Физические основы высокоинтенсивного протонного ускорительного комплекса для физики средних энергий каонных и нейтронных фабрик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТ1ЩТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

о 7 ПНТ 1931

£ ' ип На правах рукописи

СЕНИЧЕВ Юрий Валерьевич

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ПРОТОННОГО УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ФИЗИКИ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ КАОННЫХ И НЕЙТРОННЫХ ФАБРИК

01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная

техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

СЕНИЧЕВ Юрий Валерьевич

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОШГГЕНСИВНОГО ПРОТОННОГО УСКОРИТЕЛЫЮГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ФИЗИКИ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ КАОПНМХ И НЕЙТРОННЫХ ФАБРИК

31.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная

техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа выполнена в Институте ядерных исследований РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Агафонов A.B.

доктор физико-математических наук,

профессор

Дмитриевский В.П.,

доктор технических наук,

профессор

Мурин Б.П.,

Ведущая организация: Институт Физики Высоких Энергий.

Защита состоится «__» ¿ГлТ- Мй ^^1998 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д.047.01.03 при Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований по адресу: 141 980, г. Дубна, Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

Л'"

Автореферат разослан « А?! » с.С К /■.Л 6 /,? Л 1998 г. Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенной печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук Ю.А.Батусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Физические основы высокоинтеисивпого протонного ускорительного комплекса включают в себя все те новые физические особенности ускорителей, которые возникают в связи с задачей ускорения пучков на два порядка выше по интенсивности предшествующего им поколения ускорителей. Потребность в таких ускорительных комплексах возникла недавно, и связано это с качественно новым этапом физики частиц, физики твердого тела, а также с использованием протонного ускорителя, как мощного инструмента для развития новых технологий. В связи с этими тремя физическими задачами можно говорить о трех приложениях использования нового класса высокоинтенсивных протонных ускорительных комплексов -мезонных, каонных и нейтронных «фабрик».

Первое приложение - это физика элементарных частиц, где в результате интенсивных экспериментальных и теоретических исследований последних трех десятилетий были сформулированы и экспериментально подтверждены теория сильных взаимодействий и объединенная теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Было выяснено, что стандартная модель не может претендовать на роль полной окончательной теории частиц и их взаимодействий. Поэтому «ускорительная» физика с использованием протонных пучков сейчас развивается по двум направлениям: создание ускорителей на сверхвысокие энергии, порядка несколько ТэВ (коллайдеры) и относительно невысокой интенсивности, и создание ускорителей сверхвысокой средней интенсивности («фабрики»), на два порядка превышающие по интенсивности существующие машины и с энергией несколько десятков ГэВ. Сильноточные ускорители-«фабрики» исследуют редкие распады, обусловленные новыми типами взаимодействия на малых расстояниях, соответствующих масштабам энергий порядка десятка ТэВ. Для

этого нужны прецизионные интенсивные пучки каонов, получение которых возможно только с помощью сверхинтенсивных протонных ускорительных комплексов-каонных фабрик. Каонная фабрика—это высокоинтенсивный ускорительный протонный комплекс со средним током 100-200 мкА, включающий в себя линейный ускоритель на энергию до 0.6-1 ГэВ, бустер-синхротрон на энергию 3-5 ГэВ и основной синхротрон с функциями медленного вывода на энергию 30-50 ГэВ. Создание каонной фабрики позволяет на новом уровне осуществить поиск легких слабовзаимодействугощих частиц, выяснить вопрос о нарушении CP инвариантности, провести эксперименты с поляризованными частицами, и наконец, каонная фабрика является сверхинтенсивным источником нейтрино.

Вторым приложением использования высокоинтенсивных протонных ускорительных комплексов является нейтронная физика. Рассеивание нейтронов дает фундаментальную микроскопическую информацию о структуре и динамике материалов, создающую основы понимания конденсированной материи. Традиционно нейтроны производятся за счет реакции деления в реакторах, .оптимизированных для получения больших потоков нейтронов. "Ускорительный" метод получения нейтронов основан на другом принципе и является абсолютно безопасным по сравнению с «реакторным». Нейтроны как бы "скалываются" (spallation process) при бомбардировании тяжелого металла протонами высокой энергии, полученными на ускорителе. Выход нейтронов зависит от энергии. Оптимальное значение лежит в диапазоне 1.0-1.4 ГэВ, хотя варианты с большой энергией, например 3-10 ГэВ, имеют свои преимущества. Для создания нейтронного источника, основанного на "ускорительном" методе, нужна нейтронная фабрика. Нейтронная фабрика — это высокоинтенсивный ускорительный протонный комплекс со средним током 3-5 мА, включающий

t себя линейный ускоритель на энергию до 1.0-1.4 ГэВ и кольцо--руппирователь, или синхротрон с конечной энергией от 3 ГэВ до 10 ГэВ с ■оком в соответствующее число раз меньшее. В настоящее время »зарабатываются, по крайней мере, четыре ускорительных проекта: Нейтронный источник в США (SNS, Oak Ridge), Европейский нейтронный 1СТ0ЧНИК (ESS), Японский адронный проект (JHP, Tsukuba) и Российский 1ейтронный источник (ИЯИ РАН , Троицк). Мощность, на которую >риентируются при разработке таких источников, достигает 5 МВт.

Й наконец, третьим приложением использования высокоинтенсивных тучков протонов являются технологические ускорители для уничтожения гдерных отходов и сжигания военного плутония. Наличие большого запаса тдерного оружия и проблема его уничтожения стимулируют к разработке талевых методов его уничтожения. Ускоритель, который требуется для такого технологического процесса, должен обеспечить пучок средней мощностью 10-300 МВт и энергией 400-1600 МэВ. Трансмутационный комплекс в значительной степени повторяет мезонную фабрику, ;ооруженную в Институте ядерных исследований.

Каждый из комплексов может быть рассмотрен, как продолжение другого: сезонная и транс мутационная фабрики есть первая ступень нейтронного комплекса, а нейтронный есть первые две ступени каонного комплекса. Общей отличительной особенностью каоиного, нейтронного и мезонного ¡или трансмутационного) комплексов является высокая средняя мощность пучка, что означает большие пиковые токи и высокую цикличность комплекса вплоть до непрерывного режима. В то же время, исходя из необходимого времени жизни установки 20-25 лет и радиационной стойкости материалов, из которых сделан сам ускоритель, потери частиц при ускорении должны быть уникально низкими на уровне 1нА на метр длины машины при среднем токе 1 мА. Причем, с ростом энергии ограничение возрастает. Из

этих значений абсолютных потерь легко определить, что относительные потери должны быть на уровне 1(Г3 + 1ГГ7. Более высокий уровень потерь приведет к сокращению срока жизни установки в соответствующее число раз. Потери при такой постановке проблемы приобретают значение "быть или не быть" установке. Поэтому все системы ускорительного комплекса класса «фабрика» должны быть подчинены основной цели - уменьшению потерь.

При требуемом уровне потерь частиц, физические эффекты, ранее не принимаемые во внимание в других ускорителях, начинают играть определяющую роль. Это прежде всего эффекты, связанные с высокой интенсивностью: динамика пучка с учетом нелинейности движения и связанные с ними резонансные явления высокого порядка; взаимодействие пучка с высшими модами резонансных элементов; фундаментальные процессы образования ореола пучка.

Кроме того, каопная фабрика имеет свои особенности в этом классе. Она должна иметь функции медленного вывода и возможность ускорять поляризованные протоны.

Целью диссертационной работы является разработка физических основ нового класса протонных ускорительных комплексов для физики средних энергий, имеющих классификацию «фабрика». Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы были использованы при запуске линейного ускорителя мезонной фабрики ИЯИ РАН и разработке проекта каонной фабрики ИЯИ РАН, включающего линейный и кольцевые ускорители.

Работа выполнялась в соответствии с планами исследований РАН и Министерства Науки Российской Федерации в рамках Государственной программы "Физика высоких энергий" по темам "Создание линейного

скорителя Московской мезогаюй фабрики" и "Разработка сильноточного скорительного комплекса Московской каонной фабрики".

Научная новизна работы. Диссертация является законченным научным сследованием по созданию физических основ нового класса ысокоинтенсивных протонных ускорителей для физики средних энергий, езультаты которого использовались при запуске Московской мезонной 1абрики и разработке Московской каонной фабрики. В работе проведены сследования физических особенностей линейных и кольцевых протонных скорителей, объединенных в класс «фабрика». Научная новизна работы аключается конкретно в следующем:

1. Описана обобщенная научная классификация ускорительных установок класса «фабрика». Определены физические требования к этому классу ускорителей, сформулированы критерии эксплуатационной надежности, определена оптимальная структура комплекса.

2. Для решения физико-математических задач разработан новый математический подход, необходимый для создания сильноточных ускорительных комплексов.

3. Исследована динамика пучка в ускоряющих резонаторах линейного ускорителя, применяемых для ускорения высокоинтенсивных пучков, конкретно, в длинных бипериодаческих ускоряющих структурах с учетом ступенчатого изменения фазовой скорости от секции к секции и её постоянства в пределах каждой ускоряющей секции.

4. Создана методика предварительной "холодной" настройки резонатора, позволившая скомпенсировать геометрические и электрические отклонения параметров резонаторов, сделанных на пределе технологических возможностей.

5. Обнаружен и исследован теоретически и экспериментально новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора и зависящий от дисперсионных свойств ускоряющего резонатора и ставящий предел по току для данного класса ускорителей.

6. Изучено явление образования ореола интенсивного пучка и дано теоретическое объяснение природы этого резонансного явления в случае доминирования пространственного заряда.

7. Сформулированы требования для систем стабилизации возможных коллективных неустойчивостей пучка в ускорителях класса «фабрика».

8. Разработан новый класс магнитооптических структур для высокоинтенсивных протонных ускорителей.

9. Теоретически исследованы эффекты пространственного заряда, влияющие на возбуждение резонанса третьего порядка, используемого для медленного вывода, а также предложен метод октупольной компенсации хроматической компоненты пространственного заряда.

Ю.Теоретически и экспериментально исследован метод фазовой модуляции высокочастотного поля для размывания продольного фазового объема пучка с целью увеличения порога коллективных неустойчивостей, который позволил реализовать метод увеличения времени жизни электронного пучка в источниках синхротронного излучения в три раза.

11.Теоретически исследована резонансная и нерезонансная деполяризации поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах ускорительного комплекса. Исследовано поведение аберраций вектора спина пучка поляризованных протонов в периодических ускоряюще-фокусирующих каналах и предложен метод их компенсации. Совокупность данных результатов объединены важным достижением — разработкой физических основ нового класса ускорительных комплексов для

шзики средних энергий каонных и нейтронных фабрик. Все эти положения юзволяют с новой единой точки зрения, проектировать сильноточный фотонный комплекс класса «фабрика».

Трагегнческая ценность работы. Результаты, полученные в диссертации, вляются физической основой для создания ускорителей класса «фабрика». В [астности, они были использованы при запуске линейного ускорителя 1езонной фабрики ИЯИ РАН, разработке проекта каонной фабрики ИЯИ 'АН, включающего в себя основные экспериментальные образцы, а также ада зарубежных проектов: каонная фабрика TRTUMF (Канада), бустер SSC США), адронная фабрика КЕК (Япония), мюонный коллайдер FNAL (США), вдиационный протонный комплекс Los Alamos (США). На основе решений, писанных в диссертации, были разработаны новые технологии при создании 1еталлизированной вакуумной камеры для быстроцикличных синхротронов, ювый таи быстроперестраиваемого тьюнера для ускоряющей станции устсра на основе магнетронного варактора, созданы высокомощная скоряющая станция для основного синхротрона, высокоскоростная ^агностическая система для измерения параметров пучка.

)5ъем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, одержит 224 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 аблиц и библиографию из 157 наименований.

Апробация работы. Результаты научных исследований прошли пробацию на семинарах по линейным ускорителям в 1979, 1981, 1987 годах Харьков), на Всесоюзных семинарах по программе экспериментальных юследований на Московской мезошюй фабрике в 1985, 1987, 1990 годах Звенигород), на Международном семинаре по физике промежуточных

энергий в 1989 году (Москва), на Международных конференциях по ускорителям высоких энергий в 1986 (Новосибирск), 1992 (Гамбург), на Европейских конференциях заряженных частиц в 1988 (Рим), 1992 (Берлин), 1994 (Лондон), на конференции по линейным ускорителям в 1989 (CEBAF), на рабочих совещаниях по адронным фабрикам в 1989,1993 (JIoc Аламос), на Международном симпозиуме по физике спина в 1990 (Бонн), на Совещаниях международной коллаборации по нейтронным источникам в 1990 (Цукуба), 1993 (Абингтон), на национальных конференциях США по ускорителям заряженных частиц в 1991 (Сан Франциско), 1993 (Вашингтон), 1995 (Техас), 1997 (Ванкувер).

Основные положения, разработанные автором для высокоинтенсивных ускорителей мезонных и каонных фабрик, прошли экспертизу международных комитетов в ИЯИ, TRIUMF, SSC иКЕК.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 60 статьях, опубликованных в журналах Технической физики, Приборы и техника эксперимента, Вопросы атомной науки и техники, Particle Accelerators, в Трудах международных конференций, авторских свидетельствах и препринтах ИЯИ, SSC, TRIUMF и КЕК.

В докторскую диссертацию вошли материалы, полученные при наладке линейного ускорителя Московской мезонной фабрики, в процессе которой были исследованы новые физические эффекш, разработаны ряд физических процедур, позволивших улучшить качество пучка и надежность ускорителя, а также результаты работы по созданию проекта Московской каонной фабрики.

На защиту выносятся:

- Схема высокоинтенсивного протонного комплекса для физики средних энергий класса «фабрика».

- Разработанный математический формализм для численного решения задач динамики интенсивного пучка с сохранением симплектичности уравнений движения и возможности включения любого порядка нелинейности.

- Теория квазиравновесиого движения пучка в длинных бипериодических ускоряющих структурах с учетом ступенчатого изменения фазовой скорости от секции к секции и её постоянства в пределах каждой ускоряющей секции и экспериментальное приложение этой теории к методам настройки «холодного» резонатора.

- Новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора.

- Результаты исследований формирования ореола интенсивных пучков в периодических магаитооптических каналах.

- Новый класс магнитооптических структур для высокоинтенсивных синхротронов с комплексной энергией перехода.

- Метод октуполыюй компенсации хроматической компоненты пространственного заряда интенсивного пучка при медленном выводе.

- Результата исследований резонансной и нерезонансной деполяризации поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах ускорительного комплекса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В работе обсуждается предложенное структурное построение высокоинтенсивного ускорительного комплекса класса «фабрика», а также методы решения физических и математических задач, используемые при исследовании основных эффектов, характерных этому классу ускорителей. Структура комплекса позволяет создать многоцелевой комплекс с возможностью получения мезонных, нейтронных и каонных вторичных пучков одновременно. Комплекс состоит из трех ступеней: линейного

ускорителя для мезонной фабрики, бустера для нейтронной и основного синхротрона с конечной энергией 40-50 ГэВ для каонной фабрики. Любая ступень имеет функции независимой физической установки. В то же время, располагая их в порядке возрастания требуемой конечной энергии, очевидно с точки зрения проектирования, что каждая ступень есть инжектор для следующего комплекса. Так, линейный ускоритель для мезонной фабрики с конечной энергией 600-1000 МэВ может служить идеальным инжектором для нейтронного комплекса на 3-6 ГэВ, который в свою очередь, может быть первой ступенью каонного комплекса на 40-50 ГэВ.

Рассматриваемая структура ускорительного комплекса позволяет минимизировать пиковые значения тока для каждой ступени при максимальной технически реализуемой частоте повторения ускорительных циклов. Кроме того, в данной концепции отсутствует прохождение частицами критической энергии, что принципиально важно для высокоинтенсивного комплекса.

Первая ступень, линейный ускоритель Московской мезонной фабрики, в настоящее время является самым мощным линейным ускорителем в Европе. Вторая ступень, быстроцикличный интенсивный синхротрон-бустер и третья ступень, основной синхротрон, спроектированы /1-5/ и доведены до уровня технического проекта с испытанием наиболее сложных узлов /16-20/.

Поскольку наиболее важной особенностью этого класса ускорителей является высокая интенсивность ускоряемого пучка, то наибольшее внимание уделялось математическим методам решения подобных задач. С этой целью разработан математический формализм, необходимый дои проектирования высокоинтепсивных ускорителей класса «фабрика». Он объединяет в себе возможность учета собственных полей пучка, нелинейностсй внешнего поля любого порядка , случайных и регулярных ошибок, введения реальных дисперсионных характеристик резонансны)*

элементов и систем обратных связей. Уравнения движения решаются в гамильтоновой форме. Это принципиально важно для ускорителей класса «фабрика» , когда исследуется поведение ореола пучка за время, в течение которого частица совершает нескольких сотен тысяч радиальных колебаний, и воздействие нелинейных резонансов высокого порядка, происхождению которых обязаны внешним и собственным полям, преобретает решающее значение.

Рассмотрены эффекты, влияющие на настройку резонаторов линейного ускорителя, первой ступени комплекса, на примере Мезонной фабрики. Учет этих эффектов позволил на практике получить максимальную пропускную способность ускорителя по продольному движению. При исследовании этой проблемы автор изучает высокоэнергетическую часть линейного ускорителя. Это объясняется тем, что с ростом энергии частиц ограничение на потери возрастает, а такие явления, как рост эмиттанса и ореола пучка связаны с эффектами "накоплешм" влияния различного рода нелинейностей, и происходят они в основном на наиболее длинном участке ускорителя - его высокоэнергетической части. Кроме того, поскольку резонаторы высокоэнергетической части состоят из секций с постоянной фазовой скоростью, изменяющейся от секции к секции, равновесное движение в них возмущено изначально, что вносит свои особенности. Все эти обстоятельства являются принципиальными для ускорителя класса «фабрика», где требования, предъявляемые к изготовлению и настройке оборудования в связи с этими особенностями, находятся иногда выше технологических возможностей, существующих на сегодня.

В работе изучены особенности квазиравновесного движения в реальном резонаторе с двойной периодичностью с учетом ошибок изготовления и методы их компенсации /21-30/. Рассмотрены случаи "идеального" ускорителя и реально изготовленного, с погрешностями продольных

размеров относительно расчетных значений. На основе проведенного анализа квазиравновесного движения предложены способы коррекции фазовой скорости в реальном ускорителе, несоответствие которой расчетному значению приводит к недопустимому уменьшению области захвата. Все конкретные результаты обсуждаются на примере высокоэнергетической части линейного ускорителя мезонной фабрики, успешно работающей в настоящее время.

Сформулировано понятие квазиравновесной частицы в бипериодической структуре. Такая частица на каждом макропериоде "секция+зазор" имеет прирост скорости, равный изменению фазовой скорости секции. Величина ДД,Ш, равная разности фазовых скоростей Л'-й и (ЛГ-1)- й секций, определяется заданным значением темпа ускорения в структуре. Размах колебаний квазиравновесной частицы на секции также пропорционален

1 А/9ма> Ф

скачку фазовой скорости А у/=--— tg—.

2 ¡3 И 4

Используя определение квазиравновесного движения, а именно равенство входных фаз в каждую из секций и сохранение прироста скорости на секции, можно найти, к каким изменениям параметров квазиравновесной частицы приводят те или иные отклонения параметров секции. В этом случае остальные частицы, совершают фазовые колебания на резонаторе относительно "новой" квазиравновесной частицы. Из анализа уравнений движения следует, что изменение скорости квазиравновесной частицы (или, что фактически эквивалентно, эффективной фазовой скорости), связанное с отклонениями геометрических размеров резонатора от расчетных значений

ДД г- г -т/АЛ, г

имеет вид = ——, где Ь ~ +Ьа- характерная длина,

сохранение которой обеспечивает неизменность фазовой скорости; Ьс- длина

секции, длина межсекционного зазора, д. - ксЬс~ набег фазы малых

продольных колебаний на секции, функция = Для возмущения поля в виде наклона функция 1 — 2ег/Ьс, 0<г<1,с изменение

ЗР, Т((1с)-\ЬАр

величины квазиравновеснои скорости равпо ~р~£——^ '¿""р Ар,

где - расчетное значение отклонения начальной скорости

квазиравновесной частицы от фазовой скорости секции.

Рассмотрены большой класс электрических и геометрических возмущений. Показано, что единый подход к описанию действия различных возмущений позволяет рассмотреть возможность компенсации отклонений одних параметров с помощью изменения других. Действительно, как было проверено, синхронный уровень энергии имеет расчетное значение, если в результате действия различных возмущений на каждом из резонаторов

СП

-— = 0. Еще более интересной представляется возможность восстановления

области захвата, разрушенной в результате действия какого-либо возмущения, с помощью другого возмущения.

Перед настройкой с пучком все секции резонаторов были собраны из модулей, проведена их радиотехническая настройка. Отклонения длин секций от заданных значений были измерены с большой точностью. Известны были также величины наклонов полей на секциях. Следующий этап - холодная настройка резонаторов. Таким образом, варьируемыми параметрами являлись длины межсекционных промежутков и уровни средних полей па секциях. Установка секций проводилась так, чтобы компенсировать изменением длил дрейфовых промежутков отклонения длин

секций, возникшие в процессе изготовления и сборки. В дальнейшем реализовывалась возможность с помощью отклонений средних уровней поля на секциях компенсировать измеренные отклонения длин макропериодов и существование наклонов поля на секциях. После проведения такой "холодной" настройки фазовые скорости резонаторов были восстановлены до расчетной величины, что гарантировало полное восстановление области захвата.

Разработанная и примененная "холодная" предварительная настройка для обеспечения согласования резонаторов по синхронному уровню энергии помогла корректно провести ДГ-процедуру. В результате после проведения обязательной радиотехнической настроят дальнейшая процедура настройки резонатора разделялась на три последовательных этапа: предварительная настройка "холодного" резонатора без пучка; настройка резонатора фазопролетным методом и проверка интегрального смещения синхронного уровня по энергии; проведение стандартной ДГ -процедуры с целью установки требуемой амплитуды и фазы ВЧ поля.

Среди тех физических особенностей, которые свойственны ускорителям класса «фабрика» и требуют изучения - это процессы формирования ореола пучка на его начальной стадии. Образование ореола связано с рядом физических явлений. Прежде всего, это все виды нелинейного воздействия непосредственно на сам сгусток, а также процессы, приводящие к возрастанию эффективных размеров пучка за счет разброса центров сгустков. В первом случае процессы доминируют в радиальной плоскости, поскольку рост ореола пучка зависит от числа колебаний. Рост эффективных размеров наиболее существенен в продольной плоскости.

В диссертации выделены два физических явления, которые определяют предел по току с учетом требований к ускорителям класса «фабрика». К первому такому физическому явлению относится резонансное

взаимодействие пучка с искажением поля в резонаторе, вызванное самим же пучком. Это приводит к увеличению размеров самого сгустка, а также к разбросу центров. Этот эффект исследован теоретически /8,33,35/ и подтвержден экспериментально /34,36/. Физический смысл эффекта заключается в разнице между природой излучения пучка и генератора и конкретно в том, что происходит при одновременном вводе пучка и дополнительной мощности генератора, необходимой для компенсации искажений на основной моде. Сам пучок распространяется с фазовой

скоростью и заполняет резонатор за время в —— раз быстрее, чем

лКг

распространяется фронт волны от генератора, где К! - электрический коэффициент связи структуры, равный обычно нескольким процентам. После нескольких десятков наносекунд пучок заполняет весь резонатор и взаимодействует с ним по всей его длине. При этом поле, излученное пучком, уменьшает суммарное поле в соответствии с законом = (1 — е~ы'1!Ь), где 0а- нагруженная добротность резонатора. Генератор возбуждает волну, которая движется в оба направления от точки ввода и делит резонатор на три части со ступенчатым изменением поля по длине резонатора, при этом среднее значение меняется, как е~°"г&. В результате пучок "видит" при пролете через резонатор поле с пространственно-временным искажением. Если эти искажения действуют на пучок резонансно, это может привести к изменению параметров пучка и даже к исчезновению области устойчивости в продольной плоскости. Сила эффекта значительно зависит от соотношения между натуральной задержкой сигнала в резонаторе и системе обратной связи, поэтому эффект рассматривается совместно с системой контроля /38,39/. Эффект теперь известен, как "переходный эффект" /8/.

Второе физическое явление /40-43/, связанное с высокой интенсивностью пучка - это рост ореола в поперечной плоскости из-за модуляции сгибающей пучка, вызванной самой системой фокусировки. Периодическое воздействие приводит к модуляции плотности заряда в ядре сгустка и, как следствие, к появлению резонансной раскачки амплитуды радиальных осцилляций частиц, находящихся в ореоле. В ускорителях рассматриваемого класса оно является принципиальным ограничением. Для исследования этого эффекта в работе используются аналитические методы нелинейной механики совместно с методами численного моделирования и экспериментальные данные. Численное моделирование проводилось на сетке с распределением заряда с учетом требования симплектичности и граничных условий прямоугольной токопроводящей вакуумной камеры.

Показано, что в начале инжекции пучка в канал ядро начинает изменять свои размеры, что вызывает резонансные явления в ореоле пучка. Однако, резонансное соотношение выполняется для частиц, достаточно далеко находящихся от ядра. Для основной же части частиц пространственный заряд действует, как октуполь (октупольная хроматичность), замывая фазовое пространство в соответствии с новым соотношением между г2 иг2, определяемое эффективной частотой Ц - Ац(а), где Дсдвиг частоты из-за пространственного заряда. Очевидно, что время замывания пропорционально «1 / Дц{а). После такого замывания образуется новое ядро с самосогласованным распределением плотности, которое автоматически становится стационарным. Отсутствие биений ядра, в свою очередь, не возбуждает резонанс для удаленных частиц и мы получаем сбалансированное распределение частиц на фазовой плоскости. Незначительный рост ореола после установления процессов формирования ядра объясняется вкладом биений из-за жесткой фокусировки. Именно этот незначительный рост

ореола может быть объяснен "самонагревом" пучка за счет быстроосциллирующей функции жесткости канала.

Быстроцикличный синхротрон с конечной энергией 3-7 Гэв является следующей ступенью после линейного ускорителя. В зависимости от того, это нейтронный или каонный комплекс, синхротрон может быть конечной ступенью комплекса или бустером для основного синхротрона, который, в свою очередь, ускоряет протоны до энергии 40-50 ГэВ. Основное назначение низкоэнергетического кольца - обеспечить высокий средний ток 200-¡-250 (¿А за счет высокого значения циркулирующего тока порядка 4 + 5Л и высокой частоты повторения ускоряющего цикла 40+50 Гц. При таких параметрах пиковый ток в отдельно взятом сгустке будет достигать 12+15 А. Большой пиковый ток, в свою очередь, требует большой динамической апертуры, чтобы иметь возможность "размыть" пучок в реальном пространстве и, тем самым, избежать пересечения структурных резонансов из-за кулоновского сдвига бетатронной частоты. Требование коррекции хроматичности усложняет задачу, поскольку секступоли значительно уменьшают размер динамической апертуры. Высокое значение циркулирующего тока является основной причиной возникновения различных коллективных пеустойчивостей. А высокая частота повторения ускоряющего цикла требует мощных и быстроперестраиваемых по частоте ускоряющих станций, а также ограничивает максимальное значение магнитного поля из-за эффектов насыщения в железе магнита. Большой темп ускорения увеличивает силу синхробетатронных резонансов, исключить которые можно только при наличии бездисперсных участков и размещении на них ускоряющих станций. И наконец, прохождение через критическую энергию должно быть абсолютно исключено. Синхротрон с такими параметрами является наиболее трудным звеном комплекса, если говорить о

каонной или нейтронной фабрике, и требует совершенно нового подхода в его разработке по сравнению с существующими в мире синхротронами.

В диссертации разработан новый класс магнитооптических структур для синхротронов класса «фабрика», способных ускорить большие пиковые токи при высокой средней интенсивности и соблюдении условия радиационной чистоты. Они обладают следующими свойствами:

- отсутствие энергии перехода, позволяющее исключить потери частиц при переходе через критическую энергию и повысить порог микроволновой неустойчивости;

- возможность регулирования критической энергии без значительного повышения максимального значения дисперсии;

- наличие прямых участков с нулевой дисперсией для размещения ускоряющих станций с целью исключить синхробетатронные резонансы;

- возможность коррекции хроматичности минимальным числом семейств секступолей;

- большая динамическая апертура после коррекции хроматичности, достаточная для ускорения пиковых токов 10-15 А;

Данная структура нашла применение практически во всех разрабатываемых и сооружаемых ускорителях мира: каонных фабриках ИЯИ /6,7,46,47/ и TR1UMF (Канада) /11,48,50,51/, бустере SSC (США), адрокной фабрике КЕК (Япония) 191, мюонном коллайдере FNAL (США), радиационном протонном комплексе Los Alamos (США). Структура первой ступени-бустера высокоинтенсивного протонного комплекса Московской каонной фабрики доведена до реализации технического проекта с разработкой головных образцов.

Исследуются проблемы инжекции и медленного вывода, а также размывания пучка в продольной плоскости в процессе ускорения методом

фазовой модуляции. Определены физические требования к параметрам пучка из линейного ускорителя при инжекции в синхротрон. Рассмотрена разработанная магнитная оптика кольца растяжителя Московской каонной фабрики, определены основные конструктивные элементы, обеспечивающие требуемую процедуру вывода. Исследовало влияние погрешностей полей и установок магнитооптических элементов на потери частиц. На основе численного моделирования сделаны основополагающие рекомендации для реализации медленного вывода. Исследовано влияние эффекта пространственного заряда на резонансный вывод при низких энергиях.

Системы инжекции и медленного вывода являются основными системами любого ускорителя. В ускорителях класса каояных и нейтронных фабрик к этим системам предъявляется ряд специальных требований, связанных с отсутствием больших потерь и созданием требуемого распределения в фазовом пространстве для преодоления коллективных неустойчивостей. Поэтому система инжекции и медленного вывода потребовала новых физических идей и технических решений.

При изучении проблемы медленного вывода, использовав уже накопленный опыт Института физики высоких энергий и Ереванского физического института, предложен новый метод, основанный на двух магнитных предсептумах нового типа, электростатическом септуме и магнитном септуме Ламбертсона. Данная схема позволяет получить разряжение плотности на электросептуме до 60 раз. Последний показатель очень важен, так как система вывода пучка должна обеспечивать уровень потерь частиц менее 0.1%.

Обосновывается выбор числа, типов и последовательности размещения ссптумов на прямом участке растяжителя, а также построите магнитной оптики этого участка, позволяющей с максимальной эффективностью использовать возможности септумов. Присутствие секступолей приводит к

нелинейным аберрациям, ограничивающим динамическую апертуру кольца, а также искажающим сепаратрисы. Для устранения этих аберраций в растяжителе установлены октуполи.

Рассмотрены особенности разработки магнито-оптической структуры с учетом ускорения поляризованного пучка, поскольку неотъемлемой частью экспериментальной программы на ускорителях класса «фабрика» являются эксперименты с поляризованными протонами. Введено понятие нерезонанспой и резонансной деполяризация пучка поляризованных частиц с учетом физики поведения спина. Спин, как известно, прецессирует в магнитном поле с некой собственной частотой. Если частота бетатроняых колебаний начинает совпадать с частотой прецессии спина, то деполяризация носит характер резонансной. В большинстве случаев оптика проектируется так, чтобы исключить резонансную деполяризацию. В линейных ускорителях это достигается легко. В синхротронах требуется специальная оптика.

Нерезонансная деполяризация в любом фокусирующем канале присутствует всегда, поскольку сама идея фокусировки основана на использовании полей с градиентами, то есть неоднородных полей. Нерезонансная деполяризация как раз и обусловлена взаимодействием вектора спина с неоднородными магнитными полями элементов, используемых для транспортировки и ускорения поляризованных частиц. Вклад ее в деполяризацию мал и по сути приводит лишь к аберрациям спина. Однако, в ряде физических экспериментов, например, при проведении экспериментов по исследованию эффектов нарушения пространственной четности в нуклок-нуклонных взаимодействиях аберрации становятся определяющими. При проведении этого эксперимента важно знать распределение поляризации по сечению пучка, то есть значения первых моментов компонент вектора спина относительно поперечных к направлению поляризации осей координат. В эксперименте SIN, например,

перекрестные моменты на мишени имели порядок ] О1 мм и давали ложные эффекты на уровне (1 + 5)-1(Гт. Поскольку аналогичный эксперимент планируется на пучке поляризованных протонов Московской мезонной фабрики, этому уделяется большое внимание.

Разработан физический метод компенсации аберрации спина в месте расположения мишени /56-58/. Но первоначально были изучены причины возникновения спиновых моментов и исследовано поведение моментов по длине канала транспортировки пучка поляризованных протонов и вдоль линейного ускорителя.

В циклических ускорителях традиционного типа обеспечение высокой степени поляризации пучка затрудняется эффектами, связанными с зависимостью частоты прецессии спина от энергии. Деполяризация носит резонансный характер и происходит из-за пересечения большого числа спиновых резонансов между частотой прецессии спина в ведущем поле и частотами бетагронного движения, частотой синхротронных колебаний и частотой возмущающих полей на траектории частицы.

Предложены специальные методы адаптации магнитооптических структур для сохранения поляризации в ускорителях класса каонных фабрик. Основные расчеты сделаны на примере Московской каонной фабрики /5960/.

Основные результаты и выводы:

1. Разработаны физические основы нового поколения ускорительных протонных комплексов класса «фабрика». Отличительной особенностью такого класса ускорителей является высокая средняя мощность пучка 510 МВт при среднем токе протонов порядка 1 мА с возможностью медленного вывода пучка и ускорения поляризованных частиц. По

интенсивности - это ускорители, на два порядка превышающие ускорители предыдущего поколения.

2. Сформулированы физические требования к новому классу ускорителей «фабрика», критерии эксплуатационной надежности. Предложенная структура многоцелевого высокоинтенсивного ускорительного комплекса включает в себя линейный ускоритель (мезонная фабрика), бустер (нейтронная фабрика) и основной синхротрон с растяжителем (каонная фабрика).

Определены частотно-временная характеристика и основные параметры всех ступеней сильноточного ускорительного комплекса. Структура позволяет минимизировать пиковые значения тока для каждой ступени при максимальной технически реализуемой частоте повторения ускорительных циклов. В концепции, впервые отсутствует прохождение частицами критической энергии, что принципиально важно для высокоинтенсивного комплекса.

3. Сформулированы особенности решения задач большой интенсивности. Изучены основные эффекты, приводящие к потерям пучка. Разработан формализм численного решения уравнений динамики частиц в ускорителе с учетом собственного поля и с сохранением условия симплектичности. Данный метод позволил включить нелинейности магнитооптических элементов любого порядка. Это, в свою очередь, позволило решить задачу определения динамической апертуры системы с нелинейными элементами, что принципиально важно для ускорителей класса «фабрика».

4. Изучена динамика пучка в длинных бипериодических ускоряющих структурах со ступенчатым изменением фазовой скорости применительно к высокоинтенсивному линейному протонному ускорителю класса «фабрика». Определение квазиравновесной частицы в бипериодической

структуре позволило классифицировать геометрические и электрические отклонения реальных параметров от расчетных по единому принципу воздействия на эту частицу.

Исследовано влияние широкого класса малых возмущений электрических и геометрических параметров ускоряющего канала на продольное движение. Найден способ взаимной компенсации на резонаторе электрических и геометрических погрешностей, что позволило при существующих допусках получить требуемые параметры ускорителя. Определено, что рассмотренный класс возмущений, охватывающий все важнейшие на практике искажения, значительно влияет на точность проведения ДГ-процедуры по установке амплитуды и фазы ускоряющего поля.

Разработана и применена оригинальная "холодная" предварительная настройка резонаторов для обеспечения согласования по синхронному уровню энергии.

5. Обнаружен и исследован новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора. Данный эффект в значительной мере зависит от дисперсионных свойств ускоряющего резонатора и интенсивности пучка. Определены условия исчезновения области устойчивости. Теоретические исследования подтверждены экспериментальными измерениями на ускорителях с двумя разными ускоряющими структурами.

6. Изучено явление образования ореола интенсивного пучка. Объяснена природа этого резонансного явления для случая, когда сам пучок есть причина образования ореола. Определен предел роста ореола, что тем самым дает важнейшую информацию для требуемой физической апертуры резонатора.

7. Определены пределы возможных коллективных неустойчивостей пучка в ускорителях класса каонных и нейтронных фабрик, инкременты их нарастания, сформулированы требования для систем стабилизации.

8. Разработан новый класс магнитооптических структур, отвечающий требованиям высокоинтенсивных протонных ускорителей. Характерными свойствами этих структур являются: простая регулировка критической энергии без значительного повышения дисперсии; минимально возможное число семейств секступолей, необходимых для коррекции хроматичности; большая динамическая апертура, достаточная для ускорения больших импульсных токов; бездисперсные прямые участки, позволяющие исключить синхробетатронные резонансы.

9. Разработаны и предложены рекомендации как минимизировать потери частиц при выводе пучка с применением сочетания магнитных и электрических предсептумов и септумов. Эти предложения послужили основой для разработанного в ИЯИ и ТРИУМФе кольцах-растяжителях. Исследованы эффекты пространственного заряда, влияющие на возбуждение резонанса третьего порядка, используемого для медленного вывода. Предложен и исследован метод октупольной компенсации хроматической компоненты пространственного заряда при медленном выводе на низких энергиях.

Ю.Исследован метод фазовой модуляции высокочастотного поля для размывания продольного фазового объема пучка для увеличения порога коллективных неустойчивостей. На основе метода фазовой модуляции предложен и экспериментально реализован новый метод увеличения времени жизни электронного пучка в источниках синхротронного излучения.

11. Аналитически и численно исследовано поведение векторов спина пучка поляризованных протонов в периодических ускоряюще-фокусирующих

каналах. Исследована резонансная и нерезонансная деполяризации поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах ускорительного комплекса.

Доказано, что максимальные значения поперечных компонент вектора спина и перекрестных моментов для продольно поляризованного пучка имеют периодический характер вдоль длины ускорителя относительно средних значений.

.Определены условия подавления внутренних спиновых резонансов и резонансов несовершенств для адаптированных магнитооптических структур высокоинтенсивных ускорительных комплексов. Адаптация заключается в перестройке прямых участков структуры рейстрек таким образом, чтобы они были прозрачны для спина. В результате количество резонансов определяется только арками, имеющими высокую периодичность.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Физическое обоснование ускорительного комплекса каонной фабрики ИЛИ АН СССР под ред. Ю.В.Сеничева, Москва, 1989, 120 стр. Yu.Senichev, The Proposal of the Accelerators Complex of the Moscow Kaon Factory, Proc. of the Advanced Hadron Facility Acc. Design Workshop, February 20-25,1989, LA-11684-C, vol.1, pp.207-219. Yu. Senichev, The Accelerator Complex of the Moscow Kaon Factory, Proc. of the Xl-th meeting of International Collaboration on Advanced Neutron Sources, KEK, Tsukuba, October, 1990, pp. 279-287.

Yu.Senichev, Yu.Y.Stavissky, Advanced Neutron Source for Physical Research, International Collaboration on Advanced Neutron Sources, May 1993Abingdon, U.K.Rutherford Appleton Laboratory, v. 2, pp.3 6-42.

5. Yu. Senichev et al., The Accelerators Complex of the Moscow Kaon Factory, Proc. of the International Seminar on Intermediate Energy Physics, INES-89, Moscow, 1989, v.2, pp.268-277.

6. N.Golubeva, A.Iliev,Yu.Senichev, The new lattice for the booster of Moscow Kaon Factory, Proc. of International Seminar on Intermediate Energy Physics, INES-89, Moscow, v.2, pp. 290-298.

7. A. Iliev and Yu.Senichev, Racetrack lattice study for Kaon booster, TRIUMF Kaon Factory Project definition study, TRI-DN-91-K193,1991,17 pages.

8. Yu.Senichev, Transient Effect in High Intensity Proton Linear Accelerator, Particle Accelerator 50(4), 1995, pp.237-259.

9. Yu.Senichev, A «resonant» lattice for a synchrotron with a low or negative momentum compaction factor, submitted in Particle Accelerator, KEK Preprint 97-40,1997,27 pages.

10. Ю.В.Сеничев, Е.Н.Шапошникова, Особенности квазиравновесного движения в протонном линейном ускорителе, состоящем из секции с постоянной фазовой скоростью, ЖТФ, т.57, №6,1987,стр.36-44.

11. Yu.Senichev, U.Wienands, R.Servranckx, N.Golubeva, A.Iliev, A Racetrack lattice for the TRIUMF KAON Factory Booster, Proc. of HEACC, 1993, pp. 1073-1075.

12. Yu.Senichev, Space Charge and Emittance Growth in some applications of accelerator, Proceeding of Workshop of Emittance Growth and Space Charge, Tsukuba, KEK, 1995, pp.239-272.

13. Г.Н.Вялов, ЮЛЗ.Сеничев, Особенности ВЧ поля, наведенного пучком в многозазорном резонаторе, ЖТФ, т.49,№7,1979,стр. 14571461.

14. Г.Н.Вялов, Ю.В.Сеничев, Самосогласованное взаимодействие протяженного сгустка с многозазорным резонатором, Труды седьмого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных

частиц, Дубна, 1980,т.1, стр.220-223. !. Вялов Г.Н., Ю.В.Сеничев, Моделирование на ЭВМ переходных процессов в ВЧ системе Мезонной фабрики, препринт ИЯИ АН СССР, п-0072,1978, 9 стр. I. S.Bragin, P.Reingardt-Nikulin, N.Ilinsky, Yu.Senichev, Fast automatic system for measurements of beam parameters of the MF Linac, Proc.of the Intern. Confer, on Accel, and Large Experimental Physics Control System, KEK Report 92-15,1991, pp. 389-392.

. V.Konovalov, M.Kuznetcov, B.Murin, V.Paramonov, Yu.Senichev, The perspectives of Applications of the fast-acting varactors with low losses in high-current cyclic and linear accelerators, Proc. of EPAC-92, Berlin, 1992,v.2, pp. 1242-1244. . M.Kuznetcov,V.Paramonov,Yu.Senichev, The magnetron-type varactor for fast control in accelerator RF systems, Proceeding of the 1995 РАС, Dallas, pp.1699-1701.

I.Enchevich, R.Poirier, M.Kuznetcov,V.Paramonov,Yu.Senichev, RF Tests of the Magnetron Type Varactors, Proceeding of EPAC London 1994, v.3, pp. 1980-1982. . V.Kuznetcov, M.Kuznetcov, V.Paramonov, P.Reingardt-Nikulin, Yu.Senichev, I.Enchevich, R.Poirier, Summary of-results of the varactor development program at TRIUMF-Vancouver in collaboration with INR Moscow, preprint TRIUMF, TRI-DN-94-22,17 pages. . Ю.В.Сеничев, Проблемы радиационной чистоты линейного ускорителя Мезонной Фабрики, Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1988,т.1, стр.103-106. . Yu.Senichev, N.Golubeva, A.Pashenkov, E.Shaposhnikova, Problems of the Beam Loss in Intense Ion Linear Accelerators, Proc. of the Linear Accelerator Conference, October, 1988.CEBAF

Report-89-001, pp.669-671.

23. Г.Н.Вялов, А.С.Пашенков, Ю.В.Сеничев, А.Г.Чурсин. Оптимизация продольного аксептанса линейного ускорителя ионов с дрейфовыми промежутками, препринт ИЯИ, П-0326, 1984, 8стр.

24. Ю.В.Сеничев, Е.Н.Шапошникова, Квазиравновесное движение в линейном ускорителе, состоящем из секций с постоянной фазовой скоростью, препринт ИЯИ, П-0449, 1986, 11 стр.

25. Ю.В.Сеничев, Е.Н.Шапошникова, Фазопролетная процедура настройки линейного ускорителя ионов с погрешностями изготовления резонаторов, препринт ИЯИ, П-0491,1986,14 стр.

26. Yu.Senichev, E.Shaposhnikova, The problems of a stepped-phase velocity linear accelerator tuning, Proc. of the XIII Inter.Conf.on High Energy Accelerator, Novosibirsk,Nauka,v. 1,1987,pp.244-249.

27. Ю.В.Сеничев, Е.Н.Шапошникова, Влияние малых возмущений на продольное движение частиц в линейном ускорителе со ступенчатым изменением фазовой скорости, препринт ИЯИ, П-0532,1987,23 стр.

28. Ю.В.Сеничев, Е.Н.Шапошникова, Возможности коррекции сепаратрисы высокоинтенсивного протонного ускорителя. Тезисы докладов X Всесоюзного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц, Харьков, 1987,стр.67.

29. Г.Н.Вялов,Ю.Сеничев, Способ регулирования амплитуды и фазы высокочастотного поля в многорезонаторном ускорителе заряженных частиц, авторское свидетельство №727098, Москва 1979.

30. Yu.Senichev, E.Shaposhnikova,The effect of perturbation on the longitudinal motion of particles in a stepped phase velocity linac, Proc. of I-stEur. Conf. on Particle Accelerators, Rome, 1988, v.2, pp.872-874.

31. Yu.Senichev, G.Dubinsky, A.Reshetov, E.Shaposhnikova, New Features of the DT-Procedure for an Intence Ion Linac, СЕВ AF-Report-89-001,

pp.666-668.

Yu.Senichev, E.Shaposhnikova, The effect of perturbations on the longitudinal motion of particles in a stepped-phasc-velocity linear accelerator, Particle Accelerators, 1989, vol.24, n.3 pp.125-146. . Yu.Senichev, Study of Injection Transient in Coupled Cell Linac Cavities Proc. of EPAC-92, Berlin, 1992, v.l,pp.774-777.

. Yu.Senichev, R.Cutler,J.Hurd,D.Raparia, Beam loading Effect in CCLinac, PAC, Washington, 1993 pp. 3509-3511, preprint SSCL-403,1993,4 pages. . Yu.Senichev, Resonant Phenomena in linear accelerator, Proceeding of Neutron Facility Workshop, Los-Alamos,1993, pp.134-145. i. Yu.Senichev, A.Moretti, D.Raparia, The experimental Investigation of Transient in Side Coupled Cells Structure, EPAC London 1994, v.2, pp. 1295-1297.

'. S.Bragin, P.Reingardt-Nikulin, N.Ilinsky, Yu.Senichev, The Transients in Linac and the Beam Fast Measuring System, Proceeding of EPAC London 1994, v.2, pp. 1708-1710.

Yu.Senichev, The transients in cavity with feedback system at beam injection, Proceeding of the Third General ESS-Meeting Baden, Austria, 1995,pp.101-119. i. Yu.Senichcv, The beam loading effect in the multicavity linear accelerator and the requirements to the RF control system, Proceeding of PAC 97, to be published. I. A.Budzko, Yu.Senichev, Study of space charge effects closed to half integer resonances, HEACC-92, Hamburg, pp. 1061-1063. . A.Budzko, Yu.Senichev, Passing through Half-Integer Resonance due to Space Charge under Different Initial Distribution, Proceeding of PAC, Washington, 1993, v.5, pp. 3642-3644. '. Yu.Senichev, The mechanical and thermodynamical approch to the hallo

creation problem, Proceeding of BDO-4, Dubna, October 1997, 14 pages.

• 43. Yu.Seiucbev, V.Balandin, The space charge effect in Slow Extraction by third integer resonance, EPAC London, 1994, v.2, pp.1233-1235.

44. Ю.Сеничсв, Влияние ВЧ возмущений на параметры пучка при различных методах установки и контроле амплитуды и фазы в многорезонаторном ускорителе, Вопросы атомной науки и техники, серия «Техника эксперимента», выпуск 1/3/, 1979, Харьков, стр.15.

45. Г.Н.Вялов, Ю.В.Сеничев, Влияние размеров пучка на поле, наведенное пучком, препринт ИЯИ П-0113, Москва 1979,10 стр.

46. Ю.Сеничев, Н.Голубева, А.Илиев, Магнитооптическая структура бустера Московской Каонной Фабрики, Труды 12 Всесоюзной конференции по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1990, стр. 169-172.

47. N.Golubeva, A.Iliev, Yu.Senichev, Nonlinear dynamics in Booster of Moscow Kaon Factory, Proc. of 14th Biennial IEEE Particle Accel. Conference, May .6-9,1991, San Francisco, CA, v.3, pp.1899-1901.

48. Yu. Senichev, N.Golubeva, A. Iliev, A Racetrack Lattice with Missing Magnets for the Booster, TRIUMF Design Note, TRI-DN-91-K188, October 1991,15 pages.

49. И.Гонин, В.Горбыль, В.Парамонов, Ю.Сеничев, Е.Шапошникова, Оценки характеристик высших колебаний в резонаторах ускоряющей системы каонной фабрики ИЯИ АН СССР, Труды 12 Всесоюзной конференции по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1990, стр.196-199.

50. Yu. Senichev, A. Iliev, Racetrack Lattices for Low-Medium-Energy Synchrotrons, Proc. of 14th Biennial IEEE Particle Accel. Conference, May 6-9, 1991, San Francisco, CA, v.3, pp.1904-1906.

51. Yu. Senichev, A. Iliev, Alternative Transitionless Racetrack Lattices for

Low-Energy Synchrotron, Proc. of EPAC-92, Berlin, 1992, pp.421-423.

2. Yu.Senichev et al, The proposal of the accelerator complex of Moscow Kaon Factory, IEEE proceeding РАС 91, San Francisco, pp. 2823-2825.

3. Ю. Сеничев, Г.А.Дубинский, Е.Н.Шапошникова, Ускорительные циклы для бустера и синхротрона Каонной фабрики ИЯИ АН СССР, 12 Всесоюзное Совещание по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1990, стр.192-195.

1-. С.Волин, Ю.Сеничев, АДурсин, Медленный вывод пучка протонов из растяжителя Московской каонной фабрики, Труды 12-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1990,стр.177-181.

5. Г.А.Дубинский, Ю.В.Сеничев, Е.Н.Шапошникова, Продольная инжекция частиц в бустер Каонной фабрики ИЯИ АН СССР, Труды 12 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1990, стр. 173-176.

3. Н.И.Голубева, Ю.В.Сеничев Эффекты деполяризации в ускоряюще фокусирующем канале мезонной фабрики ИЯИ АНСССР, Труды 5 го Всесоюзного сминара "Программа экспериментальных исследований на мезонной фабрике ИЯИ АН СССР", 1987, стр. 5458.

1. Н.И.Голубева, Ю.В.Сеничев, Аберации спина поляризованных протонов в магнитооптических системах, Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1988, стрШ.

I. K.I.Golubeva, Yu.Senichev, Aberrations of the spin of polarized protons in a Linac, Proc. of the Linear Accelerator Conference, October, 1988, СЕВ AF-Report-89-001,1989, pp. 663-665.

). И.И.Голубева, Ю.В.Сеничев, Проблею! ускорения поляризованных

протонов в синхротронах Московской Каонной фабрики, Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1990, т.2, стр. 189-191.

60. N. Golubeva, Yu.Senichev, The capability of polarised beam

acceleration at Moscow KAON Factory, Proc. of the 9-th International Symposium of High Energy Spin Physics, 1990, v.2, p.112-115

Отпечатано прямым репродуцированием с оригинала, представленного автором

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 2.0 Заказ № 20258 Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательский отдел Института ядерных исследований РАН Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Ю.ОЗЛ48-ЗШ/ес

/ 4 Л ^ <, 5 * ' /

, РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК у^ЩШ'йШй/рЩХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

СЕНИЧЕВ Юрий Валерьевич

УДК: 621.384.6

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ПРОТОННОГО УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ФИЗИКИ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ-КАОННЫХ И НЕЙТРОННЫХ

ФАБРИК

01.04.20-физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автор:

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-1998

АННОТАЦИЯ

Диссертация посвящена научному исследованию и разработке физических основ нового поколения ускорительных протонных комплексов класса «фабрика»: мезонные, каонные, нейтронные и трансмутационные комплексы. В состав комплекса входит линейный и кольцевые ускорители. Отличительной особенностью такого класса ускорителей является высокая средняя мощность пучка 5-10 МВт при среднем токе протонов порядка 1 мА с возможностью медленного вывода пучка и ускорения поляризованных частиц. По интенсивности - это ускорители, на два порядка превышающие ускорители предыдущего поколения.

В диссертации дана научная классификация ускорительных установок, определены физические и технические требования к новому классу ускорителей, поставлены и решены физические задачи, которые отличают данный класс ускорителей от предшествующих ему менее интенсивных ускорителей. Разработан математический формализм, дающий инструментальную основу для проектирования такого класса ускорительных установок. Исследована динамика пучка в интенсивном протонном линейном ускорителе, как составной части комплекса: разработана теория квазиравновесного движения пучка в бипериодических ускоряющих структурах со ступенчатым изменением фазовой скорости, исследовано явление образования ореола интенсивного пучка. На основе теории создана методика предварительной "холодной" настройки резонатора, позволившая скомпенсировать геометрические и электрические отклонения параметров. Исследован новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора. Определены пределы всех возможных коллективных неустойчивостей пучка в кольцевых ускорителях класса «фабрика», сформулированы требования для систем их стабилизации. Разработан новый класс магнитооптических структур для синхротронов, отвечающих требованиям высокоинтенсивных протонных ускорителей. Разработаны и предложены рекомендации к построению магнитной оптики участка медленного вывода пучка. Исследована резонансная и нерезонансная деполяризации поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 224 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 157 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ_6

1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА КЛАССА «ФАБРИКА» И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ_13

1.1 Частотно-временная характеристика комплекса_13

1.2 Основные характеристики ступеней синхротронного комплекса

без прохождения через критическую энергию_16

1.3 Проблемы большой интенсивности. Основные источники

потерь частиц____22

1.4 Гамильтоновое описание динамики заряженной частицы в

ускорителе с учетом собственного потенциала пучка_25

1.5 Условие симплектичности при решении уравнений

пространственного заряда________28

1.6 Симплектичный интегратор общего уравнения движения_30

1.7 Вихревые поля. Интеграл взаимодействия пучка с резонатором_31

1.8 Система автоматического регулирования_32

Вывод ы_______33

2. ОСОБЕННОСТИ ОДНОЧАСТИЧНОЙ ДИНАМИКИ ПУЧКА В УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУРАХ СО СТУПЕНЧАТЫМ

ИЗМЕНЕНИЕМ ФАЗОВОЙ СКОРОСТИ_35

2.1 Квазиравновесное движение в бипериодических структурах

со ступенчатым изменением фазовой скорости__^35

2.2 Основные типы погрешностей в многорезонаторном

ускорителе ионов___38

2.3 Возмущение фазового движения частиц на секции_40

2.4 Малые колебания частиц на резонаторе_42

2.5 Влияние изменения квазиравновесных параметров на

область захвата_______48

2.6 Особенности фазопролетной процедуры настройки

неидеального резонатора_:_54

Вывод ы_;__56

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОРЕОЛА ИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА_58

3.1 Взаимодействие пучка с резонатором_58

3.1.1 Нестационарные пространственно-временные переходные

процессы_60

3.1.2 Стационарные пространственные искажения поля_69

3.1.3 Параметрический резонанс и нестабильность продольного

движения_69

3.1.4 Переходной процесс с учетом обратной связи_83

3.1.5 Регулярное охлаждение пучка_92

3.2 Механическое и термодинамическое приближения к

проблеме образования ореола в высокоинтенсивных пучках_93

3.2.1 Уравнение движения с учетом постранственного заряда_95

3.2.2 Уравнение огибающих _97

3.2.3 Образование ореола пучка_98

3.2.4 Термодинамическое приближение к проблеме образования

ореола_101

3.2.5 Результаты численного моделирования_102

Вывод ы _106

4. МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА С МАЛЫМ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ КОМПАКТ-ФАКТОРОМ ДЛЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО СИНХРОТРОНА 107

4.1 Ограничение на продольный импеданс и требуемый

компакт-фактор_108

4.1.1 Взаимодействие с широкополосным импедансом_108

4.1.2 Взаимодействие с узкополосным импедансом_П6

4.1.3 Стабилизация продольных неустоичивостей_122

4.2 Поперечные неустойчивости_123

4.2.1 Микроволновая неустойчивость_123

4.2.2 Взаимодействие с резонансным импедансом_124

4.2.3 Взаимодействие с резистивными стенками камеры_125

4.3 Резонансная магнитооптическая структура _126

4.3.1 Теория_127

4.3.2 Модуляция р функции_;_137

4.3.3 Модуляция функции градиента_142

кривизны. Вывод ы_

5. ПРОБЛЕМЫ ИНЖЕКЦИИ, РАЗМЫВАНИЯ И МЕДЛЕННОГО ВЫВОДА ИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА_

5.1 Физические требования к параметрам пучка из

линейного ускорителя при инжекции в синхротрон_

5.2 Стратегия инжекции__

5.3 Размывание пучка в продольной плоскости _

5.4 Магнитная оптика кольца-растяжителя МКФ_

5.4.1 Линейная оптика_

5.4.2 Нелинейные магнитнооптические линзы_

5.4.3 Септумы_

5.4.4 Влияние погрешностей полей и установок магнитнооптических элементов на потери частиц_

5.4.5 Результаты численного моделирования__

5.5 Октупольная компенсация пространственного заряда при возбуждении резонанса третьего порядка_

Вывод ы _

6. РЕЗОНАНСНАЯ И НЕРЕЗОНАНСНАЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА И АДАПТИРО-

ВАННЫЕ МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ_186

6.1 Аберрационные моменты спина пучка в нерегулярных и переодических каналах транспортировки, построенных на

квадрупольных линзах и соленоидах_187

6.1.1 Создание заданного направления_187

6.1.2 Аберрация спина в каналах транспортировки_190

6.1.3 Канал транспортировки поляризованных протонов

Московской мезонной фабрики_194

6.1.4 Вектор спина в периодическом канале ускорителя_198

6.2 Эффекты деполяризации в синхротронах_^_205

6.2.1 Магнитооптические вставки в синхротронах для

сохранения поляризации пучка_208

Вывод ы_____210

ЗАКЛЮЧЕНИЕ___212

ЛИТЕРАТУРА___215

153

154

157

160

160

164

172

176

180

182

184

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время физика протонных пучков и техника ускорителей вступила в новую фазу своего развития и прежде всего это связано с качественно новым этапом физики частиц, физики твердого тела, а также с использованием протонного ускорителя, как мощного инструмента для развития новых технологий. В связи с этими тремя физическими задачами можно говорить о трех приложениях использования нового класса высокоинтенсивных протонных ускорительных комплексов - мезонных, каонных и нейтронных «фабрик».

Первое приложение - это физика элементарный частиц, где в результате интенсивных экспериментальных и теоретических исследований последних трех десятилетий были сформулированы и экспериментально подтверждены теория сильных взаимодействий и объединенная теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Было выяснено, что фундаментальным принципом, лежащим в основе взаимодействий кварков и лептонов, является принцип калибровочной инвариантности, а переносчиками сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий служат калибровочные поля. Хотя все эти процессы описываются стандартной моделью, целый ряд внутренних трудностей указывают на тот факт, что стандартная модель не может претендовать на роль полной окончательной теории частиц и их взаимодействий. Поэтому «ускорительная» физика с использованием протонных пучков сейчас развивается по двум направлениям: создание ускорителей на сверхвысокие энергии, порядка несколько ТэВ (коллайдеры) и относительно невысокой интенсивности, и создание ускорителей сверхвысокой средней интенсивности (фабрики), на два порядка превышающие по интенсивности существующие машины и с энергией несколько десятков ГэВ. Если коллайдеры будут искать новые частицы методом прямого поиска в области энергий порога их рождения, то сильноточные ускорители-«фабрики» исследуют редкие распады, обусловленные новыми типами взаимодействия на малых расстояниях, соответствующих масштабам энергий порядка десятка ТэВ /1/. Для этого нужны прецизионные интенсивные пучки каонов, получение которых возможно только с помощью сверхинтенсивных протонных ускорительных комплексов-каонных фабрик. Каонная фабрика-это высокоинтенсивный ускорительный протонный комплекс со средним током 100-200 мкА, включающий в себя линейный ускоритель на энергию до 0.6-1 ГэВ, бустер-синхротрон на энергию 3-5 ГэВ и основной синхротрон с функциями медленного вывода на энергию 30-50 ГэВ /2-4/. Создание каонной фабрики позволяет на новом уровне осуществить поиск легких слабовзаимодействующих частиц фотино, аксиона, фамилона и т. д. Можно также ожидать, что эксперименты на каонной фабрике позволят выяснить вопрос о нарушении СР инвариантности. В области сильных взаимодействий каонная фабрика является уникальным инструментом для изучения спектра масс и основных низкоэнергетических характеристик адронов. Решение проблемы глюониев требует проведения экспериментов с высокой статистикой и возможностью варьирования состава пучка 71, К,р,р. Важным направлением исследования сильных взаимодействий является

поиск четырехкварковых и шестикварковых состояний, обнаружение и изучение "обычных"мезонов с высокими спинами и наконец изучение кварковой структуры атомного ядра. Большой интерес в настоящее время вызывает обсуждение экспериментов с поляризованными частицами. В связи с этим, новые сильноточные

ускорительные комплексы всегда рассматриваются в плане исследования возможного ускорения поляризованных протонов. Дополнительная задача обеспечения качества поляризованного пучка возникает при проведении эксперимента по исследованию эффектов нарушения пространственной четности в нуклон-нуклонных взаимодействиях. Этот эксперимент позволяет изучить слабое взаимодействие адронов в виде, наиболее свободном от поправок, связанных с ядерной структурой. Слабое взаимодействие адронов, в свою очередь, рассматривается сейчас в качестве "зонда" для теории сильных взаимодействий. При проведении этого эксперимента важно знать и контролировать распределение поляризации по сечению пучка, то есть значения первых моментов компонент вектора спина относительно поперечных осей координат. И наконец, каонная фабрика является сверхинтенсивным источником нейтрино, что само по себе представляет большой интерес для фундаментальной физики.

Вторым приложением использования высокоинтенсивных протонных ускорительных комплексов является нейтронная физика. Рассеивание нейтронов дает фундаментальную микроскопическую информацию о структуре и динамике материалов, создающую основы понимания конденсированной материи. Благодаря исследованиям, проведенным на нейтронных пучках, сделан выдающийся вклад в детальное понимание на микроскопическом уровне таких материалов, как пластик, протеин, полимеры, фиброматериалы, жидкие кристаллы, керамика, сильные магниты и сверхпроводники. Изучены фундаментальные явления такие, как фазовые переходы, квантовые среды и спонтанное упорядочение. В настоящее время возникло целое новое направление в науке - рефлектометрия. Благодаря тенденции увеличения интенсивности нейтронных источников можно говорить о более высокой степени разрешения в пространстве и во времени, в материаловедении и в биологии. Традиционно нейтроны производятся за счет реакции деления в реакторах, оптимизированных для получения больших потоков нейтронов. Недостатком такого метода получения нейтронов является большое выделение тепла в реакторе, которое нужно отводить. Даже в наиболее технологичных реакторах, использующих обогащенное топливо, рассеивание тепла приблизилось к своему пределу. "Ускорительный"метод получения нейтронов основан абсолютно на другом принципе. Впервые такое предложение было сделано сотрудниками МРТИ и ИЯИ А.А.Васильевым, Р.А.Мещеровым, Б.П.Муриным и Ю.Я.Стависским 151. Нейтроны как бы "скалываются" (spallation process) при бомбардировании тяжелого металла

протонами высокой энергии, полученными на ускорителе. Выход нейтронов зависит от энергии. Оптимальное значение лежит в диапазоне 1.0-1.4 ГэВ, хотя рассматриваются варианты и с большой энергией, например 30-40 ГэВ. С развитием ускорителей этот метод получения нейтронов становится все более перспективным. Для создания нейтронного источника, основанного на "ускорительном" методе, нужна нейтронная фабрика. Нейтронная фабрика - это высокоинтенсивный ускорительный протонный комплекс со средним током 3-5 мА, включающий в себя линейный ускоритель на энергию до 1.0-1.4 ГэВ и кольцо-группирователь, или синхротрон с конечной энергией от 3 ГэВ до 40-50 ГэВ /6,7/. В случае синхротрона средний ток может быть пропорционально энергии уменьшен, то есть порядка 0.1-1 мА. В настоящее время разрабатываются, по крайней мере, четыре ускорительных проекта: Национальный нейтронный источник в США (NSNS, Oak Ridge), Европейский нейтронный источник (ESS), Японский адронный проект (JHP, Tsukuba) и Российский нейтронный источник

(ИЯИ РАН , Троицк). Мощность, на которую ориентируются при разработке таких источников, достигает 5 МВт.

И наконец третьим приложением использования высокоинтенсивных пучков протонов являются технологические ускорители для уничтожения ядерных отходов и сжигания военного плутония /8-10/. Впервые применение технологии уничтожения ядерных отходов с помощью ускорителей стало обсуждаться в Лос Аламосе (accelerator driven transmutation technology, ADTT). Наличие большого запаса ядерного оружия и проблема его уничтожения стимулируют к разработке дешевых методов его уничтожения. Схематично этот метод выглядит так /9/: 1. протонный пучок, ускоренный до энергии 0.6-1.0 ГэВ, падает на жидкую свинцовую мишень, производя большое количество нейтронов (spallation process); 2. нейтроны термолизируются и множатся в зоне воспроизводства, окруженной графитовым замедлителем и содержащей ядерное горючее и ядерные отходы в виде циркулирующих солей флюорита, растворенных в расплавленных солях-носителях; число нейтронов увеличивается в 10-20 раз, что соответствует увеличению мощности в 20-40 раз; 3. энергия, выработанная в высокотемпературных солях, направляется для производства электричества с эффективностью более 40%, при этом часть электроэнергии (20-30%) идет на питание ускорителя; 4. плутоний и другие актиноиды полностью сжигаются; продукты ядерного распада постоянно циркулируют и разделяются на долгоживущие и короткоживущие изотопы; долгоживущие изотопы возвращаются в рабочую зону для трансмутации, а короткоживущие посылаются в специальный отстойник-накопитель. Ускоритель, который требуется для такого технологического процесса, должен обеспечить пучок средней мощностью 10-300 МВт и энергией 400-1600 МэВ. Трансмутационный комплекс в значительной степени повторяет мезонную фабрику, сооруженную в Институте ядерных исследований.

Итак, каждый из комплексов может быть рассмотрен, как продолжение другого: мезонная и трансмутационная фабрики есть первая ступень нейтронного комплекса, а нейтронный есть первые две ступени каонного комплекса. Общей отличительной особенностью каонного, нейтронного и трансмутационного (или мезонного) комплексов является высокая средняя мощность пучка, что означает большие пиковые токи и высокую цикличность комплекса вплоть до непрерывного режима. В то же время, исходя из необходимого времени жизни установки 20-25 лет и радиационной стойкости материалов, из которых сделан сам ускоритель, потери частиц при ускорении должны быть уникально низкими на уровне 1нА на метр длины машины при среднем токе 1 мА /11/. Причем, с ростом энергии ограничение возрастает. Из этих значений абсолютных потерь легко определить, что относительные потери должны быть на уровне 1СГ3 10 7. Таким образом, при ускорении пучка на последней его стадии мы имеем право потерять одну частицу из 10 миллионов. Более высокий уровень потерь приведет к сокращению