Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 Разработка и исследование систем локализации потерь 9
Выбор оптимального положения коллиматоров в системе локализации потерь пучка 12 1.1.1 Графические методы анализа расстановки коллиматоров 26
Заброс частиц на скрепер и возможные пути его увеличения 31
Заброс частиц на скрепер при наведении пучка с постоянной скоростью 31
Способы увеличения заброса пучка на скрепер 35
Влияние нестабильности орбиты пучка на величину заброса 35
Рассеивающая мишень 38 1.2.4 Наклонный скрепер 41
Гало пучка при локализации потерь 43
Взаимодействие частиц пучка с веществом 46
Рассеяние протонов на мишени 48
Однократное взаимодействие частиц со скрепером или коллиматором 55
Оценка суммарных потерь при работе системы с мишенью и скрепером 56
Влияние изменения положения равновесной орбиты на распределение потерь 58
Критерии оценки выхода первичных рассеянных частиц 59
ГЛАВА 2 Разработка систем аварийного сброса и каналов вывода
провзаимодействовавших пучков 62
2.1 Система аварийного сброса пучка 62
Схема канала аварийного вывода 62
Требования к конструкции поглотителя аварийного сброса 63
Определение допустимых размеров пучка на поглотителе 64
2.2 Оптимизация каналов вывода провзаимодействовавших пучков
в линейных коллайдерах 66
Параметры пучка в точке встреч (ТВ) 66
Описание схемы канала вывода 68
Учет импульса в матричном подходе к расчету канала 68
Влияние положения и размеров первой квадрупольной линзы на
пропускную способность канала 71
Влияние ошибки положения пучков в ТВ на величину потерь 73
Графический метод выбора апертур элементов 76
ГЛАВА 3 Разработка коллиматоров, скреперов и поглотителей 78
3.1 Принципы исследования разогрева коллиматоров 78
Характеристики энерговыделения электромагнитного ливня 80
Поперечные распределения плотности энерговыделения и частиц пучка 80
Уравнение теплопроводности и пределы разогрева материалов 81
Мгновенный разогрев поглотителя 82
Стационарный разогрев поглотителя 84
Численное исследование энерговыделения в поглотителе 86
3.2 Разогрев коллиматора 88
Предлагаемые конструкции коллиматоров 89
Исследование разогрева коллиматоров с разной формой поглотителя 92
Численное исследование разогрева коллиматоров 94
3.3 Разогрев элементов системы локализации потерь 95
Выбор материала мишени 96
Выбор материала скрепера и его конструкции 100
Влияние излучения на разогрев оборудования 103
3.4 Конструкция поглотителя аварийного сброса 105
3.4.1 Результаты расчета комплекса поглотителя 108
ГЛАВА 4 Исследование работы системы локализации потерь в У-70
и возможные пути увеличения эффективности систем 110
4.1 Исследование работы системы локализации потерь в У70 110
Система с одним скрепером 112
Система с рассеивающей мишенью и скрепером 118
Моделирование процесса формирования пучка в У-70 120
Разработка системы защиты для системы локализации потерь в У-70 122
Разработка системы защиты в У-70 при медленном резонансном выводе 129
Использование бетатрони ого резонанса 136
Резонанс третьего порядка 136
Резонанс второго порядка 139
4.4 Использование изогнутого кристалла 141
Использование эффекта каналирования 141
Разогрев кристалла 147
Использованием эффекта объемного отражения 149
Расчет системы локализации потерь с кристаллом на У-70 151
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 154
Введение к работе
Создание ускорителей нового поколения - адронных и лептонных сверхпроводящих коллайдеров (LHC, УНК, TESLA) - и реконструкция действующих установок (У-70) выдвигают все возрастающие требования к качеству расчета и проектирования систем, обеспечивающих достижение заданных параметров пучков, стабильность работы ускорителя и уменьшение уровней облучения элементов оборудования и наведенной активности из-за потерь частиц при все увеличивающейся интенсивности и энергии пучков.
Как показывает практика работы действующих циклических ускорителей, наибольшие потери частиц имеют место при инжекции и в начале цикла ускорения (до 20%), при переходе через критическую энергию (до 2%) и при выводе (до 5%). Причинами потерь пучка могут быть: неполный захват частиц в режим ускорения, увеличение размеров пучка из-за ошибок ввода, взаимодействие с остаточным газом, развитие различных неустойчивостей пучка и нештатные режимы работы оборудования. Дополнительные потери возникают при работе систем вывода, перевода, аварийного сброса и при взаимодействии встречных пучков в коллайдерах. Оценки показывают, что при проектных параметрах пучков потери одного процента полной интенсивности (например, / = 6 -1014 прот.І гшп. в проекте УНК) при энергии 400 ГэВ или выше могут привести к радиационному и тепловому разрушению вакуумных камер и магнитного оборудования, а доли процента могут вызвать недопустимый разогрев сверхпроводящих обмоток и переход магнитов в нормальное состояние. Ужесточение норм радиационной безопасности выдвигают также новые требования к созданию систем защищающих ускоритель и окружающую среду от облучения.
Поэтому для полноценной работы ускорителя предусматривается создание и использование системы локализации потерь, которая располагается в одном специально оборудованном месте машины. Она состоит из скрепера, непосредственно перехватывающего гало пучка, коллиматоров, защищающих оборудование от рассеянных частиц, и радиационной защиты, окружающей эти элементы системы (Рис. 1.1). Дополнительно для уменьшения потерь частиц в кольце и разогрева скрепера могут быть использованы рассеивающие мишени, монокристаллы и резонансы. Система должна перехватывать до нескольких процентов интенсивности пучка максимальной энергии с условием минимизации выхода протонов в кольцо ускорителя. Поэтому, в настоящее время, большое внимание уделяется выбору конструкции и материалов системы с точки зрения поглощения ею максимально возможной мощности локализуемых частиц пучка в ускорителе и оптимальной расстановки коллиматоров для перехвата всех фракций рассеянных высокоэнергетичных частиц пучка [1-7]. Вторичные заряженные частицы, вышедшие из мишени, скрепера и коллиматоров, под влиянием магнитных полей потеряются на близлежащих к системе стенках вакуумной камеры. Для защиты оборудования ускорителя от них и нейтральных частиц предусматривается установка дополнительных коллиматоров, магнитов и окружение элементов системы защитой из металла (железа, свинца) и бетона. В целях уменьшения потерь в ускорителе автором разработан усовершенствованный
оптимизационный способ расстановки коллиматоров в двух поперечных плоскостях с учетом отклонения импульса от равновесного, основанный на минимизации потерь частиц в кольце, рассеянных скрепером. Конечно, большое значение для минимизации выхода протонов в кольцо ускорителя играет увеличение параметра заброса пучка на скрепер [8]. Поэтому в последнее время уделяется значительное внимание вариантам систем локализации потерь с применением нетрадиционных методов заброса пучка на скрепер с использованием бетатронных резонансов [30] и монокристаллов [35, 37].
В процессе вывода пучка из циклического ускорителя возникают значительные потери в кольце ускорителя, источниками которых являются элементы вывода: электростатический дефлектор, магнитный септум, магнит Ламберсона, рассеивающая мишень, изогкутьш кристалл и т.д. Так, при медленном резонансном выводе пучка в УНК ожидается до ~2% потерь от выводимой интенсивности пучка на перегородке электростатического дефлектора [27], а в У-70 имеются 5-И0% потерь на дефлекторе и септум-магнитах. При использовании для вывода рассеивающих мишеней и кристаллов [55] потери возрастают до 15^-30%. Причем энергия теряемых частиц обычно максимальная для данного ускорителя, что приводит к значительному радиационному загрязнению оборудования кольца ускорителя. Принцип защиты ускорителя от излучения при выводе пучка такой же, как и для системы локализации потерь. За выше перечисленными источниками излучения по ходу пучка устанавливаются коллиматоры, перехватывающие все фракции рассеянных частиц.
В любой из систем ускорителя может возникнуть нештатный режим, приводящий к недопустимо большому уровню потерь пучка и к возможному разрушению элементов ускорителя. Поэтому в проектах высокоинтенсивных циклических ускорителей на большие энергии предусматривается создание систем аварийного сброса пучка, которые должны обеспечить быстрый однооборотный вывод пучка полной интенсивности в рабочем диапазоне энергий. Основными элементами системы (Рис.2.1) являются: импульсные магниты, выводящие пучок из кольца, канал транспортировки и поглотитель пучка. Расположение и параметры магнитных элементов системы аварийного вывода должны обеспечивать транспортировку пучка с учетом возможного увеличения его поперечных размеров при аварийной ситуации и требуемый размер пучка на аварийном поглотителе, необходимый для предотвращения разрушения керна поглотителя при многократном сбросе пучка полной интенсивности за каждый цикл ускорения [28-29]. Размеры графитового керна поглотителя определяются из условия предотвращения его разрушения вследствие радиационных эффектов и термомеханических стрессов, сопровождающих развитие адронного межъядерного каскада и электромагнитного ливня. В процессе расчета необходимо учитывать временную структуру работы системы аварийного сброса, а также нестабильность положения центра пучка на поглотителе. Большое значение имеет создание надежной и быстрой диагностики, определяющей режимы работы оборудования, параметры пучка и потери, с возможностями вырабатывания сигнала запуска аварийного сброса при выходе соответствующих параметров за область допустимых значений.
Одной из проблем современных линейных коллайдеров является качественная утилизация провзаимодействовавших пучков, обладающих колоссальной мощностью. Так, для проектируемого коллайдера TESLA средние мощности электронного и позитронного пучков составят по 8 МВт и в дальнейшем при увеличении энергии ускорителя до 800 ГэВ в СМ они возрастут до 16 МВт [13]. Поэтому, даже незначительная часть пучка, не захваченного каналом вывода, может вызвать серьезное увеличение радиационного фона и даже разрушить оборудование ускорителя. Задача создания каналов вывода в данном случае усложняется из-за значительного увеличения угловых размеров и импульсного разброса после взаимодействия пучков в точке встреч (ТВ). Автором был произведен анализ влияния положения и размеров первой квадрупольной линзы на пропускную способность канала и разработана методика создания канала сброса пучка, предусматривающая минимизацию количества магнитных элементов и их апертур, с созданием необходимых размеров пучка на поглотителе для предотвращения его разрушения при разных условиях встреч [14-17].
В процессе работы ускорителей имеются значительные потери частиц пучка, которые необходимо перехватить системами локализации потерь и защиты с целью предотвращения разрушения оборудования. Сами элементы систем могут находиться в условиях возможного разрушения из-за значительного разогрева и термомеханических напряжений. Поэтому было уделено серьезное внимание выбору материала элементов и их конструкций [26]. В современных ускорителях процесс поглощения части или всего пучка носит импульсный характер, а так как допуск на импульсный разогрев материала значительно ниже стационарного, то исследуется и мгновенный разогрев рассматриваемого оборудования. В процессе разработки систем были предложены аналитические оценки максимально возможной перехватываемой интенсивности пучка, полученные на основе решения уравнения теплопроводности для различных режимов работы ускорителей. Также приводятся оценки габаритов скреперов и коллиматоров, оптимальных в аспекте поглощения наибольшей части локализуемой энергии, и исследуется влияние размеров пучка на разогрев поглотителя в зависимости от общепринятых распределений энерговыделения точечного пучка в веществе [19-20]. В качестве воздействующего источника рассматриваются электронные, позитронные, фотонные и протонные пучки. На основе предложенного метода исследования разогрева поглотителей разработаны и исследованы новые конструкции коллиматоров, имеющие возможность перехватывать более мощные пучки [21,25].
Для решения данного класса задач был создан комплекс программ "SCRAPER" [10,18,48], реализующий алгоритм статистического моделирования процесса движения пучка в ускорителе с учетом поперечных и продольных возмущений и взаимодействия частиц с веществом элементов структуры проектируемых установок. Комплекс позволяет рассчитывать развитие адронных и электромагнитных каскадов, вызванных потерями пучка, в системах практически произвольной пространственной геометрии при наличии внешних электромагнитных полей, осуществлять расчет полей рассеянного излучения и их функционалов (энерговыделения, радиационного разогрева, эквивалентной дозы и т.д.) и оптимизировать расположение
элементов. С помощью созданного комплекса были разработаны и исследованы системы аварийного сброса, локализации потерь, защиты и вывода пучка для проектов УНК и TESLA-500 (DESY), произведено моделирование работы системы локализации потерь У-70 и даны предложения по ее модернизации.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методик оптимального проектирования систем локализации потерь, зашиты, аварийного сброса пучка и на их основе разработки и исследования систем У-70, УНК, TESLA. В частности, требовалось изучить процесс формирования пучка с использованием аморфной рассеивающей мишени, монокристаллов и рабочего бетатронного резонанса и определить оптимальные конструкционные параметры и расположение элементов систем в структуре ускорителя для достижения максимальной эффективности и работоспособности перечисленных систем. Необходимо было детально исследовать проблему разогрева элементов рассматриваемых систем при перехвате интенсивных пучков больших энергий и дать рекомендации по выбору материалов и конструкций коллиматоров, мишеней, скреперов и поглотителей.
Диссертация состоит из четырех глав.
В первой главе приводится описание работы систем локализации потерь пучка, и анализируются пути уменьшения потерь и повышения надежности систем. Особое внимание уделяется вопросам взаимодействия частиц с элементами систем локализации потерь и уменьшения выхода частиц в кольцо ускорителя путем оптимизации положения коллиматоров, увеличения заброса^ частиц на скрепер, выбора материалов и размеров элементов. Определяются критерии эффективности работы систем локализации потерь и формирования пучка, и дается оценка величины потерь в кольце ускорителя для систем с рассеивающей мишенью и без нее.
Во второй главе излагается методика разработки комплекса аварийного сброса и каналов транспортировки пучка. Представлено описание комплекса аварийного сброса (на примере УНК-600), который должен обеспечивать быстрый однооборотный (70 мкс) вывод пучка протонов в диапазоне энергий 70-600 ГэВ интенсивностью / = 6-1014 прот.1гшп.у с детальным расчетом параметров пучка на поглотителе. Приводится разработка и расчет каналов вывода электронных и позитронных провзаимодеиствовавишх пучков в линейном коллаидере большой мощности (на примере TESLA) с исследованием работы систем формирования пучка и защиты.
В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с разогревом поглотителей пучком и особенностями их конструкций. Предлагаются и исследуются новые конструкции коллиматоров, обладающие возможностью перехвата пучков с мощностью в несколько раз большей, чем типичные прямоугольные коллиматоры. Рассматривается выбор конструкционных материалов рассеивающей мишени и скрепера с точки зрения термомеханической стойкости при разных условиях перехвата частиц пучка, и приводится
расчет разогрева этих элементов для УНК. Представлена разработанная конструкция комплекса аварийного поглотителя пучка УНК-600.
В четвертой главе исследуется процесс локализации потерь пучка в У-70 с рассеивающей мишенью и без нее, рассматривается влияние параметров пучка, материалов элементов, режимов работы системы на величины потерь и даются предложения по увеличению эффективности системы с использованием коллиматоров. Для защиты оборудования от облучения при медленном выводе и снижения радиационного фона в У-70 предлагается система защиты для перехвата протонов провзаимодействовавших с электростатическим дефлектором. Исследуется эффективность систем локализации потерь с использованием монокристаллов и рабочего бетатронного резонанса для увеличения заброса частиц пучка на скрепер с целью уменьшения выхода вторичных частиц из системы в кольцо и облучения окружающего оборудования.
Автор выносит на защиту:
Разработку методик оптимального проектирования систем локализации потерь и защиты для циклических ускорителей и каналов.
Исследование влияния процессов взаимодействия частиц с элементами системы локализации потерь на эффективность ее работы.
Исследование и оптимизация работы системы формирования эмиттанса пучка на ускорителе У-70 с целью повышения ее эффективности.
Разработку и исследование системы защиты для перехвата возможных потерь при медленном резонансном выводе в У-70.
Исследование и разработку каналов аварийного сброса и конструкции комплекса поглотителя для проекта УНК-600.
Разработку каналов вывода линейных коллайдеров больших энергий и интенсивностей для проекта TESLA-500 и оптимизацию их с целью уменьшения потерь.
Исследование разогрева оборудования рассматриваемых систем и предложение возможных путей по увеличению их работоспособности.
Разработку и исследование новых конструкций коллиматоров, способных перехватывать более мощные пучки.
Исследование и разработку систем локализации потерь с применением бетатронных резонансов и монокристаллов, с помощью которых пучок забрасывается на скрепер.
Создание комплекса программ транспортировки пучков в электромагнитных полях и веществе для расчета и разработки систем ускорителя.
Результаты работ, вошедших в диссертацию, были доложены на научных семинарах ИФВЭ,
опубликованы в трудах конференций (РАС, ЕР АС, НЕАС, SARE) [4, 7-10, 12, 14, 26, 30, 37-38]
и совещаний (DESY, SSC, ШЕР) [3, 5-6, 11, 12, 15-16, 21, 28-29, 33, 35], научных журналах [34,
43], препринтах ИФВЭ [27, 31, 42], а также в виде авторских изобретений [39-41] и
свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ [47-49].
Диссертация изложена на 158 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 113 рисунков и 12 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 58 наименований. Нумерация формул, рисунков и таблиц дается по главам.
