Исследование свойств когерентного излучения релятивистских электронов в макроскопических структурах для создания средств диагностики пучков

В последние несколько лет ведутся интенсивные работы по созданию современных ускорителей на встречных пучках (проекты ILC и CLIC) и рентгеновских лазеров на свободных электронах. Для получения необходимой яркости в точке столкновения эти проекты предполагают получение пучков с продольными размерами порядка 50−1000 фс. Измерение длины и поперечных размеров таких сгустков является актуальной и сложной задачей. При этом особый интерес представляют так называемые невозмущающие методы диагностики, т. е. методы которые слабо изменяют характеристики диагностируемого пучка. Следует отметить, что диагностика пучков заряженных частиц актуальна не только для таких больших проектов, но и для «малых» ускорителей, используемых в прикладных целях.

В настоящее время разработано большое количество методов диагностики размеров пучков заряженных частиц, нет однозначно «лучших» или «худших» методов, все они имеют свои достоинства и недостатки. В данном разделе работы проведем анализ литературы по существующим и используемым методам диагностики пучков заряженных частиц, а именно их продольных и поперечных размеров.

Диагностика на основе люминофоров [1].

Метод основан на пересечении пучком частиц экрана, покрытого фосфорицирующим веществом. Излученный при этом свет записывается камерой и затем оцифровывается. Такие мониторы являются наиболее простым средством диагностики. Данные мониторы позволяют получать двухмерный профиль распределения заряда в отдельном сгустке. Рассмотренный метод имеет некоторые недостатки. Во-первых, он разрушает пучок, во-вторых, сами мониторы могут быть разрушены интенсивными пучками. Пространственное разрешение таких мониторов ограничено размерами зёрен фосфора, обычно около 20 микрон [2]. Многие люминофоры ограничены в своем временном разрешении, т.к. присутствует длительная компонента высвечивания.

Диагностика, основанная на введении в пучок «пробы».

Простейшим способом измерения поперечного профиля пучка заряженных частиц является введение некоторой «пробы», при взаимодействии с которой генерируется вторичные частицы. Самой простой пробой является обычная проволочка, например, вольфрамовая [3] или углеродная [4−8]. Данный метод является дешевым и простым, и потому широко применяется в существующих ускорителях. При взаимодействии заряженных частиц с конденсированным веществом проволочки генерируются высокоэнергетические гамма-кванты тормозного излучения, и происходит рассеяние первичных заряженных частиц в пучке. Выход вторичных частиц пропорционален числу взаимодействующих первичных частиц. Таким образом, при размерах проволочки меньших, чем размер пучка, возможно, перемещая проволочку, проводить сканирование поперечного профиля пучка, измеряя либо выход гамма-квантов тормозного излучения, либо количество отклоненных первичных частиц. Недостатки обычных проволочных сканеров, такие как возмущение измеряемого пучка и разрушение проволочки можно преодолеть, если воспользоваться «лазерной проволочкой». Действительно, обратное комптоновское рассеяние фотонов лазерной волны электронами пучка приводит к образованию гамма-квантов, которые легко могут быть зарегистрированы. Процесс образования гамма-квантов линейно зависит от населенности пучка и, таким образом, может быть использован для определения поперечного профиля электронного сгустка. В настоящее время сканеры на основе «лазерной проволочки» действуют на нескольких укорителях в мире [9−11].

Лазерный интерферометр [12, 13].

В этой схеме лазерный луч расщепляется на два луча, которые при интерференции образуют стоячую волну с периодом, равным длине волны. Ускоренный пучок сканируется полученной структурой стоячих волн и его размер определяется по отклику излучения при комптоновском рассеянии лазерного луча на электронном пучке. Следует отметить, что лазерная интерферометрия продемонстрировала свою надежность для измерения малых размеров пучков. Этот метод не лишен недостатков, главным из которых является сложность установки и наличие флуктуации, как в работе лазера, так и в работе ускорителя, что приводит к погрешностям в измерениях.

Методы, основанные на синхротронном излучении [14].

Синхротронное излучение возникает при движении заряженной частицы в магнитном поле. Основным свойством синхротронного излучения, которое используется в диагностике размеров пучков заряженных частиц, является то, 1 что излучение сосредоточено в узком конусе у (У — Лоренц-фактор частицы) и направлено по касательной к траектории движения заряда. Данное излучение является фоновым для любого ускорителя, где присутствуют магнитные элементы. Для целей диагностики профиля пучка синхротронное излучение собирается оптической системой, которая настроена таким образом, чтобы получить изображение источника излучения, которым в данном случае является пучок заряженных частиц. Наиболее просто это реализуется в оптическом диапазоне длин волн, но энергия заряженных частиц при этом должна быть достаточно велика, по этой причине диагностика пучков на основе синхротронного излучения применяется, в основном, для электронных ускорителей. Существенным преимуществом диагностики по синхротронному излучению является невозмущающий характер. К недостаткам использования синхротронного излучения можно отнести то, что для многих ускорителей его использование практически не возможно, например, для линейных ускорителей или электронных ускорителей на малые энергии.

Когерентное синхротронное излучение было экспериментально обнаружено в 1989 году [15], хотя было предсказано ещё в 1945 г. [16]. Эффект когерентности — это учет коллективных эффектов частиц в сгустке, который может внести существенное отличие в спектрально-угловые свойства излучения. Наглядно это можно представить следующим идеализированным примером. Как известно, интенсивность излучения зависит квадратично от величины q заряда релятивистской частицы }? ~ q2. Интенсивность N отдельных электронов складывается так, что Ж ~ Ме2, где е — заряд электрона. Рассмотрим теперь излучение сгустка очень малого размера (в пределах бесконечно малого), состоящего из N электронов и суммарным зарядом Ые = #. Излучение заряда будет Ж ~ д2 = N V. Отсюда следует, что интенсивность излучения такого сгустка в N раз больше суммарной интенсивности излучения N отдельных электронов. Учитывая, что в пучках современных ускорителей N «108 -И О11 частиц, эффект когерентности имеет очень большое значение. Когерентное излучение становится существенным при характерных размерах сгустка меньших, чем длина волны излучения, таки образом, измеряя спектр когерентного синхротронного излучения, впрочем, как и любого другого излучения, можно, зная априорную информацию о форме сгустка, оценить его длину.

Электронно-оптические камеры [17−19].

Принцип действия электронно-оптических камер основан на преобразовании временного профиля импульса света, излучаемого анализируемым пучком, в пространственный профиль на детекторе. Это позволяет увидеть пространственную структуру пучка заряженных частиц. Данные камеры широко используются для диагностики продольного профиля пучков. Недостатком же является невозможность в настоящее время измерять сгустки длиной менее 10 пс.

Поляризационное излучение и методы диагностики на его основе.

Поле заряженной частицы, движущейся равномерно и прямолинейно в среде (либо вблизи среды) может приводить к динамической поляризации атомных оболочек вещества и возникновению излучения, называемого поляризационным. К данному типу излучения относится широкий класс частных кинематических случаев, таких как переходное излучение (ПИ), дифракционное излучение (ДИ), параметрическое рентгеновское излучение, излучение Смита-Парселла (ИСП), излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ) и др. В этом случае источником излучения можно назвать как саму частицу, так и возбужденные её полем атомы среды, поскольку для возникновения излучения необходимы обе компоненты. Характеристики поляризационного излучения не зависят от массы исходной частицы и определяются только её Лоренц-фактором. Исторически данные типы излучения рассматривались по отдельности, что не позволяло адекватно оценить характеристики излучения при их одновременном возникновении и показать их общий характер.

Переходное излучение возникает при пересечении заряженной частицей границы раздела двух сред с разными макроскопическими свойствами, т. е. разными диэлектрической и (или) магнитной проницаемостью. Данное излучение было теоретически предсказано В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком в 1946 [20]. Экспериментально ПИ протонов было зарегистрировано в 1959 [21]. Излучение, генерируемое электронами в тонких фольгах, было зарегистрировано в работах [22, 23]. Данные экспериментального исследования в оптическом диапазоне подтвердили теорию Гинзбурга-Франка, которая описывает излучение равномерно движущегося электрона при пересечении бесконечной границы раздела двух сред с различными диэлектрическими и (или) магнитными проницаемостями. Потери энергии на ПИ много меньше энергии частицы, так как излучает не сама частица, а поляризованные полем частицы атомы среды. Спектр ПИ простирается от рентгеновского диапазона до длинноволнового диапазона.

Некогерентное ПИ (мощность излучения линейно зависит от населенности сгустка) широко используется для диагностики продольных и поперечных профилей сгустков заряженных частиц.

Мониторы по диагностике поперечного профиля сгустка на основе оптического ПИ представляю собой простые системы получения изображения, сходные с люминофорами. Главным преимуществом ПИ над последним является превосходная линейность: отсутствие как насыщения так и зависимости от времени высвечивания. Диагностика поперечных профилей по ПИ используется на многих ускорителях с Лоренц-фактором более 20 [24].

Другой важной особенностью ПИ в оптическом диапазоне является тот факт, что излучение генерируется в узком скин-слое и, таким образом, толщина мишени не играет существенной роли при генерации излучения. Это позволяет установить четыре тонкие фольги подряд и без заметных искажений измерить эмиттанс пучка. Данная технология была реализована на источнике 4-го поколения DIAMOND (Оксфордшир, Великобритания) [25].

Недостатки ПИ излучения связаны с прохождением пучка через твердотельную мишень, что может приводить к возрастанию эмиттанса и разрушению мишени.

В связи с уменьшением размеров измеряемых пучков ускорителей возникает вопрос об улучшении разрешения оптических систем, применяемы для этой цели. Разрешение принципиально ограничено дифракционным пределом и техническими особенностями. Минимальный измеренный профиль поперечного распределения пучка составляет 5 мкм с разрешением 2 мкм [26].

Следующим ограничением использования ПИ в оптическом диапазоне может стать случай когерентного излучения [27]. Когерентный режим излучения не позволяет получить изображения сгустка.

Некогерентное оптическое ПИ также можно использовать для диагностики продольного размера электронного сгустка. Для этого необходимо повернуть сгусток на 90 градусов. Очевидно, что диагностируемый сгусток выпадает из дальнейшего движения, но это компенсируется получаемой информацией о его продольном размере.

Когерентное ПИ может также использоваться для диагностики продольного размера сгустка заряженных частиц по тому же принципу, что и синхротронное, т. е. измерением спектра излучения [28−31]. Данный метод требует наличия внешнего спектрометра в субмиллиметровой области длин волн, что существенно усложняет схему эксперимента и делает его дороже.

Сравнительно недавно был реализован еще один метод измерения продольного размера сгустка частиц, использующий когерентное ПИ. В работе [32] был измерен продольный профиль электронного сгустка длительностью.

3.3 пс (ширина на полувысоте) при разрешении системы 0.33 пс. Кристалл £пТе облучался короткими (15 фс) вспышками лазера. Поляризационные характеристики лазерного луча, прошедшего через кристалл, на который воздействуют импульсы когерентного ПИ, определяются интенсивностью последнего. Сдвигая импульс лазера относительно электронного сгустка можно получить информацию о продольной структуре последнего.

Теоретическое исследование дифракционного излучения началось позже, чем переходного. ДИ имеет ту же природу, что и переходное и возникает при равномерном движении частицы вблизи оптической неоднородности [33]. Таким образом, со средой взаимодействует не сама частица, а только её поле. Очевидно, в этом случае возмущение траектории частицы будет минимизированным в отличие от случая с ПИ. ДИ рассматривалось преимущественно для идеально проводящих поверхностей (экранов). Вместе с тем, как теоретический, так, и практический интерес представляет задача о ДИ, генерируемом частицей при пролете вблизи мишени конечной проводимости [34].

Экспериментально когерентное ДИ в миллиметровом диапазоне длин волн было обнаружено, при пролете электронного сгустка через круглое отверстие в экране, в 1995 году [35]. В оптическом диапазоне некогерентное ДИ было впервые обнаружено на синхротроне «Сириус» НИИ ЯФ Томского политехнического университета в 1998 году [36]. В 2011 году на базе Физико-технического института Томского политехнического университета впервые был экспериментально обнаружен эффект одновременной генерации ДИ и излучения Вавилова-Черенкова в призматической диэлектрической мишени, при прохождении электронов вблизи мишени [37].

Исследование возможности применения оптического ДИ от щелевой мишени для определения поперечных размеров сгустков проводились на ускорителе КЕК-АТБ (г. Цукуба, Япония). В первых работах этого цикла была показана принципиальная возможность измерения поперечного размера электронного сгустка, а в последующем был измерен минимальный размер сгустка 14 мкм (среднеквадратичное отклонение) [38, 39].

Когерентное ДИ также используется в измерении продольного размера сгустков заряженных частиц. Измерения спектров в миллиметровом диапазоне проводиться с использованием различных спектрометров, таких, как интерферометры Майкельсона [40,41], полихроматоры [41, 42] и интерферометры Мартина — Паплетта [43]. Все упомянутые спектрометры достаточно громоздки и сложны в настройке, поэтому серийное их использование весьма проблематично.

Отдельно следует отметить ДИ, возникающее при движении частицы вблизи дифракционной решетки [44]. Такое излучение обладает рядом специфических свойств и называется излучением Смита-Парселла в честь ученных, впервые наблюдавших данное излучение [45].

Смит и Парселл получили формулу, связывающую длину волны излучения с периодом решетки, углом наблюдения и скоростью заряда исходя из принципа Гюйгенса: Л^ =—(-^-соб^), где с/ - период решетки, п — порядок дифракции, и О— угол распространения излучения, = —. Наличие удобного С дисперсионного соотношения позволяет наблюдать различные длины волн излучения под разными углами. Угловое распределение ИСП позволяет получить спектр когерентного излучения и определить длину сгустка [46−50].

Несомненным достоинством метода диагностики продольной длины сгустка по угловому распределению когерентного ИСП является отсутствие необходимости наличия внешнего спектрометра.

Нобелевская премия по физике за 1958 год была присуждена трём советским физикам: Павлу Алексеевичу Черенкову, Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Михайловичу Франку — за открытие и объяснения явления, называемого эффектом Вавилова-Черенкова. Эффект состоит в том, что электрический заряд движущийся в среде с постоянной скоростью у, излучает электромагнитные волны с непрерывным спектром и со специфическим угловым распределением.

При этом излучение имеет место только, если скорость заряда у превышает фазовую скорость света в рассматриваемой прозрачной среде. Упомянутая специфичность углового распределения заключается в следующем: волновой вектор излучаемых волн к образует со скоростью V угол 0, причем сое О—, где п — показатель преломления среды. Первые сообщения об п-и открытии были сделаны в конце 1934 года [51, 52]. Совместная статья И. Е. Тамма и И. М. Франка [53] была опубликована в 1937 году, в этой статье было кратко изложена полная теория излучения, обнаруженного П. А. Черенковым.

В оптическом диапазоне ИВЧ является предметом многих прикладных и экспериментальных работ. Однако в миллиметровом диапазоне имеются только отдельные попытки его экспериментального исследования [54−56]. Наше внимание к миллиметровому ИВЧ было вызвано возможностью использование его в невозмущающей диагностике релятивистских пучков. В миллиметровом диапазоне длин волн при использовании коротких релятивистских электронных сгустков с Лоренц-фактором ~10 и выше, область взаимодействия (~у.%, где X — длина волны регистрируемого излучения) существенно увеличивается по сравнению с нерелятивистскими или умеренно релятивистскими пучками, и реализуется случай, при котором ИВЧ генерируется без прямого взаимодействия заряженных частиц со средой [57]. В этом плане рассматриваемое излучение отличается от традиционного представления о нём, также как и дифракционное излучение отличается от переходного. Поэтому исследование миллиметрового ИВЧ в плане возможности использования его в диагностике пучков релятивистских частиц является весьма привлекательным. Несмотря на свои потенциальные возможности, рассмотренная геометрия ИВЧ практически не используется в диагностике релятивистских пучков.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование характеристик когерентного излучения Вавилова-Черенкова, как частного случая поляризационного излучения, возникающего при пролете сгруппированного пучка релятивистских электронов вблизи диэлектрической мишени, и создание метода невозмущающей диагностики пучков заряженных частиц на основе когерентного излучения Вавилова-Черенкова.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XXXIX и ХХХХ международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (МГУ, г. Москва, Россия, 2009,2010) — на III Российской научно-практической конференции с международным участием «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения» (НИИ ЯФ, г. Томск, Россия, 2009) — на ИХ IX международном симпозиуме «Излучение релятивистских электронов в периодических структурах» (МИФИ, г. Звенигород, Россия, 2009, Royal Holloway University of London, г. Эгам, Великобритания) — на XV и XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (ТПУ, г. Томск, Россия, 2009, 2011) — на IV международной конференции «Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena» (г. Феррара, Италия, 2010) — на семинарах ФТИ ТПУ.

Перейдем к описанию содержания диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 108 библиографических ссылок. Общий объем диссертации составляет 95 страниц. Работа содержит 3 таблицы и 55 рисунок.

Заключение

.

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Впервые измерены характеристики миллиметрового когерентного излучения Вавилова-Черенкова в дальней волновой зоне, при пролете сгруппированного пучка электронов рядом с диэлектрической мишенью. Показано, что экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с расчетом, выполненным методом поляризационных токов, что объясняется приближениями, сделанными при теоретическом расчёте.

2. Впервые экспериментально обнаружен эффект одновременной генерации излучения Вавилова-Черенкова и дифракционного излучения в диэлектрической мишени при прохождении сгруппированного пучка электронов вблизи мишени. Показано, что дифракционное излучение возникает на передней грани диэлектрической мишени, распространяется внутри мишени и преломляется на задней грани подобно пучку реальных фотонов.

3. Предложена и апробирована методика невозмущающего измерения продольного размера релятивистских электронных сгустков с использованием когерентного излучения Вавилова-Черенкова без применения внешней спектрометрической аппаратуры.

В заключении хочу выразить глубокую благодарность своему научному руководителю Г. А. Науменко и Ю. А. Попову за помощь в проведении экспериментальных исследований и многочисленные плодотворные обсуждения результатов работы, а также А. П. Потылицыну и Л. Г. Сухих за проявленное внимание к моим исследованиям, конструктивную критику и полезные замечания. Я искренно признателен персоналу микротрона, на котором была выполнена большая часть исследований, за обеспечение хорошей и надежной работы ускорителя на протяжении длительного времени.