Исследование динамики пучка в комплексе "Изохронный циклотрон У-240 - ускорительно-накопительное кольцо (ИЛИ)" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ^ НАУКОВИЙ ЦЕНТР “ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ" -

Ж ‘^7 ■ •

На правах рукопису ДОЛІІІСЬКИЙ ОЛЕКСІЙ ВІКТОРОВИЧ

ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІКИ ПУЧКА У КОМПЛЕКСІ ‘ІЗОХРОННИЙ ЦИКЛОТРОН У-240 - ПРИСКОРГОВАЛЬНО-НАГРОМАДЖУВАЛЬНЕ КІЛЬЦЕ (ІЯД)”

01.04.16 - фізика ядра та елементарних частинок

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1997

Робота виконана в НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України

Науковий керівник: кандидат фішко-математичних иаук

- Вальков Олександр Євгенович

Офіційні опоненти: • доктор технічних наук

• Ліньов Олександр Федорович ■ , (НЦ “Інститут ядерних досліджень”, м.Київ)

. кандидат фЬшсо- математичних наук

Лещенко Борис Юхимович (Київський державши! університет, м.Київ)

Провідна установа: ННЦ “Харківський фізико-техіїічииіі інститут", м. Харків.

Захист дисертації відбудеться 1997

о /т^-год. на засіданні Спеціалізованої Ради Д 01.68.01 НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України за адресою: 252028, м.Київ, пр.Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України.

Автореферат розіслано “ ЛГ- травня 1997 р. ■

/?

Вчений секретар Спеціалізоваиної Радії кандидат фізико-математичних наук В.Д. Чешокова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

.ктуальиість проблеми. Відкриття метода еле.кт[к;ііного. охолод:кеішя, «ке !1С МОЖЛІІЬІІ.ТЬ отрлмуват!! падхолодш пучки тяжких іонів, Г>ІД!:р1!ЛП ршіцшіопо нові можливості ;їи досліджень у ядерній фізиці. -

ОхОЯОДЖПІНЯ нучкі» ЗГфИДИИ'НИХ ЧЯСТШІОК Д(і:і!ЇОЛ!ІС. не тільки піскувата та моиохроматтуїшти їх, а також проводити нагромнджснші сстішоїг, додаючи у звільнені її П|юцесі охолодження ділянки фазового роегору гїов! порції частішок. Для цього необхідне створення спеціальних агромаджупалмшх кілець з системою електронного охолодження. Розробки одібппх ішгіюмадяіупальіпіх кілець а «ч>єдпіііі 80-х років ведуться у 12 аукозих центрах Західної Скропи, СШЛ та Японії. Вирішення проблем» гримання охолоджених пучків та їх нагромадження у іірнскоріопальїтому ільці, яке планується 'створити в НЦ ІЯД (Киї»), принципово підвищить-¡пень прискорювальпсї бази ІїІї, ІЯД І1ЛН України. Для вирішення даної роблемн необхідне детальне вивчення: динаміки пучка п ітгромаджувяль-ому кільці (тобто умова отримання стикої «амкпппої о[>бітіі); мехпні.іму »громадження іонного пучка,. охолодгкешія, процесів взаємодії іонного у;іка з атомами аалшикоіюго газу ішкуумної камери, а також атомами йдтонкої мішені та електронами системи охолодженії у.

' Для розширення діапазону важких іопіп, які можна буде інюристовуватп в експериментах, в НЦ ШД стверіості,ся систеяа шгішшмії ішяекції цшаотрону У-240. Вирішення проблеми [їянсііортуїшїнія пучків іонів під трі>ох давнішніх іонних джерел (джерела гміяриаопяпюс іонів, ГСЦР - джерела пшккнх іоніп, дже[юла легких іонів) птребус дослідження питань узгодження усіх елементів та пуміп системи.

Цагромаджувшшіе кільце з системою електронного охолодження, крім наг(юмаджения, охоло^кешія, прискорювання та проведення іізичиоґо експерименту на внутрішній мішені, може використовуватися ще і{ мае-еш'ктртмеїр ісороткожипучих екзотичних ядер.' Вирішення даної роблемм потребу дослідження дішнміки іонного пучка у пе[ч;будопаіііі'і ЯПІІТІїШ оптиці кільця.

Мете роботи: ■

1) теоретичне дослідження магнітної структурі! нагромаджувального кільці

та бустера-синхротрона; .

2) розрахунки оспоцшіх параметрів пучки, які моиишьо отримати ; нацюмаджувалыюму кільці;

3) дослідження динаміки електрошюго та іошюго пучків та їх взаємодії і системі електронного охолодження;

4) доеліджешш взаємодії іонного пучка з атомами шушшкошіо газу вакуумі та атомами експериментальної мішені;

5) ство)х;ішя програмі! для роурахуику режимів роботи монохроматизую чого магиіта (и системі транснортуваїшя ізохронного циклотрону У-240) : урахуванням абераційних спотворень другого порядку;

6) теоретичне та експериментальне дослідженні: ізахроццої ’ моді

нагромаджувольпого кільця;

7) теоретичні роарахункн систсми . ¡юш:ішііі.ої інжекції ідохромкол циклотрону У-240;

Наукова новизна дисертаційної роботи відображується у тому, іці ішерше у нашій країні розробляється ішгромад»;уг,ально-нрцсі;орюіишліиі комплекс, який віглючас до себе унікальні установки, а саме иигромаджувальнс кільце з системою електронного охолодження; бустср сшіх|хггрон; ЕЦР-джерело; джерело поляризованих частвнок; Існуючій і:іох|юііннй циклотрон У-240, а також монохроматизуїочші магніт в сиетет транспортування циклотрону.

П|х)ішдепо теоретичне дослідження магнітної структури нагромаджу иалмшіч) кільця з системою слеіп|к>»того охолодження та основнії: параметрів іонних пучків, які моиишво отримати в кільці. ’

Зшцншоноиино метод отримавші перерізі» нерезарядннх щюцест іонного пучка па атомах залишкового газу вакууму пагромаджувшшіог кільця для іші|х»кош діапазону енергії. , ,

Ііш'рте )мх»іюблена методика для отриманні! ізохронної моди к силы и "фокусуючому шнромаджувалыюму кільці, вір дає можливіст втчорін-ічніуиати подібні кільця пі; мас-спектрометри коротиожнвучі: Ізотонів.

Тео|Ч'тнчно іикіроблепа система зовнішньої інжекції циклотрону У-210.

Прпігтичие значення роботи.

Отримані теоретичні розрахунки знайдуть використання для стпоренин грискорювдлмю-нагромаджупалмюго кільця з системою електронного »холоджЄІІШІ п ІІЦ ІЯД та В ІІІНШХ \<Т!ІІ!ОП!ІХ, де буде ПрОПОДИТИСЛ ¡творення нодібішх кілець. Методика розрахунків основних параметрів >холоджешюго пучка у кільці може бути використана багатьма ядерними Н'нтрпмн, де Іспус нагромоджупалміе кільце а системою електронного «олодження. Робота нагромад-,купального кільця у режимі ізохронної моди нікористову<ться на еилміофокусуючому ниг|юмаджувалЬному кільці, юзташовяному в ядерному центрі ОЯ1 (Дармштадт, Німеччина). .

. Автор виносить до захисту результати теоретичних, розрахункових ■а експериментальних досліджень, покладснпіїх в основу створення [пгромаджувально-іірііекорювального комплекса:

- загальну схему нагромаджу пального комплексу НЦ ІЯД;

- розрахунки магнітної структури пигромадакупача- та бустеру-инхротронів;

- методи інжекції, які планується використати у нагромаджувалыюму .омшіскеі НЦ ШД;

. - питання, пов'язані з системою електронного охолодження:

»значення часу охолодекеїиія; результати |)озрахунків електронної''гармати; ух електронного пучка у иоздовжному магнітному полі •системи холоджений; .

- результати дослідження процесів взаємодії іонного пучка з атомами шинкового газу та експериментальної мішені;

- рсзультати розрахунків основних параметрів іонного пучка, які южливо отримати у нагромаджувалыюму комплексі НЦ ІЯД;

- програмне забезпечення для вивчення поведінки іонного пучка в

апіітному полі монохроматизуючого магніту з урахуванням абераційних іютиорень другого порядку; ‘

- ■ результати теоретичного та експериментального дослідження охронного режиму [юботи нагромаджупальпого кільця;

- результати ¡ххї|>ах>ш;ж системи зовнішньої інжекції Іюхроніїоїх циклотрону У-240.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Дисертація складається іл вступу, семи розділів, заключении та списку літератури. Дисертацію надруковано на 195 сторінках: на 38 сторінках розташовано 52 малюнка, на 21 сторінці - 26 таблиць, на 4 сторінках -список літератури Із 60 найменувань.

У вступі обгрунтовано актуальність створення прнскорювально-нагромаджувалыюго кільця з системою електронного охолодження в Науковому Центрі “Інститут ядерних досліджеиь” ПАН України. Приведено основні положенім, що виносяться до захисту, а такоік коротко розкрито зміст дисертації.

-Перший розділ дисертації лрнспячеію розгладу можливих схем прнскорювалыш-нагромаджувалмюго комплексу (ІІІІИ) НЦ ІЯД. Розглянуто різноманітні варіанти схем комплексу, їх переваги та недоліки. Найбільш доцільною схемою комплекса було обрано наступну схему: ізохронний циклотрон У-240 - проміжиніі прискорювач (бустер-сїніхротроп)

- прпекорюїздпьио-н&громаджувальне кільце. У цій схемі існує можливість роботи нагром&джувалыюго кільця в автономному режимі з інжекцією як із проміжного прискорювалмюго кільця, так із циклотропу У-240. Така схема є найбільш практичною, тому що просіст може бути реалізооап поетапно, тобто:

- на першому етапі' проводиться пуск кільця у автономному режимі роботи з інжекцією Іонів тільки від циклотрону У-240. При цьому експерименті) момілнво буде проводити тільки з легкими іонами (А£20);

- на другому етапі експериментальне кільце доповнюється бустером-сшіхротроном, що дає можливість розширити діапазон мас до Д£І30, а також реалізувати неперервний режим експерименту на постійній енергії а періодичним живленням пучка під бустеру. Згідно розрахункам, інтенсивність пучка легких іонів у ігагромаджувальному кільці з використанням бустера буде вище, ніж при інжекції від циклотрону.

г

-с-

НрОПСДСІЮ ІІІіріШІІШІІГІ 1І[НХ'КТа І ПІК .1 ШІШІОІІ'ШІІМК діючими у сипі роектами та проектами, які знаходяться у стадії створення. Характерними псами київського III1К с: діапазон ядер Л=1:1.'Ю, максимальна енергія шів з А/ї-2. 300 МеВ/и. Прім іїілго іцхмчст володіє також гнучкістю та ізноманітиістю |к‘жиміи |юботн. Його конкурентоспроможність на [наток досліджень иіізначасться додатковою можливістю роботи з пучками зляризощшшіх та радіоактивних ядер.

У другому розділі приведено (хк;рахупкп основних параметрів апіітпої оптики 'иагромиджувача- та бу<ггера-ешіх[ют|юнів, а також угольно проаналізовано усі ■ види систем інжекції, які будуть ікористовуватнся на прнскорювально-нагромаджупальному кільці І1Ц 1НД.

До складу комплекса крім нагромаджувальпого кільця та бустера-шхротрона також входять сепаруючий канал радіоактивних ядер, система інульсяого розгалуження пучка, магнітно-оптичиа система перепону пучка і другий поверх експериментального комплексу, конали розгалуження і^ка під цнклотрона до бустера та кільця, а також від бустера до кільця.

Нагромаджувальне кільце з системою електронного охолодження •редбачено для іонів а магнітною жорстісістмо 5.4 Т-м, що відповідає іергії 900 МеВ для протонів, 300 МеВ/н,- для іонів з ,Л//=2. Кільце мднус функції нагромаджений, охолодження, нрнскорешш та фізичного ісііернмснту. Периметр иаг|Х)маджут.ильиого кільця 99. Н5 м та х'кладінгпіся двух суіюріїеріодів. Середній {МІДІуе КІЛЬЦЯ 15.63 М. (лЦУ'ІГгС ігіНІЧРПіт татропної функції нагромаджувана 4.35 м у шри.илгтдьшП та ».(Ні \г у ртіікальній площинах. Передбачаються можливість [хйотіі • ншримгідіку-лыюго кільці! у діи»х режимах. ІІсрншП режим - немає мінЬіі;шцГЇ тат[х»шої функції на егссксрнмсіггальпнх мішсішх; другиіі (іежіїм - існує >жливість мінімізувати бстат|Юішу «функцію на мішені ;ш допомогою ілючешш двох триплетні кнцдрунаїміїїх лінз (1ЛК4-0), |ккггашоішних метрично по відношенні» до мішені (7') (мал.1). .Після імгліочешін цих ШІЛОТІП ІІЄ ПІдбуіШ(Ти-Я _СІКЛ ІІО|К‘ПІ(Я бетитронішх фуНКЦІІІ у КІЛЬЦІ, ОІфІЧ :.у [шііоні мішені. Мінімальне значення бетатроишіх функції! у цьому ішдку стає рінпіім приблизно 0.5 м. Магнітна <труігту|ні мас ііх|юмвтнчну РУІІТУ'РУ •> ІіуЛІіОШІМІІ ЗНиЧСШШММ ДН<'ІІІ'|І('ІІІІНГЇ фуіІКЦІЇ у ІірШНМШІІНШХ

проміжках, де розташоиуютьси експериментальні мішені та системі електронного охолоджений. Середнє значення дисперсійної функції КІЛЬЦІ

1.2 м та максимальне - 3.3 м. ■

Проведено дослідження шшшу похибок в ціадіеиті кпадруїіольїшх Лін: нагромаджувального кільця ни частоту бетатронних коливань. Длл корекці хроматичносгі нагромиджувача використовується . та обставина, щ< хроматичний додаток ДуХІ(Др) до частот бетатрошінх коливань аалсяніті від секстуиольної коміюиепти магиітіюго иоля. Для отримання бажшю хроматичносгі наг|юмаджуііача у магнітну структуру шюдлтьсн дві сімейства секстунольних ліпи (у кожині по 4. лінзи) та розташованих і коротких прямолінійних проміжках між структурними КІШДруїІОЛЬІШМі; лінзами. Розраховані радіальна та вертикальна хроматичиості нагромаджу-вального кільця мають значення відповідно -6.3-1 та -5.С5. Для бустера-сшіхіютрона хромитичність мас маіінге нульові значення (<¡2,-0.26)

і тому немає потреби встановлювати секступольїіі лш.м.

Відповідно розрахункам, частоти ■ бетатіюшніх коливань іонів и нагромаджувальиому кільці при виключених триплетах (1ЛІС4, 1ЛК5, 1ЛК0) мають значення і^З.Іб, иг=2.43 та при включених тришіетпх-Кт=3.63, 14=3.21.

Для інжекції іонів у нагромаджували» кільце викорнстонуються наступні методи: .

- багаторазова однообертова інжекція для усього діапазону легких та нажких іонів. Максимальна магнітна жорсткість, при якііі можлпко рсалізуїшти таку інжекцію дорішнос 1.83 Т-м, а ефектніший фазовий об’єм іонного пучка иовішсн бути не більше ех_г=30л- мм-мрлд та Др/р—±3x10 3. Інжекція виконується у прямолінійному іцюміжку мі;,-; лінзами ІЛКЗ-З та 1ЛКЗ-4 (мал.1);

- б»гітх)бе|ітч)ва інжекція з і№]н;:іаріід;кешіям та охолодженням. Існує

г- • • ,12,-П • 14,А+ 20,, 5-К . .

набір іонів ( (- , А , О , Ас ), які після щшсі;о(іенші їх н ціп;л;п|К)ііі до енергії 5-10 МеВ/н моікуть бути іі(!(>сведеііі в повністю кші.іоішііші стан. Для цього шч>бхілио ангпк-уііатн стример, ііішцшш мкою ішшшіиі п;.ш,тпі ирнСілнзпо ‘20 мкг/ем2 (для Ііагато|іазоие

ПІни кріль ііьош шиїїііетіо обідраних іоаііі з шмшкош іімошриіпіо не

mac їх :':"|)ПДоіюго стану (за кшіятком ‘иЛ'с',+ та білі.ім важких іоніп). 1 їгт блипкті, відкриває можлішість нроводнти баі'атообе[ітону інжекцію іопііі в ромаджуншімш кільце з митою ніднншешш інтсисішності циркулюючого uta.

Третій розділ присвячено дослідженню деяких іштаиі. поп'ллашіх а темою електронного охолодження. Тут нрітедено розрахунки нарпмстріп ного пучка, які от|)Имуюті. » |)е;іулі,таті ішасмодії заряджених частішої: а їлодїкуіочіїм cjicrrqioiHiim пучігом. Паішілмп пааслншіч шітамшім і; иачсшія пелпчиші сили тертя, яку можлнпо отримати п кулері ШД. У ЮТІ П|Х)ПСДСІІО ОЦІНОЧНІ |KKl¡)axyiiK!l «їли ТСртЯ для іонних пучкії» lillit. казано, що максимальна сала тг|ггя для зачапіічеішого іонного пучка ко досягати іимиї’іиші порядку еН/м. Також найбільш плзклішоїо

іЕіггеристшіою нагромаджупача з системою електронного охолодженії г охолодження іонного пучка. У т|м'ті.ому гхмді.чі отриманії <(юрмула (а хуиашнш дії іі}хкто;>л!і!)П) заряду пучка), иа допомого«*, якої можливо нюшпи •!."!• охолодження іоніп у ііигрзу.аджуїіалмні'.іу сільці:

* 3е V

• Т^ = т^~і--------------■

№-,rpKcrl с

Л;, Z¡ - маса та зарид іона, Lr - ?:улг.!іІ!'.еь!ниі логарифм, (', v -пдкості ечіітла та іона иідіюнідно, eln¡ - емітане Інжектуючого пупки, г; -иошешігі доііжиші проміжку охолодження до ис:|ги*:і*т|.«а мі•(W’t(ú:»j,i:a,ia. дно я цісіо <|юрмулою час охплодих'ііил Іоніп {rr„:¡) г'Н ■ргії не буде шчн'пшнуиаті! (!.(» «ж. А для яляждх і W.'i -,,«0.1 с.

IJottaxtub, що мггоя електронного оханалпаиап к;“ч}!«-г«о

аторадаїпе ¡южіянпя Іопїа пучод піаля їх ujmasP'semiri іфі'й. nforcuto

' 112 "

■сту («10 ги ) та ішікку ?.іїіїїїі:іь.

Розглянуто !кч!0'!:іі вимога до cvr ащюипЬт пучка ¡ip:i його ¡імупаїші у міектроїшШ гарматі. Гармата коглінна забсанечипі п проміжку чоджешш доволі мишії підіия-гші! куттсиі! ражід гашїдкссгсії сляггропіа 3. Для ДОСЯП1СІШЯ цісї МйТЕ! у тртьому розділі нрзйгдсио ртрОХуНКІІ !!Т|к»!іішх гармат різної геометрії, які найкращим чішои виконують огн щодо отримання бажаного' елетцопіюго пучка. ІІросткено

тршісі|>ор!\шції кугошіх хаі>актернстіік та динаміка руху електронного пучк£ у цих гарматах.

В устаиоиці системи СЛЄКТ|ЮІІНОІО охолодження пучок електронії (|н)рмусти'я у гарматі, зануреній п поздовжнє магнітне поле, яке необхідні для попередження електростатичного відштовхування електронів. Магнітне ноле супроводжує електронний пучок з моменту народження та до повноп ного розсішшп у колекторі. Від того, наскільки це поле буде однорідним заложить е(|юктивиість охолодження. У третьому розділі тако;к розглянуті ішли в різного роду неоднорідностей поздошккого магнітного ПОЛИ III підносний иоперечшііі швндкістішй розкид елестроиного пучка. Яі показано, для того, щоб кутовий розкид електрімшого пучка залишався № рівні -10 3, відносна похибка магнітного поля иошішш складати ис більші АВ/В<№*. . . .

Під час проходження ироміжіш охолодженім на іонинН нуюк діют: різного роду збудження, викликані дісіо електронного пучка та иоздовжпоп магнітного шил. Показано, що просторовий заряд елеіггроішого пучк спріїчишос додатковий зсув частот бетагрошшх коливань, рівний Д\'~О.ОІ Крім цього у ііоздоамсіюму магнітному полі соленоїда системи охолодженії; відбуваїггься обертання іонного пучка. Оцінки показують, що воно буд рівним приблизно 0.52 рад. Також на вході та виході ділянки охолодженії іони отримують удар у поперечному напрямі, який викликана діє» ноіісречннх компонент супроводжуючого магнітного ноля тороїдів. ІІр цьому відбувається спотворення замкненої орбіти іонного пучка ішгромадзкувачі. Для корекції такого спотворення па вході та виході систем охолодження необхідно остановит по два дипольних матіта, як к показано в останьому пункті третього розділу. .

У четвертому розділі проведено теоретичні розрахунки осиошш параметрів пучка, які можливо отримати в нрпскорювальїіо-нагромаджуші льиому комплексі уїД. Найбільш вагомим параметром, що характеру сфиктипикггь ішгромадікувальиого кільця з внутрішньою ‘ мііиешо є ііоі снітність, яка визначається формулою: .

£ = /.№,. (З

\c f, - частота обертання іоиіп у кільці, /, - тоїнцішя мімк-чі,(<-м 2), N -кількість иаг]х>м!іджепич іоіііп у кільці: .

N = ' (3)

Гут: N,g - кількість іоні» в одному мікінхнугтку, Л',г- число мікрозі’усткін на одному оберті ігафомиджупачії-сніїхротрсшл, п.Л]- кратність інжекції. Для Інжекції, яка буде іцхнюлитнаї металом нергмярндкн, у /¡юрмулу (.4) ітедепо параметри: тд./ - еі|>еііпіітість upnny електроні», е(|>сктііішість нагромадження. Для Інших методів інжекції ці нпрамстрії рівні одиниці. У

ч отпертому розділі, усі ці параметри ннзшічаїотіїом. Як показують розрахунки, максимальна епітність, яка мшпчастьгн <|н>рмулом (2) для усього діапазону іоні» 1IIТІС, лежить у межах 1.іх102!>+2.0х10'1п esiV. Але для практичних цілеіі, більш піітиим с не максимальна епітність, а ее|М'дпя, яка пшначастьсн Іптеїрупапням ттаїшмії по періоду одного циклу |юботн нагромаджунача. Тепер стае питания ііизшічсшш чкеу одіюі-о періоду |юботн кіл?,ця, и кпи складштьсл :і часі» ішг[н>ч,ід;і;єііш!, нриско|>сііші, нроподоннп ФІЗИЧНОГО ОКСНОріІМСНТу та нрнппуиаиіія поїшго циклу |Х»б(ті іівгромиджупачії. Чаг црі!ско|ччіии та нриічпушшнл нопого циклу підомі і доріїшнноть І е. Чаг П|кшсдешіл фішічиоі-о експерименту з достіггньоіо точністю можна іікикачнтм, сх'кііькіі пін дьріпнюс чагу життя неї (>омад:і:ежші пучка нрп його ішемодії (н оенонному лише однократним інхісіліншм) а атомами екснсрнмснтпльтм мішені. ІІпіІҐіІ.п,ні складною проблемон> v шшиачсішя часу паі[Х)дтджеші;і іоні» у кільці, оскільки пін заложить під багатьох факторі«, а саме: енергії інжекції; методо інжекції; чагу життя іонного пучка, який в спот чергу залежить під нерезарядннх н[>оце<ін та іі|х>цссін |х»зєіл!піл на атомах ’ зплншкоіюі-о тазу; чагу охолодження; ніюцегіи рекомбінації Іоіііп у системі охолодження. Як показано іш енергії інжекції циклотрону, процеси перезарядки суттгпо обмежукіть час; skhttii iuukkhx (Д>20) Ісиііп, що по дас можлнпості їх ітгромаджушіти. Тому вшінкас необхідність їх попереднього донрискореінія (за допомогою бустера, мал.І) до проміжної енергії, нрп якій час життя буде у межах 10-100 с. Але ирн цьому необхідно б|ити до уваги той факт, що час охолодження також збільшуються і.і збільшенням енергії.

Проведено оцкігш максимально можливої іктснсіншості іонною нуч. яку Mojr.isiuo отримати у нагромаджувальному кільці. Як показано, ііросгоропага заряду іонного пучки викликає додакошііі від'ємний а частоти бетатрошнк коливань. Тому максимальна інтенсивність б; залежати від того, наскільки близько буде розташована “робоча точі ітг|я)'.тд;;суііііча до наііблшкчога резонансу. Згідно розрахункам від’емі: зсув до иаіїблиаїчою резонансу складає Ди=0.03 та згідно з отримай формулою максимальна інтенсивність іоіііи у кагромаджувальному кіл ІЯД буде у межах 109-10п. '

Для вивчення часу життя іонною пучка в нагромаджувальному кіл у четвертому розділі досліджуються процеси взаємодії іонів з атома залишкового газу, а саме - з процесів перезарядки - електронне захонлеї та електрошшіі зрнв, з процесів розсіяння - однокразове та багаторада [юзсііішш. Як відомо, основна частіш отриманих експериментальних даі перерізів для ішесг.оаарядшіх важких іонів була виміряна па низькій еие] (10 кеВ/и - 10 МеВ/н): Але, у випадку проектування нагромаджували кілець, необхідно мати дані про перерізи перезарядных процесів іокіг широкому діапазоні енергії та при різних зарядових ставах іоніз та ато: газу. В роботі дасться методика отримання ефективних перерізів пезяряді процесів для ішцюкого діапазону іонів у випадку, коли залишковий газ t пастушиш атомарний сіслад: 90% - II, 9% - N, С, О, 1% - Аг.

Розглянуто ефекти» які обмежують отримання иадхолодних иучкі: нагромаджувальному кільці з системою електронного охолодження, кулонівська сила взаємодії іонів між собою, іцо спричинює послаблої фокусування пучка у поперечному напрямі та зсуву частот бетатрої колпг-ші, до небезпечних резонансів. Інтими ефектами, які обмежу» охолодження пучка с: внугрішньопучкове розсіяння, що спричин

збільшення поздоіикної температури іопів за рахунок поперечної; флуктуї іонізаційних втрат *іш атомах мішсиі. Відповідно {юзрахункам підносі снерптічиші розкид іонів у кільці буде складати ДЕ/Б» 10J. ,

Досліджуються методика отримання тішу та величини товщини мій ;іші іі|юш‘ді‘імі!і ядерно-фізичних експериментів у нагромаджувань!! ІІІЛІ.ЦІ. У |><>ботІ |ИКІГЛЛДа(ТиЧ1 умоїш, коли потужність дифузії ІОННОГО II)

на атомах мішені ив перевищує потужності охолодження, тебто електронне

оХолоджіннш буде компенсувати середні енергетичні втраті! та багаторазові процеси розсіяння «а атомах внутрішньої мітелі за час одного оберту ігучка у нагромаджутчі. • '

У пятому розділі, з мстоїр зменшення енергетичного -розкиду пучка іоиіп циклотрону У-240, досліджується мо::слішість компенсування абсраціГших спотворепь другого порядку в монохромптизуючому мапііті, ' розташованому у системі транспортування ізохронного циклотрону У-240.

Згідно розрахункам імпульсне розділення аналізатора складає

ноля монохроматора спричинює спотворення фазового об’єму пупка, що

Для компенсації цих спотворень використовується той факт, що у рішенні рівнянь руху (де у правих частинах враховуїоться квадратичні члепн) входять секстунольпі складові магнітного поля. Було розроблено програму TREK для розрахунків режимів робота монохроштнзуючого магніта, а такс;!: транс«¡юрмацїї фазового об’єму у пелініГіпому магнітному _ полі монохронттора. Та;:о:;: за допомогою цієї програми для компенсації абераційних спотворень можна порахувати необхідні . значення' енл секступольшіх лінз, які розташовані на вході та виході монохроматору. Згідно розрахункам можна отримати такі значення градієнтіп секступольннх лінз, при яких спотворення стають мінімальними. ■

У шостому розділі доціджується так звана “ізохронпа мода” роботи иагромаджувального кільця, яка дає можливість подібним синхротронам . працювати як мас-снектрометри короткожнвулих екзотичних ядер. Виходячи з релятивістського співвідношення для енергії можна отримати наступну формулу для визначеннн маси радіоактивного ядра: '

де ш - маса ядра, Т - період обертання іона у кільці, /> - імпульс ядра, у -релятивістський параметр, у,г - константа, яка залежить тільки під

п рішіянні (4) з;юбпти настільки малою величиною, іцо ним можна буде

Др/р=4.2х10‘5. Але, як показано у пятому розділі, неліиіВність магнітного

суттєво знгакає роздільну силу монохроматора (приблизно у 10-12 разів).

(4)

насті юпки магнітної оптики паг[юмаджу[шлі.ііого кільцн. Якщо другіні член

- 1.1 -

знехтувані, то отримаємо дуже просте співвідношення мкк масовим, т часовим роедіїіешшм кжіії у гільці. Ісііус дна шляхи, за допомогою «і;и: друпііі • член у рівнянні (4) можна зробити маііжс пулмжим Використовуючи сютсму. електронного охолодження імпульсне розділенії. (Др/р) Іонного пучка можна зменшити до величини «10'6. Ллє, пі показано у четвертому розділі, час охолоджений для більшості іонів енергіями у межах 100-200 МеВ/н дорішпос приблизно одній секунді. Дл, короткояадвучнх ядер з часом життя порядку 1 мке такий метод не нож бути застосовано. Існує іішінй шлях, каш друтиіі член в рішілшіі (4) мож дорівнювати нулю. Для цього необхідно перебудувати магнітну оптик кільця таким чином, щоб параметр буї» ріпним релятивістсько«;

параметру у. Щоб цього досягти, як показано у шостому розділі, необхідні збільніупатн середнс значення дисперсійної функції ітг|ю\шд;иуіиічи.

ізохронпіій решім роботи шігромаджувального кільця буя експериментально, досліджено іш Дармштадському експериментально ішгромядагувальному кільці (інститут GSI, Німеччина). Відионідпо нагромаджувальїіе кільце ІЯД, крім функцій нагромадження, охолоджений ііріісі:о}юшмі, виконання фізичного сішнерн менту на ішутріїїпіііі мішок також може працювати як мас-спектрометр ко|юткоживучих екзотичнії: ядер, що еупчш ікхіширіоє спектр проведення іідерно-фізични: експериментів па щиісітрюїздіьно-ішгромаджупальиому комплексі ПІД,

У сьомому розділ! приведеш розрахунки системи зовнішньої іижекц! циклотрону У-240. Для розширення диапазону іонів, ш;і можна бут використовувати у ядсрнб-фізнчішх експериментах на прискорюїшлмю нагромаджувальїкшу кільці ІЯД, планується встановлення ряду додатковії джерел: ЕЦР-джерела тяжких іонін; джерела 'поляризованих іонів т джерела легких іоиіз. Ці джерела Планується розташувати в окромом приміщенні, спеціально передбаченому для їх «Ґюру та запуску. Із цьог приміщення іони, отримані у джерелах, будуть транспортуватися в медіани площину циклотрону за допомогою горизонтального тракта траиснортуваші та вертикального канала інжекції. Ilpii poupaxyintax системи іпжекції 6yj враховані пастушії вимога:

- дчп інягеїіції іоіііп у циклотрон. та захоплення їх у режим рискорснил необхідна селекція базканпх іоніп з нешюю енергісю та дношеншш заряду до »гаси (тобто необхідно встановлення аналізуючої ¡¡етеми). У нашому випадку енергія іонів; які отримують в ЕЦР-джерелі, гаповить 10 кеВ/н :» А/7. від 2 до 5. Ці два параметри пучка дають шіітиу жорсткість ІШ, яка буде визначати параметр» оптичних елементів ранспортної лінії. У нашому випадку величина ІШ знаходиться у *ме:ках .2+0.42 Тл м;

- необхідно узгодити параметри фазового п|юстору пучки, який тримусться в ЕЦР-докерелі з аксептансом аналізуючої системи;

- після аналізуючої системи відібрані іони від ЕЦР-дясерела повніші

іудуть направлятися у загальний ■факт траиспортуваяя, якпй такойс буде іикорнстоиуватисн для транспортування легких іоній, отриманих у джерелі іегкнх іонів, а тако:к іонів від джерела поляризованих іопів. Тому необхідно ■згодити усі лінії, які ведуть іони від цих джерел з акееіггаисои загального хіріізонтальиого трасту транспортування; '

- усі зовнішні джерела іюкшіііі розташуйтеся п окремому нриміш.ешіі

габлизу залу, де знаходиться циклотрон У-240; -

- загальний траст транспортування повинен буде проходити крізь

їетопиу стіну товщиною приблизно 5 м. ' . ‘ .

У даному розділі приведено результати розрахунків горизонталкки’о то вертикального ТЇ№!ЇТІ« трЗІ!СІ!ОртуВШ!НЛ З урахупояях ПКГІ'СЗГадАїНІХ 1!!!МОГ. Розрахунки проводилися :иі допомогою ирогрзми ТЕЛНаРОПТ. .

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. Зроблено амяліз різноманітних схем ішїрамядкутшїо-кргккаркі-

валыюго комплексу Ш( ШД НАЛ України, який дозволивобгрунтувати вибір осіїоппої схеми ІІІІК. ■ '

2, Розроблена структурна магнітна схема іші*ромадїкувапа та буетера-

сиікрот|»ців. Ршрахоміт бетотроині, дисперсійна функції сш:х|хгг;ж!йв та інші основні параметри иагртмоджувалыюго комплексу. •

3. Розглянуто різноманітні схеми інжекції іонного пучка, які використовуються в НІШ.

4. Для проведення ефективного охолодження іонного пучка в кулері

ІЯД досліджено процеси взаємодії іонного та електронного пучків. Отримана формула для визначення часу охолодження іонів. •

5. Сформульовано вимоги до електронного пучка при Кого формуванні у електронній гарматі.. Досліджена динаміка електронного пучка у електронних гарматах різної геометрії. Вивчено вплив різного роду похибок в поздовіккому магнітному полі на відпосішіі кутопнй розкид електронного пучка.

.8. Розглянуто вшнш поздовжного магнітного поля та електронного пучка системи охолодження па замкнену орбіту іонного пучка.

7. ДІроведсно теоретичне дослідження іцюцссів взаємодії іонного пучка з атомами залишкового газу вакуумної камерії нагромаджувачц.

.8. Обгрунтована необхідність стиорсиші допоміжного прнскорювича-сиііхротрону (бустеру). •

9. Розглянуто вимоги, виходячи із лкнх необхідно вибирати тші та

товщину внутрішньої експериментальної мішені. ' .

10. Показано, що енергетичний розкид оханоджешюго іонного пучка

буде на рівні -10'5. При цьому електронне охолодження буде повністю пода&шоватн нагрів пучка, якіііі шіинкас у міщені, за час-одного оберту іонів у кільці, якщо товщина мішені пс буде неревшнукатн вилнчинн 10их(Л/г)2 см’2. . ' ,

11. Розраховано основні параметри іонного пучки, які можна отримати

в НПК ІЯД (світність, інтенсивність, час життя, спсрітггнчіній- розкид та інше). • .

12. З мстою зменшення енсріхггнчного |юзкиду пучка іопів циклотрону У-240 розроблепо програмне з&безнсченіуі для ]хмрахупкін режимів ¡к/юти мснохроматшуючого машіту для вивчання поведінки іонного пучка в магнітному полі з урахуванням ебе|>ан,іііііих епотво|>еш. другого порядку. Розрахунки, виконуються з урахушшіям експериментально ¡»¡міряного розподілу магнітного поля.

13. Проведено теоретичне дослідження ізохронної моди нагромаджу-

чьного'кільця. Експериментальне дослідження цій моди було іцюседено на рмштадському екснерішстшшю-нагромаджувольпому кільці, що стперджуе можливість робота подібних кілець як мас-спектрометри для роткожнвучнх еіиотичішх ядер. ' .

14. З мстою покращення та (кхианреніш режимів роботи циклотрону 240 і toy робленії система зошіішньої інжекцГі.

По темі дисертації надруковано наступні роботи:

Uolinskii A.V., Papash А.I, 'Paiiov S.N., Rudehik A.T., Valkov Л.Е., ihnevsky I.N., Zhmendak A.V.(INR, Kiev), Dikansky N.S.¡Kudelainen (., Pestrikov D.V., Sukhina V.N (IMP,Novosibirsk). The Ukranian (INR, av’s) Storage lting//Proo.of the 19th INS Symposium, Токіо,1990, p.48-51. Doiinskii A.V., Papash A.I., Pavlov S.N., Rudehik A.T., Valkov A.I!., tlmevsky I.N., Zhmendak A.V.(INIl, Kiev) Dikansky N.S.,Kudelainen V.I., strikov D.V., Sukhina V.N.(INP,Novosibirsk). The Ukrainian (INR, Kiev's) >rnge ning//Proc. of the first INK International Seminar on Accelerators, ;v, 1990, p.121-128. .

'iolinskii A.V., Papash A.I., Pavlov S.N., Rudehik A.T.., Valkov A.E., tlmevsky I.N., Zhmendak A. V. Slolage-Accelerating Complex Project Of The ¡titute For Nuclear Research,' Kiev //Heavy ion Storage . Kings with clroa cooling (USSK proposal and project coiieciions), !990.

'.Kurelmlov institute of Atomil; lincrgy, p.(¡1-04.

Uolinskii A.V., Papash A.I, Pavlov S.N., Rudehik A.T., Valkov A.IL,

>hnevsky I.N., Zhniendtdc A.V.(JNR, Kisv), Dikansky N.S.,Kudelaitui‘г

Pestrikov D.V., Siilihina V.N (INP,Navosibirsk)..l'.kxlr(m coaling sy.-item ijcH't of the storage ring at I he Institute for Nuclear Researeh//Pri>o.of She firkshop of Electron Cooling and New Cooling Technique. Lcgnaro (Italy), 1)0, p.87-96.

Jolinskii Л.Г., Papash A.I., Parloo S.N., Rudehik A.T., Valkov A.II., hnevsky I.N., Zhmendak A.V.flNll,Kiev), Dikiinsky N.S. ,Kitdrlainen V.I., ttrikov D.V., Sttkhina V.N (INP,Novosibirsk). The Main Parameters of the litute For Nuclear Research, Kiev Storage Ring, (лньіпісіічі on the I ¡use of

the U-240 Cyclotron //Heavy ion Storage Rings with electron tooling (USS proposal and project collodions), Moscow, 1990. I.V.Kurchalov Institute i Atomik Energy, p.78-94. .

6.Uolinskii A.V., Papash A.I., Pavlov S.N., Rudehik A.T., Valkov A.E. Vishnevsky I.N., Zhmendak A.V.(INR); Belov Г.P., Kokorin A.M., Makarc

S.A., Severgin Yu.P., Shukeilo N.T. (Efremov's Scientific. Iteseurch Institut for Electric Physical, Petersburg). New Projekt of INK (Kiev's) Storag accelerating Complex//Proc! of the second INR International Seminar о Nuclear Physics, Kiev, 1991, p.92-108.

7. Долинский A.B., Павлов C.II. Вальков A.E. Шмендак A.D. Физически і

проект электронного охлаждения ускорителыю-накопителыюго комплексі ИЯИ АН Украины//Вопр.атом. науки и техн. Сер. Ядер. -физ. Исслед (Теории и эксперимент).(Харысон) 1991.-№3, с.10-15. *

8.Uolinskii A.V., Papash A.I., Rudehik A.T., Shvedov A.A, Valkov A.E., Vishnevsky (INR); Kapustin A.A., Kokorin A.M., Severgin Yu.P., Shukeih N.T. (Efremov's Scientific Research Institute for Electric Physical, Petersburg) The INR (Kiev's) Radioactive Ion Beam Separator//Proc. of the second INI1 International Seminar on Nuclcar Physics, Kiev, 1991, p.2I-27.

В. Долинский A.B., Шведов A.A., Горюноо О.Ю., Осташко В.В., Урии И.II., Вальков А.Е., Папаш А.И., Бердіиічеико С.В., Варабаш Л.И. Монохроматор СП-07, результаты первых экспериментов. Препринт КИЯИ-92-7, Киев, 1992.

10. Doliitskii A.V., Papash A.I., Parlov S.N., Rudehik A.T., Valkov A.E., Vishnevski/ I.N., Zhmendak A.V.(INR,Kiev); Belov V.P., Kokorin A.M., Makarov S.A., •Severgin Yu.P., Shukeilo N.T. (Efremov’s Scicntific Research Institute for Electric Physical). New Projekt of INR (Kiev's) Storage accelerating Complex/yProc. of the 3-І) EPAC, Berlin, 1992, p.1521-1523.

11. Dolinskii A.V., 'Pupash A.I., Rudehik A.T., Shvedov A.A, Valkov A.E., Vishnevsky I.N. (INR); Kapustin A.A., Kokorin A.M., Severgin Yu.P., Shukrilo N.T. (Efremov's Scientific Research Institute for Electric Physical, Petersburg). The INR (Kiev’s) Radioactive Ion Beam Sc*parator//Proe. of the 3-І) EPAC, Berlin, 1992, р.45в-45й.

Dolinskii A.V., Papahs A.I., I’avlov S.N., Rudehik A.T., Viilkov A.E., hnevsktj I.N., Zhmendak ,A.V.(INIt); lirlov V.P., Kokorin A.M., Makarov L, Severgin Yu.P., Shukeilo N.T. (Efremov's Scientific Research Institute Electric Physical). Ion Storage Hing of the INR Storage accelerating nplex/yProc. of the PAG, Washington, 1093, p.3822-3824. ■

, Dolinskii A., Ausliev V.,Valkov A., Zaika N.(INR,Kiev), Efremov A., fner V. (JINR, Dubna). External Sources and I?eam Line for Isochronous ■lotron U-240 //Have been reported on European Cyclotron Progress eting. Turku, Finland, 1993.

, Dolinskii A., Eickhoff II. Injection of the ISIl at the Transition irgy//GSI, Scientific report ,1995, p.244.

. Dolinskii A., Valkov A, Eickhov II. Franzke B, Fmnczak D. Operation of ESU (GSI, Darmstadt) at the transition energy//Proceedings of the EPAC-, Barcelona, 1996, p.596-598.

У^////////////УУУУУУУУУ//////^^

Мал.1. Схема ирискориюальпо-пагромаджуволыюго комплексу 1ЛД.

УНК - ирискорюв&льво-Шгромадгкувальпе к1льц«; Б - бустер; МД - дцполии могпгг; ЛИ - кшдрупальиа тта; СЭО - система електрошюго охолодженця ' СМ - сеитум-МЕГнН; УМ - ткер-малпт; БМ - бпми-магшт; Т-мшншь.

Даланский А. В. Исследование дшшчшси пучка и комплексе “Изохронный циклотрон У-240 - ускорителыю-накошггельноо кольцо (ИЛИ)". Диссертация (рукопись) «а соисодшс ученой степени кандидата физпко-математпчесгсях наук но специальности 01.04.10 - физика ядра и элементарных частиц. Научный центр “Институт ядерных исследований" НАН Украины, Киев, 1997. •

Защищаются теоретические расчеты магнитной оптики уекорительно-паконителшого комплекса НЦ ИЛИ (r.íCiten), основные параметры сонных пучков, которые возможно будет подучить п данном комплексе,' а также результаты экспериментального исследования изохронной моды накопительного кольца. •

Dolinskii A.V. The investigation of the b.n beam dynamic al the “isochronous cyclotron U-240 - accelerate-storege ring (INfl)” complex. The dissertation (manuscript) submitted to earn a Candidate of Phys.-Math. Sciences Degree on the specialty of 01.04.16 - Physics of Nucleus and lilemeniary Particles. The Scientific Center “Institute for Nurlesr Iteearch” of the Ukrainian Nat ion:'.!-Academy of Sciences, Kiav, !907. :

The theoretic calculations of the Aecclerate-Slorsgc Gomplés INIt (Kiev) magnetic, optic, the mum parameters of the ion team that are po4sih!e to obtain at this Cora ¡-lex and the nsu!'4 of the experimental шгечН^По» cf Ihe isochronous mode for .storage rinr; an; represent«!.

KjiioToiij слова: ion, ивгромадеяусач-синхротроя, п’лчщютю охолод-.женин, фа;юиий npocrip, ni:¡:iM;!ib¡, ракмяш»!, ш*ре|:!з.

Подписано к печати 06.05.97 г. Формат 60x84 1/16 Печать о^хитнал. Зама 2 Ч Тира:« 100 ;на. Усл.нечЛ.5

CKTIJcDll Института ядерных исследопаииН ИДИ Украины 252028, Кнен-28, проспект Науки,47