WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 8 05;07;10;12 О возможности диагностики протонных пучков высоких энергий с помощью параметрического рентгеновского излучения в монокристаллах © М.Д. Бавижев, Л.Ш. Докумова, Р.М. Гошоков, Э.А. Меркер, В.В. Каплин Государственный научный центр Российской Федерации, Институт физики высоких энергий, 142281 Протвино, Московская область, Россия e-mail: emerker@oea.ihep.su (Поступило в Редакцию 23 октября 2000 г.) Рассматривается возможность диагностики протонных пучков высоких энергий с помощью параметрического рентгеновского излучения в монокристаллах.

К настоящему времени успешно выполнено множе- слабо возмущающие протонный пучок. Фотоны ПРИ исство экспериментов по использованию эффекта канали- пускаются вдоль направления движения частиц =0 рования релятивистских заряженных частиц в монокри- (центральный рефлекс) и в направлении = 20 сталлах [1]. Особенно успешно кристаллооптические (боковой рефлекс).

системы применяются в качестве дефлекторов частиц На рис. 1 приведена геометрия углового распредена основе изогнутых кристаллов для вывода и форления ПРИ, испускаемого в боковой дифракционный мирования пучков на современных ускорителях [2,3].

рефлекс. Плоскость рисунка совпадает с плоскостью, Широкое применение монокристаллы получили также и образованной векторами импульса протона и обратной для диагностики пучков.

решетки кристалла.

В данной работе обсуждается методика диагностироЭкспериментальные исследования, результаты котования пучка, основанная на регистрации специфического рых представлены в [8], показали, что степень линейизлучения, возникающего при прохождении релятивистной поляризации излучения для отдельных направлений ского протона через ориентированный монокристалл.

может достигать 90%. Угловые и энергетические расВследствие периодичности кристаллической структуры пределения ПРИ 70 GeV протонов в кристалле Si (110) монокристалл может с успехом применяться в качестве толщиной 1 mm рассчитывались согласно теории [9].

радиатора монохроматического поляризованного и регуРезультаты расчетов x-распределений для 0 = лируемого по частоте параметрического рентгеновского и 10 относительно плоскости (110) кристалла кремния излучения (ПРИ). Данное излучение является результапредставлены на рис. 2. y-угловые распределения том дифракции псевдофотонов собственного поля реляимеют аналогичную форму, видно, что интенсивность тивистского протона [4].

рефлекса ПРИ имеет узкий минимум в направлении ПРИ релятивистских электронов впервые наблюдаx = y = 0. Угол максимальной интенсивности лось на кристалле алмаза в Томске [5], затем такие ПРИ в расчетных распределениях близок к величине эфисследования были проведены в Харькове [6] и Ерефективного угла испускания излучения, определяемого ване [7]. К настоящему времени этот вид излучения как ph = (-2 + 2/2 +2 )1/2, где m — среднеp m исследован в области энергий электронов от 20 MeV квадратичный угол многократного рассеяния протона в до 4.6 GeV и энергий генерируемых фотонов от единиц до сотен keV. Подобные исследования для протонов не проводились. Вместе с тем перспективность ПРИ для получения пучков поляризованных рентгеновских фотонов существенно расширит круг возможных применений протонных ускорителей и накопилетей. Важным здесь являются гораздо большие возможные углы испускания ПРИ вплоть до = /2 относительно направления движения протонов по сравнению, например, с переходным излучением, где -1.

Преимуществом протонов по сравнению с электронами является их существенно меньшее, в долях характерного угла -1, рассеяние в кристалле, что позволяет получать высокоинтенсивное когерентное излучение на Рис. 1. Геометрия углового распределения рентгеновских толстых кристаллах или использовать тонкие кристаллы, фотонов в боковом дифракционном рефлексе ПРИ.

126 М.Д. Бавижев, Л.Ш. Докумова, Р.М. Гошоков, Э.А. Меркер, В.В. Каплин ПРИ представляет собой острый пик в области энергий фотонов E = 5 keV с относительной шириной на половине высоты E/E 6% и значением спектральной плотности излучения в максимуме 6.3 · 10-9 ph/p · eV.

В случае 0 = 10 спектр излучения представляет собой широкое двухвершинное распределение с центром в области E = 18.5 keV, относительной шириной E/E 45% и максимальной спектральной плотностью 3.7 · 10-9 ph/p · eV. Полные выходы фотонов при этом составляют соответственно 3.8 · 10-6 ph/p (0 = 40) и 3 · 10-5 ph/p (0 = 10).

Из-за поглощения фотонов в веществе кристалла перспективнее использовать асимметричную геометрию облучения кристалла (рис. 4), так называемый случай перехода Лауэ–Брэгга. Так, если 70 GeV протон движется внутри кристалла на расстоянии от его поверхноРис. 2. Угловые распределения фотонов ПРИ в боковой рефлекс для кристалла кремния толщиной 1 mm. Энергия сти, меньшем длины поглощения фотонов, спектральная протонов 70 GeV; 0 = 40 (1), 10 (2).

плотность излучения составит 6 · 10-9 ph/p · eV при 0 = 40 и 3.5 · 10-7 ph/p · eV при 0 = 10 на 1 mm пути.

Очевидно, что данная геометрия наиболее перспективна, так как она позволяет, используя периферийную часть протонного пучка, организовать дополнительный канал для работы с рентгеновским излучением, Учитывая малое поглощение фотонов в асимметричной геометрии по сравнению с геометрией Лауэ, возможно использование более протяженных кристаллов для получения рентгеновского излучения с наибольшей интенсивностью.

При несущественном поглощении фотонов темп роста спектральной, угловой и спектрально-угловой плотности ПРИ существен пока среднеквадратичный угол многократного рассеяния 2 -2 + 2/2, дальнейшее m p увеличение длины кристалла приводит к эффективному увеличению ширины углового и спектрального распреРис. 3. Спектры фотонов ПРИ протонов с энергией 70 GeV в боковой рефлекс для кристалла кремния толщиной в 1 mm.

Рис. 4. Асимметричная геометрия облучения кристалла при кристалле, p и — соответственно плазменная частота генерации ПРИ (переход Лауэ–Брэгга).

вещества и частота излучения фотона. В нашем случае ph -1, так как величины 2/2 и 2 -2, p m поэтому форма приведенных на рис. 2 распределений слабо зависит от величины угла 0. Значения плотности излучения в максимуме составляют 1.2 · 10-и 3.8 · 10-3 ph/p ·, соответственно для 0 = и 10.

На рис. 3 приведены рассчитанные нами в соответствии с теорией [9] полные спектры излучения протонов с энергией 70 GeV в кристалле кремния при 0 = 40 (1) и 10 (2) относительно плоскости (110). В отличие от угловых распределений форма полных спектров ПРИ Рис. 5. Схема диагностики пучков релятивистких протонов на в боковом рефлексе существенно зависит от величины основе ПРИ: 1 — кристалл, 2 — гониометр, 3 — координатный угла 0. При 0 = 40 спектральное распределение детектор рентгеновского излучения.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. О возможности диагностики протонных пучков высоких энергий с помощью параметрического... деления и, как следствие, к насыщению роста этих Список литературы характеристик излучения.

[1] Бирюков В.М. и др. // УФН. 1994. Т. 164. № 10. С. 1017.

С этой точки зрения, в случае протонов для генерации пучков ПРИ могут использоваться кристаллы в (e/p)2 [2] Асеев А.А., Бавижев М.Д. и др. Препринт ИФВЭ. № 8757. Серпухов, 1989.

раз протяженнее, чем для электронов такой же энергии.

[3] Афонин А.Г., Бирюков В.М. и др. Препринт ИФВЭ. № 98Поэтому в качестве фактора, ограничивающего толщину 15. Серпухов, 1998.

используемого кристалла, в случае протонов следует [4] Барышевский В.Г. // Каналирование, излучение и реакции считать их ядерное взаимодействие и в качестве пара- в кристаллах при высоких энергиях, Минск. Изд-во БГУ, 1982.

метра, определяющего оптимальную длину кристалла, в [5] Воробьев С.А., Калипин Б.Н., Пак С. и др. // Письма в этом случае выступает уже не LR — радиационная, а ЖЭТФ. 1985. Т. 41. С. 3.

LN — ядерная длина. В нашем случае LN = 30 cm и при [6] Адейшвили Д.И., Блажевич С.В. и др. // ДАН СССР. 1988.

0 10 выход рентгеновских фотонов может достигать Т. 298. С. 844.

величины 10-2 ph/p · eV.

[7] Авакян Р.О., Аветисян А.Э., Адищев Ю.Н. и др. Письма При диагностике пучков релятивистских протонов с в ЖЭТФ. 1987. Т. 45. С. 313.

использованием ПРИ достаточно высокая интенсивность [8] Adishchev Yn.N., Verzilov V.A. et al. // Nucl. Instr. & Meth.

1989. Vol. B44. P. 130.

и направленность излучения позволяют применять кри[9] Feranchuk J.D., Jvashin A.V. // J. de Phys. 1985. Vol. 46.

сталлы весьма малых размеров, практически не возмуP. 1981.

щающие анализируемый пучок. Перемещая тонкий кри[10] Piestrup M.A., Boyers D.G., Qiand Li. et al. // Nucl. Science.

сталл в пучке и измеряя выход ПРИ, можно определить 1988. Vol. 35. N 1. P. 464.

распределение интенсивности протонов по сечению пуч[11] Воробьев С.А., Каплин В.В., Пак Сэн-Дэ. // А.С.

ка с разрешением, определяемым шириной кристалла, № 1302933. 1985.

которая может быть задана вплоть до нескольких микрон.

При этом удобством такого метода является простота и компактность устройства диагностики пучка, состоящего из гониометра с закрепленным кристаллом и детектора -квантов (рис. 5).

Учитывая, что угловое распределение ПРИ существенно зависит от расходимости первичного пучка, данный метод диагностики может с успехом применяться и для измерения угловых характеристик протонных пучков.

Так, увеличение угловой расходимости анализируемого пучка приводит к уширению пика и уменьшению узкого провала в центре углового распределения ПРИ. Оценки показывают, что разрешение такого метода измерения угловой расходимости пучка может составлять величину 0.1 · -1. Это, вероятно, не превышает возможностей метода, который может быть реализован, например, с использованием когерентного переходного излучения [10] в слоистой мишени, но простота изготовления и компактность кристаллического радиатора, высокая энергия фотонов и значительные углы излучения относительно направления движения протонов делают ПРИ более предпочтительным для такого рода измерений.

Совместное измерение интенсивности части пучка при перемещении кристалла и углового распределения частиц этой фракции может быть использовано для измерения эммитанса пучка в определенном месте канала.

Точность измерения параметров протонного пучка и разрешение данного метода диагностики могут быть существенно улучшены за счет фокусировки [11] генерируемого рентгеновского излучения посредством изгиба кристалла. При этом многие принципы управления излучением, освоенные в рентгеновской дифракционной оптике, могут с успехом применяться и для формирования пучков ПРИ.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.