Исследование влияния пространственного заряда на продольный эмиттанс пучка в ускорительно-накопительном комплексе ИФВЭ Маловицкий, Анатолий Юрьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы

В сооружаемом в ИФВЭ ускорительно-накопительном комплексе [УНК) предусматриваются два основных режима работы: с фиксированной мишенью при максимальной энергии 3 ТэВ п полной интенсивности 3-Ю¹⁴ протонов и режим встречных протон-протонных пучков 0,4x3 ТэВ ;о светимостью до 1 10³³ см^_2с""¹. Одним из оснозных факторов, опреде-пяющлх возможность достижения указанных параметров, являются силы пространственного заряда. В диссертации рассмотрены некоторые эффекты, связанные с влиянием этих сил на продольный эмиттанс пучка.

Актуальность проведенных исследований обусловлена тем, что превышение допустимых значений продольного эмиттанса ведет либо к потере интенсивности, либо к такому ухудшению качества пучка, что проведение экспериментов на встречных пучках становится невозможным. Ввиду необратимости увеличения эмиттанса проблема его сохранения стоит на всех стадиях ускорения. Поэтому значительное место в диссертации отводится действующему ускорителю ИФВЭ (У-70) с точки зрения его работы в качестве инжектора УНК.

Практической целью этих исследований является определение условий, . при которых увеличение эффективного продольного эмиттанса в УНК и У-70 не будет превышать допустимых значений, а также выработка рекомендаций при проектировании соответствующих систем в этих ускорителях.

Состояние вопроса

Основные проблемы продольного движения интенсивных пучков связаны с наличием в вакуумной камере ускорителя неоднородностей, в которых модулированный пучок возбуждает электромагнитные колебания Это могут быть резонаторы ускоряющей системы, стыки участков разного сечения, сильфоны и т.д. Такие неоднородности обладают "памятью¹ в том смысле, что проходящие частицы возбуждают в них электромаг нитные поля, существующие еще в течение более или менее длительной времени после момента прохождения. За счет этого между частицами может осуществляться положительная обратная связь, ведущая к ыеустой чивости.

Основные достижения теории продольной устойчивости пучка связа ны с решением линеаризованного кинетического уравнения Власова. Прі этом, как правило, используются следующие предположения:

возмущения продольной платности' заряда считаются доетаточнс малыми;

сгустки в сгруппированном пучке предполагаются одинаковыми і равноотстоящими;

паразитный импеданс считается либо предельно низкодобротнка (гладкая камера), либо достаточно узкополосным, по крайней мере, чтобь осуществлялась сзязь сгустков друг с другом и обеспечивалось ВЛИЯНИі сгустка на свое собственное движение как предпосылка возникновение неустойчивости.

Вследствие значительных математических трудностей, возникающи: при решении кинетического уравнения, в настоящее время открытым] остаются следующие вопросы:

- неустойчивость при больших возмущениях равновесной функции рас

пределения;

- влияние низкочастотного широкополосного импеданса на устоичи

вость сгруппированного пучка;

взаимодействие интенсивных сгустков с высокочастотным широко полосным импедансом и связанная с этим проблема микроволнозой не устойчивости;

неустойчивость азимутально-неоднородного пучка.

Научная новизна

Значительное место в диссертации уделяется исследованию малоизу ченного случая широкополосного высокочастотного пмпедалса, когда воз

яущенпе, создаваемое "головой:" сгустка, возбуждает его "хвост" и не юредается соседнему сгустку. Численные расчеты, проведенные с учетом шеющгосся экспериментальных данных, показали, что импеданс имен-ю такого вида призодит к значительному росту продольного эмиттанса гучка в ускорителе ИФВЭ. Особенно сильно этот эффект, обычно интерпретируемый как микроволновая неустойчивость, проявляется вбли-;и критической энергии, а также в случаях, когда каким-либо образом уменьшается локальный импульсный разброс пучка. Величина прироста імиттанса при переходе через критическую, энергию, а также поведение шзко- п высокочастотной составляющих мгновенного тока сгустка, порученные численным путем, хорошо согласуются с экспериментальными щнными.

Впервые проведено численное моделирование эволюции продольной функции распределенпя частиц в сгустке протоноз при увеличении импе-іанса вакуумной камеры. Результаты исследования подтверждают взгляд іа микроволновую неустойчивость как на перестройку равновесной про-юпьбой функции распределения частиц при изменяющихся внешних усло-іи:іх ускорения (В.И. Балбеков, 1986 г.). В диссертации термин "мйкро-юлповая неустойчивость" сохранен вследствие его широкой распростра-іенности. Однако из расчетов следует, что на самом деле этот эффект іе является неустойчивостью в классическом смысле.

В рамках модели макрочастиц предложен п реализован в программе тшверсальнып способ расчета наведенного поля с использованием функцій отклика паразитного импеданса. Это позволило провести численное юделированпе перегруппировки пучка в У-70 на частоту ускоряющего по-[я УНК с учетом микроволновой неустойчивости. Изучен также процесс 'меныпения длины сгустков, который необходимо осуществлять перед вы-юдом пучка для обеспечения работы УНК в режиме встречных пучков. Ірц этом помимо микроволновой неустойчивости учитывалось сильное їлияние нагрузки резонаторов ускоряющих станций током пучка.

В диссертации также проведено аналитическое исследование продо.ть-юй диполыюй неустойчивости сгустков при азимутальном разрыве пучка. Рассмотрел случай цепочки сгустков, в которой связь между ппмп пме-тся, Ео разрыв в пучке достаточно велик, чтобы последний сгусток не казывал влияния на движение первого. Особый практический интерес тот случай представляет для крупных протонных синхротронов и на-:опктелей, включая УНК, где в качестве инжектора служит кольцевой скоритель меньшего радиуса.

Практическая ценность работы

Результаты исследований, приведенные в диссертации, нашли применение:

при определении допусков на величину импеданса вакуумной камеры У-70, выполнение которых позволит получить параметры пучка, необходимые для обеспечения работы УНК как в режиме фиксированной мишени, так п в режиме встречных пучков;

при проектировании станции перезахвата и определении оптимального режима ее работы, использующегося уже в настоящее время в экспериментах по перегруппировке пучка в У-70.

при разработке практических мер для успешного укорочения сгустков перед выводом из У-70 с целью обеспечения работы УНК в режиме встречных пучков (создание дополнительного ВЧ-напряжения с удвоенноЁ частотой, компенсация первой гармоники наведенного поля и т. д.);

при разработке мер для стабилизации неустойчивости пучка в ре жиме накопления в 1-й ступени УНК.

На защиту выносятся следующие результаты диссертационной ра боты:

1. Способ расчета наведенного поля с использованием функции отклик; резонатора и его программная реализация для импедансов произвольной вида.

2. Развитие представления о микроволновой неустойчивости как пе рестройке продольной функции распределения частиц при изменяющихс: внешних условиях ускорения.

3. Исследование увеличения продольного эмиттанса интенсивны:
сгустков при переходе через критическую энергию синхротрона.

4. Численное моделирование эволюции функции распределения части:
интенсивного сгустка при медленном изменении внешних условий ускоре

ЕИЯ.

5. Оптимизация процесса перезахвата пучка в_ ускорителе ИФВЭ н частоту ускоряющего поля УНК (200 МГц) с учетом объемного заряда.

6. Исследование процедуры уменьшения длины сгустков в У-70 пере ішжекцией в УНК (для обеспечения его работы в режиме встречны пучков).

7. Исследование продольной дипольной неустойчивости пучка с азимз тальным разрывом.

( 4

Апробация работы

Основные результаты по теме диссертации докладывались на XIII (Новосибирск, СССР, 1986 г.) и XIV (Цукуба, Япония, 1989 г.) Международных конференциях по ускорителям, а также опубликованы в работах [1-6].