基于康普顿散射的高精度束流截面测量方法的研究

束流截面和发射度是束流的两个重要参数，而对于中、高能束流来说，发射度的测量是基于束流截面的测量。精确地测量束流截面对于提高束流品质和加速器性能有非常重要的作用。束流截面测量的方法有很多种，如荧光靶、丝靶、同步辐射、光学渡越辐射以及衍射辐射、基于康普顿散射的Laser Wire等。其中Laser Wire与其它方法相比拥有诸多优点，如高分辨率、无干扰、能承受高流强等。近年来Laser Wire受到高度关注，国外已有加速器实验室开始开展研究。由于该项目涉及激光技术、光学系统、机械、粒子探测器、电子学等诸多学科，因此研究工作存在相当难度。本申请旨在通过相关实验，深入研究利用Laser Wire测量束流截面的方法以及期望能够在某些具体问题上作出创新性的工作。同时通过该课题研究，培养人才队伍，为将来其它基于激光的束流测量技术的研究打好基础。

项目背景：束流截面是指束流中带电粒子的空间分布。相比于传统的束流截面测量方法，基于激光的束流截面测量具有高分辨率、无干扰、可承受高流强等优点。现代加速器向着小发射度、高流强方向发展，因此需要高分辨率和可承受高流强的束流截面测量方法。而且为了保持束流品质，要求束流截面测量过程对束流的影响尽量小。基于激光的束流截面测量能够较好的满足这些要求，因此受到广泛关注，越来越多的实验室已经或计划开展相关研究。.主要研究内容：对不同的束流截面测量方法进行调研，重点是基于激光的束流截面测量。在调研的基础上对研究中涉及的加速器、光学和激光相关理论进行学习；对Laser Wire测量理论进行研究；基于GEANT4对Laser Wire探测器进行模拟研究，包括探测器材料中的电磁簇射、探测器尺寸的优化设计、不同散射信号位置对探测器的影响等研究。系统设计和建立：包括Laser Wire系统位置选择，Laser Wire系统整体结构设计，重点是激光器、光学系统、探测器等主要部分的设计和建立。具体实验：包括探测器信号研究和扫描实验研究。课题总结：对研究结果、问题进行分析，展望未来基于激光的束流截面测量技术的应用前景。.研究成果：对Laser Wire测量相关的理论公式进行了完整推导，这在其它Laser Wire文献中是没有的，一般文献中均为近似公式。利用理论公式和数值计算方法对BEPCⅡ Laser Wire中激光瑞利长度的影响进行了研究。在Laser Wire探测器模拟方面进行了深入研究，其它Laser Wire研究中对探测器模拟研究不多。在我们的研究中，基于GEANT4对Cerenkov探测器进行了模拟，优化了探测器尺寸。同时对不同散射信号位置进行了模拟，研究了束流管道和不同粒子入射位置对探测器的影响，提出了减小这两方面影响的方法。根据模拟计算结果和实际因素限制设计的探测器结构具有一定创新性，该结构既保证在大范围扫描时能够覆盖光子的入射位置，又能减小由于散射信号入射至探测器位置不同而带来的影响。搭建了一套Laser Wire系统，该系统能稳定运行，并进行了扫描实验，在探测器信号和束流本底等方面进行了详细研究。.科学意义：在BEPCII进行的Laser Wire研究为Laser Wire应用于未来高流强、小截面尺寸束流积累了重要经验，而激光和探测器方面的研究也为其它基于激光的束流测量积累了经验。