Физические основы метода встречных линейных пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

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

На правах рукописи

БАЛАКИН Владимир Егорович

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ВСТРЕЧНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ПУЧКОВ

01.04.20—физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математичеких наук (б форме научного доклада)

Новосибирск—1994

Работа выполнена в Институте.ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

Барков — доктор физ.-мат. наук, академик РАН,

Лев Мптрофанович Институт ядерной физики СО РАН,

г. Новосибирск

Герштейн — доктор физ.-мат. наук, члеп-корр. РАН

Семен Соломонович Институт физики высоких энергий,

г. Протвино

Серебряков — доктор физ.-мат. наук,

Василий Васильевич Институт математики СО РАН,

г. Новосибирск

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных

исследований г. Дубна

" А " марта 1994 года в " "

Защита, состоится " I ® " марта 1994 года в " / " часов на заседании Специализированного совета Д.002.24.02 при Институте ядерной физию: им. Г.И. Будкера СО РАН

Адрес: 630090, Новосибирск 90,

проспект академика Лаврентьева, 11

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

Диссертация разослана " ^ " февраля 1994 г.

Ученый секретарь

. Специализированного совета / "р~/

доктор физ.-мат. наук, академик ^Р'^0

Содержание

1 Введение 5

2 Получение энергии 7

о

2.1 Ускоряющие структуры ........................................7

2.2 Получение СВЧ-мощности......................................16

3 Получение светимости 20

3.1 Эффекты встречи................................................20

3.2 Продольная динамика..............................................26

3.3 Поперечная динамика............................................27

3.4 Адаптивная юстировка..........................................32

4 Общая схема линейного коллайдера 43

5 Заключение 47

6 Литература по материалам диссертации 48

I Введение

Остановки со встречными электрои-познтронными пучками, эксперименты на которых были впервые начаты в Институте ядерной физики СО ЭАН в 1967 году на установке ВЭПП-2, к настоящему времени стали традиционными и являются основой программ по физике высоких энергий в .гире.

Несмотря на то, что энергия электрон-позитронных ускорителей на :егодняшннй день более чем на порядок ниже энергии протонных уско-штелей, в том числе со встречными пучками, значительный объем но-юй физической информации дают именно установки со встречными щектрон-позитроннымн пучками. Это связано с тем, что в начальном юстоянпи присутствуют, по существу, элементарные частицы — лепто-1Ы с нулевым суммарным зарядом, а также фиксированной энергией.

Однако, вскоре после сооружения первых установок стало ясно, что 1рисущее им принципиальное свойство — наличие сннхротрониого изучения частиц в накопителях, играющее положительную роль для затухания поперечных колебаний частиц и обеспечивающее накопление, а :ледовательно, светимость, при увеличении энергии становится отрицательным эффектом: ограничивает достижимую энергию частиц.

Поэтому в Институте ядерной физики СО РАИ уже в конце шестидесятых годов были начаты поиски путей преодоления этой трудности в хелях создания лептонных встречных пучков с энергией 100 ГэВ и более.

Одним из вариантов решения этой проблемы была интенсивно обсу-

ждавшаяся возможность создания встречных (г-мезонных пучков.

Альтернативный вариант, который позволяет обойти проблему снн-хротронного излучения —■ это использование электрон-позитронных встречных пучков на основе линейных ускорителей.

Исследование такой возможности было начато Г.И. Будкером, А.Н. Скринским н автором в конце шестидесятых годов. Впервые об этих работах было сообщено А.Н. Скринским в 1971 году, на Международном совещании в Morge (Швейцария). Уже первое рассмотрение показало, что для успеха предлагаемого метода требуется решить две основные проблемы: получение необходимой энергии при приемлемых габаритах установки и получение необходимой светимости при разумной потребляемой мощности от сети.

Проведенные под руководством автора работы, сначала в группе, а затем в лаборатории, позволили в 1978 году прийти к заключению о "возможности создания ускорителей со встречными электрон-позитроннымн пучками на сверхвысоких энергиях" /1/ на основе линейных ускорителей.

Реализация этой возможности требовала, однако, большого объема инженерных, технических и технологических изысканий. Среди вставших проблем стоит назвать такие, как увеличение ускоряющего градиента на порядок, увеличение мощности СВЧ - источников на два - три порядка, улучшение точности юстировки элементов ускорителя на два -три порядка, улучшение во столько же раз чувствительности к смещению датчиков положения пучка, удешевление в несколько раз системы высоковольтного питания СВЧ - источников и т. д.

В настоящей работе показаны пути преодоления указанных трудностей, по основным проблемам получены параметры, близкие к необходимым.

Следует отметить, что вскоре после нашей публикации 1978 года в США появляется предложение о реконструкции существующего линейного ускорителя для работы в режиме встречных пучков, а в конце восьмидесятых годов разработка метода встречных линейных пучков приобретает международный характер. В работах по этому направлению, кроме России, активное участие принимают такие страны, как США, Япония, Германия, Швейцария (Церн).

Несмотря на то, что сегодняшняя ситуация в России не позволяет надеяться на возможность реализации проекта ВЛЭПП самостоятельно, тем не менее, основные идеи и разработки, полученные в работах по программе ВЛЭПП, сегодня используются как на ускорителе SLC, так и в других изучаемых проектах. .

В случае реализации международного проекта Россия сможет при-

пять в нем квалифицированное участие.

Настоящая работа посвящена изложению физических основ нового метода в физике ускорителей — метода встречных линейных пучков.

2 Получение энергии

2.1 Ускоряющие структуры

Общепринятым допустимым значением ускоряющего градиента для высокочастотных линейных электронных ускорителей на момент начала этой работы считалось значение около 10 МэВ/м. Это означало, что для достижения энергий сталкивающихся пучков в сотни Гэв, необходимая полная длина ускорителя будет составлять десятки километров.

Такое значение считалось трудно допустимым с экономической точки зрения, поэтому одной нз первых проблем, которую предстояло решить — это получение темпов ускорения, на порядок больших общепринятых, т. е. около 100 МэВ/м.

В то же время опыт создания мпкротронов показывал, что в одиночных резонаторах мпкротронов достигались необходимые напряженности электрических полей. Однако, непосредственно использовать опыт работы резонаторов микротронов оказалось затруднительным из-за их плохой воспроизводимости: высокие напряженности получались в результате неоднократных переборок, чисток и т. д. резонаторов.

Очевидно, что в случае ускоряющих структур линейных ускорителей, состоящих нз нескольких десятков резонаторов, где прочность структуры определяется прочностью самого слабого резонатора, необходимо обеспечить высокую воспроизводимость электрической прочности.

Для изучения этой проблемы была проведена серия экспериментов на специально созданном для этой цели стенде /2/.

Схема эксперимента приведена на рис. 1. Стандартный мощный импульсный клистрон на длине волны 10 см возбуждал одиночный разбор-Е1ый резонатор специальной формы. Особой формой резонатора создава-пось такое респределенне высокочастотного электрического поля, чтобы максимальное значение его достигалось в центре съемного диска.

Рис. 1. Схема эксперимента по измерению предельной электрической напряженности на медной поверхности.

Энергия электронов, эмитированных плоской поверхностью, измеряется магнитным спектрометром. Пробои в резонаторе регистрируются по форме отраженной СВЧ-волны, свечению в резонаторе, "/-излучению и ухудшению вакуума.

Плоская поверхность диска являлась испытательной поверхностью. Преимуществом такого подхода является возможность многократного использования одного и того же резонатора, удобство в обработке и подготовке испытательной плоской поверхности. Для измерения величины электрического поля, достигаемого на испытательной медной поверхности, используется магнитный спектрометр с регистрацией частиц сцин-циляционным счетчиком. Для измерений использовались электроны, эмитированные медной поверхностью за счет автоэлектронной эмиссии. Высокая чувствительность сцинтилляцнонного счетчика, регистрирующего даже одиночные электроны, позволяла уверенно измерять электрические поля, начиная с напряженности 50 МэВ/м.

Обеспечение хорошего электрического контакта между плоской испытательной поверхностью и несъемной частью резонатора, изготовленного из твердой бронзы с высокой электропроводностью, достигалось применением гидравлического прижима.

В результате проделанной работы была найдена технология, обеспе-

швакнцая получение электрической прочности на поверхности меди око-го 150 - 200 МэВ/м, что с учетом перенапряжения в реальной структуре обеспечивает получение ускоряющего градиента около 100 МэВ/м.

Высокая электрическая прочность достигалась воспроизводимым образом при обеспечении следующих условий:

а) обработка поверхности из чистой бескислородной меди ведется ал-

мазными резцами при высоком качестве;

б) после обработки поверхность проходит очистку с использованием уль-

тразвука н поверхностно-активных веществ н деионизованной воды;

в) после очистки поверхность транспортируется в защищенной от про-

никновения пыли таре;

г) вакуум в установке обеспечивается безмасленными средствами откач-

ки.

На рис. 2 приведены образцы спектров электронов, полученных на разных образцах, демонстрирующих возможность достижения вышеуказанных значений напряженности поля.

Рис. 2. Спектры автоэлектронной эмиссии с медной поверхности на разных испытуемых образцах (сплошная линия) и рассчитанные спектры при напря-женностях 100 МэВ/м, 150 МэВ/м и 200 МэВ/м соответственно (пунктирная линия).

Горизонтальная шкала — энергия ускоренных электронов в МэВ.

Нотиса)

Следует отметить, что предельные значения электрического поля достигались после тренировки резонаторов, во время которой наблюдалось гажение, пробои, однако предельное значение ограничивалось существенной автоэлектропной эмиссией, которая подгружала резонатор и не позволяла поднять далее электрическое поле.

Эти результаты позволили прийти к заключению о принципиальной возможности достижения воспроизводимых результатов по получению предельной электрической прочности около 100 МэВ/м в высокочастотных ускоряющих структурах и были положены в основу прн выборе параметров в нашем первом предложении 1978 года /1, 2/.

Найденные нами условия обработки поверхности резонаторов, обеспечивающие необходимую электрическую СВЧ-прочность, совпадают с условиями, найденными также для получения максимальной электрической прочности при постоянном напряжении, что не является неожиданным.

Для нас важно было показать, что прн обеспечении этих условий получается необходимая электрическая прочность.

Дальнейшая оптимизация параметров ускорителя показала, что с учетом динамики пучка в ускорителе, в месте встречи необходимо стремиться уменьшить длину волны высокочастотной системы ускорителя до 23 см вместо используемой в вышеприведенном эксперименте 10 см.

Однако, в этом диапазоне промышленность не производила и не производит СВЧ-источннков необходимой мощности, так, мощность магнетронов в этом диапазоне составляет 1 МВт, а мощность СВЧ-нсточников усилительного типа не превышает 1 кВт, в то время как для возбуждения ускоряющей структуры линейного ускорителя, прн градиенте около 100 МэВ/м, требуется характерная мощность примерно 100 МВт.

Ясно, что для продолжения работ с ускоряющими структурами прн высоком градиенте в этом диапазоне необходимо было разработать СВЧ-источннки достаточной мощности нужного диапазона частот.

В СВЧ-энергетике общепринятым является представление о том, что трудности создания источников СВЧ-мощностн растут с укорочением длины волны как квадрат длины волны, поэтому памп в качестве компромиссной была выбрана длина волны 4 см.

В этом диапазоне был разработан ряд источников усилительного типа с мощностями в диапазоне 20 - 50 МВт, и с их использованием проведены эксперименты по исследованию высокочастотных структур с длиной волны 4 см.

Выбор типа высокочастотной ускоряющей структуры линейного ускорителя должен удовлетворять ряду часто противоречивых требований.

Так, для того, чтобы уменьшить "подгрузку" пучком ускоряющей структуры, необходимо иметь максимально большой объем запасенной энергии в структуре, в то же время большой запас энергии приводит к большой потере энергии в тепло за период колебаний, следовательно, требует большой мощности на возбуждение колебаний.

Особенно опасны поперечные поля, возбуждаемые пролетающим ускоряемым сгустком, которые, как оказалось, приводят к поперечной неустойчивости пучка. Для уменьшения этих сил необходимо увеличить диаметр пролетного отверстия в диафрагмах, отделяющих одиночные резонаторы ускоряющих структур.

Увеличение же диаметров этих отверстий — отверстий связи — увеличивает групповую скорость в структуре, что также увеличивает необходимую мощность для возбуждения структуры.

Ситуация облегчается при использовании ускоряющих структур со стоячей волной, где волна, прошедшая структуру, отражается от ее концов и затем снова используется для возбуждения ускоряющего поля.

Однако, стандартный диафрагмированный волновод при работе в режиме стоячей волны будет содержать невозбужденные ячейки, что приведет к дополнительному перенапряжению — средний градиент должен будет набираться на оставшейся возбужденной части ячеек.

С учетом вышеперечисленных соображений для дальнейших экспериментов была выбрана ускоряющая структура со стоячей волной с кольцевыми резонаторами связи, вынесенными за периметр ускоряющей структуры. Сдвиг фаз между ускоряющими ячейками составлял ж и между ускоряющими ячейками и ячейками связи соответственно тг/2.

Прн возбуждении такой структуры при соответствующих торцевых ячейках обеспечивалось возбуждение только ускоряющих ячеек, электрическое поле в ячейках связи было незначительным и не вносило существенных потерь.

Увеличенная толщина диафрагм, разделяющих ускоряющие ячейки, позволила увеличить диаметр пролетного отверстия для уменьшения наведенных, ускоряемых сгустком поперечных полей без появления значительной паразитной связи между ячейками.

Одновременно, увеличенная толщина позволила оптимизировать профиль диафрагмы для уменьшения коэффициента перенапряжения.

В опытном производстве Института ядерной физики СО РАН было освоено изготовление элементов структуры, а также панки с использованием в значительной степени найденной ранее технологии, обеспечивающей высокую электрическую прочность.

Испытание структуры прн высокой мощности потребовало создания

специального стенда, включающего мощный источник СВЧ-колебанип, волновод но го тракта, обеспечивающего транспортировку этой мощности к структуре, мощных фазовращателей, ответвнтелей, нагрузок и других элементов высокочастотного тракта /3/.

Измерение возбуждаемого электрического поля в ускоряющей структуре производилось с помощью тестового электронного пучка с длительностью импульса несколько десятков наносекунд, что позволяло измерять амплитуду электрического поля как функцию времени путем изменения момента ннжекцип. Энергия ускоренных электронов измерялась магнитным спектрометром (рис. 3).

В результате серии экспериментов, проведенных в начале восьмидесятых годов, одновременно отрабатывался целый комплекс устройств, необходимых для будущей реализации ускорителя, таких как высоковольтный источник для электронного пучка СВЧ-генератора, СВЧ-генераторы различных типов, другие элементы мощного СВЧ-тракта, технология изготовления н пайки ускоряющих структур и, наконец, испытание последних на высоком уровне мощности.

Для экспериментов на высоком уровне мощности были изготовлены отрезки ускоряющей структуры различной длины: 10 см, 30 см н 1 м. При изготовлении отрезков структуры в той или иной степени соблюдались условия, найденные по результатам испытаний одиночных резонаторов.

Элементы структуры изготавливались алмазным резцом специального профиля, обеспечивающим необходимое качество поверхности, близкое к зеркальному, последующая очистка поверхности, сборка с предохранением от пыли, пайка в вакуумной печн с последующим заполнением печи при вскрытии обеспыленной средой (азотом) и т. д.

Следует отметить, что длина структуры 1 м соответствовала проектной длине ускоряющей структуры, которую планировалось иметь в реальном полномасштабном ускорителе.

При подаче большой СВЧ-мощпостн па экспериментальные образцы отрезков ускоряющей структуры наблюдалось мощное гаженпе, тренирующие пробои, эмиссия тока из ускоряющей структуры. По мере тренировки гаженпе уменьшалось, уровень мощности, па котором наблюдались пробои, увеличивался и через несколько десятков часов тренировки на частоте 1 Гц достигалось максимальное значение градиента, определяемое максимальной СВЧ-мощностыо источников, достигнутой к моменту испытаний.

Полученные значения градиента соответственно равнялись 90 МэВ/м для отрезка структуры длиной 10 см, 35 МэВ/м — для длины 30 см и 40 МэВ/м для длины 1 м /3/.

¿-генератор электронного пучка для гирокона, 2-гирокон, 3-волноводный тракт, ^-магниторазрядный насос, 5-налравленный ответвитель, 6-фазовра-щатель, 7-трансформатор типа волны, 8, 3-генератор "пробного пучка", 10-цнлнндр Фарадея, ¿¿-датчик тока, ¿¿-магнитный спектрометр, ¿З-испытуемая секция.

Рис. За. Спектр "тестового" пучка для различных уровней мощности, подаваемой на структуры. Видно, что при максимально доступной мощности напряженность ускоряющего электрического поля составляет более 90 Мэв/м.

Кажущаяся зависимость максимального градиента от длины связана только с ограниченной СВЧ-мощностью источника.

Неоднократное повторение этих результатов на различных экземплярах отрезков структуры позволило прийти к выводу о том, что наши рекомендации, полученные при испытаниях одиночных резонаторов, позволяют надеяться иметь необходимый градиент около 100 МэВ/м.

Здесь следует заметить, что хотя мы не проводили экспериментов по испытанию на максимальный срок работы ускоряющей структуры при больших градиентах (испытание образцов проходило несколько десятков часов), тем не менее, по характеру поведения ускоряющей структуры при пробоях можно было сделать заключение о поведении структуры при длительном сроке эксплуатации.

Дело в том, что из экспериментов по электрическому пробою в вакууме, а также общих физических соображений следует, что поведение системы зависит от энерговыделения в вакуумной искре при пробое, а именно — при малых энерговыделениях искры уничтожают имеющиеся неоднородности на электродах, причем тем эффективнее, чем больше энергия в разряде, но затем, начиная с некоторой энергии, наступает насыщение и затем падение электрической прочности после пробоев, связанное с эрозией поверхности при разряде.

В наших экспериментах пробои носили тренирующий характер, причем средняя частота пробоев уменьшалась но мере выдержки структуры при высоком уровне мощности.

Вместе с тем, эксперимент выявил наличие паразитных явлений в ускоряющей структуре, а именно: мощность СВЧ-колебаннй, необходимая для возбуждения заданной напряженности поля, превышала расчетную в 1.5-2 раза, из ускоряющей структуры наблюдалась эмиссия электронов в течение всей длительности существования СВЧ-поля, структура являлась мощным источником радиации, равномерно распределенной по длине структуры.

Измерение энергетического спектра электронов, эмитированных стру! турой, показало, что он размазан от нуля до максимальной энергии более-менее равномерно. Следует подчеркнуть, что эти явления наблюдались при отсутствии явных пробоев в ускоряющей структуре, уверенно регистрируемых по форме огибающих падающей и отраженной волн от структуры, формы эмиссионного тока, поведения вакуума и т. д. Кроме того, вышеперечисленные явления не зависели существенным образом от уровня СВЧ-мощности, подаваемой на структуру.

Такое поведение можно объяснить наличием постоянно идущих спокойных разрядных, типа "горения", процессов, идущих по всей длшк

ускоряющей структуры.

Из физики вакуумного пробоя известно явление вторично-эмиссионного разряда в высокочастотном поле, которое обладает свойствами, позволяющими объяснить наблюдаемые явления.

Вторично-эмиссионный разряд обычно наблюдается в области слабых электрических полей, его возникновению также способствует большая амплитуда высокочастотного магнитного поля.

Исходя из этих соображений можно было ожидать, что явление разряда может происходить в области резонаторов связи, где электрическое поле мало, или в области отверстий связи между ускоряющими резонаторами н резонаторами связи, где амплитуда магнитного поля максимальна.

Для выяснения места локализации разряда был использован следующий прием: в вакуумный объем было организовано натеканне паров органики (спирта) затем, чтобы возникающий разряд вызвал разложение паров, и затем, после разрезания ускоряющей структуры по отпечаткам следов разряда можно было найти место локализации вторично-эмиссионного разряда.

Эта идея была реализована, и эксперимент показал, что вторично-эмиссионный разряд возникал в области отверстий связи на поверхности со сложной конфигурацией.

Возможным методом борьбы с этим явлением могло быть использование специальных покрытии с коэффициентом вторичной эмиссии меньше единицы пли существенное изменение формы резонаторов.

И тот и другой способы борьбы с паразитным разрядом представлялись недопустимо трудоемкими, поэтому было принято кардинальное решение — перейти от структуры со стоячей волной к хорошо изученной структуре с бегущей волной типа диафрагмированного волновода.

Одновременно накопленный опыт работы по созданию мощных источников СВЧ-колебашш позволил рассчитывать на получение необходимой мощности при дальнейшем укорочении длины волны до 2 см, которая более предпочтительна с точки зрения динамики пучка.

Изготовление же структуры со стоячей волной на этой частоте встретило бы также дополнительные трудности из-за. малых размеров.

При разработке ускоряющей структуры с бегущей волной на длину волны 2 см было принято решение одновременно вести работы по технологии серийного изготовления в условиях промышленного производства.

Отработка технологии шла одновременно на трех серийных заводах, для изготовления использовались станки с программным управлением, заводские системы контроля, приемки и т. д.

В промышленности также был разработан и изготовлен специализированный станок с программным управлением, который позволил изготавливать элементы структуры с точностью 1 мкм, что примерно в два раза лучше результатов, полученных на аналогичных станках зарубежного производства.

В течение 1988 - 1991 годов было изготовлено более 10 метров ускоряющей структуры, которые в основном удовлетворяли необходимым требованиям /4/.

Проведенные работы показали принципиальную техническую возможность реализации в промышленности производства элементов ускоряющих структур с нужными параметрами.

Следует отметить, что с включением других центров в работы по разработке линейных коллайдеров, эксперименты по исследованию электрической прочности были проведены в США, Японии, Франции, где были получены результаты, аналогичные вышеприведенным, поэтому сегодня общепринято, что ускоряющие структуры не ограничивают допустимый градиент до величины около 100 МэВ/м, определяются только возможности получения необходимой СВЧ-мощностн.

2.2 Получение СВЧ-мощности

Как уже отмечалось ранее, в промышленности не разработаны и не производятся генераторы СВЧ-колебанпй необходимой мощности, поэтому разработка технологии линейного коллайдера требует создания СВЧ-источппков усилительного типа с импульсной мощностью порядка 50 -100 мегаватт на длине волны 2 - 3 см, что на несколько порядков превышает имеющиеся в промышленности.

Попытка организовать разработку необходимых приборов промышленностью была безуспешной, поэтому было принято решение начать собственную разработку.

В качестве первого шага было решено разработать источник электронного пучка необходимой мощности для последующего преобразования мощности пучка в мощность СВЧ-колебаний.

Учитывая имеющийся в ИЯФе опыт с импульсными источниками электронов типа ЭЛИТ, на основе трансформаторов Тесла был разработан ускоритель электронов ЭЛИТ-Л2 с рекордными параметрами: энергия электронного пучка до 1.2 МэВ, импульсный ток 200 А при длительности импульса 0.7 мкс и частотой повторения несколько герц /5/.

Этот ускоритель послужил хорошей основой для последующих работ

по генерации СВЧ-мощности. На нем были испытаны несколько принципов преобразования энергии пучка электронов в энергию СВЧ-колебаний.

Кроме известного — клпстронного — былн испытаны также новые — "сепараторный", многорезонаторный гироконный с удвоением частоты, "плоский гпрокон".

На этих устройствах усилительного типа былн получены мощности в диапазоне 20 - 60 МВт на длине волны 4 см при к.п.д. около 20-40%. СВЧ-мощность, генерируемая этими приборами, была' использована для исследования ускоряющих структур и других элементов волноводного тракта /6/.

При экспериментах с этими устройствами был выявлен ряд паразитных явлений типа мультипакторного разряда в областях с малыми электрическими полями, различные типы неустойчивости, пробои и т. д.

Опыт работы по преодолению этих проблем, а также полученные результаты позволили предложить новую концепцию к системе мощного СВЧ-пптания линейного коллайдера.

Предложенная концепция отличается от существующего традиционного подхода к системе питания линейных ускорителей по трем основным показателям:

1. Относительно малые капитальные затраты на изготовление системы

СВЧ-пптания линейного ускорителя.

2. Относительно малые текущие расходы на электроэнергию нз-за вы-

сокого к.п.д. системы.

3. Компактность системы питания, что также сокращает расходы на со-

оружение ускорителя, так как уменьшается требуемый объем подземных помещений для размещения оборудования.

Учитывая ограниченный объем данной работы, мы далее приведем коротко лишь основные моменты концепции, которые позволяют решить вышеперечисленные проблемы /7/.

Для лучшего понимания идеи мы распишем всю цепочку преобразования энергии от сети к конечному пучку электронов или позитронов высокой энергии.

Напряжение сети частотой 50 Гц на поверхности земли преобразуется в напряжение на частоте 1000 Гц для сокращения объема последующего оборудования.

Затем в источнике высокого напряжения расположенном в подземном тоннеле переменное напряжение превращается в постоянное напряжением 1.15 MB.

Этим напряжением заряжаются емкости накопительной линии, образованной зазорами между металлическими трубами.

Для увеличения электрической прочности все высоковольтные объемы заполнены газом БГО под давлением.

Накопительная линия подсоединена к катодному сеточному узлу электронной оптической системы клистрона.

Однако ток в клистроне не идет, так как на управляющем электроде — "сетке" имеется отрицательный потенциал по отношению к катоду.

В нужный момент времени блок управления, находящийся под высоким напряжением, подает положительный потенциал на "сетку" и катод начинает эмитировать ток, который ускоряется в зазорах многосекционной ускорительной трубки и затем поступает в высокочастотную систему клистрона, где преобразуется в энергию СВЧ-колебаннй аналогично обычному клистрону.

Фокусировка пучка в клистроне осуществляется знакопеременной фокусирующей системой на постоянных магнитах. Общая схема клистрона показана на рис. 4.

В течение электронного импульса напряжение на катоде клистрона "подсаживается" до величины 1 МВ. В промежутке между импульсами напряжение восстанавливается до своего максимального значения.,

Как видим, в такой схеме отсутствует мощный коммутатор энергии, импульсный трансформатор, дорогие импульсные конденсаторы накопительной линии.

Источник высокого постоянного напряжения, необходимый для работы этой системы, может одновременно питать десять и более клистронов одновременно, тем самым удешевляя проект. Размеры накопительной линии (диаметр 0.5 метра) и источника высокого напряжения позволяют разместить их в тоннеле, вместе с остальным оборудованием ускорителя.

Конечно, эти преимущества даются не бесплатно: так, наличие управляющего электрода в электронной оптической системе требует увеличения размеров катода, его специальной ячеистой структуры, что усложняет проблему дальнейшей фокусировки пучка, система знакопеременной фокусировки на постоянных магнитах также усложняет систему транспортировки пучка в клистроне.

Использование постоянного высокого напряжения (1 МВ вместо -0.5 МВ импульсного) усложняет ускорительную трубку, хотя позволяет иметь в принципе более высокий к.п.д. из-за малого первеанса пучка.

Импульс СВЧ-мощностп длительностью 500 не подается в так называемый умножитель мощности, который накапливает высокочастотную энергию в течение первых 400 не, а затем, после переключения фазы

СВЧ-сигнала на 180° выдает ее в ускоряющую систему в течение импульса длительностью 100 не и мощностью, в четыре раза превышающую начальную.

а б

Рис. 4■ Схема клистрона с многоячеистым катодом, сеточным бестоковым управлением, многозазорной ускорительной трубкой (а), фокусирующей системой на постоянных магнитах, и выходной системой на бегущей волне (6). Большое число резонаторов (8) позволяет иметь рекордно большое усиление (80 дБ).

Идея такого преобразования импульса и соответствующие устройства предложены в БЬАСе (США) и используются там же в линейном ускорн-

теле на длине волны 10 см.

При переходе к более короткой волне 2 см постоянная времени резонаторов падает более чем в 10 раз, и поэтому существующие принципы накопления энергии не могут быть использованы.

Для преодоления этой трудности автором, предложен /8/ новый тип СВЧ-устройства, основанный на использовании так называемых "открытых" резонаторов, которые обладают очень высокой добротностью ((^ = 3 ■ 105). Специальный способ возбуждения этих резонаторов, обеспечивающий генерацию только одной моды, а также применение двух связанных резонаторов позволяет получить форму импульса, близкую к прямоугольной, вместо экспоненциальной, как это сделано в ЯЬЛСс.

Результаты холодных измерений (рис. 5) демонстрируют прекрасное согласие с расчетом /9/.

В настоящее время на основе предложенной концепции спроектированы и изготовлены в промышленности основные элементы системы и идет их поэлементная отработка.

Полученные результаты показывают принципиальную работоспособность системы.

Так, на экспериментальном образце клистрона получена импульсная мощность 60 МВт на длине волны 2 см при рекордном усилении 80 дБ.

Вместе с тем, требуется отработка конструкции для получения всех проектных параметров.

3 Получение светимости 3.1 Эффекты встречи

Светимость установки со встречными пучками частиц определяется выражением

4тгах(Гу

где Я-, Лг+ число электронов и позитронов в баиче, / — частота повторения столкновений, ах, <ту соответственно среднеквадратичные размерь; пучков, усредненные по длине сгустка.

Очевидно, что для увеличения светимости необходимо использоват! как можно больше частиц в банче, наибольшую допустимую частот) повторения и наименьшие поперечные размеры сгустков.

Наиболее ясно ограничение по частоте повторений: при увеличенш частоты повторений растет потребляемая мощность от сети. По это!

причине частота повторения в линейных ускорителях обычно составляет порядка сотни герц. В нашем случае, учитывая более высокий к.п.д. системы питания, можно планировать частоту повторений около 150 -300 Гц.

6 5 4

V.

о

о. 2 1 0

output input V 1 6.6db ||

______-—J

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Time (ns)

б 5 4

5 3 о

О- 2 1 0

output r\r

7.0db'

input

.—J

0 50 100 1 50 200 250 300 350 400 450 500

Time (ns)

б

Рис. 5. Результаты "холодных" испытаний системы умножения мощности с использованием "открытых" резонаторов. Вверху — эксперимент, внизу — расчет.

Число частиц АГ_ и Лг+ не может быть взято произвольно большим, а именно: унесенная банчем энергия из ускоряющей структуры должна составлять относительно малую часть от запасенной в электромагнитном

поле структуры.

Это легко понять, так как если представить, что сгусток уносит всю энергию, запасенную в структуре, то в этом случае последние частицы в банче двигались бы в нулевом поле и не ускорялись бы.

Как будет показано позднее, из этих соображений число частиц в банче не может превышать 2 • 1011 при длине волны ускоряющей структуры 2 см и ускоряющем градиенте 100 МэВ/м.

Таким образом; единственным произвольным параметром кажутся размеры пучка сгх, <ту и, казалось бы, получив размеры пучка достаточно малыми, можно достичь любой сколь угодно большой светимости.

Первое ограничение на диаметр пучка было обнаружено при рассмотрении эффектов тормозного излучения частиц в коллективном поле встречного сгустка. Как оказалось, этот эффект существенно ограничивает допустимую светимость установки и без преодоления этого явления делает установку со встречными линейными пучками не представляющей интереса, так как при столкновении цилиндрических сгустков частицы "головы" банча, входя в поле встречного сгустка, излучают энергию в виде жесткого 7-излученпя, и поэтому луч будет иметь столкновения уже малоэнергичных частиц с широким спектром энергий, что неприемлемо для постановки физического эксперимента /1/.

Для выхода из этого ограничения автором было предложено использовать плоские пучки. В этом случае поперечное магнитное, поле равно:

Я

Как видно из этого выражения, при уменьшении одного из размеров пучка, например, <тг, магнитное поле возрастает только в 2 раза, в то же время светимость, равная 1/<тх, может быть сколь угодно большой.

Для дальнейшего изучения эффектов встречи необходимо рассмотреть поперечное движение частиц в иоле встречного сгустка..

Так как электрические и магнитные поля встречного сгустка, складываясь, создают фокусирующую силу, то можно ожидать, что частицы при столкновении будут колебаться относительно центра встречного банча.

Аналитическое- рассмотрение в предположении жесткого встречного банча подтверждают это /10/ и дают для числа поперечных колебаний в плоском сгустке, следующую оценку

V* ^ (—рг)2

-Г

7СГх<7у

Очевидно, что для того, чтобы сгусток оставался плоским, необходимо, чтобы число колебаний в поперечном направлении У, т. е. по большему размеру сгустка, было много меньше единицы: ^ < 1, в противном случае поле встречного сгустка возрастает и столкнется с вышеупомянутым ограничением по эффекту тормозного излучения.

По меньшему размеру сгустка, т. е. по А'-направлению аналитическая оценка дает > 1. Это означает, что мы должны рассмотреть самосогласованное движение частиц, сталкивающихся в банчах.

Численное моделирование динамики столкновения банчей /10/ подтвердило аналитические оценки, вместе с тем было обнаружено ограничение на минимальный размер сгустка <тх, а именно: размер пучка не может быть меньше величины, при которой число поперечных колебаний их становится больше 2.

Это ограничение связано с появлением быстрой двухпучковой поперечной неустойчивости сталкивающихся пучков, при появлении которой эффективный поперечный размер пучка возрастает и светимость, соответственно, падает.

Таким образом, из полученных результатов следует, что эффекты встречи существенно ограничивают область параметров, при которых возможна реализация встречных линейных пучков с приемлемыми характеристиками.1

Вместе с тем представляется заманчивой мысль, высказанная в нашей первой работе 1978 года /1/ об использовании поперечных сил встречного сгустка для создания "ппнч" - эффекта, т. е. использования фокусирующих свойств встречного пучка.

Численное моделирование показывает /10/, что действительно, при относительно малом числе частиц (лучше сказать, при малом числе поперечных колебаний 1/х=0.25-0.5) наблюдается эффект фокусировки, при котором светимость возрастает примерно в 1.5 раза по сравнению с чисто геометрической светимостью, однако при увеличении параметра их до оптимального значения около 2 эффект фокусировки пропадает (рис. 6).

1 Следует отметить, что в западной литературе потаившейся позже наших публикаций используется другая параметризация, а именно: вместо нашего физически очень попятного параметра — числа поперечных колебаний в поле встречного сгустка используется параметр П = 2(2тг1/)2, причем в течение ряда лет ошибочно полагалось, что эффекты встречи ограничивают О < 2, в то время как из нашего ограничения "х < 2 следует, что допустимо И ~ 200.

Лишь в последние годы при выборе параметров возможных линейных коллайдеров допускаются возможные значе1шя 1порядка нескольких десятков.

2.0 16 42

Ш

О 05 10 15 20 "

Рис. 6. относительной светимости К — — от параметра ии для встречи одинаковых сгустков с равномерным распределением плотности заряда (Ь0-светимость, рассчитанная геометрически без учета эффектов встречи). 1) Фазовый объем сгустка П = 0. 2) Фазовый объем ф 0; /3 = аг.

В последнее время /11/ автором найден способ фокусировки пучков, названный способом "бегущий фокус". Для получения эффекта "бегущего фокуса" необходимо обеспечить следующие условия:

1. фокусировка пучка в месте встречи должна быть достаточно сильной,

а именно (5 <С ;

2. фокусирующая система должна иметь заданный хроматизм;

3. внутри банча должно быть специальное распределение энергии, энер-

Г11Я "головы" банча должна быть больше энергии "хвоста" на заданную величину, например, 0.5 - 1%;

4. наибольший эффект наблюдается при распределении плотности в

сгустке ближе к прямоугольному.

При соблюдении этих условий "головы" сталкивающихся пучков фокусируются до малых размеров и затем сохраняют малый размер из-за фокусирующих сил встречного пучка (рис. 7).

а

Рис. 7а. Результаты моделирования столкновения двух противоположно-заряженных сгустков. Видна дополнительная фокусировка полем встречного сгустка (столкновение центральное, на рисунке изображения сгустков искусственно смещены для наглядности).

б

Рис. 76. То же, что и на рис. 7а при работе фокусирующей системы в режиме "бегущий фокус". Заметно начало развития поперечной неустойчивости.

Выигрыш от применения эффекта "бегущего фокуса" составляет в светимости фактор 2 - 2.5 при примерно в 5 раз большем эмнттансе пучков.

3.2 Продольная динамика

Особенностью работы линейного ускорителя в режиме встречных пучков является работа ускоряющей структуры в режиме накопленной энергии. При этом режиме в течение относительно длинного времени (тысячи периодов колебаний) в ускоряющей структуре накапливается энергия электромагнитного поля и затем в течение доли периода передается ускоряемому сгустку.

Ясно, что этот процесс должен проходить при высоком к.п.д., чтобы максимально использовать энергию поля на ускорение частиц. С другой стороны, очевидно, что если бы удалось получить полную передачу энергии электромагнитного поля к ускоряемому банчу, то это бы привело также к 100% разбросу энергии в банче, так как последние частицы в банче двигались бы в пулевом поле и, следовательно, имели бы нулевую энергию.

Несмотря на большое количество работ по изучению электродинамики процесса ускорения сгустка, в литературе не удалось найти ответа на практический вопрос: какой максимальный к.п.д. процесса может быть достигнут, какова при этом немонохроматичность энергии частиц в банче, каковы условия оптимизации процесса, т. е. параметры сгустка и резонатора.

Для анализа этих процессов в лаборатории, руководимой автором были развиты численные методы анализа этих процессов и получены практические результаты, которые позволяют выбрать оптимальные параметры системы /12/.

Так, оказалось, что для получения максимальной монохроматичности сгустка и высокого к.п.д. передачи энергии необходимо выбирать длину сгустка специальным образом, зависящим от величины заряда в сгустке, длины волны ускоряющей структуры и величины напряженности поля в резонаторе.

Приятным результатом оказалось, что можно достичь сравнительно высокого к.п.д. — скажем, 25% при высокой монохроматичности пучка « 1% /13/. Важно также, что эти параметры можно получить вариацией двух параметров — среднеквадратичной длины сгустка н относительной фазы момента ускорения сгустка по отношению к фазе высокочастотного поля (рис. 8).

Понимание электродинамического механизма ускорения интенсивного банча частиц, достигнутое при анализе этого процесса, позволяет выбирать оптимальные параметры линейного коллайдера.

3.3 Поперечная динамика

Более сложным оказался вопрос с анализом поперечной динамики частиц при ускорении. Важность этой проблемы связана с тем, что поперечная динамика влияет на поперечный размер пучка, а следовательно, светимость установки.

Достигнутые к тому времени параметры пучков линейных ускорителей на несколько порядков не удовлетворяли поставленным требованиям, поэтому без анализа механизмов определяющих поперечный размер пли эммитанс пучков и без преодоления этих ограничений нельзя было рассчитывать на возможность реализации линейного коллайдера с нужными параметрами.

Рис. 8. Картина снлопых линий электрического поля в различные моменты времени при пролете заряженного сгустка по оси ускоряющей структуры.

05 М

Рис. 8а. Распределение энергии в ускоряющем банче. Пунктиром показан график амплитуды высокочастотного поля, сплошная линия —- с учетом пучковой "подгрузки". Видно, что распределение энергии близко к "столику". Распределение заряда в сгустке показано штрих-пунктнром.

Первая проблема, которая была обнаружена при анализе поперечной

динамики одиночного сгустка — это поперечная неустойчивость одиночного банча /1/.

Для рассмотрения этой неустойчивости возьмем простейшую модель банча в виде двух частиц с поперечной координатой х^г) и соот-

ветственно, движущихся в непрерывном фокусирующем поле.

Уравнение движения для первой частицы ("голова" банча) будет иметь ;Ё1(г) + = 0 с решением :с1(<) = жю 8т(и;0< + ф), т. е. осцил-

лятор ное движение относительно оси ускоряющей системы.

Для определения динамики второй частицы ("хвоста" банча), следующей за первой частицей, необходимо учесть, что первая частица пролетая через ускоряющую структуру возбуждает в ней электромагнитную волну, причем при отклонении положения от оси структура возбужденного поля имеет поперечную компоненту А±(1).

Амплитуда этой несимметричной волны пропорциональна отклонению XI(¿) от оси А±(¿) = ах\(¿).

Несимметричная волна возбуждаемая "головой" банча, воздействует на следующий за ним "хвост" банча.

С учетом этой силы уравнение поперечного движения для второй частицы будет иметь вид:

гзМ + ЮоЗа Ц) = Aj.it).-.

Если подставить сюда решение для х\{1), то получим:

£2(0 + ги%х2(0 = ахю sm(wot + <р),

что представляет ни что иное как уравнение движения осциллятора под действием резонансной силы.

Очевидно, что мы будем иметь неустойчивое движение сгутка, амплитуда колебаний "хвоста" будет возрастать и размер пучка увеличиваться.

Несмотря на чрезвычайную простоту этого вывода, он долгое время не был признан и только через десять лет после нашей публикации 1978 года, был экспериментально обнаружен при попытке запустить ускоритель БЬС в 1988 году2

2 Следует заметить, что родственный вышеуказанному механизм развития неустойчивости был обнаружен экспериментально при запуске больших линейных ускорителен в США н в СССР н получил название "обрыв тока". Это явление было объяснено, была построена теория неустойчивости, однако из этой теории следовало, что неустойчивость исчезает если ускоряется единичный банч.

По этой причине наше утверждение о неустойчивости не принималось во внимание п не учитывалось при проектировании ускорителя вЬС в вЬАСе.

Очевидно, после этого заключения, что без подавления обнаруженной неустойчивости нельзя рассчитывать на уменьшение эмиттанса пучков на несколько порядков, как это требуется для проектов линейных кол-лайдеров.

Разработанные же для подавления "обрыва тока" методы не работают в случае неустойчивости единичного банча.

Решение оказалось удивительно простым п его можно получить также в простейшей двухчастичной модели, а именно: чтобы избежать резонансной неустойчивости, необходимо, чтобы резонансные частоты поперечных колебаний для первой и второй частиц отличались.

В этом случае условие для "хвоста" не будет выполняться и неустойчивость будет подавлена.

Практически же этого можно достичь сдвигом фаз между моментом прохождения банча и фазой СВЧ-колебанпй в резонаторах ускоряющей структуры.

При таком сдвиге возникает разность продольных энергий в ускоряемом банче, что приведет к изменению частоты поперечных колебаний, что и требуется для подавления неустойчивости.

Этот вывод подтвержден численным моделированием /14/ также в многочастпчной модели банча (рис. 9), а в 1988 году подтвержден экспериментально при запуске линейного коллайдера БЬС.3

Сегодня этот метод общепризнан и используется в большинстве предложенных линейных коллайдеров.

К сожалению предложенный метод подавления неустойчивости имеет и негативные последствия, а именно: при движении частиц в реальном ускорителе из-за неизбежных ошибок в юстнровне элементов ускорителя возбуждаются поперечные колебания, которые при наличии немонохро-матичностн пучка приводят к увеличению поперечного размера пучка. Рис. 10 иллюстрирует сказанное.

Аналогичный механизм увеличения размеров разбирался при анализе работы протонных ускорителей, однако в случае линейных коллайдеров, когда длина ускорителя велика, число поперечных колебаний из-за сильной фокусировки также велико, возникает особый режим раздувания пучка который мы назвали "стохастический разогрев" /14/.

3 Западные авторы назвали предложенный автором эффект подавления неустойчивости "BNS — damping" по первым буквам фамилии соавторов.

В работе кроме автора принимали участие также A.B. Новохатсигй н В.П. Смирнов, которые выполняли численное моделирование для мпогочастнчпой модели банча.

Рис. 9. Эффект подавления неустойчивости введением разности энергий "голова - хвост". При нулевом разбросе увеличение фазового объема составляет около пять порядков.

ЕЫЕКСУ Б IРРЕИЕНСЕ 10.0*

К А

ыо

Рис. 10. "Стохастический нагрев" пучка. Увеличение фазового объема пучка при появлении немонохроматлчности н ошибок выставки элементов.

Режим "стохастического разогрева" наступает при условии

А Е 2тг—N > 1

Е

где — энергетический разброс в пучке необходимый для подавления неустойчивости, N — число поперечных колебаний в фокусирующей системе ускорителя.

При выполнении этого условия раздувание пучка в поперечном направлении имеет диффузионный характер с нормальным распределением плотности пучка относительно центра, появлением ореола пучка и т. д.

Этот механизм работает только прп наличии ошибок выставки элементов ускорителя и тем самым накладывает ограничения на необходимую точность юстировки.

Уже в наших первых публикациях /1/ была осознана необходимость юстировки элементов с точностью 1 мкм для относительно невысокой светимости, что на одни - два порядка жестче, чем в существующих системах.

Дальнейшее увеличение требований к светимости, особенно с увеличением энергии ускорителей требует особенного внимания к этой проблеме, с целью: во-первых — уменьшения требований к точности выставки, а во-вторых — изучению проблемы выставки и способов юстировки, чтобы повысить точность на два - три порядка.

Для уменьшения требований к эмнттансу пучков уже ранее был предложен режим "бегущий фокус", который примерно в 5 раз уменьшает требование к эмнттансу сталкивающихся пучков при фиксированной светимости /11/- Внимательное изучение поперечной динамики немонохроматического пучка с учетом наведенных поперечных полей позволило автору обнаружить новый режим ускорения частиц, названный режимом "автофазнровки" частиц в поперечном фазовом пространстве /15/.

Режим автофазнровки наступает при условии:

г

= ™2(0) + / ф>(г - ¿)йг'.

о

Здесь »(г) — частота поперечных колебаний частиц в банче как функция продольной координаты г отсчитываемая от "головы" банча.

7(2) — распределение энергии вдоль банча, г{г) — распределение линейной плотности заряда в банче, а(г) — описывает распределение поперечной силы возбуждаемой единичным зарядом в ускоряющей структуре (функция Грина), с — размерная константа.

Удивительной особенностью режима "автофазпровки" является то, что при соблюдении этого режима, т. е. при подборе специального распределения энергий частиц вдоль банча появляется своеобразный режим группировки (автофазпровки) частиц в поперечном фазовом пространстве, или иными словами, траектории движения частиц в фокусирующем магнитном поле при учете наведенных электромагнитных полей в ускоряющей структуре совпадают, несмотря на то, что частицы имеют разную энергию (рис. 11).

Этот эффект приводит к подавлению эффекта "стохастического разогрева" пучка и поэтому работа /15/, в которой нами найден этот эффект, называется "подавление стохастического разогрева пучка в линейном коллайдере".

Эффект получен аналитически в приближении гладкой фокусировки и произвольном распределении заряда в банче.

Конечно, в реальной ситуации невозможно точно удовлетворить условию автофазпровки.

Оценки и численное моделирование показывают, что при использовании режима "автофазпровки" эффект стохастического разогрева пучка может быть подавлен примерно на полтора порядка. Стоит заметить, что режим автофазпровки, т. е. определенное распределение энергии частиц вдоль сгустка достигается выбором оптимальной длины сгустка и оптимальной фазой ускорения.

Численное моделирование показывает, что условие автофазпровки не очень критично к выбору параметров — числу частиц, длине банча и фазе ускорения и технически может быть реализовано.

Таким образом, два новых эффекта — "бегущий фокус" и "автофази-ровка" ослабляют требования к эмнттансу более чем на два порядка.

3.4 Адаптивная юстировка

Дальнейшие усилия были направлены на изучение проблемы точной юстировки элементов ускорителя и поисков способов повышения этой точности.

Анализ данных по стабильности элементов существующих ускорителей, данных по сейсмической вибрации грунта и оценки термической деформации элементов при флюктуациях температуры воздуха показывают, что когда речь идет о точностях в десятые и сотые доли микрона необходимо полностью отказаться от обычного подхода к юстировке элементов, основанной на мощных стабильных поставках, жестких крепле-

eS v = 1 = ъ=

4=

Т»

see в

* в 10 10 в

Q 8

40 В в ■ 0 : .500 1

2.82842 2.82842

48 : 28.48

■ ssq : £28 17Ь

Х(1>

Sir

б

Рис. 11. а— расчет динамики пучка при учете поперечных наведенных полей н введении разности энергии "голова-хвост" ("BNS" -damping). Вверху слева распределение энергии вдоль банча Е(1) и поперечной снлы остаточного поля V'(7), внизу слева распределение заряда в банче (прямоугольное), в центре распределение частиц банча на поперечной фазовой плоскости, справа поперечные координаты частиц вдоль банча, (слева—"голова"); б—то же, что и па а, но распределение энергии частиц соответствует режиму "автофазнров-кн". Заметно уменьшение площади, занимаемой пучком на фазовой плоскости, а также значительно меньший размер пучка.

ниях элементов и т. д., т. е. статической юстировке.

Вместо статической юстировки автором был предложен новый подход названный "адаптивной юстировкой" /16/.

Общая идея метода заключается в том, что в фокусирующих ква-друпольных лннзах требующих наивысшей точности юстировки размещаются датчики положения пучка и затем по показаниям этих датчиков положения элементов корректируются. Можно сказать, что мы используем пучок для трассировки прямой линии, относительно которой и выставляются в дальнейшем все элементы ускорителя, в то время как при стандартном подходе (статической юстировке) элементы ускорителя юстируются с помощью особой системы юстировки (геодезически, лазерным лучом и т. д.), а затем с помощью корректирующих магнитов пытаются провести пучок через выставленные с ошибкой элементы.

Корректировка элементов при адаптивной юстировке может производиться в динамическом режиме со скоростью порядка десяти раз в секунду. При такой частоте корректировки подавляются эффекты, связанные с низкочастотными (0.1 Гц) сейсмическими колебаниями с большой амплитудой (~ 1 мкм), а также медленный дрейф элементов, связанный с изменением температуры, давления, влажности и т. д.

Реализация идеи адаптивной юстировки требует решения трех принципиально важных проблем:

1. разработка датчиков положения пучка с чувствительностью на 2-3

порядка выше существующих;

2. создание системы механических приводов для перемещения элементов

ускорителя с точностями сотые доли микрона и полосой пропускания по частоте в несколько герц;

3. необходимо найти алгоритм, который бы обеспечил устойчивую ра-

боту системы адаптивной юстировки нескольких тысяч элементов при частоте выставки около десяти раз в секунду при соответствующей вычислительной технике.

Существующая точность датчиков положения пучка порядка 10 мкм, в последнее время для программы линейных коллайдеров в БЬАСе разработан датчик с предельной точностью 1 мкм, мы же предложили концепцию датчика положения пучка точностью 10-2-10~3 мкм /17/.

Для решения этой проблемы предлагается использовать одиночный резонатор в котором пробегающий сгусток частиц генерирует электромагнитное поле, анализ которого даст возможность судить о координате пролета сгустка.

Эта идея сама по себе не нова, новизна заключается в способе обра-откн сигналов позволяющих достичь необходимой чувствительности к мещению пучка относительно оси резонатора.

Основная трудность заключается в том, что мощность полезного сиг-[ала несимметричной волны слабее фонового сигнала симметричной вол-1ы в резонаторе на 100 - 120 дБ (101О-1012 раз). Поэтому основные усилия осредоточены на способах выделения слабого полезного сигнала.

В действительности анализ электродинамики возбуждения несимметричной волны показывает, что в реальном резонаторе с учетом ошибок [зготовления размеров, неидеальной цилиндрнчностыо и т. д. несимметричная волна всегда возбуждается или, иными словами, точность опре-(елення "оси" - т. е. нулевой координаты не превышает точность меха-шческого изготовления датчика, которая составляет величину масштаба I мкм.

Для того, чтобы преодолеть эту проблему, предложено измерять не только амплитуду, но и фазу наведенного сигнала, т. е. фазу несимметричной волны относительно момента пролета сгустка.

Технически это решается наиболее просто добавлением еще одного, 'опорного" резонатора, частота основной моды которого совпадает с ча-:тотой несимметричной моды измерительного резонатора.

Сигналы измерительного резонатора, после дополнительной обработки и сигнал опорного резонатора поступают на схему фазового детектирования, на выходе которой мы будем иметь сигнал, пропорциональный :мещенпю координаты сгустка относительно некоторой условной осп резонатора.

Для того чтобы достичь вышеуказанной степени фильтрации полезного сигнала используется несколько уровней селекции сигналов каждый из которых обеспечивает уровень 30 - 40 дБ с тем чтобы достичь результирующий необходимый уровень выделения сигнала.

Первый уровень селекции — пространственная фильтрация, использующая разную структуру полей симметричной и несимметричной волны.

Иными словами, устройство вывода сигналов из резонатора устроено таким образом, что сигналы симметричной моды вычитаются, а сигналы несимметричной моды складываются.

Это достигается с помощью пассивного устройства понижающего уровень мощности симметричной волны до значения при котором в дальнейшем можно использовать активные устройства.

Следующий уровень селекции •— временная фильтрация. Дело в том, что структура тока возбуждающего резонатор имеет характер а-

функции, т. е. содержит в спектре все частоты и поэтому несмотря на значительную разность частот несимметричной и симметричной волн в резонаторе мы будем всегда иметь смешивание сигналов. Для подавления этого эффекта, или для подавления непрерывной частн спектра сигнала от с-функцип используется два приема:

а) добротность резонатора для симметричной моды делается много ниже

добротности для несимметричной моды;

б) пока сигнал симметричной моды в резонаторе значительно не затух

приемная система отключена от измерительного резонатора и лишь через некоторое время, порядка нескольких времен затухания симметричной моды, приемная система плавно подключается. Плавность подключения необходима также для того, чтобы не возбудить в спектре сигнала помех.

Третий уровень селекции — селекция по частоте — достигается обычной техникой частотной фильтрации после которой выделенный малый сигнал несимметричной моды поступает на, как уже разъяснялось ранее, фазовый детектор.

На основе предложенной концепции был изготовлен экспериментальный образец /18/ системы и показано на "холодных" измерениях, что возможно достижение точности порядка Ю-3 мкм (см. рнс. 12).

Итак, имея сигнал о смещении пучка относительно "оси" датчика необходимо скорректировать положение элементов ускорителя, чтобы убрать появившееся смещение.

Что касается квадрупольных магнитных линз, то положение их магнитных центров может быть смещено с помощью дополнительных ди-польных обмоток, но для смещения ускоряющих структур необходимо иметь механические приводы которые могли бы перемещать объекты весом в десятки килограмм с точностями Ю-2 мкм и полосой пропускания (скоростью перемещения) — несколько герц, причем достаточно простые и дешевые.

Такие приводы были разработаны, изготовлены и испытаны /19/. Полученные результаты испытаний с большим запасом удовлетворяют поставленным требованиям (рпс. 13).

Рис. 12. Результаты испытания электроники измерителя положения пучка. 1а рисунке перпые отсчеты до вертикальной линии соответствуют "нулевому" положению пучка, затем на отрезке до следующей вертикальной линии 'пучок" смещен вверх, затем снова возвращен в нуль, смещен вниз л снова юзвращен. Величина смещения во всех случаях равна 10-3мкм. Видно, что :игнал, соответствующий этому смещению, выделяется на уровне шума.

В действительности имеется возможность усреднять по несколько десятков ¡тсчетов, что еще улучшит отношение сигнал/шум.

X (тст)

Г|ГГ1в(5)

X (гпст)

Т»пе(5)

Рис. 13. Демонстрация точности работы электромеханического привода для системы адаптивной юстировки. Верхний график — управляющее напряжение, подаваемое на привод, внизу — смещение привода (шаг — 10~ мкм).

Таким образом, если мы имеем достаточно чувствительные датчики мещення пучка и исполнительные приводы для передвижения элементов скорптеля, то казалось бы, включив их в систему обратной связи можно 'существнть идею "адаптивной юстировки".

Однако, на самом деле, проблема оказалась существенно сложнее. Дега в том, что если использовать простейший алгоритм обратной связи, а [менно, зафиксировав отклонение пучка в данном элементе ускорителя, местить этот элемент для компенсации отклонения, то это приведет к гощнейшей неустойчивости системы.

Действительно, представим себе, что ускоритель идеально выставлен, I пучок в точке инжекции смещен относительно идеальной оси ускорнте-

1я.

В этом случае пучок в ускорителе будет испытывать поперечные ко-гебання относительно оси ускорителя из-за действия фокусирующей сп-:темы.

Датчики положения пучка зафиксируют смещение пучка относнтель-ю оси ускорителя по всей длине, и система обратной связи сместит положение элементов относительно бывшей идеальной оси.

При последующем "выстреле" ускорителя на пучок будет денство-зать поперечная периодическая сила от смещенных элементов, причем на частоте поперечных колебаний пучка в фокусирующей системе, т. е. на резонансной частоте.

Эта сила приведет к сильнейшей раскачке колебаний пучка, последующему смещению элементов и т. д.

Отсюда ясно, что такая простейшая система обратной связи неустойчива.

Другой крайний случай системы обратной связи, при которой измеряется положение пучка во всех элементах ускорителя, данные отправляются в центральный компьютер, где решается система уравнений и затем отдаются команды на смещение элементов, в принципе работоспособна, однако технически не может быть реализована в обозримом будущем из-за необходимости проведения большого объема вычислений.

Автору удалось найти алгоритм решения указанной проблемы, который обеспечивает устойчивость работы системы обратной связи н не требует сложной системы сбора и передачи информации к центральному компьютеру, не требует сложных вычислительных операций и электроники и может быть реализована в принципе даже вообще без применения процессоров, на простых аналоговых элементах.

Найденное решение проблемы заключается в следующем: сигналы смещения от трех соседних элементов поступают на схему которая вычн-

сляет по суперпозиции этих сигналов величину смещения центральной элемента входящего в эту тройку.

Алгоритм вычисления имеет следующий вид:

А Е

с?хп = Км- 1-Хлг-1 + Ки(—=г)Хм + Км-цХм-

Здесь Км-1, Л'дг, К„+1 — коэффициенты зависящие от фокусного рас стояния линз, ^г- — энергетический разброс пучка в точке коррекции Хм координаты пучка, измеренные датчиками, (1хп — необходимая ве личина корректировки положения N элемента.

Численное моделирование показывает, что такой алгоритм, при опре деленном образом выбранных коэффициентах Км, обеспечивает устойчи вую работу и более того, не требуется первоначальная точная юстировк; элементов, работу ускорителя можно начать даже если пучок проходи' лишь часть длины ускорителя (рис. 14).

Найденный алгоритм быстро отъюстирует эту часть ускорителя, за тем пучок пройдет дальше н т. д.

Алгоритм не чувствителен к линейности датчиков положения пучк; прн больших смещениях, коэффициенту усиления электроники датчико] и т. д., но, разумеется, требуется калибровка "нулей", т. е. совмещение "нуля" датчика с "нулем" фокусирующей линзы.

Эту калибровку можно периодически осуществлять прн работе уско рнтеля, изменяя силу фокусирующих элементов и измеряя смещение пуч ка в датчиках, расположенных через четверть длины волны попереч ных колебаний. Имея запас по чувтвнтелыгости датчиков, можно осу ществлять калибровку при относительно малом изменении фокуснровю чтобы не нарушать работу ускорителя.

Аналогично можно находить параметры К\, К2, и во время ра. боты ускорителя, без нарушения его работоспособности.

Таким образом, мы показали реализуемость всех трех основных соста вляющпх системы "адаптивной юстировки": сверхчувствительные дат чикн положения, сверхточные приводы и сверхбыстрый алгоритм.

Считаем, что будущие линейные коллайдеры прн попытке получит! предельно высокую светимость неизбежно будут использовать в той нл! иной степени вышеизложенные идеи.

¿z/t' IB

S

errt.« 1 «Ш.: о

» 48в

ли л Т. 18

df/f* ios *

'v--^ Х<1>

• ljuX= 6.2835

A(J)

ta 1

iñ

МШ> 1S.91W

ПЛ.- lfl i

«írO.s 1 ягг1.« O

n= 408

ÍU .1

1= 19

JL№ 108 У

MCI) <¡ga«X» (1.8321

й С1 >

w > » ? r ï : ?

шн

и 21

*(!)> t.TS«

Pue. 14a

ил* 19 х

ютв.* 1 •гг1.« в

«« 488

а* .1 Тя.10

¡т/т- 100 х

Х!|) >11«Х: 5.726

Я(1)

и 135 »"!>• 1Л4М92

1Е/Е= 10 X

вггв.г 1 йгг!О

1с0

IV» .1

и 10

¡Г/Г' 188 •/

Х(1) <1з<иКз 2.8716

1= «81

МО)« ЭС-И4

Рис. Цб

Пояснение к рисункам 14а, 145. Моделирование работы системы "адаптивной юстировки". Верхняя линия на рисунках показывает положения фокусирующих линз, в нижней части графика показан размер пучка при прохождении ускорителя. В момент Т= 1 ускоритель грубо выставлен, с большой ошибкой, размер пучка после прохождения ускорителя из нулевого увеличивается до ~ 17 единиц. После включения системы адаптивной юстировки размер пучка уменьшается через 10 секунд (Т=135) примерно в 1000 раз, а через 5 минут работы (Г=4381) уменьшается на 5 порядков.

L Общая схема линейного коллайдера

! учетом вышеизложенного, общую схему работы линейного электрон-озитроннбго коллайдера можно представить себе следующим образом: рис. 15)

влзпп

В накопителе - охладителе 6 банч электронов н позитронов охлажда-тся до предельно малого эммнтанса из-за синхротронпого излучения, атем после выпуска и модуляции по энергии в группирователе 9 после рохождепня которого длина банча укорачивается до ~1 мм, и пучок инжектируется в основной линейный ускоритель И, где ускоряется в уско->яющей структуре с градиентом около 100 МэВ/м.

После достижения энергии 100 - 150 ГэВ пучок проходит че-1ез спиральный ондулятор 12, где генерирует пучок циркулярно-юляризованных 7-квантов и затем продолжает ускоряться до конечной нергшг, проходит в систему конечной фокусировки 19 и после столкно-;енпя отклоняется импульсным полем в систему спектрометрии энергии '8 и затем поглощается в поглотителе 17.

Излученные пучком 7-кванты попадают на конвертер, производят по-гярнзованные электроны п позитроны. Нужный сорт частиц в дальней-нем ускоряется до энергии накопителя и после удлинения банча инжектируется в накопитель.

Таким образом, мы получаем начальное состояние, которое затем повторяется многократно.

Система магнитных элементов 5 обеспечивает необходимую манипуляцию со спином.

Предлагаемая схема работы не требует особенно мощных электронных пучков для производства позитронов и позволяет работать с поляризованными пучками произвольной ориентации в месте встречи /20/.

Таблица I

Основные параметры возможного линейного коллайдера.

Энергия Светимость частота, повторения число частиц в банче

Размеры пучка в месте встречи:

(Ух

Число клистронов Длина

2 х 250 ГэВ

1.2 • 1034 см"2 с"1

300 Гц

(12) ■ 1011

0.004 мкм 2 мкм 750 мкм 1300 7.5 км

В табл. 1 приводится список возможных параметров линейного коллайдера, а на рисунках 16, 17 показана возможная схема размещения оборудования в туннеле.

Рис. 16. Основное оборудование линейного ускорителя. Поперечное сечение тоннеля.

г-нсточник высокого напряжения; 2-накопитель энергии; 3-клистрон; 4~ ускоряющая структура; 5-основание; ^-умножитель мощности; 1 /-шкафы питания и управления; ¿2-обратный канал.

Рис. 17. Основное оборудование линейного ускорителя. Продольное сечение ускорителя.

/-источник высокого напряжения; 2-накопитель энергии; 3-клистрон; /[-ускоряющая структура; 5-основаиие; 6-устройство юстировки; 7-лииза магнитная; ¿'-умножитель мощности; 9-нагрузка поглощающая; /А-снстема диагностики пучка; //-шкафы питания и управления; /2-обратнын канал.

> Заключение

[а основании вышеизложенного автор считает, что полученные резуль-аты дают достаточную физическую основу нового ускорительного мето-;а — метода встречных линейных пучков, после окончания инженерной [ технической отработки которого он будет являться основой развития скорителыюй техники в области электрон-познтронных, а также фотон-лектронных и фотон-фотонных коллайдеров на высокие энергии.

В обоснование этого вывода автором получены следующие результаты:

.. Найдены условия при которых постоянно достигается высокая напряженность электрического поля в медных резонаторах. На отрезках ускоряющей структуры получена напряженность ускоряющего поля около 90 МэВ/м.

I. Предложенная концепция СВЧ-пптанпя линейного ускорителя, отличающаяся относительно малой стоимостью, высоким к.п.д. и компактностью. На экспериментальных образцах продемонстрирована принципиальная работоспособность предлагаемой схемы.

5. Предложена новая схема СВЧ-мощности на основе "открытых" резонаторов.

1. Обнаружены и изучены эффекты, ограничивающие светимость из-за эффектов встречи, связанные с тормозным излучением и когерентным взаимодействием пучков.

Предложен способ существенного ослабления этих ограничений (плоские пучки).

5. Предложен и изучен новый режим фокусировки — "бегущий фокус",

использующий силы пространственного заряда для дополнительной фокусировки пучков и позволяющий использовать пучки с большим в 5 раз эмнттансом.

6. Обнаружена неустойчивость одиночного банча в линейном ускорите-

ле и предложен способ подавления этой неустойчивости ("BNS -damping").

7. Изучено явление "стохастического разогрева" пучка в длинном ли-

нейном ускорителе, связанное с ошибкой выставки элементов.

8. Найден способ позволяющий одновременно подавить неустойчнвост

пучка н стохастический разогрев (режим "автофазировки").

9. Предложен способ "адаптивной юстировки" элементов ускорителя, не

обходимый для получения предельно высокой возможной светнмо

ctii.

10. Для реализации метода адаптивной фокусировки предложена концеп

ция датчика положения пучка, имеющего точность, на три порядк; выше существующей. Показана реализуемость этой концепции.

11. Найден устойчивый алгоритм реализации системы "адаптивной фо

кусировки".

12. Предложена схема получения интенсивного поляризованного сгустк;

позитронов и электронов позволяющая осуществить поляризован ные линейные встречные пучки.

6 Литература по материалам диссертации

1. О возможности создания установки со встречными электрон-позитроннымн пучками на сверхвысокие энергии. /В.Е.Балакнн Г.И.Будкер, А.Н.Скрннскнй/ В кн.: Тр. б-го Всесоюз. совещ. пс ускорителям заряж. частиц: Дубна, 1978. — Дубна, 1979, т.1, с.27-34. — Бнблиогр.: 8 назв.

е~е+ colliders./E.Keil, A.N.Skrinsky, U.Amaldi а.о./ In: Proceeding of the second ICFA Workshop on possibilities and limitations о accelerators and detectors: Les Diablerets, Switzerland, 1979.—International Committee for Future Accelerators. Geneva, 1980, p.3-20.

Balakin V.E., Skrinsky A.N. Super high energy colliding electron-positron beam facility (VLEPP). —In: Proceedings of the second ICFA Workshop on possibilities and limitations of accelerators and detectors, les Diablerets, Switzerland,1979. /International Committee for future Accelerators. Geneva, 1980, p.31-43. —Bibliogr.: 43 ref.

О возможности создания установки со встречными электрон-познтроннымн пучками на сверхвысокие энергии. /В.Е.Балакнн, Г.И.Будкер, А.Н.Скрипений/ В кн.: Проблемы физики высоких энергий и управляемого термоядерного синтеза (Посвящено 60-летню со дня рожд. Будкера Г.И.) М.: Наука, 1981, с.11-21. — Библногр.: 8 назв.

V.Balakin, V.Sidorov, A.Skrinsky. The VLEPP project status report. —In: Proc., 1981, Intern, symposium on lepton and proton interaction at high energies, Bonn, 1981, p.944-956. —Bibliogr.: 9ref.

О возможности создания установки со встречными электрон-познтронными пучками на сверхвысокие энергии. /В.Е.Балакин, Г.И.Будкер, А.Н.Скринскпй/ //Будкер Г.И. Собрание трудов.—М.: Паука, 1982. с.418-425.

2. Ускоряющая структура ВЛЭППа. Исследования максимально достижимого темпа ускорения. /В.Е.Балакин, О.П.Брежнев, А.В.Но-вохатскнй, Ю.И.Семенов/В кн.: Тр. 6-го Всесоюз. совещ. по ускор. зар. частиц: Дубна, 1978. —Дубна, 1979, т.1, с. 140-142. —Бнблногр.: 4 назв.

3. ВЛЭПП. Состояние работ. /В.В.Анашпн, Ю.Г.Бамбуров, В.Е.Балакин и др./В кн.: Труды седьмого Всесоюз. сов. по ускор. заряженных частиц, Дубна, 1980. Дубна, 1981, т.2, с.331-339 — Бнблногр.: 9 назв.

Испытание ускоряющей секции линейного ускорителя ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, Ю.Г.Бамбуров, О.Н.Брежнев, А.В.Булатов н др./ Тр. 8-го Всесоюз. совещания по ускорителям заряж. частиц, Протвино, 1982. Дубна, 1983, т.Н, с.410-413. —Библиогр.: 3 назв.

ВЛЭПП. Состояние разработки модуля линейного ускорителя. /В.Е.Балакин, Ю.Г.Бамбуров, О.Н.Брежнев и др./ //Девятое Всесоюз. совещ. по ускор зар. част. Аннотации докл., Дубна, 1984. Дубна, 1984. с.175.

ВЛЭПП. Состояние разработки модуля линейного ускорителя. /В.Е.Балакин, Ю.Г.Бамбуров, О.Н.Брежнев и др./ В кн.: Труды девятого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1984. Дубна, 1985, т.2, с.401-402

Исследование предельного темпа ускорения в лнн. ускорителе ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, О.Н.Брежнев, М.Н.Захваткпн, С.Ю.Казаков, В.Ф.Клюев и др./ Вопросы атомной науки и техники. Сер. Тех. фнз. эксперимента. — 1985. N2, с.56-57. —Бнблногр.: 3 назв.

Исследование предельного темпа ускорения в лнн. ускорителе ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, О.И.Брежнев, М.Н.Захваткпн, С.Ю.Каза-

ков, В.Ф.Клюев ц др./Тр. XII Межд. конф. по ускор. частиц высоких энергий, Новосибирск, 1986. Повосибирс: Наука, 1987. —т.1 с.144-145. —Библиогр.: 5 назв.

V.Balakin, A.Skrinsky. VLEPP — status report.// Тр. XIII Междун конф. по ускор. частиц высоких энергий, Новосибирск, 1986,— Нов. Наука, 1987, т.1, с.101-108. —Библ.:16 назв.

Разработка ускоряющей секции ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, В.Ф.Фогел! и др./ Тр. XII Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц, Москва, 3-5 октября, 1990. —Дубна: ОИЯИ, 1992. —т.1. с.191-194. — Библ.:2 назв.

4. Ускоряющая секция ВЛЭППа на 14 ГГц. /М.А.Авдыев, В.Е.Балакш В.А.Долгашев, И.И.Иванов и др./ Новосибирск,1993. —52с. (Прей. ИЯФ 93-7).

5. Генератор электронного пучка для макета СВЧ-генератора ВЛЭПП /В.Е.Балакин, Ю.Г.Бамбуров, С.Б.Вассерман н др./ В кн.: Вопросы атомной науки п техники. Сер.Техника физического эксперимента. М., 1982, N1(10), —Библиогр.: 3 назв.

Генератор электронного пучка ЭЛИТ-Л2. /В.Е.Балакин, Ю.Г.Бамбуров, В.М.Долгушин и др./ В кн.: 4-й Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы доклада, Томск, 1982, ч.Н, с.97-100. —Библиогр.: 2 назв.

Повышение параметров ускорителя ЭЛИТ-Л: источники питания СВЧ - генератора. /В.Е.Балакин, Ю.Г.Бамбуров, В.М.Долгушин/ В кн.: 4-й Всесоюз. симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы доклада. Томск, 1982, ч.Н, с.101-104.—Библиогр.: 2 назв.

Элементы электронно-оптической системы ускорителя ЭЛИТ-Л2. /В.Е.Балакин,В.М.Долгушнн,И.В.Казарезов,В.Р.Клюев и др./ — Новосибирск,1984.—12с.—(Препринт/Ин-т ядерн. физ.;ИЯФ 8478).

6. Исследование электронно-оптической системы мощной электронной пушки. /В.Е.Балакин, Г.И.Кузнецов , Н.Г.Хавин / —Иов-ск., 1980. 15с. —(Препрннт/Ин-т ядерн.физ.;80-63).

Электронно-оптическая система клистрона большой импульсной мощности. /В.Е.Балакин, Г.И.Кузнецов, Н.Г.Хавин/ В кн.:Тезисы докладов.Томск, 1982,ч.1,с.261-264.—Библиогр.:! назв.

Формирование релятивистских электронных пучков для мощных СВЧ - приборов в системах с термокатодамн. /В.Е.Балакнн, Г.И.Кузнецов, Н.Г.Хавин/ В кн.: Релятивистская высокочастотная электроника: Материалы III Всесоюз. семинара, Горький, 1983. Вып.З, с.204-218.—Бнбл.:23 назв.

Исследование макета импульсного гирокона сантиметрового диапазона. /В.Е.Балакнн, О.Н.Брежнев, М.Н.Захваткнн, С.Ю.Казаков и др./ Тр. 10-го Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц, Дубна, 1986. —Дубна, 1987. — т.1, с.277-280. —Библиогр.: 3 назв.

Исследование системы магнитного сопровождения релятивистского клистрона. /В.Е.Балакнн,Клюев В.Ф., Соляк H.A., Теряев В.Е. и др./ //Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования (Теория и эксперимент). —1989. -Вып.5(5).—с.34-37. —Библиогр.: 5 назв.

Создание стенда для испытания СВЧ - генератора с большой средней мощностью для комплекса ВЛЭПП. /В.Е.Балакнн, Ю.Г.Бамбуров, А.В.Колмогоров/ //Тр. XII Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц, Москва, 3-5 октября, 1990. —Дубна: ОИЯИД992.—т.1. —Библиогр.: 2 назв.

Разработка высокочастотного источника ВЛЭПП. /В.Е.Балакнн, Ю.Г.Бамбуров и др./ //Тр. 12-го Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц, Москва 3-6 октября, 1990.—Дубна:(ОИЯИ,1992.— т.2.—с.30-34.—Библ.: 8 назв.

Вalakin V.E. 14 GHz VLEPP klistron /Arapov L.N.,Avrakhov P.V., Balakin V.E. e.a. //Therd European Particle accelerator conference. EPAC 92, Berlin 24-28 March, 1992:Proc./ Ed.by Ilenke H., Ilomeyer II., Petit-Jean-Genazch.-Gif-sur-Yvette Cedex: Editions Prontieres, 1992.—v.l.— p.330-332.—Bibliogr.: 3 ref.

7. Проект системы высоковольтного питания комплекса ВЛЭПП. /В.Е.Балакнн, В.Ф.Каситский, В.В.Кобец п др./ //Тр. 12-го Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц, Москва, 1992. —т.1. —с.260-263. —Библиогр.: 2 назв.

8. V.Balakin. VLEPP status./2nd Intern. Workshop on next-generation linear colliders, Thukuba, March 28-April 5, 1990 /Ed. by S.Kurokava, H.Nakayama, M.Yoshinoka.—Thukuba: Nat.lab. for high energy physics, 1990.—p.69-93.

9. Balakin V.E., Syrachev I.V. Status VLEPP RF power multiplier (VPM /Third European particle accelerator conference EPAK 92, Berlin 24 28 March, 1992: Proc./Ed. by Henke H., Homeyer H., Petit-Jean-Genaz, CH.—Gif.—Sur-Yvette Cedex: Editiors Frontieres, 1992.— v.: —p. 1173-1175 — Bibliogr.: 7 ref.

10. Эффекты встречи во ВЛЭППе. /В.Е.Балакин, Н.А.Соляк/ — Новосибирск,1982.—34с.(Препринт/Ин-т ядерн.физ.; 82-123) //I кн.: Тр. 8-го Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц. Прот вино, 1982. Дубна, 1983, т.Н, с.263-267— Библиогр.: 3 назв.

V.Balakin, N.Solyak. VLEPP: Beam - Beam effects —In:Proc. of the 12th Iutern. conf. on high-energy accelerators, 1983 Batavia, s.a., p.124-126.—Bibliogr.:l ref.

ВЛЭПП. Эффекты встречи. /В.Е.Балакин, Н.А.Соляк/ //Тр. Меж дунар. конф. по ускорителям частиц высоких энергий, Нов ск:Наука,Сиб.отд-ние,1987.—т.1.—с. 151-153.—Библиогр.: 5 назв.

11. В.Е.Балакин. "Доклад на 7-ом Международном рабочем Совещанш ICFA по пучок-пучковому взаимодействию. UCLA, Май 13 - 16 1991"

V.Balakin VLEPP//Third International Workshop on linear colliders September 17-27,1991,BINP, Protvino, USSR /Ed.by V.Balakin S.Lepshokov, N.Solyak.—Protvino Branch of Institute of Nucleaj physics,1992.—p.302-341.

12. Динамика полей излучения одиночн. сгустка в ускоряющ. структурах. /В.Е.Балакин, А.В.Новохатскнй/ В кн.: Вопросы атомно{ науки и техники. Сер.Техника физического эксперимента. Харьков, 1983, N3, с.60-62. —Библиогр.: 7 назв.

13. Динамика пучка ВЛЭППа. /В.Е.Балакин, И.А.Кооп, А.В.Новохатскнй/ В кн.: Труды шестого Всесоюз. сов. по ускорителям заряжен частиц, Дубна,1978. —Дубна, т.1, с.143-146. —Библиогр.: 3 назв.

V.Balakin, A.Novokhatsky. VLEPP: Longitudional beam dynamics. — In:Proc. of the 12th Iutern. conf. on high-energy accelerators, 1983 Batavia, s.a., p.117-118.—Bibliogr.:1 ref.

Динамика пучка в линейном ускорителе ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, А.В.Новохатскнй/ Тр. Междунар. конференции по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск, 1986.—Новосибирск: Наука. 1987.—т.1,—с.146-150.

14. Механизм увеличения фазового объема пучка в линейном ускорите ле ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, А.В.Новохатскпй, В.П.Смирнов/ В кн. Тр. 8-го Всесоюз. совещ. по ускорителям заряжен, частиц, Протви но, 1982. Дубна, 1983, т.Н, с.259-262.

V.Balakin, A.Novokhatsky, V.Smirnov. VLEPP: Transverse bean dynamics

—In:Proc. of the 12th Iutern. conf. on high-energy accelerators, 1983 Batavia, s.a., p.119-120.—Bibliogr.rl ref.

V.Balakin, A.Novokhatsky, V.Smirnov. VLEPP: Stochastic Bean Heating

—In:Proc. of the 12th Iutern. conf. on high-energy accelerators, 1983 Batavia, s.a., p.121-123.—Bibliogr.:l ref.

Динамика пучка в линейном ускорителе ВЛЭПП. /В.Е.Балакин А.В.Новохатскпй/ Тр. Междунар. конференции по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск, 1986.—Новосибирск: Наука 1987.—Т.1.—с.146-150.

Dinamics of a single bunch of large beam loading of accelerating structure. //2-nd International workshop linear colliders,Tsukuba,Marc 28-April 5, 1990 /Ed.by S.Kurokava,H.Nakayama,M.Yoshinoka — Tsukuba: Nat.lab.for high energy physics, 1990. — p.239-259.

Balakin V.E. Physical foundations for linear colliders /Balakin V.E., Brezhnev O.N., Mikhailichenko A.A., Novokhatski A.V., Smir-nov V.P., Solyak N.A.//Proc. of the 1987 ICFA seminar on future perspektives in high energy physics, Upton,1987. —Upton,-s.a. — p.244-266. — Bibliogr.: 21 ref.

15. Подавление стохастического разогрева пучка в лин. коллайдере. — Новосибирск, 1988. —15с. (Препринт/Ин-т ядер, фпз.; 88-100).

16. V.Balakin VLEPP//Third International Workshop on linear colliders. September 17-27,1991,BINP, Protvino, USSR /Ed.by V.Balakin, S.Lepshokov, N.Solyak.—Protvino Branch of Institute of Nuclear physics, 1992.—p.302-341.

17. V.Balakin, N.Solyak, V.Vogel: The wake type BPM in accelerating structure.//Third Intern, workshop on linear colliders,September 17-27,1991, BINP,Protvino,USSR /Ed.by Balakin V.,Lepshokov S., Solyak N.,—Protvono: Branch of Inst, of Nucl. physycs,1991,—v.3: Contributed talks, Issue 2. —p.199-212 (R).

18. Balakin V., ed. Third Intern, workshop on linear colliders,Septembe 17-27, 1991, BINP,Protvino,USSR, /Ed.by Balakin V.,Lepshokov S Solyak N.,—Protvono: Branch of Inst, of nucl. physycs, 1992.

19. Прецизионный привод системы позиционирования элементе» ВЛЭПП. /В.Е.Балакин, Ю.Д.Валяев, А.В.Колмогоров и др./ -Новосибирск, 1992.-32С,—(Препринт ИЯФ 92-50)

20. V.E.Balakin, A.A.Mikhailichenko. The Conversion system for obtaining high polarized elektrons and positrons. HpenpiniT H5№ 79-85, Hobo cnôripcK, 1979.

Конверсионная система ВЛЭППа для получения поляризованны: пучков. /В.Е.Балакин,А.М.Мнхайличенко/ В кн.: Тр. 7-го Всесоюз совещ. по ускорителям заряж. частиц. Дубна,1980. Дубна,1981, т.1 с.302-305. —Библиогр.: 6 назв.

Конверсионная система ВЛЭППа для получения поляризованные пучков. /В.Е.Балакнц,А.А.Мнхайлнченко/ В кн.: Тр. Междунар симпоз. по поляризац. явлениям в физике высоких энергий, Дубна,1981. Дубна,1982, с.302-307,—Бнбл.:6 назв.

V.Balakin, A.Mikhailichenko. VLEPP: the conversion system foi obtaining highly polarized electrons.—In: Proc. of the 12th Intern, conf. on high-energy Accelerators,1983. Batavia,s.a., p.127-130.,—Bibliogr.: 9ref.

Еалакин Владимир Егорович

Физические основы метода встречных линейных пучков

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук (в форме научного доклада)

Сдано в набор 7.02.1994 г. Подписано в печать 7.02.1994 г. Формат 60x90 1/16 Объем 3,5 печ. л., 2,9 учетно-изд. л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ 15

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.