Содержание к диссертации
Введение 4
1. Расчет и теоретическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ У-10 16
1.1. Получение высокозарядных ионов 18
1.1.1. Особенности формирования лазерной плазмы 21
1.1.2. Параметры пучка на выходе лазерного источника 22
1.1.3. Выводы 23
1.2. Транспортировка пучка низкой энергии 24
1.2.1. Формирование пучка на выходе разрывающего промежутка 24
1.2.2. Характеристики фокусирующего канала 26
1.2.3. Продольная группировка пучка в согласующем канале И-3 27
1.2.4. Транспортировка пучка на выходе И-3 27
1.2.5. Выводы 29
1.3. Динамика пучка в двухзазорном линейном инжекторе 30
1.3.1. Продольное движение 30
1.3.2. Поперечное движение 33
1.3.3. Ускорение в И-3 тяжелых ионов с A/Z 3 37
1.3.4. Выводы 40
1.4. Динамика пучка в бустерном синхротроне 41
1.4.1. Инжекция 41
1.4.2. Коррекция магнитного поля 42
1.4.3. Адиабатический захват и ускорение 43
1.4.4. Предельная интенсивность 46
1.4.5. Вакуумные потери частиц 48
1.4.6. Выводы 51
1.5. Перезарядная инжекция тяжелых ионов 52
1.5.1. Изменение зарядового состояния быстрых ионов 53
1.5.1.1. Сечения ионизации 53
1.5.1.2.Сечения рекомбинации 55
1.5.1.3.Равновесное зарядовое состояние 56
1.5.2. Кулоновское рассеяние 57
1.5.3. Ионизационные потери энергии 61
1.5.4. Обратная перезарядка 64
1.5.5. Выводы 65
1.6. Общие характеристики бетатронных резонансов 66
1.6.1. Характеристики бетатронных резонансов в окрестности рабочей точки У-10 75
1.6.2. Нелинейность поля в коротких прямолинейных промежутках структуры У-10 78
1.6.3. Анализ влияния нелинейностей Е-блоков 79
1.6.4. Выводы 82
1.7. Ограничение интенсивности накопителя из-за коллективных эффектов 83
1.7.1. Некогерентный сдвиг бетатронных частот 83
1.7.2. Продольная неустойчивость 83
1.7.3. Поперечная неустойчивость 84
1.7.4. Внутрипучковое рассеяние 85
1.7.5. Выводы 88
2. Основные технические решения, положенные в основу комплекса 90
2.1. Краткий обзор тяжелоионных комплексов 90
2.2. Структура ускорительно-накопительного комплекса и режимы его работы
2.2.1. Выводы 99
2.3. Ионный инжектор И-3 100
2.3.1. Система ВЧ-питания ускоряющего резонатора 100
2.3.2. Параметры пучка на выходе лазерного источника 100
2.3.3. Применение фильтра Вина для сепарации пучка 103
2.3.4. Оптимизация структуры согласующего канала 105
2.3.5. Выводы 108
2.4. Бустерный синхротрон УК 109
2.4.1. Магнитное кольцо УК 109
2.4.2. Система инжекции ПО
2.4.3. Система питания кольцевого магнита УК 113
2.4.4. Коррекция магнитного поля 114
2.4.5. Ускоряющая система 115
2.4.6. Вакуумная система 117
2.4.7. Группировка пучка перед выводом 118
2.4.8. Система быстрого вывода пучка 118
2.4.9. Выводы 121
2.5. Ускоритель-накопитель У-10 123
2.5.1. Переводной ионопровод УК/У-10 124
2.5.2. Технология многократной перезарядной инжекции 126
2.5.3. Инжекция пучка при помощи вводного ипфлектора 133
2.5.4. Система быстрого вывода 135
2.5.5. Выводы 140
3. Результаты физического пуска комплекса 141
3.1. Наладка инжекции и ускорения ионов С4+в кольце УК 141
3.1.1. Потери частиц при инжекции и на первых оборотах 141
3.1.2. Модуляция зарядовой плотности пучка в процессе захвата и ускорения 143
3.1.3. Наладка ускорения до максимальной энергии 145
3.1.4. Анализ потерь частиц по циклу ускорения 145
3.1.5. Наладка быстрого вывода пучка 146
3.1.6. Выводы 146
3.2. Накопление ионов углерода в кольце У-10 147
3.2.1. Транспортировка пучка по переводному ионопроводу 147
3.2.2. Экспериментальная проверка кинематических расчетов 147
3.2.3. Наладка долговременной циркуляции пучка 148
3.2.4. Наладка и оптимизация многократной инжекции и накопления 149
3.2.5. Предварительный анализ состояния накопителя 153
3.2.6. Выводы 156
3.3. Продольная группировка и вывод накопленного пучка 158
3.3.1. Выводы 161
3.4. Наладка инжекции и ускорения ионов в У-10 до релятивистских энергий 162
3.4.1. Выводы 165
Заключение 166
Литература 1
Введение к работе
Задача создания ускорительно-накопительного комплекса для экспериментов на пучках ионов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике возникла как одно из направлений реконструкции существующего в ИТЭФ протонного синхротрона У-10, относящегося к поколению первых кольцевых протонных ускорителей с жесткой фокусировкой, строительство которых велось в конце 50-х годов одновременно в России, США и ЦЕРН. В то время ускорительная техника развивалась стремительно в погоне, в первую очередь, за энергией и интенсивностью ускоренного пучка. Возможности развития в этом направлении протонного синхротрона У-7 на энергию 7 ГэВ, запущенного в ИТЭФ в 1961 г.[1], были исчерпаны к 1980 г., когда в результате двух реконструкций (в 1967 был сооружен новый инжектор на энергию 25 МэВ и в 1974 г. перестроена структура магнитного кольца) - была увеличена энергия ускоренного пучка до 10 ГэВ (ускоритель был переименован в У-10), и интенсивность достигла 1,5-1012 протонов за цикл ускорения [2]. Дальнейшее развитие ускорительного комплекса ИТЭФ могло быть направлено только на расширение его функциональных возможностей.
В 1985 г. был разработан и начал реализовываться проект реконструкции У-10 с целью создания на его основе ускорительного комплекса тяжелых ионов [3,4]. В выбранной схеме предполагалось ускорять малозарядные тяжелые ионы до релятивистских энергий с невысокой интенсивностью для экспериментов по релятивистской ядерной физике [5,6]. В 1989 г. проект был остановлен из-за отсутствия финансирования.
В 1996 г. возникла идея [7] рассмотреть возможность продолжения реконструкции ускорительного комплекса ИТЭФ под новую физическую задачу: исследование состояния вещества с высокой плотностью энергии, получаемой при взаимодействии с веществом ускоренного пучка тяжелых ионов высокой мощности. Имеющиеся в ИТЭФ два магнитные кольца, - синхротрон У-10 и удерживающее кольцо УК, построенное по проекту 1985 года, -позволяли рассматривать схему получения максимальной интенсивности и, соответственно, высокой мощности пучка при помощи накопителя, в качестве которого можно было использовать одно из колец, заполняемое многократно пучком, ускоряемых циклически в другом кольце. Диапазон рассматриваемых энергий накапливаемых ионов определялся предельной магнитной жесткостью кольца УК (12,9 Тл-м), соответствующей удельному импульсу частиц 3,8 ГэВ/с. Однако оказалось, что кольцо УК не может быть использовано в качестве накопителя ионов с максимальной энергией, т.к. конструкция магнитных элементов этого кольца была рассчитана на режим работы быстрого бустерного синхротрона с частотой циклов до 20 Гц и средней рассеиваемой мощностью не выше 10% от максимальной. Таким образом, в проекте ускорительно-накопительного комплекса функции колец однозначно определились: У-10 - накопитель, УК - бустерный синхротрон. Дальнейшая проработка проекта показала, что использование У-10 в качестве накопителя тяжелых ионов с бустерным синхротроном УК позволяет рассчитывать на достижение тераваттного уровня мощности накопленного пучка, давшего название создаваемой установке ИТЭФ-ТВН [8].
Создание установки ИТЭФ-ТВН, не имеющей аналогов в мире и позволяющей в лабораторных условиях изучать нестационарные физико-химические процессы в экстремальных состояниях вещества при импульсном воздействии интенсивным пучком тяжелых ионов запредельной мощности, открывало беспрецедентную возможность получения новых сведений о реальном состоянии и поведении компонентов сверхплотной плазменной материи на всех этапах ее эволюции от момента начала разогрева до достижения экстремальных параметров и последующей деградации [9]. Проникновение в неисследованную область высоких давлений и температур предоставляет уникальную возможность выявить особенности фазовых переходов вещества в экстремальных условиях, а также проследить влияние разнообразных процессов энергетического обмена на его свойства и состояние [10,11]. Эксперименты по исследованию свойств сильно-сжатой и разогретой плазмы имеют не только теоретическое, но и большое практическое значение, т.к. позволят уточнить структуру и эволюцию астрофизических объектов, имитировать физические процессы в мишенях инерционного термоядерного синтеза; описать физическое воздействие интенсивных энергетических потоков на вещество, включая прогнозирование последствий техногенных катастроф, условия вхождения космических объектов в атмосферу тяжелых планет и т.д.
При переоборудовании У-10 в тяжелоионнный накопитель оказалось возможным сохранить существующую технология ускорения в У-10 протонного пучка, а также создать новую возможность получения ионов релятивистских энергий при последовательном их ускорении в синхротронах УК и У-10. Основные проектные характеристики комплекса даны в табл. 1. В настоящее время завершен первый этап реконструкции, в результате которого создана полностью технологическая схема нового комплекса. В процессе реконструкции был построен линейный инжектор ионов И-3 на энергию 4 MB [12], осуществлен физический пуск бустерного синхротрона УК [13], а также впервые реализована циклическая схема перезарядной многократной инжекции ионов из бустерного синхротрона УК в накопительное кольцо, переоборудованное из протонного синхротрона У-10 [14]. В результате пусконаладочных работ было получено накопление ядер углерода в кольце У-10 при энергии 200 МэВ/а.е.м. [15], а также ускорение ядра углерода в У-10 до энергии 4 ГэВ/а.е.м. [16].
В основу диссертации положены: расчет и теоретическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона У-10 с целью создания ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН, предназначенного для экспериментов с пучками тяжелых ионов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике, а также результаты технической реализации проекта, включающей в себя создание, наладку и физический пуск основной технологической схемы.
Научная новизна представленной работы заключается в решении ряда новых вопросов, относящихся к физике пучков заряженных частиц и технике кольцевых ускорителей и накопителей тяжелых ионов.
1. Выполнен комплекс теоретических исследований, составивший инженерно-физическую основу проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ с целью создания на его основе ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН с рекордной импульсной интенсивностью и мощностью ионных пучков в диапазоне энергий до 1 ГэВ/а.е.м.:
а) проведен сравнительный анализ особенностей действующих и проектируемых тяжелоионных ускорительно-накопительных комплексов, показана возможность получения в накопительном кольце с перезарядной инжекцией ионов рекордной интенсивности накопленного пучка, сформулированы условия вывода создаваемой установки на тераваттный уровень мощности; б) изучена динамика формирования сильноточного пучка тяжелых ионов на выходе лазерного источника и в канале транспортировки и согласования пучка с доминирующим пространственным зарядом с двухзазорным линейным инжектором, разработана схема линейного канала инжектора, рассчитанная на максимальный выходной ток пучка; в) исследованы проблемы минимизации потерь пучка с неравномерной плотностью и доминирующим пространственным зарядом при инжекции, захвате и ускорении в бустерном синхротроне;
г) исследованы проблемы обеспечения высокой эффективности многократной перезарядной инжекции тяжелоиошюго пучка в накопительное кольцо, выполнен расчет схемы перезарядной инжекции пучка в накопительное кольцо У-10 с эффективностью близкой к единице:
д) дано физико-техническое обоснование предельных параметров тяжелоионного комплекса ИТЭФ-ТВН по интенсивности и мощности накопленного пучка.
2. Впервые разработана и применена циклическая схема многократной перезарядной инжекции ядер в накопительное кольцо с предварительным ускорением не полностью ободранных ионов в линейном инжекторе и в бустерном синхротроне.
3. Проведен цикл исследований и оптимизации схемы многократной перезарядной инжекции и условий накопления пучка, позволивший получить рекордное увеличение в 50 раз интенсивности накопленного пучка по отношению к инжектируемому.
4. Впервые реализована трехступенчатая схема ускорения ионов до релятивистских энергий с перезарядной инжекцией пучка из бустерного в основной синхротрон.
Практическая ценность.
1. Создан многофункциональный ускорительно-накопительный комплекс ионов для исследований по актуальным направлениям прикладной и фундаментальной науки и современных технологий: физике высокой плотности энергии в веществе, релятивистской ядерной физике, проблемам топливного цикла, медицинской физике, радиационной стойкости материалов и приборов, физике сильноточных ионных пучков и ускорителей заряженных частиц.
2. Осуществлен режим многократной перезарядной инжекции ионов, ускоренных в бустерном синхротроне, в накопительное кольцо У-10, при однократной инжекции 5-10 достигнут уровень интенсивности накопленного пучка 2-10 ядер углерода с энергией 200 МэВ/а.е.м.
3. Отработана методика продольной компрессии накопленного ионного пучка ВЧ полем, получена ширина импульса сгруппированного пучка 170 не при длительности оборота 1,4 мкс.
4. Получено ускорение ядер углерода до релятивистской энергии 48 Гэв при помощи трехступенчатой эстафетной схемы ускорения, в линейном инжекторе, бустерном и основном синхротронных кольцах.
5. Создана система быстрого вывода пучка из ускорительно-накопительного кольца У-10 в канал транспортировки пучка на экспериментальную установку.
6. Начались и активно ведутся эксперименты на пучках протонов и ионов: ускорительный комплекс отработал в 2003-04 г. на физический эксперимент и прикладные исследования всего 6678 (в 2004 г,-3288 ч.), из которых с протонным пучком - 4082 часов (в 2004 г. - 1896 ч.), с ионным пучком в режиме накопления 2280 часов (в 2004 г. - 1392 ч.), с ионным пучком в режиме ускорения ионов до релятивистских энергий - 316 часов. Основные положения, выносимые на защиту 1. В результате выполненных расчетов и теоретических исследований составлено инженерно-физическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ и создания на его основе ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН с рекордной импульсной интенсивностью ионных пучков. Ускорительный комплекс сохраняет при этом возможность ускорения протонного пучка, а также приобретает возможность накопления ионов с энергией несколько сотен МэВ/а.е.м. и ускорения ионов до релятивистских энергий. В основу проекта положен известный способ перезарядной инжекции, впервые адаптированный в разработанном проекте к пучкам тяжелых ионов, для которых детально рассмотрены эффекты взаимодействия с материалом перезарядной мишени и остаточным газом в камере накопителя и определены условия сохранения устойчивости в процессе накопления.
2. Разработанная схема многократной перезарядной инжекции тяжелых ионов в накопительное кольцо У-10 с предварительным циклическим ускорением не полностью ободранных ионов в линейном инжекторе и в бустерном синхротроне УК, рассчитанная на накопление тяжелых ионов с изменением заряда при инжекции в диапазоне Z/Zoe[0,6 , 0,8] и энергией до 1 ГэВ/а.е.м. Предельная интенсивность накопителя определяется его поперечным аксептансом и темпом накопления и ограничена эффектами кулоновского сдвига бетатронных частот и внутрипучкового рассеяния частиц.
3. Созданная технологическая схема ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН, включает в себя: лазерный источник ионов с энергией лазера 5 Дж, линейный канал ионного инжектора И-3 на энергию 4 MB, бустерный синхротрон УК, канал транспортировки и инжекции пучка из И-3 в бустерный синхротрон УК, систему однооборотного вывода пучка из УК, переводной ионопровод пучка из УК в У-10, систему многократной перезарядной инжекции пучка из УК в У-10 с перезарядной мишенью, установленной на краю рабочей апертуры вакуумной камеры, и подсистемой однооборотного смещения равновесной орбиты накопителя, построенной на основе ударных магнитов для совмещения фазовых объемов инжектируемого и циркулирующего пучка при пересечении с перезарядной мишенью в момент инжекции очередной порции частиц, систему продольной ВЧ группировки накопленного пучка в У-10, систему однооборотного вывода пучка из У-10 в канал транспортировки на экспериментальную установку. у/
5. В результате наладки технологической схемы ускорительно-накопительного комплекса: получено ускорение ионов C4f в линейном инжекторе И-3 до энергии 1,3 МэВ/а.е.м. с током до 5 мА, получено ускорение ионов С4+ в бустерном синхротроне УК до максимальной энергии 410 МэВ/а.е.м., соответствующей удельному импульсу частиц 3 ГэВ/с, реализована перезарядная многократная инжекция ионов углерода с энергией до 300 МэВ/а.е.м. из бустерного синхротрона УК в накопительное кольцо У-10 по схеме С4+= С6+ с частотой повторения циклов инжекции 1/3 с 1 , и получено накопление ядер углерода с близким к линейному по времени ростом интенсивности пучка в накопителе в продолжение 100 с ( 30 циклов инжекции), последующим плавным снижением темпа накопления до достижения предельного уровня, соответствующего 50-кратному увеличению интенсивности инжектируемого пучка за один оборот, отработана методика продольной группировки накопленного в У-10 пучка при помощи ВЧ поля на первой гармонике ускоряющей частоты; при длительности оборота циркулирующего пучка 1,4 мкс получена длительность сгруппированного пучка 170 не, реализована перезарядная инжекция ионов углерода с энергией 50 МэВ/а.е.м. из бустерного синхротрона УК в синхротрон У-10 на растущее магнитное поле и последующее ускорение инжектированных ядер углерода в У-10 до энергии 4 ГэВ/а.е.м., накопленный либо ускоренный в У-10 пучок ионов или протонов с импульсов до 4ZP ГэВ/с выводится за один оборот в канал транспортировки на экспериментальную установку.
Апробация работы. Результаты работы нашли свое подтверждение в работах нескольких экспериментальных групп с накопленным и выведенным пучком ядер углерода, а также пучком ядер углерода, ускоренным до энергии 4 ГэВ/а.е.м.
Работы докладывались на семинарах ИТЭФ, на конференциях РАС в 1999 г., 2001 г., ЕРАС в 1998 г., 2000 г., 2002 г., RuPAC в 1998 г., 2000 г., 2002 г., 2004 г., HIF в 2002 г., RIKEN Workshop в 1998 г., семинаре им. Саранцева в ОИЯИ в 1997 г., 2003 г.
Публикации.
В печати опубликовано 29 статей: Письма ЖЭТФ - 1, Атомная Энергия - 3, Письма в ЭЧАЯ - 1, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research - 3, Laser and Particle Beams -3, Physica Scripta - 1, Препринты ИТЭФ - 4, Труды RuPAC - 8, Труды ЕРАС - 2, Труды РАС - 2, Труды HIF - 1. Часть материала изложена в материалах проекта ИТЭФ-ТВН и внутренних отчетах ИТЭФ.
Диссертация содержит 182 страницы, 116 рисунков, 55 таблиц, 172 наименования ссылок. Состоит из введения, трех глав и заключения. Перейдем к краткому описанию содержания глав диссертации.
Первая глава посвящена вопросам теоретического обоснования проекта ИТЭФ-ТВН и выбору основных технологических решений, позволяющих на основе имеющегося в ИТЭФ оборудования создать действующую структуру ускорителыю-накопителыюго комплекса тяжелых ионов для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике с перспективой последующей замены в отработанной технологической схеме ионного инжектора на более мощный для вывода комплекса на проектные параметры по интенсивности и мощности ускоренного и накопленного пучка, а также с возможностью его дальнейшего развития.
При рассмотрении вопросов получения высокозарядных ионов проведен сравнительный анализ на основе опубликованных материалов существующих типов ионных источников для решения задачи генерации пучков тяжелых ионов с массой до 200 а.е.м и с максимально высоким зарядом, который показал, что максимально высокая интенсивность накопленного пучка тяжелых ядер может быть получена в ускорительно-накопительном комплексе ИТЭФ-ТВН с использованием либо ионного источника типа ECR, либо лазерного ионного источника. С источником типа ECR можно рассчитывать на накопление с достаточно высокой эффективностью ядер элементов до Ар —100 , однако в этом случае необходима система многооборотной инжекции пучка в бустерный синхротрон УК, позволяющая увеличивать интенсивность инжектированного пучка по отношению к первому обороту в 5-10 раз. Лазерный источник с энергией лазера до 100 Дж не позволяет рассчитывать на накопление ядер элементов с атомным номером больше Zp=30. Поскольку технология применения источников типа ECR в ИТЭФ в настоящее время отсутствует, выбор был остановлен на лазерном типе ионного источника, большой опыт использования которых имеется в ИТЭФ. Практика применения лазерных ионных источников для генерации сильноточных пучков высокой интенсивности позволила определить параметры пучка, использованные в дальнейшем при рассмотрении динамики пучка в согласующем канале линейного инжектора.
Расчет структуры канала транспортировки пучка низкой энергии выполнен в приложении к двухзазорному линейному инжектору И-3, с использованием которого отлаживалась технологическая схема комплекса ИТЭФ-ТВН. Требования к фокусирующей системе согласующего канала, размещению вспомогательного оборудования, расположению группирователя относительно ускоряющего зазора резонатора сформулированы на основе численного решения уравнений движения сильноточного пучка в ламинарном приближении и программного моделирования с учетом известных и прогнозируемых параметров многокомпонентного пучка на выходе лазерного ионного источника.
Вопросы ускорения сильноточного пучка тяжелых ионов в двухзазорном резонансном линейном ускорителе с низкой ускоряющей частотой (2,5 МГц) и достаточно высоким темпом ускорения (до 10 МВ/м) рассмотрены на основе известных аналитических методов и численного моделирования. Показано, что трансмиссия ускоряющего резонатора в существенной мере определяется фокусирующими свойствами первого ускоряющего зазора, оптимизация которых с учетом кулоновских сил пространственного заряда позволяет получить предельный пиковый ток ускоренного пучка при заданной апертуре (80-100 мм) и длине пролетной трубки резонатора (1,9 м) - до 2 А. При использовании группирователя на входе ускорителя предельный пиковый ток на его выходе достигается за счет увеличения группирующего напряжения для уменьшения пролетного расстояния до ускоряющего зазора, а также точным согласованием пролетного расстояния с функций увеличения плотности группируемого пучка с учетом фокусирующих свойств ускоряющего зазора. Высокая скважность при низкой частоте следования импульсов пучка с малым разбросом частиц по энергии на выходе ускорителя вызывает медленное выравнивание плотности частиц при транспортировке и при большом пиковом токе накладывает ограничения на эффективность его ускорения в бустерном синхротроне. Показано, что скорость выравнивания плотности пучка повышается при смещении фазы сгруппированного пучка на спадающий склон ускоряющего напряжения резонатора. Согласование фокусирующей жесткости канала транспортировки пучка от выхода ускорителя до синхротрона с пиковым током пучка, медленно уменьшающимся на пролетной длине, позволяет избежать потерь при транспортировке, но не устраняет полностью проблему эффективного ускорения пучка в бустерном синхротроне, т.к. максимальная плотность частиц при инжекции оказывается многократно превышающей кулоновский предел ускорителя. Поэтому увеличение до предельного значения тока пучка на выходе инжектора И-3 не решает полностью проблему получения максимальной интенсивности ускоренного пучка в синхротроне.
Вопросы динамики частиц в бустерном синхротроне УК рассмотрены для уточнения особенностей создаваемого ускорителя, во многом определяющих предельные параметры всего ускорительно-накопительного комплекса, и выбора ряда технологических решений, связанных, в частности, с оптимизацией условий инжекции пучка с доминирующим пространственным зарядом, решением проблемы расширения частотного диапазона ускоряющей системы, адиабатическим захватом и ускорением, а также вакуумными проблемами при ускорении не полностью ободранных ионов. При использовании линейного инжектора с лазерным ионным источником требуемое для заполнения кольца количество ионов может быть получено только в коротком импульсе, и равномерность заполнения кольца определяется шириной, формой и банчевой структурой этого импульса. При инжекции пучка от высокочастотного линейного инжектора, предельная интенсивность синхротрона определяется кулоновским пределом и при одпооборотной инжекции будет ограничиваться амплитудой и неравномерностью вершины импульса тока инжектированного пучка. Показано, что при инжекции пучка с доминирующим пространственным зарядом от низкочастотного инжектора типа И-3 предельная интенсивность УК ограничивается на уровне 0,1-0,15 от кулоновского предела банчевой структурой инжектируемого пучка и величиной пикового тока. Технология адиабатического захвата и ускорения позволяет обеспечить увеличение коэффициента использования инжектированного пучка до -90%. При ограниченной величиной 10 кВ амплитудой ускоряющего напряжения минимальная длительность цикла адиабатического ускорения составляет 1,4 с, и, соответственно, максимальная частота следования циклов не может превышать 0,7 Гц. Для увеличения частоты циклов адиабатического ускорения необходимо увеличение амплитуды ускоряющего напряжения при помощи дополнительных ускоряющих станций. Для ускорения не полностью ободранных ионов с минимальными потерями необходим вакуум -10" Торр. Требования к вакууму могут быть снижены за счет увеличения темпа ускорения, а также, в меньшей степени, при повышении энергии инжектируемого пучка. Необходимый вакуум может быть получен при помощи 40 равномерно распределенных по периметру кольца насосов типа НМД с предельным вакуумом 5-Ю 10 Торр при условии обеспечения в камере ускорителя минимального, на уровне 10"12 Торр л с" см"2, поверхностного газовыделения.
Основным и определяющим звеном в технологической цепочке получения максимальной интенсивности накопленного пучка тяжелых ионов в накопителе является многократная перезарядная инжекция. Сама по себе перезарядка ионов давно используется на всех ионных ускорителях при переходе с одной ступени ускорения на другую для увеличения заряда и, соответственно, конечной энергии ускоряемых ионов. Однако опыт использования перезарядки ионов как способа их инжекции в кольцевой ускоритель-накопитель является минимальным, многократная инжекция ионов не применялась до настоящего времени ни на одном ускорителе. Задача определения условий получения эффективности перезарядной инжекции, близкой к 100%, решается в проекте ИТЭФ-ТВН также впервые.
Схема перезарядной инжекции тяжелых ионов, предложенная для ТВН, основывается на минимизации возмущающего воздействия перезарядной мишени на пучок за счет повышения энергии перезаряжаемых ионов, и уменьшения числа прохождений накопленными частицами через мишень. Мишень размещается целиком вне рабочей апертуры вакуумной камеры накопителя, и свободно циркулирующий (накопленный) пучок набрасывается на мишень только в момент инжекции очередной порции частиц при помощи однооборотного смещения равновесной орбиты, создаваемого ударными магнитами. Таким образом, число прохождений каждой частицей через мишень в процессе накопления не превышает количества циклов инжекции, и возмущающее воздействие мишени на пучок оказывается минимальным.
В результате расчетов получено, что в рассматриваемом для ТВН диапазоне энергий накапливаемых ионов с атомным номером до 30 обеспечивается условие значительного превышения вероятности ионизации электронов К-оболочки над суммарной вероятностью рекомбинаций, позволяющее при оптимальной толщине перезарядной мишени в диапазоне значений 1018-г10 см 2 в зависимости от материала мишени, энергии и атомного номера иона инжектировать голые ядра с эффективностью 99%. Показано, что при оптимальной толщине перезарядной мишени потери частиц из-за кулоновского рассеяния на большие углы для всех рассматриваемых ионов не превышают величины 10"3. Динамическое увеличение эмиттанса пучка из-за многократного кулоновского рассеяния при центральной инжекции и аксептансе кольца Ахл 50 л мм-мрад также не велико и практически не ограничивает предельный коэффициент увеличения интенсивности инжектируемого пучка.
Влияние ионизационных потерь энергии быстрыми ядрами при пересечении мишени на динамику поперечного движения частиц зависит в существенной мере от размера свободной от резонансов окрестности рабочей точки в клетке бетатронных резонансов и хроматичности пучка по бетатронным частотам. При оптимальной величине коэффициентов хроматичности г]х%х&-5 и наибольшего смещения импульса частиц при пересечении мишени с оптимальной толщиной увеличение разброса частиц по бетатронным частотам составляет -1,5-10"2 на сотню пересечений. Полученная величина не является критичной для реально достижимой области устойчивости в клетке бетатронных резонансов.
Проблемы получения высокой интенсивности в накопителе не ограничиваются разработкой эффективного способа инжекции. Обеспечение долговременной устойчивости циркулирующего пучка в накопителе является не менее важной физической и инженерной задачей. Поскольку магнитная система У-10 не была рассчитана на накопление пучка, требования к качеству магнитного поля ограничивались возможностью его коррекции при энергии инжекции и условиями достаточно быстрого с ростом магнитного поля уменьшения эмиттанса, снижающего требования к ширине нелинейных резонансов. Выполненный на основе разработанной методики анализ качества магнитной системы У-10 позволил определить существующие ограничения на поперечный фазовый объем и дисперсию бетатронных частот накапливаемого пучка и определить пути улучшения качества накопителя.
Предельная интенсивность сильноточного накопителя ограничивается коллективными эффектами, связанными с некогерентным сдвигом бетатронных частот, импедансами связи пучка с кольцом по продольному и поперечному движению и внутрипучковым рассеянием частиц. Все перечисленные эффекты удается частично компенсировать теми или иными техническими средствами, а оценка степени их влияния на динамику частиц позволяет определить границы применения этих средств. Кроме того, предельный уровень интенсивности, достижимый без применения средств компенсации коллективных неустойчивостей, характеризует качество основной части технологической цепочки от получения ионов до многократной инжекции и долговременного удержания пучка
Во второй главе изложены основные технические решения, положенные в основу ускорительно-накопительного комплекса. Структура комплекса не сразу определилась в окончательном варианте, т. к. более предпочтительным казалось использовать в качестве накопительного-магнитное кольцо УК, предварительно ускоряя не полностью ободранные ионы в линейном инжекторе и в синхротроне У-10, как это предполагалось в проекте 1985-89 гг. Кольцо УК с достаточно большим аксептансом, свободной структурой и лучшим качеством магнитного поля больше удовлетворяло требованиям к накопителю, чем кольцо У-10. Однако,из-за ограничения по ср. кв. току в обмотках магнитных элементов УК,от этого варианта пришлось отказаться, т.к. максимальная энергия накапливаемых ионов не могла превышать 200 МэВ/а.е.м. и не позволяла рассчитывать на накопление тяжелых ионов и достижение максимальной мощности пучка. Кроме того, проблематичным является перевод пучка из У-10 в УК и вывод пучка из УК в экспериментальный зал, т.к. для этого требуется пересекать достаточно плотную структуру магнитов У-10. Вариант использования магнитного кольца У-10 в качестве накопительного был свободен от отмеченных недостатков, однако для его реализации требовалось дооборудовать удерживающее кольцо УК до бустерного синхротрона со всеми системами, необходимыми для инжекции, ускорения и вывода не полностью ободранных ионов. Дополнительное преимущество этого варианта состояло в создании промежуточной ускоряющей ступени между линейным инжектором и синхротроном У-10, позволяющей реализовать трехступенчатую схему ускорения ионов до релятивистских энергий.
Проблема создания ионного инжектора для бустерного синхротрона, адекватного поставленной задаче получения максимальной интенсивности и мощности накопленного пучка тяжелых ионов, не могла быть решена на основе имеющихся в ИТЭФ установок. Начинать же реализацию проекта с создания дорогостоящего сильноточного линейного ускорителя-инжектора на энергию 7-10 МэВ/а.е.м. представлялось нецелесообразным, т.к. задерживало получение накопленного пучка и начало физических экспериментов на несколько лет. Кроме того, технология многократной перезарядной инжекции тяжелых ионов, положенная в основание проекта, не была апробирована ни на одном действующем ускорителе, и требовалась проверка эффективности способа накопления частиц с использованием этого метода. Таким образом, в качестве инжектора на начальном этапе реализации проекта решили использовать двухзазорный ускоряющий резонатор И-3 с напряжением на зазоре 2 MB, который позволит отработать всю технологическую схему ускорения, накопления, группировки и вывода пучка, который может быть использован для методических и физических экспериментов при ограниченной инжектором интенсивности. Параллельная с созданием накопителя разработка сильноточного линейного инжектора ионов И-4 на энергию 7-Ю МэВ позволит в дальнейшем поднять интенсивность комплекса до проектного уровня.
Конфигурация линейного канала И-3 включала в себя: лазерный ионный источник с СО2 лазером на энергию 5 Дж, камерой дрейфа плазмы и разрывающим промежутком; фильтр Вина и ВЧ-группирователь. Три электростатические линзы, установленные между перечисленными элементами, обеспечивали необходимую фокусировку пучка. На выходе И-3 пучок фокусировался дублетом из квадрупольных линз и поворачивался на угол 90° магнитом, выполняющим роль анализирующего и направляющего пучок в ионопровод для инжекции в бустерный синхротрон УК. Первоначальная компоновка элементов на входе резонатора И-3 была рассчитана на транспортировку пучка с энергией 50 кВ и током до 50 мА и позволила исследовать и оптимизировать параметры ионного пучка на выходе лазерного источника, наладить и провести измерения рабочих характеристик ускоряющего резонатора и системы его питания, исследовать характеристики группирователя, фокусирующих элементов и сепарирующего пучок по зарядам элемента - фильтра Вина. Последующий анализ структуры согласующего канала на максимум ср. импульсного тока ускоренного пучка, выполненный на основе расчетов и экспериментальных данных, показал, что достигнутые параметры ускоренного пучка, - пиковый (банчевый) ток до 200 мА при ширине банчей на полувысоте (15+20) не, средний импульсный ток (4+6) мА, -ограничиваются потерями частиц на входе ускоряющего зазора резонатора из-за большой расходимости пучка под действием возрастающих при группировке пучка кулоновских сил расталкивания частиц. Как показывает анализ экспериментальных данных и численное моделирование, изменение конструкции входного фланца резонатора и уменьшение расстояния от фокусирующей линзы до ускоряющего резонатора на 100+150 мм позволит устранить потери частиц и поднять ср. импульсный ток ускоренного пучка до 15-20 мА.
В процессе преобразования магнитного кольца УК в бустерный синхротрон были созданы: канал транспортировки пучка от И-3 до УК с системой импульсного питания магнитных элементов, система инжекции, сильноточная система генерации магнитных циклов и водяного охлаждения кольцевого магнита, система коррекции магнитного поля, ускоряющая ВЧ-система с цифровой системой управления радиочастотой, система синхронизации, система быстрого вывода пучка в переводной ионопровод УК/У-10, а также системы диагностики пучка и компьютерного управления.
Для преобразования У-10 в ускорительно-накопительный комплекс потребовалось создание системы транспортировки и многократной перезарядной инжекции пучка из бустерного синхротрона УК в У-10, создание систем продольной группировки, быстрого вывода и транспортировки накопленного пучка, создание новой системы управления радиочастотой ускоряющего поля, а также модификация систем управления, синхронизации, коррекции магнитного поля под новые режимы работы. Основные технические и конструкторские решения, использованные при реконструкции У-10 в существенной мере определялись особенностями структуры магнитного кольца У-10 и сложившейся схемой размещения в этой структуре вспомогательного оборудования.
В процессе создания основного элемента всего проекта - системы многократной перезарядной инжекции, - были решены проблемы достаточно плотной компоновки магнитных элементов переводного ионопровода в тесной структуре магнитных блоков У-10, оптимальной коррекции нелинейности магнитного блока У-10 на траектории инжекции, создания системы однооборотного смещения равновесной орбиты, разработки конструкций сложнопрофильной вакуумной камеры, размещения механизма с кассетой перезарядной мишени внутри магнитного блока, совмещения функций инжекции и вывода пучка в одном септумном магните.
Для использования в экспериментах ионного пучка создана система быстрого вывода пучка из У-10 с импульсом до А2Р ГэВ/с в канал транспортировки в магнитный и экспериментально-мишенный зал. Ведутся также работы по созданию системы медленного вывода пучка из У-10 с импульсом до 10ZP ГэВ/с в оборудованную дополнительной защитой зону Большого экспериментального зала.
В третьей главе представлены результаты наладочных работ и физического пуска ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН. Физический пуск комплекса включал последовательные этапы наладки ускорения ионов, получаемых на выходе лазерного ионного источника, в линейном ускорителе И-3, инжекции и ускорения ионов в бустерном синхротроне УК, вывода ускоренного пучка из УК с последующей транспортировкой через переводной ионопровод и перезарядной многократной инжекцией в У-10 в режиме накопления, либо однократной инжекцией на растущее поле для ускорения ядер до релятивистских энергий. В режиме накопления ионов была реализована продольная группировка пучка с последующим выводом в канал транспортировки на экспериментальную установку.
Для ускорения пучка в УК предварительно были решены проблемы формирования магнитного цикла, коррекции магнитного поля, синхронизации инжекции и многочисленных импульсных элементов ионопровода, настройки функции управления радиочастотой ускоряющего поля, перезахвата пучка с одной ускоряющей станции на другую на растущем магнитном поле, получения вакуума. Эффективность инжекции и ускорения ионов С4+ в синхротроне УК в настоящее время составляет несколько процентов и определяется неравномерной по плотности частиц структурой инжектируемого пучка с пиковым током, превышающим во много раз кулоновский предел. Максимальная достигнутая в УК интенсивность составляет в настоящее время 10 ионов за цикл ускорения, достигнутая энергия 410 МэВ/а.е.м. соответствует максимальному току в магнитах 3,1 кА и проектному импульсу пучка 3ZP ГэВ/с.
При наладке быстрого вывода пучка из УК были решены проблемы стабилизации запуска модулей ударных магнитов, оптимизации горизонтального положения равновесной орбиты при выводе пучка, стабилизации энергии и траектории выведенного пучка, синхронизации запуска ударных магнитов с медианой распределения плотности пучка при выводе.
Наладка многократной перезарядной инжекции пучка из УК в У-10 осуществлялась за несколько этапов. Первоначально перезарядная мишень была установлена непосредственно на равновесной орбите, и признаком замкнутого оборота являлось вторичное попадание инжектированного пучка в мишень со смещением по времени, равным периоду обращения пучка. Замкнутый оборот перезаряженного пучка был получен и тем самым подтверждена правильность кинематической схемы инжекции.
Для получения циркуляции инжектированного пучка в соответствии с технологической схемой перезарядной инжекции потребовалось сместить перезарядную мишень на край рабочей апертуры вакуумной камеры и задействовать ударные магниты однооборотного смещения орбиты. При заданной горизонтальной координате перезарядной мишени угол пересечения траектории инжекции с мишенью однозначно определяет амплитуду и фазу бетатронных колебаний перезаряженного пучка, и, соответственно, необходимые корректирующие воздействия на пучок ударными магнитами для устранения бетатронных колебаний. Циркуляция инжектированного пучка была получена, после того как угол пересечения траектории инжекции с мишенью был подобран таким образом, чтобы амплитуда бетатронных колебаний оказалась минимальной.
Следующий этап наладочных работ состоял в исследовании и устранении возмущающих факторов, препятствующих долговременной циркуляции инжектированного пучка для осуществления процесса многократной инжекции и последующего накопления. Определенные проблемы получения долговременной циркуляции возникли из-за возмущающего воздействия на циркулирующий пучок импульсных магнитных элементов переводного ионопровода и системы инжекции. Один из возмущающих эффектов был связан с индуцированной импульсными магнитными элементами э.д.с. в контурах, образованных заземленной в нескольких местах вакуумной камерой, охватывающей магнитные блоки накопителя. Установка дополнительных изолирующих вставок в вакуумную камеру, разрывающих замкнутые контуры, позволила устранить возмущения магнитного поля и получить устойчивую и продолжительную циркуляцию пучка в накопителе. Другая проблема возникла из-за циклического воздействия на циркулирующий в кольце У-10 пучок магнитного поля кольцевого тока цепи питания бустерного синхротрона УК. Влияние магнитных циклов УК было минимизировано при помощи дополнительного витка, проложенного рядом с кольцевой шиной питания магнитных элементов УК и включенного последовательно с этой шиной в обратном направлении.
Впервые накопление пучка в кольце У-10 было получено 25 марта 2002 года. Последующие усовершенствования и оптимизация процедуры перезарядной инжекции и расширение динамической апертуры накопительного кольца позволили существенно повысить стабильность процесса накопления. В результате экспериментального исследования клетки бетатронных резонансов имеющимися средствами коррекции бетатронных частот была выбрана оптимальная рабочая точка. Специально подобранными цепями коррекции равновесной орбиты в горизонтальной плоскости регулировалось смещение и угол наклона орбиты в точке перезарядной мишени. Уменьшение аксептанса накопителя при однооборотном искажении орбиты при инжекции частично компенсировалось смещением вакуумной камеры и выбором статического положения орбиты в точках с наибольшим значением амплитудной функции.
Общая оценка состояния накопительного кольца и системы перезарядной инжекции, полученная на основании экспериментальных данных, показывает, что существующему качеству системы перезарядной инжекции, учитывающему также динамическую апертуру накопителя АХш2, соответствует максимальный коэффициент увеличения интенсивности инжектируемого пучка kix=110. При той же динамической апертуре и состоянии вакуума доведение до абсолютного совершенства системы перезарядной инжекции позволяет рассчитывать на получение k2X=80. Потери накопленного пучка, не связанные с инжекцией, определяются рассеянием частиц на остаточном газе и стохастическими процессами увеличения эмиттанса пучка из-за взаимодействия с флуктуациями электромагнитных полей. Увеличение кос может быть получено за счет улучшения вакуума в накопительном кольце, расширения динамической апертуры и оптимизации системы перезарядной инжекции.
Для продольной группировки пучка перед выводом использовалась стандартная ускоряющая станция синхротрона У-10, настроенная на частоту обращения пучка. В процессе накопления ионов амплитуда ускоряющего напряжения станции ( 1 кВ) соответствовала импульсному разбросу инжектируемого пучка. Наибольшая эффективность продольной группировки пучка при помощи быстрого увеличения амплитуды ускоряющего напряжения достигалась при сохранении в процессе накопления продольного фазового объема инжектируемого пучка в области фаз линейных синхротронных колебаний частиц в окрестности равновесной фазы (ps-0. Применение этой методики в У-10 позволило получить банч шириной 170 не при увеличении амплитуды ускоряющего напряжения до 10 кВ.
При наладке системы быстрого вывода пучка решались проблемы прецизионного управления импульсным током в септумном магните от двух независимых источников питания в режимах многократной инжекции и вывода пучка, синхронизации запуска ударных магнитов с фазой радиочастоты группирующего поля, коррекции нелинейности магнитного поля в 503 блоке на траектории вывода пучка, а также транспортировки пучка по ионопроводу. В первых экспериментах с быстрым выводом пучка с шиммированием выходной половины блока 503 получена эффективность вывода (50-г60)%. Небольшое изменение поля на равновесной орбите, возникающее из-за шиммирования блока, компенсировалось током в дополнительной ярменной обмотке блока. Ограничение эффективности вывода определялось, в основном, заужением апертуры канала вывода в нейтральном полюсе 504 блока, в котором использовалось существующее отверстие, ось которого не совпадает с направлением вывода. Дальнейшее увеличение эффективности вывода до проектного значения -98% будет получено после шиммирования второй половины 503 блока и расширения апертуры части выводного канала, проходящей через нейтральный полюс 504 блока.
Создание бустерного синхротрона УК и системы перезарядной инжекции ионов из УК в У-10 позволило рассмотреть возможность ускорения ионов до релятивистской энергии по трехступенчатой схеме: И-3= УК= У-10. Для решения этой задачи была сделана необходимая модификация синхротрона У-10, которая состояла в разработке схемы управления магнитными циклами УК и У-10, адаптации системы синхронизации процесса перевода пучка из одного кольца в другое для обеспечения необходимой точности согласования энергии инжектируемого из УК пучка с магнитным полем У-10 и создании новой цифровой системы управления радиочастотой ускоряющего поля У-10, приспособленной для ускорения не только протонов, но и любого типа ионов. В результате наладки трехступенчатой схемы ускорения был получен пучок ядер углерода с энергией 4 ГэВ/а.е.м. и интенсивностью 10 частиц за цикл ускорения.
В заключении обобщаются основные результаты выполненной работы, а также обсуждаются возможные направления дальнейшего развития ускорительного комплекса. Отмечается, что реконструкция ускорительного комплекса ИТЭФ стала важным этапом обновления экспериментальной базы Института и создания новых возможностей для фундаментальных и прикладных исследований с использованием ускоренных пучков заряженных частиц по актуальным направлениям современной науки, техники и технологии. Дальнейшее развитие комплекса позволит обеспечить повышение научно-технического уровня проводимых исследований в соответствии с возрастающими требованиями физического эксперимента.
