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1、第10卷 第2期强 激 光 与 粒 子 束Vol.10,No.21998年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,1998X采用束斑极小化的双屏法测量发射度的计算张令翊 庄杰佳(中国科学院高能物理研究所,北京2732信箱,100080) 摘 要 双屏法是一种常用的标准的几何发射度测量方法,它需要束流在其中一个靶屏上成腰这一特定条件。在把束腰调到靶屏上非常困难的情况下,可通过调节前面的四极磁铁使靶屏上的束斑尽可能的小(束斑极小化),以此代替“成腰”条件,并推导出与“束斑极小化”相对应的双屏法测量发射度计算公式。 关键词 发射度 双屏法测量 中图分类号
2、TL501.5 双屏法是一种针对高能带电粒子的、标准的几何发射度测量方法,由于它易操作,所以经[1,2,3,5]常被各加速器实验室所采用。该方法所用的发射度计算公式,其成立的必要条件是束流必须在其中一个靶屏上成腰,简称为“成腰”。该条件能否得到满足与具体的测量装置有直接的关系。如果靶屏可以沿着轴向移动,那么通过判断束包络的极小位置来找束腰也许是不困难的。因为束腰的位置正是区间上束包络极小的位置(束包络极小和极大的位置都可以称为束腰,但这里不考虑后者)。然而,就大多数情况来说,靶屏往往是沿轴向不可移动的,这时就得把束腰调到靶屏的位置上。但在实际中要做到这一点就非常困难,这时人们往往用另一
3、种方法来近似,即通过调节前面的四极磁铁使靶屏上的束斑尽可能的小,简称“束斑极小化”,以此来代替“成腰”。可以证明这时束腰不在靶屏的位置上,而是在它的前面。靠近靶屏的程度与束流的传输状态有关系。本文推导出了一个与“束斑极小化”条件相对应的双屏法发射度计算公式。1 标准双屏法Fig.1Two2screenemittancemeasurementlayout.Fig.2Thecomparisonbetweenformingbeam图1 双屏法测量发射度装置和原理图。waist(sold)andminimizingbeamspot(dashed)Q:四极磁铁;S1和S2:束流包络测量靶屏。图2
4、“成腰”(实线)和“束斑极小化”(虚线)的比较,束腰应调在其中的一个屏上,比如S2上。箭头所指处是束腰。 X国家863激光技术领域资助课题1997年9月18日收到原稿,1998年3月20日收到修改稿。张令翊,1961年7月出生,副研究员,在读博士生©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.310强激光与粒子束第10卷 标准双屏法测量发射度的基本原理如图1所示。在四极磁铁后的一段漂移段上,相隔一段距离放置两个靶屏。靶屏可以由各种材料做成。例如:由荧光物质做成的荧光屏、介电材料做成的穿越辐射屏、切伦可夫屏等
5、。测量时,首先使束流的“腰”恰好处在某一个靶屏的位置上。然后,保持这种状态不变,分别测量束流在这两个屏处的包络大小。再用如下公式就可以算出发[2]射度22E=r2r1-r2öL(1)其中r2是成腰屏处束包络的半径;r1是另一个屏上束包络的半径;L为两屏之间的距离。2 “成腰”和“束斑极小化”的区别 “成腰”和“束斑极小化”都是一个寻找极小值的过程,“成腰”是寻找束包络在一个区间上最细的地方,在它的两边束包络都比它的大。而“束斑极小化”的过程却不同。它是在一个固定的位置上,通过调节前面的聚焦元件使束流在该位置处的包络相对于它从前要小,直至束包络在该处达到最小值。可以证明束腰此时不在这个位
6、置上,而是在它的前面。靠近的程度与束流的传输状态有关。对双屏法而言,“成腰”就是让靶屏与束腰相重合。比如,你可以移动靶屏主动去找束腰;或是靶屏不动,通过调节它前面的四极磁铁使束腰移到靶屏的位置上。而“束斑极小化”则是通过调节靶屏前面的四极磁铁使屏上的束斑聚到最小。 下面的假想例子说明了这一区别。四极磁铁在z=0的位置上。在四极磁铁入口处,假设[4]-1-1Twiss矩阵元和四极磁铁的聚焦参数B0=2mm·mrad,A0=4.359,C0=10mrad·mm,E-1=2Pmm·mrad和K=-0.002679mm,可以算得此时束腰在z0=1000mm的地方,如图2中上面的一条曲线所示。现
7、在调节四极磁铁的聚焦参数K,同时观察z0处束流的包络变化。计-1算表明,当调至K=-0.003179mm时,z0处的束包络恰好聚到了最小,但此时束腰已移到z0的前面去了,如图2中虚线所示。3 “束斑极小化”的双屏法测量发射度计算公式 我们推导与“束斑极小化”相对应的发射度计算公式。电子的Twiss矩阵,其分别在靶屏[4]S2和四极磁铁入口处的值由下式联系起来B2A2B0A0T=MM(2)A2C2A0C0在薄透镜近似下,装配矩阵M有
