光学渡越辐射测量中能量分辨精度分析

基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数。分析了测量系统的结构参数(包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸)对电子束能量测量精度的影响,并在理论上

　第17卷　第6期

　2005年6月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.17,No.6　Jun.,2005　文章编号:　100124322(2005)0620956205

光学渡越辐射测量中能量分辨精度分析

江孝国,　杨国君,　张开志,　石金水,　邓建军,　李　勤

(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900)3

　　摘　要:　基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应

快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数。分析了测量系统的结构参数(包括

了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸)对电子束能量测量精度的影响,并在理论上模拟了电子束的发散

角的影响。还根据系统数据的特点,阐述了数据噪声对能量测量结果精度的影响,指出了光学渡越辐射测量中

电子束能量分辨精度受到多种因素的影响,需要在数据处理时考虑修正。

　　关键词:　光学渡越辐射;　强流加速器;　束流诊断;　电子束发散角

　　中图分类号:　O463.1　　　　文献标识码:　A

　　当运动的带电粒子穿过两种不同介质的界面时会产生能量的向外辐射,辐射能量的分布具有显著的角度分布特点,这种现象称为光学渡越辐射(opticaltransitionradiation,OTR)。OTR能够用于高能电子束的束流参数测量的最根本原因是辐射能量显著的空间角分布特点,该分布与电子的能量和电子束的发散角度有密切关系。电子能量越高,OTR图案峰的对比越大,反之,则越小。OTR图案的特点是其峰的位置对应到电子束束能量的最可几能量,由此可以测得电子束的能量。因此,电子能量越高,OTR峰越明显,测量越容易。但是,电子束的发散角也会影响OTR的一些特征,发散角越大,OTR图案峰的对比降低,且峰的位置也往外移。理论计算结果表明,在电子束能量为20MeV时,当其发散角达到30mrad时,OTR图案中的双峰已基本消失,此时实际上是无法从OTR图案中测得电子束能量的。同时,由于OTR光相对比较弱,记录系统的性能(噪声、灵敏度)对记录到的OTR图像信号有影响,从而影响测量结果。针对利用OTR图像数据测量电子束能量的测量精度问题,在文中分析了测量系统的结构参数(包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸)及电子束本身参数对测量结果的影响,并且还根据相应数据的特点,阐述了数据噪声对能量测量结果的影响。1　OTR测量电子束能量原理

　　OTR光辐射能量以显著的角分布为特征,利用OTR光进行电子束能量测量正是以此为原理的。当电子束从真空中射入金属介质时,产生的后向OTR光辐射能量的空间角分布可表示为[1]

2222=π3εθ)2dωdΩ16cos0c(1-β(1)

Fig.1　CharactersofOTRandtypicalOTRpattern

图1　OTR及典型的OTR图案

3收稿日期:2004211212;　　修订日期:2005204206基金项目:国防科技基础研究基金资助课题

),男,硕士,副研究员,主要从事CCD测量系统设计及应用、作者简介:江孝国(1968—图像信号处理技术的研究;绵阳9192106信箱;E2

mail:J_xg_caep@http://doc.guandang.net。

基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数。分析了测量系统的结构参数(包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸)对电子束能量测量精度的影响,并在理论上

式中:β是电子的相对论速度因子;θ是OTR光相对于电子运动方向的夹角(对于前向光)或电子运动方向在靶

),如图1(a)所示。由式(1)可知,辐射光强度表面的反射方向上(对于后向光)的夹角(此时电子入射角为45°

最大值出现的方向在γ-1角度上,γ是入射电子的Lorentz相对论因子,且

γ=E/0.511+1(2)

22)。由式(1)还可知,当电子能量较高时,渡越辐射具有显著双峰形式中:E为电子能量(MeV),且γ=1/(1-β

状的角分布,如图1(b)所示,因此利用OTR测量较高能量的电子束是合适的。

2　测量光路及影响因素

2.1　

测量光路

　　为了得到角度分布,采用了焦平面成像的原理[2],如

图2所示。根据几何光学的原理,在物方所有以相同的

方位角θ入射的平行光线都将汇聚在像方焦平面上一点

A;即说明焦平面上的每一点坐标对应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,以此完成从角度空间分布到2维平面空间

分布的转换,因此由焦平面上的像分布可以推算出电子

束的发散角情况。由于OTR光具有偏振特性,为了获

[3]得对称分布的OTR峰值图案,选择“垂直观察平面”

作为测量系统的观察方向,并且以CCD为图像记录系

统,CCD的光敏面放在透镜的像方焦平面上。如果不对

OTR光的偏振性作选择,实际上将得不到具有双峰特点Fig.2　OpticsarrangementforcollectionofOTRangularpattern图2　OTR图案收集的光路设计

的OTR图案[1,4],也就无法利用OTR特点进行电子束能量的测量。

　　由无限远物平面成像的原理可以知道,以相同的方位角θ入射的平行光线汇聚在像方焦平面上一点A的位置(像高y)为[5,6]

θ)(3)y=ftan(

式中:f是透镜的像方焦距,并以能够收集尽量多的光能为原则放置透镜。因此,取通过焦平面上的OTR图案中心的剖线可以得到如图1(b)的典型曲线,从曲线上的最大值由式(2)可以求得对应的电子能量,而像面的有效大小和透镜的焦距将决定系统的测量范围。

2.2　系统参数的影响

　　考虑到OTR的最大值出现在1/γ处和式(2),(3)的关系,在OTR的最大值处有

)(4)y=ftan(E+0.511

对式(4)求微分并稍作变化,可得

22ΔE=cos()y(5)fE+0.5110.511

在式(5)中的Δy主要取决于CCD像元的尺寸,该式在理论上表示了OTR峰值位置的不确定(一个CCD像元尺寸)对能量测量所产生的误差。明显地,透镜像方焦距f越大,误差越小,但像方视场也越大,要求使用大面积的CCD,会造成成本过高。对于能量为20MeV左右的电子束,其OTR峰值出现在约1.42°的方向上,如果采用焦距为500mm的镜头,则OTR双峰对应到约<25mm的直径,考虑到要收集数倍于此值范围的图像,CCD面积还要大,这已经是不现实的了。如果选择小的CCD像元面积,在保持同样的像面时,就要求CCD像元成倍增加。针对比较实际的系统(如CCD为1024×1024、像元尺寸为24μm×24μm)而言,要获得20MeV电子束4倍γ-1角度内的OTR对称图像,镜头的焦距约为125mm。在此条件下,系统对20MeV的电子束的能量最高分辨能力约为0.158MeV,对18.5MeV电子束的分辨能力约为0.129MeV。图3是根据式(5)所作的理论模拟结果。由此可见,像面上CCD像元的阵列取样导致OTR图像采样的离散是理想情况下存在分辨误差的根本原因,像元尺寸是一个关键因素。

2.3　电子束能散的影响

基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数。分析了测量系统的结构参数(包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸)对电子束能量测量精度的影响,并在理论上 …… 此处隐藏：6673字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……