис. 40). Здесь и далее предполагается, что угол отклонения 0 и изменение скорости пробного электронного пучка под действием электрического поля протонного сгустка малы.