Башмаков Юрий Алексеевич. Радиационные эффекты в ондуляторах и кристаллах

Краткое описание

Башмаков Юрий Алексеевич. Радиационные эффекты в ондуляторах и кристаллах : Дис. ... д-ра физ.-мат. наук : 01.04.23 : Москва, 2003 186 c. РГБ ОД, 71:04-1/335

Российская академия наук Физический институт им. П.Н.Лебедева

ґ/ ж??
На правах рукописи
_ УДК 539.124.17

БАШМАКОВ Юрий Алексеевич

РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОНДУЛЯТОРАХ И КРИСТАЛЛАХ
Специальность: 01.04.23 - физика высоких энергий
Диссертация
на соискание ученой степени
доктора физико-математических наук
Москва 2003

Оглавление
Введение 4
1 Принципы действия ондулятора. 11
1.1 Магнитный ондулятор. 11
1.2 Ондуляторное излучение как излучение быстро движущегося осциллятора. 12
1.3 Условие дипольности ондуляторного излучения 14
1.4 Интерференционные явления в ондуляторе 16
1.5 Траектории частиц в ондуляторах 17

1.5.1 Движение заряженных частиц в плоском ондуляторе . 18
1.5.2 Движение заряженных частиц в квадрупольном ондуляторе. ... 20
1.5.3 Движение заряженных частиц в спиральном ондуляторе 21
2 Теоретические основы ондуляторного излучения. 23
2.1 Общие свойства ОИ 23
2.2 Дипольное ондуляторное излучение 27
• 2.3 Излучение в плоском ондуляторе 28
2.4 Основные характеристики синхротронного излучения 34
2.5 Излучение в спиральном ондуляторе 35
2.6 Основные энергетические соотношения 38
2.7 Квантовые поправки к ондуляторному излучению 42
3 Излучение пучка частиц в ондуляторе. 43
3.1 Влияние параметров электронного пучка и диафрагмирования ОИ на его свойства 43
3.2 Условия генерации спонтанного когерентного ОИ 46
3.3 Пространственная когерентность ОИ 47
3.4 Индуцированные процессы в ондуляторе 48
4 Источники ондуляторного излучения на синхротронах и накопителях. 53
4.1 Характеристики действующих синхротронов и накопителей. 53
4.2 Электронный синхротрон "Пахра" 54

4.2.1 Градиентные и октупольные полюсные обмотки 58
4.2.2 Малоапертурные импульсные отклоняющие септум-магниты. ... 61
4.3 Выбор параметров источников ОИ 64
1
t

4.4 Магнитная система ондулятора 65
4.4.1 Плоский ондулятор. 66
4.4.2 Спиральный ондулятор 68
4.4.3 Универсальный спиральный ондулятор 69
4.4.4 Краевые поля ондулятора. . 70
4.4.5 Ондуляторы для ЛСЭ 70

4.5 Сопряжение ондулятора с циклическим ускорителем 70
4.6 Ондулятор на синхротроне "Пахра" 71
4.7 Источники ОИ на синхротронах и накопителях. 72
4.8 Метод получения поляризованных квазимонохроматических фотонов вы¬сокой энергии на установках со встречными пучками 74
Динамика электронов в синхротроне "Пахра". 82
5.1 Исследование динамики поперечных размеров пучка в процессе ускорения. 82
5.1.1 Экспериментальная установка 83
5.1.2 Результаты эксперимента. 85
5.1.3 Обсуждение результатов 87
5.2 Расчет замкнутой орбиты в циклическом ускорителе 94
5.2.1 Математический формализм 95
5.2.2 Алгоритм локализации замкнутой орбиты и структура программы численного моделирования 96
5.2.3 Результаты вычислений 99
5.3 Исследование нелинейной динамики и медленный вывод электронов. ... 100
5.3.1 Основные теоретические положения 101
5.3.2 Резонанс третьего порядка 102
5.3.3 Динамика частиц при нелинейном резонансе четвертого порядка . 104
5.3.4 Математическое моделирование 106
5.3.5 Экспериментальное исследование процесса вывода 108
Экспериментальное исследование свойств ондуляторного излучения. 111
6.1 Первые наблюдения ондуляторного излучения на прямых электронных пучках 111
6.2 Наблюдение ондуляторного излучения на синхротроне ФИ АН "Пахра". . 112
6.3 Спектрально-угловые характеристики 115
6.4 Поляризационные свойства 120
6.4.1 Использование поляризационных характеристик ОИ в эксперимен¬
тальных исследованиях 122
6.5 Спектральное распределение 122
6.6 Пространственная когерентность ОИ 125
6.7 Когерентное ОИ 125
6.8 Ондуляторное излучение протонов и антипротонов 127
2

7 Синхротронное излучение в неоднородных магнитных полях 128
7.1 Исходные соотношения 129
Ш 7.2 Уравнения движения . 129
7.3 Общие выражения 130
7.4 Структура спектрально-угловых распределений 132
7.5 Переход к формулам синхротронного излучения 133
7.6 Поведение подынтегрального выражения в общем случае . 133
7.7 Распределение магнитного поля на краях поворотного магнита 135
7.8 Движение частиц в рассеянном магнитном поле 135
7.9 Область формирования излучения 137
7.10 Спектрально-угловые распределения 138
7.11 Экспериментальное исследование излучения релятивистских электронов
в дипольном магнитном поле . • 140
8 Динамика и излучение положительно заряженных частиц высокой энер¬
гии в изогнутых кристаллах 146
8.1 Динамика положительно заряженных частиц при плоскостном каналиро-вании в изогнутых кристаллах 147
8.2 Вывод протонных пучков с помощью кристаллов из синхротронов и кол-лайдеров 152
8.3 Кристаллический горн для формирования нейтринных пучков 153
8.4 Излучение при каналировании в изогнутых кристаллах 155

8.4.1 Полная интенсивность излучения в изогнутом кристалле 158
8.4.2 Влияние излучения на движение частицы в изогнутом канале ... 159 щ 8.5 Спиновые эффекты при излучении в кристаллах 160
Заключение 163
Библиография 166

Список литературы

Заключение
Основные результаты, полученные в диссертации, состоят в следующем.
1. Впервые проведен всестороний теоретический анализ свойств ондуляторного из-лучения, который позволил определить физические характеристики источников онду-ляторного излучения, выгодно отличающие его от синхротронного излучения. Исследо-вана зависимость спектральных, угловых и поляризационных характеристик излучения от амплитуды электромагнитного поля в различных типах ондуляторов. Показана вы¬сокая степень монохроматичности излучения в ондуляторе с большим числом элементов периодичности. Рассмотрена генерация излучения на основной и высших гармониках. Исследовано влияние диафрагмирования на свойства излучения.
2. Развит общий подход к расчету спектрально-углового распределения излучения релятивистских заряженных частиц в неоднородных магнитных полях прямолинейных промежутков синхротронов и накопителей. Исследованы процесс формирования излуче-ния и его интерференция. Предсказана кольцевая структура в пространственном рас¬пределении излучения. Впервые выполнено численное моделирование характеристик излучения в реальном магнитном поле. Объяснен ряд ранее наблюдавшихся экспери-ментальных данных.

3. Предложена конструкция спирального ондулятора, в котором создается пери-одически вращающееся при движении вдоль оси ондулятора поперечное магнитное поле. В таком ондуляторе генерируется циркулярно поляризованное электромагнит¬ное излучени. Аналитически и численными методами исследованы поляризационные и спектрально-угловые свойства этого излучения. Теоретически исследовано излучение в плоском магнитном ондуляторе. Выполнено компьютерное моделирование угловых и спектральных характеристик ондуляторного излучения. Осуществлен предельный пе¬реход к ондулятору с сильными магнитными полями - виглеру.
4. Рассмотрено излучение в квадрупольных электрическом и магнитном полях при периодическом движении в них релятивистских заряженных частиц. Это излучение имеет непосредственное отношение к излучению электронов и позитронов при канали-ровании в кристаллах.
5. Впервые в мировой практике осуществлена генерация и выполнено наблюдение в видимой области спектра излучения релятивистских электронов в ондуляторе, устано-вленном в прямолинейный промежуток циклического ускорителя - синхротрона. Про-демонстрирована пространственная монохроматичность ондуляторного излучения. Экс-периментально исследованы спектральные и угловые распределения его интенсивности в видимой и ультрафиолетовой областях спектра при энергии электронов от 100 до 200 МэВ. Подтверждена высокая степень поляризации ондуляторного излучения.
6. Разработан и изготовлен импульсный электромагнитный ондулятор с периодом -4 см и числом элементов периодичности - 20, специально предназначенный для уста¬новки на орбиту электронного синхротрона "Пахра". Предложен, изготовлен и испытан на синхротроне "Пахра" универсальный спиральный ондулятор, в котором вид поля¬ризации электромагнитного излучения может легко перестраиваться.
7. Аналитически и методом численного моделирования исследована связь характе-
163

ристик ондуляторного излучения с параметрами излучающих пучков. Разработана ме¬тодика использования ондуляторного излучения для измерения параметров пучков за-ряженных частиц, таких как эмиттанс, поперечные размеры и угловые расходимости.
8. Впервые осуществлена генерация интенсивного узконаправленного излучения в длинноволновой области спектра путем введения в прямолинейный промежуток син-хротрона "Пахра" импульсного дипольного магнитного поля. Экспериментально иссле-дованы спектрально-угловые и энергетические характеристики излучения релятивист-ских электронов в таком поле. Энергия электронов изменялась вплоть до 850 МэВ.
9. Развита теория движения положительно заряженных частиц при каналировании в изогнутых кристаллах. Впервые с помощью анализа поперечного движения канали-рованных частиц на фазовой плоскости определены области устойчивого и неустойчи¬вого движения. Исследована зависимость эффективности захвата частиц в изогнутые каналы от параметров пучков. Для фокусировки вторичных частиц - родителей ней¬трино - предложена оригинальная конструкция кристаллического горна, состоящего из набора изогнутых кристаллов, размещенных аксиально симметрично относительно оси первичного пучка.

10. Исследован новый вид излучения, сопровождающий каналирование положитель-ных заряженных частиц в изогнутом кристалле. Рассмотрена связь его характерных частот с параметрами траектории частицы. Установлено, что на длине кристалла в несколько сантиметров полные потери энергии на излучение при каналировании пози¬тронов сверхвысоких энергий могут составлять половину и более от начальной энергии частицы. Результаты выполненного в диссертации исследования радиационных эффек¬тов, сопровождающих каналирование позитронов высокой энергии в изогнутых кри¬сталлах, позволяют надеяться на получение позитронных пучков высокой энергии со степенью поляризации 10-20 %.
11. Для генерации интенсивного потока циркулярно-поляризованных квазимонохро-матических фотонов высокой энергии на электрон-позитронном коллайдере в области взаимодействия встречных пучков предложено установить спиральный ондулятор. По-казано, что энергия фотонов, возникающих в результате обратного комптоновского рас-сеяния ондуляторного излучения одного из пучков на частицах встречного пучка, го¬раздо больше, а их спектральное распределение значительно уже, чем при использова¬нии комптоновского рассеяния лазерных фотонов.
12. Впервые осуществлен медленный вывод частиц из синхротрона с использова¬нием нелинейного резонанса радиальных бетатронных колебаний четвертого порядка. Выполнено обоснование, расчет, проектирование и сооружение системы медленного вы-вода электронов из синхротрона "Пахра". Проведены теоретические и эксперименталь¬ные исследования нелинейной динамики процесса резонансной раскачки колебаний и эффективности заброса электронов в отклоняющие септум-магниты, позволившие опти-мизировать параметры системы. Вывод устойчиво осуществляется в диапазоне энергий 250-680 МэВ.
13. Разработаны малоапертурные секционированные импульсные отклоняющие септум-магниты с малыми рассеянными магнитными полями. Выполнено исследование их ха¬рактеристик на макетах и изготовлены рабочие образцы, которые надежно работают
164

в течение многих лет на синхротроне "Пахра в условиях высокого вакуума и жест¬ких радиационных условиях. Разработанная конструкция позволяет создавать септум-магниты с тонкими внешними токовыми шинами и магниты изогнутой формы.
Развит и осуществлен на синхротроне "Пахра" оригинальный метод формирования градиентного и октупольного поля в рабочей области синхротрона, позволяющий ре-гулировать его показатель поля и вносить соответствующую нелинейность в широком диапазоне энергий. Для этих целей используются специальным образом ©коммутиро¬ванные мощные полюсные обмотки.
14. Проведено экспериментальное изучение динамики поперечных размеров элек-тронного пучка в синхротроне "Пахра". Использовалось скоростное фотографирование с помощью синхротронного излучения. Показано, что пучок имеет в сечении форму, близкую к круговой. Для интерпретации опытных данных было выполнено математи¬ческое моделирование. На основании расчетов сделаны оценки продольных размеров и энергетического разброса электронных сгустков.
Развит новый метод расчета замкнутой орбиты в циклическом ускорителе. Ее вы-числение сводится к определению собственного вектора полной матрицы перехода для кольца синхротрона и трассировки с этим вектором искомой орбиты. Предложен эффек-тивный алгоритм нахождения собственного вектора. Разработан оптимальный способ коррекции магнитного поля синхротрона "Пахра".
В заключение автор с благодарностью вспоминает П. А. Черенкова, который на протяжении многих лет активно поддерживал работы по исследованию ондуляторного излучения в ОФВЭ ФИ АН. Автор выражает глубокую признательность Д.Ф. Алферову, К. А. Беловинцеву, Е. Г. Бессонову, Б. Б. Говоркову, В. А. Карпову за многолетнее плодотворное сотрудничество, Е. И. Тамму за постоянный интерес к работе и дружеское участие, Г. Г. Субботину за помощь при проведении экспериментов на синхротроне "Пахра".