1 引 言
当匀速运动的带电粒子通过不同介质交界面或者时变介质时, 其库仑场会发生改变, 在库仑场重建过程中, 一部分能量被辐射出来, 这种辐射称为渡越辐射( Transition Radiation, 简称 T R) ; 位于可见光波段的渡越辐射称为光学渡越辐射( Optical T ransition Radiatio n, 简称 OT R) , 并且辐射能量的空间分布具有显著的角度分布。该现象在 1946 年由 Frank 和 Ginzburg 从理论上给予了预言[ 1] , 随着测试技术的进步、测量设备的更新和加速器研制的需要, 1975 年光学渡越辐射开始被用来测量和诊断电子束的束参数[ 2] 。基于 OTR 原理的电子束束参数测量技术, 具有空间分辨率高、时间响应快、多参数可同时测量等优点, 成为国际上尤其在强流加速器的研究中被广泛应用和研究的技术。针对神龙一号加速器电子束参数时间分辨测量技术研究, 首先, 达到在 2~ 3ns 内同时对电子束的发散角及束斑进行测量的要求, 才能获得电子束瞬时的发射度, 进而可进行发射度的时间分辨测量; 其次, 要求采用双成像法测量系统, 通过利用同一镜头的焦平面和像平面同时成像的能力来获得所需要的电子束的信息, 故对测量系统的设计提出了新的研究要求。 2 瞬态 OTR 测量系统原理
2. 1 OTR 特征
OT R 光辐射能量有显著的空间角度分布的特征。当电子束以 45入射角从真空射入金属介质时, 产生的后向 OT R 光辐射能量的空间角分布为
和 4. 5 M eV 单个电子产生的 OTR 曲线。因此, 电子束的 OTR 光包含了电子束的能量及发散角的信息, 这是其能用于电子束参数测量的基本原理。
2. 2 测量系统原理
双成像法!是能够同时测量电子束发散角和束斑的有效方法, 图 2 是 双成像法!的成像原理光路。其中焦平面成像方法是使来自 OT R 靶上的、以相同的方位角 #入射到透镜的所有光线都聚焦在焦平面上的一点如 A 点, 即说明焦平面上的每一点位置对应 OTR 光的唯一的一个方位角, 因此该焦平面上的像分布就代表了 OTR 光的角分布, 以此完成从方位角空间分布到二维平面空间分布的转换, 由焦平面上的像分布可以推算出电子束的发散角情况 [ 4] 。像平面成像主要是利用了 OT R 靶上的发光点所发的 OTR 光进行成像, 与通常的成像原理一致, 即来自于 OTR 靶面上同一发光点 B 的所有光线都成像于像平面上的B∀点, 这样就可以获得电子束束斑的分布情况。
利用同一个镜头对无限远处和有限距离处物体进行同时成像是其应用特点之一。
3 瞬态 OTR 测量系统结构的设计
为了能在一次实验中同时获得电子束束斑和发散角的信息, 就要在焦平面和像平面同时放置图像记录系统 CCD 相机或 ICCD 相机, 并且在空间上能够分开。本系统是用于测量电子束瞬时参数的, 所以采用了快门时间为 2~ 3 ns 的 ICCD 相机。系统结构如图 2 所示, 其中 ICCD1 用于焦平面成像以获取发散角信息, ICCD2 用于像平面成像以获取电子束束斑。为了准确使 ICCD1 像面处于镜头的焦平面上, 采用平行光管来调整, 调整完后, 将平行光管及相应的次反射镜移开让出主成像光路。因在电子束前进方向上存在较大的 X 光散射干扰, 故又采用主反射镜将光路折回以避开这类干扰, 在低能的应用中由于干扰小, 可以将镜头直接对准 OTR 靶( 垂直于电子束前进方向) 。
4 OTR 光收集透镜的设计
由无限远物平面成像原理可知, 以相同的 #入射的平行光线汇聚在像方焦平面上A 点的位置( 像高y ) 为
y = f # tg# ( 2)
式中 f 为透镜的像方焦距。f 的选择是镜头设计中的一个重要方面, 在双成像法中主要从测量发散角的角度、系统测量精度及 ICCD 像面的大小、像素尺寸等因素 [ 7] 来选择 f 。OTR 光收集透镜的设计应以尽可能多地收集光能为原则, 一般来讲, 为得到精度较好的数据, 在像面上要获得电子束4~ 5 倍 ∃ - 1角度内的 OTR 光用于成像 [ 8] 。图 3 是不同能量下 OTR 峰值位置( 焦平面上) 与 f 的关系, 对能量在 18~ 20 M eV 的电子束, 如用像面为 25 mm 的相机记录图像, 则焦距在 200 mm 左右就可在像面上获得约5 倍 ∃ - 1范围的图像。除此之外, 镜头口径的选择也遵循这个原则, 现场允许的镜头安装距离最小约为 500mm, 则对应的镜头口径约为 100mm。在满足设计加工的条件下, 镜头的口径尽量做得大一些。
由图 2( b) 可知, 由于受 ICCD 相机的尺寸影响, OTR 镜头的后工作距离较大, 必须将其后主平面设计得尽量往后, 这是镜头设计中的另一个较特殊的要求。
在像平面成像情况下, 对镜头的要求降低了。对于同一目标( OTR 靶) , 照相距离同于上述成像情况, 基本确定为 500 mm; 电子束直径在 20 mm 以内, 可以获得大小为 13. 3 mm 的像, 由于相机的空间采样率为 10~ 20 %m, 所以测量电子束束斑的空间分辨精度高。
5 结 束 语
由于测量系统布局对参数的设计具有决定作用, 瞬态光学渡越辐射测量系统的设计关键是要根据测量现场镜头的工作距离、电子束能量、束斑大小等参数来进行, 系统结构的设计则需要保证正确获得双成像法的图像以及调试方便。由于双成像法的要求, 镜头设计是一项最需要兼顾各方面要求的工作, 需要在焦距、口径上作出平衡。
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