Введение к работе
Актуальность темы
В ИЯФ СО РАН ведутся эксперименты по нагреву плазмы мощными релятивистскими электронными пучками (РЭП), конечная цель которых - получение плазмы с термоядерными параметрами. Коллективное взаимодействие РЭП с плазмой сопровождается возбуждением сильной ленгмюровской турбулентности, следствием чего является неравновесность функции распределения плазменных электронов. Изучение физических механизмов передачи потока энергии в системе пучок-ленгмюровская турбулентность-электроны плазмы продолжается в настоящее время. Ими определяется уровень энергосодержания плазмы после релаксации РЭП, в частности температура плазменных электронов. Самостоятельный научный интерес представляет выяснение вопроса о механизме перекачки ленгмюровских колебаний из длинноволновой области, где они возбуждаются РЭП, в коротковолновый диапазон, где возможно их поглощение электронами плазмы. Развитие диагностик, способных измерять уровень турбулентности плазмы и детально исследовать функцию распределения плазменных электронов, а также регистрировать динамику их пространственного распределения с высоким временным разрешением, является важной составляющей диссертационной работы.
Оптические диагностики для исследования по физике ускорителей, описанные в диссертации, были развиты на ускорительном комплексе ВЭПП-4, включающем в себя бустер ВЭПП-3 и электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-4М. Обе установки, повторно введенные в строй после серьезной аварии (пожара) в 1985 г, были оснащены оптическим диагностиками, которые существенно модернизированы и дополнены автором.
Ускоритель ВЭПП-3 используется как бустер коллайдера ВЭПП-4М и, независимо, как источник синхротронного излучения. Коллайдер ВЭПП-4М, помимо работы на физику высоких энергий совместно с детектором КЕДР, также работает в качестве источника синхротронного излучения (СИ). Комплекс ВЭПП-4 относится к установкам, работающим в круглосуточном режиме, что предъявляет к диагностикам особые требования. Оптические диагностики, действующие на комплексе, основаны на регистрации синхротронного излучения из поворотных магнитов. Они позволяют измерять размер электронного и позитронного пучков, контролировать их положение в точке излучения, следить за возникновением фазовых колебаний, измерять бетатронные частоты. Все эти данные необходимы во время рутинной работы коллайдера по набору статистики в экспериментах с КЕДРом и при обслуживании пользователей станций СИ. Одновременно, диагностики дают возможность заниматься исследованиями по физике ускорителей во время ускорительных смен: измерять энергетический разброс пучка, проводить исследование эффектов встречи и нелинейных явлений, например, динамики
пучка при пересечении бетатронных резонансов, исследовать «хвосты» пучка.
Данная диссертация посвящена развитию методов томсоновского рассеяния и спектроскопии в экспериментах по взаимодействию РЭП с плазмой, а также созданию новых методик для исследований по физике ускорителей заряженных частиц.
Цель работы
Диссертационная работа посвящена развитию методов оптической диагностики в экспериментах по физике плазмы и пучков заряженных частиц в ускорителях. Автором созданы системы томсоновского рассеяния для детального изучения функции распределения электронов плазмы, нагретой мощным релятивистским электронным пучком (РЭП) и спектроскопические диагностики, позволившие определить уровень ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой РЭП в плазме. Для экспериментов по ускорительной физике создан прибор с уникальными параметрами, позволяющий регистрировать поперечный профиль пучка на протяжении более 130 тысяч оборотов и с его помощью проведено измерение энергетического разброса пучка, исследована динамика профиля пучка при пересечении бетатронного резонанса, осуществляется контроль за возникновением фазовых колебаний. Помимо этого, автором развиты и другие методики измерения параметров плазмы и пучков в ускорителях заряженных частиц.
Научная новизна
Впервые локальная функция распределения плазменных электронов определена в интервале энергий около 300 Те.
Впервые с помощью нескольких независимых методик исследовано влияние высокочастотных турбулентных электрических полей на профиль спектральной линии На.
Впервые обнаружены ленгмюровские каверны, вызванные нелинейными процессами диссипации турбулентных колебаний в плазме.
Впервые исследована динамика поперечного профиля электронного пучка в ускорителе на протяжении более 130 тысяч оборотов с однооборотным временным разрешением.
Впервые исследовано образование «хвостов» электронного пучка в циклическом ускорителе вследствие рассеяния на остаточном газе при помощи оптического коронографа.
Практическая значимость работы
Описанные в диссертации оптические диагностики, созданные автором, позволили уточнить физику взаимодействия сильноточного релятивистского пучка с плазмой, что важно для экспериментов по нагреву плазмы пучком, проводящихся в ИЯФ на термоядерной установке «ГОЛ-3». Примененные в исследованиях по физике плазмы системы томсоновского рассеяния могут быть использованы и используются как на термоядерных установках ИЯФ, так и за рубежом. Оптические диагностики, разработанные для экспериментах по физике ускорителей, могут быть использованы для измерений параметров пучков практически на всех циклических ускорителях заряженных частиц, где имеется синхротронное излучение в оптическом диапазоне. Кроме того, они позволяют изучать различные процессы физики ускорителей, связанные с быстрыми измерениями распределения частиц в пучке. Модернизированная система оптической диагностики позволила значительно увеличить надежность работы комплекса ВЭПП-4М при проведении экспериментов совместно с детектором КЕДР, что увеличило среднюю светимость экспериментов по набору статистики.
Апробация работы и публикации
Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на семинарах в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск, РФ)., а также докладывались на следующих конференциях: 8th Int. Conf. on High-power particle beams (1990, Novosibirsk, USSR), 9th Int. Conf. on High-Power Particle Beams (Washington, DC, May 25-29, 1992), 10th International Conference on High Power Particle Beams (San Diego, California, June 20 - 24, 1994), XXII International Conference on Phenomena in Ionized Gases, Hoboken (USA, August 1995), 11th Intern. Conf. on High Power Particle Beams (Prague, Czech Republic, 1996), XXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (февраль 1997, Звенигород), II азиатской конференции по ускорителям заряженных частиц (Пекин, Китай, 2001), конференции по ускорителям заряженных частиц (Чикаго, США, 2001), европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Париж, Франция, 2002), 8th International conference on instrumentation for colliding beam physics (Novosibirsk, Russia, February 28 - March 6, 2002), европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Люцерн, Швейцария, 2004), XIX международном совещании по ускорителям заряженных частиц (Алушта, Россия, 2005), VII европейском совещании по диагностике пучков в ускорителях заряженных частиц (Лион, Франция, 2005), европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Эдинбург, Шотландия, 2006), российской конференции по ускорителям заряженных частиц (Новосибирск, Россия, 2006),.VIII европейском совещании по диагностике пучков в ускорителях заряженных частиц (Венеция, Италия, 2007), европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Генуя, Италия, 2008), RUPAC08, Dubna, 2008.
По материалам диссертации опубликовано 14 работ в реферируемых журналах из списка ВАК.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 178 наименований и содержит 170 страниц машинописного текста, включая 107 графиков и рисунков.
