Введение к работе
Актуальность темы
Медленный вывод пучка заряженных частиц из кольцевых ускорителей :тал неотъемлемой частью практически всех крупных современных уско-энтельных комплексов. Он дает возможность менять пространственно— феменную структуру выводимого пучка в довольно широких пределах, іем и привлек внимание физиков-экспериментаторов и медиков, которые >идят в нем прекрасное средство для формирования различных условий фоведения физических и медицинских экспериментов с ускоренными ча-тнцамп пучка. Медленный вывод дает возможность варьировать время іьівода от нескольких сот миллисекунд до нескольких часов, длину банки — от очень коротких банчей до практически непрерывного пучка, юлучать почти моноэнергетические пучки и пучки с большим разбросом to продольному импульсу.
Существует несколько способов организации медленного вывода пучка з синхротрона. Наибольшую популярность приобрел вывод с использованием механизма резонансной раскачки амплитуды бетатронных колебаний аряженной частицы. Суть этого метода заключается в том, что в одной з поперечных фазовых плоскостей ускорителя (как правило, горизонталь-ой) создается сильный нелинейный резонанс. Частицы циркуліфующего учка первоначально занимают устойчивую область движения фазового ространства. Затем каким-либо способом создают условия, когда части-ы пересекают сепаратрису нелинейного резонанса и попадают в неустой-ствую область движения. Амплитуда колебаний этих частиц со временем зеличивается до некоторого значения, определяемого положением септум-агнита, который и отделяет попавшие в область его апертуры частицы
от циркулирующего пучка. Этот метод с успехом применяется на многи современных синхротронах.
В последнее время широко обсуждается возможность создания ускорі тельных комплексов для получения высокоинтенсивных пучков протоне для нужд каонных фабрик. К таким комплексам очень жестко примет ется требование радиационной безопасности, с которым приходится счі таться особенно при проектировании системы медленного вывода. Есл в современных ускорителях при медленном выводе пучка допускаютс потери частиц до 10%, то в ускорительных комплексах для каонных фг брпк уровень потерь должен быть ниже 0.1%. Такое жесткое требовали заставило искать новые возможности понижения потерь при медленно] выводе пучка.
К числу наиболее важных задач, с которыми приходится сталкиватьс при проектировании системы медленного вывода, можно отнести след} ющие:
создание устойчивой области движения частиц нужной конфигура ции;
подавление нелинейных возмущений высоких порядков;
построение магнитооптической структуры циклического ускорителя оптимальной с точки зрения уменьшения эмиттанса выводимого пучка і увеличения фактора банчировки пучка.
При анализе доступных средств для решения перечисленных зада обнаружилось отсутствие полноценного программного математическог обеспечения (ПМО), адекватного этим задачам. На практике задачи либ сводились к более простым, либо решались с помощью неспецифическю имеющих общеприкладное назначение расчетных программ. Такой под ход приводил к частичной потере свободы в выборе значений проектны параметров, а следовательно, полученные системы медленного вывода : определенном смысле не являлись оптимальными.
Цель диссертационной работы;
построение математического аппарата с применением современны:
методов гамильтоновой механики для решения задач, возникаюши;
при проектировании системы резонансного медленного вывода про
тонов из сильноточного синхротрона;
создание на основе построенного математического аппарата про
' граммного математического обеспечения для построения магнито
оптической структуры синхротрона, позволяющей вывести пучої протонов с низкими потерями, и анализа этой структуры;
собственно построение магнитооптической структуры высокоинтен
сивного синхротрона для организации медленного вывода пучка про
тонов на 1/3-резонансе с потерями частиц не выше 10~3.-
Научная новизна работы
Впервые с помощью метода преобразований Ли решена задача подання нелинейных возмущений, вносимых еекступольными компонента-магнитооптических элементов, вплоть до четвертого порядка. Задача палась численно с помощью разработанного для этой цели ПМО. Впервые получено точное аналитическое решение уравнений движения жженной частицы вблизи 1/3-резонанса.
Получил свое развитие метод настройки конфигурации области устой-юго движения заряженных частиц пучка с соблюдением предписы-мых ей размеров, ориентации и требуемой величины шага заброса іодимого пучка.
Впервые предложены теоретические рекомендации к построению наи-ее эффективной, с точки зрения минимизации потерь ускоряемых ча-ц, магнитной оптики участка вывода пучка и* размещению на нем гум-магнитов.
Впервые предложен метод выбора значений бетатронных и дисперсных функций на участке вывода пучка для подавления локальных хро-ических эффектов, что обеспечило снижение уровня потерь при выводе ка.
Предложена и исследована магнитооптическая структура растяжителя вывода пучка протонов с энергией 45 ГэВ и током 125 мкА. При этом ие потери на септумах не превышают 10~3.
практическая ценность работы. Полученные в диссертации ре-.таты могут быть использованы при построении систем медленного ода пучка заряженных частиц из циклического ускорителя с низкими ;рями и высокими требованиями к качеству пучка.
Апробация работы. Результаты диссертации опубликованы в рабо-[1-11], докладывались и обсуждались на семинарах отделов каонной шки и ускорительного-комплекса ИЯИ РАН, на семинаре механико-;матического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, на XII и XIII эюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц, на Между->дной конференции по ускорителям (Сан-Франциско, США, 1991 г.), абочем совещании, проводившемся в рамках Международной конфе-[ии "Поля и частицы" (Ванкувер, Канада, 1991 г.).
Теоретические и численные результаты, полученные в диссертацио: ной работе, внесены в проект Московской каонной фабрики и технпческі проект каонной фабрики TRTOMF (г.Ванкувер, Канада).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введ ния, четырех глав, трех приложений и заключения. Работа изложена і 148 страницах, включая 25 рисунков и список литературы, содержали 99 работ.
На защиту выносятся;
-
Использование гамильтонового формализма для описания динам; ки заряженных частиц в циклическом ускорителе с учетом нелинейнь резонансов.
-
Качественный анализ влияния нелинейных возмущений, вносимь секступолями, на динамику заряженных частиц вблизи 1/3-резонанса.
-
Решение задачи коррекции нелинейных возмущений, вносимых сек туполями.
-
Решение задачи настройки области устойчивого движения заряжез ных частиц, формируемой с помощью 1/3-резонанса.
-
Метод построения оптики участка вывода.
-
Решение задачи коррекции локальных хроматических эффектов.
-
Программное математическое обеспечение для построения магниті оптической структуры кольца-растяжителя.
8. Магнитооптическая структура кольца-растяжителя для проект
МКФ с потерями менее 0.1%.