Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Исследования нейтрализованного состояния электронного пучка на
стенде "Рекуператор" 11
1.1. Стенд "Рекуператор", средства управления и диагностики
нейтрализованного электронного пучка 11
1.2. Времяпролетный масс-анализатор 21
1.3. Исследования влияния состава ионов на устойчивость
нейтрализованного состояния электронного пучка 28
Глава 2. Исследования влияния ионов остаточного газа на процесс электронного
охлаждения протонного пучка в синхротроне COSY 33
2.1. Синхротрон COSY 34
2.2. Методики измерения уровня "естественной нейтрализации" 41
2.3. Исследования состава ионов остаточного газа, накопленных в
электронном пучке 45
2.4. Исследования влияния ионов остаточного газа на устойчивость
охлаждаемого пучка 54
Глава 3. Меры по оптимальному использованию нейтрализации в системах
электронного охлаждения 61
3.1. Проект системы электронного охлаждения ТВН 61
3.2. Система электронного охлаждения накопителя LEPTA 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 84
Введение к работе
Накопительные кольца тяжелых заряженных частиц - протонов, антипротонов, ионов с электронным охлаждением [1- 8] являются новым инструментом физического эксперимента в физике высоких энергий, ядерной и атомной физике, физике пучков.
Ионный пучок, инжектируемый в накопитель, обычно имеет большой начальный разброс скоростей и большой поперечный размер. Для накопления и формирования ионных пучков с малым разбросом скоростей и малым эмиттансом Г.И. Будкером был предложен метод электронного охлаждения [1, 2]. Метод позволяет создать в пучке ионов эффективное трение, уменьшающее его фазовый объем (эмитганс и разброс его частиц по импульсу). Идея метода заключается в том, что на прямолинейном участке накопителя вводится интенсивный пучок электронов, имеющих ту же среднюю скорость, что и пучок тяжелых частиц, и малый разброс по скоростям. За счет кулоновского взаимодействия между частицами температура электронов и ионов выравнивается, в результате чего уменьшается разброс продольных скоростей ионов и пучок сжимается [1, 2, 4, 9-11].
Транспортировка электронного пучка в системе электронного охлаждения сопровождается ионизацией остаточного газа в вакуумной камере. В результате, в электронном пучке возможно накопление ионов, образующихся при этом. Ионы остаточного газа удерживаются в поперечном направлении собственным электрическим полем пучка и магнитным полем соленоидов, ионизационные электроны свободно уходят вдоль пучка, а ионы накапливаются из-за меньшей величины скорости. Присутствие ионов существенно влияет на процесс электронного охлаждения. С одной стороны, ионы нейтрализуют (компенсируют) собственный пространственный заряд электронного пучка, что приводит к уменьшению разброса
4 продольных скоростей электронов по сечению пучка и значительно' повышает эффект охлаждения (сокращается время охлаждения). С другой стороны, в трехкомпонентной системе (охлажденные быстрые ионы + охлаждающие электроны + медленные ионы остаточного газа) возможно развитие различного рода «плазменных» неустойчивостей, вызывающих нагрев охлажденных ионов и подавляющих тем самым эффект охлаждения.
Уровень нейтрализации можно регулировать искусственно. Для этого используются электростатические «пробки», которые устанавливаются на входе и выходе участка.охлаждения. Электростатические пробки предотвращают уход ионов остаточного газа вдоль оси пучка, а их уход поперек пучка затруднен полем пространственного заряда электронного пучка.
Анализ особенностей накопления ионов остаточного газа в электронном пучке был проведен, например, в работах [12 - 18]. Детальные экспериментальные исследования процесса накопления ионов остаточного газа в электронном пучке систем электронного охлаждения проводились на накопителе LEAR (ЦЕРН) [19 - 21], на установках ЫАГТ-М и МОСОЛ (ИЯФ им. Будкера, г.Новосибирск) [22 - 24], на стенде «Рекуператор» (ОИЯИ, г.Дубна) [25 - 27]. В этих экспериментах были выявлены основные физические эффекты, определяющие степень нейтрализации пучка и условия устойчивости нейтрализованного состояния.
При использовании электростатических пробок степень нейтрализации в основном определяется температурой ионов, накопленных в электронном пучке і Степень нейтрализации уменьшается при увеличении температуры ионов, которая определяется нагревом ионов при кулоновском взаимодействии с электронами пучка, ион-ионными столкновениями и нагревом ионов при возбуждении аксиально-
5 несимметричных волн. Кроме того, для изменения степени нейтрализации может быть использован "внешний" нагрев ионов.
Главной проблемой при формировании нейтрализованного интенсивного электронного пучка является возникновение так назьгеаемой пучково-дрейфовой неустойчивости [28], когда ток электронного пучка превышает некоторое пороговое значение.
Пучково-дрейфовая неустойчивость является сносовой, и ее развитие имеет место только при наличии обратной связи, осуществляемой вторичными электронами, ионами и волнами. Пороговое значение тока электронного пучка определяется коэффициентом обратной связи и декрементом затухания поперечных волн в облаке накопленных ионов. На величину порогового тока влияют поперечные размеры и профиль ионного пучка, вакуумные условия, зарядовый и массовый состав ионов остаточного газа.
Несмотря на большое количество экспериментальных данных, общая картина процесса нейтрализации и устойчивости электронных пучков в условиях ультравысокого вакуума до конца не выявлена. Особенно важно исследовать влияние зарядово-массового состава ионов на пороговый ток развития неустойчивости.
Неустойчивость приводит к разрушению нейтрализации и, соответственно, к резкому изменению потенциала пучка, что делает невозможным эффективное охлаждение ионных пучков. Однако при устойчивом нейтрализованном состоянии электронного пучка время охлаждения пучков ионов низкой интенсивности существенно уменьшается. Например, на накопителе LEAR (ЦЕРН) было экспериментально продемонстрировано, что время охлаждения ионов свинца при нейтрализации электронного пучка может быть уменьшено примерно в два раза [20].
С другой стороны, наличие в электронном пучке облака ионов остаточного газа может приводить к неустойчивости интенсивного циркулирующего пучка ионов. Указание на это было впервые обнаружено на накопителе HIMAC (NIRS, Япония) [29, 30]. Важность проблемы стимулирует проведение более детальных исследований на других накопителях. Одним из наиболее удобных накопителей для этой цели является COSY (исследовательский центр Юлих, Германия) в виду высокой интенсивности циркулирующего протонного пучка.
Ионы остаточного газа в большом количестве могут накапливаться в электронном пучке и без специальных мер по его нейтрализации. Например, изменение диаметра вакуумной камеры вдоль оси системы электронного охлаждения приводит к изменению потенциала на оси электронного пучка и запиранию ионов в продольном направлении. Это так называемая «естественная нейтрализация». Так, на накопителе HIMAC в системе электронного охлаждения степень естественной нейтрализации составляет 12-15 %, а на COSY - 37%.
Интенсивность циркулирующего пучка ионов ограничена неустойчивостью, возникающей при его взаимодействии с ионами остаточного газа в электронном пучке. Очистка электронного пучка от ионов остаточного газа в накопителе НГМАС приводит к увеличению интенсивности накопленного пучка примерно в 1.5 раза. Следовательно, при накоплении интенсивных ионных пучков необходимо принимать специальные меры по снижению уровня естественной нейтрализации ниже порога развития неустойчивостей.
Для увеличения уровня нейтрализации при охлаждении ионных пучков низкой интенсивности и для его уменьшения при охлаждении интенсивных пучков нужно использовать специальные средства, позволяющие активно регулировать плотность накопленных ионов остаточного газа на участке охлаждения.
7 Таким образом, экспериментальные исследования нейтрализованного состояния электронного пучка в системах электронного охлаждения и влияния нейтрализации на устойчивость охлаждаемого пучка ионов, а также разработка специальных средств по диагностике нейтрализованного состояния и управлению уровнем нейтрализации являются актуальной задачей.
Основные цели работы.
Данная работа имела следующие цели: экспериментальное исследование процесса нейтрализации пространственного заряда электронного пучка ионами остаточного газа в системах электронного охлаждения, включая исследование влияния масс-спектрального состава накопленных ионов на устойчивость нейтрализованного электронного пучка; разработка средств диагностики и управления нейтрализацией; исследование влияния ионов, накопленных в электронном пучке, на процесс охлаждения интенсивного ионного пучка в накопителе с электронным охлаждением; разработка технического предложения конструкции системы электронного охлаждения для накопителя ТВН (ИТЭФ, г.Москва); анализ влияния нейтрализации на процесс генерации позитрония в накопителе LEPTA (ОИЯИ, г.Дубна).
8 На защиту выносится:
Устройство для измерения зарядово-массового состава ионов, накопленных в нейтрализованном замагниченном электронном пучке.
Результаты экспериментальных исследований зависимости порога развития неустойчивости нейтрализованного состояния электронного пучка от состава ионов остаточного газа на стенде «Рекуператор» (ОИЯИ, г.Дубна).
Результаты экспериментальных исследований влияния состава ионов остаточного газа на процесс электронного охлаждения пучка протонов в синхротроне COSY (исследовательский центр Юлих, г.Юлих, Германия).
Требования к конструкциям систем электронного охлаждения для оптимального использования нейтрализации.
Техническое предложение конструкции системы электронного охлаждения накопителя ТВН.
Научная новизна.
Впервые экспериментально показано, что состав ионов остаточного газа влияет на устойчивость нейтрализованного состояния электронного пучка: порог развития неустойчивостей возрастает при увеличении атомного номера нейтрализующих ионов.
Впервые экспериментально исследовано влияние состава ионов остаточного газа в нейтрализованном электронном пучке на устойчивость циркулирующего протонного пучка в накопителе-синхротроне COSY: наличие ионов остаточного газа в электронном пучке существенно снижает порог развития когерентной неустойчивости в циркулирующем пучке протонов.
9 Впервые определены требования к степени нейтрализации пространственного заряда электронных пучков и способы управления ею в системах электронного охлаждения накопителей ТВН и LEPTA.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на XV Совещании по ускорителям заряженных частиц (г. Протвино, 1996), международных совещаниях МЕЕС'98 (г. Дубна, 1998г.), Space charge effect (г. Дубна, 1999), STORT2002 (г. Упсала, 2002), Европейской конференции по ускорителям ЕРАС'2002 (г. Париж, 2002 г.), ХУДІ Всероссийской .конференции по ускорителям заряженных частиц RUPAC2002 (г. Обнинск, 2002 г.), 33м ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High Intensity and High Brightness Hadron Beams (г. Беншейм, 2004), на международных совещаниях no электронному охлаждению ECOOL (г. Дубна, 1996 г., г. Упсала, 1998 г., г. Бад Хоннеф, 2000 г., г. Игл Ридж, 2005), неоднократно обсуждались на научных семинарах в исследовательском центре Юлих (г.Юлих, Германия) и ОИЯИ (г.Дубна).
Структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [25-27, 37, 38,41,42, 55-57, 60,62,63,65,70].
В главе 1 приведена схема стенда «Рекуператор», описаны средства, разработанные специально для диагностики и управления нейтрализацией пространственного заряда электронного пучка. Особое внимание уделено описанию принципа действия устройства возбуждения ионных колебаний (УВИК), а так же принципа действия и конструкции времяпролетного масс-анализатора (ВПМА) состава
10 ионов остаточного газа, накопленных в электронном пучке. В ней представлены также методики и результаты экспериментальных исследований устойчивости нейтрализованного состояния электронного пучка с использованием этих средств.
В главе 2 приведена схема синхротрона COSY, приведены результаты экспериментальных исследований влияния нейтрализации электронного пучка на процесс охлаждения в накопителе COSY. В секции электронного охлаждения присутствует естественная нейтрализация, равная примерно 37%, которая измерялась по двум независимым методикам. Состав ионов остаточного газа исследовался с помощью УВИК.
В главе 3 сформулированы требования к конструкции систем электронного охлаждения для оптимального использования нейтрализации на примерах проектов систем электронного охлаждения ТВН (ИТЭФ) и LEPTA (ОИЯИ).
Приведена схема комплекса ТВН, параметры разработанной системы электронного охлаждения и результаты моделирования динамики накопления ионного пучка, подтверждающие эффективность ее применения. Описаны меры, предложенные для снижения уровня естественной нейтрализации.
Приведена схема накопителя LEPTA и геометрические размеры его вакуумной камеры, влияющие на уровень естественной нейтрализации. Описаны меры, позволяющие увеличить степень нейтрализации до величины необходимой для проведения прецизионных измерений характеристик позитрония.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
