Исследование импедансов вакуумной камеры и их влияния на параметры продольного и поперечного движений интенсивного пучка в протонном синхротроне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

I 8 АВГ 1994

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

94-62 На правах рукописи

Михеев Михаил Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПЕДАНСОВ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОДОЛЬНОГО И ПОПЕРЕЧНОГО ДВИЖЕНИЙ

ИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА В ПРОТОННОМ СИНХРОТРОНЕ

01.04 20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1994

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В Институте физики высоких энергай ведется сооружение ускорительно-накопительного комплекса (УНКЯ Рекордные проектные параметры комплекса по энергии 0,4 ? ТэВ, интенсивности выведенного пучка б-1014р/цикл для экспериментов на фиксированной мишени и светимости в коллайдерном режиме 1-Ю33 см"2с_1 позволят выйти в фундаментальных исследованиях по физике высоких энергий на новый качественный уровень. Обеспечение проектных параметров комплекса предъявляет жесткие требования по сохранению инвариантного продольного и поперечного эмиттансов пучка во всей цепочке ускорителей, начиная от линейного инжектора и кончая сверхпроводящим коллайдером. Основными причинами, ограничивающими интенсивность выведенного пучка и светимость коллайдера, являются эффекты пространственного заряда, приводящие к росту эмиттанса пучка.

Протонный синхротрон У-70 будет использован в качестве инжектора первой ступени УНК. Введенный в эксплуатацию в 1967 году этот ускоритель был рассчитан на получение пучка с интенсивностью 510"р/цикл. В результате модернизации его интенсивность была поднята до 5 1012р/цикл (при инжекции от линейного ускорителя И-100). Сооружение бысгроцикличнош бустера на энергию 15 ГэВ позволило сместить ограничения по кулоновскому сдвигу бетатронных частот в область более высокой интенсивности. Теперь одной из главных причин, ограничивающих интенсивность пучка, стали динамические эффекты пространственного заряда, так называемые неустойчивости пучка. Они возникают из-за электродинамического взаимодействия пучка с периферийным оборудованием и сопровождаются увеличением продольного и поперечного эмиттансов пучка.

Работы по дальнейшему повышению интенсивности до уровня 510'3р/цикл в соответствии с проектом УНК потребовали проведения исследований механизмов наблюдаемых эффектов и идентификации элементов вакуумной камеры кольца, взаимбдействие с которыми вызывает неустойчивости пучка.

В диссертации рассмотрен комплекс вопросов, связанный с экспериментальными исследованиями высокочастотных неустойчивостей пучка ускорителя У-70 — основной причиной, ограничивающей в настоящее

Ускорительно-накопительный комплекс на энергию 3000 ГэВ. (Физическое обоснование). Препринт ИФВЭ 93-27. — Протвино, 199а

. Научная новизна результатов

Впервые разработаны высокочастотная аппаратура и методики измерения, позволившие проводить исследования спектральных и амплитудных характеристик неусюйчивостей пучка в протонном синхротроне ИФВЭ в диапазоне частот 0,1+Ю ГГц. Впервые экспериментально исследовано взаимодействие интенсивного протонного пучка с гофрированной вакуумной камерой. Показано, что резонансный характер взаимодействия обусловлен механизмом замедления электромагнитной волны на. гофрах вакуумной камеры Проведено сравнение результатов исследования характеристик неустойчивости с результатами стендовых измерений электродинамических характеристик отрезков гофрированной камеры На основании этою сравнения был сделан вывод о том, что гофр является причиной высокого продольного импеданса камеры на частотах порядка 6 ГГц.

Обнаружена и экспериментально исследована поперечная высокочастотная неустойчивость пучка. Доказано, что она относится к типу неустойчивослей "голова-хвост".

Впервые на основании исследования поперечной высокочастотной неустойчивости пучка и стендового измерения характеристик пикап-электрода системы измерения орбиты У-70 показано, что реактивные элементы цепи пикапа являются причиной высокого поперечного импеданса на частотах вблизи 100 МГц, который приводит к неустойчивости пучка типа "голова-хвост". Установлено также, что поперечный импеданс резонаторов станции перегруппировки пучка имеет величину, приводящую к неустойчивости пучка уже на достигнутом уровне интенсивности.

Разработаны аппаратура и методика, с помощью которых впервые проведено измерение поперечной передаточной функции (группированного протонного пучка. Методика была применена для измерения передаточной функции в условиях сильной кубической нелинейности магнитного поля и исследования характеристик пучка в зависимости от его интенсивности.

Научная и практическая ценность

Подготовка ускорителя У-70 для работы в качестве инжектора УНК предполагает проведение работ по модернизации ряда его систем. Выполненные в рамках настоящей диссертации исследования позволили определить те элементы вакуумной камеры и периферийного оборудования, которые должны быть заменены, модернизированы или устранены В частности, показано, что высокий продольный импеданс камеры на частоте = 6 ГГц, обусловленный взаимодействием пучка с замедляющей структурой, каковой является гофр вакуумной камеры, не позволит получить параметры пучка, соответствующие требованиям УНК. На основании этого заключения было рекомендовано заменить гофрированную вакуумную камеру У-70 на гладкую.

интенсивности 5-1013р/цикл возможно только при устранении гофра вакуумной камеры

3. Исследование высокочастотного поперечного импеданса камеры показало, что основными причинами поперечной неустойчивости пучка являются

У> 9* _

паразитные реактивности цепей пикап-электродов системы измерения орбиты пучка, имеющие высокодобротный резонанс на частоте =100 МГц и поперечный выоокочасготный импеданс резонаторов станции перегруппировки пучка на частотах 300 и 400 МГц

4 Разработана аппаратура и методика измерения передаточной функции сгруппированного пучка, показана возможность применения этой методики для диагностики параметров бетатронных колебаний и настройки режима работы ускорителя.

Апробация диссертационной работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Отделения УПК ИФВЭ, CERN, на 10-, 11-, 12-м Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц в Дубне, на 13- и 1Фй Международных конференциях по ускорителям в Новосибирске и Тсукубе (Япония).

По материалам диссертации опубликовано 10 работ в виде препринтов ИФВЭ, в трудах Всесоюзных совещаний и международных конференций по ускорителям заряженных частиц, а также в журнале "Particle accelerators". Основные результаты диссертации содержатся в работах, приведенных в списке литературы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Объем диссертации 104 страницы, включая 40 рисунков и 6 таблиц.

Содержание диссертации

Первая глава посвящена описанию экспериментального исследования продольной высокочастотной неустойчивости пучка ускорителя У-70. В первом разделе этой главы дана общая постановка задачи и приведена сводка основных результатов, полученных в процессе исследования.

Второй раздел содержит обзор основных работ по продольной микроволновой неустойчивости пучка, в нем дано определение импеданса камеры, сформулирован пороговый критерий стабильности пучка.

В третьем разделе главы описана аппаратура, которая была создана для исследования характеристик высокочастотной продольной неустойчивости пучка. Спектральные измерения проводилась в диапазоне частот 0,1-10 ГГц. Аппаратура частотного анализа включала: датчик СВЧ-излучения, построенный на основе рупорной антенны, пристыкованной к керамической вставке в

ШШШтШт]

иишгл^г __тшшштъ_

иимавам

Рис.2 Огибающая СВЧ-сигнала при разгрупгировке пучка У-70

е = 70 ГэВ, =8-Ю'°р/сгусток, развертка 2 мс/дел, запуск через 6 мс после начала дрейфа.

Результаты эволюции спектров в зависимости от энергии частиц представлены на риг.З. Символом у, обозначена критическая энергия. Наиболее интересной особенностью спектров является узкополосность СВЧ-модуляции сигнала и уменьшение ее центральной частоты с ростом энергии частиц.

По результатам спектральных измерений наблюдаемая неустойчивость была отнесена к классу микроволновых. Для согласования теоретической модели с данными измерений необходимо изменить известный пороговый критерий! учетом реальных параметров сгустка, распределение частиц в сгустке:

Мы использовали следующее модельное

^(и,<р) = С 1

ф'

р2о

здесь и = р-р,— отклонение импульса частицы от равновесного, ср — фаза частицы относительно равновесной фазы ускоряющего поля, 2ф0 — фазовая протяженность сгустка, С — нормировочная константа, р0 — максимальный импульсный полуразмер сгустка, числовой параметр а = 1,5.

Окончательно для порогового соотношения была получена следующая формула, удобство которой состоит в том, что входящие в нее параметры можно с хорошей точностью определить из эксперимента

■>0Ь \

«К

а+^ч2)1'

где С = 0,85 — числовой параметр, гк — продольный импеданс камеры на к-той гармонике частоты обращения со5; <р, — эффективная длина сгустка,

1 ВсишапЮ. СЕ1Ш-1лЬ 11-1Щ75-2 (1975).

в конце цикла ускорения при снижении ускоряющего напряжения, подтверждают результаты, полученные выше.

Ввод в строй бустера и повышение интенсивности пучка до

= 5-10''р/сгусток позволило проверить справедливость сделанных оценок при новом уровне интенсивности. Измерения были повторены на плато я = 1385 Гс при е-8,2 ГэВ. Они показали, что при токе сгустка выше 100 мА он постоянно находится на пороге устойчивости. Результаты, полученные при измерениях в этом режиме, хорошо согласуются с данными табл. 1.

Уже при достигнутом уровне интенсивности 1,5-1013р/иикл неустойчивость вызывает серьезные трудности. Потери частиц на критической энергии даже при работе хорошо настроенного скачка и увеличении фазового размера сгустка ухудшают эксплуатационные свойства ускорителя. Ситуация еще больше усугубится после повышения интенсивности до нового проектного уровня 5 1013р/иикл. Серьезные трудности ожидаются на критической энергии, где относительный импульсный разброс в пучке составит ±1,6 Ю"2, чему соответствует разброс радиусов орбит около ±5 см. Пройти эту точку без потерь можно будет только введя скачок критической энергии не менее леу =0,3 ГэВ.

На максимальной энергии импульсный разброс при разгруппировке будет не менее ±1,0-КГ3, что на порядок превышает естественный разброс По условиям инжекции в УНК эта величина не должна превышать ±0,33-Ю~\

Таким образом, в первой главе показано, что продольная микроволновая неустойчивость является серьезным препятствием при достижении проектных параметров У-70 и УНК. Необходима разработка мер по уменьшению импеданса ваккумной камеры и согласованию фазового объема сгустка в У-70 с продольным аксептансом первой ступени УНК.

Предположение о том, что продольная высокочастотная неустойчивость вызывается взаимодействием пучка с замедляющей структурой, образованной гофрированной вакуумной камерой, получило свое подтверждение после стендового измерения электродинамических характеристик резонаторов, образованных отрезками гофрированной камеры. Подробное описание аппаратуры и методик, использованных в этих измерениях, а также результатов измерений, приведено во второй главе диссертации.

В начале второй главы проводится обзор известных методов стендового измерения импеданоов различных неоднородностей вакуумной камеры ускорителя. Обоснован выбор резонансного метода малых возмущений для решения данной задачи.

Наиболее интересным диапазоном частот, в котором требовалось выполнить измерения шунтового сопротивления резонатора, был диапазон частот сигналов неустойчивости = 6 ГГц. Эта частота существенно превышает частоту отсечки вакуумной камеры, вследствие чего в рабочей области

является хорошим подтверждением предположения о гофре, как о причине продольной неустойчивости пучка У-70.

рпч

6.5 г-^--------

Рис.5. Участок дисперсионной характеристики гофрированной вакуумной камеры У-70.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию поперечной высокочастотной неустойчивости.

При повышении интенсивности пучка ускорителя У-70 до уровня 1,5-1013р/цикл проявился ряд эффектов пространственного заряда, к числу которых относится поперечная высокочастотная неустойчивость пучка. Она приводит к росту поперечных размеров сгустка, ограничению его интенсивности, ухудшению характеристик работы устройств вывода.

Для исследования этой неустойчивости был разработан набор диагностических средств, который включал в себя: высокочастотный датчик поперечных колебаний типа "8{геер-Ипе" с полосой частот 20-2000 МГц; гибридный трансформатор, обеспечивающий получение суммового и разностного сигналов с дифференциальностью не хуже -30 дБ в указанной полосе частот; магистральные высокочастотные усилители с полосой 1-1000 МГц; аппаратуру обработки высокочастотного сигнала.

. Для детального исследования характеристик неустойчивости пучка необходимо провести спектральный и амплитудный анализ сигналов, возбуждаемых при неустойчивости. Аппаратура обработки высокочастотного сигнала включала в себя каналы спектрального и амплитудного анализов. Первый был построен на ба£ прибора С4-49, оборудованного аппаратурой цифровой регистрации сигнала. Он позволял проводить частотный анализ однократных сигналов в полосе частот 10-2000 МГц в стробе 20 мс. Канал амплитудной обработки состоял из детектора с малой постоянной времени, схемы выборки-хранения, быстрого АЦП, интерфейса с ЭВМ СМ-1420. Этот канал обеспечивал возможность измерения амплитуды огибающей высокочастотного сигнала отдельного сгустка в 4000 временных

где а„(р) — собственный вектор колебаний сгустка моды т; К"р — матричный элемент, определяемый через функцию распределения частиц в сгустке по амплитудам синхротронных колебаний, импеданс камеры и ток пучка.

Ами. мхбам! аусткл С*™- «О

- ' / V ' / ^ЧЛ-

- / х

Рис.7. Амплитуда поперечных дипольных колебаний сгустка при развитии неустойчивости при токе Л^ =4-10"р/сгусток.

Рис. 8. Инкременты неустойчивости в зависимости от частоты в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Решение этого уравнения было выполнено численно с использованием известных методов решения задач на собственные значения. Результаты позволили оценить по измеренным инкрементам неустойчивости на разных частотах величину поперечного импеданса связи. Максимальный импеданс в горизонтальной плоскости колебаний, равный 2,^ = 6 МОм/м получен на резонансной частоте /х = 95 МГц. В вертикальной плоскости существуют два резонансных пика: гы=2б МОм/м на частоте 320 МГц и =39 МОм/м на частоте 400 МГц,

На основании полученных результатов был определен новый режим работы систем коррекции хроматичносги и кубической нелинейности магнитного поля, при которых развитие неустойчивости не происходит. Это позволило обеспечить стабильность пучка при существующем режиме работы ускорителя. Дальнейшее повышение интенсивности или изменение режимов работы систем коррекции могут потребовать модернизации указанных элементов вакуумной камеры с целью уменьшения поперечного импеданса.

В четвертой главе диссертации рассмотрены вопросы, связанные с экспериментальным исследованием поперечной передаточной функции пучка (ПФП) и ее применением для диагностики пучка в различных режимах работы ускорителя, в том числе с учётом эффектов пространственного заряда.

Методика ПФП была предложена в ЦЕРНе! и получила свое развитие для диагностики коллайдерного режима установок 1811 и вРБЯ Обзору этих работ посвящен первый раздел четвертой главы. Здесь же приведено краткое обоснование методики ПФП для однородного пучка.

Особенностью нашей работы является распространение методики ПФП на сгруппированный протонный пучок. Во втором разделе главы приведен общий вид передаточной функции сгруппированного пучка (ПФСП). Показано, что ПФСП имеет принципиальные отличия по сравнению с однородным пучком и представляется в виде

'

с„ =]1я(кВУт0В-кВ)Р,{В)ВМ,

о

--

£ /

здесь Х=-о--% — хроматичность; У —дисперсионный интеграл; г0 —

а—у

классический радиус протона; а — коэфициент расширения орбит; у — приведенная энергия протона; Jm — функция Бесседя порядка т. Суммирование ведется по гармоникам синхротронной частоты — функции распределения частиц по амплитудам бетатронных А и синхротронных В колебаний; N — число частиц в сгустке; и„иг —-частоты синхротронных и бетатронных колебаний; 1Х>1, — квадраты амплитуд поперечных колебаний; ^ — коэффициент передачи измерительной системы

1 Borer J. et al. IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-26.p. 3405.

2 Linnecar T., Scandale W. CERN/SPS/DI Note/82-8. Bjssart R., Scandale W. CERN/SPS/87-3(ABM).

в этом режиме может быть использована для измерения хроматичности и распределения частиц по продольному импульсу.

Рис 9. Измеренная с помощью методики ПФП функция распределения частиц по амплитудам бетатронных колебаний. Кривая А — исходный лучок, В — пучок, после скрепирования его мишенью.

Как было показано, сателлиты в спектре ПФСП не перекрываются, если нелинейный разброс бетатронных частот &» не превышает синхротронной частоты dscuj. Измерения в этом режиме проводились на плато инжекции ускорителя У-70 где 8o)/Dse>s = 0.i-¡-l. Величина 5со с помошью системы коррекции кубической нелинейности могла быть изменена по закону 8(0l(a.=aJ,+aJx

путем независимой регулировки а0,а= коэффициентов. Здесь введено обозначение

, =Ai „

Это соотношение позволяет по измеренной ПФСП восстановить распределение частиц по амплитудам бетатронных колебаний. Полученные по такому алгоритму распределения с различной шириной представлены на рис 9. Эти измерения могут быть использованы для восстановления профиля пучка, но более полезно то, что нелинейный разброс определяет затухание Ландау и измеренная ширина сателлита позволяет прямо оценить стабильность пучка.

Действие сил пространственного заряда искажает вид ПФСП. Происходит сдвиг частот, зависящий от номера моды синхротронных колебаний. Мы провели измерения ПФСП на ипжекционном плато ускорителя У-70 в диапазоне интенсивности сгустка от nb= 2-Ю9 до nb =310ир/сгусток. В результате были определены сдвиги бетатронной частоты для нескольких мод синхротронных колебаний при различной интенсивности сгустка. Интересной особенностью этих результатов является увеличивающийся с номером моды сдвиг частоты, что не укладывается в рамки общепринятой теории поперечной неустойчивости сгруппированного пучка. Данное обстоятельство должно стимулировать развитие теории поперечной неустойчивости связанных мод.

является взаимодействие пучка с гофром вакуумной камеры. На основании результатов измерений сделаны оценки предельного фазового объема пучка для рабочей интенсивности У-70 как инжектора УНК. Показано, что без устранения причин неустойчивости получение проектных параметров пучка невозможно.

2. Проведены измерения электродинамических характеристик гофрированной вакуумной камеры ускорителя У-70, которые позволили однозначно доказать, что гофр является основной причиной продольной высокочастотной неустойчивости на частоте около б МГц.

3. Обнаружена и детально исследована поперечная высокочастотная неустойчивость пучка У-70. На основании измерений характеристик неустойчивости и электродинамических характеристик элементов вакуумной камеры идентифицированы устройства, имеющие наибольший поперчный импеданс на частотах 90-400 МГц, взаимодействие с которыми приводит к поперечной неустойчивости пучка. Такими элементами являются пикап-электроды системы измерения орбиты и резонаторы станции перегруппировки пучка на частоту ускоряющего поля УНК.

4. Разработана и реализована методика измерения характеристик интенсивного сгруппированного пучка, основанная на анализе отклика пучка на внешнее возбуждение (передаточная функция сгруппированного пучка). С помощью этой методики проведены измерения параметров интенсивного пучка в различных режимах работы ускорителя У-70.

Список работ по теме диссертации.

1 Герцев К.Ф., Михеев M.G, Симонов A.A. Измерение характеристик когерентных бетатронных колебаний: Препринт ИФВЭ 85-129. — Серпухов, 1985.

2. Балбеков В.И., Герцев К.Ф., Копылов ЛИ., Михеев M.G, Симонов АА. Измерение характеристик продольной высокочастотной неустойчивости пучка: Препринт ИФВЭ 85-127. — Серпухов, 1985.

3. Балбеков В.И., Герцев К.Ф., Гуров Г.Г., Копылов ЛИ., Маловицкий А.Ю., Михеев М.С., Симонов A.A. Исследование характеристик продольной высокочастотной неустойчивости пучка в протонном синхротроне ИФВЭ. В кн. Труды 13-го Международной конференции по ускорителям высоких энергий. Новосибирск, 1986. Т. 2. С 148.

4. Балбеков В.И., Герцев К.Ф., Копылов Л.И., Михеев М.С. Расчет и измерение продольного импеданса связи гофрированной вакуумной камеры протонного синхротрона ИФВЭ. В khj Труды 10 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1986. Т. L С 386.

М.С. Михеев.

Исследование импедансоз вакуумной камеры и их влияния на параметры продольного и поперечного движений интенсивного пучка в протонном синхротроне.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы КЩХ. Редактор Н.В.Ежела.

Подписано к печати 31.05.1994 г. Формат 60 х 90/16.

Офсетная печать. Печ.л. 1.25. Уч.-изд.л. 1.48 Тираж 109. Заказ 1135. Индекс 3649. ЛР №020498 06.04.1992.

Институт физики высоких энергий, 142284, Протвино Московской обл.