Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Основным инструментом современной экспериментальной физики атомного ядра и элементарных частиц более полувека служат ускорители заряженных частиц. Существующие ускорительные установки в СНГ и за рубежом, их отдельные элементы постоянно модернизируются, сооружаются новые ускорительные системы.
Исследование магнитных и электростатических оптических систем, являющихся неотъемлемыми составными частями любой установки, предназначенной для ускорения пучков заряженных частиц, всегда находится на переднем крае физической науки, всегда актуально. Развитие этой области естествознания происходит как "горизонтально" - с вовлечением в рассмотрение новых эффектов и установок, так и "вертикально" - с развитием новых углубленных подходов к прежним, считающимся классическими, моделям. Огромным импульсом здесь явилось появление мощных компьютерных систем, позволяющих учитывать и оценивать прежде отбрасываемые эффекты, получать действительно прецизионные результаты, внедряемые в реальные физические установки, что и является сутью поступательного движения к технологии будущего.
Разумеется, "бескровного'* пути нет. За любое движение приходится платить, за углубленным исследованием и невиданной точностью лежат сложнейшие программные продукты, гигантские аппаратные ресурсы и временные интервалы счета, сравнимые с временами создания самих установок. Такое развитие подходов к решению научных проблем можно назвать "экстенсивным". Оно всегда было и будет ''последним рубежом", где проверяются всевозможные модели, линеаризации.и прочие атрибуты "интенсификации" расчетов.
Современное развитие компьютерной техники дает нам разумную основу для осуществления такого "интенсивного'" подхода. Персональный компьютер - великолепный инструмент для проведения инженерных и научных расчетов, ограничивающий
нас, правда, по ресурсам и времени. Признавая необходимость движения в этом направлении, следует выработать и методы решения тех или иных научных проблем, не уступающие по точности развитым численным методам для "больших машин".
Создание новых магнитных и электростатических систем физических установок, а также реконструкция действующих является сложной инженерно-физической задачей. Формирование требуемых.параметров системы является фактически нелинейной задачей, решение которой в большинстве случаев сводится к разработке специальных методов, численных или аналитических, и реализации их на ЭВМ.
Целью настоящей диссертации является
-
Детальное описание реальной соленоидальной магнитной линзы.
-
Проведение конкретного математического моделирования динамики пучка протонов в магнитном поле дипольного магнита СП-40.
-
Построение электронной оптики третьего порядка промежутка ускорения (замедления).
-
Исследование нелинейной оптики пучка заряженных частиц в тороидальной магнитной системе сверхпроводящего спектрометра СТОРС.
Кроме того, достаточно подробно рассмотрены такие распространенные магнитооптические элементы, как Г. квадрупольная линза,
-
сектуполь,
-
октуполь.
Научная новизна работы
). Впервые описана реальная соленоидальная магнитная линза в рамках нелинейной оптики третьего порядка. Создан и отлажен блок программ, позволяющий проводить численное моделирование динамики пучка заряженных частиц в любой конфигурации магнитного поля соленоида с точностью, мало отличающейся от точности численных расчетов.
-
Впервые проведено конкретное математическое моделирование динамики пучка протонов в магнитном поле дипольного магнита СП-40 в декартовой системе координат с помощью набора программ, позволяющих быстро переходить из криволинейной в декартову систему координат.
-
Впервые построена электронная оптика третьего порядка электростатической линзы (промежутка ускорения (замедления)). Рассмотрены различные случаи представления поля линзы. Даны элементы аберрационного анализа системы.
-
Впервые исследована нелинейная оптика пучка заряженных частиц в тороидальной магнитной системе сверхпроводящего спектрометра СТОРС. Показано влияние нарушения,симметрии на динамические свойства системы в целом. Рассмотрен случай электростатического дефлектора. Получены некоторые аберрационные коэффициенты четвертого и пятого порядков рассматриваемой системы.
Практическая ценность работы
-
Разработана единая концепция решения задач нелинейной оптики заряженных частиц в канапах транспортировки и ускорения.
-
В целом построена нелинейная ионная оптика третьего порядка для довольно обширного списка разнообразных элементов ускорителей и каналов транспортировки пучков заряженных частиц. , .
-
Данная работа позволила вплотную подойти к изучению,самосогласованной задачи пространственного заряда и интегрированию ее в развиваемую здесь модель.
-
Простота и законченность полученных результатов позволит на качественном уровне проводить детальный аберрационный анализ и получать важные характеристики проектируемых установок и пучков.
-
Все полученные результаты легли в основу созданного в разные годы банка программ, легко переносимого на разные современные платформы и языки программирования.
Апробация работы
В основу диссертации легли работы, выполненные в ОИЯИ с 1987 г. по 1999 г.
Результаты диссертации докладывались на международных конференциях:
-
International Symposium on Electron Beam Ion Sources and Their Applications. Dubna, USSR, September 24-28, 1991.
-
International Conference on HEACC'92. Humburg, Germany, July 15-18, 1992.
-
XIII Совещание по ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ, Дубна, 13-15 октября, 1993.
-
Particle Accelerator Conference. Washington, USA, May 17-20, 1993.
-
International Workshop on Beam Dynamics and Optimization. St.-Petersburg, July 4-8, 1994.
-
International Symposium on Electron Beam Ion Sources and Their Applications. Stockholm, Sweden, June 19-24, 1994.
-
IEEE Particle Conference (PAC-95), Dallas. Texas, USA, May 1-5,1995.
-
International Workshop on Beam Dynamics and Optimization. St.-Petersburg, July 4-8, 1996.
-
XXXIII Научная конференция факультета физико-математических и естественных наук Российского университета дружбы народов. Москва, 20-24 мая. 1997.
-
International Workshop on Beam Dynamics and Optimization. Dubna, October 13-17, 1997.
-
XVII International Conference on High Energy Accelerators HEACC'98, Dubna, Russia, September 7-12, 1998.
на научных семинарах ЛСВЭ ОИЯИ.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 17 работах, в том числе в трудах вышеназванных конференций: в кратких сообщениях ОИЯИ и в виде сообщений и препринтов ОИЯИ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 157 страниц машинописного текста, 104 рисунка и схемы, список литературы, насчитывающий 91 название.
