Физико-технические аспекты создания установок электронного охлаждения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

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

На правах рукописи

ГГ5 ОД

СУХИНА Борис Николаевич

' - з ш ш

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

НОВОСИБИРСК-2000

Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО Р/ ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Ауслендер Вадим Леонидович

Зенкевич Павел Романович

доктор, технических наук, профессор, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО Р г. Новосибирск

доктор физико-математических наук, ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики", г. Москва

Ширков доктор физико-математических наук,

Григорий Дмитриевич Объединенный инстихут ядерных исследований, г. Дубна

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт ядерных исследований РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится

в «

1°

«

20(

_» часов на заседании диссертационного со

Д.002.24.02

в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан «

3

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор фю.-мат. наук

ъъъичо^о^оъ въм.ш.оы /}03

2000 г.

А А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Метод встречных пучков получил заслуженное признание в физике высоте энергий. В накопителях со встречными электрон - электронными и элек-юн - позитронными пучками благодаря синхротронному излучению полу-штся пучки малых размеров и, как следствие этого, - большая светимость, дя простейшего случая одинаковых пучков светимость

4 тЪ

Здесь Ые+ , Ые~ - число частиц, соответственно, в позитронном и элек-ронном пучках, частота обращения, а и Ь - горизонтальный и верти-альный размеры пучков в месте встречи.

Для тяжелых частиц (протонов, антипротонов) синхротронное излучение рактически отсутствует во всем диапазоне доступных в настоящее время нергий, поэтому понадобился другой механизм затухания поперечных бета-ронных и синхротронных колебаний.

В 1966 году Г.И. Будкер предложил метод демпфирования колебаний тя-селых частиц в накопителях, основанный на использовании кулоновского заимодействия циркулирующего пучка тяжелых частиц с сопутствующим холодным" электронным пучком. Для этого на отрезке орбиты накопителя оздается пучок электронов, средняя скорость которых совпадает со средней родольной скоростью накапливаемых частиц (протонов, антипротонов). Те-ловая энергия тяжелых частиц передается в столкновениях электронам, что риводит к уменьшению размеров ("температуры") пучка накапливаемых астиц. При этом на тяжелые частицы со стороны электронного пучка дейст-ует сила трения, приводящая к затуханию бетатронных колебаний с декре-шнтом, который для случая максвелловского распределения электронов по коростям имеет вид:

2„4г Г 7

Л =

8

]е

г т > 2лкТ

'1

V

ЪуМт

Здесь е, т , ]е, V, Т - соответственно, заряд, масса, плотность, скорость и ■смпература электронов; Ь - кулоновский логарифм; т] - отношение длины (бласти охлаждения к периметру накопителя; М - масса протонов,

3

у = {l — v2/c2 ) 2. При плотности электронного тока je = 1 A/cm2 и темп

туре электронного пучка Т = 1 эВ время затухания составляет 5 сек протонов с энергией 65 МэВ.

Установившийся размер а, определяется диффузионными процесс такими как рассеяние на электронном пучке, рассеяние на остаточном гг на когерентных флуктуациях:

2 А

а. -

2Я¡

где!),- коэффициент диффузии; - декремент затухания по данной

пени свободы. При наличии только первого механизма, - диффузии на ; тронном газе, - затухание идет до полного выравнивания температур : тронов и протонов, при этом угловой и энергетический разброс прот уменьшается в корень из отношения масс взаимодействующих частиц:

ш *

Имея механизм демпфирования поперечных колебаний, можно созда накопители тяжелых частиц с большой светимостью.

Метод электронного охлаждения позволяет осуществить эксперимент встречных протон-антипротонных пучках. При этом особенно важной яв.1 ся возможность использования большего фазового объема антипротонов лучаемых на конверторе с многократным их накоплением.

Электронное охлаждение позволяет также получать пучки тяжелых тиц с высокой монохроматичностью.

Настоящая диссертация посвящена описанию экспериментальных ; новок для реализации метода электронного охлаждения и изучения воз! ностей метода.

Для экспериментального изучения метода электронного охлажден Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР был пост накопитель НАП-М, который являлся одновременно моделью накопител типротонов проектируемого комплекса установок со встречными пр< антипротонными пучками ВАПП-НАП

Проектирование накопителя и изготовление отдельных узлов было нг в ноябре 1971 года. В мае 1974 года начаты работы с двумя пучками.

В мае - июне 1974 года на накопителе проводились первые эксперим по электронному охлаждению. Основные результаты состояли в следуюп: при сведении скоростей электронов и протонов с точностью < 10"3 наблю,

4

[ увеличение времени жизни протонов, затухание бетатронных колебаний, ныпение энергетического разброса в протонном пучке и увлечение (уско-яе или замедление) протонов электронами. При разведении скоростей до ~ О"3 перечисленные эффекты исчезают.

В своем первом сообщении Г.И. Будкер обсуждал электронное охлажде-протонного пучка для увеличения светимости встречных пучков. Для гонов с энергией 500 МэВ он оценивал время охлаждения около 100 сек В первых экспериментах по электронному охлаждению было получено мя затухания 5 сек вместо ожидаемых 3.7 сек. Однако после улучшения Зилыюсти источников высоковольтного питания пушки (лучше чем 5*10"5) 'лучшения качества продольного магнитного поля (кривизна силовых :ий лучше чем Ю"4 по углу) были получены при тех же самых периментальных условиях время охлаждения 80 мсек и угловое пределение протонного пучка 3 * 10"5 радиан.

Успехи на НАП-М стимулировали создание установок электронного ох-сдения ICE (Initial cooling experiment) в ЦЕРН и Test Ring experiment в эмилаб.

Метод электронного охлаждения был развит в экспериментальных и тео-ических исследованиях, проведенных в Новосибирске , что привело к от-ггию быстрого электронного охлаждения

;ьма большая величина декремента затухания, полученная на установке Л-М позволила сделать новый принципиальный шаг в освоении метода ктронного охлаждения: перейти от охлаждения частиц в накопителе к литому электронному охлаждению. Если для охлаждения пучка тяжелых тиц в накопителе он должен пройти через участок охлаждения много ты-[ или даже миллионов раз, то в случае линейного охлаждения заметный фект может быть достигнут уже при однократном прохождении участка гаждения. При разумных параметрах электронного пучка необходимая та участка охлаждения составляет несколько десятков метров. По пред-кению Н.С. Диканского в 1976 году были проведены оценки возможности яейного электронного охлаждения, а в 1978 году начато проектирование -ановки линейного электронного охлаждения, названной "Модель соленои-'. Основными задачами, ради которых создавалась установка, были: во-рвых, экспериментальное изучение быстрого электронного охлаждения в апазоне малых относительных скоростей ионов и электронов, во-вторых, следования по созданию интенсивного электронного пучка с малым раз-осом скоростей и транспортировке этого пучка на большие расстояния, в-гтьих, изготовление длинного соленоида с высокой однородностью магнит-го поля - прототипа соленоида источника антипротонов УНК.

5

Для экспериментального осуществления линейного электронного охлаэ дения была выбрана энергия охлаждаемых отрицательных ионов водорода 1 МэВ. Применение отрицательных ионов водорода обусловлено следующ ми причинами. Во-первых, это позволяет провести моделирование охлажд ния антипротонов. Как показано в докторской диссертации В.В. Пархомчу] при малых относительных скоростях ионов и электронов возникает различ] в кинетике охлаждения положительно и отрицательно заряженных ионов, частности, конечная температура охлажденного пучка отрицательно заряже ных ионов (антипротонов) меньше, чем для положительно заряженных. В

вторых, применение ионов Н позволяет легко измерять угловую расход мость ионного пучка непосредственно на участке охлаждения. Это осущест ляется путем перезарядки на участке охлаждения части отрицательных иою водорода в нейтральные атомы, что позволяет избежать дефокусирущего де ствия электрического поля в коллекторе электронов, а также спадающе магнитного поля соленоида после выхода иона с участка охлаждения. П( этом по изменению угловой расходимости пучка нейтральных атомов мож: судить об охлаждении поперечного разброса скоростей отрицательных ионо:

Экспериментальное осуществление линейного электронного охлажден потребовало решения ряда сложных технических проблем. Высокая точное совмещения пучков как по положению, так и по направлению и величт скорости накладывает жесткие требования на стабильность энергии пучков всех корректирующих элементов, а также требует высокой однородности, также колинеарности сопровождающего магнитного поля (Bj_ /В0 ~ 10" Большое количество каналов управления и контроля, а также необходимое математической обработки экспериментальных данных непосредственно процессе эксперимента потребовало высокой степени автоматизации устано ки, которая осуществлялась при помощи ЭВМ. На участке охлаждения по держивается вакуум до Ю"10 Topp. Внутри соленоида в высоком вакууме п редвигается управляемый от ЭВМ пробник с высокой точностью перемет ния и рабочим ходом ~ 2м.

Первые работы на установке "Модель соленоида" начались в 1982 г., а конце 1983 г. закончен монтаж и проведены первые успешные эксперимен! по линейному электронному охлаждению. Декремент охлаждения продольн го разброса скоростей ионов достигает на установке "Модель соленоид максимального значения 3,8* 105 сек. (Время охлаждения 2.6 *10"6 сек!)

Через несколько лет были успешно проведены эксперименты по эле тронному охлаждению протонного и ангипротонного пучков на у станов LEAR (CERN)

В настоящее время метод электронного охлаждения хорошо разработан

6

:оретически, исследован и освоен. Девять установок с электронным охлаж-:нием были созданы в 1988-1992 годах: LEAR, IUGF, TSR, CELSIUS, \RN-II, ESR, CRYRING, ASTRID, COSY + электронный холодильник по-роенный в ИЯФ для синхротрона SIS (1998).

Электронное охлаждение стало прекрасным инструментом для охлажде-[я всех элементов периодической таблицы, в том числе многозарядных и (лностью ободранных ионов. Например, на синхротроне SIS время лаждения ионов висмута составляет 100 мсек.

В последние годы рассматривались проекты ионных коллайдеров CSR в нституте Современной Физики IMP в Китае и проекты MUSES в RIKEN в тонии. В ИЯФ был подготовлен проект системы электронного охлаждения i энергию электронов 350 кэВ, легко модернизируемой до 1.5 МэВ. Осно-шаясь на технологиях, развитых и отработанных в ИЯФ, эта автономная :стема электронного охлаждения включает в себя электронную пушку, кол-ктор, магнитную систему и необходимые высоковольтные источники пита-

1я.

Этим проектом заинтересовались в Институте Современной Физики IMP Танжоу, Китай) . Сейчас в институте ядерной физики разрабатывается >оект двух охладителей ЭХ-35 и ЭХ-300 на энергию электронов 35 кэВ и Ю кэВ. Диапазон энергии охлаждаемых ионов, соответственно, до 50 и Ю МэВ/нуклон.

Практическая ценность

Созданы установки НАП-М и «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА». Разработан нога проект двух установок электронного охлаждения для тяжелоиннного мплекса CSR.

Создание установок НАП-М и «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА» позволили ^работать метод электронного и провести многочисленные эксперимен-льные исследования основных свойств электронного охлаждения, исследо-[ния особенностей и возможностей метода.

Созданные установки дали возможность разработать метод, который от->ыл ряд новых возможностей в физике элементарных частиц и атомного яд-i:

1. Создание установок со встречными протон-антипротонными пучками >лыпой светимости на высокие и сверхвысокие энергии.

2. Создание установок со встречными протон-антипротоииыми пучками в ¡ласти средних энергий (порядка ГэВ), но с очень высокой монохроматич->стью для прецизионных экспериментов.

3. Создание ускорителей протонов, антипротонов, многозарядных ион очень высокой монохроматичности для прецизионных экспериментов по ф зике атомного ядра. Особенно перспективными представляются подобн эксперименты с применением внутренних сверхтонких мишеней.

4. Получение большого количества медленных антипротонов для изу* ния взаимодействия антипротонов с ядрами и исследования электромагнита и ядерно-связанных нуклон-антипротонных состояний.

5. Получение интенсивных и направленных потоков антиводорода (аш атомов) для проведения экспериментов по изучению свойств антиатома других экзотических целей

Это перечисление не исчерпывает, безусловно, все возможные приме! ния метода, а имеет целью обратить внимание на их широкий диапазон.

На изготовление двух установок ЭХ-35 и ЭХ-300 из нового проекта < рии установок электронного охлаждения заключен контракт с Институт! Современной Физики (Ланжоу, Китайская Народная Республика). У станов ЭХ-35 должна быть изготовлена, испытана и поставлена в 2001 году, втор установка ЭХ-300 должна быть изготовлена, испытана и поставлена к авгус 2002 года.

На защиту выносятся:

Установка для проведения экспериментов по электронному охлажден) протонного пучка НАП-М.

Установка для проведения экспериментов по электронному охлажден! протонного пучка и отрицательных ионов водорода МОДЕЛЬ СОЛЕНОИД.

Проект установок электронного охлаждения ЭХ-35, ЭХ-300 с энергв электронного« пучка 35 кэВ, 300 кэВ.

Основные результаты работы на установке НАП-М, достигнутые при < щественном вкладе автора, состоят в следующем:

1. Разработана и изготовлена установка НАП-М для изучения основн свойств электронного охлаждения, в частности:

1.1. Подготовлен инжектор протонов, в том числе создан импульсн протонный источник типа дуоплазматрон с током до 2 мА, реконструировг ускорительная трубка, разработана система стабилизации напряжения электростатического ускорителя со стабильностью 2*10'4.

1.2. Разработана система наблюдения за пучком, в том числе разрабо ны новые методики измерения: метод пересекающей нити, метод магниево! струи, метод нейтральных атомов.

1.3. Получен рекордный по тем временам сверхвысокий вакуум в устатке (в основной части накопителя вакуум составлял 5*10"п Topp), позво-шший проводить как ускорение протонов, так и работу с охлажденным прошлым пучком.

1.4. Проделана работа по изучению параметров накопителя и характери-ик ускоренного пучка.

1.5. Разработано управление от ЭВМ, позволяющее полностью автомати-[ровать рабочий цикл накопителя.

1.6. Проведено большое количество экспериментов по изучению свойств [ектронного охлаждения, в частности получено время затухания протонного лпса 80 мсек. Время жизни протонного пучка в накопителе при этом дости-шо 10000 сек.

Вклад автора в создание инжекционного тракта и системы автоматизации АП-М был определяющим.

Установка «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА» была создана при определяющем сладе и под руководством автора. Основные результаты работы на установ-достигнутые при существенном вкладе автора, состоят в следующем:

1. Разработана и изготовлена установка линейного электронного охлаж-;ния, в частности:

1.1. Инжектор отрицательных ионов водорода, позволяющий ускорять в жорительной трубке одновременно три пучка. Один из пучков используется тя системы стабилизации напряжения электростатического ускорителя с со габильностью 5*10"5.

1.2. Канал транспортировки пучка, в том числе паромагниевая переза-вдная мишень, позволяющая проводить эксперименты как с отрицательно фяженными ионами водорода, так и с протонами.

1.3. Соленоид длиной 2,88 м с высокой однородностью магнитного поля х / В0 < 10 " на длине 2,5 м. Предложен и осуществлен метод измерения не-июродности магнитного поля с чувствительностью Вх / В0< 10 "5.

1.4. Разработана система сведения пучков, наблюдения за пучком. Внут-и соленоида в сверхвысоком вакууме передвигается управляемый от ЭВМ робник с высокой точностью хода и рабочим ходом 2 м.

1.5. Канал для регистрации эффекта охлаждения, включающий спектро-етр, датчик отклонения энергии и пр .

1.6. Разработаны методики измерения продольной и поперечной силы рения, профиля распределения пучка нейтральных атомов.

1.7. Получен сверхвысокий вакуум в установке Ю"10 Topp, позволивший роводить эксперименты по охлаждению как протонов, так и отрицательных онов водорода.

1.8. Система автоматизации эксперимента и соответствующее програм.\ ное обеспечение. Система включала в себя ЭВМ «Электроника-100/25» и КАМАК крейтов подключенных к «Электроникс-100/25» через 3 промеж? точные «Электроника-60». Система автоматизации имела более 130 канале управления и измерения.

2. Проведены ряд экспериментов по изучению электронного охлаждени. в частности проведенные эксперименты по измерению силы трения ионе при движении их в холодном замагниченном электронном пучке показал] что существует заметная разница в силах трения для положительно и отриц: тельно заряженных частиц.

3. При токе электронов порядка 5 мА декремент охлаждения малс го продольного разброса скоростей ионов достигает максимального значен* ^Птах« 3,8* 105 сек. (Время охлаждения 2.6 10"6 сек!)

С целью дальнейшего развития метода электронного охлаждения разр. батывается проект установок электронного охлаждения ЭХ-35 и ЭХ-300 до Института современной физики IMP (Ланжоу, Китайская Народная Рсспубл! ка), которые в частности включают в себя: соленоид, магнитную систем транспортировки пучка, электронную пушка, коллектор, систему высок* вольтного питания. При разработке проекта существенен вклад автора в ра работку узлов пушки и коллектора, включая высоковольтную часть магнитную ситсему

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка лип ратуры. Текст диссертации состоит из 222 страниц, 97 рисунков и 20 табли Список литературы состоит из 108 наименований.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всес< юзных Совещаниях, международных рабочих совещаниях и конференциях семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, а тао опубликованы в 52 работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация разбита на главы, в каждой из которых содержится, к описание и назначение конкретной установки, так и приводятся основнь экспериментальные результаты, полученные на этих установках.

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложено существо и

10

жременное состояние исследуемых вопросов, сформулированы цели иссле-эваний и разработок, приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе описаны узлы и системы модели накопителя аягапрото-эв НАП-М.

Рис. 1 Схема накопителя НАП-М.

Таблица I. Основные параметры накопителя НАП-М.

Энергия протонов до 150 МэВ

Радиус кривизны траектории в магнитах 3 м

Длина прямолинейных промежутков 7,1м Размер вакуумной камеры в магнитах:

Вертикальный ± 3,5 см

Радиальный ± 5 см

Апертура на участке охлаждения ± 2,5 см

Частоты бетатронных колебаний: V* 1,24

V, 1,34

Значения функции Флоке:на участке охлаждения 0.7

Значение у -функции в промежутке 0,8

Критическая энергия 110 МэВ

Длительность цикла ускорения. 30 сек

Рис. 1а, Фотография накопителя. Вид со стороны инжектора.

Накопитель протонов НАП-М, представляет собой синхрофазотрон с н левым градиентом и краевой фокусировкой. Длинные промежутки позволж разместить экспериментальное оборудование, в том числе установку эле тронного охлаждения. Корректирующие элементы выполненные в ви линзы Панофского располагались по концам прямолинейных промежутке Корректирующие элементы имеют дипольные, квадрупольные и секступол

виток; 4 - водоохлаждаемый экран; 5 - теплоизоляция; 6 - вакуумная камер 7 - нагреватели; 8 - шпилька; 9 - обечайка; 10 - шины.

Прогревная до 300°С вакуумная камера, выполненная из нержавеющей стали, откачивалась десятью магниторазрядными насосами с производител! ностью 300 л/сек и сорбционными насосами с титановыми испарителями, обеспечивающими вакуум в основной части накопителя 5x10'" Topp, что 6i ло достаточно для проведения экспериментов по электронному охлаждению

В качестве инжектора накопителя использован электростатический i нератор с энергией 1.5 МэВ, который был значительно модернизирован.

12

Был изготовлен новый ионный источник (типа дуоплазматрон) с током ютонов 1.5 мА в импульсе. Была создана система импульсной синхрониза-ги запуска ионного источника.

При работе с ионным пучком выяснилось, что заводская конструкция корительной трубки с плоскими электродами не обеспечивает достаточную :ранировку ее изоляторов от попадания рассеянных заряженных частиц.

Искажения поля трубки, вследствие зарядки изоляторов этими части-ми, сильно сказываются на траектории ионного пучка, в особенности в наше трубки, где энергия ионов еще мала. Вследствие этого на выходе уско-ггельной трубки наблюдались самопроизвольные смещения положения пуч-I в пределах ±2,3 см. ' •

Для устранения этого недостатка в ускорительную трубку были вмон-фованы специальные вставки из нержавеющей стали, обеспечивающие экипировку изоляторов при сохранении вакуумной электрической прочности.

Была разработана система стабилизации напряжения электростатиче-сого ускорителя, обеспечивающая, стабильность энергии инжектируемых ротонов 2+3 * 10 "4.

Приводятся результаты численного расчета канала инжекции и табли-1 основных параметров элементов канала

В одном из прямолинейных промежутков накопителя расположена уста-эвка с электронным пучком. Ее схема приведена на Рис.3.

Таблица 2. Параметры установки с электронным пучком Длина участка охлаждения Энергия электронов Ток электронов Стабильность энергии Сопровождающее магнитное поле

Рис. 3. Схема установки с электронным пучком: 1-электронная пушка; 2-анодный блок; 3-обмотка соленоида; 4-участок

13

1 м

до 100 кэВ до 1 А лучше 1.10"4 1 кГс

поворота электронного пучка; 5-участок охлаждения; 6-вакуумная камера. ' коллектор; 8-сосредоточение магнито-разрядные насосы; 9-корректируюиц магниты.

В первой главе также приводятся результаты измерений параметров к копителя и ускоренного протонного пучка. Здесь же приводятся основнь экспериментальные результаты по изучению электронного охлаждения, пол; ченные на НАП-М.

Измерение параметров протонного пучка проводилось различными его собами:

1. Измерение тока пучка циркулирующих протонов производилось маг» тометром, измеряющим магнитное поле пучка. Ток сбунчированного пуч! измерялся интегральным пикап-электродом и поясом Рошвского.

2. Для измерения размеров и положения протонного пучка попользов; лись апертурные пробники, пересекающие пучок с малой скоростью.

В экспериментах пробник и сцшггиляционый счетчик располагались п< следовательно по ходу протонов на противоположных концах прямолинейа го промежутка (Рис. 1).

3. Метод пересекающей нити. Тонкая кварцевая нить, пересекающая п; чок с достаточно высокой скоростью, позволяет, в отличие от предыдуще] метода, измерять распределение плотности протонов без разрушения пучка.

Конструктивно датчик выполнен в виде рамки, одна сторона которой ж стко закреплена на стальной струне диаметром 1,6 мм (Рис.4).

Рис.4. Метод пересекающей нити. 1 - протонный пучок, 2 - стальная лруна, 3 - кварцевая нить, 4 - удерживающие электромагниты, 5 - якорь.

Рис.5 Распределение плотности протонного пучка по вертикали (метод пересекающей нити). Масштаб развертки 5,5 мм/большое деление.

вверху - электронное охлаждение включено, ток электронов 100 мА, энергия протонов 65 МэВ, установившийся размер 1,4 мм;

внизу - электронное охлаждение не включено, пучок через 200 сек после ускорения.

На противоположной стороне закреплена тонкая кварцевая нить диаметром 2-3 мкм. Рамка может совершать свободные крутильные колебания вокруг оси струны с частотой 40 Гц. В двух крайних положениях рамка фиксируется с помощью электромагнитов. Участок с максимальной скоростью нити соответствует моменту пересечения пучка. Однократное пересечение производится выключением электромагнитов на время пролета рамки от одного крайнего положения к другому.

Электроны, эмитированные из нити под действием протонного пучка, фокусировались на люминофор и ускорялись до энергии, необходимой для свечения люминофора с малым временем послесвечения.

4. Метод магниевой струи основан на регистрации электронов ионизации, возникающих при пересечении протонного пучка тонкой струёй паров магния. Относительно невысокая температура сублимации магния, его низкая химическая активность при температуре 450° С, а также отсутствие необходимости в специальных мерах предосторожности в обращении с ним заставляют отдать магнию предпочтение в сравнении с другими металлами (литием, бериллием).

5. Метод нейтральных атомов водорода. На участке охлаждения при малых относительных скоростях протонов и электронов наблюдается радиационная рекомбинация протонов и электронов с образованием нейтральных атомов водорода. Эти атомы, имеющие энергию протонов, через специальное окно в вакуумной камере (фольга из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм) выводятся наружу (Рис. 1). Регистрируя как полный поток, так и профиль пучка нейтральных атомов, можно измерить размер и угловую расходимость протонного пучка на участке охлаждения.

Возрастание времени жизни протонов было первым эффектом, обнаруженным в экспериментах по электронному охлаждению.

15

Рис. 6. Зависимость тока протонного пучка от времени. 1 - электронное охлаждение отсутствует, 2 - режим электронного охлаж дения. Энергия протонов 65 МэВ, ток электронов 100 мА.

Во второй главе описывается установки МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА. Схема установки для изучения линейного электронного охлаждени представлена на рис. 7.

1—трехпучковый источник ионов Н~, 2—электростатический ускор! тель, 3—паромагниевая мишень. 4— электронная пушка, 5—соленоид, 6-коллектор электронов. 7—спектрометр, 8—дополнительный соленоид.

Ниже показан канал транспортировки электронного пучка.

Рис. 8. Канал транспортировки электронного пучка:

1 - соленоид, 2 - дополнительный соленоид, 3 - магнитный корректор ¡ведения, 4 - магнитный экран соленоида, 5 - подставки под соленоид, 6 -

>лектростатический корректор нацеливания пучка Н , 7 - электронная пуш-<а, 8, 9, 10, 11, 12 - электроды с полупроводящими стеклами, 13, 14, 15, 16, 17, 18- пикап-электроды (соответственно 1У, IX, 2У, 2Х, ЗУ, ЗХ), 19 - труб-са диаметром 10 мм. 20 - тележка с рамками из танталовой фольги, 21 -грубка отсоса ионов, 22 - измерительный коллектор (вьюеден), 23 - запираю-ций электрод в коллекторе, 24 - магнитный экран коллектора, 25 - коллектор, 16 - вакуумная камера, 27 - направляющие для передвижения тележки

Изменение знака заряда ионов осуществляется включением на входе в ;оленоид специальной паромагниевой мишени, на которой происходит двой-аая ионизация отрицательных ионов водорода.

Затем пучок ионов направляется в соленоид, где сводится (совмещается в пространстве, а также по направлению и величине скорости) с электронным пучком. Электронный пучок формируется электронной пушкой, погруженной в магнитное поле соленоида, и транспортируется вдоль магнитного поля соленоида до коллектора электронов. Для локального изменения магнитного поля в области пушки внутри основного соленоида располагается короткий дополнительный соленоид, что позволяет регулировать размер электронного пучка на участке охлаждения. Взаимодействие ионов с электронным пучком приводит к изменению их энергии и поперечных углов. После выхода из соленоида ионы попадают в электростатический спектрометр, предназначенный для измерения продольной силы трения. Регистрация нейтральных атомов водорода производится позиционно-чувствительным датчиком, находящимся на расстоянии 12 м от соленоида. Управление установкой осуществлялось при помощи ЭВМ Электроника-100/25, к которой было подключено 6 КА-МАК-крейтов через промежуточные микро-ЭВМ Электроника-60".

Основные параметры эксперимента приведены в Таблице 3:

17

Таблица 3.

Энергия ионов водорода 850 кэВ

Ток ионов водорода ~1 нА

Энергия электронов 470 эВ

Ток электронного пучка 1-8 мА

Радиус электронного пучка 1 мм

Магнитное поле соленоида 1-4 кГс

Длина соленоида 2.88 м

Длина участка охлаждения 2.4 м

Для проведения экспериментов по электронному охлаждению требуете; создание продольного магнитного поля с малыми искажениями силовых ли ний ЛВ /В < 5*10"4. Высокая однородность магнитного поля необходима да достижения максимальной величины силы трения, так как искажения маг нитного поля приводят к возбуждению поперечного движения элекгрожн ("ларморовских кружков") и, следовательно, к увеличению эффективной тем пературы электронов и уменьшению силы трения.

В результате анализа технологических возможностей нашего производи ва и требований к изготовлению соленоида (точность изготовления соленоид; должна быть не хуже 0.0 Í^mm) бьтла выработана специальная технология из готовления секций длиной 2.88 м и внутренним диаметром 200 мм. Макси мальное магнитное поле 4 кГс при токе 9.5 кА

Обратный токоподвод выполнен восемью равномерно расположенным! по окружности трубками диаметром 18 мм. Для уменьшения сопротивление контактов использовался индий, который прокладывался между контакта рующими поверхностями и при стяжке секций растекался тонким слоем меж ду ними, заполняя все углубления и обеспечивая надежный контакт.

Для измерения направления магнитной силовой линии использовался ме тод "магнитной стрелки" с чувствительностью несколько лучше 10"5 рад

Вакуумная камера и ее содержимое вставлялись в соленоид после окон чания магнитных измерений и были изготовлены из немагнитных матсриало: (медь, титан, тантал, бронза, алюминий).

Результатом проведенной работы является получение однородности пол с запасом удовлетворяющей требованиям достижения максимальной скоро сти охлаждения. Среднеквадратичные отклонения силовой линии в верти кальной и горизонтальной плоскостях равны 4*10"5 и 5*10"5 рад.

В качестве инжектора ионов II используется значительно доработан ный электростатический ускоритель ЭГ-1,5. Прежде всего, необходимо был

сконструировать источник ионов Н и повысить стабильность энергии уско-

18

:емых частиц от 1% до величины, не превышающей 0.01%

Источник отрицательных ионов водорода формирует три одинаковых 'чка и работает в непрерывном режиме. Все три пучка находятся в одной юскости, причем средний проходит по оси ускорительной трубки. Расстоя-1е между пучками равно 20 мм. В качестве рабочего газа в источнике ис->льзуются пары воды (Конструкцию источника предложил Пархомчук В.В.). истема стабилизации энергии электростатического ускорителя использует в 1чсствс индикатора нестабильности энергии один из трех ионных пучков, зменение энергии ионов приводит к изменению радиуса поворота пучка в параторе и его смещению в плоскости датчика отклонения энергии 8 (см. 1с. 10). Сигнал с датчика (а при исчезновении пучка ионов с датчика сигнал )торного вольтметра) служит опорным сигналом в цепи стабилизации энер-т электростатического ускорителя. Медленные уходы определяются посто-шой составляющей сигнала с датчика отклонения энергии и отрабатывают-I системой стабилизации тока зарядки ленты. Обычно в качестве датчика гклонения энергии используются две изолированные пластинки. Однако при алом токе пучка трудно обеспечить необходимую помехоустойчивость дат-яка. Попытка заменить пластины на два люминесцентных экрана с ФЭУ казалась неудачной из-за быстрого разрушения люминофора под действием энного пучка.

На установке была использована конструкция датчика отклонения энер-«I, свободная от этих недостатков (предложение В.В.Пархомчука) :м.Рис.9). Ионный пучок 1 попадает на металлический остроугольный клин . Вторичные электроны 3 доускоряются до 4 кВ и попадают на люминес-ентные экраны 4. Световые сигналы с люминесцентных экранов усиливают-яФЭУ.

2

Рис. 9. Датчик отклонения энергии

Применение конверсии отрицательных ионов во вторичные электроны ущественно увеличивает срок службы датчика, так как разрушение люмино-

19

фора под действием электронного пучка значительно меньше, чем под дейс

вием ионов Н (протонов). Выходы ФЭУ подключены к дифференциалью му усилителю. Для получения сигнала линейного по отношению к откло» ним энергии в достаточно широком диапазоне, а также для исключения зав) симости выходного сигнала от тока ионов, система охвачена глубокой отрз цательной обратной связью. Сигнал с выхода дифференциального усилите^ подается на высоковольтный парафазный усилитель, к выходу которого по; ключены пластины 5, отклоняющие пучок. Описанная система воздейству£ на пучо^ таким образом, чтобы сигналы с обоих ФЭУ были одинаковы. Си нал с делителя парафазного усилителя пропорционален отклонению энерги и используется в системе стабилизации.

На Рис. 10 показана схема канала транспортировки пучка. Она включ; ет в себя следующие элементы: три люминесцентных пробника для наблюд< ния за пучками, 9 пар электростатических корректоров для коррекции траа

тории пучка Н в вертикальной и горизонтальной плоскостях, два магни ных квадрупольных триплета (один служит для компенсации дефокусирун щего действия электростатического поворота, другой для фокусировки из< бражения первой пары на вход в соленоид) и магнитный корректор для ра

деления пучков Н и О . Чтобы исключить разрушение люминофора ио) ным пучком, люминесцентные пробники работают с переносом изображения

/

учка вторичными электронами.

В качестве иллюстрации примененных на установке "МОДЕЛЬ СОЛЕ-ЮИДА" методик рассмотрим схему сведения электронного и ионного пуч-ов.

Ввод пучка ионов на участок охлаждения производится через небольшое тверстие в прикатодном электроде электронной пушки. Пушка смещена от си соленоида на 3.5 мм.

Рис. 11. Схема сведения пучков:

1—электронная пушка, 2—корректор сведения, рамка с током, 4— коллектор электронов, 5—люминесцентный экран, б—генератор переменного ока, 7—ключ с высокой частотой переключения.

Вывод электронного пучка на ось соленоида, где находится пучок ионов, троизводится корректором сведения. Измерение относительного положения тучков осуществлялось теневым способом при помощи колеблющейся в маг-штном поле соленоида рамки с током, закрепленной на одном конце.

Для измерений вертикального и горизонтального отклонений пучков ис-тользовались две рамки (на Рис. 11 вторая рамка не показана). Они были установлены на тележку, которая могла передвигаться в высоком вакууме вдоль тучка при помощи шагового двигателя, управляемого от ЭВМ. Обе рамки отстоят от оси на 5 мм и при выключении возбуждения не мешают прохождению пучков. Ток возбуждения передавался на рамки через троллею. Рамки соединены последовательно и для исключения одновременного возбуждения настроены на разные частоты (13 и 15 Гц), равные собственным частотам механических колебаний.

Рамка была изготовлена из танталовой фольги, изогнутой как показано на рис. 11. При движении рамка перекрывает пучки, что приводит к исчезновению тока электронов в коллекторе и сигнала с ФЭУ, служащего для регистрации ионного тока. Сведение пучков определяется одновременным исчезновением электронного и ионного токов при колебаниях рамки. Для визуальной регистрации сведения на входы У1, У2 двухлучевого осциллографа пода-

21

ются сигналы, пропорциональные токам электронного и ионного пучков, а : вход X сигнал, пропорциональный отклонению рамки от положения равнов сия. Этот сигнал получается при помощи аналогового интегрирования э.д.1 наведенной в рамке при ее движении поперек магнитного поля. При ампл туде колебаний рамки 1 см (В0=3 кГс) величина этого сигнала будет б м Возбуждение колебаний рамки внешним генератором и интегрирование э.д производится «одновременно» при помощи ключа с высокой частотой пер ключения (25 кГц). Этот ключ попеременно подключает рамку к генерато] возбуждения и интегратору. Точность сведения пучков составляет 0.1—О мм и определяется в основном неравномерностью плотности тока по сечени пучка ионов.

На установке МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА были проведены многочислени эксперименты по изучению электронного охлаждения.

Величина продольной силы трения для ионов Н и Н+ определяла при помощи электростатического спектрометра по изменению энергии ион после прохождения участка охлаждения. Для этого при фиксированном зн чении энергии инжектора ионов измерялась зависимость энергии ионов, в! ходящих из соленоида, от энергии электронов. При совпадении скорост ионного и электронного пучков сила трения равна нулю, и энергия ионов : изменяется. При отклонении энергии электронов от равновесной возника сила трения, которая приводит к изменению энергии ионов. Величина изы нения энергии 8Е» будет пропорциональна величине силы трения 17\\ и дли участка охлаждения (Ж,— Р}\ Г). Относительная величина изменения энерп ионов мала и сравнима со стабильностью ускоряющего напряжения инже тора ионов. Поэтому потребовались специальные меры для выделения поле ного сигнала на фоне шумов ускоряющего напряжения.

тока цоноб

Рис. 12. Схема эксперимента по измерению продольной силы трения

22

ыстрым сканированием: 1 - электронная пушка, 2 - коллектор электронов, 3 спектрометр, 4 - датчик отклонения энергии

На Рис.12, приведена схема эксперимента по прямому измерению про-эльной силы трения. В разрыв между стабилизированным источником пита-ия катода г катодом включен источник пилообразного напряжения, который о импульсу запуска выдает линейно растущее напряжение амплитудой 20 В регулируемой скоростью нарастания напряжения. Обычно используется корость нарастания, соответствующая длительности импульса 0,2 сек. Одно-ременно с запуском источника пилообразного напряжения запускается циф-овой осциллограф (АЦП-101М), фиксирующий зависимость от времени вы-одного напряжения датчика отклонения энергии. Чтобы выделить полезный игнал на фоне шума пучка производится большое количество сканирований, езультаты которых суммируются.

эис. 13. Зависимость изменения энергии ионов разного знака заряда от тергии электронов. В0=4 кГс, 1е=3 мА

На Рис. 13. приведен пример полученной таким образом зависимости изменения энергии ионов Н~ и Н+ от энерпш электронного пучка при магнитном поле 4 кГс и токе 3 мА.

Видно, что величина силы трения для отрицательных ионов примерно в

23

2.5 раза больше, чем для положительных ионов.

При токе электронов порядка 5 мА декремент охлаждения малого про дольного разброса скоростей ионов достигает максимального значения Л цтс и 3,8* 105 сек. (Время охлаждения 2.6 10 ^ сек!). При энергии ионов 850 кэ! (скорость ионов 1.28*10 7 м/сек) длина охлаждения составит I е~ У(/Лц = 33 м

Максимальная величина продольной силы трения, полученная на уста новке линейного электронного охлаждения (25 эВ/м), больше чем в 30 ра превышает силу трения, полученную на установке НАП-М (0,75 эВ/м) ] близка к теоретическому пределу, определяемой средней микроскопической

2

напряженностью электрического поля в плазме -^тах = .

Такое увеличение силы трения обусловлено следующими причинами: по вышением плотности электронов (2*108 см 5*108 см "3), увеличением мат нитного поля на участке охлаждения (1 кГс -» 3 кГс) и соответствую щш увеличением вклада "замагниченных" столкновений при взаимодействии ио на с электронным потоком. Но, по-видимому, самое главное - это более высо кая однородность магнитного поля и, соответственно, меньшие возмущени поперечной скорости электронов (2*10б см/сек —> 1.4*10 5 см/сек).

В результате проведенных экспериментов по изучению линейного охлаж дения отрицательных ионов водорода была продемонстрирована возможност его экспериментального осуществления и получены новые данные о физик электронного охлаждения замагниченным электронным пучком.

Третья глава посвящена описанию проекта установок электронного ох лаждения ЭХ-35, ЭХ-300 с энергией электронного пучка 35 кэВ и 300 кэ! (диапазон энергии охлаждаемых ионов, соответственно, до 50 и 501 МэВ/нуклон).

С целью дальнейшего развития метода электронного охлаждения разра батывается проект установок электронного охлаждения ЭХ-35 и ЭХ-300 дл Института современной физики 1МР (Ланжоу, Китайская Народная Республи ка), которые в частности включают в себя: соленоид, магнитную систем; транспортировки пучка, электронную пушка, коллектор, систему высоко вольтного питания.

Центральную часть магнитной системы, соленоид участка охлаждени предполагается изготовить из отдельных секций. Заложена возможность опе ративной корректировки положения каждой секции соленоида для достиже ния необходимых параметров не только для заданного магнитного шля.

24

Использование электростатических поворотов на участках сведения элек-ронного и ионных пучков, одновременно обеспечивающих поворот и очист-у, позволит улучшить работу установки при больших электронных токах (до Л).

При охлаждении ионных пучков с большой интенсивностью выяснилось, то слишком сильно охлажденные пучки вызывают нежелательные колеба-ия в электронном пучке, приводящие к развитию неустойчивости. Для борь-ы с развитием неустойчивости в слишком сильно охлажденных пучках ио-ов предлагается установка катода электронной пушки с центральной частью иаметром 1 см и кольцевой частью, занимающей область от диаметра 1 см о 2.5 см. Выключение центральной части пучка позволит- контролировать азмер охлажденного пучка'и в десятки раз повысит предельные накапливае-гые ионные токи.

Совмещение в конструкции высоковольтного охладителя встроенных ис-очников напряжения позволит создать компактный прибор. При этом на-.ежная защита высоковольтных элементов позволит помещать это оборудо-аниё прямо на ионное накопительное кольцо, без каких либо ограждений и ащит. Элегазовая изоляция (БРб) и масляное охлаждение коллектора позво-ят обеспечить долговременную эксплуатацию этого оборудования без значи-ельных регламентных работ.

Размещение внутри охладителя измерительных пикап электродов для онтроля положения как ионного, так и электронного пучков позволят более [адежно обеспечивать оптимальные параметры охлаждения.

На рис. 14. показан общий вид установки электронного охлаждения ЭХ-

00.

Рис.14. Общий вид установки электронного охлаждения ЭХ-300 на энергию электронов 300 кэВ.

1-электронная пушка; 2 - ускорительная трубка; 3- основной соленоид пушы 4- дополнительный соленоид пушки; 5- тороид; 6- система электростатичс ского отклонения; 7-регулировки основного соленоида; 8- основно в/вольтный выпрямитель; 9 -основной соленоид; 10- пикап-электроды; 1] дополнительный соленоид коллектора; 12-основной соленоид коллектора, 12 элегазовый фидер; 14 - коллектор; 15- вакуумная камера; 16 магниторазрядные насосы.

В заключении перечисляются основные результаты работы, на осног которых обсуждаются возможности их практического использования.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Э.И.Зиннн, В.А.Кабанник, Г.Н.Кулипанов, С.Г.Попов, Методы опредеж ния размеров протонного пучка, основанного на использовании дельт; электронов, Препринт ИЯФ, 288, Новосибирск, 1969

2. Г.КДимов, Б.Н.Сухина, Н.Ф.Денисов, Стабилизация напряжения эле] тростатического ускорителя с помощью емкостного датчика, Преприг ИЯФ № 301, Новосибирск, 1969

3. "Протон-ангипротонные встречные пучки", Report of VAPP-NAP Group i Proceedings of 8-th Intern. Conf. on High-Energy Accelerators, CERN, p. 1 (1971).

4. Б.Н.Сухина, Д.К.Весновский. Ионный источник протонного инжектор Препринт ИЯФ № 3-72, Новосибирск, 1972

5. В.В.Анашин, Г.И.Будкер, Н.С.Диканский, В.И.Куделайне:

A.С.Медведко, И.М.Мешков, В.В.Пархомчук, Д.В.Пестрико

B.Г.Пономаренко, Р.А.Салимов, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, "Установ! для эксперимен-тов по электронному охлаждению", В сб. "Труда 1У Во союзного совеща-ния по уск. зар. частиц", т. П, 304, Наука, (1975)

6. Г.И.Будкер, Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, И.Н.Мешков, В.В.Пархо! чук, Д.В.Пестриков, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина. "Первые эксперимент по электронному охлаждению". В сб. "Труды IV Всесоюзного совещанз по уск.зар.частиц", т.П, 309, Наука (1975)

7. Б.Н.Сухина, Накопитель протонов для экспериментов по электронно! охлаждению, кандидатская диссертация, Новосибирск, 1975

8. Д.В.Пестриков, Б.Н.Сухина, Программное обеспечение управления нак пителем НАП-М, Препринт ИЯФ № 75-22, Новосибирск, 1975

9. G.I.Budker, N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, I.N.Meshkov, V.V.Parkhor chuk, D.V.Pestrikov, A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina, Electron cooling exp riments, Доклад на Нац. Конф. По уск. США, Вашингтон, март 1975,

26

ШЕЕ Transaction on Nuclear Science, NS-22, N5, 2093(1975) I. Будкер Г.И., Диканский H.C., КуделайненВ.И., Мешков И.Н., Пархомчук В.В., Пестриков Д.В., Скринский А.Н., Сухина Б.Н, Эксперимееты по электронному охлаждению, Атомная энергия, 40, 16, 49, 1976 . В.В.Анапшн, Г.ИБудкер, А.Ф.Булушев и др. "Накопитель протонов НАП-М. 1.Магнитная и вакуумная система", Препринт ИЯФ № 75-75, Новосибирск, 1975, ПТЭ, №4, 31, 1976 !. В.Ф.Веремеенко, Н.С.Диканский, А.С.Калитш и др., "Накопитель протонов НАП-М. Ш. Ускоряющая система. Контроль параметров пучка, Препринт ИЯФ № 75-77, Новосибирск, 1975, ПТЭ, №4, 37, 1976 ». Ю.А.Болванов, В.И.Кононов, Э.А.Купер и др., "Накопитель протонов НАП-М. IV. Система управления накопителем", Препринт ИЯФ № 75-73, Новосибирск, 1975, ПТЭ, №4, 40, 1976 к Будкер Г.И., Диканский Н.С., Куделайнен В.И., Мешков И.Н., Пархомчук В.В., Пестриков Д.В., Скринский А.Н., Сухина Б.Н, Экспериментальное исследование электронного охлаждения, Препринт ИЯФ № 76-33, Новосибирск, 1976

>. G.I.Budker, N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, I.N.Meshkov, V.V.Parckomchuk, D.V.Pestrikov, A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina, Experimental study of electron cooling, Particle Accelerators, V 7, N 4,1976 >. Будкер Г.И. и др., Электронное охлаждение и новые возможности в физике элементарных частиц, Труды XVIII Межд. Конф. По физике выс. энергий, т 2, 86, Тбилиси, 1976 I Будкер Г.И., Булушев А.Ф., Диканский Н.С., Кононов В.И., Куделайнен В.И., Мешков И.Н., Пархомчук В.В., Пестриков Д.В., Скринский А.Н., Сухина Б.Н., Новые результаты исследований по электронному охлаждению, Препринт ИЯФ № 76-92, Новосибирск, 1976, Translated at CERN PS/DL Note 76-25, 1976 5. Будкер Г.И., Булушев А.Ф., Диканский Н.С., Кононов В.И., Куделайнен В.И., Мешков И.Н., Пархомчук В.В., Пестриков Д.В., Скринский А.Н., Сухина Б.Н., Новые результаты исследований по электронному охлаждению, Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных час- . тиц. Дубна, октябрь 1976, Москва, Наука, 1977, т.1, с.236—239. 3. Г.ИБудкер, Я.С.Дербенев, Н. С. Диканский, И.Н.Мешков, В.В .Пархомчук, Д.В.Пестриков, Р.А.Салимов, А.Н.Скринский, Сухина Б.Н., Метод электронного охлаждения в ускорителях и накопителях заряженных частиц, В книге "Фундаментальные исследования (физико-матема-тические и технические науки)", Наука, СО АН СССР, Новосибирск, 1977, стр. 104-107 3. G.I.Budker, Y.S.Derbenev, N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, LN.Meshkov,

27

V.V.Parckomchuk, D.V.Pestrikov, R.A.Salimov, A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina Studies of electron cooling of heavy particle beams, CERN 77-08, PI Division, Geneva, 1977 '

21. Диканский H.C., Кононов В.И„ Куделайнен В,И„ Мешков И,Н.. Пархом чук В.В., ПестриковД.В, Сухнна Б.Н, Влияние эффектов пространствен ного заряда на электронное охлаждение, Препринт Института ядерно] физики СО АН СССР; ИЯФ 77-69, Новосибирск, 1977, Труды X Меж; конф. по уск. зар. частиц высоких энергий, т.1, стр. 510-515, Cepnyxoi 1977

22. Будкер Г.И., Булушев А.Ф., Дербенев Я.С., Диканский Н.С., Кононо В.И., Куделайнен В.И., Мешков И,Н., Пархомчук В.В., Пестриков Д.В Скринский А.Н., Сухина Б.Н, Состояние работ по электронному охлаж дению, Препринт Института ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 77-7С Новосибирск, 1977, Труды X Межд. конф. по уск. зар. частиц высоки энергий, т.1, стр. 498-509, Серпухов, 1977

23. Кононов В.И., Пестриков Д.В., Сухина Б.Н, Система программног обеспечения экспериментов по электронному охлаждению, Препринт Ии статута ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 78-29, Новосибирск, 1978

24. Диканский Н.С., Кононов В.И, Куделайнен В,И, Мешков И,Н.. Пархом чук В.В., ПестриковДД Скринский А.Н., Сухина Б.Н, Изучение быстрс го электронного охлаждения, Препринт Института ядерной физики С< АН СССР; ИЯФ 79-56, Новосибирск, 1979, Доклад на У1 Всесоюзн. сс вещании по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1979

25. Авдиенко A.A., Диканский Н.С., Лебедев В.А., Сухина Б.Н., Установк "Модель соленоида", Отчет ИЯФ № 88, Новосибирск, 1980

26. Я,С.Дербенев, Н.С.Диканский, В.И Куделайнен, В.А. Лебеде1 И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, Д.В.Пестриков, Скринский А.Н., Сухин Б.Н., Теория электронного охлаждения с замагниченным электронны пучком и вопросы формирования и компенсации электронного пучк Отчет ИЯФ, Новосибирск, 1981, 270 стр.

27. Лебедев В.А., Сухина Б.Н., Структура управления установкой с нескот кими микро-ЭВМ типа "Электроника-60", Препринт Института ядерно физики СО АН СССР; ИЯФ 81-38, Новосибирск, 1981

28. N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, V.A.Lebedev, I.N.Meshko' V.V.Parkhomchuk, A.A.Sery, A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina, Ultimai possibilities of electron cooling, препринт № 88-81 ИЯФ CO АН CCC1 Новосибирск, 1981

29. В.И.Куделайнен В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, Б.Н.Сухин; Температурная релаксация в замагниченном электронном потоке, Пре-

28

принт 82-78, ИЯФ СОАН СССР, Новосибирск, 1982, ЖЭТФ, т.83, 1982, вып.6 (12), стр. 2056 - 2064

0. Я.С.Дербенев, НС.Диканский, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Состояние работ по электронному охлаждению на НАП-М, Труды VIII Всесо-юзн.совещания по уск. зар.частиц, т.П, стр.242-250, Дубна, 1983

1. Я.С.Дербенев, НС.Диканский, В.ИКуделайнен, В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, А.НСкринский, Б.Н.Сухина, Status of electron cooling on NAP-M, Proceedings of the 12th International Conference on high energy accelerators, p.32-37,Batavia,1983

2. НС.Диканский, В.И.Кокоулин, Н.Х.Кот, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, В.В.Пархомчук, Д.В.Пестриков, А.Н.Скринский, Б.НСухина, Физика быстрого электронного охлаждения, Отчет ИЯФ, Новосибирск, 1984, 199 стр.

3. Н.Х. Кот, Б.Н. Сухина, Опыт эксплуатации и усовершенствования электростатических ускорителей ЭГ-1,5 и GEVW 0,5/2000,В сборнике "Вопросы атомной науки и техники", серия: "Техника физического эксперимента", Москва, 1985, вып. 1(22) стр. 57-59

4. Н.Х.Кот, В.А.Лебедев, Овчар, В.П.Останин, В.В.Пархомчук, Б.Н.Сухина, Контроль параметров и управление оборудованием, расположенным внутри высоковольтного электрода инжектора ЭГ-1,5 при помощи ЭВМ, В сборнике "Вопросы атомной науки и техники", серия: "Техника физического эксперимента", Москва, 1985, вып. 1(22) стр. 59-61

5. Адо, Барков, Буров и др., Протон-атипротонные встречные пучки в УНК, Отчет ИФВЭ-ИЯФ, Новосибирск, 1987 год, 195 стр

16. НС.Диканский, В.И.Кокоулин, Н.Х.Кот, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, В.В.Пархомчук, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Быстрое электронное охлаждение в диапазоне малых относительных скоростей, XIII Межд. конф. по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск, 1987, ч.1, стр. 330-333

57. Л.НАрапов, НС.Диканский, В.И.Кокоулин, В.И.Куделайнен,В.А.Лебедев, В.В.Пархомчук, Б.М.Смирнов, Б.Н.Сухина, Прецизионный соленоид для электронного охлаждения, XIII Межд. конф. по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск, 1987, 4.1, стр. 341

58. НС.Диканский, В.ККуделайнен, НККуксанов, В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, Р.А.Салимов, A.A.Серый, А.Н.Скринский, А.Н.Шарапа, А.В.Шемякин, Б.НСухина, Status and resent development in electron cooling, Report on 4 LEAR Workchop Villars- sur- ollon,

29

Switzerland, 6-13 Sept. 1987

39. N.S.Dikansky, N.KLKot, V.I.Kudelainen, V.ALebedev, V.V.Parckomchu]

A.A.Seriy, A.N.Skrinsky, V.D.Shilcev, B.N.Sukhina, Influence of the sign < an ion charge on friction force at electron cooling, Препринт 87-102, ШМ Новосибирск, 1987, European particle accelerator conference, Rome, 1981 VI, p. 529-531

40. Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, И.Н.Мешко]

B.В.Пархомчук, А.А.Серый, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Предельнь возможности электронного охлаждения, Препринт ИЯФ 88-61, Hoboci бирск, 1988

41. N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, D.V.Pestrikov, B.N.Sukhina, A.E.Valko1 A.V.Dolinsky, A.V.Zhmendak, Al.Papash, S.N.Pavlov, Electron coolin system project of the storage ring at the Institute for Nuclear Research, . книге "Electron cooling and new cooling techniques", World Scientifii Sigapore, 1990,p. 90-99

42. N.S.Dikansky,D.V.Pestrikov, B.N.Sukhina, V.LKudelainen, AJ.Papasl A.E.Pavlov, I.N.Vishnevsky, A.V.Dolinsky, A.V.Zhmendak, S.N.Pavlcr A.T.Rudchik, The main parameters of the Institute for Nuclear Researcl Kiev storage ring, constructed on the base of U-240 cyclotron, В сборню "Heavy ion storage rings with electron cooling (USSR proposals and projeo collections), Moscow, 1990

43. А.Е.Вальков,А.В.Долинский, А.В.Жмендак, С.Н.Павлов, А.И.Папаи Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, Д.В.Пестриков, Б.Н.Сухина, Ion storag ring project of INS of AN USSR, Доклад на Межд. раб. совещании г электронному охлаждению, Италия, Леньяро, 15-17 Мая 1990

44. N.I.Alinovsky, A.D.Goncharov, N.S.Dikansky, V.P.Ostanin, I.L.Chertol V.G.Shamovsky, B.N.Sukhina, Series,of High Voltage Ion Accelerators ft Use in Industrial Technological Lines, Proceedings of the Third Europea Particle Accelerator Conference, Berlin, 24-28 March, 1992, V. 2, p.1711 1713

45. G.Bisoffi, R. Calabrese, M.Cavenago, A.Danieli, N.S.Dikansky, G.Di Mass; V.Guidi, R.W.Hasse, I.Hofman, V.Kudelainen, G.Lammana, B.Masig; F.Masoli, M.R.Masullo, F.Petrucci, D.Pestrikov, V.Rotayev, A.G.Ruggien V.Stagno, B.N.Sukhina, L.Tecchio, V.Vaccaro, V.Variale, CRYSTAL, . storage Ring for Ion Beam Crystallisation Studies, LNL-INFN(REP) 59/9: Legnaro (Padova)

46. S.N.Chumakov, A.D.Goncharov, A.N.Malygin, V.P.Ostanin, B.N.Sukhin; V.S.Tupikov, Advances in Power Supply and Control System for Electrostat Accelerators, Proc. of PAC-95, Dallas, Texas 1995, Vol 3, p. 1979

30

B.N.Sukhina, N.I.Alinovsky, I.L.Chertok, S.N.Chumakov, N.S.Dikansky,

A.D.Goncharov, V.P.Ostanin, Series of Ion Accelerators for Industry, Proc. of PAC-95, Dallas, Texas 1995, Vol 1, p. 143

C.Crawford, F.Niell, G.Saewert, J.Santucci, A.Sery, A.Shemyakin, V.Shiltsev, D.Wildman,(FNAL, Batavia, IL), A.Aleksandrov, L.Arapov,

G.Kuznetsov, P.Logatchov, A.Sharapa, B.Skarbo, B.Sukhina, (BINP, Novosibirsk, Russia), Prototype "Electron Lens" Set-up for the Tevatron Beam-Beam Compensation, PAC99, New York, NY, 1999

C.Crawford, A.Sery, V.Shiltsev, (FNAL , Batavia, IL), A.Aleksandrov,

B.Skarbo, B.Sukhina, (BINP, Novosibirsk, Russia), Optical Alignment of Solenoidal Field in the Beam-Beam Compensation Device, PAC99, New York, NY, 1999

E.I.Antokhin, V.N.Bocharov, A.V.Bubley, A.D.Goncharov, B.I.Grishanov, E.S.Konstantinov, S.G.Konstantinov, G.S.Krainov, A.M.Kudiyavtsev, N.K.Kuksanov, G.M.Kuznetcov, P.V.Logatchov, D.G.Myakishev, P.I.Nemytov, V.M.Panasyuk, V.V.Parkhomchuk, V.B.Reva, R.A.Salimov, B.A.Skarbo, B.M.Smirnov, B.N.Sukhina, V.S.Tupikov, M.E.Veis. Conceptual project of an electroncooling system at an energy of electrons of 350 keV, 99, Uppsala, May 1999

P.V.Logatchov, B.A.Skarbo, B.N.Sukhina, V.S.Tupikov, The experimental results and the performances of the special designed titanium pump built-in in a cooling device collector. ECOOL, 99, Uppsala, May 1999 В.Н.Бочаров, А.В.Бублей, М.Э.Вейс, А.Д.Гончаров, Б.И.Гришанов,

A.Н.Кергинский, В.В.Колмогоров, Е.С.Константинов, А.М.Кудрявцев,

H.ККуксанов, С.А.Лабуцкий, Г.М.Кузнецов, А.С.Медведко, Д.Г.Мякишев, П.И.Немытов, Д.В.Пестриков, В.М.Панасюк,

B.В.Пархомчук, С.ППетров, В.Б.Рева, Р.А.Салимов, Б.А.Скарбо, А.Н.Смирнов, Б.М.Смирнов, Б.Н.Сухина, В.С.Тупиков, (Инстшут ядерной физики СО РАН), С.Янг (Институт Современной Физики, Ланчжоу, КНР), Физико-техническое задание на проектирование охладителей для накопительного комлекса CSR (Ланчжоу, КНР) , Новосибирск, но-ябрь1999

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НАКОПИТЕЛЬ HAH - М - ПЕРВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.

1.1 .Инжектор НАКОПИТЕЛЯ НАЛ - М.

1.1.1. Параметры инжектора.

1.1.2. Система стабилизации напряжения.

1.1.3. Инжектируемый ток.

1.1.4. Канал инжекции.

1.2. НАКОПИТЕЛЬ НАЛ - М.

1.2.1. Фокусирующие свойства магнитной системы.

1.2.2. Конструкция магнитной системы накопителя.

1.2.3. Вакуумная система накопителя.

1.2.4. Система наблюдения за пучком.

1.2.4.1. Измерение параметров протонного пучка.

1.2.5. Высокочастотная ускоряющая система.

1.2.6. Промежуток охлаждения.

13. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАКОПИТЕЛЯ И УСКОРЕННОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА

1.3.1. Магнитные измерения.

1.3.2 Измерение частот бетатронных колебаний.

1.3.3. Измерение времени жизни протонного пучка. Измерение среднего вакуума.

1.3.4. Измерения с ускоренным протонным пучком.

1.3.5. Первые эксперименты по электронному охлаждению.

ГЛАВА 2. УСТАНОВКА "МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА" ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ ВОДОРОДА.

2.1.1. Общее описание установки.

2.1.2. Инжектор отрицательных ионов водорода.

2.1.3. Транспортировка пучка отрицательных ионов водорода. Управление фазовым объемом

2.1.4. Соленоид с высокой однородностью магнитного поля.

2.1.5. Электронный пучок.

2.1.6. Сведение электронного и ионного пучков в соленоиде.

2.1.7. Канал для регистрации эффекта охлаждения.

2.1.8. Вакуумная система.

2.1.9. Автоматизация управления установкой и экспериментом.

2.1.9.1. Структура управления и программного обеспечения установкой.

2.1.9.2. Управление установкой и экспериментом.

2.1.10. Электронная пушка с "гладкой" оптикой.

2.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.

2.2.1. Постановка эксперимента по измерению продольной силы трения.

2.2.2. Влияние знака заряда иона на силу трения.

2.2.3. Результаты экспериментов по измерению продольной силы трения.

2.2.4. Измерение поперечной силы трения.

ГЛАВА 3. ПРОЕКТ СЕРИИ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.

3.1. ОСНОВЫ КОМПОНОВКИ ОХЛАДИТЕЛЕЙ.

3.2.1 Поворотное поле.

3.1.2 Горизонтальная коррекция ионного пучка.

3.2. ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ.

3.3. ВАКУУМНАЯ СИСТЕМА ОХЛАДИТЕЛЯ.

3.4. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ИНЖЕКЦИИ.

3.4.1. Размеры пучков.

3.5. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ.

3.6. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ И КОЛЛЕКТОРА.

3.6.1. Регулировка размера пучка на катоде.

3.7. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОХЛАЖДЕНИЯ КОЛЛЕКТОРА.

3.8. Измерение магнитных полей.

3.9. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ НА БАЗЕ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛВ.

3.10. ЭЛЕКТРОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК ЭХ-1200.

Метод встречных пучков получил заслуженное признание в физике высоких энергий. В накопителях со встречными электрон - электронными и электрон - позитронными пучками благодаря синхротронному излучению получаются пучки малых размеров и, как следствие этого, - большая светимость. Для простейшего случая одинаковых пучков светимость

Здесь Ые+ , Ые~ - число частиц, соответственно, в позитронном и электронном пучках, /частота обращения, а и Ъ - горизонтальный и вертикальный размеры пучков в месте встречи.

Для тяжелых частиц (протонов, антипротонов) синхротронное излучение практически отсутствует во всем диапазоне доступных в настоящее время энергий, поэтому понадобился другой механизм затухания поперечных бетатронных и синхротронных колебаний.

В 1966 году Г.И. Будкер [1] предложил метод демпфирования колебаний тяжелых частиц в накопителях, основанный на использовании кулоновского взаимодействия циркулирующего пучка тяжелых частиц с сопутствующим "холодным" электронным пучком. Для этого на отрезке орбиты накопителя создается пучок электронов, средняя скорость которых совпадает со средней продольной скоростью накапливаемых частиц (протонов, антипротонов). Тепловая энергия тяжелых частиц передается в столкновениях электронам, что приводит к уменьшению размеров ("температуры") пучка накапливаемых частиц. При

Ие'Ые-/ 4шЬ

В 1 этом на тяжелые частицы со стороны электронного пучка действует сила трения, приводящая к затуханию бетатронных колебаний с декрементом, который для случая максвеллов-ского распределения электронов по скоростям имеет вид [2]: ; V т \3А

Л = л е Ь

ЪуМт А т

2 тйТ ц В 2

Здесь е, т , /е, v, Т - соответственно, заряд, масса, плотность, скорость и температура электронов; Ь - кулоновский логарифм; ?/ - отношение длины области охлаждения к периметру накопителя; М - масса протонов, у = (1 - V2/с2) 2". При плотности электронного тока /е = 1А/ст2 и температуре электронного пучка Т = 1 эВ время затухания составляет 5 сек для протонов с энергией 65 МэВ.

Установившийся размер а, определяется диффузионными процессами, такими как рассеяние на электронном пучке, рассеяние на остаточном газе и на когерентных флуктуа

2 А циях: а = — 21, гдеД- коэффициент диффузии; - декремент затухания по данной степени свободы. При наличии только первого механизма, -диффузии на электронном газе, - затухание идет до полного выравнивания температур электронов и протонов, при этом угловой и энергетический разброс протонов уменьшается в корень из отношения масс взаимодействующих частиц:

Имея механизм демпфирования поперечных колебаний, можно создавать накопители тяжелых частиц с большой светимостью.

Метод электронного охлаждения позволяет осуществить эксперименты на встречных протон-антипротонных пучках. При этом особенно важной является возможность использования большего фазового объема антипротонов, получаемых на конверторе с многократным их накоплением.

Электронное охлаждение позволяет также получать пучки тяжелых частиц с высокой монохроматичностью.

Настоящая диссертация посвящена описанию экспериментальных установок для реализации метода электронного охлаждения и изучения возможностей метода.

Кинетика электронного охлаждения обладает рядом особенностей, отличающих ее от обычной релаксации двухкомпонентной плазмы. При электростатическом ускорении электронного пучка продольная температура электронов в сопутствующей с пучком системе после ускорения будет много меньше поперечной температуры [42,92]. В сильном сопровождающем магнитном поле такая особенность функции распределения электронов по скоростям позволяет резко увеличить декременты охлаждения при разбросе импульсов в пучке тяжелых частиц меньше поперечного разброса скоростей электронов (быстрое электронное охлаждение) [48]. Увеличение скорости охлаждения связано с "замагниченностью" поперечной степени свободы и исключением ее из динамики столкновений. Температура охлажденного пучка тяжелых частиц в этом случае определяется продольной температурой электронов, которая на несколько порядков меньше поперечной температуры, определяемой температурой катода.

Для экспериментального изучения метода электронного охлаждения в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР был построен накопитель НАП-М, который являлся одновременно моделью накопителя антипротонов проектируемого комплекса установок со встречными протон-антипротонными пучками ВАПП-НАП [3].

Первая глава настоящей работы содержит описание накопителя НАП-М, созданного для проведения экспериментов по электронному охлаждению.

Проектирование накопителя и изготовление отдельных узлов было начато в ноябре 1971 года. В сентябре 1973 года приступили к работе с циркулирующим пучком. До апреля 1974 г. проводилось исследование пучка протонов, характеристик накопителя, отработка ВЧ-системы и управления от ЭВМ. В мае 1974 года начаты работы с двумя пучками.

В качестве инжектора использован горизонтальный электростатический ускоритель производства ГДР ОЕУЛУ 0,5/2000, в который были внесены значительные изменения, так как заводские параметры электростатического ускорителя не удовлетворяли требованиям, предъявляемым к протонному инжектору в накопитель НАП-М.

Основные изменения состояли в создании системы стабилизации напряжения электростатического ускорителя, разработке ионного источника и реконструкции ускорительной трубки. В результате проделанной работы инжектор обеспечивает ток протонов 2 мА длительностью 5 мксек со стабильностью энергии инжектируемых протонов 3*10"4 при энергии протонов 1,5 МэВ.

Приводятся результаты численного расчета канала инжекции и таблица основных параметров элементов канала.

Далее описывается накопитель НАП-М, представляющий собой синхрофазотрон с нулевым градиентом и краевой фокусировкой.

Обсуждаются особенности накопителя для электронного охлаждения. Одной из таких особенностей являются относительно длинные прямолинейные промежутки для размещения установок с электронным пучком, поскольку эффективность охлаждения растет с увеличением доли орбиты, заполненной электронным пучком.

Рассматриваются фокусирующие свойства магнитной системы. Приводятся результаты численного расчета бетатронных частот, функций Флоке, -функции.

Приводится таблица основных параметров накопителя.

Выбор максимальной энергии накопителя НАП-М определялся возможностями системы питания электромагнитов накопителя и параметрами установки с электронным пучком, обеспечивающей получение электронного пучка с энергией 30 -f- 100 КэВ . При равенстве скоростей протонного и электронного пучков, необходимом для режима охлаждения, это соответствует энергии протонов 55-^180 МэВ.

Первая очередь высокочастотной системы и системы питания и охлаждения электромагнитов обеспечивала возможность ускорения протонов до 90 МэВ. При этом температурный режим шин, питающих электромагниты накопителя, позволял длительную работу при энергии протонов около 70 МэВ. Как только протоны были ускорены до энергии 65 МэВ, начались эксперименты по электронному охлаждению.

В диссертации описывается конструкция магнитной системы. Приводится расчет основных допусков.

Обсуждаются требования, предъявляемые к вакуумной системе накопителя. Давление остаточного газа должно обеспечивать возможность ускорения протонов при сравнительно малой скорости подъема поля, около 150 Гс/сек. При допустимых потерях ускоряемого пучка до 30% требуемое остаточное давление составляет 4.10"9 Topp. Величиной давления остаточного газа определяется также минимальный установившийся размер пучка в режиме охлаждения. Для получения установившегося размера протонного пучка с диаметром, равным порядка 1 мм , необходимо иметь давление остаточного газа 1.10"10 Topp.

Приводится описание вакуумной системы, обеспечивающей получение вакуума 5.10"11 Topp в основной части накопителя. В первых экспериментах среднее по орбите давление остаточного газа 2.10 "9 Topp определялось непрогревным участком вакуумной камеры в установке с электронным пучком. После изготовления прогревного варианта камеры среднее по орбите давление остаточного газа достигло 5.10 "10 Topp, что в то время было рекордом для установок такого размера.

Описывается система наблюдения за пучком. Контроль положения пучка производится 10 апертурными пробниками и восемью пикап-станциями. Измерение тока протонов осуществлялось несколькими способами: поясом Роговского, интегральным пикап-электродом, магнитометром (трансформатором постоянного тока), а также по сбросу на пластину-пробник. Кроме того, были созданы новые уникальные методики: метод пересекающей нити и метод магниевой струи. Метод нейтральных атомов позволяет измерять размер и угловую расходимость пучка на участке охлаждения.

Приводится описание высокочастотной ускоряющей системы, обсуждаются требования, предъявляемые к возмущениям частоты и поля.

В одном из промежутков расположена установка с электронным пучком. Приводятся основные параметры установки, создающей на участке длиной 1 м электронный пучок с током до 1 А и энергией до 100 КэВ.

Основные результаты работы на установке «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА», которая была создана при определяющем вкладе и под руководством автора, состоят в следующем:

1. Разработана и изготовлена установка линейного электронного охлаждения, в частности:

1.1. Инжектор отрицательных ионов водорода, позволяющий ускорять в ускорительной трубке одновременно три пучка. Один из пучков используется для системы стабилизации напряжения электростатического ускорителя с со стабильностью 5*10"5.

1.2. Канал транспортировки пучка, в том числе паромагниевая перезарядная мишень, позволяющая проводить эксперименты как с отрицательно заряженными ионами водорода , так и с протонами.

1.3. Соленоид длиной 2,88 м с высокой однородностью магнитного поля

В| / Во < 10 "4 на длине 2,5 м. Предложен и осуществлен метод измерения неоднородности магнитного поля с чувствительностью Вц. / Во < 10 "5.

1.4. Разработана система сведения пучков, наблюдения за пучком. Внутри соленоида в сверхвысоком вакууме передвигается управляемый от ЭВМ пробник с высокой точностью хода и рабочим ходом 2 м.

1.5. Канал для регистрации эффекта охлаждения, включающий спектрометр, датчик отклонения энергии и др .

1.6. Разработаны методики измерения продольной и поперечной силы трения, профиля распределения пучка нейтральных атомов.

1.7. Получен сверхвысокий вакуум в установке Ю"10 Topp, позволивший проводить эксперименты по охлаждению как протонов, так и отрицательных ионов водорода.

1.8. Система автоматизации эксперимента и соответствующее программное обеспечение. Система включала в себя ЭВМ «Электроника-100/25» и 6 КАМАК крейтов подключенных к «Электронике-100/25» через 3 промежуточные «Электроника-60». Система автоматизации имела более 130 каналов управления и измерения.

2. Исследованы процессы релаксации продольной температуры в электронном пучке. Показано, что применяя достаточно сильное сопровождающее электронный пучок магнитное поле, модно подавить увеличение продольной температуры за счет внутрипучкового рассеяния электронов. Продольная температура в этом случае определяется температурой катода Тк и взаимодействием электронов между собой (продольно-продольная релаксация)

3. Проведены измерения степени компенсации пространственного заряда электронного пучка ионами остаточного газа.

4. Проведенные эксперименты по измерению силы трения ионов при движении их в холодном замагниченном электронном пучке показали, что существует заметная разница в силах трения для положительно и отрицательно заряженных частиц.

5. При токе электронов порядка 5 мА декремент охлаждения малого продольного разброса скоростей ионов достигает максимального значения X ||тах« 3,8*105 сек. (Время охлаждения 2.6 10"6 сек!)

С целью дальнейшего развития метода электронного охлаждения разрабатывается проект установок электронного охлаждения ЭХ-35 и ЭХ-300 для Института современной физики IMP (Китайская Народная Республика), которые в частности включают в себя: соленоид, магнитную систему транспортировки пучка, электронную пушка, коллектор, систему высоковольтного питания.

При разработке проекта существенен вклад автора в разработку узлов пушки и коллектора, включая высоковольтную часть и магнитную ситсему

Разработанный метод открыл ряд новых возможностей в физике элементарных частиц и атомного ядра:

1. Создание установок со встречными протон-антипротонными пучками большой светимости на высокие и сверхвысокие энергии. Один из возможных вариантов таких установок - проект ВЭПП-НАП Института ядерной физики СО АН СССР - описан в работе [3].

2. Создание установок со встречными протон-антипротоииыми пучками в области средних энергий (порядка ГэВ), во с очень высокой, вплоть до 10"6, монохроматичностью для прецизионных экспериментов. Здесь имеются в виду накопители со встроенными в них установками с электронным пучком, в которых электронное охлаждение используется не только для накопления антипротонов, но и для поддержания параметров взаимодействующих встречных пучков в ходе эксперимента.

3. Создание ускорителей протонов, антипротонов, многозарядных ионов очень высокой монохроматичности для прецизионных экспериментов по физике атомного ядра. В таких ускорителях пучки частиц перед сбрасыванием на мишень моиохроматизируется электронным охлаждением. Особенно перспективными представляются подобные эксперименты с применением внутренних сверхтонких мишеней. Толщина такой мишени ограничена условием подавления многократного рассеяния ускоренных частиц в мишени действием электронного охлаждения.

4. Получение большого количества медленных антипротонов для изучения взаимодействия антипротонов с ядрами и исследования электромагнитно- и ядерно-связанных нуклон-антипротонных состояний. Подобные эксперименты могут быть поставлены с накоплением антипротонов низкой (порядка МэВ) энергии и их последующим электростатическим замедлением. Перевод антипротонов в электро-магнитносвязанное состояние можно осуществить другим способом, совмещая с антипротонным пучком параллельно движущийся пучок атомов нужного сорта, имеющих ту же самую среднюю скорость. В этих экспериментах для электронного охлаждения потребуется пучок электронов с поперечной температурой Те ниже температуры катода.

5. Получение интенсивных и направленных потоков антиводорода (антиатомов) для проведения экспериментов по изучению свойств антиатома и других экзотических целей. Генерация антиводорода может быть осуществлена в специальном накопителе с двумя дорожками (антипротонной и позитронной) и общим прямолинейным промежутком, в котором частицы имеют одинаковые скорости.

Это перечисление не исчерпывает, безусловно, все возможные применения метода, а имеет целью обратить внимание на их широкий диапазон.

Заложена возможность оперативной корректировки положения каждой секции соленоида для достижения необходимых параметров не только для заданного магнитного поля

Использование электростатических поворотов на участках сведения электронного и ионных пучков, одновременно обеспечивающих поворот и очистку, позволит улучшить работу установки при больших электронных токах (до 3 А).

При охлаждении ионных пучков с большой интенсивностью выяснилось, что слишком сильно охлажденные пучки вызывают нежелательные колебания в электронном пучке, приводящие к развитию неустойчивости. Для борьбы с развитием неустойчивости в слишком сильно охлажденных пучках ионов предлагается установка катода электронной пушки с центральной частью диаметром 1 см и кольцевой частью, занимающей область от диаметра 1 см до 2.5 см. Выключение центральной части пучка позволит контролировать размер охлажденного пучка и в десятки раз повысит предельные накапливаемые ионные токи.

Автор пользуется приятной возможностью принести свою благодарность всем сотрудникам Института, вместе с которыми автору пришлось создавать эти установки и работать на них.

Заключение

Созданы установки НАП-М и «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА». Разработан новый проект двух установок электронного охлаждения для тяжелоиннного комплекса CSR.

Создание установок НАП-М и «МОДЕЛЬ СОЛЕНОИДА» позволили разработать метод электронного и провести многочисленные экспериментальные исследования основных свойств электронного охлаждения, исследования особенностей и возможностей метода.

1. Г.И.Будкер. Труды симпозиума по электрон - позитронным накопительным кольцам, Saclay,1966, р 1.-I-1, Атомная Энергия, 22, 346, 1967

2. A.K.Вальтер и др., Электростатические ускорители заряженных частиц, М., Госатомиздат, 60, 1963

3. И.Ф.Малышев и др., ПТЭ, 4. 37 (1962) 115

4. А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев, Теория циклических ускорителей, М., Физматгиз ,1962

5. Ускорители, Сб.статей под ред. Б.Н.Яблокова, М., Атомиздат, 106-108, 1959

6. А.Бенфорд, Транспортировка пучков заряженных частиц, М., Атомиздат, 1969

7. Г.Брук, Циклические ускорители заряженных частиц, М., Атомиздат, 1970

8. В.В.Анашин, Н.С.Диканский, Ю.А.Королев , Л.А.Мироненко, А.П.Усов. "Вакуумная система НАП-М", доклад на 1У Всесоюзной конференции по физике и технике высокого вакуума, 1974

9. Б.А.Баклаков и др., "Магнитомодуляционный измеритель тока пучка заряженных частиц", Препринт.ИЯФ, Новосибирск, 1974

10. Г.И.Будкер, В.И.Куделайнен, И.Н.Мешков, В.Г.Пономаренко, С.Г.Попов, Р.А.Салимов, А.Н.Скринский, Б.М.Смирнов, "Труды второго Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т. 1, "Наука", 31, 1972

11. В.И.Куделайнен, И.Н.Мешков, Р.А.Салимов, ЖТФ, 41, 2294, 1971

12. Б.А.Баклаков и др. "Устройство для прецизионных измерений магнитного поля в электромагнитах накопителя", Препринт ИЯФ №.271, Новосибирск, 1966

13. М.М.Карлинер и др., "Прецизионный цифро-аналоговый преобразователь", Автометрия, № 3, 1974

14. Ю.А.Болванов и др., "Многоканальная широкодиапазонная измерительная система для ввода данных в ЭВМ", Автометрия, №3, 1974

15. Г.И.Будкер, А.Н.Скринский, УФН, т. 124, в.4, с.561,1978

16. А.Н.Скринский, В.В.Пархомчук, ЭЧАЯ, т. 12, в.З, с.557, 1981

17. Я.С.Дербенёв, Теория электронного охлаждения, Дис. на со иск. ученой степени доктора физ.-мат. Наук, Новосибирск, 1978

18. Пархомчук В В. Физика быстрого электронного охлаждения, Дис. на соиск. учен, степени доктора физ.-мат.наук, Новосибирск, 1985

19. В.А.Баталин, Схема канала электронного охлаждения пучка протонов для инжекции в линейный ускоритель, ПТЭ, в.1, с.28, 1979

20. Н.Х.Кот, В.В.Пархомчук, Трехпучковый источник отрицательных ионов водорода на парах воды, ПТЭ, в.1, с.34, 1985

21. И.Н.Мешков, Электронный пучок для демпфирования колебаний тяжелых частиц в накопителях, Дис.на соиск. учен.степени доктора физ.-мат.наук, Новосибирск, 1975

22. Г.И.Димов, Б.Н.Сухина, Особенности высокочастотного источника отрицательных ионов водорода перезарядного инжектора протонов, Препринт ИЯФ, Новосибирск, 1967, Приборы и техника эксперимента, 1, 16, 1968

23. Э.И.Зинин, В.А.Кабанник, Г.Н.Кулипанов, С.Г.Попов, Б.Н.Сухина, Методы определения размеров протонного пучка, основанного на использовании дельта-электронов, Препринт ИЯФ, 288, Новосибирск, 1969

24. Б.Н.Сухина, Д.К.Весновский. Ионный источник протонного инжектора. Препринт ИЯФ № 3-72, Новосибирск, 1972

25. Г.И.Будкер, Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, Д.В.Пестриков, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, "Первые эксперименты по электронному охлаждению", В сб. "Труды IV Всесоюзного совещания по уск.зар.частиц", т.П, 309, Наука, 1975

26. Б.Н.Сухина, Накопитель протонов для экспериментов по электронному охлаждению, кандидатская диссертация, Новосибирск, 1975

27. Д.В.Пестриков, Б.Н.Сухина, Программное обеспечение управления накопителем НАП-М, Препринт ИЯФ № 75-22, Новосибирск, 1975

28. Будкер Г.И., Диканский Н.С., Куделайнен В.И., Мешков И.Н., Пархомчук ВВ., Пестриков Д.В., Скринский А.Н., Сухина Б.Н, Эксперименты по электронному охлаждению, Атомная энергия, 40, 16, 49, 1976

29. В.В.Анашин, Г.И.Будкер, А.Ф.Булушев и др. "Накопитель протонов НАП-М. I.Магнитная и вакуумная система", Препринт ИЯФ № 75-75, Новосибирск, 1975, ПТЭ, №4, 31, 1976

30. В.Ф.Веремеенко, Н С.Диканский, А.С.Калинин и др., "Накопитель протонов НАП-М. Ш.Ускоряющая система. Контроль параметров пучка, Препринт ИЯФ № 75-77, Новосибирск, 1975, ПТЭ, №4, 37, 1976

31. Ю.А.Болванов, В.И.Кононов, Э.А.Купер и др., "Накопитель протонов НАП-М. IV. Система управления накопителем", Препринт ИЯФ № 75-73, Новосибирск, 1975, ПТЭ, №4, 40, 1976

32. Будкер Г.И., Диканский Н.С., Куделайнен В.И., Мешков И.Н, Пархомчук В.В., Пестриков Д.В., Скринский А.Н., Сухина Б.Н, Экспериментальное исследование электронного охлаждения, Препринт ИЯФ № 76-33, Новосибирск, 1976

33. G.I.Budker, N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, I.N.Meshkov, V.V.Parckomchuk, D.V.Pestrikov, A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina, Experimental study of electron cooling, Particle Accelerators, V 7, N4, 1976

34. Будкер Г.И. и др., Электронное охлаждение и новые возможности в физике элементарных частиц, Труды XVIII Межд. Конф. По физике выс. энергий, т 2, 86, Тбилиси, 1976

35. G.I.Budker, Y.S.Derbenev, N.S.Dikansky, V.LKudelainen, I.N.Meshkov, V.V.Parckomchuk, D.V.Pestrikov, R.A.Salimov, A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina, Studies of electron cooling of heavy particle beams, CERN 77-08, PS Division, Geneva, 1977

36. Кононов В.И., Пестриков Д.В., Сухина Б.Н, Система программного обеспеченияэкспериментов по электронному охлаждению, Препринт Института ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 78-29, Новосибирск, 1978

37. Авдиенко A.A., Диканский Н.С., Лебедев В.А., Сухина Б.Н., Установка "Модель соленоида", Отчет ИЯФ № 88, Новосибирск, 1980

38. Лебедев В.А., Сухина Б.Н., Структура управления установкой с несколькими микроЭВМ типа "Электроника-60", Препринт Института ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 81-38, Новосибирск, 1981

39. N.S.Dikansky, V.I.Kudelainen, V.A.Lebedev, I.N.Meshkov, V.V.Parkhomchuk, A.A.Sery,

40. A.N.Skrinsky, B.N.Sukhina, Ultimate possibilities of electron cooling, препринт № 88-81 ИЯФ CO АН СССР, Новосибирск, 1981

41. В.И.Куделайнен В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, Б.Н.Сухина, Температурная релаксация в замагниченном электронном потоке, Препринт 82-78, ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1982, ЖЭТФ, т.83, 1982, вып.6 (12), стр. 2056 2064

42. Я.С.Дербенев, Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, И.Н.Мешков,

43. B.В.Пархомчук, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Состояние работ по электронному охлаждению на НАП-М, Труды VIII Всесоюзн.совещания по уск. зар.частиц, т.II,стр.242-250, Дубна, 1983

44. Я.С.Дербенев, Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Status of electron cooling on NAP-M, Proceedings of the 12th International Conference on high energy accelerators, p. 32-37,Batavia, 1983

45. Н.С.Диканский, В.И.Кокоулин, Н.Х.Кот, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, В.В.Пархомчук, Д.В.Пестриков, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Физика быстрого электронного охлаждения, Отчет ИЯФ, Новосибирск, 1984, 199 стр.

46. НХ. Кот, Б.Н. Сухина, Опыт эксплуатации и усовершенствования электростатических ускорителей ЭГ-1,5 и GEVW 0,5/2000,В сборнике "Вопросы атомной науки и техники", серия: "Техника физического эксперимента", Москва, 1985, вып. 1(22) стр. 57-59

47. Н.С.Диканский, А.В.Буров, В.А.Лебедев, В.В.Пархомчук, Т.А.Всеволожская, Г.И.Сильвестров, Б.Н.Сухина, Протонный инжектор во ВЛЭПП. Ускорение пи-мезонов (1-й вариант), Отчет ИЯФ, 1986, Новосибирск, 48 стр

48. Адо, Барков, Буров и др., Протон-атипротонные встречные пучки в УНК, Отчет ИФВЭ-ИЯФ, Новосибирск, 1987 год, 195 стр

49. Л.Н.Арапов, Н.С.Диканский, В.И.Кокоулин, В.И.Куделайнен,В.А.Лебедев, В В.Пархомчук, Б.М.Смирнов, Б.НСухина, Прецизионный соленоид для электронного охлаждения, XIII Межд. конф. по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск, 1987, ч. 1, стр. 341

50. Н.С.Диканский, В.И.Куделайнен, В.А.Лебедев, И.Н.Мешков, В.В.Пархомчук, А.А.Серый, А.Н.Скринский, Б.Н.Сухина, Предельные возможности электронного охлаждения, Препринт ИЯФ 88-61, Новосибирск, 1988

51. A.E.Вальков,А.В.Долинский, А.В.Жмендак, С.Н.Павлов, А.И.Папаш, Н.С.Диканский,

52. В.И.Куделайнен, Д.В.Пестриков, Б.Н.Сухина, Ion storage ring project of INS of AN USSR, Доклад на Межд. раб. совещании по электронному охлаждению, Италия, Леньяро, 15-17 Мая 1990

53. Гончаров А.Д, Останин В.П, Сухина Б.Н, Черток И.Л, Чумаков С.Н., Система питанияионных источников, Совещание по ускорителям заряженных частиц, ИФВЭ, Протвино, Сборник докладов, Протвино, ИФВЭ, т.4, с. 47-49, 1994

54. S.N.Chumakov, A.D.Goncharov, A.N.Malygin, V.P.Ostanin, B.N.Sukhina, V.S.Tupikov.Advances in Power Supply and Control System for Electrostatic Accelerators, Proc. of PAC-95, Dallas, Texas 1995, Vol 3, p. 1979

55. B.N.Sukhina, N.I.Alinovsky, I.L.Chertok, S.N.Chumakov, N.S.Dikansky, A.D.Goncharov,

56. V.P.Ostanin. Series of Ion Accelerators for Industry, Proc. of PAC-95, Dallas, Texas 1995, Vol 1, p. 143

57. T.Bergmark, T.Loffness, L.Nilsson, D.Reistad, A.Simonson, TSL, K.Hedblom, LS. V.Uppsala,B.N.Sukhina (Budker INP), DL Friesel (IUCF), A propoused new proton accelerator at the Swedberg laboratory in Uppsala, Proc PAC-95 conf

58. C.Crawford, A.Sery, V.Shiltsev, (FNAL , Batavia, IL), A.Aleksandrov, B.Skarbo, B.Sukhina, (BINP, Novosibirsk, Russia), Optical Alignment of Solenoidal Field in the Beam-Beam Compensation Device, PAC99, New York, NY, 1999

59. Chertok, S.Chumakov, I.Churkin, O.Golubenko, V.Mejidzade, S.Mikhailov, ASteshov,

60. P.V.Logatchov, B.A.Skarbo, B.N.Sukhina, V.S.Tupikov, The experimental results and the performances of the special designed titanium pump built-in in a cooling device collector. ECOOL, 99, Uppsala, May 1999

61. В.Н.Бочаров, А.В.Бублей, М.Э.Вейс, А.Д.Гончаров, Б.И.Гришанов, А.Н.Кергинский,

62. B.В.Колмогоров, Е.С.Константинов, А.М.Кудрявцев, Н.К.Куксанов, С.А.Лабуцкий, Г.М.Кузнецов, А.С.Медведко, Д.Г.Мякишев, П.И.Немытов, Д.В.Пестриков, В.М.Панасюк, В.В.Пархомчук, С.П.Петров, В.Б.Рева, Р.А.Салимов, Б.А.Скарбо,

63. Т T.Katayama, MUSES project and fast electron cooling, ECOOL, 99, Uppsala, May 1999.

64. Y.N.Rao, J.W.Xia, Y.J.Yuan, W.Z.Zhang, M.T.Song, B.W.Wei,CSR The HIRFL-CSR project, ECOOL, 99, Uppsala, May 1999

65. M.Bell, J.Channey,H.Herr, F.Krienen, S. van der Meer, D.Moehl, G.Petrucci, H.Poth, C.Rubbia, Nuclear Instruments and Methods, 190(1981)237.

66. T Ellison, W.Kells, V. Kerner at all, IEEE Trans. Nucl.Sci.NS-30,(1983)2370

67. ДербеневЯ.С., Скринский A.H., Эффекты замагниченности в электронном охлаждении, Физика плазмы, 1978, Том 4, с. 492

68. Незлин М.В. и др., ЖЭТФ, 1968, т.55, с.397.

69. Куделайнен В.И., Пархомчук В.В., Пестриков Д.В., Экспериментальное изучение устойчивости компенсированного электронного пучка. -ЖТФ, 1983. т.53, в.5. с,870.

70. H.Poth, W.Schwab, B.Seligmann et al., Zeitschriht fur Physik A, 332(1989)171

71. S.Baird,J.Bosser,H.Poth et al.,Nucl. Instr. And Meth., A287(1990)328

72. Proc. Workshop on PhysicalExperiments and First Results on Heavy Ion Storage and Cooler Rings, Smolenice,1992, Dubna, JINRE-7-94-270(1994)

73. The Proceedings of The Workshop on Beam Cooling and Related Topics, Montreux, 1993, CERN 94-03 (1994).

74. M.Steck, K.Blashe, et al., Comissioning on the electron cooling device in the heavy ion synchrotron SIS, Proc 6EPAC98, Stockholm(1998)

75. B.Voeicki, K.Zanlcel. IEEE. Trans, on Nuclear Science NS-22. No 3, 1475 (1975).

76. Техника электронных ламп: Материалы пятой национальной конференции по технике электронных ламп; Под редакцией Б.П. Никонова. М: Издательство иностранной литературы. 1963.

77. Шарапа А Н. Экспериментальное исследование рекуперации энергии интенсивного электронного пучка: Дис.на соиск. учен, степени канд. физ.-мат. наук. -Новосибирск, 1982.

78. Куделайнен В.И., Пархомчук В В., Пестриков Д. В. Стационарное состояние ионов, компенсирующих заряд электронного пучка. ЖТФ, 1983, т.53, в.4. с.691.

79. Батраков A.M. и др. Регистратор однократных импульсных сигналов АЦП-101, Новосибирск, Препринт Института ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 79-36, 1979

80. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир, 1967.

81. Лебедев В.А. Линейное электронное охлаждение, Дис.на соиск. учен, степени канд. физ.-мат. наук. -Новосибирск, 1985

82. Крайнов ГС., Лифшиц A.A., Салимов P.A., Черепков В.Г., Ускорители электронов ЭЛВ-2, Препринт Института ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 75-75

83. Алямовский ИВ., Электронные пучки и электронные пушки, Советское радио, Москва, 1966