Введение к работе
Актуальность проблемы. Физические основы высокоинтеисивпого протонного ускорительного комплекса включают в себя все те новые физические особенности ускорителей, которые возникают в связи с задачей ускорения пучков на два порядка выше по интенсивности предшествующего им поколения ускорителей. Потребность в таких ускорительных комплексах возникла недавно, и связано это с качественно новым этапом физики частиц, физики твердого тела, а также с использованием протонного ускорителя, как мощного инструмента для развития новых технологий. В связи с этими тремя физическими задачами можно говорить о трех приложениях использования нового класса высокоинтенсивных протонных ускорительных комплексов -мезонных, каонных и нейтронных «фабрик».
Первое приложение - это физика элементарных частиц, где в результате интенсивных экспериментальных и теоретических исследований последних трех десятилетий были сформулированы и экспериментально подтверждены теория сильных взаимодействий и объединенная теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Было выяснено, что стандартная модель не может претендовать на роль полной окончательной теории частиц и их взаимодействий. Поэтому «ускорительная» физика с использованием протонных пучков сейчас развивается по двум направлениям: создание ускорителей на сверхвысокие энергии, порядка несколько ТэВ (коллайдеры) и относительно невысокой интенсивности, и создание ускорителей сверхвысокой средней интенсивности («фабрики»), на два порядка превышающие по интенсивности существующие машины и с энергией несколько десятков ГэВ. Сильноточные ускорители-«фабрики» исследуют редкие распады, обусловлешгые новыми типами взаимодействия на малых расстояниях, соответствующих масштабам энергий порядка десятка ТэВ. Для
этого нужны прецизионные интенсивные пучки каонов, получение которых возможно только с помощью сверхинтенсивных протонных ускорительных комплексов-каонных фабрик. Каонная фабрика—это высокоинтенсивный ускорительный протонный комплекс со средним током 100-200 мкА, включающий в себя линейный ускоритель на энергию до 0.6-1 ГэВ, бустер-синхротрон на энергию 3-5 ГэВ и основной синхротрон с функциями медленного вывода на энергию 30-50 ГэВ. Создание каонной фабрики позволяет на новом уровне осуществить поиск легких слабовзаимодействующих частиц, выяснить вопрос о нарушении СР инвариантности, провести эксперименты с поляризованными частицами, и наконец, каонная фабрика является сверхинтенсивным источником нейтрино. Вторым приложением использования высокоинтенсивных протонных ускорительных комплексов является нейтронная физика. Рассеивание нейтронов дает фундаментальную микроскопическую информацию о структуре и динамике материалов, создающую основы понимания конденсированной материи. Традиционно нейтроны производятся за счет реакции деления в реакторах, .оптимизированных для получения больших потоков нейтронов. "Ускорительный" метод получения нейтронов основан на другом принципе и является абсолютно безопасным по сравнению с «реакторным». Нейтроны как бы "скалываются" (spallation process) при бомбардировании тяжелого металла протонами высокой энергии, полученными на ускорителе. Выход нейтронов зависит от энергии. Оптимальное значение лежит в диапазоне 1.0-1.4 ГэВ, хотя варианты с большой энергией, например 3-Ю ГэВ, имеют свои преимущества. Для создания нейтронного источника, основанного на "ускорительном" методе, нужна нейтронная фабрика. Нейтронная фабрика — это высокоинтенсивный ускорительный протонный комплекс со средним током 3-5 мА, включающий
t себя линейный ускоритель на энергию до 1.0-1.4 ГэВ и колъцо-руппирователь, или синхротрон с конечной энергией от 3 ГэВ до 10 ГэВ с :оком в соответствующее число раз меньшее. В настоящее время »азрабагьгвагагся, по крайней мере, четыре ускорительных проекта: Нейтронный источник в США (SNS, Oak Ridge), Европейский нейтронный істочник (ESS), Японский адронный проект (JHP, Tsukuba) и Российский іейтроюшй источник (ИЛИ РАН , Троицк). Мощность, на которую >риентируются при разработке таких источников, достигает 5 МВт.
Й наконец, третьим приложением использования высокоинтенсивных тучков протонов являются технологические ускорители для уничтожения ідерньгх отходов и сжигания военного плутония. Наличие большого запаса гдерного оружия и проблема его уничтожения стимулируют к разработке іешевьк методов его уничтожения. Ускоритель, который требуется для такого технологического процесса, должен обеспечить пучок средней нощностью 10-300 МВт и энергией 400-1600 МэВ. Траясмутационный комплекс в значительной степени повторяет мезонную фабрику, ;ооруженную в Институте ядерных исследований.
Каждый из комплексов может быть рассмотрен, как продолжение другого: мезонная и трансмутационная фабрики есть первая ступень нейтронного комплекса, а нейтронный есть первые две ступени каонного комплекса. Общей отличительной особенностью каонного, нейтронного и мезонного ^или трансмутационного) комплексов является высокая средняя мощность пучка, что означает большие пиковые токи и высокую цикличность комплекса вплоть до непрерывного режима. В то же время, исходя из необходимого времени жизни установки 20-25 лет и радиационной стойкости материалов, из которых сделан сам ускоритель, потери частиц при ускорении должны быть уникально низкими на уровне 1нА на метр длины машины при среднем токе 1 мА. Причем, с ростом энергии ограничение возрастает. Из
этих значений абсолютных потерь легко определить, что относительные потери должны быть на уровне 10"э +10~7. Более высокий уровень потерь приведет к сокращению срока жизни установки в соответствующее число раз. Потери при такой постановке проблемы приобретают значение "быть или не быть" установке. Поэтому все системы ускорительного комплекса класса «фабрика» должны бьпъ подчинены основной цели - уменьшению потерь.
При требуемом уровне потерь частиц, физические эффекты, ранее не принимаемые во внимание в других ускорителях, начинают играть определяющую роль. Это прежде всего эффекты, связанные с высокой интенсивностью: динамика пучка с учетом нелинейности движения и связанные с ними резонансные явления высокого порядка; взаимодействие пучка с высшими модами резонансных элементов; фундаментальные процессы образования ореола пучка.
Кроме того, каопная фабрика имеет свои особенности в этом классе. Она должна иметь функции медленного вывода и возможность ускорять поляризованные протоны.
Целью диссертационной работы является разработка физических основ нового класса протонных ускорительных комплексов для физики средних энергий, имеющих классификацию «фабрика». Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы были использованы при запуске линейного ускорителя мезонной фабрики ИЯИ РАН и разработке проекта каонной фабрики ИЯИ РАН, включающего линейный и кольцевые ускорители.
Работа выполнялась в соответствии с планами исследований РАН и Министерства Науки Российской Федерации в рамках Государственной программы "Физика высоких энергий" по темам "Создание линейного
скорителя Московской мезонной фабрики" и "Разработка сильноточного скорительного комплекса Московской каоннрй фабрики".
Научная новизна работы. Диссертация является законченным научным сследованием по созданию физических основ нового класса ьгсокоинтенсивных протонных ускорителей для физики средних энергий, езультаты которого использовались при запуске Московской мезонной іабрики и разработке Московской каонной фабрики. В работе проведены сследования физических особенностей линейных и кольцевых протонных скорителей, объединенных в класс «фабрика». Научная новизна работы іключается конкретно в следующем:
-
Описана обобщенная научная классификация ускорительных установок класса «фабрика». Определены физические требования к этому классу ускорителей, сформулированы критерии эксплуатационной надежности, определена оптимальная структура комплекса.
-
Для решения физико-математических задач разработан новый математический подход, необходимый для создания сильноточных ускорительных комплексов.
-
Исследована динамика пучка в ускоряющих резонаторах линейного ускорителя, применяемых для ускорения высокоинтенсивных пучков, конкретно, в длинных бипериодических ускоряющих структурах с учетом ступенчатого изменения фазовой скорости от секции к секции и её постоянства в пределах каждой ускоряющей секции.
-
Создана методика предварительной "холодной" настройки резонатора, позволившая скомпенсировать геометрические и электрические отклонения параметров резонаторов, сделанных на пределе технологических возможностей.
-
Обнаружен и исследован теоретически и экспериментально новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора и зависящий от дисперсионных свойств ускоряющего резонатора и ставящий предел по току для данного класса ускорителей.
-
Изучено явление образования ореола интенсивного пучка и дано теоретическое объяснение природы этого резонансного явления в случае доминирования пространственного заряда.
-
Сформулированы требования для систем стабилизации возможных коллективных неустойчивостей пучка в ускорителях класса «фабрика».
-
Разработан новый класс магнитооптических структур для высокоинтенсивных протонных ускорителей.
-
Теоретически исследованы эффекты пространственного заряда, влияющие на возбуждение резонанса третьего порядка, используемого для меддешюго вывода, а также предложен метод октупольной компенсации хроматической компоненты пространственного заряда.
Ю.Теоретически и экспериментально исследован метод фазовой модуляции
высокочастотного поля для размывания продольного фазового объема
пучка с целью увеличения порога коллективных неустойчивостей,
который позволил реализовать метод увеличения времени жизни
электронного пучка в источниках синхротронного излучения в три раза.
11.Теоретически исследована резонансная и нерезонансная деполяризации
поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах
ускорительного комплекса. Исследовано поведение аберраций вектора
спина пучка поляризованных протонов в периодических ускоряюще-
фокусирующих каналах и предложен метод их компенсации.
Совокупность данных результатов объединены важным достижением —
разработкой физических основ нового класса ускорительных комплексов для
шзики средних энергий каонных и нейтронных фабрик. Все эти положения [озволяют с новой единой точки зрения, проектировать сильноточный фотонный комплекс класса «фабрика».
Трагегнческая ценность работы. Результаты, полученные в диссертации, вляются физической основой для создания ускорителей класса «фабрика». В [астности, они были использованы при запуске линейного ускорителя іезонной фабрики ИЯИ РАН, разработке проекта каонной фабрики ИЯИ 'АН, включающего в себя основные экспериментальные образцы, а также ада зарубежных проектов: каонная фабрика TRIUMF (Канада), бустер SSC США), адронная фабрика КЕК (Япония), мюонный коллайдер FNAL (США), вдиационный протонный комплекс Los Alamos (США). На основе решений, писанных в диссертации, были разработаны новые технологии при создании іеталлизированной вакуумной камеры для быстроцикличных синхротронов, ювый тип быстроперестраиваемого тьюнера для ускоряющей станции устера на основе магнетронного варактора, созданы высокомощная скоряющая станция для основного синхротрона, высокоскоростная ;иагностическая система для измерения параметров пучка.
)5ъем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, одержит 224 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 аблиц и библиографию из 157 наименований.
Апробация работы. Результаты научных исследований прошли пробацию на семинарах по линейным ускорителям в 1979, 1981, 1987 годах Харьков), на Всесоюзных семинарах по программе экспериментальных юследований на Московской мезошюй фабрике в 1985, 1987, 1990 годах Звенигород), на Международном семинаре по физике промежуточных
энергий в 1989 году (Москва), на Международных конференциях по ускорителям высоких энергий в 1986 (Новосибирск), 1992 (Гамбург), на Европейских конференциях заряженных частиц в 1988 (Рим), 1992 (Берлин), 1994 (Лондон), на конференции по линейным ускорителям в 1989 (CEBAF), на рабочих совещаниях по адронным фабрикам в 1989,1993 (Лос Аламос), на Международном симпозиуме по физике спина в 1990 (Бонн), на Совещаниях международной коллаборации по нейтронным источникам в 1990 (Цукуба), 1993 (Абингтон), на национальных конференциях США по ускорителям заряженных частиц в 1991 (Сан Франциско), 1993 (Вашингтон), 1995 (Техас), 1997 (Ванкувер).
Основные положения, разработанные автором для высокоинтенсивных ускорителей мезошіьгх и каонных фабрик, прошли экспертизу международных комитетов в ИЯИ, TRIUMF, SSC и КЕК.
Основные результаты диссертационной работы изложены в 60 статьях, опубликованных в журналах Технической физики, Приборы и техника эксперимента, Вопросы атомной науки и техники, Particle Accelerators, в Трудах международных конференций, авторских свидетельствах и препринтах ИЯИ, SSC, TRIUMF и КЕК.
В докторскую диссертацию вошли материалы, полученные при наладке линейного ускорителя Московской мсзонной фабрики, в процессе которой были исследованы новые физические эффекты, разработаны ряд физических процедур, позволивших улучшить качество пучка и надежность ускорителя, а также результаты работы по созданию проекта Московской каонной фабрики.
На защиту выносятся:
- Схема высокоинтенсивного протонного комплекса для физики средних энергий класса «фабрика».
Разработанный математический формализм для численного решения задач динамики интенсивного пучка с сохранением симплектичности уравнений движения и возможности включения любого порядка нелинейности.
Теория квазиравновесиого движения пучка в длинных бипериодических ускоряющих структурах с учетом ступенчатого изменения фазовой скорости от секции к секции и её постоянства в пределах каждой ускоряющей секции и экспериментальное приложение этой теории к методам настройки «холодного» резонатора.
Новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора.
Результаты исследований формирования ореола интенсивных пучков в периодических магаитооптических каналах.
Новый класс магнитооптических структур для высокоинтенсивных синхротронов с комплексной энергией перехода.
Метод октуполыюн компенсации хроматической компоненты пространственного заряда интенсивного пучка при медленном выводе.
Результаты исследований резонансной и нерезонансной деполяризации поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах ускорительного комплекса.