Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Циклические ускорители с продольным магнитным полем 15
1.1. Принцип действия и варианты конструкции 15
1.2. Особенности динамики заряженных частиц в модифицированном 21
бетатроне
1.3. Накопитель LEPTA 26
Глава 2. Методы расчета динамики частиц в секционированном накопителе с
продольным магнитным полем 33
2.1. Постановка задачи 33
2.2. Матрицы преобразования оптических элементов накопителя с
продольным магнитным полем 35
2.3. Матричный анализ устойчивости движения частиц 55
2.4. Дисперсионные функции 57
2.5. Структурные функции Эдвардса-Тенга 58
2.6. Метод канонически сопряженных переменных. 61
2.7. Алгоритм расчета 67
Глава 3. Физическое обоснование параметров фокусирующей системы
накопителя LEPTA 69
3.1. LEPTA - генератор позитрония 71
3.2. Условия устойчивого движения частиц в накопителе LEPTA 73
3.3. Оптимизация структурных и дисперсионных функций 78
3.4 Динамика циркулирующего пучка 81
3.5. Влияние согласования пучка на время жизни в накопителе LEPTA 84
3.6. Диффузионные процессы, влияющие на время жизни пучка 85
3.7. Требования к фокусирующей системе накопителя для генерации
позитрония 96
Глава 4. Эксперименты с циркулирующим электронным пучком в
накопителе ЛЕПТА 99
4.1. Физический пуск накопителя 99
4.2. Измерения положения рабочей точки 101
4.3. Методика измерения времени жизни пучка 103
4.4. Оптимизация структурных функций 105
4.5. Оптимизация времени жизни пучка 107
Заключение 111
Литература 113
Введение к работе
Циклический ускоритель со специфической конфигурацией полей, когда введена дополнительная азимутальная компонента магнитного поля, позволяющая осуществить эффективную фокусировку интенсивного пучка при малой энергии ускоряемых частиц, получил название "модифицированный бетатрон". В обычном бетатроне максимальная величина тока пучка определяется инжекционными условиями, когда эффекты пространственного заряда максимальны из-за малой энергии, а величина фокусирующего поворотного поля небольшая. В связи с этим появилась идея использования продольного магнитного поля (тороид) в циклических ускорителях типа бетатрон.
Первые эксперименты по ускорению электронов в бетатроне с дополнительным тороидальным полем были осуществлены в Великобритании сразу после Второй Мировой войны. Поэтому модифицированные бетатроны являются предшественниками термоядерных (плазменных) установок - токамаков и стеллараторов, в которых также используется фокусировка продольным магнитным полем. Главное принципиальное отличие бетатронов от плазменных установок в том, что частицы в них имеют выделенное направление движения: компонента импульса, параллельная направлению магнитного поля, много больше двух других, поперечных к полю, компонент. Устойчивой работы первого бетатрона добиться тогда не удалось, так как пучок электронов после нескольких оборотов попадал на стенку камеры вблизи точки инжекции. Результаты этой работы не были опубликованы, но упоминания о ней можно найти, например, в [1].
Дальнейшее развитие ускорителей этого типа началось после работ [2, 3], где были даны оценки предельной интенсивности ускоренного пучка и предложены более
удачные схемы инжекции. Одной из проблем модифицированного бетатрона является изменение характера устойчивости движения частиц при переходе от диапазона низких энергий, где фокусировка осуществляется в основном продольным полем, к высоким энергиям, где фокусировка обеспечена градиентным, спадающим по радиусу поворотным полем. Этот недостаток может быть преодолен введением дополнительного спирального мультипольного поля, аналогичного полю стелларатора. Ускорители с таким дополнительным полем были предложены в [4] и получили название "стеллатрон".
Несколько установок типа модифицированного бетатрона были созданы и экспериментально исследованы в США в середине 80-х, начале 90-х годов прошлого века. К ним относятся - модифицированный бетатрон университета Калифорнии (UCI) [5], впоследствии переоборудованный в стеллатрон; "удлиненный модифицированный бетатрон" МЕВА [6]; модифицированный бетатрон лаборатории военно-морского флота [7], в котором также использовались дополнительные стеллараторные обмотки; разрезной модифицированный бетатрон университета штата Нью-Мексико, в котором фокусировка пучка осуществлялась системой соленоидов с противоположным направлением поля - С ATE (Casp Array Transport Experiment) [8]. Ни на одной из этих установок не были получены проектные параметры пучка, и экспериментальные исследования на этих установках были прекращены в середине 90-х годов. Основными причинами неудачи были сложность схемы инжекции пучка в продольное поле и резонансы, связанные с ларморовским вращением электронов, которые приводили к гибели пучка на высоких энергиях.
Новая оригинальная схема накопителя заряженных частиц с фокусировкой продольным магнитным полем была предложена в Институте Ядерной Физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск) в 80-х годах. Предложение появилось в связи с
развитием идеи генерации антиводорода "на лету". Схема такой генерации [9] предполагает использование двух накопителей - антипротонов и позитронов, имеющих общую прямолинейную секцию, в которой оба пучка совмещены и имеют одинаковые средние скорости. При рекомбинации позитронов и антипротонов и образуются атомы антиводорода. Изначально в этой схеме предполагалось использование для позитронов обычного жесткофокусирующего накопителя [9]. Но для постановки экспериментов на потоках атомов антиводорода оптимальная энергия атомов лежит в диапазоне десятков МэВ, что требует энергии позитронов в несколько кэВ. Обеспечение устойчивого движения частиц в обычном жесткофокусирующем накопителе является затруднительным. Для преодоления этой трудности в [10] было предложено использовать для фокусировки позитронов продольное магнитное поле. Однако авторам этой работы не удалось найти решение проблемы инжекции позитронов в продольное магнитное поле без значительного увеличения их поперечных скоростей и совмещения циркулирующего позитронного пучка с охлаждающим однопролетным электронным. Последняя трудность оказалась принципиальной, т.к. для эффективной антипротон-позитронной рекомбинации необходима низкая температура рекомбинирующих частиц, что в области. малых энергий может быть обеспечено только электронным охлаждением. При этом электронное охлаждение позитронов также сопровождается процессом рекомбинации - электронов и позитронов, с образованием направленного потока позитрония, что дает дополнительную возможность проведения экспериментов по физике позитрония в новой постановке.
Решение было найдено авторами работ [11, 12], в которых была предложена схема инжекции и совмещения замагниченных позитронного и электронного пучков (т.е. таких, источники которых погружены в продольное магнитное поле).
Для обеспечения долговременной устойчивости движения было предложено использовать спиральное квадрупольное поле. Предложенная схема накопителя позволяет осуществить устойчивое движение пучка в диапазоне энергий до нескольких МэВ. Поэтому на базе этой схемы была предложена также система электронного охлаждения циркулирующим электронным пучком для области высоких, порядка нескольких ГэВ, энергий охлаждаемых ионов [13].
При энергии охлаждаемых частиц в несколько ГэВ ожидаемые времена охлаждения составляют от нескольких минут до нескольких часов, при этом за один пролет секции охлаждения параметры охлаждающего электронного пучка не успевают существенно ухудшиться. Это позволяет многократно использовать один и тот же электронный пучок, циркулирующий в небольшом накопителе. Традиционно в системах охлаждения продольное магнитное поле используется для транспортировки электронного пучка без ухудшения его качества. Использование продольного магнитного поля в системе электронного охлаждения с циркулирующим электронным пучком приводит к использованию накопителя типа модифицированного бетатрона. При этом ускорение электронов до требуемой энергии может быть осуществлено индукционным методом в том же самом накопителе с использованием бетатронного сердечника (индуктора). Схема такого накопителя для электронного охлаждения циркулирующим пучком была представлена на конференции по электронному охлаждению частиц промежуточных энергий в Новосибирске [13]. Аналогичное применение модифицированного бетатрона было предложено в лаборатории им. Ферми при разработке проекта системы электронного охлаждения для накопителя антипротонов Recycler [14]. По заказу лаборатории им. Ферми в Объединенном Институте Ядерных Исследований был разработан проект системы электронного охлаждения для накопителя Recycler на базе модифицированного бетатрона.
Параллельно в лаборатории им. Ферми было начато создание тестовой установки MARK-M. Работа, к сожалению, не была закончена, ввиду успешного завершения тестовых испытаний прототипа системы электронного охлаждения на основе высоковольтного электростатического ускорителя [15].
С целью изучения возможностей применения модифицированного бетатрона для генерации позитрония и антиводорода, а также для электронного охлаждения циркулирующим пучком, в ОИЯИ был создан накопитель LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator) [13], физический пуск которого с циркулирующим электронным пучком был осуществлен в сентябре 2004 г.
Модифицированные бетатроны представляют интерес для решения многих задач. Кроме установки ОИЯИ, на различной стадии проработки находится несколько проектов. Так, например, одним из возможных вариантов реализации электронного охлаждения на максимальной энергии синхротрона COSY (FZJ-Juelich, Германия) является использование накопителя с продольным магнитным полем для охлаждения циркулирующим пучком [16]. В Харьковском Физико-техническом институте продолжаются начатые еще в советское время теоретические исследования динамики частиц в ускорителях такого типа [17]. В последнее время предложено использовать модифицированный бетатрон для производства интенсивных позитронных пучков [18] и для радиационной терапии [19].
В данной работе описываются принцип работы и варианты конструкции модифицированных бетатронов, методы расчета динамики частиц в накопителях со связанным движением в поперечных плоскостях, особенности накопителей "холодных" пучков (LEPTA) в качестве накопителя позитронов низкой энергии для генерации интенсивных потоков позитрония и антиводорода. Представлены результаты первых экспериментов по изучению динамики электронов в накопителе LEPTA.
Основные цели работы.
Данная работа имела целью разработку физического проекта фокусирующей системы секционированного накопителя с продольным магнитным полем и стеллараторным полем для генерации позитрония, физический пуск накопителя, сооруженного в соответствии с разработанным проектом и экспериментальные исследования динамики частиц в нем.
Актуальность работы.
Модифицированный бетатрон представляет собой ускоритель с фокусировкой продольным (азимутальным) магнитным полем. Первоначально такие ускорители были предложены для получения электронных пучков с током несколько килоампер и энергией несколько десятков МэВ. Впоследствии накопитель электронов с аналогичной структурой фокусирующей системы был предложен в качестве системы электронного охлаждения с циркулирующим электронным пучком при энергии охлаждаемых ионов несколько ГэВ. Подобный накопитель, используемый для накопления и электронного охлаждения позитронов с энергией несколько кэВ, может быть использован для генерации интенсивных потоков позитрония и антиводорода (в комбинации с накопителем антипротонов).
Одной из проблем модифицированного бетатрона является сложность инжекции и вывода замагниченных пучков. В азимутально-симметричной структуре эту проблему решить не удалось. В случае использования секционированной структуры в таком накопителе, благодаря наличию прямолинейных промежутков, появляются дополнительные возможности для размещения устройств впуска-выпуска, диагностики, электронного охлаждения и т.п.
В 1998 г. в ОИЯИ были начата разработка и сооружение накопителя позитронов
низкой энергии LEPTA, предназначенного для генерации интенсивных потоков позитрония и экспериментов с ними в принципиально новой постановке. Второй возможный вариант работы накопителя - использование его в качестве системы электронного охлаждения с циркулирующим электронным пучком с энергией 2-4 МэВ.
В сентябре 2004 года был осуществлен физический пуск этого накопителя с циркулирующим электронным пучком при энергии 1-Ю кэВ. В этом накопителе реализована оригинальная схема инжекции и схема совмещения циркулирующего позитронного и однопролетного охлаждающего электронного пучков. Наличие продольного магнитного поля приводит к существенному увеличению времени жизни пучка (в 102 - 104 раз). Однако, время жизни в такой структуре ограничивается не только вакуумными условиями, но и погрешностями поля.
Разработка алгоритмов расчета и проектирование подобного типа накопителей является актуальной задачей.
Экспериментальная проверка основных моделей и алгоритмов расчета открывает путь для широкого использования такого типа накопителей. Например, проект накопителя позитронов подобного типа разработан в рамках проекта FLAIR (GSI, Германия) для генерации потоков атомов антиводорода. Накопитель электронов с энергией 1,5 МэВ рассматривается в качестве возможного прототипа системы электронного охлаждения на максимальной энергии циркулирующих ионов в синхротроне COSY (FZ-Juelich, Германия). Предложенная схема ввода-вывода пучка позволяет решить основные проблемы модифицированных бетатронов и дает возможность получения электронных пучков большой мощности.
Все сказанное подтверждает актуальность данной работы.
На защиту выносится:
1. Методика проектирования фокусирующих систем секционированных накопителей с
продольным магнитным и стеллараторным полями.
Способ расчета динамики частиц в секционированных структурах, состоящих из элементов с продольным магнитным и стеллараторным полями
Модель учета влияния погрешностей оптических элементов на параметры пучка.
Способ расчета времени жизни пучка в таком накопителе.
2. Физический проект фокусирующей системы накопителя LEPTA, предназначенного
для генерации потоков атомов позитрония.
Получение устойчивого циркулирующего электронного пучка в накопителе LEPTA.
Результаты экспериментальных исследований динамики частиц в накопителе LEPTA.
Научная новизна.
Разработана методика проектирования фокусирующих систем накопителей с продольным магнитным полем и стеллараторным полем. Предложены методы расчета, анализа и оценки различных эффектов, определяющих значение времени жизни частиц в накопителях с продольным магнитным полем. Сформулированы требования к рабочим параметрам накопителя, выполнение которых позволяет устранить нежелательные эффекты и получить максимальное значение времени жизни пучка. Разработан физический проект накопителя LEPTA, .предназначенного для генерации позитрония. Оптимизированы дисперсионные и структурные функции, а также рассчитаны и проанализированы условия устойчивого движения частиц в накопителе LEPTA. Осуществлен физический пуск накопителя LEPTA, сооруженного в
соответствии с проектом. Разработаны экспериментальные методики и проведены измерения рабочей точки и времени жизни пучка в накопителе LEPTA.
Практическая ценность работы
Разработана методика проектирования фокусирующей системы накопителей с продольным магнитным полем. Создан уникальный накопитель частиц низкой энергии LEPTA, который может быть использован для генерации потоков позитрония и антиводорода. Экспериментально подтверждена природа ограничений времени жизни пучка в накопителях с продольным магнитным полем.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на отечественных и международных конференциях по ускорителям заряженных частиц: российских конференциях по ускорителям заряженных частиц: XVII (2000г., Протвино), XVIII (2002 г., Обнинск) и XIX (2004 г., Дубна), европейских конференциях по ускорителям ЕРАС'2000 (Вена, Австрия), ЕРАС'2002 (Париж), ЕРАС'2004 (Люцерна, Швейцария), приглашенный доклад на Международной конференции по физике антипротонов низкой энергии LEAP'2003 (Йокогама, Япония), Международных конференциях по компьютерным расчетам в физике ускорителей ІСАР'2000 (Дармштадт, Германия), ІСАР'2004 (Санкт Петербург), Международных совещаниях по охлаждению пучков заряженных частиц ЕСООІЛ999 (Упсала, Швеция), COOL'2001 (Бед Хоннеф, Германия), ECOOL'2003 (Фуджи, Япония), Международной конференции по атомной физике на ускорителях АР АС'2001 (Дания), 4-й, 5-й и 6-й конференции молодых ученых и специалистов (Дубна, 2000, 2001, 2002 г.г.), международных научных семинарах памяти В.П.
Саранцева (Дубна, 2001,2003 г.г.), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном Институте Ядерных Исследований.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 46 наименований. Общий объем: 117 страниц. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [20,22,25-27,39-41,43-46].
В главе 1 дан обзор циклических ускорителей типа модифицированный бетатрон, а также разновидностей модифицированных бетатронов - стеллатронов, в которых устойчивость частиц обеспечивается введением дополнительного спирального мультипольного поля, аналогичного полю стелларатора. С целью изучения возможностей применения модифицированного бетатрона для генерации позитрония и антиводорода, а также для электронного охлаждения циркулирующим пучком, в ОИЯИ был создан накопитель LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator). Приведены описание установки, схема и ее параметры.
