Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие в мире наблюдается бурный рост числа проектов накопителей заряженных частиц, специализированных для генерации пучков синхротронного излучения (СИ). В настоящее время действует, создается или проектируется более 20 таких машин в Европе, США, Японии, Китае, Южной Корее, Индии к т. д. Накопитель СИБИРЬ-2, разработанный и созданный в РНЦ <ИЯФ им. Г. И. Будкера» (Новосибирск) и запущенный в настоящее время в РНЦ «Курчатовский Институт> (Москва), является первым в России специализированным источником СИ с энергией пучка электронов 2.5 ГэВ.
«Специалязация> в данном контексте подразумевает не только увеличение числа каналов вывода СИ и, соответственно, количества экспериментальных станций, но, в первую очередь, значительное улучшение <потребительских> характеристик установки, прежде всего, достижение экстремальных значений спектральной яркости излучения и спектрального потока одновременно с расширением диапазона длин волн.
Повышение яркости источника достигается минимизацией
фазового обьема (эмиттанса) пучка, а увеличение диапазона длин
волн излучения - широким использованием в таких накопителях
специальных генераторов излучения, т. н. сверхпроводящих змеек
и ондуляторов. И то, и другое накладывает специфические
тгтбования на магнитную структуру и магнитную систему
накопителя - источника СИ, которая теперь не только должна
обеспечивать чисто ускорительные задачи (устойчивость
бетатронного и фазового движения, компенсацию натурального
хроматизма, эффективную инжекцию и пр.), но и иметь ряд
особенностей. Так, минимизация эмиттанса достигается
оптимизацией поведения структурных функций в поворотных магнитах, постановка змеек и ондуляторов требует длинных прямолинейных промежутков, конструкция магнитных элементов должна позволить вывести большое количество каналов СИ к т. д.
для решения этих проблем магнитная система, ее характеристики имееют основное значение. Кроме того, жесткость условий оптимизации параметров источника СИ накладывает соответствующие ограничения на допустимые отклонения параметров магнитной системы от расчетных. Несоблюдение этих
допусков может привести к ухудшению «потребительских> качеств установки. Поэтону, важным является детальное изучение элементов магнитной системы, высокоточные измерения их характеристик и исследование влияния реальных полученных параметров магнитного поля на поведение пучка' электронов.
Цель работы. Целью настоящей работы является:
Расчет магнитной системы специализированного источника СИ -накопителя электронов СИБИРЬ-2, включающей в себя 24 дипольних поворотных магнита, 72 квадрупольных линзы, 24 секступольных линзы, 12 октупольных линз и необходимые корректирующие элементы.
Проведение прецизионных магнитных измерений всех элементов магнитной системы: определение реальных характеристик распределения магнитного поля на траектории пучка и создание на их основе модели магнитной структуры накопителя для изучения поведения пучка.
Исследование влияния реальных погрешностей магнитного поля на параметры пучка (сдвиг бетатронных частот, искажение поведения амплитудных функций пучка и т. д. ) проведенное аналитически и с помощью моделирования на ЭВМ.
Изучение аналитически и численно влияния сильных
секступольных линз, компенсирующих хроматизм, на параметры
пучка при искаженной замкнутой орбите, как без коррекции, так
и в случае компенсации орбиты различными методами.
Исследование (аналитически и численно) нелинейной динамики накопителя СИБИРЬ-2 в присутствии квадратичной нелинейности, обусловленной сильными секступольными линзами, компенсирующими хроматизн, а также, в присутствии малых нелинейных погрешностей, вызванных неидеальностью поля основных элементов.
Экспериментальное изучение параметров накопителя СИБИРЬ-2 на энергии инжекции, в частности, исследование влияния секступольных линз на оптические функции накопителя при наличии искаженной орбиты.
Научная новизна, создана нодель магнитной структуры накопителя
электронов СИБИРЬ-2, учитывающая реальные параметры
распределения поля магнитных элементов, полученные при
проведении высокоточных магнитных измерений. При помощи
созданной модели аналитически и численно исследован вопрос
влияния дефектов магнитной системы на параметры пучка
СИБИРИ-2. Получено выражение корреляционной функции искаженной
замкнутой орбиты пучка, необходимое для оценки влияния
секступольных линз, компенсирующих хроматизм, на паранетры
пучка. Показано, что аналитические расчеты находятся в хорошем
соответствии с результатами численного моделирования.
Исследована нелинейная динамика накопителя электронов СИБИРЬ-2
в присутствии квадратичной нелинейности как аналитически (с
привлечением теории возмущений Пуанкаре-Цайпеля), так и
численными методами. Найдено- выражение, описывающее
эффективное увеличение фазового объема пучка (эмиттанса), вызванное искажением фазового пространства частицы яз-за нелинейного возмущения. Впервые проведены измерения параметров пучка в накопителе СИБИРЬ-2 на энергии инжекции.
Практическая значимость результатов. Создана магнитная система первого в России специализированного источника СИ на энергию электронов 2.5 Гэв СИБИРЬ-2. Проведенные прецизионные магнитные измерения характеристик поля элементов магнитной системы позволили создать модель магнитной структуры , накопителя для реалистичных расчетов поведения пучка. Показано, что параметры магнитных элементов удовлетворяют требованиям, предъявленным к источнику СИ при проектировании. Проведенное изучение влияния дефектов магнитной структуры на параметры пучка, в частности, полученные аналитические оценка, могут быть примененены при проектировании накопителей заряженных частиц в будущем.
Накопитель электронов СИБИРЬ-2 был успешно запущен в
конце 1994 года в РНЦ «Курчатовский институт> (Москва). Его
параметры позволят проводить различные эксперименты в физике,
химия, биологии, медицине, материаловедении, кроме того,
возможности синхротронного излучения могут найтя широкое
применение в технологии (рентгеновская лнтографмя,
микромеханика я т. п. ).
Увтор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
-
Создана магнитная система накопителя электронов СИБИРЬ-2 адекватная требованиям, предъявляемым к специализированны) источникам СИ.
-
Проведены серийные прецизионные магнитные измерения всез элементов магнитной системы, позволившие определить реальные характеристики распределения магнитного поля на траектории пучка, к разработать модель, пригодную для расчета параметров пучка.
-
Рассмотрено влияние реальных погрешностей магнитного поля на параметры пучка. С учетом результатов магнитных измерений проведена статистическая оценка возмущения характеристик пучка, а также, численное моделирование влияния погрешностей, подтвердившее приемлемость полученных оценок.
-
Исследован вопрос влияния сильных секступольных линз, компенсирующих натуральный хроматизм, на параметры пучка при наличии искажения замкнутой орбиты. Получено выражение для корреляционной функции замкнутой искаженной орбиты и на его основе сделаны статистические оценки возможного возмущения характеристик накопителя. Проведено численное моделирование влияния искажения замкнутой орбиты и его коррекции на параметры пучка.
-
Рассмотрена нелинейная динамика накопителя СИБИРЬ-2 в присутствии квадратичной нелинейности, обусловленной сильными секступольиыни линзами, компенсирующими хроматизм. Проблема изучена аналитически, при помощи теории возмущений, получениы выражения во втором порядке малости по параметру возмущения, описывающие искажение фазового - пространства и зависимость сдвига бетатронной частоты от амплитуды колебаний. Кроме того, проведено численное моделирование нелинейного движения с учетом секступольных линз. Изучено влияние погрешностей магнитного поля, найдених из результатов магнитных измерений, на нелинейную динамику и, в частности, на размер области устойчивого движения пучка. Показано, что уменьшение
динамической апертуры в первую очередь связано с
нелинейностями, возникающими при коррекции орбиты
корректорами, размещенными в квадрупольных линзах. На основе проведенного изучения найдена альтернативная рабочая точка бетатронных частот, для которой область устойчивости увеличилась по линейным размерам в 1.5 + 1.8 раз, до размера требуемой апертуры.
Б. Проведены измерения параметров накопителя СИБИРЬ-2 на энергии инжекции: размер пучка, величины бетатронных функций, хроматизм и т. д. Измерение влияния секступольных линз, компенсирующих натуральный хроматизм, показало соответствие проделанным численным и аналитическим оценкам.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, приложений и заключения. Текст иллюстрирован 62 рисунками, список литературы включает в себя 54 наименования.
Аппробация диссертационной работы. Основные результаты,
вошедшие в диссертацию докладывались и обсуждались на
семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах:
Институте ядерной физике СО РА!!, Р!Щ <Курчатовский институт>
(г.Москвр;, Институте физических проблем ин. ф. В. Лукина
(г.Зеленоград), Ядерном научном центре ( г. Карлсруэ, Германия),
Лаборатории синхротронного излучения БЕССИ (Г.Берлин,
Германия), Центре передовых технологий (г. Индор, Индия).
Лаборатории синхротронного излучения (г. Ларсбери, Англия).
Кроме того, результаты работы докладывались на VIII, IX, XI и
XII всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц,
XIV Всероссийском совещании по ускорителям заряженных частиц
(Протвино, 1994), Восьмом Всесоюзном совещании по
использованию синхротронного излучения СИ-88 (Новосибирск, 1988), Индо - Советском семинаре по источникам синхротронного излучения (Индор, 1989), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Рим, 1988 и Лондон 1994), Конференции по ускорителям заряженных частиц IEEE (США, 1993).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.