Физико-технические аспекты создания установок электронного охлаждения Сухина, Борис Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы

Метод встречных пучков получил заслуженное признание в физике высоте энергий. В накопителях со встречными электрон - электронными и элек-юн - позитронными пучками благодаря синхротронному излучению полу-иотся пучки малых размеров и, как следствие этого, - большая светимость, дя простейшего случая одинаковых пучков светимость

Ne⁺Ne~f

L = -

АтшЪ

Здесь Ne⁺ , Ne~ - число частиц, соответственно, в позитронном и элек-эонном пучках, f- частота обращения, а и Ъ - горизонтальный и верти-альный размеры пучков в месте встречи.

Для тяжелых частиц (протонов, антипротонов) синхротронное излучение рактически отсутствует во всем диапазоне доступных в настоящее время нергий, поэтому понадобился другой механизм затухания поперечных бета-ронньгх и синхротронных колебаний.

В 1966 году Г.И. Будкер предложил метод демпфирования колебаний тя-селых частиц в накопителях, основанный на использовании кулоновского заимодействия циркулирующего пучка тяжелых частиц с сопутствующим холодным" электронным пучком. Для этого на отрезке орбиты накопителя оздается пучок электронов, средняя скорость которых совпадает со средней родольной скоростью накапливаемых частиц (протонов, антипротонов). Те-ловая энергия тяжелых частиц передается в столкновениях электронам, что риводит к уменьшению размеров ("температуры") пучка накапливаемых астиц. При этом на тяжелые частицы со стороны электронного пучка дейст-ует сила трения, приводящая к затуханию бетатронных колебаний с декре-іентом, который для случая максвелловского распределения электронов по коростям имеет вид:

²„⁴r f і \

87T²e⁴L

к ev

Я:

( m ^

3}Mm

\*^VJ

\2лкТj

Здесь е, m , j_e, v, T - соответственно, заряд, масса, плотность, скорость и емпература электронов; L - кулоновскии логарифм; tj - отношение длины (бласти охлаждения к периметру накопителя; М - масса протонов,

у = (і — V /с J ² . При плотности электронного токау'е = 1 A/cm² и темп

туре электронного пучка Т = 1 эВ время затухашы составляет 5 сек протонов с энергией 65 МэВ.

Установившийся размер я, определяется диффузионными процесс такими как рассеяние на электронном пучке, рассеяние на остаточном гг на когерентных флуктуациях:

гдеД- коэффициент диффузии; Я, - декремент затухания по данной

пени свободы. При наличии только первого механизма, - диффузии на ; тронном газе, - затухание идет до полного выравнивания температур : тронов и протонов, при этом угловой и энергетический разброс прот уменьшается в корень из отношения масс взаимодействующих частиц:

Имея механизм демпфирования поперечных колебаний, можно созда накопители тяжелых частиц с большой светимостью.

Метод электронного охлаждения позволяет осуществить эксперимент встречных протон-антипротонных пучках. При этом особенно важной hbj ся возможность использования большего фазового объема антипротонов лучаемых на конверторе с многократным их накоплением.

Электронное охлаждение позволяет также получать пучки тяжелых тиц с высокой монохроматичностью.

Настоящая диссертация посвящена описанию экспериментальных ; новок для реализации метода электронного охлаждения и изучения возі ностей метода.

Для экспериментального изучения метода электронного охлажден Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР был поел накопитель НАП-М, который являлся одновременно моделью накопител типротонов проектируемого комплекса установок со встречными пр< антипротонными пучками ВАПП-НАП

Проектирование накопителя и изготовление отдельных узлов было н< в ноябре 1971 года. В мае 1974 года начаты работы с двумя пучками.

В мае - июне 1974 года на накопителе проводились первые эксперим по электронному охлаждению. Основные результаты состояли в следуюп: при сведении скоростей электронов и протонов с точностью < 10"³ наблю,

[ увеличение времени жизни протонов, затухание бетатронных колебаний, ныпение энергетического разброса в протонном пучке и увлечение (уско-яе или замедление) протонов электронами. При разведении скоростей до ~ О"³ перечисленные эффекты исчезают.

В своем первом сообщении Г.И. Будкер обсуждал электронное охлажде-

протонного пучка для увеличения светимости встречных пучков. Для тонов с энергией 500 МэВ он оценивал время охлаждения около 100 сек

В первых экспериментах по электронному охлаждению было получено мя затухания 5 сек вместо ожидаемых 3.7 сек. Однако после улучшения Зильности источников высоковольтного питания пушки (лучше чем 5*10"⁵) 'лучшения качества продольного магнитного поля (кривизна силовых ий лучше чем Ю"⁴ по углу) были получены при тех же самых периментальных условиях время охлаждения 80 мсек и угловое пределение протонного пучка 3 * 10"⁵ радиан.

Успехи на НАП-М стимулировали создание установок электронного ох-сдения ICE (Initial cooling experiment) в ЦЕРН и Test Ring experiment в эмилаб.

Метод электронного охлаждения был развит в экспериментальных и тео-ических исследованиях, проведенных в Новосибирске , что привело к от-ггию быстрого электронного охлаждения

;ьма большая величина декремента затухания, полученная на установке Л-М позволила сделать новый принципиальный шаг в освоении метода ктронного охлаждения: перейти от охлаждения частиц в накопителе к литому электронному охлаждению. Если для охлаждения пучка тяжелых ггиц в накопителе он должен пройти через участок охлаждения много ты-[ или даже миллионов раз, то в случае линейного охлаждения заметный фект может быть достигнут уже при однократном прохождении участка іаждения. При разумных параметрах электронного пучка необходимая ша участка охлаждения составляет несколько десятков метров. По пред-кению Н.С. Диканского в 1976 году были проведены оценки возможности яейного электронного охлаждения, а в 1978 году начато проектирование ~ановки линейного электронного охлаждения, названной "Модель соленои-'. Основными задачами, ради которых создавалась установка, были: во-рвых, экспериментальное изучение быстрого электронного охлаждения в апазоне малых относительных скоростей ионов и электронов, во-вторых, следования по созданию интенсивного электронного пучка с малым раз-осом скоростей и транспортировке этого пучка на большие расстояния, в-гтьих, изготовление длинного соленоида с высокой однородностью магнит-го поля - прототипа соленоида источника антипротонов УНК.

Для экспериментального осуществления линейного электронного охлаэ дения была выбрана энергия охлаждаемых отрицательных ионов водорода 1 МэВ. Применение отрицательных ионов водорода обусловлено следующ ми причинами. Во-первых, это позволяет провести моделирование охлажд ния антипротонов. Как показано в докторской диссертации В.В. Пархомчуі при малых относительных скоростях ионов и электронов возникает различ] в кинетике охлаждения положительно и отрицательно заряженных ионов, частности, конечная температура охлажденного пучка отрицательно заряже ных ионов (антипротонов) меньше, чем для положительно заряженных. В

вторых, применение ионов Н позволяет легко измерять угловую расход мость ионного пучка непосредственно на участке охлаждения. Это осущест ляется путем перезарядки на участке охлаждения части отрицательных иою водорода в нейтральные атомы, что позволяет избежать дефокусирущего де ствия электрического поля в коллекторе электронов, а также спадающе магнитного поля соленоида после выхода иона с участка охлаждения. П| этом по изменению угловой расходимости пучка нейтральных атомов мож: судить об охлаждении поперечного разброса скоростей отрицательных ионо;

Экспериментальное осуществление линейного электронного охлажден] потребовало решения ряда сложных технических проблем. Высокая точное совмещения пучков как по положению, так и по направлению и величні скорости накладывает жесткие требования на стабильность энергии пучков всех корректирующих элементов, а также требует высокой однородности, также колинеарности сопровождающего магнитного поля (Bj_ /В₀ ~ 10" Большое количество каналов управления и контроля, а также необходимое математической обработки экспериментальных данных непосредственно процессе эксперимента потребовало высокой степени автоматизации устано ки, которая осуществлялась при помощи ЭВМ. На участке охлаждения по держивается вакуум до 10"¹⁰ Торр. Внутри соленоида в высоком вакууме я редвигается управляемый от ЭВМ пробник с высокой точностью перемет ния и рабочим ходом ~ 2м.

Первые работы на установке "Модель соленоида" начались в 1982 г., а конце 1983 г. закончен монтаж и проведены первые успешные зкеперимені по линейному электронному охлаждению. Декремент охлаждения продольн го разброса скоростей ионов достигает на установке "Модель соленоид максимального значения 3,8* 10⁵ сек. (Время охлаждения 2.6 *\0~⁶ сек!)

Через несколько лет были успешно проведены эксперименты по эле тронному охлаждению протонного и антипротонного пучков на установ LEAR (CERN)

В настоящее время метод электронного охлаждения хорошо разработан

:оретически, исследован и освоен. Девять установок с электронным охлаж-:нием были созданы в 1988-1992 годах: LEAR, IUGF, TSR, CELSIUS, , ESR, CRYRTNG, ASTRID, COSY + электронный холодильник по-роенный в ИЯФ для синхротрона SIS (1998).

Электронное охлаждение стало прекрасным инструментом для охлажде-1я всех элементов периодической таблицы, в том числе многозарядных и лностью ободранных ионов. Например, на синхротроне SIS время лаждения ионов висмута составляет 100 мсек.

В последние годы рассматривались проекты ионных коллайдеров CSR в нституте Современной Физики IMP в Китае и проекты MUSES в RIKEN в тонни. В ИЯФ был подготовлен проект системы элеюронного охлаждения і энергию электронов 350 кэВ, легко модернизируемой до 1.5 МэВ. Осно-іваясь на технологиях, развитых и отработанных в ИЯФ, эта автономная стема электронного охлаждения включает в себя электронную пушку, кол-ктор, магнитную систему и необходимые высоковольтные источники пита-

ІЯ.

Этим проектом заинтересовались в Институте Современной Физики IMP Іанжоу, Китай) . Сейчас в институте ядерной физики разрабатывается )оект двух охладителей ЭХ-35 и ЭХ-300 на энергию электронов 35 кэВ и Ю кэВ. Диапазон энергии охлаждаемых ионов, соответственно, до 50 и 10 МэВ/нуклон.

Практическая ценность

Созданы установки НАП-М и «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА». Разработан нога проект двух установок электронного охлаждения для тяжелоиннного імплекса CSR.

Создание установок НАП-М и «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА» позволили ізработать метод электронного и провести многочисленные эксперимен-льные исследования основных свойств электронного охлаждения, исследо-іния особенностей и возможностей метода.

Созданные установки дали возможность разработать метод, который от-)ыл ряд новых возможностей в физике элементарных частиц и атомного яд-і:

1. Создание установок со встречными протон-антипротонными пучками
>лыпой светимости на высокие и сверхвысокие энергии.

2. Создание установок со встречными протон-антипротоииыми пучками в
іласти средних энергий (порядка ГэВ), но с очень высокой монохроматич-
)стью для прецизионных экспериментов.

1. Создание ускорителей протонов, антипротонов, многозарядных ион очень высокой монохроматичности для прецизионных экспериментов по ф зике атомного ядра. Особенно перспективными представляются подоби эксперименты с применением внутренних сверхтонких мишеней.

2. Получение большого количества медленных антипротонов для изу* ния взаимодействия антипротонов с ядрами и исследования электромагнита и ядерно-связанных нуклон-антипротонных состояний.

3. Получение интенсивных и направленных потоков антиводорода (am атомов) для проведения экспериментов по изучению свойств антиатома других экзотических целей

Это перечисление не исчерпывает, безусловно, все возможные прими ния метода, а имеет целью обратить внимание на их широкий диапазон.

На изготовление двух установок ЭХ-35 и ЭХ-300 из нового проекта < рии установок электронного охлаждения заключен контракт с Институт! Современной Физики (Ланжоу, Китайская Народная Республика). Установ ЭХ-35 должна быть изготовлена, испытана и поставлена в 2001 году, втор установка ЭХ-300 должна быть изготовлена, испытана и поставлена к авгус 2002 года.

На защиту выносятся:

Установка для проведения экспериментов по электронному охлажден] протонного пучка НАП-М.

Установка для проведения экспериментов по электронному охлажден) протонного пучка и отрицательных ионов водорода МОДЕЛЬ СОЛЕНОИД.

Проект установок электронного охлаждения ЭХ-35, ЭХ-300 с энергк электронного* пучка 35 кэВ, 300 кэВ.

Основные результаты работы на установке НАП-М, достигнутые при і щественном вкладе автора, состоят в следующем:

1. Разработана и изготовлена установка НАП-М для изучения основи свойств электронного охлаждения, в частности:

1. Подготовлен инжектор протонов, в том числе создан импульсн протонный источник типа дуоплазматрон с током до 2 мА, реконструировг ускорительная трубка, разработана система стабилизации напряжения электростатического ускорителя со стабильностью 2*10'⁴.

2. Разработана система наблюдения за пучком, в том числе разрабо ны новые методики измерения: метод пересекающей нити, метод магниевоі струи, метод нейтральных атомов.

3. Получен рекордный по тем временам сверхвысокий вакуум в устатке (в основной части накопителя вакуум составлял 5*10"^п Торр), позво-ївший проводить как ускорение протонов, так и работу с охлажденным про-інньїм пучком.

4. Проделана работа по изучению параметров накопителя и характерник ускоренного пучка.

5. Разработано управление от ЭВМ, позволяющее полностью автомати-[ровать рабочий цикл накопителя.

6. Проведено большое количество экспериментов по изучению свойств [ектронного охлаждения, в частности получено время затухания протонного лпса 80 мсек. Время жизни протонного пучка в накопителе при этом дости-шо 10000 сек.

Вклад автора в создание инжекционного тракта и системы автоматизации АП-М был определяющим.

Установка «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА» была создана при определяющем сладе и под руководством автора. Основные результаты работы на установ-:, достигнутые при существенном вкладе автора, состоят в следующем:

1. Разработана и изготовлена установка линейного электронного охлаж-;ния, в частности:

1. Инжектор отрицательных ионов водорода, позволяющий ускорять в жорительной трубке одновременно три пучка. Один из пучков используется гя системы стабилизации напряжения электростатического ускорителя с со габильностью 5*10"⁵.

2. Канал транспортировки пучка, в том числе паромагниевая переза-едная мишень, позволяющая проводить эксперименты как с отрицательно фяженными ионами водорода, так и с протонами.

3. Соленоид длиной 2,88 м с высокой однородностью магнитного поля х I Во < 10 "" на длине 2,5 м. Предложен и осуществлен метод измерения не-інородности магнитного поля с чувствительностью Ві / В₀^ 10 "⁵.

4. Разработана система сведения пучков, наблюдения за пучком. Внут-и соленоида в сверхвысоком вакууме передвигается управляемый от ЭВМ робник с высокой точностью хода и рабочим ходом 2 м.

5. Канал для регистрации эффекта охлаждения, включающий спектро-етр, датчик отклонения энергии и пр .

6. Разработаны методики измерения продольной и поперечной силы рения, профиля распределения пучка нейтральных атомов.

7. Получен сверхвысокий вакуум в установке 10"¹⁰ Торр, позволивший роводить эксперименты по охлаждению как протонов, так и отрицательных онов водорода.

1.8. Система автоматизации эксперимента и соответствующее програмі^ ное обеспечение. Система включала в себя ЭВМ «Электроника-100/25» и КАМАК крейтов подключенных к «Электроникс-100/25» через 3 промеж? точные «Электроника-бО». Система автоматизации имела более 130 канале управления и измерения.

2. Проведены ряд экспериментов по изучению электронного охлаждена в частности проведенные эксперименты по измерению силы трения ионе при движении их в холодном замагниченном электронном пучке показал] что существует заметная разница в силах трения для положительно и отриц; тельно заряженных частиц.

3. При токе электронов порядка 5 мА декремент охлаждения мале го продольного разброса скоростей ионов достигает максимального значені ^- Птах^ю 3,8* 10⁵ сек. (Время охлаждения 2.6 10 "* сек!)

С целью дальнейшего развития метода электронного охлаждения разр; батывается проект установок электронного охлаждения ЭХ-35 и ЭХ-300 до Института современной физики IMP (Ланжоу, Китайская Народная Республі ка), которые в частности включают в себя: соленоид, магнитную систем транспортировки пучка, электронную пушка, коллектор, систему высок» вольтного питания. При разработке проекта существенен вклад автора в ра работку узлов пушки и коллектора, включая высоковольтную часть магнитную ситсему

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литі ратуры. Текст диссертации состоит из 222 страниц, 97 рисунков и 20 табли Список литературы состоит из 108 наименований.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всес< юзных Совещаниях, международных рабочих совещаниях и конференциях семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, а тао опубликованы в 52 работах.