Разработка и исследование одновременного вывода частиц из ускорителя ИФВЭ с применением внутренних мишеней Асеев, Алексей Акимович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Эффективность использования ускорителей заряженных частиц для экспериментов зависит от того, насколько полно решены проблемы вывода ускоренного пучка. Исторически сложилось так, что на ускорителе ИФВЭ большинство (14 из 22, например, в 1988-91 г.г.) физических экспериментов ведется на пучках частиц, формируемых благодаря использованию внутренних мишеней. В связи с сооружением УНК программа ризических исследований в ИФВЭ постоянно требует осуществления та-шх режимов вывода пучков, которые позволяли бы обеспечить в цикле ускорителя одновременную работу возможно большего количества физиче-:ких установок. При этом предъявляются жесткие требования к основным іараметрам выводимых пучков, таким, как длительность вывода, амплитуда временной модуляции интенсивности и другие.

Сложность задач, поставленных перед существующей системой вывода гучков, и сложность условий, в которых они должны решаться, обуелозили ряд проблем, возникших при разработке и осуществлении режимов )дновременного вывода частиц для экспериментов. Решение этих проблем вставляет основу реферируемой диссертации.

Цель работы - повышение эффективности физических исследований на ускорителе ИФВЭ за счет развития возможностей для вывода частиц, включающих в себя:

увеличение до 4-5 коэффициента одновременности работы физических установок на пучках вторичных частиц и получение качественно новых параметров пучков по временной модуляции;

разработку и исследование новых способов вывода ускоренных протонов и осуществление одновременного (в цикле ускорителя) вывода первичных протонов и вторичных частиц для 5-6 разных экспериментов;

совмещение новых режимов вывода пучков с быстрым и/или резонансным медленным выводами ускоренных протонов, что позволило довести коэффициент одновременности до 7-8.

Научная новизна

1. Впервые в отечественной практике вывода пучков вторичных частиц для экспериментов на У-70 осуществлена одновременная работа трех внутренних мишеней при независимом наведении на них первичного пучка протонов. С учетом мишеней, работающих в "тени" основных, обеспечено одновременное в цикле ускорителя проведение 4-5 экспериментов с качеством временной структуры выводимых пучков, удовлетворяющим требованиям.

2. Впервые в отечественной и мировой практике при одновременной работе четырех-пяти внутренних мишеней получены пучки вторичных частиц с амплитудой временной модуляции интенсивности в каждом из каналов ~ 5 — 10% (для установок ускорителя ИФВЭ это соответствует улучшению качества временной структуры в 8-10 раз).

3. Впервые в отечественной и мировой практике на ускорителе ИФВЭ осуществлен нерезонансный медленный вывод (НМВ) протонов с энергией 70 ГэВ. Тем самым экспериментально подтверждены предсказания А.Машке и Ш.Стейнбаха о возможности такого вывода из ускорителей FNAL и CERN, не реализованные в силу трудностей, связанных с переделкой проектов строившихся в то время ускорителей.

4. Впервые в отечественной и мировой практике физического экспе
римента в ИФВЭ осуществлен многооборотный (длительностью > 1 с)
вывод пучка протонов с энергией 70 ГэВ из ускорителя с применением
монокристалла Si, установленного в вакуумной камере У-70 и изогнутого
на угол 80 мрад. Получены характеристики пучка, удовлетворяющие
требованиям поляризационных исследований на установке ПРОЗА.

Практическая ценность работы

4. Обеспечено одновременное (в цикле ускорителя) длительностью до 2 с проведение 4-5 экспериментов на пучках вторичных частиц, получаемых с внутренних мишеней, что в 1,5-2 раза увеличило эффективность экспериментов на таких пучках.

5. Благодаря внедрению тонкой мишени получены пучки вторичных частиц нового качества, в которых подавлены как низкочастотные (до сотен Герц) пульсации систем ускорителя, так и ВЧ-пульсации (~200 кГц). Новое качество пучков при работе тонкой мишени дополнительно повышает эффективность физических экспериментов в 1,3-1,5 раза.

6. Осуществление нового способа вывода протонов - нерезонансного медленного вывода - позволило: заполнить диапазон промежуточных (10⁷ -f- 10¹¹ частиц за цикл) интенсивностей У-70, ранее недоступных для экспериментов; обеспечить выполнение экспериментальной программы установки ФОДС (на канале 8); открыть возможность для новых экспериментов.

7. Осуществление НМВ протонного пучка на установки ФОДС-2, СВД (канал 22) и СФИНКС (канал 21) параллельно с работой каналов вторичных частиц 2(14), 4 и др. с применением тонкой мишени обеспечило значительное (по сравнению с режимом последовательной работы) повышение эффективности физических экспериментов: увеличена примерно в 2 раза длительность вывода для всех одновременно работающих потребителей при улучшении в 3-5 раз временной структуры выводимых пучков и повышении коэффициента одновременности на единицу. Показана перспективность использования НМВ на ускорителе ИФВЭ.

8. Осуществление нового способа вывода протонов из ускорителя с помощью изогнутого монокристалла на установку ПРОЗА (канал 14) обеспечило возможность для начала в ИФВЭ новой серии поляризационных экспериментов. Исследована и реализована возможность одновременного в цикле ускорителя вывода вторичных частиц (с внутренних мишеней) и первичных протонов (с помощью изогнутого монокристалла) для разных экспериментов. Возможно обеспечение длительности вывода до 2 с. Ведутся работы, обеспечивающие начало исследований на пучке протонов на установке ВЕС (канал 4Д).

G. В результате совмещения в цикле ускорителя режимов вывода вторичных частиц (с 4-5 внутренних мишеней) и первичных протонов (с применением изогнутых монокристаллов и НМВ) достигнут коэффициент одновременности работы физических установок, использующих счетную методику, на пучках частиц с возможной длительностью вывода до

2 c — б . С учетом последовательной работы с быстрым и/или резонансным медленным выводами коэффициент одновременности работы физических установок в одном цикле может достигать 7-8.

Все полученные результаты носят общий характер и могут быть применены для разработки и создания описанных способов вывода частиц как на существующих, так и на проектируемых ускорителях на сверхвысокие энергии.

На защиту выносятся результаты, полученные при разработке, исследованиях и осуществлении новых способов вывода частиц из ускорителя ИФВЭ.

9. Реализация режима независимого наведения протонного пучка одновременно на три внутренние мишени для любых из 6 существующих каналов вторичных частиц. Исследование > режимов работы мишеней в "тени" основных и осуществление возможности одновременного проведения 4-5 экспериментов при максимальной длительности вывода (до 2 с). Благодаря одновременной работе мишеней эффективность физических установок на пучках вторичных частиц увеличена не менее чем в 1,5 раза.

10. Обоснование, исследование характеристик и внедрение для генерации вторичных частиц тонкой мишени из углеродной ткани, обеспечившей улучшение временной структуры выводимых пучков (по сравнению с работой толстых мишеней) в 8-10 раз. Новое качество пучков при работе тонкой мишени дополнительно повышает эффективность физических исследований в 1,3-1,5 раза.

11. Разработка и экспериментальные исследования нового способа вывода протонов - нерезонансного медленного вывода - на установку ФОДС. Осуществление в ИФВЭ впервые в мировой практике данного способа вывода протонов в области энергий У-70 позволило заполнить диапазон интенсивностей 10⁷ — 10^й частиц за цикл, ранее недоступных для физических экспериментов.

12. Разработка, исследование и осуществление режима одновременной работы НМВ на установки ФОДС-2, СВД, СФИНКС и внутренних мишеней, обеспечившего примерно в 2 раза увеличение длительности вывода пучков, улучшение в 3-5 раз (по сравнению с режимом последовательной работы) временной структуры и повышение коэффициента одновременности на единицу (т.е. до 5-6).

13. Разработка и экспериментальные исследования нового способа вывода протонов с применением изогнутых монокристаллов. Осуществление

впервые в мировой практике многооборотного (длительностью >1 с) вывода ускоренных протонов с энергией 70 ГэВ для физических экспериментов на установку ПРОЗА, обеспечившего начало новой серии поляризационных исследований в ИФВЭ.

6. Разработка и осуществление режима одновременного вывода вторичных частиц (с внутренних мишеней) и первичных протонов (с помощью изогнутого монокристалла и/илн НМВ) для разных экспериментов при сохранении достигнутого коэффициента одновременности. Разработка режима вывода ускоренных протонов с помощью монокристалла на установку ВЕС.

7. Исследования и осуществление последовательной работы новых режимов вывода частиц с быстрым и/или резонансным медленным выводами первичного пучка, в результате чего достигнут коэффициент одновременности работы физических установок в цикле ускорителя - 7-8.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах ИФВЭ, на Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц в Дубне (1983, 1988 г.г.), в Москве (1990 г.), на II Европейской конференции по ускорителям в Ницце (Франция, 1990 г.), на Всесоюзных совещаниях "Физика на УНК" (Протвино, 1989 г.) и "Применение эффектов каналирования частиц в физике высоких энергий" (Протвино, 1991 г.), на Американской конференции по ускорителям (Сан-Франциско, 1991 г.) и опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и статей в советских и иностранных изданиях [1-14].

На конкурсе научных работ ИФВЭ было присуждено II место статьям [6] в 1988 г. и [3] в 1989 г.

Высокие научно-технические результаты для физических экспериментов от внедрения тонкой внутренней мишени подтверждены решением научно-технического совета ИФВЭ N 12-88 от 11.11.1988 г. и актом приемки N 66 от 23.11.1988.

Структура диссертации. Диссертация состоит из предисловия, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 90 наименований. Объем диссертации 203 страницы, в том числе 83 рисунка и 14 таблиц.