Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Методика измерения спектра пучка с помощью излучения
Вавилова-Черепкова в оптическом диапазоне 8
Использование излучения Вавилова-Черепкова для определения энергетических характеристик заряженных частиц 8
Основные принципы предлагаемой методики 12
Математический аппарат для восстановления спектра пучка по экспериментальным данным 17
Глава 2. Экспериментальное измерение спектра пучка электронов с
помощью регистрации излучения Вавилова-Черепкова в оптическом
диапазоне 31
Выбор параметров экспериментальной установки 31
Описание импульсного разрезного микротрона НИИЯФ МГУ на энергию 35 МэВ 37
2.3. Результаты экспериментальных измерений 44
Глава 3. Методика измерения спектра пучка с использованием
излучения Вавилова-Черепкова в СВЧ-диапазоне 54
Основные принципы методики 54
Влияние параметров волновода на характеристики ИВЧ 60
Структура полей ИВЧ генерируемых одиночным электроном 73
Численное моделирование процедуры измерения энергетического спектра сгустка электронов 83
Заключение 101
Список литературы 103
Введение к работе
Практическое использование пучков электронов, получаемых на современных ускорителях, неизбежно порождает потребность в простых, надежных и достаточно точных инструментах для измерения и контроля параметров их энергетического спектра, к которым обычно относят среднюю энергию частиц пучка, а так же ширину и форму энергетического спектра. В настоящее время существует ряд методик для их определения, в частности, широко используются методики, основанные на взаимодействии частиц с магнитным полем, на зависимости пробега частиц от энергии и другие. Однако эти методики обладают существенным недостатком - они являются разрушающими, т.е. в результате измерения характеристики пучка могут значительно изменяться, что ограничивает возможность одновременного практического применения пучка и измерения его спектральных характеристик.
В данной работе предлагаются методики определения энергетического спектра пучка электронов с помощью излучению Вавилова-Черепкова (ИВЧ), которые практически лишены данного недостатка. Излучение генерируется пучком в оптической среде или в замедляющей системе, взаимодействие которой с пучком сведено к минимуму. Рассматривается генерация излучения в двух различных диапазонах длин волн - оптическом и СВЧ. Разработанные методики могут найти применение для создания неразрушающих мониторов энергетических характеристик электронных пучков промышленных и медицинских ускорителей.
Цели работы
Целью работы является теоретическая разработка и экспериментальная проверка методики измерения энергетического спектра пучка электронов с помощью ИВЧ в оптическом диапазоне и теоретическая разработка методики контроля энергетических характеристик пучка с помощью ИВЧ в СВЧ диапазоне.
Научная новизна
В работе впервые была разработана математическая модель и выполнено численное моделирование методики измерения спектра пучка электронов с помощью ИВЧ в оптическом диапазоне, включающей, в том числе, решение обратной задачи, относящейся к классу некорректно поставленных задач. Была создана экспериментальная установка, и проведена проверка методики на пучке электронов, выведенном с различных орбит разрезного микротрона на энергию 35 МэВ, подтвердившая ее состоятельность.
Впервые была предложена методика определения средней энергии и ширины энергетического спектра пучка электронов по спектру ИВЧ в замедляющей системе в СВЧ диапазоне. Проведен анализ полей излучения в волноводной системе, частично заполненной диэлектриком, выполнено численное моделирование ИВЧ, порождаемого сгустком частиц, исследована роль когерентных эффектов в формировании излучения, описана схема возможного эксперимента и процедура извлечения энергетических характеристик пучка из спектральных характеристик ИВЧ.
Практическая значимость
Предлагаемые методики могут найти широкое применение для неразрушающего контроля характеристик энергетических спектров электронных пучков промышленных и медицинских ускорителей электронов в диапазоне энергий 1-20 МэВ. Построенные математические модели позволяют проводить численное моделирование экспериментов, выбирать оптимальные параметры установок для различных диапазонов энергии пучка, проводить обработку данных, полученных в результате экспериментов. Кроме того, в работе приведены схемы экспериментальных установок, которые могут быть использованы при инженерной разработке мониторов энергетических характеристик пучка. Следует так же отметить, что рассмотренные принципы могут быть перенесены и на пучки заряженных частиц других типов.
Личный вклад автора
Автор диссертации внес основной вклад в реализацию математических моделей предлагаемых методик, создание экспериментальной установки и проведение экспериментов, которые являлись частью работ по настройке и оптимизации работы ускорителя электронов - импульсного разрезного микротрона НИИЯФ МГУ на энергию 35 МэВ.
Апробация работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 6-ти работах и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийской конференция по ускорителям заряженных частиц RuPAC-2004
научной сессии МИФИ-2005,
V и VI межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине»
конференции «Ломоносов-2006».
На защиту выносятся следующие результаты:
Методика измерения энергетического спектра пучка по зависимости интенсивности ИВЧ, порождаемого пучком электронов, движущимся в среде, от пороговой энергии этой среды.
Математическая модель эксперимента по измерению ИВЧ в оптическом диапазоне и процедура восстановления спектра пучка из экспериментальных данных.
Экспериментальная установка для измерения спектра пучка с помощью ИВЧ в оптическом диапазоне и результаты измерения энергетического спектра пучка, выведенного с различных орбит разрезного микротрона на энергию 35 МэВ.
Методика контроля энергетических характеристик пучка с помощью ИВЧ в замедляющих волноводных системах в СВЧ диапазоне.
Схема экспериментальной установки и результаты численного моделирования процедуры определения средней энергии пучка и ширины энергетического спектра с помощью ИВЧ, генерируемого сгустком электронов в замедляющей системе.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержит 109 страниц, 64 рисунка, 5 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование.
Первая глава данной работы посвящена методике измерения энергетического спектра пучка электронов при помощи регистрации ИВЧ в оптическом диапазоне. Дан краткий обзор применения ИВЧ в современной физике высоких энергий, создана математическая модель предлагаемой методики, описана процедура восстановления спектра по экспериментальным данным.
Вторая глава посвящена экспериментальной проверке предложенной методики. Описана экспериментальная установка, обсужден выбор ее параметров. Дано описание ускорителя электронов - импульсного разрезного микротрона НИИЯФ МГУ на энергию 35 МэВ. Приведены результаты проведенных экспериментов и их обсуждение.
Третья глава работы посвящена методике определения спектра пучка при помощи регистрации ИВЧ в СВЧ диапазоне, которая обладает рядом преимуществ, главное из которых - практически полное отсутствие деструктивного воздействия на пучок во время измерений. Обоснована методика восстановления энергетического спектра пучка по спектру излучения. Рассмотрен вид полей излучения от одиночного электрона и от сгустка электронов, что позволяет рассчитывать временную зависимость генерируемого высокочастотного сигнала. Обсуждены физические аспекты, которые могут сыграть существенную роль при практической реализации метода. На основании сделанных выводов предложена схема экспериментальной установки.
