Введение к работе
Актуальность темы
В Институте физики высоких энергай ведется сооружение ускорительно-накопительного комплекса (УНКЯ Рекордные проектные параметры комплекса по энергии 0,4? ТэВ, интенсивности выведенного пучка б-1014р/цикл для экспериментов на фиксированной мишени и светимости в коллайдерком режиме 1-Ю33 cm'V1 позволят выйти в фундаментальных исследованиях по физике высоких энергий на новый качественный уровень. Обеспечение проектных параметров комплекса предъявляет жесткие требования по сохранению инвариантного продольного и поперечного эмиттансов пучка во всей цепочке ускорителей, начиная от линейного инжектора и кончая сверхпроводящим коллайдером. Основными причинами, ограничивающими интенсивность выведенного пучка и светимость коллайдера, являются эффекты пространственного заряда, приводящие к росту эмиттанса пучка.
Протонный синхротрон У-70 будет использован в качестве инжектора первой ступени УНК. Введенный в эксплуатацию в 1967 году этот ускоритель был рассчитан на получение пучка с интенсивностью 5 10ир/цикл. В результате модернизации его интенсивность была поднята до 5 1012р/цикл (при инжекции от линейного ускорителя И-100). Сооружение быстроцикличного бустера на энергию 1,5 ГэВ ^позволило сместить ограничения по кулоновскому сдвигу бетатронных частот в область более высокой интенсивности. Теперь одной из главных причин, ограничивающих интенсивность пучка, стали динамические эффекты пространственного заряда, так называемые неустойчивости пучка. Они возникают из-за электродинамического взаимодействия пучка с периферийным оборудованием и сопровождаются увеличением продольного и поперечного эмиттансов пучка.
Работы по дальнейшему повышению интенсивности до уровня 510'3р/цикл в соответствии с проектом УНК потребовали проведения исследований механизмов наблюдаемых эффектов и идентификации элементов вакуумной камеры кольца, взаимодействие с которыми вызывает неустойчивости пучка.
В диссертации рассмотрен комплекс вопросов, связанный с
экспериментальными исследованиями высокочастотных неустоичивостеи пучка ускорителя У-70 — основной причиной, ограничивающей в настоящее
'Усксрительно-накопительный комплекс на энергию 3000 ГэВ. (Физическое обоснование). Препринт ИФВЭ 93-27. — Протвино, 199
. Научная новизна результатов
Впервые разработаны высокочастотная аппаратура и методики измерения,
позволившие проводить исследования спектральных и амплитудных
характеристик неусюйчивостей пучка в протонном синхротроне ИФВЭ в
диапазоне частот 0,1+Ю ГГц. Впервые экспериментально исследовано
взаимодействие интенсивного протонного пучка с гофрированной вакуумной
камерой. Показано, что резонансный характер взаимодействия обусловлен
механизмом замедления электромагнитной волны на. гофрах вакуумной камеры
Проведено сравнение результатов исследования характеристик неустойчивости с
результатами стендовых измерений электродинамических характеристик
отрезков гофрированной камеры. На основании этою сравнения был сделан вывод о том, что гофр является причиной высокого продольного импеданса камеры на частотах порядка 6 ГГц.
Обнаружена и экспериментально исследована поперечная высокочастотная неустойчивость пучка. Доказано, что она относится к типу неустойчиврстей "голова-хвост".
Впервые на основании исследования поперечной высокочастотной неустойчивости пучка и стендового измерения характеристик пикап-электрода системы измерения орбиты У-70 показано, что реактивные элементы цепи пикапа являются причиной высокого поперечного импеданса на частотах вблизи 100 МГц, который приводит к неустойчивости пучка типа "голова-хвост". Установлено также, что поперечный импеданс резонаторов станции перефуппировки пучка имеет величину, приводящую к неустойчивости пучка уже на достигнутом уровне интенсивное.
Разработаны аппаратура и методика, с помощью которых впервые проведено измерение поперечной передаточной функции сгруппированного протонного пучка. Методика была применена для измерения передаточной функции в условиях сильной кубической нелинейности магнитного поля и исследования характеристик пучка в зависимости от его интенсивности.
Научная и практическая ценность
Подготовка ускорителя У-70 для работы в качестве инжектора УНК предполагает проведение работ по модернизации ряда его систем. Выполненные в рамках настоящей диссертации исследования позволили определить те элементы вакуумной камеры и периферийного оборудования, которые должны быть заменены, модернизированы или устранены. В частности, показано, что высокий продольный импеданс камеры на частоте =6 ГГц, обусловленный взаимодействием пучка с замедляющей структурой, каковой является гофр вакуумной камеры, не позволит получить параметры пучка, соответствующие требованиям УНК. На основании этого заключения было рекомендовано заменить гофрированную вакуумную камеру У-70 на гладкую.
интенсивности 51013р/цикл возможно только при устранении гофра вакуумной камеры
3. Исследование высокочастотного поперечного импеданса камеры показало, что основными причинами поперечной неустойчивости пучка являются "паразитные" реактивности цепей пикап-электродов системы измерения орбиты пучка, имеющие высокодобротный резонанс на частоте =100 МГц и поперечный высокочастотный импеданс резонаторов станции перегруппировки пучка на частотах 300 и 400 МГц.
4 Разработана аппаратура и методика измерения передаточной функции сгруппированного пучка, показана возможность применения этой методики для диагностики параметров бетатронных колебаний и настройки режима работы ускорителя.
Апробация диссертационной работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Отделения УНК ИФВЭ, CERN, на 10-, 11-, 12-м Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц в Дубне, на 13- и 1Фй Международных конференциях по ускорителям в Новосибирске и Тсукубе (Япония).
По материалам диссертации опубликовано 10 работ в виде препринтов ИФВЭ, в трудах Всесоюзных совещаний и международных конференций по ускорителям заряженных частиц, а также в журнале "Particle accelerators". Основные результаты диссертации содержатся в работах, приведенных в списке литературы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Объем диссертации 104 страницы, включая 40 рисунков и 6 таблиц.