Technika obrazowania wiązki dorównująca poziomem zaawansowania nowoczesnym akceleratorom
Systemy diagnostyki wiązki są nieodłącznym elementem każdego akceleratora cząstek. Bez elementów diagnostycznych niemożliwa stałaby się obsługa akceleratorów liniowych do radioterapii w leczeniu nowotworów, nie wspominając o największym na świecie rozbijaczu atomów, tj. Wielkim Zderzaczu Hadronów. Służą one do poznawania właściwości wiązki cząstek i jej zachowania w kompleksie akceleratora. Praca uczestników projektu DITA-IIF (Investigations into advanced beam instrumentation for the optimization of particle accelerators) poświęcona była unowocześnianiu metod diagnostyki wiązki w oparciu o światło emitowane przez wiązkę naładowanych cząstek. "Istnieje wiele rodzajów diagnostyki wiązki, przy czym niektóre z nich bazują na bezpośredniej detekcji ładunków i prądów indukowanych przez wiązkę. Celem projektu DITA-IIF było wprowadzenie ulepszeń technologicznych w diagnostyce promieniowania optycznego lub bliskiego promieniowania optycznego", wyjaśnia prof. Carsten Welsch, koordynator projektu z Uniwersytetu w Liverpoolu w Zjednoczonym Królestwie. Optyczne metody obrazowania Zespół projektu DITA-IIF, pod kierownictwem dr Ralpha Fiorito z Cockcroft Institute Uniwersytetu w Liverpoolu, opracował nowy algorytm do analizy promieniowania przejścia optycznego wytworzonego w momencie, gdy wiązka przecina cienką warstwę folii. Mówiąc dokładniej, kształt mierzonego obrazu promieniowania przejścia optycznego — tak zwanej funkcji źródła punktowego — z pojedynczego elektronu jest wykorzystywany do obliczenia wielkości wiązki. Aby uzyskać dokładność poniżej jednego mikrometra, sztuczne obiekty, takie jak aberracje czy przemieszczenia, są izolowane oraz usuwane. "Nowa metoda obecnie używana jest do poprawienia rozdzielczości układów optycznych przeznaczonych do obrazowania wiązek o rozmiarach w skali mikrona, które są wytwarzane w akceleratorze testowym (Accelerator Test Facility) mieszczącym się w Laboratorium Fizyki Wysokich Energii KEK w Tsukubie w Japonii", zaznacza prof. Welsch. Ponadto naukowcy opracowali nową technikę obrazowania wiązki w oparciu o układ elektronicznie kontrolowanych mikrozwierciadeł. To urządzenie do cyfrowego przetwarzania światła zapewnia maskę optyczną do odfiltrowywania promieniowania optycznego z rdzenia wiązki i dodawania tak powstałego obrazu do tego utworzonego przez zewnętrzne halo. Pełniąc rolę filtra przestrzennego, ogranicza ono dyfrakcję światła wokół układów optycznych używanych do obrazowania wiązki. Aby ocenić skuteczność tych systemów do obrazowania wiązki, naukowcy zajmują się obecnie porównywaniem sporządzonych pomiarów z wynikami symulacji za pomocą programu Zemax Optical Studio. Profesor Welsch dodaje, że "to badanie porównawcze nie tylko pomoże nam lepiej zrozumieć metody obrazowania wiązki, ale także wszystkie inne narzędzia do cyfrowego przetwarzania światła, wykorzystywane do obrazowania w medycynie czy astronomii, oraz aplikacje do zdalnego odczytu". Nieinwazyjne obrazowanie z użyciem promieniowania koherentnego Zespół DITA-IIF poszedł o krok dalej i zaproponował nową metodę obrazowania wiązki opartą na pomiarach promieniowania koherentnego wytwarzanego w momencie, gdy duża liczba elektronów przechodzi przez aperturę. Zarówno rozmieszczenie kątowe, jak i przestrzenne dyfrakcji promieniowania koherentnego jest rejestrowane i analizowane w celu wydobycia długości fali. Co ważne, naukowcy mogli uzyskać obraz funkcji źródła punktowego dyfrakcji promieniowania koherentnego w zakresie długości fali rzędu teraherców. Używając wiązki elektronowej o energii 20 gigaelektronowoltów, wytworzonej w laboratorium Advanced Accelerator Experiment Tests (FACET) na Uniwersytecie Stanforda w Stanach Zjednoczonych, uczestnicy projektu wykazali także brak jakiegokolwiek zanieczyszczenia z innych źródeł promieniowania. Poza pokonywaniem barier technicznych w dziedzinie obrazowania wiązki wysokiej energii, "narzędzia diagnostyki opracowane w ramach DITA-IIF mają znakomite perspektywy, jeśli chodzi o ich zastosowanie do wielu różnych akceleratorów oraz źródeł światła. Dzięki nim uzyskiwana jest lepsza rozdzielczość przy najmniejszym możliwym stopniu inwazyjności. Jest to prawdziwy przełom w badaniach nad pełną charakterystyką wiązki naładowanych cząstek", podsumowuje prof. Welsch.
Słowa kluczowe
Obrazowanie wiązki, obrazowanie z użyciem promieniowania koherentnego, akceleratory cząstek, DITA-IIF, źródła światła