Исследование оптики и настройка поперечной динамики частиц на линейном ускорителе ионов Н + и Н- тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

МИРЗОЯН Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКИ И НАСТРОЙКА ПОПЕРЕЧНОЙ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ НА ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ ИОНОВ

Н+ И Н

01.04.20 физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

П.Н.Остроумов

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................4

Глава 1. ДИНАМИКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ В ДЛИННЫХ КАНАЛАХ ИНЖЕКЦИИ. § 1. Оптика сильноточного пучка в канале инжекции протонов линейного ускорителя Московской

мезонной фабрики (ЛУ ММФ).........................................................8

§ 2. Оптика сильноточного пучка в канале инжекции

отрицательных ионов водорода ЛУ ММФ.....................................16

§ 3. Особенности перехода в каналах инжекции

на пониженную энергию инжекции................................................20

§ 4. Влияние сил объемного заряда на пучок в каналах

транспортировки...............................................................................32

§ 5. Критерии выбора каналов инжекции..............................................36

Глава 2. ДИАГНОСТИКА ПУЧКОВ НА КАНАЛАХ ИНЖЕКЦИИ.

§ 1. Диагностика пучка на канале инжекции протонов........................49

§ 2. Измеритель эмиттанса пучка............................................................49

§ 3. Характерные погрешности измерения эмиттанса...........................54

§ 4. Измеритель профиля пучка..............................................................55

§ 5. Измерители тока пучка.....................................................................57

§ 6. Устройство визуального наблюдения изображения

пучка..................................................................................................59

§ 7. Особенности диагностики пучка в канале инжекции протонов при переходе на пониженную энергию

инжекции...........................................................................................61

§ 8. Особенности диагностики пучка канала инжекции

отрицательных ионов водорода........................................................63

§ 9. Влияние взаимодействия с веществом протонов и отрицательных ионов водорода на измерения

параметров пучка..............................................................................66

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПУЧКА В КАНАЛЕ ИНЖЕКЦИИ ПРОТОНОВ ЛУ ММФ. § 1. Методика наладки длинных каналов

транспортировки сильноточных пучков.........................................72

§ 2. Особенности настройки канала инжекции протонов....................74

§ 3. Согласование пучка протонов при включении

резонаторов-группирователей..........................................................81

§ 4. Влияние возмущающих факторов на процесс

настройки и согласования пучка протонов....................................82

§ 5. Исследование пространственно-временной

структуры пучка протонов...............................................................84

§ 6. Особенности настройки пучка протонов при

переходе на пониженную энергию инжекции................................91

Глава 4. НАСТРОЙКА ПОПЕРЕЧНОЙ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ СИЛЬНОТОЧНОГО ПУЧКА ПРОТОНОВ В ЛУ ММФ. § 1. Согласование эмиттанса пучка с аксептансом

начальной части ускорителя............................................................93

§ 2. Согласование пучка на выходе начальной части

ускорителя.........................................................................................98

§ 3. Согласование пучка на участке 160 МэВ......................................105

§ 4. Вывод и настройка пучка на изотопный комплекс......................110

§ 5. Коррекция центра тяжести пучка на входе в ускоритель и на участках 20 МэВ, 100 МэВ и

160 МэВ...........................................................................................115

§ 6. Изменение эмиттанса пучка протонов вдоль

линейного ускорителя.....................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................122

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

+

Линейные ускорители ионов Н и Н (протонов и отрицательных ионов водорода) являются незаменимым инструментом для проведения исследований по физике средних энергий. Кроме того, в последние 10ч-15 лет проводятся разработки сильноточных ускорителей на энергию ~1 ГэВ и средний ток пучка до ~100 мкА. Развивается также направление использования линейных ускорителей Н с энергией 400 МэВ и средним током до 400 мкА в качестве инжектора в быстрый циклический синхротрон. Известно, что для успешного ускорения больших средних токов необходимо ограничить относительный уровень потерь частиц. Особую значимость в решении этой задачи приобретает согласование пучков двух сортов от высоковольтных

инжекторов, Н+ и Н, с резонансным ускорителем, как это имеет место на линейном ускорителе Московской мезонной фабрике (ЛУ ММФ).

Практически во всех сильноточных линейных ускорителях между инжектором и ускорителем существуют каналы транспортировки протяженностью от 2-г-З до 10+12 метров. Связано это в первую очередь с необходимостью размещения на канале устройств формирования пучка, фокусирующих элементов и средств диагностики для обеспечения проводки и согласования пучка между инжектором и линейным ускорителем. Кроме того, желание ускорять частицы различных сортов как одновременно, так и поочередно, с целью обеспечения большей эффективности работы ускорителя на физические эксперименты, неизбежно приводит к созданию достаточно длинных каналов с поворотными магнитами, часть из которых выполняет функции вывода двух пучков на общий для них участок канала. При формировании пучков в таких каналах необходимо обеспечить высокую эффективность проводки и согласования с линейным ускорителем.

Другим, не менее важным обстоятельством является необходимость минимизации потерь на сильноточных ускорителях с целью избежать заметную активацию оборудования. Поэтому в таких ускорителях чрезвычайно важно обеспечить согласование частиц на всех участках перехода между ускоряющими структурами различного типа и нарушения регулярности фокусирующей системы.

На линейном ускорителе Московской мезонной фабрики приходится сталкиваться со всеми этими проблемами. Поэтому опыт настройки и согласования пучка частиц до энергии 160 МэВ представляет интерес и полезен для других ускорителей.

Целью диссертации является исследование оптики длинных

+

сильноточных каналов инжекции ионов Н и Н, разработка новых проектов этих каналов с последующим вводом их в эксплуатацию, в том числе и при переходе на пониженную, от 750 к 400 кэВ, энергию

инжекции, и поперечная настройка сильноточного пучка ионов Н+ как на канале инжекции, так и в линейном ускорителе.

По результатам этих исследований на канале протонов реализован новый проект перехода на пониженную энергию инжекции с установкой на общем для 2-х каналов участке ускорителя-бустера ПОКФ. Получены первые результаты по настройке и ускорению пучка.

Завершается разработка проекта на энергию 400 кэВ канала

ионов Н на основе ранее разработанного проекта на энергию 750 кэВ. Изготовлены и испытаны головные образцы основных узлов и элементов канала.

Проведены настройка и исследование пучка протонов с энергией инжекции 750 кэВ как на канале, так и в ускорителе, обеспечивается эксплуатация ускорителя с допустимым уровнем потерь.

Расчет оптики каналов инжекции необходимо проводить с учетом всей совокупности факторов, определяющих расположение и состав оборудования, то есть с учетом того, что канал состоит из целого ряда систем: фокусировки, формирования и диагностики пучка, вакуумного оборудования, системы контроля за положением элементов канала. Так как требования к расположению и функциональным возможностям отдельных элементов канала носят противоречивый характер, то это приводит нас к необходимости решения задачи оптимального выбора по достаточно большому количеству параметров.

При работе с пучком необходимо разработать эффективные методы настройки канала и определить, какие отклонения параметров пучка от расчетных допустимы при эксплуатации ускорителя. Особенно важно обеспечить получение согласованного режима как на входе в линейный ускоритель, так и на участках нарушения периодической структуры ускорителя. В первую очередь это относится к переходу от начальной к основной части ускорителя на энергии 100

МэВ и участку 160 МэВ, на котором установлен поворотный магнит для отвода пучка в комплекс по производству изотопов.

Диссертация состоит из 4-х Глав. В 1-й Главе исследуется оптика сильноточных каналов инжекции ионов Н+ и Н на энергиях 750 и 400 кэВ. На основе расчетов определено оптимальное расположение оборудования каналов, а также требования, которые необходимо выполнить при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации этого оборудования. Проведена оценка изменения этой компоновки для случая, если параметры пучка на выходе инжектора будут отличаться от расчетных. Кроме того, расчеты оптики обеспечивают как исходную фокусировку ддя начала работ по настройке каналов инжекции, так и сопровождение настройки этих каналов.

Во 2-й Главе излагается описание средств диагностики каналов инжекции, обоснование их размещения на каналах, индивидуальные характеристики этих устройств. Несмотря на стремление унифицировать каждый тип измерителя параметров пучка, особенности расположения оборудования и требования к возможностям настройки пучка и измерения его параметров требуют разработки различных по техническому исполнению датчиков пучка. Это относится и к индукционным датчикам тока, и измерителям профиля, и измерителям эмиттанса. Исследуются также особенности взаимодействия протонов и ионов Н с веществом и их влияние на измерения параметров пучка как на каналах инжекции, так и в линейном ускорителе.

В 3-й Главе излагается опыт настройки, исследования параметров пучка и эксплуатации канала протонов с энергией инжекции 750 кэВ. Исследуется влияние возмущающих факторов на процесс настройки и согласования. Приводятся результаты проводки пучка в канале протонов при переходе на пониженную энергию инжекции 400 кэВ.

В 4-й Главе излагается опыт настройки пучка протонов в линейном ускорителе, в том числе и при переходе на пониженную энергию инжекции 400 кэВ, особенности этой настройки с целью минимизации потерь пучка в ускорителе, формирования его на комплекс по производству изотопов. Описываются методы настройки, позволяющие настраивать пучок в режим, близкий к согласованному.

Приводятся данные измерения эмиттанса при различной энергии протонов.

Основные результаты изложены в работах /1-гЗ, 7, 17, 18, 32-К37, 40, 41, 44, 47/. Они доложены на Всесоюзных, Российских и Международных совещаниях по ускорителям заряженных частиц, опубликованы в ведущих отечественых научных журналах.

Глава 1. ДИНАМИКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ В ДЛИННЫХ КАНАЛАХ ИНЖЕКЦИИ.

§ 1. Оптика сильноточного пучка в канале инжекции протонов линейного ускорителя Московской мезонной фабрики (ЛУ ММФ).

Отличительные особенности канала инжекции протонов ЛУ ММФ /1^3/ - большой ток на выходе инжектора при относительно невысокой его фазовой плотности, ограничения по апертуре канала, использование соленоидов, а не квадрупольных линз, - требуют проводки пучка с получением минимальных или близких к ним размеров пучка там, где апертура канала минимальна, восстановления осесимметрии пучка на тех участках, где установлены соленоиды, при условии низкого уровня потерь частиц вдоль канала транспортировки. Кроме того, на участке согласования пучка с ЛУ, после второго поворотного магнита, установлены два резонатора-группирователя (РГ), включение которых ведет к фазовому группированию частиц и двукратному увеличению коэффициента захвата пучка в режим ускорения.

Таблица 1. Основные параметры элементов канала инжекции протонов.

Наименование, обозначение Поле макс Длина эфф, см Диаметр апертуры, см Ток макс, А Сопр-ие обмотки, Ом Кол-во витков в обмотке

Соленоид, СО 7600 Гс 18 6 720 0.036 152

Квадрупольный дублет, КД 440 Гс/см 9/2.5/9 5.4 0.65 108*2 (2600*4)*2

Поворотный магнит, ПМ 2600 Гс 39.27 4.2 5 18 (1340*2)

Корректирующий магнит, КМ 220 Гс 22 6 0.85 94*2 (2240*2)* 2

Резонатор-группирователь, РГ 40 кВ 4

Запирающий конденсатор, ЗК 18 кВ 35 6

Чоппер 5 кВ 70 4.5

На входе в каждый группирователь установлены ограничители пучка диаметром 3 см. Это позволяет исключить попадание ореольных частиц на внутренние поверхности группирователей, что может привести к паразитной нагрузке высокочастотных генераторов из-за значительной вторичной электронной эмиссии.

Основные параметры элементов канала приведены в таблице 1. В графе "Количество витков в обмотке" 1-ое число внутри скобок обозначает количество витков в катушке, 2-ое число - количество катушек в обмотке, а число вне скобок - количество обмоток.

Исходная компоновка оборудования канала, с которой начались экспериментальные работы по настройке с пучком, приведена на рис. 1. Результаты расчета огибающей в канале инжекции с учетом вышеуказанных факторов приведены на рис. 2. Для расчетов используется оптимизирующая программа FLAT /4/, учитывающая кулоновский фактор. Расчет проводится по полученным экспериментально результатам измерения параметров пучка на измерителе эмиттанса СН-1, установленном на выходе 1-го участка канала за поворотным магнитом. Ток на СН-1 составляет 150 мА, а в учетверенном среднеквадратическом эмиттансе, который мы в дальнейшем будем обозначать как s=4-sCKp, равном 10 и см-мрад, содержится, как правило, около 90% всех частиц пучка.

УЧАСТОК I

1ШЖЕКТ.Н* CO-I СО-Э ПМ-1

Рис. 1. Исходная компоновка оборудования канала инжекции протонов. ВЗ-вакуумный затвор, БВ-бокс вакуумный, КЭ-кварцевый экран, ЦФ-цилиндр Фарадея.

3 см 1117 СМ

Рис. 2. Огибающая согласованного режима проводки пучка для исходной компоновки оборудования канала инжекции протонов. \¥ИНж=750 кэВ, 1пучка=150 мА, в=10 71 см-мрад.

Фазовый эллипс, охватывающий 100% частиц пучка, обозначим 8юо%. Как показывают данные по обработке результатов измерения, £юо% примерно в 2.5 раза больше 8, поэтому для исключения потерь частиц желательно, чтобы размер огибающей пучка в канале с эмиттансом 8 не превышал 2/3 апертуры канала в любом его сечении. Однако на начальном этапе работы это требование не везде можно было выполнить, что видно и по размеру огибающей, например, на

СО-2 и РГ-2. Поэтому потери частиц в канале составляют около 50%,

+

из которых 20-ь25% - это потери молекулярных ионов водорода (Н2 ),

и 25-=-30% - потери непосредственно протонов (Н+).

Расчеты динамики частиц на 1-ом участке носят приближенный

характер: не учитывается вклад молекулярных ионов водорода Н2+; пучок принимается аксиально-симметричным, хотя это условие в реальности строго не выполняется.

Последующие изменения компоновки оборудования были проведены с целью улучшения формирования пучка по каналу.

Расположение оборудования по результатам этих изменений приведено на рис. 3. Расчет проводится для тока пучка 100 мА при 8=10 71 см-мрад, так как именно эти параметры являются наиболее характерными при работе с пучком в течение нескольких последних лет. При этом уровень потерь протонов снизился до 15-ь20% от полного тока пучка.

Средняя мощность пучка с энергией 750 кэВ, током в импульсе до 200 мА, длительностью до 80 мксек и частотой следования до 100 Гц составляет до 1200 Вт, поэтому для предотвращения излишней тепловой нагрузки на такие контактные измерители пучка, как

профилометр, измеритель эмиттанса, а также для настройки ускорителя в щадящем режиме, для недопущения теплового повреждения пучком оборудования и минимизации активации оборудования ускорителя, в самом начале каналов инжекции следует устанавливать устройство прореживания частоты следования импульсов до 1-г2 Гц с поглощением их в ионопроводе канала до измерителей параметров пучка. Проще всего организовать отклонение пучка электростатическим дефлектором. Вначале на канале инжекции протонов для решения этой задачи использовался запирающий конденсатор, а в настоящее время он заменен более универсальным устройством - чоппером, который позволяет формировать как микроструктуру каждого импульса пучка, так и прореживание частоты следования этих импульсов вплоть до 1 Гц. Основные технические характеристики запирающего конденсатора и чоппера приведены в таблице 1.

УЧАСТОК I

ИПЖЕКТ. Н* CO-I CO-J "Ml

Рис. 3. Расположение оборудования канала инжекции протонов после реконструкции.

В связи с модернизацией программы отображения на терминале полученных по программе FLAT результатов расчета на рис. 4 показана не только огибающая согласованного пучка для этой компоновки, но и характерные результаты расчетов. а„ и Ь0 -

параметры подгонки, которые в случае прогона пучка равны нулю, а для оптимизации задаются и отображаются на экране терминала как требуемые параметры пучка на выходе участка оптимизации; а и Ь -параметры пучка на выходе участка, полученные по результатам расчета огибающей. а0(а) и Ь0(Ь) соответствуют так называемым параметрам Твисса а и |3. Численные значения полей фокусирующих элементов приводятся при необходимости не�