Введение к работе
Актуальность темы
Основным инструментом исследований в физике элементарных частиц являются сложнейшие ускорительно-накопительные комплексы. Один из подобных комплексов сооружается в рамках нового международного проекта по исследованию антипротонов и ионов Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) в лаборатории GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung, г. Дармштадт, ФРГ). Наиболее сложным звеном проекта FAIR является антипротонное накопительное кольцо на высокую энергию High Energy Storage Ring (HESR). Его сложность определяется требованиями к проведению экспериментов, а именно, необходимостью удерживать пучок антипротонов в течение —3000^-4000 секунд с вариацией энергии в диапазоне от 1.5 до 15 ГэВ и при этом обеспечивать высокое качество его параметров.
Главной особенностью HESR является комбинация внутренней мишени (водородная струя) с системами электронного и стохастического охлаждения. Подобная структура создается впервые и обеспечивает возможность эффективно собирать рассеянные на мишени частицы в течение всего рабочего цикла, а также повторно использовать их в новом цикле. Это повышает интегральную светимость установки, что позволяет набирать необходимую экспериментальную статистику за разумный период времени.
Выход на запланированный режим работы в ускорительно-накопительном кольце HESR напрямую зависит от выполнения жестких требований к параметрам пучка. Отсюда при длительной эволюции частиц ~109 оборотов необходимо учитывать вклад нелинейных эффектов высших порядков, поскольку даже малые нелинейные возмущения могут привести к нежелательным последствиям таким, как:
росту эмиттанса и снижению светимости, связанным с взаимодействием частиц в пучке и на мишени;
уменьшению динамической апертуры и потерям частиц вследствие пересечения структурных резонансов.
Таким образом, исследование нелинейной динамики заряженных частиц представляет собой актуальную проблему при сооружении кольца HESR. Не менее важной и взаимосвязанной проблемой является разработка самой магнитооптической структуры для подобного ускорительно-накопительного кольца, отвечающей требованию минимизации влияния нелинейных эффектов. Полученные в ходе исследования общие принципы и критерии также могут быть использованы при конструировании магнитооптических структур для широкого класса установок - высокоинтенсивных ускорителей с большим временем жизни пучка.
Цели и задачи исследования
Целью диссертационной работы является исследование нелинейной динамики пучка в антипротонном накопителе HESR и разработка его магнитооптической структуры, отвечающей требованию минимизации влияния нелинейных эффектов посредством их взаимной компенсации.
Указанная цель достигается решением следующих основных задач:
построение математической модели нелинейной динамической системы, описывающей движение пучка заряженных частиц в циклическом ускорителе;
получение аналитических выражений, позволяющих сформулировать общие требования к «резонансным» магнитооптическим структурам при проектировании ускорителей с возможностью изменять критическую энергию в широком диапазоне значений;
разработка новой «резонансной» магнитооптической структуры для проектируемого ускорительно-накопительного кольца HESR в рамках современного международного проекта FAIR;
исследование нелинейной динамики пучка в накопителе HESR на основе построенных моделей и проведение вычислительных экспериментов с помощью существующего программного обеспечения и вновь разработанных программных модулей;
описание методики последовательного учета нелинейных эффектов с предложением схем их минимизации в ускорителях с большим временем жизни пучка.
Основными методами исследования являются методы математического, компьютерного моделирования и численного эксперимента. Адекватность математической модели изучаемого физического объекта, пучка заряженных частиц, движущегося в электромагнитных полях ускорителя, подтверждается как накопленными теоретическими знаниями, так и опытом реализации подобных сложнейших технических устройств. Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент являются неотъемлемой частью конструирования современной ускорительной техники, существенно снижая стоимость проектов и временные затраты.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке численно-аналитического подхода к исследованию нелинейной динамики заряженных частиц в ускорителях с большим временем жизни пучка. Полученные аналитические выражения позволяют проектировать новые «резонансные» магнитооптические структуры для ускорителей без прохождения через критическую энергию. Отличительной особенностью структур подобного рода является также соответствие требованию минимизации влияния нелинейных эффектов. Проведено сравнение результатов, полученных при
помощи аналитических решений, с результатами вычислительных экспериментов. На основе данного анализа исследованы различные методы получения отрицательного коэффициента расширения орбит и разработана новая магнитооптическая структура для накопителя HESR. В структуре HESR исследованы нелинейные эффекты, связанные с наличием мультиполей высокого порядка, и предложены различные способы коррекции нежелательных эффектов, вызванных этими мультиполями, что позволяет получить максимальное значение динамической апертуры.
Основные положения, выносимые на защиту:
новый численно-аналитический подход к исследованию нелинейной динамики пучка заряженных частиц с последовательным учетом нелинейных эффектов высших порядков в ускорителях с большим временем жизни пучка;
аналитические выражения для коэффициента расширения орбит и дисперсионной функции, позволяющие сформулировать общие требования к «резонансным» магнитооптическим структурам нового класса с возможностью изменения критической энергии в широком диапазоне значений, и методы регулирования коэффициента расширения орбит;
магнитооптическая структура накопительного кольца HESR, спроектированная на основании корреляционного принципа одновременной суперпериодической модуляции функций кривизны орбиты и градиентов линз;
схема компенсации нелинейных эффектов, позволяющая получить магнитооптическую структуру с максимальным значением динамической апертуры, и включающая:
новую схему взаимной компенсации нелинейных эффектов, вносимых секступольными компонентами магнитного поля;
критерий требований к коррекции нелинейного влияния секступольных компонент магнитного поля при помощи октуполей;
систему мультипольной коррекции нелинейных эффектов высших порядков и результаты вычислительных экспериментов, полученных с помощью существующего программного обеспечения и вновь разработанных программных модулей.
Практическая ценность. Результаты работы использованы при проектировании нового ускорительно-накопительного кольца HESR в проекте FAIR. В основу структуры накопителя HESR положена разработанная «резонансная» магнитооптическая структура. Исследование нелинейной динамики показало эффективность применения подобной структуры для высокоинтенсивных ускорительно-накопительных колец и в значительной степени гарантировало возможность подавления нелинейных эффектов высших порядков.
Результаты исследования могут быть применены при разработке новых и модификации существующих ускорителей с большим временем жизни пучка.
Результаты научных исследований прошли апробацию на Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц ЕРАС-2006 (г. Эдинбург, Шотландия), на конференции по ускорителям заряженных частиц РАС-2007 (г. Альбукерк, США), на 12, 13 и 14 международных рабочих совещаниях по динамике пучков и оптимизации BDO в 2005, 2006 и 2007 годах (г. Санкт Петербург, РФ), на семинарах факультета ПМ-ПУ СПбГУ (г. Санкт Петербург, РФ) и Института Ядерной Физики IKP (г. Юлих, ФРГ).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы восемь работ, три из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК рецензируемых научных журналов. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 82 наименования. Работа содержит 44 рисунка и 4 таблицы.
