Возможность лазерной диагностики пучка ускоренных электронов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

им. С. М. КИРОВА

ВОЗМОЖНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

А. В. ПЕШКОВ, В. А. АВГУСТИНОВИЧ, Б. А. НЕЧАЕВ

(Представлена научно-техническим семинаром лаборатории высоких энергий НИИ ЯФ)

В настоящее в,ре:мя, пожалуй, наиболее важным методом диагностики плазмы стал метод определения параметров плазмы по рассеянию лазерного 'излучения на электронах плазмы [1]. Рассеяние овета электронами может быть использовано также для определения параметров пучков релятивистских электронов. Ранее процесс комптоновокого рассеяния лазерного излучения исследовался с целью получения поляризованных квазиманоэнергетических гамма^вантав [2, 3, 4].

Кинематическме особенности комнтановского рассеяния лазерного излучения релятивистскими электронами позволяют использовать это явление для диагностики сгустков электронов большой энергии в тех случаях, когда традиционные способы исследования пучков окажутся мало эффективными.

Так как рассеяние световых фотонов происходит на релятивистских электронах, то дифференциальное сечение комптоновского рассеяния имеет острый максимум в направлении импульса электрона. И все

излучение концентрируется в конусе с угловым раствором порядка -£-

где тс2 — энергия покоя электрона, Е—энергия электрона.

Энергия рассеянного фотона связана с углом вылета рассеянного фотона и достигает максимального значения при встречном взаимодействии лазерного луча и электронного пучка, когда направление рассеянного фотона совпадает с направлением движения электрона и дается выражением

где coi—энергия лазерного фотона,

0)2—энергия рассеянного фотона.

Таким образом, частота рассеянного фотона изменяется на величину 4(Е/тс2)2. Благодаря изменению частоты рассеянной радиации полностью снимается проблема фона, обусловленного рассеянием лазерного излучения на различных частях экспериментальной установки. И оюновньш источником фона будет лишь тормозное излучение на остаточном газе в вакуумной камере установки.

При зондировании электронного пучка очень важно уменьшить o6j ласть взаимодействия, чтобы получить хорошее пространственное разрешение.

Том 278

1975

шс

2

Наименьший достижимый диаметр фокального пятна ДУ определяется, с одной стороны, диаметром (^лазерного стержня ¡и расходимостью лазерного луча в, а с другой стороны, возможным алертурньим отношением О : I для лазерного луча на входе в вакуумную камеру (О—апертура фокусирующей линзы, Г-—фокусное расстояние линзы)

Обычно для лазеров 0=5-Ю-3 рад. Согласно расчетам, проведенным в работе [б]), интенсивность взаимодействия двух встречных пучков частиц уменьшается до 16%, когда диаметр одного из взаимодействующих пучков в результате расходимости будет превышать диаметр другого в 3 раза. При .'использовании короткофокусной оптической системы можно ограничить область взаимодействия несколькими миллиметрами.

Найми исследована возможность использования лазерного луча для зондирования электронного пучка в вакуумной камере синхротрона. Эксперимент проводился на электронном синхротроне «Сириус». Для этого в установку, созданную для получения поляризованных и моно-энергетичеоких гамма-квантов, методом коми тон овоколо рассеяния лазерного излучения на релятивистских электронах (рис. 1) было внесено усовершенствование, позволяющее перемещать лазер в поперечном направлении относительно линии прицеливания. В эксперименте использовался неодимовый лазер, луч которого фокусировался в пятно диаметром 1,5 мм, поэтому длина области взаимодействия составляла, по нашиш оценкам, 30 см.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. С — сцинтилляционный »

спектрометр, К — коллиматор, ОМ — очистной магнит, Мг — монитор количества ускоренных электронов, АКТ — автоколлиматор, ФЭУ-3 — фотоумножитель, регистрирующий лазерное излучение, ОКГ — лазер, ПП — новоротная призма, Д] и Д2 — котировочные диафрагмы, ФЗУ-1 — фотоумножитель, использующийся для юстировки, Л1 — фокусирующая линза, ФЭУ-2 — монитор интенсивности синхротронного излучения, Ш — шторка, ВК — вакуумная камера синхротрона, ЮС — котировочная сетка.

На рис. 2 показано типичное угловое распределение комптоновски рассеянных гамма-квантов. Угловой раствор конуса, где зафиксированы рассеянные гамма-кванты, составляет 1,4-10~3 рад. Эта величина приблизительно на 10% меньше углового распределения, рассчитанного с учетом бетатронных колебаний электронов в камере «Сириуса». Уменьшение углового распределения по сравнению с теоретическим объясняется тем, что регистрирующая аппаратура фиксировала гамма-кванты с энергией порядка 0,5 со2 и выше.

0,4 йЛ 0 -0.2 - 0,4 -0,6юр Полоэкение коллиматора ,

Рис. 2. Угловое распределение комптонорских гамма-квантов.

(Л7Л7)

- И 0 0,4 0,8 (л7Р;

Распределение % - к§анто§

Рис. 3. Положение максимумов компто-новских гамма-квантов в зависимости от положения лазерного фокуса на сечении пучка.

¡Распределение плотноспи электронов в поперечном направлении измерялось перемещением фокусного пятна лазера. Для каждого положения фокусного пятна снималось угловое распределение. По величине максимума углогвого распределения можно было судить о плотности электронов в области взаимодействия, кроме того, по местоположению максимума относительно оси пучка можно определить преимущественное направление импульса электронов в области взаимодействия.

На рис. 3 показаны угловые распределения комптоновски рассеянных гамм а-¡квантов при различных положениях фокусного пятна лазера на сечении электронного пучка.

Максимумы этих распределений в центральной части пучка лежат в пределах угловой ошибки установки 5-10~5 рад, и только по краям электронного пучка направление движения электронов относительно равновесной орбиты составляет 2-Ю-4 рад. Теоретическая оценка углового разброса электронов, обусловленного бетатронными колебаниями, составляет величину порядка 1,4-Ю-4 рад для синхротрона «Сириус».

и

«о Со

-S -S

1 0.5

to сэ а:

S

H ce

о 1 г 3 4 5 8. ? 3

—— от центра тшита

Рис. 4. Плотность распределения электронов по сечению пучка.

На рис. 4 показано распределение плотности электронов в поперечном направлении по сечению пучка.

Данная работа и работа [6] показали, что лазерный луч может быть использован, как невозмущающий зонд для диагностики электронного пучка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методы исследования плазмы. Под редакцией В. Лохте-Хольтгревена. М., «Мир», 1971.

2. О. Ф. Куликов, Ю. Я. Те льнов, Е. И. Филиппов, М. И. Якименко. ЖЭТФ, 47, 1519 (1964).

3. С. В em por and, R. H. M i 1 b u r n, N. T a n a k a,. M. F o t i n o. Phys. Rev. 133, 1546 (1965).

4. A. В. Пешков, E. И. Александров, A. В. К а р а к у ц е в. Труды VIÍ межвузовской конференции по электронным ускорителям (Томск, 1968), вып. 4. Атомиздат, 1970.

5. R. H. Mil bu г п. SLAC Report, N 41, (1965).

6. J. R. Saur, R. H. M i 1 b u r n, C. K. S i п с 1 a r, M. F o t i n o. IEEE, Tran-saktions on Nuclear Sciens 16, 1077 (1968).