Способ определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне

 

Изобретение относится к технической физике, в частности к способам определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты в поворотном магните синхротрона. Цель изобретения - повышение точности определения и сокращение времени и трудоемкости определения радиуса кривизны орбиты пучка. Способ заключается в определении значений параметров, связанных функциональной зависимостью с радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которым судят о значении этого радиуса. В качестве таких параметров выбраны 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 кривизны участка орбиты. При реализации способа время измерения радиуса кривизны орбиты пучка сводится до минут против часов при традиционных измерениях. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ав <в

А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

C е

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (2i ) 4630149/24-21 (22) 02. 01. 89 (46) 23.12.90. Бюл. М- 47 (72) В.И. Квочка, И.В. Конев и A.,Â. Макулькин (53) 621.384.6(088 ° 8) (56) Кулипанов Г.Н. и Скринский A.Н.

Использование синхронного излучения: состояние и перспективы", УФН, т. 122, вып. 3, 1977, с. 374.

Александров Ю.М. и др. Препринт

ФИАН СССР М 138 . М., 1975, с, 6. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСА КРИВИЗНЫ УЧАСТКА РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ОРБИТЫ

ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ В CHHXPOTPOHE (57) Изобретение относится к технической физике в частности к способам определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты в поворотном магните синхротрона. Цель изобретения—

Изобретение относится к технической физике в части создания способов определения радиуса кривизны участка релятивистской. 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,. (S1)S Н 05 Н 13/04, G О1 В 9/00 повышение то.ности 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 кривизны 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- ф меру 1, расположенную между полюсами поворотного магнита (в разрезе показан один из полюсов-2), в зоне иссле. дуемого участка 3 NN релятивистской . орбиты пучка с искомым радиусом. Камера 1 имеет средний радиус кривизны R не показаны). Плоскости 7 и 9 жестко соединены одна с другой и могут быть рриентированы (механизмы для ориентации плоскостей не показаны) по отношению к направлению распространения потоков пучков СИ, прошедшего через диафрагмы 8, так, что наименьший О з из углов М,,(X, g > падения потоков этих пучков 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, что наименьший И из трех углов 0 1, Ilk g падения пучков СИ на плоскость 9 (т.е. на плоскость приемника

13) находится в указанных пределах, и выбирают местоположения приемников

i1 " 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 магнита синхротрона 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, а з 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 квайней 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 noi

4 полуширину Р и окно 4 для вывода СИ.

Камера 1 соединена, например, с помощью фланца (не показан) с каналом 5 СИ (канал 5 представляет собой проходную 5 вакуумную камеру), Фильтр 6, например бериллиевая фольга толщиной до

10 мкм, расположенный между камерой

1 и каналом 5 СИ, выделяет из спектра

СИ его рентгеновский компонент. В ка- 10 нале 5 СИ перпендикулярно плоскости релятивистской орбиты пучка электронов, совпадающей с плоскостью участка ,3, расположена плоскость 7, выполненная из материала, непрозрачного для

СИ пуска электронов, например листовой стали. В плоскости 7 расположены три параллельные, например, прямоугольные диафрагмы 8. При осуществлении способа проводят оптимальный вы- ;рО

:бор и оценку всех конструктивных и других параметров (ширина, высота диафрагм, расстояние между их центрами, удаленность от орбиты, угловое положение относительно направления распространения потока СИ) и выбор спектрального диапазона фильтров, Каждая из диафрагм 8 расположена в плоскости 7 так, что оптимальным (для математической части определения радиуса) является такое расположение иафрагм, когда их высота перпендикурярив олоскости релятивистской орбиты

1 учка, и плоскость орбиты равноудалеа от нижнего веРхнего кРаев каждой 3 ускорения пучок электронов попадает в з диафрагм 8, т,е. расположена на по35 овине высоты диафрагм 8. В этом же анале 5 СИ расположена перпендикуляро плоскости 7 другая ппоскость 9, оторая также перпендикулярна плоскос-4 ти релявистской орбиты. Плоскости 7

И 9 пересекаются по линии 10, а Ь », b, Ь вЂ” наименьшие расстояния от линии пересечения плоскостей до центра соответствующих диафрагм 8. 45

Плоскость 9 совпадает с плоскостяМи приемных поверхностей трех приемни ков 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, проволочные приемники с люминофором на приемной поверхности или другие координатночувствительные приемники рентгеновского излучения. Все приемники f1 — 13 могут независимо перемещаться вдоль плоскости 9 для предварительной юств ровки (механизмы юстировки приемникоь

5 1615895 6 мощью 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(9 Ь Ь з

)пределениям потоков определяют коорди- и с учетом определенных указанным об1 5 наты а49 а29 а - наименьшие расстоя- разом параметров судят о з;(аченни рания от линии 10 пересечения плоскос- диуса кривизны участка релятивитской ,тей ? и 9 до энергетического центра орбиты пуска электронов в поворотном

1 тяжести каждого из распределений и магните синхротрона по соотношениюг

Кэ(аг-а<) — (К -К() (аэ+а ) -)к,.! (к,-к,)- K,+i (к„-к,)+/K,+i (к,-кд) гдеК =-; К

«а9 аа аэ

Ь, 2 Ь, Ь, ствляют с помощью трех длафрагм, выделяющих из nc,òoêà СИ три пучка этого излучения и трех координатно-чувствительных приемников9 которыми регистрируют излучение пучков и определяют радиус кривизны R участка релятивистcIcoH орби-ы, решая систему уравнении:

Y = К X — а19

Y = КгХ вЂ” аг, Y = КЭХ вЂ” a Э9 г z (Х-Х,) +(Y-Y,) = К, гдек=-; К= —; а„аг аз

Ь, 2 b Ь, ф) (в) 9

Ь. 2 2

K<ðä X a,ãä

Указанное соотношение получено следующим образом.

Траекторию движения релятивистского электрона на участке 3 в поворот- 25 ком магните синхротрона, по касательной к которой распространяется испускаемое им СИ, считают соответствующей окружности с радиусом кривизны R, уравнение которой в произвольных пря- 30 моугольных координатах Х, Y записывают в виде где Х в и 7 — координаты центра окруж- . Э5 ности, которые заранее неизвестны,.

Для определения значения радиуса в уравнении окружности требуется до- О полнительно минимум три уравнения прямых, касательных к этой окружности, которые в тех же координатах можно раписать в виде: а -э где К = — — — котангенс угла накло50

З b-э на соответствующей касательной к оси Т; а 1, Ь > - точки пересечения ка1-3 сательными осей Х и Y„

Э

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

b, а регистрируемыми параметрами а 9 а, а — координаты точек, в которых излучение регистрируют приемниками, при этом угловая величина участка MN релятивистской орбиты (1 (рад) равна arcctg К вЂ” arcctg К< 9 а линейный размер участка AN равен gR.

Пример. Проводят теоретическую и экспериментальную проработку предлагаемого способа со следующей аппаратурной реализациеи; синхротрон типа рейстрек на 680 Иэв ФИьН с длительностью цикла ускорения 0,7 с и четырьмя поворотными магнитными с максимальным полем 11500 э, каналом СН; 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.

1615895

Выбор и оценку количественных значений параметров, используемых при реализации способа, проводят с учетом их вклада в суммарную погрешность on5 разделения радиуса кривизны и возможностями приборной реализации способа.

Использование в способе компоненты СИ в области мягкого рентгена (Я (10 нм) обусловлено тем, что та- 1О к и выбор позволяет пренебречь влияем 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 д же небольшие потоки излучения ввиду большой энергии отдельных квантов этогс излучения. Выделение указанной частй спектра СИ обеспечивается фильтром 20

О который одновременно разделяет камеру 1 и канал 5 с разным вакуумом, что позволяет проводить юстировку и и мерения при реализации способа в ус-, ловиях относительно низкого вакуума $5 (0 — 10 ) торр.

Выбор в способе координат энергетических центров тяжести распределений регистрируемых потоков пучков СИ а „

a., à g в качестве одного из парамет-3Q

;оОв функциональной зависимости, по которым судят о радиусе кривизны,. о условлен тем, что конечные размеры

С1чения релятивистского пучка с симметричным относительно равновесной Ор-35

6 ты гауссовым радиальным распределе.» нцем электронов в пучке, конечные раз-, меры диайрагм 8, наклон плоскостей и иемников 11-13 по отношению к потоку излучения, приводят к формированию ц 4О 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, Э о позволяет создать математическую 5О модель физического явления, адекватную случаю с одним электроном, в которой электроны равновесной орбиты,геометрический центр каждой из диафрагм 8, энергетический центр тяжести а соот- 55 ветствующего распределения принадлежат прямым, служащим касательным к равновеснои орбите электронного пучка с радиусом кривизны К, и измерять тем самым описанным способом искомый радиус, при этом значения радиуса определено с высокой точностью по траектории реальной орбиты пучка в вакуумной камере 1.

Расстояние 2d между центрами крайних диафрагм 8 выбрано из условия, чтобы нми охватывался исследуемый участок 3 МИ релятивистской орбиты с угловой величиной (, при условии, что плоскость 7 расположена на усредненном расстоянии 1 от этого участка,, действительная угловая величина которого становится известной лишь в процессе определения радиуса и может незначительно отличаться от выбранной величины в большую или меньшую сторону, ИсхОдЯ из малОсти величины (1 =1-6 расстояние 2d можно считать равным (1, где 1 - среднее расстояние по касательной к релятивистской орбите от средней точки выбранного участка 3 орбиты до плоскости 7 с диафрагмами 8, оцениваемое как 1 = S1+ S<, где S - расстояние от центра окна

4 для вывода СИ до одной из диафрагм

8, Бе = 2P(R<+P) — оасстоакие по ка-. сательной от средней точки выбранногс участка 3 траектории до центра того же окна (при этом условно считают, что траектория движения пучка проходит по середине вакуумной камеры 1 полушириной Р и радиусом кривизны К„,), !

Практически величина участка 3 МИ релятивистской орбиты находится в пределах 1 — 6, что обусловлено тем, О что при значениях меньше 1 участок о

I орбиты все более приближается к прямой линии, его кривизна проявляется все в меньшей мере, что затрудняет использование способа, а при значениО ях больших б становится большой степень усреднения радиуса, что увеличивает погрешность определения спектральной мощности СИ при использовании сннхротрона в качестве калиброванного источника.

Таким образом, конкретныи угловой размер участка 3 релятивистской орбиты определяется конкретными метрологическими задачами, связанными с onpepaaem papeycy.При проработке предлагаемого способа угловой размер (участка ЗМЯ составляет 4О 1

1б15895

1,0 м, d =- ЗО мм; К1 = 2 м; Р =

0 15 м. Определение расстояния приведено из условия оптимального выбора

Б расстояния Б по условию — — = 0,3- 5

0,8, учитывающего оптимальность габаритов канала 5 СИ. Оптимальным выбо(ром наименьшего угла падения р одно" го из трех пучков излучения на плоскость 9 координатно-чувствительного приемника (при уже выбранной угловой величине участка траектории 1 ) явI ! Фу ляется выбор по условию — = 0 4-0 6)5 (1У 9 У

Это практическая рекомендация выбора учитывает как влияние этого угла на оптимизацию габаритов установки, реализующей способ, так и оптимальность условий регистрации с помощью приемников 11 — 13 центров тяжести распределения потоков пучков СИ. Оптимальным является также практическии выЬор расстояния b< = (0,5-2)d, который 25 также оптимизирует габаритные параметры установки, реализующей способ.

При экспериментальном исследовании способа значение g> 2, значение Ь = .

=d=30мм.

Оптимальным является выбор ширины диафрагм 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 его регистрации. При эксперименте ширина 40 диафрагмы составляет 20 мкм, Высота диафрагм 8 выбрана из условия оптимизации регистрации излучения по соотношению, составляющему (5-10) ширины диафрагмы. В эксперименте вы- 45 сота диафрагм равна 200 мкм.

В таблице приведены сопоставительные данные при определении радиуса кривизны участка релятивистской .орбиты пучка электронов в синхротроне по предлагаемому и известному способам, Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов показывает, что точность определения значения ра- 55 диуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка не менее чем в два раза ,больше, чем по известному, что обуск .ловлено тем, что величина радиуса определяется непосредственно по СИ пучка электронов, движущемуся по реальной траектории. При этом значительно (на несколько порядков) сокращено время определения и снижена трудоемкость определения, так как исключены операции разгерметизации вакуумной камеры ускорителя и установки датчиков магнитного поля внутри этой камеры °

Формула из о бр ет ения

СпосоЬ определения радиуса кривизны участка релятивистской орбиты пучка электронов в синхротроне путем определения значений параметров, связанных функциональной зависимостью с ис:комым радиусом кривизны участка релятивистской орбиты, по которым судят о значении искомого радиуса, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью .повышения точности определения, сок(ращения времени и трудоемкости про цесса определения, из синхротронного излучения, распространяющегося с ука занного 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 орбиты, и регистрируют с помощью приемников координаты а, а и а> 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 R радиуса кривизны с учетом определенных параметров по зависимости (аг ас,) (Кг K ) (аз+а () к, +1 (к,-к,)-,(к, » (к,-r, ) ..(к,. (к, -к„

av ая аз где К= —;К = —; К

1 Ь! 2 Ьг 3 Ь, 1l 1615895

b1, Ь и Ь вЂ” наименьшие расстояния от линии пересечения указанных плоскостей до центра соответствукицей диафрагмы.

Время измерения, мин

Предлагаемый способ

Измерение

Известный способ

Погрешность измерения, Е

Погрешность изR м

Время измеR, м а, м мерения, % рения, ч

1,810 2

2,00

>20

1,800 2

2,00

1,805 2

2,00

Редактор М, Бланар

Заказ 3997 Тираж 671 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 а = а = а = а»= ах= а = йа

» а =

Q)C

О, 2628

0,900

2,341

0,2625

0,900

2,340

О, 2626

0,901

2,340

Составитель Г, Жукова

Техред м,яндык Корректор В, Гирняк