Введение к работе
Актуальность проблемы
Ускорители заряженных частиц являются непременным инструментом для исследования в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Они используются во многих смежных областях науки и находят широкое применение в промышленности. Задача создания новых ускорителей с высокой энергией, большими токами ускоренных частиц и более широким спектром ускоренных ядер находится в центре внимания многих ускорительных лабораторий мира. Один из исследовавшихся в ОИЯИ путей решения этой проблемы -разработка ускорителя коллективного типа - ускорителя электронно - ионных колец. Создание методов и систем измерения токовых, энергетических и геометрических параметров электронных (электронно-ионных) колец, являлось обязательной частью работ над проектом коллективного ускорителя. Именно работа над проектом коллективного ускорителя стимулировала получение результатов, положенных в основу данной диссертации, связанных с разработкой и реализацией методов и детектирующих систем для неразрушающей, бесконтактной диагностики пучков релятивистских заряженных частиц и исследования быстропротекающих процессов без какого - либо нарушения их режима. Эти методы в дальнейшем нашли свое продолжение и развитие в работе над проектом систем диагностики пучка С-тау фабрики ОИЯИ. Последнее обстоятельство дает основание утверждать, что область применения полученных результатов значительно шире. Большинство описанных в диссертации методов и детектирующих автоматизированных информационно - измерительных систем может быть использовано в том лее или же с небольшими изменениями виде и на других кольцевых ускорителях.
В основе этих методов лежит использование эффекта син-
хротронного излучения, возникающего в электронном кольцевом ускорителе - компрессоре (адгезаторе) сильноточных колец коллективного ускорителя на стадии формирования кольцевого сгустка, когда инжектированный в компрессор электронный пучок отклоняется от прямолинейного пути магнитным полем нулевой ступени, и в процессе сжатия электронного кольца, когда заряженные частицы многократно проходят по сжимающейся спиральной орбите в поле магнитных ступеней. Сложность проблемы заключалась в том, что из-за низкой энергии электронов спектр синхротронного излучения, генерируемого в адгезаторе коллективного ускорителя, находился в основном в инфракрасном диапазоне длин волн, кроме этого, к моменту начала работ над проектом диагностики коллективного ускорителя полностью отсутствовали какие-либо известные методы инфракрасной синхротроннои диагностики, которые можно было бы использовать на коллективном ускорителе, не было также измерительных систем, которые можно было бы применить для получения необходимой информации.
Целью диссертационной работы является: дальнейшее развитие и совершенствование методов неразрушающей диагностики ускоряемых пучков, в частности, разработка и исследование методов инфракрасной синхротроннои диагностики как нового направления в физическом и ускорительном эксперименте; разработка и исследование оптических систем, интегральных и координатных детекторов, обеспечивающих реализацию методов инфракрасной синхротроннои диагностики и повышение информативности регистрирующих систем; наиболее полная реализация возможностей, особенностей н явлений, возникающих при генерации синхротронного излучения различными сгустками заряженных частиц, а также обусловленных особенностями ускорительного эксперимента.
Научная новизна и практическая значимость
1. Впервые выполнено теоретическое и экспериментальное
исследование физического механизма и особенностей излуче
ния кольцевого сгустка электронов в процессе его сжатия в
компрессоре коллективного ускорителя ОИЯИ.
2. Впервые предложены, разработаны и реализованы на
практике бесконтактные методы исследования пространствен
ных и временных характеристик электронных сгустков, осно
ванные на проведенных исследованиях особенностей кольце
вого сгустка в компрессоре, проанализированы возможности
таких методов, разработана техника физических эксперимен
тов для их реализации.
3. Впервые сформулированы общие и конкретные требова
ния к системам вывода, транспортировки и регистрации ин
фракрасного синхротронного излучения, способным обеспе
чить с необходимой точностью и в требуемом объеме диагно
стику электронного (электронно-ионного) кольцевого сгустка.
4. Впервые разработаны рекомендации по новейшим ин
фракрасным оптическим материалам и приемникам, удовле
творяющим требованиям ускорительного эксперимента.
5. Впервые разработаны, созданы, исследованы и внедрены
в ускорительную практику уникальные элементы и системы
широкополосной, длиннофокусной инфракрасной оптики:
5.1. Решена проблема вывода синхротронного излучения в
широком интервале длин волн оптического спектра из вакуум
ной камеры ускорителя, в том числе и длительно прогревае
мой до температуры ~400С, для чего разработана методика
создания прогреваемых инфракрасных окон.
-
Создана длиннофокусная зеркально-линзовая оптическая система для инфракрасной области ~1-8 мкм.
-
Построен двухметровый длиннофокусный зеркальный
оптический тракт для спектральной области ~0.3-40 мкм (инфракрасный телескоп).
-
Впервые решена проблема юстировки и исследования разрешающей способности оптических систем и объективов, предназначенных для работы в средневолновой и длинноволновой инфракрасных областях оптического диапазона, благодаря разработанному способу юстировки, основанному на использовании эффекта термического гашения люминисценции.
-
Впервые разработаны, созданы и исследованы интегральные и координатные многоэлементные инфракрасные детекторы, удовлетворяющие условиям и требованиям физического эксперимента на ускорителе.
-
Впервые разработан и создан базовый автоматизированный комплекс инфракрасных детекторов синхротронного излучения, проведена его настройка и калибровка.
9. Впервые разработана и реализована методика калибро
вки измерителей инфракрасного синхротронного излучения
на тепловом эталонном источнике, с использованием широ
кого диапазона длин волн (ДА/А > 1), обеспечившая прецизи
онные измерения абсолютного числа ускоряемых заряженных
элементарных частиц в пучке.
10. Впервые в ОИЯИ на коллективном ускорителе тяже
лых ионов обнаружено и зарегистрировано синхротронное
излучение, измерена его интенсивность и угловая расходи
мость, измерены токовые и геометрические параметры коль
цевого сгуст- ка, сделана оценка энергии частиц, исследован
процесс сжатия кольца, проведена обработка эксперименталь
ных результатов и их анализ, с целью определения возможно
сти использования сформированных кольцевых электронных
сгустков для захвата, удержания и коллективного ускорения
тяжелых ионов электронными кольцами.
11. Впервые получены экспериментальные результаты, дав
шие большой и важный вклад в развитие коллективного ме-
тода ускорения в ОИЯИ.
12. Выполнена оценка возможности использования результатов исследований в ускорительном эксперименте и технике, в том числе и для прикладных целей.
На защиту выносятся:
1. Методы неразрушающей, бесконтактной диагностики
пучков элементарных заряженных частиц и исследования бы-
стропротекающих процессов, основанные на использовании
синхротронного, преимущественно инфракрасного излучения
широкого спектрального диапазона. Анализ характеристик ин
фракрасного синхротронного излучения низкоэнергетичных
релятивистских электронов в компрессоре позволяет эффек
тивно получать информацию о параметрах пучков и может
быть положен в основу бесконтактных, неразрушающих ме
тодов исследования характеристик пучков и быстропротека-
ющих при ускорении процессов. Такой анализ позволяет раз
дельно определять: число электронов; пространственное поло
жение кольцевого сгустка и его размеры; пространственное и
угловое распределение электронов в пучке, оценить энергию
электронов и число ионов.
-
Теория и принципы построения детектирующих систем с использованием синхротронных инфракрасных методов определения параметров и характеристик ускоряемых пучков.
-
Результаты разработки интегральных и координатных детекторов, предназначенных для реализации методов син-хротронной инфракрасной диагностики в ускорительном эксперименте.
-
Методы калибровки и результаты разработки метрологического обеспечения синхротронных инфракрасных измерительных систем, включая анализ их точности. Измерение в широком температурном интервале и совместный анализ экспериментальных температурных зависимостей спектраль-
ной чувствительности различных типов фотоприемннков, позволяет определять абсолютное число электронов в широком интервале их энергий и радиусов орбит вращения.
5. Результаты разработки и исследований элементов и си
стем инфракрасной оптики. Инфракрасное синхротронное из
лучение позволяет исследовать сгустки заряженных частиц
без использования специальных оптических систем с высокой
прозрачностью и разрешающей способностью.Использование
последних повышает чувствительность синхротронной диаг
ностики, но значительно сужает рабочий спектральный диа
пазон и ужесточает требования к оптическому качеств}' окон
и элементов оптических систем.
6. Способ юстировки и проверки разрешающей способ
ности инфракрасной оптики, работающей в длинноволновом
инфракрасном спектральном диапазоне.
-
Способ создания высоковакуумных прогреваемых окон.
-
Оригинальные устройства, имеющие самостоятельную ценность, в том числе: инфракрасные высоковакуумные окна, широкополосные длиннофокусные оптические тракты, прецизионные измерители температуры, координатные детекторы наблюдения мгновенной конфигурации теплового объекта и его перемещения в пространстве, формы потока.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях в нашей стране и за рубежом. В частности, на Международной конференции "Температура 89" (г. Зуль, Германия, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные и информационные системы" (С-Петербург, 1991 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе в двух авторских свидетельствах на изобретения.
Структура диссертации. Диссертация состоит по б глав, содержит введение и заключение, положена на 126 страницах машинописного текста, включая 36 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 136 наименований.
Личный вклад автора в проведенное исследование выражается в том, что мною была разработана программа исследований; выдвинуты положенные в основу работы научные идеи и дано пх теоретическое обоснование; разработаны методы синхротронной инфракрасной диагностики и схемы построения средств их реализации; разработаны и исследованы интегральные и координатные инфракрасные спнхро-тронные детекторы, оптические системы и элементы инфракрасной оптики; разработана методика юстировки оптических систем в инфракрасном диапазоне; разработана методика калибровки детекторов; проведены основные ускорительные эксперименты; выполнена систематизация и обобщение результатов и сформулированы вынесенные на защиту научные положения.
