Способ определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН Н 05 Н 13/04, С О 1 В 9/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГННТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВУ 47Конев Скринский А.Н. ого излучения: ы", УФН, т. 122 р. Препринт75, с, 6.(54) СПОСОБ 0 ТРЕДЕЛЕНИЯ ВИЗНБ УЧАСТКА РЕЛЯТИВИСТПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ В СИНХР (57) Изобретение относит кой физике в частности кредепения радиуса кривизрелятивистской орбиты в и ните синхротрона. Цель и РАДИУСА КРСКОЙ ОРБИТЬОТРОНЕ я к техничес способам опны участкаоворотном магзобретения -кои(46) 23.12.90, Бюл. Р (72) В.И. Квочка, И,В и А.,В. Макулькин (53) 621.384.6(0888) (56) Кулипанов Г.Н, и Использование синхрон состояние и перспекти вып, 3, 1977, с. 374.Александров Ю.М. и ФИАН СССР М 138 . М.,Изобретение относится к техничес Физике в части создания способов определения радиуса кривизны участка ре" лятивистской. орбиты в поворотных магнитах синхротрона и может быть использовано в метрологических комплексах, в которых синхротрон является калиброванным источником излучения в широкой спектральной области, а параметрами для расчета спектральнои мощности этого излучения служат энергия релятивистского пучка синхротрона и радиус кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне,. повышение точности определения и сокращение времени и трудоемкости определения радиуса крнгизны орбиты пучка. СпосоЬ заключается в определении значений параметров, связанных функциональной зависимостью с радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которым судят о значени, этого радиуса. В качестве таких параметров выЬраны координаты центров тяжести распределений потоков пучков синхротронного излучения, выделяемых из общего потока синхротронного излучения тремя диафрагмами и координаты центров каждой из трех диаФрагм, измеряя которые определяют затем радиус крие визны участка орбиты. При реализации способа время измерения радиуса кривизны орбиты пучка сводится до минут против часов при традиционных измере-, ниях. 1 ил . Целью изобретения является повышение точности определения, сокращение времени и трудоемкости определения.На чертеже представлено у:тройство ля реализации способа в плоскости релятивистскои орбиты пучка (без соблюдения масштабных соотнощений), разрез,Устройство содержит вакуумную ка- фь меру 1, расположенную между полюсами поворотного магнита (в разрезе показан один из полюсов), в зоне иссле дуемого участка 3 МЮ релятивистской орбиты пучка с искомым радиусом. Камера 1 имеет средний радиус кривизны Кне показаны). Плоскости 7 и 9 жесткосоединены одна с другой и могут бытьрриентированы (механизмы для ориентации плоскостей не показаны) по отношению к направлению распространения потоков пучков СИ, прошедшего через диафрагмы 8, так, что наименьший Оз изуглов 0( (р 0 падения потоков этихпучков на плоскость 9 равняется при-мерно половине углового размера (1 участка 3 орбиты пучка.Способ осуществляют следующим образом.Предварительно, до начала измерений, связанных с собственно определением радиуса кривизны, используя СИ пучка электронов, в течение несколь-ких циклов ускорения пучка в синхротроне с помощью юстировочных механизмов ориентируют плоскости 7 и 9 так,кость 9 (т.е. на плоскость приемника 13) находится в указанных пределах, и выбирают местоположения приемников 11 " 13 излучения, передвигая их в плоскости 9 так, чтобы они могли регистрировать наиболее интенсивную часть потока соответствующего пучка СИ, располагают в этих местах приемники 11-13 и завершают операцию юс- тировки.Когда во время очередного цикла вакуумную камеру 1 поворотного магнитасинхротрона и движется по релятивист"ской орбите на участке 3 с искомым радят о значении искомого радиуса, В качестве таких параметров используют наименьшие расстояния а, а, аз от линии 10 пересечения плоскостей 7 и 9 до центров тяжести распределений потока Для этого из СИ, распространяющего" ся с участка 3 релятивистской орбиты пучка, выделяют с помощью по коайней мере трех диафрагм 8, расположенных в плоскости 7 (ранее съюстированной описанным образом), три пучка этого излучения в области мягкого рентгена, регистрируют распределения потоков этих пучков во второи плоскости 9 с по 316158954полуширину Р и окно 4 для вывода СИ.Камера 1 соединена, например, с помощьюфланца (не показан) с каналом 5 СИ(канал 5 представляет собой проходную 5вакуумную камеру), Фильтр 6, напримербериллиевая фольга толщиной до10 мкм, расположенный между камерой1 и каналом 5 СИ, выделяет из спектраСИ его рентгеновский компонент. В канале 5 СИ перпендикулярно плоскостирелятивистской орбиты пучка электро"нов, совпадающей с плоскостью участка,3, расположена плоскость 7, выполненная из материала, непрозрачного для 15СИ пуска электронов, например листовой стали. В плоскости 7 расположенытри параллельные, например, прямоугольные диафрагмы 8. При осуществле,нии способа проводят оптимальный вы- ;рОбор и оценку всех конструктивных идругих параметров (ширина, высота что наименьший С из трех углов К 1,диафрагм, расстояние между их цент- Ф (М р, падения пучков СИ на плосами, удаленность от орбиты, угловоеположение относительно направления 2распространения потока СИ) и выборспектрального диапазона фильтров,Каждая из диафрагм 8 расположенав плоскости 7 так, что оптимальным(для математической части определениярадиуса) является такое расположениеиафрагм, когда их высота перпендикурярив олоскости релятивистской орбиты1 учка, и плоскость орбиты равноудалеа от нижнего верхнего краев каждой ускорения пучок электронов попадает вз диафрагм 8, т,е. расположена на по 35овине высоты диафрагм 8. В этом жеанале 5 СИ расположена перпендикуляро плоскости 7 другая ппоскость 9,оторая также перпендикулярна плоскос-Фцти релявистской орбиты. Плоскости 7и 9 пересекаются по линии 10, а Ь ,Ь- наименьшие расстояния от линии пересечения плоскостей до центрасоответствующих диафрагм 8, 45Плоскость 9 совпадает с плоскостяМи приемных поверхностей трех приемников 11 - 13 рентгеновского излучения,расположенных на плоскости 9 в плос- излучения соответствующего пучка СИ.кости релятивистской орбиты. В качест-ве приемников 11 - 13 используются,например, фотопластинки, проволочныеприемники с люминофором на приемнойповерхности или другие координатночувствительные приемники рентгеновского излучения. Все приемники 11 - 13могут независимо перемещаться вдольплоскости 9 для предварительной юствровки (механизмы юстировки приемникоь5 1615895 6мощью трех приемников 11 - 13 излуче- определяют наименьшие расстояния от ния (ранее сьюстированных описанным ли)ии 10 пересечения плоскостей до .образом). По зарегистрированным рас- центра каядой из диафрагм Ъ 1, Ь Ь)пределениям потоков определяют коорди- и с учетом определенных указанным об 5наты а 4, а, аэ - наименьшие расстоя- разом параметров судят о з;ачении рания от линии 10 пересечения плоскос- диуса кривизны участка релятивитской тейи 9 до энергетического центра орбиты пуска электронов в поворотном тяжести каждого из распределений и магните синхротрона по соотношению Кэ(аа-а) - (К-К ) (аз+а ) к+) (к "к,)- ,+ (к -к,)Цк+) (к -кд) гдеК =-; Ка аа аз ь,ь,ь,ствляют с помощью трех длафрагм, выделяющих из потока СИ три пучка этогоизлучения и трех координатно-чувствительных приемников, которыми регистрируют излучение пучков и определяютрадиус кривизны К участка релятивистской орби-ы, решая систему уравнении: 20 У = КХ - а 1,У = К)Х - а,У = КЭХ - а эфг г,Ка,д,Э Х а аэ Указанное соотношение получено следующим образом.Траекторию движения релятивистского электрона на участке 3 в поворот ком магните синхротрона, по касательной к которой распространяется испускаемое им СИ, считают соответствующей окружности с радиусом кривизны К, уравнение которой в произвольных пря моугольных координатах Х, г записывают в виде где Х в и У - координаты центра окруж-. Э 5ности, которые заранеенеизвестны,Для определения значения радиусав уравнении окружности требуется дополнительно минимум три уравнения прямых, касательных к этой окружности,которые в тех же координатах можно1 записать в виде: а -эгде К = --- котангенс угла накло)Касательными к траектории электрона в способе считают траектории рентгеновских квантов, фиксацию направлений распространения излучения осущеВ этои системе уравнений известными параметрами считают расстояния от начала координат до центров диафрагм Ь, Ь, Ьэ, а регистрируемыми параметрами а, а, а- координаты точек, в которых излучение регистрируют приемниками, при этом угловая величина участка МИ релятивистской орбиты (1 (рад) равна агссгд К- агссге К 1, а линейный размер участка )1 Н рачен (К.П р и м е р, Проводят теоретическую и экспериментальную проработку предлагаемого способа со следующей аппаратурной реализациеи; синхротрон типа рейстрек на 680 Мэв фИьН с длительностью цикла ускорения О, с и четырьмя поворотными магнитными с максимальным полем 11500 э, каналом СИ;плоскость с диафрагмами ч плоскость с приемниками излучения и механизмами для их перемещения вдоль плоскости; механизмы для юстировки плоскостей в канале СИ; аппаратура для обработки сигналов, зарегистрированных приемниками.Выбор и оценку количественных значений параметров, используемых при реализации способа, проводят с учетом их вклада в суммарную погрешность оп"5 рделения радиуса кривизны и возможностями приборной реализации способа.Использование в способе компоненты СИ в области мягкого рентгена ( Я ( 10 нм) обусловлено тем, что та к и выбор позволяет пренебречь влия"ем дифракции от краев диафрагм 8 на р гистрируемые приемниками 11-13 раси еделенных потоков излучения, и тем с мым повысить точность определения и позволяет эффективно регистрировать дже небольшие потоки излучения ввиду большой энергии отдельных квантов этол излучения. Выделение указанной час. тй спектра СИ обеспечивается фильтром 20 к о который одновременно разделяет камеру 1 и канал 5 с разным вакуумом, что позволяет проводить юстировку и и мерения при реализации способа в ус-, авиях относительно низкого вакуума 5 (10 - 10 ) торр.Выбор в способе координат энергетических центров тяжести распределений регистрируемых потоков пучков СИ а 1 а ав качестве одного из парамет;осв функциональной зависимости, по которым судят о радиусе кривизны обусловлен тем, что конечные размеры сечения релятивистского пучка с симметричным относительно равновесной ор-З 5 6 ты гауссовым радиальным распределе нцем электронов в пучке, конечные раз-, й 1 ры диаЬрагм 8, наклон плоскостей йиемников 11-13 по отношению к потоку излучения, приводят к формированию ц 40 плоскости этих приемников распределе-нИй потоков излучения с близкой к тра- пецеидальной формой, через энергетический центр тяжести которого (через центр тяжести трапеции) проходят кван"45 ты рентгеновского излучения, испускаемые электронами пучка, находящимися на равновесной орбите, и проходящие через центры соответствующих диафрагм, Эо позволяет создать математическую 50 модель физического явления, адекватную случаю с одним электроном, в которой электроны равновесной орбиты,геометрический центр каждой из диафрагм 8, энергетический центр тяжести а соот ветствующего распределения принадлежат прямым, служащим касательным к равновеснои орбите электронного пучка с радиусом кривизны К, и измерять темсамым описанным способом искомый радиус, при этом значения радиуса определено с высокой точностью по траекторииреальной орбиты пучка в вакуумной камере 1.Расстояние 2 й между центрами крайних диафрагм 8 выбрано из условия,чтобы нми охватывался исследуемыйучасток 3 МИ релятивистской орбиты сугловой величиной ( , при условии,что плоскость 7 расположена на усредненном расстоянии 1 от этого участкадействительная угловая величина которого становится известной лишь в процессе определения радиуса и можетнезначительно отличаться от выбраннойвеличины в большую или меньшую сторону,Исходя из малости величины (1 =1-6 ,расстояние 2 Й можно считать равным(1, где 1 " среднее расстояние по касательной к релятивистской орбите отсредней точки выбранного участка 3орбиты до плоскости 7 с диафрагмами 8, оцениваемое как 1 = 81+ Я,где Б- расстояние от центра окна4 для вывода СИ до одной из диафрагмЗу Пк (РР(Р+Р) - расстоакпе по ка-,сательной от средней точки выбранногсучастка 3 траектории до центра тогоже окна (при этом условно считают,что траектория движения пучка проходит по середине вакуумной камеры 1полушириной Р и радиусом кривизны К.),Практически величина участка 3 МИрелятивистской орбиты находится в пределах 1 - 6 , что обусловлено тем,Очто при значениях меньше 1 участокоорбиты все более приближается к прямой линии, его кривизна проявляетсявсе в меньшей мере, что затрудняетиспользование способа, а при значениях больших б становится большой степень усреднения радиуса, что увеличивает погрешность определения спектральной мощности СИ при использованиисннхротрона в качестве калиброванногоисточника.Таким образом, конкретныи угловойразмер участка 3 релятивистской орбиты определяется конкретными метрологическими задачами, связанными с определением радиуср.При проработкепредлагаемого способа угловой размеручастка ЗМЯ составляет 4 О 11 О 1 б 15895 1,0 м, с 1 =-ЗОмм; К 1= 2 м; Р=0,15 м. Определение расстояния приведено из условия оптимального выбораБрасстояния Б по условию -- = 0,3- 50,8, учитывающего оптимальность габа-ритов канала 5 СИ. Оптимальным выбо(ром наименьшего угла падения 0 одно"го из трех пучков излучения на плоскость 9 координатно-чувствительногоприемника (при уже выбранной угловойвеличине участка траектории 1 ) явФляется выбор по условию - = 0 4"0 615(1)УЭто практическая рекомендация выбора учитывает как влияние этого углана оптимизацию гаЬаритов установки,реализующей способ, так и оптималь"ность условий регистрации с помощьюприемников 11 - 13 центров тяжестираспределения потоков пучков СИ. Оптимальным является также практическии вы.Ьор расстояния Ь = (0,5-2)д, который 15также оптимизирует габаритные параметры установки, реализующей способ.При экспериментальном исследованииспособа значение ф, значение Ь== с 1 = 30 мм. 30Оптимальным является выбор шириныдиафрагм 8 в диапазоне 10-30 мкм. Так,как больший размер неоправдано увеличивает ширину областей с максимальным сигналом на приемниках 11 - 13,что затрудняет регистрацию центров тяжести распределения потоков излучения, а при меньшей ширине поток может оказаться слишком слаЬым для егорегистрации. При эксперименте ширина 40диаФрагмы составляет 20 мкм,Высота диафрагм 8 выбрана из условия оптимизации регистрации излученияпо соотношению, составляющему (5-10)ширины диафрагмы. В эксперименте высота диафрагм равна 200 мкм.В таблице приведены сопоставительные данные при определении радиусакривизны участка релятивистской .орбиты пучка электронов в синхротроне попредлагаемому и известному способам,Сопоставительный анализ известногои предлагаемого способов показывает,что точность определения значения радиуса кривизны участка релятивистскойорбиты пучка не менее чем в два раза,больше, чем по известному, что обускловлено тем, что величина радиуса определяется непосредственно по СИпучка электронов, движущемуся по реальной траектории. При этом значительно (на несколько порядков) сокращеновремя определения и снижена трудоемкость определения, так как исключеныоперации разгерметизации вакуумнойкамеры ускорителя и установки датчиков магнитного поля внутри этой камерыФормула из о бр ет ения СпосоЬ определения радиуса кривиз" ны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне путем определения значений параметров, связанных Функциональной зависимостью с искомым радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которым судят о значении искомого радиуса, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения, сок(ращения времени и трудоемкости процесса определения, из синхротронного излучения, распространяющегося с указанного участка релятивистской орбиты, выделяют не менее трех пучков этого излучения в области мягкого рентгена с помощью трех диафрагм, которые располагают в одной плоскости, перпендикулярной плоскости релятивистской ор" биты, и регистрируют с помощью приемников координаты а , а и аз центров тяжести распределений потоков излучения этих пучков, выделенных соответствующими диафрагмами в другой плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости, в которой расположены указанные диафрагмы, при этом координаты определяют, как наименьшие расстояния от линии пересечения плоскостей до центра тяжести распределения потока излучения соответствующего пучка, и используют в качестве указанных параметров, связанных Функциональной зависимостью с искомым радиусом кривизны, при этом судят об искомом значении К радиуса кривизны с учетом определенных параметров по зависимости К(ай-а, )-(Ке-К, ) (а +а,) В Ш т тк,.к,-к,)-к,. (к,-,).,. (к,-к а ая азгде К= - ;К = - ; К 1 Ь фЬг 3 Ь,1 1615895 Ь 1, Ь и Ь - наименьшие расстояния отлинии пересечения указанных плоскостей до центра соответствующейдиафрагмы. Предлагаемый способ Измерение Известный способ Погрешностьизмерения, Е Погрешность изВремяизмерения,мин Время измеа, м мерения,% рения, ч 1,810 2 2,00 20 1,800 2 2,00 20 1,805 2 2,00 20 Составитель Г Техред ц,дидь Жуков Редак Бла рректор В, Гирняк Заказ 3997 Тираж 671 Подписное ВНИИПИ Государст ям при ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 10 а = а = а= аа а = а Фй а= ам О, 26280,9002,3410,26250,9002,340О, 26260,9012,340 венного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/