Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Источники позитронов ществуют во всех лабораториях мира, работающих со встреч-іми электрон-позитронными пучками. Строительство нового полепил ускорительных установок с высокой светимостью, в частости строительство в институте ядерной физики СО РАН Ф-ібрики и С-ТАУ фабрики, выдвигает требования создания вы-ко интенсивного источника позитронов, который призван обес-:чить новые установки необходимым для их нормальной работы шичеством частиц.
Наиболее распространенная и общепринятая схема позитрон-)го источника базируется на использовании линейных ускори-;лей. Данная схема позитронного инжектора обычно включает себя два линейных ускорителя. Первый линейный ускоритель эедназначен для полз'чения, формирования и ускорения электропил сгустка до требуемой энергии конверсии. Далее расположен знверсионный узел, который служит для получения и формирова-ия позитронного сгустка. Второй линейный ускоритель ускоряет э требуемой энергии уже сформированные позитронные сгустки. Для создания высоко интенсивных позитронных источников э всех лабораториях мира используют первичные электронные густки с энергией от нескольких ГэВ до нескольких десятков эВ. Эффективность преобразования первичных электронов в по-итроны характеризуют коэффициентом конверсии, который пока-ывает число позитронов, вылетающих из конверсионной мишени, ормированное на число первичных электронов и на их энергию в 'эВ. Данная величина составляет 2.2 позитрона на один электрон на один ГэВ. Наибольший коэффициент сбора позитронов - число позитро-:ов, транспортированное до места встречи, нормированное на чи-ло электронов и на их энергию в ГэВ, достигнутый на сегодняш-[ий день, составляет 3.5%ГэВ~1.
В разрабатываемых на сегодняшний день высоко интенсивных [сточнпках позитронов увеличение коэффициента сбора позитро-
нов достигается путем оптимизации конверсионной мишени и о гласующего устройства.
В институте ядерной физики СО РАН продолжаются работ по созданию комплекса электрон-позитронных фабрик. Для обе печення эффективной работы этих установок разрабатывается ш жекционный комплекс, в состав которого входят форинжектор накопитель-охладитель.
Форинжектор предназначен для первоначального формиров; ния и ускорения электронных и позитронных пучков и долже обеспечить совместно с накопителем-охладителем одновременну] работу ^-фабрики, комплекса ВЭГШ-4М и ст-фабрики на полнуї светимость. Для этого форинжектор должен ежесекундно прои: водить (5 -j-10) 1010 электронов и позитронов с энергией части на выходе 510 МэВ. Величина энергии пучков на выходе фориї жектора выбрана равной рабочей энергии экспериментов по р( ждению «^-мезонов (2 X 510 МэВ). Требования на энергетически разброс пучков на выходе форинжектора определяются условиям эффективной инжекции в накопитель-охладитель при использс вании дебанчера-монохроматора для уменьшения энергетическог разброса позитронного пучка.
При рассмотрении вариантов проекта форинжектора принят] во внимание не только физические требования, но, и возможност практической реализации в сжатые сроки при минимизации, частности, строительных затрат. Решение разместить форинжеь тор в существующем здании определило жесткие ограничения н размеры площади, занимаемой под оборудование форинжектор; Весьма существенное внимание уделено проблеме надежности рг боты форинжектора. Поэтому использованы, в основном, извесі ные физические и технические решения для отдельных злементої
Основу форинжектора составляют линейный ускоритель элек тронов на энергию 300 МэВ, линейный ускоритель электронов позитронов на энергию 510 МэВ, изохронная магнитная систем для поворота 300 МэВ-ного электронного пучка на 180, конверсії онная система и ВЧ фотопушка. Первый ускоритель используете для получения интенсивных электронных сгустков для последую
цего производства позитронов. Ускоритель на 510 МзВ использу-тся как для ускорения позитронов, полученных в конверсионной истеме, так и для ускорения электронных сгустков, сформированных в фотопушке.
Основное время работы инжекционного комплекса составляет юзитронный цикл, т.е. получение, формирование и ускорение по-итронных сгустков. Поэтому конверсионная система является од-юй из важнейших систем инжекционного комплекса в целом.
При создании конверсионного узла возникает ряд задач, кото->ые обычно группируют следующим образом:
-
Электрон-позитронная конверсия - выбор материала и толщины конвертора, исходя из оценки общего количества позитронов, выходящих их конверсионной мишени, их радиального, углового и энергетического распределений.
-
Формирование позитронного сгустка - выбор устройства для согласования фазового объема позитронного сгустка с акцеп-тансом ускоряюще-фокусирующего канала линейного ускорителя.
-
Оптимизация динамики позитронного сгустка - выбор положения конвертора относительно ускоряющей структуры, выбор параметров ускоряющих и фокусирующих полей.
Разделение проблемы создания конверсионного узла на не-;колько отдельных задач носит чисто условный характер, который призван лишь выделить основные моменты. Так например, пункты 1 и 2 не являются совершенно самостоятельными задачами, а должны решаться совместно. Оптимизация параметров всех элементов конверсионного узла должна проводиться с целью получения наибольшего числа позитронов.
Конверсионный узел состоит из следующих элементов:
фокусирующий триплет, предназначенный для фокусировки первоначального электронного сгустка на конверсионную мишень;
конверсионная мишень, предназначенная для рождения по: тронов;
согласующее устройство, предназначенное для сбора по: тронов, выходящих из конверсионной мишени и согласован эмиттанса позптронного' сгустка с акцептансом ускоряюи фокусирующего канала позптронного линейного ускорите;
первая ускоряющая секция позптронного ускорителя с пов шенным темпом ускорения, помещенная в соленоид сопро] ждения;
соленоид сопровождения, предназначенный для удержан позитронов в внутри апертуры первой ускоряющей СЄКЦИЕ
компенсирующие катушки, предназначенные для формирої ния постоянного магнитного поля в области конверсионн мишени и согласующего устройства.
Таким образом, от успешной реализации конверсионного уз зависит эффективность работы всего инжекционного комплексе целом.
Цель проведения работы.
Основная цель данной работы заключается в исследовании в< можности создания источника позитронов, обеспечивающего т] буемое количество частиц для ^-фабрики, комплекса ВЭПП-41\/ сг-фабрики , а также разработка и создание отдельных компоне конверсионной системы инжекционного комплекса ВЭПП-5.
Научная новизна работы.
Рассчитаны базовые распределения позитронов после конв( сионной мишени, что значительно упрощает процедуру ср; нения и выбора параметров конверсионной мишени.
Рассчитаны характеристики согласующего устройства д сбора позитронов при условии неадиабатичности изменен
его поля, что позволяет описывать такое устройство в широких пределах изменения параметров магнитных полей и его длины.
На основе первых двух пунктов предложен метод аналитических сравнений позитронных систем с различными параметрами. Приведена процедура аналитической оценки числа захватываемых позитронов с условием обеспечения требуемого энергетического разброса в сгустке.
Проведены сравнения характеристик согласующего устройства, полученных численном моделированием динамики частиц, с аналитическими выражениями, а также с характеристиками согласующего устройства при учете реально создаваемых полей.
Рассчитано влияние на захват позитронов положения конверсионной мишени относительно положения максимума поля согласующего устройства.
Рассмотрена задача численного расчета согласующего устройства- концентратора потока в квазистационарном приближении с учетом реального расположения элементов конверсионного узла.
Основные результаты работы, выносимые на защиту.
1) Выбраны и оптимизированы параметры конверсионной ми-іени:
рассчитаны распределения позитронов после конверсионной
мишени;
сделаны аналитические оценки полного числа выходящих из
конверсионной мишени позитронов и оптимальной толщины
конверсионной мишени и проведены сравнения с результа
тами численного моделирования.
2) Описаны основные механизмы и факторы, ограничивают!:
число захватываемых позитронов:
в общем виде получена, квадратичная форма акцептанса с( гласующего устройства при условии неадиабатичности и: менения его магнитного поля, рассчитаны максимальные з< хватываемые углы и максимальный радиальный размер пс зитронного источника;
установлены ограничения, накладываемые на захватыва< мые позитроны и связанные с удлинением позитронног сгустка, при движении в полях согласующего устройства соленоида сопровождения, на основе рассмотренных ограни чений предложена процедура численной оценки числа захвг ченных позитронов.
3) Проведены численные моделирования движения позитронов
полях согласующего устройства, соленоида сопровождения и СВ1-
поле ускоряющей секции:
рассмотрено влияние реальных полей, создаваемых концек тратором потока, на число захватываемых позитронов и от личия от идеализированных полей согласующего устройстве принимаемых для аналитических расчетов его свойств;
оптимизировано положение конверсионной мишени относи тельно положения максимума поля согласующего устрой ства;
численным методом оценено число позитронов ускоряемых д энергии инжекции в охладитель-накопитель с учетом обес печения требуемого энергетического разброса в сгустке дл разных параметров согласующего устройства; «-
на основе результатов предыдущего пункта выбраны пара метры согласующего устройства;
оптимизированы параметры дебанчера-монохроматора с це лью наибольшего захвата позитронов.
4) Проведены расчеты концентратора потока:
предложен и реализован метод численного расчета, концентратора потока в квазистационарном случае;
учтено влияние аксиальной несимметрии задачи - наличие щели разреза концентратора потока;
изготовлен прототип концентратора потока и проведены измерения магнитного поля.
Научная и практическая значимость работы. Рассмо-'ренные распределения позитронов после конверсионной мишени [ выделенные основные распределения дают дополнительное іредставленне к методам оценки числа захватываемых позитронов, применяющих трассировки частиц через ускоряюще-рокусирующие поля, и позволяют значительно ускорить проведения таких оценок. Приведенные выражения максимальных захватываемых углов для согласующего устройства дают возможность применить их в довольно широких диапазонах значений величины магнитного поля и его длины. Изготовлен прототип импульсного магнита - концентратора потока, На котором достигнуто наибольшее значение магнитного поля для таких устройств. Выше приведенные фактора дают возможность надеяться на успешную реализацию позитронной программы инжекционного комплекса ВЭПП-5, создаваемого в ИЯФ СО РАН.
Структура работы. Основной текст диссертации состоит из введения, шести частей и заключения. Текст диссертации содержит 102 страницы, 57 рисунков и 7 таблиц. Список литературы содержит 47 наименований.