Метод выпуска пучка из синхротрона с помощью многослойного медно-железного экрана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

804603277 На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Алексей Владимирович

МЕТОД ВЫПУСКА ПУЧКА ИЗ СИНХРОТРОНА С ПОМОЩЬЮ МНОГОСЛОЙНОГО МЕДНО-ЖЕЛЕЗНОГО ЭКРАНА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- з ИЮН 2010

НОВОСИБИРСК - 2010

004603277

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

МИГИНСКИИ Сергей Владимирович

- доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КОРЧУГАНОВ Владимир Николаевич

ПЕСТРИКОВ Дмитрий Васильевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор физико-математических наук, Российский научный центр «Курчатовский институт», г. Москва.

доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Учреждение Российской академии наук Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится « Ц » иЮМ.^_2010 г.

в « часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03

Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан « 2.9- » СиЛу^Л^_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А. А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Задача вывода пучка из циклического ускорителя появилась в 1931 году вместе с первым ускорителем такого типа - циклотроном. С тех пор возникло множество видов циклических ускорителей и, соответственно, различных схем и способов вывода пучка из них.

В современных синхротронах используют один из двух следующих способов: либо производят медленный выпуск на резонансах 3-го или 4-го порядка, либо осуществляется однооборотная экстракция с использованием кикера и септум-магнита. Физическая идея септума состоит в создании сильного магнитного поля, отделенного от орбиты синхротрона стенкой -"ножом септума". Кикер - это быстрый магнит, который изменяет положение траектории пучка относительно ножа септума за время, меньшее, чем период оборота частиц в ускорителе. При включенном кикере пучок отклоняется магнитным полем в сет-уме и уходит в экстракционный канал. Поля кикера, как правило, недостаточно, чтобы сообщить пучку значительное отклонение, а размещение септума около равновесной орбиты синхротрона приводит к уменьшению апертуры ускорителя. Поэтому перед экстракцией орбиту приближают к ножу септума несколькими импульсными диполями. Существует два типа септум-магнитов. Первый тип - это импульсные септумы, в них нож септума состоит из проводника, магнитное поле параллельно ножу и экранирование поля ножом происходит за счет скин-эффекта. Основным недостатком таких септумов является большая потребляемая мощность и необходимость размещения импульсного септума внутри вакуумной камеры. Септумы второго типа называются септумами Ламбертсона, в них магнитное поле направлено перпендикулярно ножу септума, который состоит из ферромагнетика. К недостаткам септума Ламбертсона можно отнести вес необходимого магнитопровода и сравнительно большие размеры всей экстракционной системы.

В данной работе предлагается и обсуждается новая однооборотная схема выпуска пучка из синхротрона с использованием многослойных медно-железных экранов вместо септум-магнита. Экраны размещаются в двух центральных диполях импульсного байпаса. Такая схема выпуска технически проще и компактнее общепринятой схемы.

Цель работы и задачи

Цель работы - разработка схемы выпуска пучка из циклического ускорителя с помощью магнитного экрана, анализ и минимизация влияния системы экстракции на циркулирующий пучок. Основной эффект, вызываемый влиянием экстракционного байпаса, - это уменьшение эффективности выпуска за счет возмущения поля в зазоре магнитов байпаса магнитным экраном и вакуумными камерами.

Методы исследования

Для численного расчета возмущения поля магнитным экраном применялся метод конечных элементов. Для аналитических оценок использовалась модель одномерного проникновения поля в стенки экрана. Магнитные измерения возмущения поля осуществлялись измерительной катушкой. Возмущение поля вакуумными камерами рассчитывалось с помощью метода изображений. Для расчета эффективности выпуска использовалось численное решение уравнений движения частиц.

На защиту выносятся следующие положения

1. Предложена новая схема выпуска пучка из синхротрона с использованием многослойного медно-железного экрана. К преимуществам схемы относится техническая простота.

2. С помощью численного моделирования, а также аналитически на одномерной модели, было показано, что скорость проникновения магнитного потока в стенки многослойного медно-железного экрана постоянна при постоянной скорости увеличения внешнего поля. Подобрав эту скорость, можно минимизировать возмущение поля, создаваемое многослойным медно-железным экраном.

3. Создан прототип круглого трубчатого многослойного экрана и проведены расчеты и измерения возмущения поля таким экраном. Измерения подтверждают правильность методов, использованных для расчетов возмущения поля.

4. Проведенные расчеты возмущения поля многослойным медно-железным экраном в диполях экстракционного байпаса и полученные оценки влияния этого возмущения на динамику пучка в циклическом ускорителе подтверждают возможность использования такой схемы для выпуска пучка из синхротрона.

Научная новизна работы

Показана возможность минимизации возмущения поля многослойным медно-железным экраном при оптимальном выборе скорости увеличения внешнего поля. Рассмотрена возможность использования этого эффекта для выпуска пучка из циклического ускорителя. Предложена новая схема выпуска пучка из синхротрона.

Научная и практическая ценность работы

Схема экстракции пучка из циклического ускорителя через многослойный медно-железный экран технически более проста, чем общепринятый способ с использованием сешум-магнита. Данная схема актуальна для выпуска пучка из ускорителей, в которых нет больших технических промежутков (например, бустер), так как она более компактна.

Апробация диссертации

Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях:

XXI Russian Conference on Charged Particle Accelerators RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, 28 Sep -14 Oct, 2008.

XVII International Synchrotron Radiation Conference SR-2008, Novosibirsk, Russia, 15-20 June 2008.

XXI International Workshop on Charged Particle Accelerators IWCPA-2009, Alushta, Ukraine, 6-12 September 2009.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы предмет, цели и задачи исследования.

Глава 1 носит вводный характер, в ней рассмотрены различные способы вывода пучка из циклических ускорителей. Подробно описана однооборотная экстракция с использованием кикера и септума.

В главе 2 описана схема выпуска пучка с помощью многослойного медно-железного экрана. В ускорителе устанавливается импульсный байпас, состоящий из четырёх одинаковых дипольных магнитов, с магнитными экранами в двух средних диполях. В качестве магнитных экранов предлагается использовать многослойную трубку из чередующихся слоев ферромагнетика и проводника (например, железа и меди). При включении магнитов орбита пучка подводится к магнитному экрану. После приближения орбиты к экрану на необходимое расстояние включается кикер, который отклоняет траекторию пучка внутрь магнитных экранов второго и третьего магнитов. При этом, пучок в байпасе отклоняется только крайними диполями, а поля двух средних экранированы. Поэтому частицы уходят в перепускной канал (рис.1).

-----Траектория пучка после включения импульсных магнитов и удара кикером

-Траектория пучка после включения импульсных магнитов

— ■■ — •■— Невозмущенная траектория пучка 1...:.'.:.1 и [ 1 Диполи ' ' Магнитный экран

Рис. 1. Схема выпуска пучка из синхротрона с помощью магнитного экрана.

Одной из проблем при выпуске пучка из циклического ускорителя является возмущения поля на подводимой орбите. Поэтому чтобы данная схема была работоспособна, необходим экран импульсного магнитного поля, который не искажает магнитное поле вокруг себя. Именно поэтому в качестве магнитного экрана и предлагается использовать многослойный медно-железный экран.

Рассмотрим процесс экранирования магнитного поля таким экраном. Для слоистых сред допустимо использование средних значений магнитной проницаемости <ц> и проводимости <о> при рассмотрении экранирования магнитного поля:

/гЛ - - кСиаСи

Щ ~ Щ '

^ Щ ~ Ей, ' ^^

\ —

ц/± Щ ^ Щ-ИРе

где индексы || и± обозначают значения вдоль и поперек слоев, Леи,/* -толщина медных и железных слоев.

Основное уравнение, описывающее экранирования магнитного поля следующее:

го/((ц) 4 го(А) = о ^, (2)

где г" - время, А - векторный потенциал, ц - тензор магнитной проницаемости.

Из уравнения (2) следуют две формулы масштабирования с коэффициентами масштабирования аир.

?->аг А->с(А t-+a2t;

(ст)-»р(ст)

Первая формула - это подобие распределения возмущения поля для экранов разного размера. Из второй следует, что изменение средней проводимости экрана эквивалентно изменению скорости увеличения внешнего поля.

Так как толщина стенок рассматриваемых экранов значительно меньше их размеров, то оценку проникновения магнитного поля в стенки экрана можно сделать в одномерном приближении. На рисунке 2 изображены распределения магнитной индукции В, электрического поля Е, плотность электрического тока и магнитного поля Н в стенке многослойного медно-железного экрана.

Во

к

к>

1/

/

/

/

/

/

/

/

/ /

/ У

/ \ /

в, У/

/

/

/

/

/

У/ У

V

/

Но /

/ N.

/ \

/ \

/ \

/ \

/ \ У

Рис. 2. Распределение В, Е, у, Н в стенках многослойного медно-железного экрана.

Величина магнитной индукции в стенках экрана В0 равна среднему магнитному потоку в области, занятой полем, и определяется полем насыщения ферромагнетика. Пусть скорость движения фронта магнитного поля с, тогда величина электрического поля в стенке экрана следующая:

Е0=сВ0. (4)

Плотность электрического тока определяется электрическим полем и средней проводимостью:

у0 =£0{с) = с{с)Д0. (5)

Соответственно распределение магнитного поля в стенке экрана линейно, а на границе фронта величина поля равна нулю. Поэтому поле на поверхность экрана Н0 следующее:

Н0=]йс1 = сг{^)Вй1. (6)

С другой стороны, Н0 определяется внешним полем:

(7)

Но

где а - скорость увеличения магнитной индукции снаружи экрана.

Приравнивая (6) и (7) получаем выражения для с:

а

с =

(8)

'ц0<сж>В0 '

То есть, в случае постоянной скорости увеличения внешнего поля скорость движения магнитного фронта в стенках экрана постоянна, соответственно постоянна и скорость проникновения магнитного потока в стенки

экрана. Этот результат подтверждается результатами численного моделирования (рис. 3).

0.006 -,

0.005 -

2 0.004 -

ч

^ о.ооз н е 0.002 -0.001 • о-

- - - 0.5 Тл за 1.8 мс

-0.5 Тл за 1.5 мс

-----0.5 Тлза 1.2 мс

1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

1, мс

Рис. 3. Поток, проходящий через стенки круглого многослойного медно-железного экрана, в зависимости от времени и скорости роста внешнего магнитного поля. Наружный радиус 12.5 мм, внутренний 8 мм.

Таким образом, можно подобрать скорость увеличения внешнего поля так, что поток, проходящий через стенки экрана, будет равен потоку, который бы проходил через область занятую экранам в невозмущенном состоянии поля. В таком случае возмущения поля экраном будет минимально.

Для точного расчета величины остаточного возмущения поля многослойным медно-железным экраном проводилось численное моделирование. На рисунке 4 представлены результаты расчета для возмущения поля эллиптическим экраном в оптимальном случае.

0.025 -|

0.020.015-

к

Н

-к 0.01 -

аз

СО

0.005 0-0.005

-1=0.3 мс

— 1=0,6 мс ----(=0.9 мс

— - Р1.2 мс

— - — г=1.5 мс

0.01

0.02

0.03

у, м

0.04

0.05

Рис. 4. Возмущения поля эллиптическим экраном при скорости увеличения внешнего поля 0.5 Тл за 1.5 мс, внутренние полуоси 6 мм и 12 мм, наружные 11 мм и 17 мм.

В главе 3 описаны измерения возмущения поля многослойным медно-железным экраном. Для проведения измерений был изготовлен следующий экран: наружный радиус 9.5 мм, внутренний 6 мм, толщина медных слоев 0.1 мм, толщина железных слоёв 0.08 мм, всего 12 слоев меди и 12 железа, длина экрана 200 мм.

Экран был размещен в импульсном дипольном магните с апертурой 40 на 40, длиной железа 100 и магнитной длиной 123 мм. Ось экрана была расположена параллельно оси магнита посередине между полюсами. Расстояние от оси магнитного экран до оси дипольного магнита было 5.5 мм (рис. 5).

А А-А

1ж

100

200

Магнитный . чник ш. обмотка А Измерительная экран т катушка

Рис. 5. Схема магнита с установленным магнитным экраном.

На дипольный магнит подавался сигнал с импульсного генератора. Токовый импульс, поданный на магнит, измерялся внутренним датчиком контроля тока генератора (пояс Роговского) и датчиком тока АС87548СВ-200. Сигнал с датчиков измерялся цифровым осциллографом. Измерения магнитного поля в диполе проводились с помощью измерительной катушки, сигнал с которой интегрировался интегрирующим вольтметром.

Сначала были проведены измерения оптимальной скорости увеличения поля. Для этого на диполь подавался синусоидальный импульс со временем нарастания 0.9 мс. Первые 0.45 мс импульса скорость увеличение поля в магните можно считать постоянной (отличие этой части синусоиды от прямой составляет около 3%), поэтому измерения возмущение поля магнитным экраном проводились в этой области. При этих измерениях катушка располагалась вплотную к магнитному экрану, так как на поверхности экрана возмущение поля максимально. Ось катушки была расположена на расстоянии радиуса катушки равного 2.5 мм от поверхности экрана. Такие же измерения проводились без магнитного экрана при том же положение катушки. Разница результатов измерений есть возмущение поля магнитным экраном. Были проведены измерения возмущения поля в зависимости от амплитуды сигнала поданного на магнит и от времени с начала импульса.

Рассмотрим зависимость величины максимума возмущения поля по времени от поля в магните в момент времени 0.45 мс с начала импульса (рис. 6).

В, Тл

Рис. 6. Максимальное по времени возмущение поля 5В в зависимости от 2? -поля в диполе в момент времени 0.45 мс с начала импульса.

Минимум возмущения поля составляет 2.5 мТл и наблюдается при увеличении поля до 0.108 Тл за 0.45 мс. Эта скорость увеличения поля и считалась оптимальной для данного экрана. При ней были проведены измерения распределения возмущения поля в зависимости от расстояния до центра экрана и времени с начала импульса.

При измерении величины возмущения поля экраном ось катушки ориентировалась по полю магнита. При оптимальной скорости увеличения внешнего поля возмущение поля около магнитного экрана порядка 2.5% от поля в диполе. Стабильность генератора, подающего импульсы на дипольный магнит около 0.1%. Для определения возмущения поля проводились измерения с магнитным экраном и без него. Соответственно точность измерений возмущения поля составила около 8%. Результаты измерений возмущения поля магнитным экраном представлены на рисунке 7.

х, мм

Рис. 7. Возмущения поля 8В в зависимости от расстояния до центра экрана х и времени с начала импульса (центр диполя).

Для проведения численных расчетов возмущения поля нашим экраном необходимо знать кривую магнитной проницаемости железной ленты, из которой изготавливался экран. Для её измерения из железной ленты было сделано два кольцевых сердечника и проведены две серии измерений с использованием двух импульсных генераторов. Первая серия измерений при В<1.1 Тл, вторая в диапазоне 2.3 Тл<В<2.9 Тл. На рисунке 8 показана кривая магнитной проницаемости, восстановленная из результатов обоих измерений. 600 500

400 300 200 100 0

\

В, Тл

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Рис. 8. Измеренная кривая магнитной проницаемости железной ленты.

Используя полученную зависимость с помощью программы

COMSOL 3.2 был промоделирован описанный выше магнитный экран. Неизмеренная часть кривой магнитной проницаемости при 1.1 Тл>Л>2.3 Тл интерполировалась линейным образом. Удельное сопротивление меди в расчетах бралась равной 1.8-1 (Г8 Ом-м, железа 5-10"7 Ом-м. Были проведены расчеты при разных амплитудах внешнего поля. В случае увеличения внешнего поля до 0.108 Тл за 450 мкс распределение возмущения поля совпадает с результатами измерений (рис. 9).

3-|

2-

я i — н 1

Е

rito и

-1 -

-2

-50 мкс

- — 150 мкс

- -------- 250 мкс

" ----- 350 мкс ---- 450 мкс

I

12 13 14 15

—Г~ 16

X, мм

I

17

18 19 20

Рис. 9. Результат численных расчетов возмущения поля в центре магнита 8В в зависимости от расстояния до центра экрана х и времени с начала импульса при оптимальной скорости увеличения поля в диполе.

Из рисунков 7 и 9 видно что, измеренная и рассчитанная оптимальные скорости увеличения поля не отличаются. Величина и форма возмущения совпадает с расчетами.

В главе 4 описан проект вертикальной экстракционной системы на энергии 2.2 ГэВ с помощью магнитного экрана для бустера нового источника СИ в Новосибирске. Импульсный байпас, который планируется использовать, изображен на рисунке 10. На расстоянии 4 м от начала экстракционного байпаса на орбите бустера расположена квадрупольная линза. Чтобы обойти ее, выпущенный пучок в этом месте должен отклониться от основной орбиты бустера на 200 мм. Угол отклонения пучка в диполях байпаса в момент выпуска, обеспечивающий обход линзы, составляет 2.1°. Это соответствует полю в момент экстракции 0.45 Тл. Для питания байпаса необходим импульсный генератор с энергозапасом 8.5 кДж и пиковой мощностью 4.4 МВт.

370

Ч////////Л "" У////////Л У////////Л

У/А~ шихтованная электротехническая сталь

------ Траектория пучка после увеличения поля в магнитах и включения кикера.

---Траектория пучка после увеличения поля в магнитах.

- Невозмущеная орбита бустера

Рис. 10. Байпас с магнитными экранами.

Кикер аналогичен изготовленному в ИЯФ для ЛСЭ в Университете Дюка в 2005 году, он представляет собой симметричную полосковую линию. Разность потенциалов между пластинами кикера составляет 50 кВ. Расстояние между пластинами кикера выбрано равным 27 мм, что соответствует апертуре бустера в месте расположения кикера. Длина кикера составляет 1 м. При включении кикера пучок получает угловое отклонение 0.1°, что обеспечивает отклонения пучка в экстракционном байпасе на 20 мм.

Размер магнитного экрана выбирался из следующих соображений. Во-первых, внутренний размер должен обеспечивать прохождение пучка через экран в момент экстракции без потерь частиц. Во-вторых, внешний размер определяет величину возмущения поля магнитным экраном. Эта величина должна быть достаточно малой и не приводить к потерям значительной доли частиц при экстракции. В-третьих, толщина стенок экрана должна обеспечивать экранирование магнитного поля внутри экрана. Расчеты на программе СОМБОЬ 3.2 и анализ влияния возмущения поля на циркулирующий пучок показали, что вариантом, удовлетворяющим этим трём требованиям, является следующий эллиптический магнитный экран. Размер внутренних полуосей 7 мм и 13 мм, толщина стенок 4 мм, соответственно размер внешних полуосей 11 мм и 17 мм. Оптимальная скорость увеличения поля для такого экрана 0.45 Тл за 1.5 мс. Зависимость возмущения поля таким экраном от времени и расстояния до оси представлена на рисунке 11.

у, MM

Рис. И. Возмущение поля многослойным магнитным экраном 5В в зависимости от расстояния до центра экрана^ и времени t.

Кроме магнитного экрана источником возмущения поля в экстракциион-ном импульсном байпасе также являются вакуумные камеры. Чтобы минимизировать это возмущение, необходимо использовать круглые вакуумные камеры, так как такие камеры способны выдержать большее внешнее давление и, следовательно, их можно сделать тоньше. Еще одним преимуществом цилиндрических вакуумных камер является то, что возмущение поля внутри таких камер в однородном поле однородно, мультипольный член появляется только за счет изображений камеры в полюсах и стенках магнито-провода. Был проведенный расчет возмущения поля цилиндрическими вакуумными камерами, их влияние на циркулирующий пучок мало.

Распределение возмущения поля около магнитного экрана (рис. 11) использовалось для расчета дополнительного угла - К0, дополнительной фокусировки - Ки величины дополнительного секступоля - К2. В таблице 1 представлены их максимальные значения для экстракционного байпаса с магнитным экраном (ЭБ) и для сравнения эти же данные для системы выпуска из бустера в Duke University (DU) и в Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL).

Таблица 1. Сравнение влияния экстракционных систем на циркулирующий пучок для различных систем выпуска. Е - энергия экстракции.

Е, ГэВ АГ0, мрад Къ и"1 К2, м 2

ЭБ 2.2 0.3 0.01 5

DU 1.2 0 0.02 4

SSRL 3.5 0.2 0.005 ?

Оценим влияние К0, Кх и Кг на циркулирующий пучок. К0 приводит к смещению орбиты вблизи целого резонанса. Если вертикальное отклонение траектории пучка от проектной орбиты — Ду превышает 7 мм, то весь пучок или значительная его часть столкнется с магнитным экраном. Вертикальная

бета-функция в экстракционном байпасе Р/=20 м. Оценим «полуширину» целого резонанса Д^:

Ац, = 2 arctgi—°

\2arctg(a3-10"3-2°M),Q.13-2K. (9) 2 • 7мм

\ 2Ду

Основной эффект от дополнительной фокусировки Кг - это изменение частот бетатронных колебаний. Сдвиг частот А()х у составляет:

Р уКу 20м-0.01м 4я 4л

Aß, - - Чг1=- - -0-015, (Ю)

М. = ^•о-о^-'я0,008, (11)

4л 4к

Влияние К2 приведет к следующим резонансам третьего порядка:

Зцу = 2 пп,

2\xx±\iy =2 пп.

Оценим ширину первого резонанса Ац./а. Для этого рассмотрим случай вертикального движения вблизи резонанса 1/3. Вычислим А и такое расстояние до орбиты ускорителя, что бетатронные колебания всех частиц с меньшей амплитудой устойчивы

(12)

/з K2ßy \2п 3

(13)

Существенная часть пучка будет потеряна в случае близости бетатронных частот к резонансу, если Ai/s будет равна вертикальному размеру пучка - ау~0.4 мм. Из (13) выразим «полуширину» резонанса 1/3:

. Л К2$ 0.4мм ■ 5м-2 • 20м

Ali,/=2 п-—*-—-»2 я--»0.025-2л. (14)

Уз 4 4

Для точного расчета влияния возмущения поля в экстракционном байпасе на динамику частиц в бустере была написана программа на С++ в Microsoft Visual Studio .NET 2003. Возмущение поля считалось сосредоточенным, то есть при каждом пролёте через байпас частица просто получает нелинейный по координатам х, у толчок (Ад/, Д>/), не зависящий от углов л/ и У. Оптика бустера при расчетах считалась линейной. Рассмотрим, как преобразуются координаты частицы в ускорителе за один оборот с учетом воздействия магнитных экранов в байпасе.

= ~х„ sin px/ßx +х'„ соspx +Ax'(x„+i,y„+l), Уп+1 = ~Уп sin V-yfiy+y'n cosn, +Ay'(x„+l,y„+i),

где х, х — горизонтальные координата и угол частицы после пролета байпаса, у, у - соответственно вертикальные, индексы п и п+\ обозначают номер оборота.

Из-за симметрии возмущения поля относительно оси Оу, функция Дх' является нечетной по х, а функция ЛУ четной. Поэтому изменение знака начальных координат и углов х0, х/0 приведет только к замене знака всех последующих х„, х'п. Следовательно, трекинг можно проводить только для половины частиц пучка (например, только для частиц с х0>0). Также при замене цх на их+7г в выражении (15) изменятся знаки хп+ь х'п+1 а, значения уп+ь уп+1 останутся теми же. Поэтому динамика частицы при х-бетатронной фазе равной ¡ах будет отличаться от динамика частицы при х-бетатронной фазе равной |Х(+7т только знаками хп+ь х!а+\ через оборот, эффективность выпуска при этом не изменится. Следовательно, трекинг можно проводит только в диапазоне \1Х от 0 до л.

Расчет проводился методом макрочастиц. Каждой макрочастице ставился в соответствие её вес. Он соответствует доле частиц пучка находящихся в окрестности нашей макрочастицы. Вес частиц считался пропорциональным начальному распределению. В качестве начального распределения частиц бралось гауссовское с установившемся в синхротроне эмиттансом. В каждом измерении фазового пространства, за исключением х, было по 10 возможных координат макрочастиц. Так как рассчитывались только макрочастицы с начальными х координатами больше нуля, поэтому было 5 возможных х координат макрочастиц. Соответственно, трекинг проводился с 5000 макрочастицами. Шаг по бетатронным фазам бустера был равен 0.01-2л (рис. 12).

цу/2я

Рис. 12. Зависимость доли потерянных при экстракции частиц от набега бетатронных фаз в бустере.

На рисунке 12 есть несколько достаточно больших областей (около 0.1 -2л на 0.1-2я), в которых возможна эффективная экстракция, поэтому настройка необходимых величин и, и [1у не должна вызвать серьезных затруднений.

В заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.V. Bondarenko, N.A Vinokurov. A new beam extraction scheme from a synchrotron using a magnetic shield as a septum. Proceedings of XXIth Russian Conference on Charged Particle Accelerators RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, 28 Sep -14 Oct, 2008.

2. A. V. Bondarenko, N. A. Vinokurov. Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield. Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603 (2009), pp. 10-12.

3. А. В. Бондаренко, H. А. Винокуров, С. В. Мигинский. Схема экстракции пучка для бустера новосибирского источника синхротронного излучения. Вестник НГУ 4 (2009), вып. 1,43-46.

4. А. В. Бондаренко, Н. А. Винокуров, С. В. Мигинский. Выпуск пучка из синхротрона через магнитный экран: магнитные измерения и расчёт эффективности. Вестник НГУ 4 (2009), вып. 2,40-46.

БОНДАРЕНКО Алексей Владимирович

Метод выпуска пучка из синхротрона с помощью многослойного медно-железного экрана

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор .1.04. 2010 г. Подписано в печать 2.04.2010 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.0 печ.л., 0.8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ №11_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ВЫПУСКА ПУЧКА ИЗ ЦИКЛИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЕЙ.

1.1. однооборотная экстракция пучка из синхротрона.

1.2. Импульсный септум.

1.3. Септум Ламбертсона.

ГЛАВА 2. СХЕМА ВЫПУСКА ПУЧКА ЧЕРЕЗ МАГНИТНЫЙ ЭКРАН.

2.1. Основные проблемы.

2.2. Проникновение магнитного поля в многослойный медно-железный экран.

2.3. Многослойный медно-железный экран.

2.4. Возмущение поля многослойным медно-железным экраном.

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Измерения возмущения поля магнитным экраном.

3.1.1. Описание оборудования.

3.1.2. Калибровка измерительной катушки.

3.1.3. ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОЛЯ.

3.1.4. Измерение возмущения поля.

3.2. Измерение магнитной проницаемости материала экрана.

3.3. Сравнение измерений и численных расчётов.

ГЛАВА 4. ПРОЕКТ ЭКСТРАКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ЭНЕРГИИ 2.2 ГЭВ.

4.1. Проект бустера в будущем источнике СИ в Новосибирске.

4.2. Вертикальный выпуск пучка из бустера в накопитель.

4.3. кикер.

4.4. возмущение поля магнитным экраном.

4.4.1. ВОЗМУЩЕНИЕ ПОЛЯ ЭКРАНОМ НА КРАЯХ ДИПОЛЯ.

4.5. Возмущения магнитного поля токами, индуцированными в вакуумной камере

4.5.1. Расчет допустимой толщины стенок цилиндрической вакуумной камеры.

4.5.2. Возмущение переменного однородного магнитного поля цилиндрической вакуумной камерой.

4.5.3. ВОЗМУЩЕНИЕ ПОЛЯ КАМЕРОЙ РАЗМЕЩЕННОЙ В ДИПОЛЕ.

4.6. Оценка влияния возмущения поля.

4.6.1. Влияние дополнительного угла.

4.6.2. ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКИ.

4.6.3. влияние секступольного члена возмущения поля.

4.6.4. влияние удлинения орбиты.

4.7. численное моделирование динамики пучка под влиянием возмущения поля

4.8. тепловой расчет многослойного экрана.

Задача вывода пучка из циклического ускорителя появилась в 1931 году вместе с первым ускорителем такого типа — циклотроном. С тех пор возникло множество видов циклических ускорителей и, соответственно, различных схем и способов вывода пучка из них.

В современных синхротронах используют один из двух следующих способов: либо производят медленный выпуск на резонансах 3-го или 4-го порядка, либо осуществляется однооборотная экстракция с использованием кикера и септум-магнита. Физическая идея септума состоит в создании сильного магнитного поля, отделенного от орбиты синхротрона стенкой — "ножом септума". Кикер — это быстрый магнит, который изменяет положение траектории пучка относительно ножа септума за время, меньшее, чем период оборота частиц в ускорителе. При включенном кикере пучок отклоняется магнитным полем в септуме и уходит в экстракционный канал. Поля кикера, как правило, недостаточно, чтобы сообщить пучку значительное отклонение, а размещение септума около равновесной орбиты синхротрона приводит к уменьшению апертуры ускорителя. Поэтому перед экстракцией орбиту приближают к ножу септума несколькими импульсными диполями. Существует два типа септум-магнитов. Первый тип — это импульсные септумы, в них нож септума состоит из проводника, магнитное поле параллельно ножу и экранирование поля ножом происходит за счет скин-эффекта. Основным недостатком таких септумов является большая потребляемая мощность и необходимость размещения импульсного септума внутри вакуумной камеры. Септумы второго типа называются септумами Ламбертсона, в них магнитное поле направлено перпендикулярно ножу септума, который состоит из ферромагнетика. К недостаткам септума Ламбертсона можно отнести вес необходимого магнитопровода и сравнительно большие размеры всей экстракционной системы.

В данной работе предлагается и обсуждается новая однооборотная схема выпуска пучка из синхротрона с использованием многослойных медно-железных экранов вместо септум-магнита. Экраны размещаются в двух центральных диполях импульсного байпаса. Такая схема выпуска технически проще и компактнее общепринятой схемы.

Цель работы — разработка схемы выпуска пучка из циклического ускорителя через магнитный экран, анализ и минимизация влияния системы экстракции на циркулирующий пучок. Основной эффект, вызываемый влиянием экстракционного байпаса, - это уменьшение эффективности выпуска за счет возмущения поля в зазоре магнитов байпаса магнитным экраном и вакуумными камерами.

Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на научных конференциях [1], [2] и [3], а также на конкурсах молодых специалистов и семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Основные результаты опубликованы в работах [4], [5] и [6].

Заключение

Ниже перечислены основные выводы и результаты работы:

1. Предложена новая схема выпуска пучка из синхротрона с использованием многослойного медно-железного экрана. К преимуществам схемы относится техническая простота.

2. Система выпуска через многослойный медно-железный экран более компактна по сравнению с другими схемами выпуска, в которых используется импульсный байпас.

3. С помощью численного моделирования, а также аналитически на одномерной модели, было показано, что скорость проникновения магнитного потока в стенки многослойного медно-железного экрана постоянна при постоянной скорости увеличения внешнего поля. Подобрав эту скорость, можно минимизировать возмущение поля, создаваемое многослойным медно-железным экраном.

4. Была рассмотрена вертикальная схема выпуска через магнитный экран, так как в этом случае требуется меньший заброс кикером по сравнению с горизонтальной схемой выпуска.

5. Для питания экстракционного байпаса подходит импульсный генератор с линейной или настраиваемой формой нарастания импульса. Если использовать генератор с синусоидальным импульсом, то выпуск необходимо проводить в первую четверть полупериода синусоидального импульса.

6. Создан прототип круглого трубчатого многослойного экрана и проведены расчеты и измерения возмущения поля таким экраном. Измерения подтверждают правильность методов, использованных для расчетов возмущения поля.

7. Результаты измерений возмущения поля многослойным экраном в краевых полях магнита совпадают с результатами моделирования в двумерном приближении.

8. В экстракционном байпасе целесообразно использовать круглые вакуумные камеры. Скорость увеличения поля в диполях байпаса составляет 0.45 Тл за 1.5 мс, но влияние возмущения поля вакуумными камерами на циркулирующий пучок мало, так как импульсные магниты составлены в байпас и влияние вакуумных камер в средних и крайних магнитах компенсировано.

9. Проведенные расчеты возмущения поля многослойным медно-железным экраном в диполях экстракционного байпаса и полученные оценки влияния этого возмущения на динамику пучка в циклическом ускорителе подтверждают возможность использования такой схемы для выпуска пучка из синхротрона.

Из вышеизложенного важнейшими результатами являются 1, 3, 6 и 9.

В заключение хотелось бы выразить искреннюю благодарность Геннадию Николаевичу Кулипанову, Николаю Александровичу Винокурову и Сергею Владимировичу Мигинскому за плодотворное обсуждение материалов диссертации и высказанные ценные замечания; Владимиру Афанасьевичу Киселеву, Геннадию Афанасьевичу Белякову, Борису Алексеевичу Гудкову, Николаю Николаевичу Пономареву, Федору Федоровичу Бацелю, Михаилу Алексеевичу Щеглову и Евгению Ивановичу Колобанову, а таюке всему коллективу лаборатории 8-1 за помощь в подготовке и проведении экспериментов.

1. A.V. Bondarenko, N.A Vinokurov. A new beam extraction scheme from a synchrotron using a magnetic shield as a septum. XXIth Russian Conference on Charged Particle Accelerators RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, 28 Sep 14 Oct, 2008.

2. A.V. Bondarenko, N.A Vinokurov. Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield. XVIIth International Synchrotron Radiation Conference SR-2008, Novosibirsk, Russia, 15-20 June 2008.

3. A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov. Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield. Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603 (2009), pp. 10-12

4. A.B. Бондаренко, H.A. Винокуров, C.B. Мигинский. Схема экстракции пучка для бустера новосибирского источника синхротронного излучения. Вестник НГУ 4 (2009), вып. 1, 43-46.

5. А.В. Бондаренко, Н.А. Винокуров, С.В. Мигинский. Выпуск пучка из синхротрона через магнитный экран: магнитные измерения и расчёт эффективности. Вестник НГУ 4 (2009), вып. 2, 40-46.

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

7. С.П. Капица, В.Н. Мелехин. Микротрон. М., «Наука», 1969.

8. A.W. Chao, М. Tigner. Handbook of accelerator physics and engineering. Singapore: World Scientific, 1999.

9. Г.И. Будкер, А.А. Наумов и др. Работы по сильноточным ускорителям ИЯФ СО АН СССР. Международная конференция по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1963.

10. К. Wille. The Physics of Particle Accelerators an introduction. New York: Oxford university press, 2000.

11. M. Gu, Z. Chen, L. Oyang, et al. Proceedings of EPAC 08, Pulsed magnet systems for the SSRF injection and extraction, Geneva, Italy, p.2175-2176.

12. L. Oyang, M. Gu, B. Liu, et al. Proceedings of EPAC 08, Eddy current septum magnets for booster injection and extraction, and storage ring injection at SSRF, Geneva, Italy, p.2177-2179.14. http://www.comsol.com/

13. B.K. Kang, J.E. Milburn. Scaling law for diffused magnetic field in an addy current passive copper septum magnet. NIM A, 1996, volume 385, issue 1, p. 6-12.

14. JI.H. Бондаренко. Диссертация к.ф.-м. н. Импульсный однооборотный выпуск пучка электронов с энергией 50 МэВ из синхротрона Б2С ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск. 1963.

15. JI.M. Бреховских. Волны в слоистых средах. Москва: Издательство академии наук, 1957.

16. J. Rossbach, P. Schmuser. Basic course on accelerator optics.

17. S.Y. Lee, Accelerator Physic. World Scientific, Singapore, 1999.

18. Данные предоставлены Киселевым Владимиром Афанасьевичем.

19. И.В. Казарезов, А.Ф. Серов, ., В.Д. Юдин. Мощный импульсный источник на тиристорах для питания электрофизических установок. Препринт ИЯФ №84-1 2, Новосибирск, 1984.

20. В.В. Каргальцев, Э.А. Купер. Блок для измерения импульсных параметров БИИП-4 "Ц0640". Препринт ИЯФ №82-48, Новосибирск, 1982.

21. Г.С.Пискунов, С.В. Тарарышкин. Двадцатичетырехразрядная

22. ЭВМ в стандарте КАМАК. Автометрия, 1986, №4, с.32-38.

23. E.I. Antokhin, G.N. Kulipanov, N.A. Mezentsev, et al. The project of a new source for the Siberian Synchrotron Radiation Center. NIM A, 2009, volume 603, issues 1+2, p. 1-3.

24. S.V. Miginsky. New quadratures with local error estimation and two strategies of step control in calculation of definite integrals. Preprint Budker INP №01-18, Novosibirsk, 2001.

25. A.C. Вольмир. Устойчивость упругих систем, Москва, государственное издательство физико-математической литературы, 1963.

26. J. Li, S.F. Mikhailov, S. Huang, et al. Proceedings of РАС 07, Compensation of the beam dynamics effects caused by the extraction Lambertson septum of the HIGS booster, Albuquerque, USA, p.3582-3584.

27. J. Cerino, M. Baltay, R. Boyce, et al. Proceedings of РАС 91, Extraction septum magnet for the SSRL SPEAR injector, San Francisco, USA, p.2328-2330.

28. R.D. Rush, Proceedings of Nonlinear Dynamics Aspects of Particle Accelerators, Single particle dynamics and nonlinear resonances in circular accelerators, Sardinia, 1985, p.37-63.

29. Д.В. Пестриков, Нелинейные эффекты в динамике циркулирующих пучков. НГУ, 2002.