Расчет, создание и исследование магнитной системы накопителя электронов Сибирь-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

ЛЕВИЧЕВ Евгений Борисович

РАСЧЕТ, СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ СИБИРЬ-2

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

КОРЧУГАНОВ Владимир Николаевич

— кандидат технических наук, ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН", Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ТУМАИКИН Герман Михайлович

ПЕРЕЛЫИТЕИН Элкуно Аврумович

— доктор физико-математических наук, ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН", г.Новосибирск.

— доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, г.Дубна.

ВЕДУЩАЯ — Физический институт

ОРГАНИЗАЦИЯ: им. П.Н.Лебедева РАН, г.Москва.

Защита диссертации состоится " ^^ " /^ий^^Г 1995 г.

" 10°°" часов на заседании специализированного совета Д.002.24Д при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан " 3 " ОК-Иил^Ю^ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета академик

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее десятилетие в мире наблюдается бурный рост числа проектов накопителей заряженных частиц, специализированных для генерации пучков синхротронного излучения (СИ). В настоящее время действует, создается или проектируется более 20 таких машин в Европе, США, Японии, Китае, Южной Корее, Индии и т. д. Накопитель СИБИРЬ-2, разработанный и созданный в РНЦ <ИЯФ им. Г.И.Будкера» (Новосибирск) и запущенный в настоящее время в РНЦ «Курчатовский Институт» (Москва), является первым в России специализированным источником СИ с энергией пучка электронов 2.5 ГэВ.

«Специализация» в данном контексте подразумевает не только увеличение числа каналов вывода СИ и, соответственно, количества экспериментальных станций, но, в первую очередь, значительное улучшение спотребительских» характеристик установки, прежде всего, достижение экстремальных значений спектральной яркости излучения и спектрального потока одновременно с расширением диапазона длин волн.

Повышение яркости источника достигается минимизацией фазового объема (эмиттанса) пучка, а увеличение диапазона длин волн излучения - широким использованием в таких накопигелях специальных генераторов излучения, т. н. сверхпроводящих змеек и ондуляторов. И то, и другое накладывает специфические т^тбования на магнитную структуру и магнитную систему накопителя - источника СИ, которая теперь не только должна обеспечивать чисто ускорительные задачи (устойчивость бетатронного и фазового движения, компенсацию натурального хроматизма, эффективную инжекцию и пр.), но и иметь ряд особенностей. Так, минимизация эмиттанса достигается оптимизацией поведения структурных функций в поворотных магнитах, постановка змеек и ондуляторов требует длинных прямолинейных промежутков, конструкция магнитных элементов должна позволить вывести большое количество каналов СИ к т. д.

для решения этих проблем магнитная система, ее характеристики имееют основное значение. Кроме того, жесткость условий оптимизации параметров источника СИ накладывает соответствующие ограничения на допустимые отклонения параметров магнитной системы от расчетных. Несоблюдение этих

допусков может привести к ухудшению «потребительских» качеств установки. Поэтому, важным является детальное изучение элементов магнитной системы, высокоточные измерения их характеристик и исследование влияния реальных полученных параметров магнитного поля на поведение пучка' электронов.

Цель работы. Целью настоящей работы является:

► Расчет магнитной системы специализированного источника СИ -накопителя электронов СИБИРЬ-2, включающей в себя 24 дипольных поворотных магнита, 72 квадрупольных линзы, 24 секступольиых линзы, 12 октупольных линз и необходимые корректирующие элементы.

► Проведение прецизионных магнитных измерений всех элементов магнитной системы; определение реальных характеристик распределения магнитного поля на траектории пучка и создание на их основе модели магнитной структуры накопителя для изучения поведения пучка.

► Исследование влияния реальных погрешностей магнитного поля на параметры пучка (сдвиг бетатронных частот, искажение поведения амплитудных функций пучка и т. д. ) проведенное аналитически и с помощью моделирования на ЭВМ.

► Изучение аналитически и численно влияния сильных секступольных линз, компенсирующих хроматизм, на параметры пучка при искаженной замкнутой орбите, как без коррекции, так и в случае компенсации орбиты различными методами.

► Исследование (аналитически и численно) нелинейной динамики накопителя СИБИРЬ-2 в присутствии квадратичной нелинейности, обусловленной сильными секступольными линзами, компенсирующими хроматизн, а также, в присутствии малых нелинейных погрешностей, вызванных неидеальностью поля основных элементов.

► Экспериментальное изучение параметров накопителя СИБИРЬ-2 на энергии инжекции, в частности, исследование влияния секступольных линз на оптические функции накопителя при наличии искаженной орбиты.

Научная новизна, создана нодель магнитной структуры накопителя электронов СИБИРЬ-2, учитывающая реальные параметры распределения поля магнитных элементов, полученные при проведении высокоточных магнитных измерений. При помощи созданной модели аналитически и численно исследован вопрос влияния дефектов магнитной системы на параметры пучка СИБИРИ-2. Получено выражение корреляционной функции искаженной замкнутой орбиты пучка, необходимое для оценки влияния секступольных линз, компенсирующих хроматизм, на параметры пучка. Показано, что аналитические расчеты находятся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования. Исследована нелинейная динамика накопителя электронов СИБИРЬ-2 в присутствии квадратичной нелинейности как аналитически (с привлечением теории возмущений Пуанкаре-Цайпеля), так и численными методами. Найдено. выражение, описывающее эффективное увеличение фазового объема пучка (эмиттанса), вызванное искажением фазового пространства частицы яз-за нелинейного возмущения. Впервые проведены измерения параметров пучка в накопителе СИБИРЬ-2 на энергии инжекции.

Практическая значимость результатов. Создана магнитная система первого в России специализированного источника СИ на энергию электронов 2.5 ГэВ СИБИРЬ-2. Проведенные прецизионные магнитные измерения характеристик поля элементов магнитной системы позволили создать модель магнитной структуры , накопителя для реалистичных расчетов поведения пучка. Показано, что параметры магнитных элементов удовлетворяют требованиям, предъявленным к источнику СИ при проектировании. Проведенное изучение влияния дефектов магнитной структуры на параметры пучка, в частности, полученные аналитические оценка, могут быть примененены при проектировании накопителей заряженных частиц в будущем.

Накопитель электронов СИБИРЬ-2 был успешно запущен в конце 1994 года в РНЦ «Курчатовский инстятут> (Москва). Его параметры позволят проводить различные эксперименты в физике, химия, биологии, медицине, материаловедении, кроме того, возможности сянхротронного излучения могут найтя широкое применение в технологии (рентгеновская лнтографмя, микромеханика я т. п. ).

Увтор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Создана магнитная система накопителя электронов СИЕИРЬ-2 адекватная требованиям, предъявляемым к специализированны» источникам СИ.

2. Проведены серийные прецизионные магнитные измерения все] элементов магнитной системы, позволившие определить реальные характеристики распределения магнитного поля на траектории пучка, и разработать модель, пригодную для расчета параметров пучка.

3. Рассмотрено влияние реальных погрешностей магнитного поля на параметры пучка. С учетом результатов магнитных измерений проведена статистическая оценка возмущения характеристик пучка, а также, численное моделирование влияния погрешностей, подтвердившее приемлемость полученных оценок.

4. Исследован вопрос влияния сильных секступольных линз, компенсирующих натуральный хроматизм, на параметры пучка при наличии искажения замкнутой орбиты. Получено выражение для корреляционной функции замкнутой искаженной орбиты и на его основе сделаны статистические оценки возможного возмущения характеристик накопителя. Проведено численное моделирование влияния искажения замкнутой орбиты и его коррекции на параметры пучка.

5. Рассмотрена нелинейная динамика накопителя СИБИРЬ-2 в присутствии квадратичной нелинейности, обусловленной сильными секступольныни линзами, компенсирующими хроматизм. Проблема изучена аналитически, при помощи теории возмущений, получениы выражения во втором порядке малости по параметру возмущения, описывающие искажение фазового . пространства и зависимость сдвига бетатронной частоты от амплитуды колебаний. Кроме того, проведено численное моделирование нелинейного движения с учетом секступольных линз. Изучено влияние погрешностей магнитного поля, найденых из результатов магнитных измерений, на нелинейную динамику и, в частности, на размер области устойчивого движения пучка. Показано, что уменьшение

динамической апертуры в первую очередь связано с нелинейностями, возникающими при коррекции орбиты корректорами, размещенными в квадрупольных линзах. На основе проведенного изучения найдена альтернативная рабочая точка бетатронных частот, для которой область устойчивости увеличилась по линейным размерам в 1.5 + 1.8 раз, до размера требуемой апертуры.

Б. Проведены измерения параметров накопителя СИБИРЬ-2 на энергии инжекции: размер пучка, величины бетатронных функций, хроматизм и т. д. Измерение влияния секступольных линз, компенсирующих натуральный хроматизм, показало соответствие проделанным численным и аналитическим оценкам.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, приложений и заключения. Текст иллюстрирован 62 рисунками, список литературы включает в себя 54 наименования.

Аппробация диссертационной работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию докладывались и обсуждались на семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах: Институте ядерной физике СО РАЯ, РНЦ «Курчатовский институт» (г.Москвр;, Институте физических проблем ин. ф. В. Лукина (г.Зеленоград), Ядерном научном центре ( г. Карлсруэ, Германия), Лаборатории синхротронного излучения БЕССИ (г.Берлин, Германия), Центре передовых технологий (г. Индор, Индия). Лаборатории синхротронного излучения (г. Ларсбери, Англия). Кроме того, результаты работы докладывались на VIII, IX, XI и XII всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц, XIV Всероссийском совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1994), Восьмом Всесоюзном совещании по использованию синхротронного излучения СИ-88 (Новосибирск, 1988), Индо - Советском семинаре по источникам синхротронного излучения (Индор, 1989), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Рим, 1988 и Лондон 1994), Конференции по ускорителям заряженных частиц IEEE (США, 1993).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении описываются особенности специализированных источников СИ, параметры основных установок комплекса источников СИ СИБИРЬ и перечисляется по главам краткое ссздержание диссертационной работы.

В Первой главе дается общее описание накопителя электронов СИБИРЬ-2, перечисляются требования, предъявляемые к нему, как к специализированному источнику СИ. Приводятся основные расчетные параметры пучка и описываются принципы построения магнитной структуры с функциональной точки зрения. При энергии 2.5 ГэВ и периметре 124.13 м проектный эмиттанс СИБИРИ-2 с^- 7. 9х10"6см-рад. С учетом сверхпроводящих змеек и ондуляторов, которые могут быть размещены в 9 прямолинейных промежутках (в т.ч., с нулевой дисперсией), спектральный диапазон СИ из СИБИРИ-2 перекрывает область О. 1 X - 3000 X.

Во Второй главе описываются элементы магнитной системы СИБИРИ-2: поворотный магнит, квадрупольные линзы, секступольные и октупольные линзы, корректирующие элементы. Даются их проектные параметры и конструктивные особенности. Все 24 поворотных магнита имееют идентичную замкнутую Н-образную конфигурацию магнитопровода, что позволяет при достаточно высокой амплитуде поля в зазоре Во - 17 кГс иметь хорошее качество поля (ДВ/Во - 2.5х10~4 в горизонтальной апертуре ДХ - ±2.5 см). Квадрупольные линзы (72 линзы) имеют как замкнутую в медианной плоскости конфигурацию магнитопровода, так и разомкнутую, для пропуска канала вывода СИ. Кроме того, на кольце имеется требуемое количество секступольных и октупольных линз и элементов коррекции.

В Третьей главе даны методика и результаты проведения прецизионных магнитных измерений элементов и определения характеристик поперечного и продольного распределения магнитного поля. Проводится изучение причин и величины отличия параметров магнитного поля от расчетных. Здесь же делается обработка набора характеристик поля магнитных элементов с целью определения различных статистичеких величин распределения ошибок и построения реалистичной модели

магнитной структуры. Все магниты по разбросу угла поворота находятся в диапазоне &ф/фа я ±1х10~3. Интегральный градиент квадрупольных линз на всех рабочих токах также отличается от среднего по семейству (всего имеется. 6 семейств) в пределах

&J/J £ ±1х10"3. о

Четвертая глава посвящена изучению влияния различного рода возмущений на параметры СИБИРИ-2. В первом параграфе рассматривается чувствительность параметров к калым отличиям ведущего поля от идеального и их допуски. Во втором параграфе рассматривается искажение замкнутой орбиты пучка вследствие наличия на траектории малых дипольных составляющих магнитного поля. Показано, что основным источником искажения орбиты является неточности выставки квадрупольных линз. Из-за особенностей сильнофокусной оптики СИБИРИ-2 средее квадратическое поперечное смещение линз «г^ - О. 1 мм приводит к возможному (среднеквадратичному) смещению сг^ « « 3 мм орбиты в месте с максимальной

В третьем параграфе исследуется возмущение структурных функций накопителя из-за случайных ошибок градиента и связанные с ним эффекты, такие, как сдвиг частоты бетатронных колебаний, увеличение запрещенных резонансных полос я возмущение структурных функций. Получены простые выражения, позволяющие статистически оценить возможные сдвиги бетатронных частот или искажение амплитудных функций. Результаты численного моделирования показывают хорошее совпадение с оценками. Для полученного из измерений значения разброса сил квадрупольных линз средние квадратические значения сдвига ¿огатронных частот достигают ~ 0.03, а относительное

искажение бета-функций - у/<&&> * 10+15 У..

Четвертый параграф посвящен изучению влияния искажения замкнутой орбиты пучка на параметры ускорителя: амплитудные и дисперсионную функцию, бетатронные частоты, эмиттанс. Вопрос исследуется теоретически, при помощи полученного выражения корреляционной функции искаженной замкнутой орбиты (у - х, г) <Ус(э) Ус(э')> = 1/4 <^о>[1 + 2vlZcos )/(V2- к2)2],

<Го> = 1/(пг1>г) <АВ1> /Вр, где Ус - 0 и ф - бетатронная и фазовая функция, V -

бетатронная частота, АВ1 - интегральная сила дипольной «ошибки», Вр ~ магнитная жесткость, суммированне ведется в

пределах к - (1. ..+«). Угловые скобки означают усреднение по ансамблю ошибок. В случае автокорреляций (5-5') корреляционная функция дает известное выражение среднего квадратического смещения замкнутой орбиты при случайных ошибках поля: <г* " / 8зхпгп1> Е^сЛВ 1>1/Вр.

Результаты аналитических расчетов подтверждаются численным моделированием. Показано, что даже при наличии эффективной коррекции замкнутой орбиты, остаточное отклонение пучка в сильных секступольных линзах может оказывать нежелательное влияние на пучок, сравнимое с неидеальностями магнитного поля основных элементов (например, средний квадратичный сдвиг бетатронной частоты достигает величины ✓<Дух,1> « 0.03).

В Пятой главе рассматривается нелинейное возмущение движения частицы, вызванное наличием секступольных линз, которое приводит к таким эффектам, как возникновение зависимости частот бетатронных колебаний от их амплитуды и ограничению динамической апертуры. Т. к. для правдоподобного описания нелинейной динамики с учетом квадратичной нелинейности необходим учет как минимум второго порядка приближения, аналитическое изучение возмущенного гамильтониана проводится с использованием классической теории канонических преобразований Пуанкаре-Цайпеля. С ее помощью получены выражения, описывающие в двумерном случае зависимость частот колебаний от амплитуды

Дг (I , I ) = а I + а I

х * ж х хх х хг г

&1/ (I , I ) = а I + а I

2 х х хх х хх х

где переменная действия пропорциональна квадрату амплитуды колебаний частицы I « Аг и а - коэффициенты, зависящие от бета-функций и силы секступольных линз (в нашем случае а -11.04 см"1, а --95.8 см"1 и а --40. 1 см"'). Кроме того,

хх хг

найдены выражения, описывающие искажение инвариантных фазовых траекторий. Это искажение приводит к эффективному увеличению эмиттанса пучка. Аналитические вычисления сравниваются с результатами математического моделирования. Подробно изучается вопрос формирования фазового пространства нелинейной системы с секступольным возмущением и влияние малых погрешностей магнитного поля на размер области устойчивости. Исходя из условий расширения апертуры при сохранении потребительских

характеристик машины проводится поиск альтернативной рабочей точки бетатронных частот и изучаются свойства накопителя в этой точке.

Шестая глава посвящена запуску источника СИ СИБИРЬ-2; в ней описываются характеристики различных установок комплекса, инжекция в основной накопитель, и результаты измерений параметров пучка на энергии инжекции. Так, продольный разнер пучка равен сгв - 3.6 см, а радиальный - от - 0.4 мм. На рис.5 показана измеренная зависимость частот бетатронных колебаний от частоты обращения при скомпенсированном линейном хроматизме. Ниже приведены расчетные и измеренные средние (¡-функции в местах размещения квадрупольных линз:

Линза И 3 M e p e н о Рас чет

<3x(M) /3z(M) 0x(M) PzlM)

Fl 12.5 7.0 11.6 5.5

Di 2.5 11.2 3.5 13.5

F2 2.1 0.9 1.8 0.6

Dz 5.0 9.3 5.0 13.3

F3 19.3 5.5 17.4 5.4

D3 5.8 7.8 6.3 8.8

В Приложении 1 дана расчетная магнитная структура накопителя СИБИРЬ-2 с учетом магнитных измерений. Указано размещение всех необходимых магнитных элементов и пикап-станций, используемых для измерения координат пучка и коррекции орбиты. В Приложении 2 показано применение канонической теории возмущения Пуанкаре - Цайпеля для анализа нелинейного движения частицы в ускорителе. В общем виде находится производящая функция второго порядка двумерной нелинейной системы, используемая в Главе 5 для аналитического изучения нелинейных характеристик накопителя СИБИРЬ-2. В Приложении 3 вычисляется корреляционная функция замкнутой орбиты пучка, необходимая для оценки влияния смещения траектории в секступольных линзах на параметры пучка.

В Заключении перечисляются основные результаты работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

[1] Anashin V.,..., Levichev Е. et al. The dedicated

synchrotron radiation source SIBERIA-2. - Proc.of EPAC'88, Rone, 1988, V.l, pp.380-382. Korchuganov v., Kulipanov G., Levichev E., et al. Status of the SIBERIA-2 preinjector.- in Proc. EPAC-94, London 1994, pp.739-742.

Анашин B.B...... Левичев E. Б. и др. Специализированный

источник синхротронного излучения <Сибирь-1>. -Девятое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1984.

Анашин В. В...... Левичев Е. Б. и др. СйШРЬ-2 -

специализированный источник синхротронного излучения.-Труды XX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна 1989, т. 2, с. 281-284. Erg G.,..., Levichev Е. et al. Multipole viggler and undulator for TNK SR source.- NIM 1991, V.A308, NO 1/2, pp.57-60.

Anashin V,..., Levichev E. et al. The dedicated SR source SIBERIA-2. - NIM 1989, V.A282, No.2/3, p.369. Korchuganov V.N., Levichev E.B. Optimization of the lattice of a storage ring - SR source. - Indo-USSR seminar on Synchrotron Radiation Sources (SRS), Indore 1989, pp.47-55.

Korchuganov V, Levichev E., Philipchenko A. Treatment of the result of Magnetic Mapping of the SIBERIA-2 Magnets Proceeding of the IEEE Particle Accelerator Conference PAC'93, v.4, p.2793 (1993).

[9] Корчуганов В. H. , Левичев Е. Б. , Сажаев В. В. -Компенсация хроматизма и динамическая апертура накопителя электронов CUEUPb-2. - Препринт ИЯФ 93-27, 1993.

[10] Korchuganov V., Levichev Е., and Sajaev V. Chromaticity compensation and dynamic aperture limitation of SIBERIA-2.- Proc.of the 1993 РАС, Washington, 1993, v.l, pp.230-233.

[11] Erg G.,... , Levichev E., et al. Injection system for the SIBERIA-2 storage ring.- Proc.of the 1993 РАС, Washington, 1993, v.2, pp.1384-1386.

[12] Korchuganov V.N., Kulipanov G.N., Levichev E.B.,

et al. Commissioning of the KSRS Injection Complex. -Kurchatov Synchrotron Radiation Source Report

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[14]

[15]

(1991-1992), Moscow, 1993, pp.6-10. Erg G.,... , Levichev E., et al. Magnetic lattice of SIBERIA-2 - dedicated SR source.- Preprint INP 89-174, 1989.

А. С. Калинин, E. Б. Левичев и др. Диагностика пучка в канапе транспортировки.- Труды Восьмого всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1983, т. 1, с. 342-345.

Valentinov А.,... , Levichev Е. Implementation of Basic Control Procedures for SIBERIA-2 Storage Ring.- Proc. of the EPAC'94, London, 1994, v.3, pp.1791-1793.