Динамика высокоинтенсивного пучка в сверхпроводящей щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой на низкие энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

I. Выбор ускоряющей структуры протонов на низкие энергии, сверхпроводящая щелевая Н-структура с ВЧ-фокусировкой.

1.1. Отличительные особенности сверхпроводящего ускорителя протонов на низкие энергии.

1.2 Динамика пучка в сверхпроводящих резонаторах с аксиальной симметрией поля.

1.3 Отказ от аксиальной симметрии, щелевая Н-структура.

1.4 Щелевая Н-структура с ВЧ-фокусировкой.

II. Динамика пучка в сверхпроводящем ускорителе на щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой.

II. 1 Дефокусирующий фактор ВЧ-поля в ускоряющих структурах при отсутствии синхронизма.

II. 1.1 Интегральное воздействие проскальзывания частицы относительно ВЧ-поля на дефокусирующий фактор.

II. 1.2 Уравнения движения в последовательности идентичных резонаторов.

П.2 Особенности динамики пучка в щелевой Н-структуре.

11.2.1 Квадрупольная компонента щелевой Н-структуры.

11.2.2 Влияние проскальзывания частицы относительно ВЧ-поля в щелевой Н-структуре.

II.3 Особенности динамики пучка в щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой.

11.3.1 Возможные варианты фокусирующего канала.

11.3.2 Описание динамики пучка с использованием формализма бегущей волны.

11.3.3 Продольно-поперечный резонанс связи.

II.3.4 Способы уменьшения влияния продольных колебаний на поперечное движение.

П.3.5 Влияние проскальзывания частицы относительно ВЧ-поля в щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой на поперечное движение.

II.3.6 Семейства резонаторов и структурные резонансы.

III. Особенности динамики высокоинтенсивного пучка в сверхпроводящем ускорителе на низкие энергии.

III. 1 Аналитическое описание поперечного движения с учетом сил пространственного заряда.

III. 1.1 Система уравнений движения в поперечной плоскости.

Ш.1.2 Уравнения огибающих с учетом рассогласования пучка с каналом.

III. 1.3 Решение нелинейного уравнения поперечного движения асимптотическим методом.

III.2 Возможные резонансы из-за модуляции Р-функции.

111.2.1 Резонансы в поперечном движении высокоинтенсивного пучка из-за возмущения р-функции вследствие рассогласования.

111.2.2 Резонансы в поперечном движении высокоинтенсивного пучка из-за возмущения Р-функции фокусирующей системой.

Ш.З Численная модель трехмерного движения пучка в ускоряющефокусирующем канале.

Ш.З. 1 Уравнения движения.

Ш.З.2 Решение уравнения Пуассона.

IV. Сверхпроводящий ускоритель на щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой на энергию до 50 МэВ.

IV. 1 Построение геометрии канала, выбор основных параметров структуры, динамика низкоинтенсивного пучка.

IV.2 Моделирование динамики высокоинтенсивного пучка в ускоряющем канале, основанном на сверхпроводящей щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой.

Современный этап развития физики и техники ускорителей заряженных частиц определяется широким использованием сверхпроводниковых технологий для ускорения частиц. Большинство проектов будущих ускорителей и планы развития существующих основываются на сверхпроводящих резонаторах. Возможные высокие темпы ускорения, почти полное отсутствие потерь энергии на создание поля, возможность обеспечить низкий уровень потерь позволяют необычайно расширить круг задач, решаемых с помощью сверхпроводящих ускорителей. В области физики высоких "энергий Большой Адронный Коллайдер LHC (ЦЕРН) на 14 ТэВ (в системе центра масс), как ожидается, позволит экспериментально проверить идею о суперсимметрии. Ускорение протонов и ионов в LHC планируется осуществлять с помощью однозазорных сверхпроводящих резонаторов [1]. Сверхпроводящий линейный электрон-позитронный коллайдер TESLA [2] с энергией соударения 500 ТэВ призван в значительной степени дополнить исследования, проводимые на LHC. Эта установка прольет свет на вопрос о происхождении массы элементарных частиц, позволит провести более детальные исследования свойств новых частиц. Ускорение в основной части происходит при помощи сверхпроводящих эллиптических резонаторов [3]. Уникальные возможности для ядерной физики несет в себе удвоение конечной энергии сверхпроводящего рецикулярного линейного ускорителя (CEBAF) до 12 ГэВ [4], что позволит значительно продвинуться в понимании природы сильного взаимодействия и поведения кварков.

Повышенный интерес к исследованиям нейтрино стимулирует разработку проектов нейтринной фабрики [5], где высокоинтенсивный протонный пучок при взаимодействии с мишенью непрерывно рождает заряженные л мезоны, которые при ускорении и охлаждении распадаются на мюоны. Пучки нейтрино получаются при распадах мюонов, ускоренных до энергий 20-50 ГэВ, и являются достаточно интенсивными, чтобы обеспечить тысячи нейтринных взаимодействий в год в детекторе приемлемого размера на другом конце земли [6]. Нейтринные фабрики можно рассматривать как первый шаг к мюонным коллайдерам. Однако малый период полураспада мюона (~2 мкс) доставляет много технических трудностей при ускорении. Сверхпроводящие резонаторы делают возможным ускорение с высоким темпом.

Ускорение радиоактивных изотопов позволит получить ответы на многие фундаментальные вопросы ядерной физики, в частности о происхождении химических элементов, о стабильности ядер, о свойствах экзотических ядер. Важность подобных исследований подтверждается тем, что проект Ускорителя Редких Изотопов (RIA) [7] внесен американским Департаментом по Энергии (DOE) в число наиболее приоритетных проектов по ядерной физике. Этот ускоритель разрабатывается на основе сверхпроводящих резонаторов таким образом, чтобы в нем можно было ускорять высокоинтенсивные пучки от протонов до тяжелых ядер урана.

На основе сверхпроводящих резонаторов уже созданы прототипы ускоряющих структур в области очень низких энергий, основанных на пространственно однородной квадрупольной фокусировке (ПОКФ) [8]. Идея фокусировки пучка ускоряющим полем за счет отказа от аксиальной симметрии была высказана Владимирским в 1956 году [9], позже реализованная Тепляковым в нормально-проводящей ускоряющей структуре в композиции с идеями разделения ускоряющего зазора и изменении наведенного потенциала на фокусирующих электродах [10]. Однако, из-за сложности геометрии такую ускоряющую структуру практически невозможно реализовать в сверхпроводящем варианте.

Применение сверхпроводящих резонаторов для ускорения высокоинтенсивных пучков позволяет работать в непрерывном режиме, при этом значительно снизив затраты на создание и поддержание ВЧ-системы ускорителя. Эти преимущества вместе с возможностью обеспечить предельно низкий уровень потерь частиц послужило толчком к развитию и созданию нейтронных источников [11-13], основанных на сверхпроводящих линейных высокоинтенсивных ускорителях протонов, а также разработке комплексов по переработке ядерных отходов [ 14-16].

Этот далеко не полный перечень современных проектов наглядно показывает, что применение сверхпроводниковых технологий выводит ускорители на решение задач следующей ступени познания окружающего мира. Однако на сегодняшний день сверхпроводящие ускоряющие структуры применяются, в основном, в области очень низких энергий или высоких энергий. В области же низких и средних энергий от нескольких МэВ до 150200 МэВ до сих пор применяются нормально-проводящие резонаторы, хотя они ограничены как по фактору скважности, так и по темпу ускорения. Учитывая достаточно высокие потери энергии на создание и поддержание поля, такое решение обусловлено просто отсутствием сверхпроводящих структур, отвечающих специфике ускорения пучка с высоким темпом ускорения. Отсутствует и сама теория сверхпроводящих ускорителей, поскольку простое заимствование ее у обычных ускорителей просто непозволительно вследствие ряда причин. Например, для удешевления производства сверхпроводящие резонаторы разбивают на семейства, и внутри каждого семейства резонаторы имеют идентичные размеры. Кроме того, с точки зрения настройки сверхпроводящего резонатора желательно иметь резонатор с геометрической симметрией, что означает постоянство фазовой скорости в каждом отдельно взятом резонаторе. В связи с этим динамика пучка усложняется, что приводит к необходимости пересмотра аналитической модели динамики пучка в ускорителе. Как первый шаг, сначала было рассмотренно только продольное движение в такой системе [17].

Данная работа посвящена изучению совместного трехмерного движения в новых предложенных сверхпроводящих структурах.

Целью диссертационной работы является изучение динамики пучка в сверхпроводящем высокоинтенсивном линейном ускорителе протонов на низкие и средние энергии. Указанная цель достигается решением следующих основных задач:

• Первая задача сводится к анализу возможности использования существующих резонаторов и фокусирующих систем и предложению новых типов сверхпроводящих резонаторов.

• Вторая задача связана с подробным рассмотрением динамики пучка в системе независимо питаемых резонаторов с учетом особенностей предложенных типов сверхпроводящих резонаторов.

• Третья задача, посвященная изучению влияния пространственного заряда на динамику пучка, решается в два этапа. Сначала предлагается аналитическое описание математически упрощенной модели пучка с целью получения физически понятных быстро оцениваемых результатов, таких как рост ореола пучка и его стабилизация. На втором этапе обсуждается предлагаемая численная трехмерная модель движения пучка в ускоряюще-фокусирующем канале.

• В четвертой задаче подробно рассматривается стратегия построения ускоряюще-фокусирующего канала на основе предложенной щелевой Н-структуры с ВЧ-фокусировкой, а также анализируются результаты моделирования движения высокоинтенсивного пучка при помощи разработанной трехмерной программы моделирования.

Результаты работы были использованы при разработке европейского проекта высокоинтенсивного импульсного инжектора протонов (HIPPI), входящего в европейский проект исследований ускорителей (CARE) [ 18].

Структура диссертации представляется в следующем виде. Диссертация изложена на 128 страницах и состоит из введения, четырех глав,

Выводы

Таким образом, в результате проведенных исследований при помощи моделирования динамики пучка были найдены оптимальные параметры ускоряющей структуры. В том числе структура фокусирующего канала выбрана FOODDOOF с периодом 4 • J3ilr • Л, средний темп ускорения на первом этапе ускорения 2.5 МэВ/м, синхронная фаза -20°. Выбор количества резонаторов в семействе зависит от величины необходимого пропускаемого тока. При ускорении пучков низкой интенсивности можно ограничиться четырьмя резонаторами в семействе, а при ускорении пучков высокой интенсивности рекомендуется использовать 2 резонатора в семействе, по крайней мере, на начальном этапе ускорения. После выбора основных параметров канала было проведено моделирование динамики высокоинтенсивного пучка протонов в ускоряющем канале. На настоящий момент максимальная достигнутая величина пропускаемого тока - 40мА. Однако эта величина очень сильно зависит от начальных параметров моделируемого пучка. К примеру, при однородном распределении заряда величина максимального пропускаемого тока увеличится в ~3 раза.

Заключение

В диссертации проводилось исследование динамики высокоинтенсивного пучка на низкие энергии в сверхпроводящем ускорителе на щелевой Н-структуре с ВЧ фокусировкой. Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

• Рассмотрены особенности сверхпроводящих ускорителей на низкие энергии, основанных на наиболее распространенных типах сверхпроводящих резонаторов

• Предложен новый тип сверхпроводящего Н-резонатора со щелями, обеспечивающими уменьшение ВЧ-дефокусировки, а также метод введения ВЧ-фокусировки в сверхпроводящий щелевой Н-резонатор с целью отказа от внешних фокусирующих элементов

• Разработан новый метод уменьшения зависимости радиальной частоты колебаний от амплитуды продольных колебаний в ускорителе с ВЧ-фокусировкой за счет смещения геометрического центра фокусирующих электродов относительно центра ускоряющей ячейки

• Развит аналитический аппарат для исследования динамики пучка в сверхпроводящем линейном ускорителе на щелевой H-струкгуре с фокусирующими и без фокусирующих электродов и состоящего из резонаторов, объединенных в группы с идентичной геометрией

• Исследованы структурные резонансы, обусловленные параметризацией радиальной частоты из-за объединения резонаторов в группы, свойственные только данному типу ускорителя

• Исследована динамика интенсивного пучка на основе теории изолированного нелинейного резонанса и получены аналитические формулы, позволяющие оценить рост ореола в ускорителе с нарушением согласования в фазовом пространстве

• Разработана программа трехмерной динамики пучка в линейном ускорителе, состоящем из произвольной последовательности ускоряющих секций и транспортных каналов между ними

• Разработана стратегия построения ускоряющего канала, основанного на щелевой Н-структуре с ВЧ-фокусировкой, исходя из аналитических оценок и численного моделирования

• Получены результаты моделирования динамики пучка в линейном высокоинтенсивном сверхпроводящем ускорителе протонов на низкие энергии, основанном на щелевой структуре с ВЧ-фокусировкой и оценено максимальное значение пропускаемого тока при заданном уровне потерь

В заключении автор выражает искреннюю глубокую признательность своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, Ю.В. Сеничеву за постановку задач, постоянное внимание и руководство работой.

Автор выражает большую признательность доктору физико-математических наук А.В. Фещенко за плодотворное научное влияние и поддержку.

Автор благодарит кандидата естественных наук Раймунда Толле (Raimund Tolle) и доктора естественных наук Рудольфа Майера (Rudolf Maier) за многочисленные полезные обсуждеия и поддержку работы.

Автор благодарит кандидата физико-математических наук А.А. Богданова за многочисленные полезные обсуждения результатов работы, а также всех сотрудников ИЯИ и ИФВЭ, принявших участие в обсуждении вопросов, затронутых в диссертации.

Автор также считает своим приятным долгом поблагодарить профессора В.А.Теплякова за полезные дискуссии по отдельным фундаментальным ускорительным проблемам.

1. E.Chiaveri et al., Measurements on the First LHC Acceleration Module, Proc. 2001 РАС, Chicago, USA, 2001, P. 481-483.

2. R.Brickmann et al., Conceptual design of a 500 GeV e+ e- Linear Collider with integrated X-ray laser facility, Report DESY 1997-048, Hamburg, Germany,-1997.

3. B.Aune et al., Superconducting TESLA cavities/ B.Aune et al. // Journal Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams 2001.- Vol. 3.-P. 092001-1-092001-25.

4. L.Harwood, Upgrading CEBAF to 12 GeV, Proc. 2003 РАС, Portland, USA, 2003, P. 586-588.

5. W.T.Weng et al., Neutrino Beam Facilities and Projects, Proc. 2003 РАС, Portland, USA, 2003, P. 429-433.

6. Geer, S., Neutrino factory designs and R&D/ Geer, S. // Journal Nuclear Physics B-Proceedings Supplements 2003.- Vol. 118.- P. 223-232.

7. K.W.Shepard, The RIA driver Linac, Proc. 2002 LINAC, Gyeongju, Korea, 2002, P. 596-599.

8. G.Bisoffi et al., First Results with the full Niobium Superconducting RFQ resonator at INFN-LNL, Proc. 2000 EPAC, Vienna, 2000, P. 324-326.

9. В.В.Владимирский / В.В.Владимирский // Журн.Приборы и техника эксперимента 1956.- № 3.- Р. 35

10. В.А.Тепляков / В.А.Тепляков // Журн.Приборы и техника эксперимента 1964.- № 6.- Р. 24

11. The ESS Project, Report ESS Council, Bad Honnef, Germany, -2002.

12. M.Mizumoto et al., A High Intensity Proton Linac Development for the JAERI Neutron Science Project, Report 1998 LINAC, Chicago, USA, -1998.pp. 349-353.

13. N.Holtkamp, Status of the SNS project, Proc. 2003 РАС, Portland, USA, 2003, P. 11-15.

14. C.Pagani et all, A high curren superconducting proton linac for an accelerator driven transmutation system, Proc. 1997 РАС, Vancouver, Canada, 1997, P. 1126-1129.

15. G.P.Lawrence, High Power Linac for ATP; Status of design and development, Proc. 1998 LINAC, Chicago, USA, 1998, P. 26-30.

16. M.Napolitano et al., Status of the High Current Proton Accelerator for TRASCO Program, Proc. 2002 EPAC, Paris, France, 2002, P. 251-253.

17. Y.Senichev, A.Bogdanov, and R.Maier, Separatrix formalism for superconducting linear accelerators/ Y.Senichev, A.Bogdanov, and R.Maier // Journal Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams 2003,- Vol. 6.- P. 124001-1-124001-9.

18. O.Napoly et al., The CARE Accelerator R&D Programme in Europe, Proc. 2005 РАС, Knoxville, USA, 2005

19. H.Padamsee, J.Knobloch, and T.Hays RF Superconductivity for accelerators/ H.Padamsee, J.Knobloch, and T.Hays -New York: Willey-Interscience Publication, 1998.

20. U.Linz Ion beams in tumor therapy/ U.Linz -Weinheim, Germany: Chapman & Hall, 1995.

21. G.Coutracon et al., Design consideration for medical proton accelerators, Proc. 1999 РАС, New York, 1999, P. 11-15.

22. F.Scarpa et al., Test result of the LNL low cost, high performance solid state RF amplifier, Report Laboratori Nazionali di Legnaro, Annual report 2001, Laboratori Nazionali di Legnaro, -2001.

23. Scheibelhut, С. H., Shepard, К. W., and Wesolowski, W. A. // Ieee Transactions on Magnetics 1977.- Vol. 13.- P. 516-519.

24. Superconducting Radio Frequency Linac for the Spallation Neutron Source, Report Oak Ridge National Laboratory, SNS-SRF-99-101, Oak Ridge, USA,-1999.

25. M.Mizumoto et al, A High Intensity Proton Linac Development for the JAERI Neutron Science Project, Report LINAC98, Chicago, USA, -1998.pp. 349-353.

26. R.T6lle et al., A superconducting injector linac for COSY, Proc. 2002 EPAC, Paris, France, 2002, P. 966

27. M.Comunian, A.Facco, and A.Pisent, A 100 MeV superconducting proton linac: beam dynamics issues, Proc. 1998 LINAC, Chicago, USA, 1998, P. 64-67.

28. Yu.Budanov et al., RFQ Drift-Tube Proton Linacs in IHEP , Proc. 2004 LINAC, Lubeck, Germany, 2004, P. 285-287.

29. R.W.Garnett et al., RF-focused spoke resonator, Proc. 2002 LINAC, Gyeongju, Korea, 2002, P. 85-87.

30. N.Vasyukhin, R.Maier, and Y.Senichev, Space Charge Problem in Low Energy Super-conducting Accelerator, Proc. 2004 EPAC, Lucerne, Switzerland, 2004, P. 2002-2004.

31. И.М.Капчинский Динамика частиц в линейных резонансных ускорителях/И.М.Капчинский -М.: Атомиздат, 1966.

32. Н.Н.Боголюбов, Ю. А. Митропольский Асимптотические методы в теории нелинейных клебаний/ Н.Н.Боголюбов, Ю. А. Митропольский -М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958.

33. Чириков Б.В. Нелинейный резонанс/ Чириков Б.В. -Новосибирск: Новосибирский Государственный Университет, 1977.

34. Y.Senichev, Mechanical and thermodynamical approach to halo creation problem in high intense beam, Proc. HEACC-98, Dubna, 2005, P. 123-125.

35. А.С.Рошаль Моделирование заряженных пучков / А.С.Рошаль -М.:j1. Атомиздат, 1979.

36. Birdsall С.К. and Langdon А.В. Plasma Physics, via computer simulation/ Birdsall C.K. and Langdon A.B. -Bristol, U.K.: Adam Hilger, 1996.

37. S.N.Andrianov, A matrix representation of Lie algebraic methods for design of nonlinear beam lines, Proc. 1997 AJDP, New York, 1997, P. 355360.

38. N.Vasyukhin, R.Maier, and Y.Senichev, The Features of High Intensity

39. A.Bogdanov, Y.Senichev, and R.Maier, Delta-T procedure for superconducting linear accelerator, Proc. 2004 EPAC, Lucerne, Switzerland, 2004, P. 1249-1251.