Transcript ppt, 5.0 Mb

Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
РЕНТГЕНОВСКОЕ ДИФРАКЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
УЛЬТРАРЕЛЯТИВИСТСКИХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
А.П. Потылицын, М.Н. Стриханов, А.А. Тищенко
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
ОБЩЕЕ О ДИФРАКЦИОННОМ ИЗЛУЧЕНИИ
Рассеяние собственного поля движущейся заряженной частицы –
дифракция кулоновского поля движущегося заряда – дифракционное
излучение
Динамическая поляризация вещества полем движущегося заряда поляризационное излучение

h
BDR
e
FDR
И.М. Франк,
S.J. Smith and H.M. Purcell,
В.Л. Гинзбург,
Б.М. Болотовский,
В.П. Шестопалов,
М.Л. Тер-Микаелян
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
ОБЩЕЕ О ДИФРАКЦИОННОМ ИЗЛУЧЕНИИ
Область применимости :
- невозмущающая диагностика сгустков заряженных частиц
- источник излучения электромагнитных волн в разных диапазонах
e
800
rb. u
Intensity (a
nits)
a
600
400
0
y
4
200
2
0
2
0
0

y
ODR
-2 x
-2
-4
-4
Диагностика с помощью ДИ используется сегодня на
KEK ATF (Japan), FLASH (Germany), Cornell (USA);
создается машина по диагностике по ДИ на SLS
(Switzerland); на SLAC (USA) использовалась
диагностика на ИСП.
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
ОБЩЕЕ О ДИФРАКЦИОННОМ ИЗЛУЧЕНИИ
Эффект Смита-Парселла
- невозмущающая диагностика сгустков заряженных частиц
- источник излучения электромагнитных волн в разных диапазонах
n 
d
1
cos



n
 
Спектры излучения Смита-Парселла,
генерируемые пучком электронов с
энергией 20 кэВ (светлые кружки) и
22,5 кэВ (прямоугольники).
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
ОСОБЕННОСТИ ДИ В РЕНТГЕНЕ
Структура собственного поля движущегося заряда – характерный
пространственный размер и частота отсечки
1
E   c
3
 c h, h  c  p
c  
  p , h  c  p
Оптические схемы диагностики основанные на использовании переходного и
дифракционного излучений, ограничены: длина волны порядка поперечных
размеров сгустка.
Для невозмущающей диагностики сгустков с субмикронной точностью
нужна теория жесткого ДИ и ИСП!
Мы развиваем теорию жесткого ДИ, имея ввиду использование его на CLIC
(CERN, Compact Multi‐TeV Linear Collider).
A.P. Potylitsyn, M.I. Ryazanov,
M.N. Strikhanov, A.A. Tishchenko,
Diffraction Radiation from Relativistic
Particles,
Springer, 2010
P. Karataev, T. Lefevre et al,
UV/X-ray Diffraction Radiation for Nonintercepting Micron-Scale Beam Size
Measurement,
RREPS-2011, London
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Спектрально-угловое распределение ДИ
I 10
5
d2 W
d
TR
b 2мм
b 0.5 мм
b 0.2 мм
DR
20
,
10 5
5
25
,
d
4
15
3
10
2
5
1
b 70 мкм
эВ
2
4
6
8
100
10
Угловое распределение
интенсивности переходного и
дифракционного излучения вперед
для мишени из бериллия
  8 10
4
h  30  m
200
300
400
500
Зависимость спектра дифракционного
излучения от ширины мишени.
p  4.11016 c1
p  26.1 eV
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Жесткое ДИ вблизи линий поглощения
 1  2 2 2 sin 2 
d 2W  n,  
 2h

2 2
2
 2
exp

1



sin



2 2
2
d d   
 1    sin 
 c

2
    1       i   
      p2  2  0
   
   
 a 2

 a  
1  exp  i
   2      exp  
 

 2c

 2c 

2
2
2 
2
2










 
   2 
2
d2 W
d
d
5
4
3
2
1
20
 ДИ  0,
   1
 ВЧ      2 ,    
    2
40
60
80
100
120
, мрад
Угловое распределение ДИ электронов с
энергией 5 ГэВ от углеродной мишени   284 eV
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Жесткое ДИ от периодических мишеней
PDR и PXR, кристаллическая мишень
30000
25000
20000
IPDR
10 9rad 2
IPXR
10 9rad 2
  105
15000
10000
5000
,rad
2.35605
2.35615
2.3562
2.35625
2.3563
2.35635
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Смита-Парселла
J.C. McDaniel, D.B. Chang, J.E. Drummond, W.W. Salisbury,
Smith-Purcell radiation in the high conductivity and plasma frequency limits,
Applied Optics 28, 4924 (1989).
непрозрачный экран??
M.J. Moran,
X-ray generation by the Smith-Purcell effect,
Phys. Rev. Lett. 69, 2523 (1992).
E
z
V
a
b
rad
  1 but
 h 
 exp 
 , at   1  h   ??
 c 
Ультрафиолетовое и
рентгеновское дифракционное
излучение: основы теории
построены в
A.A. Tishchenko, A.P. Potylitsyn,
M.N. Strikhanov,
Phys. Rev. E 70, 066501 (2004);
Phys. Lett. A 359, 509 (2006).
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
v
z
h


x
…
b
N
a
I
SPR
e
 n,   
c
2
   v y k y 
2
2
2
2

0  

k


c

y
v
x


  vk 

,
vx
  v y k y
A
e x  k y e y  v v 2
vx
2
d
y
  

2 

 2 
2
p
2
2
2
2


1

n

A

An



z
sin  a 2  exp  2h 


Fb FN
2
2
2
2

c



k
 
1  nv  c
z 
2
2


Fb b,    1 2exp  b  cos bkz   exp  2b 


Nd


vk
sin 2 

2
v
   vk

x


N 1
FN 

 2 N    d
 2 m 
vx
m
2  d   vk 


sin 

 2 vx 
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Характерные черты УФ и рентгеновского
излучения Смита-Парселла
d 2 E  n,  
1

d d   
1    cos 


2
 2h 
 d

exp 

1


cos


2

m


 

c

v


m


Существует две характерных частоты и соотношение Смита-Парселла:
c  c h
c   p
  cos  
1
m
d
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Характерные черты УФ и рентгеновского излучения Смита-Парселла
d 2E
105
d (  )d 
Зависимость спектральноугловой плотности излученной
энергии от частоты при
разных значениях высоты и
числа пластин
 ,c 1
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Эффекты когерентности в рентгеновском дифракционном излучении
dWN  n,   dW1  n,  

FN
d d
d d 
dW1  n,        1 


d d
v



FN
где


v
2
ce2
 4 
2
 Nd 
sin 2 
2

2
2
2

h

k
cos

sin

2

 2  2 cos a
c
e
 

2
d



 1

2
sin 2 



sin

  2 2

 2 



c  2 
16 v 4 2
   
M
I1 
r0   M  M  1 2 2 4 sin 2  l  I12 
r0 
 r0  c 
r0 l 
 2v   c 
k   k    

c
  n
    k    cos 
v2    
  2 1  2   

v  c   c 
2
2 
2
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Эффекты когерентности в рентгеновском дифракционном излучении
Когерентный фактор
FN
c  2 
16 v4 2 2    2   
M
I1 
r0   M  M  1 2 2 4 sin  l  I1 
r0 
r0  c 
r0 l 
 2v   c 
F' 10 20
.
14
12
10
8
6
4
2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
,sm
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
ACCELERATOR TEST FACILITY AT KEK
Extraction Line
27.6m
50.4m
1.28 GeV Damping ring
L0
L1
L2
L3
L4
Lec1
L5
L6
L7
L8
L9
L10
L11
L12
Lec2
L13
L14
L15
L16
1.28GeV S-band LINAC
120m
Electron beam parameters
Maximum energy
Beam emittance
Vertical
1.28 GeV ( = 2500)
(1.5  0.25)  10-11 m rad
Horisontal
(1.4  0.3)  10-9 m rad
Vertical beam size (near the ODR target)
Horizontal beam size (near the ODR target)
Bunch length
Single-bunch population (max)
Energy spread
y < 10
x < 100
~ 8 mm
2  1010
0.08%
CORNELL ELECTRON SYNCHROTRON RADIATION
TEST ACCELERATOR
CESRTA
Layout of the CESRTA
experimental region in
the L3 straight
Parameter
Energy
Emittance (x / y)
Minimal beam sizes (x / y)
Energy spread
Beam jitter requested (x / y)
Bunch population
Value
2 – 5 GeV
2.6 nm / 20 pm
50 um / 1 um
8.4  10-4
25 um / 2.2 um
3  10 10
КОМПАКТНЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ КОЛЛАЙДЕР
(CLIC, COMPACT LINEAR COLLIDER, )
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Некоторые замечания о прямом и
обратном переходном излучении
2


1
E full     p
n
y

1
  1

3
V ETRmax  r,   
1
1     sin 2   cos 2  
" "  ПИ вперед,
x
max
EFTR
 r,   
" "  обратное ПИ
1
 2   p2  2
   2 
max
EBTR
 1
 4 cos 2  ,  наклонное падение (не скользящее)  1

1


1

1
2
,

скользящее
падение

   1


2
p
2
2

p
  2  4 cos 
2

  2  4 2



A.A. Tishchenko, M.N. Strikhanov,
A.P. Potylitsyn, NIMB 227, 63 (2005).
C. Couillaud, NIMA 495, 171 (2002).
М.И. Рязанов, Письма в ЖЭТФ 39, 569 (1984).
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011

act
j r,  



1
E
   r, 

4 i
e
i k r
k     
0
vac
E

c
ie q  v c2
 q,     2 2 2 2    qv 
2 q   c
n
L. Durand, Phys. Rev. D 11, 89 (1975).
E  r,   
r
i
exp ikr i

r
c
2
 is  ni ns  

 d 3 r exp i   kr js  r,  
V
act
E
r,   E r, 
0
vac
Это грубое приближение,
или нет? Нет!
2
q

v



c


ie
1
E0m  q,     2
   qv 
2
2
2
2    q   c    
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
4
H  r,    k    H  r,    
   j0  r,    j  r,   
c
2
4
H 0  r,    k H 0  r,    
  j0  r,  
H  H  H0
c
4
H  r,    k 2   H  r,    
  j  r,    k 2 1      H 0  r ,  
2
c
В однородных средах
H  r,    k 2   H  r,    i
    1  1

    1   E0  r,  
c
М.И. Рязанов, М.Н. Стриханов, А.А. Тищенко, ЖЭТФ 99, 311 (2004).
A.P. Potylitsyn, M.I. Ryazanov, M.N. Strikhanov, A.A. Tishchenko, Diffraction
Radiation from Relativistic Particles, Springer, 2010
   произвольна
…+ принцип взаимности - Д.В. Карловец, А.П. Потылицын, Письма в ЖЭТФ
(2009).
Секция ЯФ ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», ноябрь 2011
Эффекты когерентности в рентгеновском дифракционном излучении
Спектрально-угловая плотность распределения излучения
N  100
  3.1p
.
h  3 103 sm
M  1018  r02l
  105
p  4.11016 s-1