Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ Несмотря на то, что максимальная энергия электронов, достигнутая в многосекционных ЛУЭ, значительно уступает энергии протонов в современных ускорителях (Батавия,ЦЕРН, проектируемый в СССР УНК на 3 ТэВ),роль их для решения фундаментальных вопросов физики чрезвычайно высока Достаточно лишь напомнить, что открытие структуры нуклона (Хофштадтер, 1962г.),пси-частиц (Рихтер, 1974г.), нарушение СРТ-инвариантности и другие открытия, удостоенные Нобелевских премий, были обнаружены на этих ускорителях. И если пионерские опыты Хофштадтера осуществлялись на пучке электронов с разбросом по импульсам в несколько процентов,то все последующие эксперименты требовали существенно меньшего разброса по импульсам при одновременном уменьшении поперечного эмиттанса пучка Это обстоятельство стимулировало как исследования по динамике пучков в многосекционном ЛУЭ, выявление основных детерминированных и стохастических факторов, увеличивающих его фазовый объем, так и разработку методов формирования пучков с малым шестимерным фазовым объемом или с малой величиной проекции последнего на требуемую плоскость. В 80-тые годы техника многосекционных ЛУЭ получила мощный стимул для своего развития. В различных странах запущено около 10 новых ускорителей (Япония,КНР,США,ЦЕРН). Это связано прежде всего с разработкой линейных коллайдеров в области физики сверхвысоких энергий (ВЛЭПП.СЛК), ускорителей с непрерывным пучком электронов в "резонансной"области энергий(0. 5... бГэВ), созданием ряда инжекторов для кольцевых коллайдеров и источников СИ.
Все это требует существенного уменьшения фазового объема пучка и разработки новых методов формирования прецизионных пучков в многосекционных ЛУЭ. Это можно показать на таком примере. В ХФГИ в настоящее время разрабатывается растяжитель пучка для ЛУЭ-2000 с одновременной реконструкцией последнего. При инжекции пучка в растяжитель и последующем его выводе требуется, чтобы энергетический разброс пучка электронов был менее 0.1%, иначе из-за потерь пучка основные магнитные элементы будут быстро разрушаться из-за радиационных повреждений. В то же время в большинстве современных ЛУЭ нагрузка ускоряющей структуры током в 0.1... 1А приводит к изменению энергии пучка на десятки процентов в течение значительной части импульса (времени заполнения секций в случае применения струк
тур с бегущей волной). Кроме того,это приводит к увеличению поперечного эмиттанса пучка из-за хроматических аберраций. Это ставит перед техникой ускорителей в данном случае многоплановую задачу: разработку таких методов монохроматизации пучка, которые исключали бы потери частиц вдоль ускоряющего тракта (до уровня 0.1%) и не приводили к существенному росту поперечного фазового объема. О величине последнего необходимо добавить следующее. Современные исследования по упругому и неупругому рассеянию электронов,а также процессов фоторождения в двойных поляризационных экспериментах (поляризованные фотоны плюс поляризованная мишень) требуют формирования пучка электронов(позитронов) с поперечным нормализованным эмиттан-сом Ет=Г*рі*ЮЕ-4м*рад ( Г-Лоренц фактор, a Em -эмиттанс пучка на мишени в области энергий более 500 МэВ). Аналогичные требования к яркости электронного пучка В-1/Ет*Ем возникают и при исследовании ЛСЭ или когерентных эффектов в кристаллах. Практически ни в одном ЛУЭ в настоящее время такие параметры пучка в широком диапазоне токов еще не реализованы. Для исследований с применением магнитных спектрометров с высоким разрешением необходимы пучки с энергетическим разбросом менее 0.1%.
Таким образом,развитие исследований по многим областям физики с применением многосекционных ЛУЭ обуславливает актуальность постоянного развития методов и устройств формирования прецизионных по продольному и поперечному эмиттансу пучков. Данная диссертация посвящена проблемам получения пучков заряженных частиц на уровне современных требований физического эксперимента и представляет собой обобщение результатов исследований и разработок различных методов формирования прецизионных пучков, выполненных автором на ЛУЭ-2000 и ЛУЭ-300 в ХФГИ.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЛУЭ для фундаментальных исследований в ХФГИ были запущены в 60-х годах. В это же время начали работать подобные установки за рубежом ( СЛАК (Стенфорд), ЛАЛ (ОРСЭ), позже АЛС (Сакле) и ускоритель Бейтса (Массачузетс)). Эти ускорители, различаясь существенно по энергии, току и скважности, в то же время имели практически одинаковые параметры фазового объема пучка на мишенях ( монохроматичность 1 процент, нормализованный эмиттанс 10Е-3 м*рад).В 70-х г. г.в связи с разработкой новых методик проведения физических экспериментов с использованием пучков электронов или вторичных пучков (позитроны,поляризованные гамма-кванты, мезо-
ны) возникли качественно новые требования на параметры ускоренного пучка, в частности необходимо было реализовать монохроматичность пучка в 0.1% и менее без потери интенсивности частиц. Практически одновременно в ХЗТИ и за рубежом началась разработка методов формирования пучков с указанными параметрами и реализация их в многосекционных ЛУЭ. Для генерации поляризованных монохроматичных гамма-квантов на выходе ЛУЭ необходимо было уменьшить поперечный эмиттанс пучка электронов на кристалле, для чего потребовалась разработка методов подавления квадратичных аберраций в системах транспортировки пучка . Накопленный опыт использования ЛУЭ в прикладных исследованиях настойчиво выдвигал задачи не только повышения мощности пучка (энергия, средний ток ), но и увеличения плотности пучка на мишенях, что также потребовало разработки самостоятельных методов формирования пучков с заданными характеристиками. Эффективность работы многосекционного ЛУЭ во многом определяется возможностью организации многопучкового режима с параллельной работой на несколько каналов, что выдвигает конкретные требования на параметры фазового объема пучка в разных импульсах ЛУЭ и потребовало разработок специальных методов формирования пучков. Разумеется, все это не могло быть учтено при разработке того или иного' ускорителя. Поэтому вполне естественно,что выдвигаемые практикой физического эксперимента все более жесткие требования на параметры пучков, привели к разработке целого ряда методов их формирования.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в изучении динамики пучков в многосекционных ЛУЭ в широком диапазоне токовой нагрузки, выявлении основных детерминированных и стохастических факторов, увеличивающих или нежелательным образом трансформирующих фазовый объем пучка на физических мишенях,разработке и реализации методов и устройств формирования пучков с прецизионными параметрами,а также в исследовании и разработке новых ускоряющих структур для работы ЛУЭ как инжектора в растяжитель пучка.
-
Результаты исследований динамики пучка в многосекционных линейных ускорителях электронов, выполненных как экспериментально, так и с помощью численного моделирования по оригинальным программам, результаты исследования факторов, увеличивающих продольный и поперечный эмиттанс пучка в ЛУЭ.
-
Методы формирования прецизионных пучков в ЛУЭ, использую-
щих связь поперечного движения с продольным, методы бесфоновой проводки сильноточного пучка вдоль ускоряющего тракта ЛУЭ, результаты исследований неустойчивости типа Ь. Ь. и. при реконструкции ускоряющей системы ЛУЭ-2000.
-
Результаты исследований и разработок, а также методика экспериментов по системам формирования монохроматичных пучков электронов, включая систему энергетического сжатия спектра пучка на выходе ЛУЭ-300 и спектрометр энергетических потерь на выходе ЛУЭ-2000.
-
Результаты исследований и разработок систем транспортировки пучка из ЛУЭ с подавлением аберраций.
-
Результаты исследований и разработок новых ускоряющих структур с высоким темпом ускорения; методов увеличения их электрической прочности.