Введение к работе
Актуальность и практическая значимость проблеми. Диссертация косннщепа теоретическому ч экспериментальному исследованию динамик» частиц, разработке методов настройки сильноточных линейных ускорителей ионов водорода на средние энергии.
Сильноточные линейные ускорители ионов водорода на средние энергии (до 1 ГэВ) являются уникальный инструментом в фундаментальных исследованиях по ядерной физике. Известны 2 ускорителя такого типа: действующий линейный ускоритель (ЛУ) Лос-Аламосской мезонной фабрики с энергией 800 НэВ и средним током до 1 мА II) и ЛУ Московской мезопной фабрики (ММФ) на энергию 600 МэВ и проектный средний ток до 500 мкА, который находится в стадии наладки. В настоящее время ускорители такого типа развиваются по двум направлениям:
-
Создание линейных ускорителей ионов Н в качестве инжекторов в кольцевые ускорители. Средний ток примерно на порядок ниже среднего тока ускорителей мезонних фабрик.
-
Разработка .проектов новых высокоинтенсивных Линейных ускорителей на энергию 1 ГэВ для электроядерпого бридинга и переработки ядерных отходов. Проектируемый" средний ток таких установок достигает 10 мЛ, что на порядок превышает аналогичную величину и ЛУ мезонних фабрик.
Действующие и проектируемые линейные ускорители на средние энергии содержат три основные части: 1). Инжектор - высоковольтный ускоритель на энергию до 750 кэВ или ускоритель с пространственнс-олпородпой фокусировкой до энергии 21-2,5 НэВ. 2). Начальная часть ускорителя на энергию М0О НэВ, состоящий из резонаторов с трубками дрейфа. 3j. Основная часть ускорителя представляет собой высоко-
эффективную ускоряющую структуру, работающую на частоте, кратной частоте начальной части.
Различие частот ускоряющего ВЧ-поля между отдельными частями ускорителя приводит к уменьшению продольного аксептанса и изменению структуры периодической фокусировки. Лля избежания потерь частиц и .высокоэнергетической части ускорителя необходимо обеспечить согласованное движение частиц вдоль всего ускорителя и не допустить роста фазового объема пучка. Условие минимальных потерь (на уровне 10~ для ЛУ мезонних фабрик) является одним из основных требований при проектировании и эксплуатации высокоинтеисивных ускорителей на средние энергии. Ясно, что для выполнения этого требования необходимо обеспечение высокого- качества фокусирующего и ускоряющего полей, исследование параметров пучка в ускорителе и разработка методов настройки ускорителя с пучком.
Сильноточный линейный ускоритель МИФ представляет собой уни
кальный инструмент для фундаментальных и прикладных исследований по
ядерной физике средних энергий. Как известно, этот ускоритель
сооружен по проекту Московского радиотехнического института в
Институте ядерных исследований РАН. ЛУ. ММФ является первой уста
новкой такого типа в Европе. Несмотря на достаточно высокий уровень
проработки проектных решений, на этапе наладки ЛУ потребовались
значительные теоретические и экспериментальные исследования в
области электродинамики и динамики частиц, которые проводились по
следующим трем направлениям: ,
- разработка методов настройки ускорителя с целью ооеспечения параметров ускоренного пучка в соответствии с требованиями проекта и физических экспериментов; 2
модернизация систем линейного ускорителя с целью увеличения среднего тока до 1 мА;
разработка физического обоснования новых ускорительно-накопительных установок на базе линейного ускорителя МИФ для фундаментальных н прикладных исследований в новых областях ядерной физики.
По первый двум направлениям можно выделить следующие основные проблемы, решение которых стало необходимым в процессе сооружения и наладки ЛУ МИФ:
1. Разработка теоретической базы, программно-вычислительных
средств для решения задач оптимальной транспортировки и согласо
вания пучков в условиях существенного влияния кулоновских эффектов;
-
Разработка экспериментальных процедур для настройки сильноточных каналов инжекции;
-
Задача двукратного удлинения длительности макроимпульса пучка на участке инжекции в ускоритель в целях соответствующего увеличения среднего тока пучка ускорителя;
-
Разработка методов настройки ускоряющего поля в резонаторах с трубками дрейфа. Создание экспериментальной базы для исследования радиотехнических параметров резонаторов;
-
Сборка полномасштабных резонаторов с трубками дрейфа и их радиотехническая настройка;
-
Проведение теоретических исследований динамики частиц и разработка экспериментальных процедур для определения номинальных амплитуд и фаз ВЧ-полей в ускоряющих резонаторах.
-
Разработка новых приборов и их реализация для измерения параметров пучков: абсолютной и относительной энергий; поперечного
профиля пучка; фазові го спектра; продольного и поперечного чиит-таисов ускорении:; пучуов.
-
Обеспечение продольного и поперечного согласован и >і нуч;;а па переходе из начальной (100 МэВ) в основную часть ускорители.
-
Исследование эффекта поперечной неустойчивости из-за взаимодействия с гибридными колебаниями в мпогорезопаторпом ускорителе
ионов.
Одно из перспективных направлений развития ускорительной базы Московской мезопной фабрики - ускорение пучков нуклидом, образованных при взаимодействии протонного пучка ЛУ ММФ с мишенью. Иыбор высокоэффективной и недорогой схемы ускорения радиоактивных пучков является важным этапом разработки экспериментального комплекса 2-й очереди на ММФ.
Цель работы. В соответствии с вышеизложенным, целью настоящей диссертации является проведение теоретических и экспериментальных исследований в период наладки линейного ускорителя и осуществление физического пуска ускорителя до промежуточной энергии 160 ЫэВ. Обеспечение необходимых параметров пучков для первых физических экспериментов но подпорогопому рождению пионов и производству изотопов. Кроме того, в диссертации излагается физическое обоснование линейного ускорителя радиоактивных пучков непрерывного действия, создание которого обеспечит перспективное развитие в повой области ядерной физики.
Работа выполнялась в соответствии с планами исследований РАН и Миннауки Российской Федерации в рамках Государственной программы: "Физика высоких энергий", "Создание линейного ускорителя Московской мезопной фабрики" (регистрационный номер 01.6.01.20.463).
Научная новизна работы. Диссертация является законченным научным исследованием, в результате которого решена важная, народно-хо:іяй<:і пенная проблема - осуществлен физический пуск сильноточного линейного ускорителя мезопной фабрики до энергии 160 ИэВ, разработали методы настройки ускорителя до полной энергии 600 НэП, обосновано новое перспективное направление развития ускорительной базы МИФ, а именно: использование линейного ускорителя в непрерывном режиме для ускорения радиоактивных пучков.
В диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики сильноточного пучка (в том числе двухкомпонентцого) на участке иижекции в ускоритель с трубками дрейфа. Результатами этих исследований являются экспериментальные процедуры настройки каналов иижекции, согласования пучка п 6-мерном фазовом пространстве, предложения по модернизации схемы иижекции в ускоритель.
Разработаны методические и аппаратные средства для прецизионной настройки ускоряющего поля в резонаторах с трубками дрейфа. Разработаны процедуры определения номинальных фаз и амплитуд в ускоряющих резонаторах, основанные на измерениях фазового спектра пучка; импульсного спектра и времени пролета частиц. Лля экспериментального исследования продольной динамики частиц использованы новые приборы. В частности, реализованы новые способы измерения энергии пучка, фазового спектра сгустка. Впервые измерен , продольный"эмиттанс ускоренного пучка протонов при помощи анализа фазовых спектров сгустка. Исследованы условия согласования продольного эмиттанса с аксептапсом основной части ускорителя.
В диссертации предложен новый способ измерения продолыю-по-
перечних параметров пучка ионов Н и II . Для определения среднеквалратического эмиттанса пучка предложены и реализованы метил варьирования градиентов, а также метод, основанный на измерении профилей при помощи пяти периодически расположенных профилометров. Теоретически исследован эффект поперечной неустойчивости пучка при взаимодействии с гибридными йодами колебаний в многорезонаторном ускорителе ионов.
В результате внедрения исследований, выполненных в ходе работы над диссертацией, осуществлен физический пуск ЛУ ММФ до энергии 160
МэВ и подготовлены условия для наладки ускорителя до полной энергии 600 ИэВ.
Обоснована возможность создания линейного ускорителя непрерывного действия для ускорения радиоактивных нуклидов с отношением заряда к массе в диапазоне 1/60 < q/A < 1/6 до энергии 6.5 МэВ/н.
На защиту выносятся следующие основные результаты исследований:
-
Методы настройки каналов транспортировки сильноточного пучка с импульсным током до 250 мА. Реализация процедуры согласования с аксептансом ускорителя в 6-мерном фазовом пространстве. Результаты теоретического и экспериментального исследования транспортировки пучка в условиях существенного влияния собственного поля пространственного заряда.
-
Результаты исследований по разработке бустерного ускорителя с пространственно-однородной квадруполыюй фокусировкой (ПОКФ) на энергию 400-750 кэВ, предназначенного для увеличения коэффициента заполнения пучка ускорителя ММФ. Обеспечение согласования пучка между ускорителем с ПОКФ и резонатором с трубками дрейфа.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований но настройке резонаторов 100-МэВпой части ускорителя ММФ и их испытаний в условиях ускорения пучка.
-
Новые способы прецизионного измерения:
- энергии ускоренного пучка;
фазовых спектров и поперечных профилей двухкомпопентного пучка ионов Н и Н (предложение);
поперечного средпеквадратического эмиттанса.
5. Результаты разработки и экспериментальных исследований
новых способов установки фаз и амплитуд в многорезопаторных уско
рителях ионов:
при помощи анализа фазовых спектров и использования особенностей продольного движения частиц;
при помощи магнитного спектрометра;
времяпролетными измерениями.
6. Результаты теоретических исследований динамики частиц в
ускорителях ионов па средние энергии:
влияния межрезонаторных промежутков на устойчивость продольного движения;
поперечная неустойчивость сильноточного пучка из-за взаимодействия с гибридными колебаниями.
7. Предложение по создании нового линейного ускорителя радио
активных нуклидов как перспективы развития экспериментальной базы.
Московской мезонной фабрики. '
Апробация материалов диссертации. Результаты научных исследований докладывались па семинарах по линейным ускорителям в г. Харькове (1985. 1987. 1989, 1991 гг.), на семинарах ИЯИ РАН по
физике промежуточных энергий в 1987 и в 1989 гг., на IX, X и XI Всесоюзном совещаниях по ускорителям заряженных частиц (1986, 1988, 1990 гг.), на Международных конференциях по линейным ускорителям (г. Дармштадт, 1984 г.; г. Стэнфорд, 1986 г.; г. Вирджиния, 1988 г.), на Национальных конференциях США (г. Ванкувер, 1985 г.; г. Чикаго, 1989 г.; г. Сан-Франциско, 1991 г.), на 14-й Международной конференции по ускорителям высоких энергий (г.Цукуба, 1989 г.), на Европейских конференциях по ускорителям (г. Рим, 1988 г.; г. Ницца, 1990 г.), на Международном Семинаре по диагностике пучка (г. Цукуба, 1991 г.), на 2 Международной конференции по радиоактивным пучкам (г. Лоупин-ла-Нуне, 1991 г.). Отдельные вопросы, изложенные D лиссертации, докладывались па научных семинарах в МРТИ (г.
Моекна). ИТЗФ 1г. Москва). ХФТИ (г. Харьков), НКИЭФА км. Д.В.Ефремоьа (г. Санкт-Петербург), ИФВЭ (г. Протвино), а также в Лабораториях LANL (г. Лос-Аламос, США), КЕК (г. Цукуба, Япония), TR1UMF (г. Ванкувер, Канада), Fermilab (г. Чикаго, США).
Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме лиссертации, изложены и 41 статьях, опубликоваиых в журналах Технической физики. Приборы и техника эксперимента. Вопросы Атомной науки н Техники, Nuclear Instruments 8. Methods, Particle Accelerators, n препринтах ИЯИ РАН, в сборнике Трудов МРТИ, а также в трудах перечисленных конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, четырех приложений и заключения, она содержит 286 стр. машинописного текста, включая 117 рисунков и фотографий, а также 14 таблиц. Список использованной литературы содержит 143 наименования.