Неразрушающая диагностика интенсивных сгустков заряженных частиц электронным пучком низкой энергии. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ии3487663

На правах рукописи

ЛОГАЧЕВ Павел Владимирович

НЕРАЗРУШАЮЩАЯ ДИАГНОСТИКА ИНТЕНСИВНЫХ СГУСТКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 о ДЕК 2099

НОВОСИБИРСК - 2009

003487663

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

АЛЕКСЕЕВ Николай Николаевич

ДОВБНЯ

Анатолий Николаевич

РАТАХИН

Николай Александрович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

доктор физико-математических наук, Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации -Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" ФГУП "ГНЦ РФ - ИТЭФ", г. Москва.

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент Академии наук Украины, ННЦ ХФТИ, Институт физики высоких энергий и ядерной физики, г. Харьков, Украина.

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, Учреждение Российской академии наук Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, г. Томск.

Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

Защита диссертации состоится « _» ^е^Яб^Я 2009 г. в « ^О » 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, 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.

Автореферат разослан: «

20 » ¿¿¿Рйбу?2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Увеличение интенсивности пучков в действующих и проектируемых ускорительно-накопительных комплексах приводит к необходимости разработки новых методов диагностики. Эти методы не должны ухудшать качество исследуемого пучка, и должны работать при высоких плотностях мощности в изучаемом пучке (до 1015 Вт/см2). При этом, как правило, времена воздействия подобных плотностей мощности таковы, что ни одно твердое тело не выдерживает прямого воздействия интенсивного пучка. Фактически неразрушающие методы диагностики основаны на измерении электромагнитных полей, создаваемых заряженными частицами интенсивного сгустка. Такие методы используют электромагнитное взаимодействие исследуемого пучка с элементами вакуумной камеры ускорителя, с газовым потоком низкой плотности, с электронным пучком или лучом мощного лазера. Для целей диагностики также возможно использование синхротронного излучения, производимого пучком электронов или позитронов высокой энергии в поворотных магнитах.

В данной работе исследованы возможности нового метода неразру-шакнцей диагностики интенсивных релятивистских сгустков заряженных частиц. Суть метода заключается в следующем. Прецизионный электронный пучок низкой энергии (20 - 200 кэВ) с током до 10 мА, далее - тестирующий пучок, направляется вдоль оси X (см. Рис. 1), перпендикулярно траектории исследуемого сгустка с определенным прицельным параметром р.

прибора.

Энергия и ток тестирующего пучка на выходе источника поддерживаются постоянными на протяжении пролета исследуемым сгустком области взаимодействия. Электроны тестирующего пучка отклоняются под действием переменного электромагнитного поля исследуемого сгустка и формируют в плоскости детектора (параллельной плоскости YZ) двумерное изображение. Это электронное изображение преобразуется в оптическое изображение последовательно размещенными микроканальной пластиной и люминофором, а затем регистрируется специализированной цифровой фотокамерой. Анализ получаемого таким прибором (далее - пучковым датчиком) изображения дает уникальную комбинацию новых возможностей, недоступных в других методах. Во-первых, это возможность измерения параметров конкретного сгустка за один пролет. Во-вторых - возможность наблюдения относительно слабых электромагнитных полей излучения, генерируемых интенсивными сгустками в элементах вакуумной камеры ускорителя. В-третьих - возможность наблюдения изменения во времени внутренней структуры интенсивных сгустков предельно малых размеров. Данный метод может эффективно работать при максимальном значении тока в исследуемом сгустке в диапазоне от 1 Ампера до 1000 Ампер. Нижний предел по максимальному значению импульсного тока исследуемого сгустка определяется тем, что угол отклонения тестирующего пучка с энергией 20 кэВ в этом случае становится слишком малым, сравнимым с расходимостью тестирующего пучка. Верхний предел соответствует очень большим углам отклонения (более одного радиана) электронов тестирующего пучка, которые имеют энергию 200 кэВ. Указанные выше пределы не являются жесткими, однако выход за эти рамки требует существенных дополнительных усилий в практической реализации данного метода.

В качестве практического примера применения новой методики можно привести результаты измерения продольного распределения плотности в сгустке накопителя ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН).

Если поперечный размер исследуемого сгустка, а соответственно и минимальный прицельный параметр р в несколько раз меньше продольного размера сгустка, то, анализируя изображение (см. Рис. 2), получаемое пучковым датчиком, можно вычислить с точностью лучше 10% зависимость продольной плотности заряда в сгустке от времени. В процессе пролета исследуемого сгустка через область взаимодействия тестирующий пучок описывает на входной поверхности детектора замкнутую петлеобразную кривую (см. Рис. 2). При этом величина вертикального (по оси У, см. Рис. 1) отклонения тестирующего пучка линейно связана с локальной продольной плотностью электронов в релятивистском сгустке, а восстановление времени производится следующим образом. Сначала цифровое изображение на экране прибора пересчитывается в поверхностную плотность заряда тестирующего пучка, падающего на детектор. Для такого пересчета

используется аппаратная функция детектирующей системы, которая устанавливает для каждого пикселя цифровой камеры взаимно-однозначное соответствие между значением яркости изображения и поверхностной плотностью заряда тестирующего пучка, падающего на входную поверхность микроканальной пластины. Далее берется интеграл от поверхностной плотности заряда вдоль петлеобразной траектории движения тестирующего пучка по экрану детектора. Время движения тестирующего пучка от начала петли до некоторой ее точки вычисляется как соответствующий интеграл, деленный на измеренное значение тока тестирующего пучка.

1.4x10"-]

Рис. 2. Изображения с пучкового датчика, полученные на различных оборотах сгустка в накопителе ВЭПП-3 при наличии продольной неустойчивости: а - минимальная длина сгустка; с - максимальная; Ь -промежуточное состояние. На графике представлены результаты обработки этих изображений - зависимости продольной плотности электронов в сгустке от времени.

Поскольку экспериментальной проверки нового метода неразрушающей диагностики на линейных и циклических ускорителях в области релятивистских энергий электронов и позитронов ранее нигде не проводилось, то в ходе экспериментов должен был быть решен ряд сложных задач. В частности, задача измерения малых импульсных токов на фоне больших импульсных помех. Также необходимо было найти эффективное электронно-оптическое решение, обеспечивающее требуемые параметры тестирующего электронного пучка в широком диапазоне энергий. Дополнительно к этому нужно было найти решение задачи измерения аппаратной функции детектирующей системы; что позволяет проводить временные измерения в пикосекундном диапазоне.

Здесь важно отметить, что интенсивный ультрарелятивистский пучок, как правило, сопровождается значительным числом фоновых электронов и фотонов различной энергии. В линейных ускорителях электронов такой фон связан, в основном, с темновыми токами ускоряющих структур. В

циклических машинах фон может быть связан с фотоэлектронами, образующимися под действием синхротронного излучения, а также с частицами электромагнитных ливней, возникающих при столкновении электронов или позитронов высокой энергии со стенками вакуумной камеры. Наиболее эффективным средством борьбы с фоновой загрузкой детектора является синхронный с пролетом исследуемого сгустка импульсный режим работы детектирующей системы. Такой режим необходим для циклических машин, работающих в многосгустковом режиме. Исходя из вышесказанного, обеспечение импульсного режима работы детектора является одной из важнейших задач, возникающих при реализации данного метода.

Возможности нового метода неразрушающей диагностики интенсивных пучков в полной мере могут быть раскрыты лишь при детальном исследовании процесса взаимодействия пучков. Такое исследование может быть проведено в ряде предельных случаев аналитически, однако для всестороннего изучения вопроса необходимо численное моделирование процесса взаимодействия тестирующего и исследуемого пучков. Численное моделирование также необходимо при анализе получаемых на экране прибора изображений. Именно поэтому создание программного комплекса, моделирующего работу нового диагностического прибора, является важной задачей.

Взятые вместе, вышеуказанные проблемы образуют четко сформулированную комплексную задачу для теоретического и экспериментального исследования, решению которой и посвящена диссертационная работа.

Цель проведения работы

Основной целью проведенной работы являлось исследование возможностей применения электронного пучка низкой энергии для неразрушающей диагностики интенсивных сгустков заряженных частиц. Исследование включает в себя:

1. Теоретический анализ возможностей метода.

2. Экспериментальное изучение практической применимости метода на ускорительно-накопительных комплексах ИЯФ СО РАН.

3. Создание и проверка численной модели процесса работы диагностических приборов, разработанных на основе данного метода.

Положения, выносимые на защиту

1. Теоретическое и экспериментальное исследование возможностей диагностики интенсивных пучков электронов, позитронов и ионов высокой энергии, основанной на использовании электронного пучка низкой энергии.

2. Техника применения прецизионного электронного пучка низкой энергии для неразрушающей диагностики интенсивных релятивистских сгустков, включающая в себя:

• электронно-оптическую схему импульсного источника с электронным пучком малого фазового объема, работающую в широком диапазоне энергий электронов;

• импульсный режим работы детектора на основе микроканальной пластины с большим коэффициентом усиления;

• способ калибровки детектирующей системы, необходимой для проведения временных измерений.

3. Разработка программного обеспечения, необходимого для работы пучкового датчика, а именно:

• управляющего программного обеспечения, реализующего все необходимые режимы работы прибора;

• программного обеспечения, моделирующего динамику тестирующего пучка с учетом всевозможных особенностей исследуемого сгустка.

4. Разработка и испытание опытных образцов приборов, рассчитанных на различные приложения, в частности:

• пучковый датчик для работы в циклическом накопителе электронов ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН);

• пучковый датчик для линейного ускорителя электронов Инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН;

• пучковый датчик для циклического коллайдера ВЭПП-4М (ИЯФ СО РАН);

• пучковый датчик для Международного линейного коллайдера;

• пучковый датчик для накопителей интенсивных ионных пучков

Окридж, США).

Научная новизна работы

• Впервые для неразрушающей диагностики интенсивных пучков высокой энергии был применен электронный пучок низкой энергии.

• Впервые поля излучения коротких интенсивных сгустков были зарегистрированы с помощью внешнего электронного пучка.

• Впервые продольное распределение заряда в коротких интенсивных сгустках было измерено с использованием новой методики.

• Впервые методика, основанная на использовании электронного пучка низкой энергии, была применена для диагностики пучка в циклическом коллайдере.

Практическая значимость работы

Применение пучкового датчика на линейном ускорителе электронов Инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН позволило решить проблему наблюдения пространственной и временной структуры электронных сгустков.

Возможности данного метода диагностики оказались востребованы в проектируемых установках с интенсивными релятивистскими пучками: международном линейном коллайдере и супер В-фабрике.

Прибор, разработанный диссертантом для международного линейного коллайдера, в ближайшее время будет отправлен в КЕК (Япония), где планируется проведение экспериментов с короткими интенсивными сгустками электронов.

Прибор, предназначенный для измерения горизонтального и вертикального профилей сечения протонного пучка в накопительном кольце ЗИЭ (Окридж, США), планируется запустить в эксплуатацию в 2009 году. Метод востребован в диагностике интенсивных ионных пучков, используемых для генерации мощных нейтронных потоков.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (РАС'99, Нью-Йорк, США), на 7-й Европейской Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (ЕРАС-2000, Вена, Австрия), на 18-й Международной Конференции по Ускорителям Высокой Энергии (НЕАСС'01, Цукуба, Япония), на XIX Всероссийской Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (1ШРАС-2004, Дубна).

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 17 работ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 151 машинописную страницу и включает: 80 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 41 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко изложено современное состояние исследуемых вопросов, обоснована актуальность темы исследования, отмечены уникальные особенности нового метода диагностики пучков.

Первая глава включает в себя описание неразрушающих методов диагностики. Параграф 1.1 содержит краткое описание методов диагностики, основанных на электромагнитном взаимодействии интенсивного пучка с элементами вакуумной камеры ускорителя. Подавляющее большинство таких методов основано на регистрации токов и напряжений, наведенных

исследуемым пучком на специальных электродах, расположенных внутри вакуумной камеры ускорителя. Как правило, для диагностики используется низкочастотная часть спектра электромагнитного излучения исследуемых сгустков, которой соответствуют электромагнитные волны, не распространяющиеся свободно в вакуумной камере ускорителя.

В параграфе 1.2 описаны методы, использующие синхротронное излучение, которое генерируется релятивистскими электронами или позитронами в поворотных магнитах. Синхротронное излучение свободно распространяется вдоль прямолинейных отрезков вакуумной камеры и может быть выведено и проанализировано специальными методами. В результате может быть получена ценная информация не только о положении сгустка в пространстве, но и о его поперечном профиле.

Параграф 1.3 посвящен описанию лазерного комптоновского измерителя поперечного размера пучка. Для измерения малого поперечного размера интенсивного релятивистского сгустка в данном методе используется интерференционная картина, образующаяся при пересечении двух лазерных пучков. Сканирование электронным пучком поперек полос интерференционной картины приводит к модуляции интенсивности потока жестких комптоновских квантов, рожденных энергичными электронами в электромагнитном поле лазерного излучения. Глубина модуляции интенсивности потока комптоновских гамма - квантов несёт информацию о поперечном размере электронного пучка. За общим описанием метода следуют основные результаты его применения в эксперименте.

Параграф 1.4 содержит описание метода и основные экспериментальные результаты по монитору профиля интенсивного релятивистского пучка на основе ионизации остаточного газа. Данный метод основан на измерении времяпролетного спектра и азимутального распределения ионов, рожденных в интенсивном пучке. Эти ионы ускоряются электрическим полем интенсивного сгустка и детектируются при помощи микроканальных пластин и секционированного цилиндра Фарадея.

В параграфе 1.5 представлен неразрушающий сканирующий измеритель профиля интенсивных ионных пучков. Данная методика основана на использовании прецизионного электронного пучка низкой энергии для сканирования интенсивного ионного пучка.

Вторая глава посвящена принципу действия и основным диагностическим возможностям пучкового датчика - устройства, основанного на использовании электронного пучка низкой энергии в качестве инструмента исследования интенсивных сгустков заряженных частиц.

Параграф 2.1 представляет методику измерения продольного распределения заряда в интенсивном релятивистском сгустке. Рассмотрены основные эффекты, определяющие точность такого измерения, и

представлены экспериментальные результаты, полученные на пучковых датчиках в ИЯФ СО РАН.

Параграф 2.2 посвящен упрощенной методике определения дайны релятивистского сгустка в случае гауссова распределения продольной плотности частиц в нем. Такая методика может быть использована, когда диаметр тестирующего пучка в области взаимодействия превосходит характерный поперечный размер исследуемого пучка. Данная методика основана на измерении вертикального и горизонтального размеров изображения, получаемого на экране прибора.

Параграф 2.3 содержит краткое описание методики определения поперечной координаты центра масс сгустка. Эта методика основана на точном определении момента пересечения траекторий тестирующего и исследуемого пучка.

В параграфе 2.4 представлена методика измерения угла разворота оси исследуемого «устка по отношению к направлению его поступательного движения. Методика основана на измерении разницы яркостей определенных частей изображений на экране прибора. Такой разворот является следствием воздействия на пучок его собственных полей излучения. Этот эффект приводит к росту фазового объема сгустка в линейном коллайдере, а потому такой разворот сгустка должен контролироваться в нескольких точках по ходу ускорения пучка.

Параграф 2.5 посвящен применению нового метода диагностики для томографии интенсивных протонных пучков высокой энергии. Здесь рассматривается диагностическая система на основе электронного пучка низкой энергии в приложении к накопительному кольцу БШ (Окридж, США). Представлена методика измерения профиля распределения заряда в поперечном сечении длинного протонного сгустка высокой интенсивности. Даны предложения по быстрому измерению поперечных размеров сгустка в определенном сечении по его длине. Рассмотрена возможность измерения продольного распределения заряда длинного протонного сгустка. Представлены результаты численного моделирования работы пучкового датчика во всех указанных режимах.

Третья глава включает в себя описание типовой экспериментальной установки - пучкового датчика, работающего в составе линейного ускорителя электронов Инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН. В данную главу также вошло описание процесса калибровки детектирующей системы пучкового датчика и краткое изложение основных принципов компоновки прибора.

Параграф 3.1 посвящен устройству основных систем пучкового датчика, к которым относятся: источник электронов, система фокусировки и коррекции положения пробного электронного пучка, система импульсного высоковольтного питания, система горизонтальной развёртки тестирующего пучка, детектирующая система, система управления и синхронизации.

Параграф 3.2 содержит описание процесса калибровки детектирующей системы. Калибровка представляет собой процесс измерения аппаратной функции детектирующей системы. Данная аппаратная функция устанавливает взаимно - однозначное соответствие между поверхностной плотностью заряда, приходящего на вход детектирующей системы, и числовым значением яркости изображения, получаемым с цифровой фотокамеры. Аппаратная функция измеряется в различных областях входной поверхности детектора и зависит от координат на этой поверхности.

Параграф 3.3 дает представление о базовых принципах компоновки и проектирования пучковых датчиков. Исходя из реальных возможностей элементов, которые и составляют прибор, предложены оптимальные варианты их размещения.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментов, проведенных с пучковыми датчиками на ускорительно-накопительных комплексах в ИЯФ СО РАН.

В параграфе 4.1 представлены экспериментальные результаты, полученные на пучковых датчиках, установленных в накопителе ВЭПП-3 и в коллайдере ВЭПП-4М.

Параграф 4.2 посвящен результатам работы пучкового датчика в составе линейного ускорителя электронов Б-диапазона на Инжекционном комплексе.

В параграфе 4.3 приведены результаты наблюдения полей излучения, генерируемых интенсивными сгустками электронов в линейном ускорителе Инжекционного комплекса.

Пятая глава представляет результаты численного моделирования работы пучкового датчика.

Параграф 5.1 содержит описание физической модели и разностной схемы.

Параграф 5.2 представляет результаты численного моделирования процесса измерения параметров интенсивных сгустков. Здесь приведен ряд практических примеров использования численного моделирования для выяснения природы сложных изображений, полученных на экране прибора.

В Заключении приводятся основные результаты проделанной работы, отмечается ее научная новизна и практическая значимость.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Предложен и исследован ряд конкретных применений данного метода в диагностике интенсивных релятивистских сгустков, а именно:

• измерение продольного распределения заряда в интенсивном релятивистском сгустке,

• наблюдение полей излучения коротких интенсивных сгустков,

• измерение поперечной координаты центра масс интенсивного сгустка, имеющего очень малые поперечные размеры,

• измерение угла наклона оси такого сгустка к направлению его движения,

• измерение поперечного профиля интенсивного протонного пучка.

Проведено экспериментальное изучение практической применимости метода на ускорительно-накопительных комплексах ИЯФ СО РАН, а именно:

• создан и успешно испытан пучковый датчик, рассчитанный на работу в циклическом накопителе электронов ВЭПП-3,

• создан и успешно работает пучковый датчик, оптимизированный для работы в составе линейного ускорителя электронов Инжекционного комплекса,

• созданы и испытываются пучковые датчики, приспособленные к работе в циклическом коллайдере ВЭПП-4, в выпускном канале накопителя-охладителя комплекса ATF (КЕК, Япония), в накопителе протонов SNS (Окридж, США).

Таким образом, в диссертационной работе впервые системно теоретически и экспериментально исследованы возможности нового типа активных неразрушающих методов диагностики интенсивных пучков электронов и позитронов, основанных на взаимодействии электронного пучка низкой энергии с объектами диагностики. Новый тип диагностических приборов был разработан и успешно внедрен как на ускорительно-накопительных комплексах ИЯФ СО РАН, так и за рубежом.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] Logatchov P.V., Bak P.A., Starostenko A.A., Dikansky N.S., Gousev Е.А.,

Korabelnikov M.B., Shiyankov S.V. Non-destructive Single Pass Monitor of Longitudinal Charge Distribution. //Tsukuba, Japan: 2001. http: //conference.rt.jp/heacc2001/pdCp2new04.pdf.

[2] Starostenko A.A., Bak P.A., Gousev Ye.A., Dikansky N.S., Logatchov P.V.,

Frolov A.R. Non-destructive Single Pass Bunch Length Monitor: Experiments at VEPP-5 Preinjector Electron Linac. // Viena, Austria: Austrian Academy of Sciences Press, 2000, p.1720-1722.

[3] Logatchov P.V., Starostenko A.A. Non-Destructive Single-Pass Monitor of Longitudinal Charge Distribution. // ICFA Beam Dynamics Newsletter, 1999, v.20.

[4] P.V. Logatchov, P.A. Bak, A.A. Starostenko , N.S. Dikansky, V.S. Tupikov,

K.V. Gubin, V.M. Mishnev, M.B. Korabelnikov, M.G. Fedotov. Nondestructive Single Pass Monitor of Longitudinal Charge Distribution in an Ultrarelativistic Electron Bunch. // РАС, 1999.

[5] Aleksandrov A., Assadi S., Cousineau S., ..., Logatchov P., et al. Feasibility

Study of Using an Electron Beam for Profile Measurements in the SNS Accumulator Ring. // Knoxville, Tennessee, USA: Particle Accelerator Conf, Oak Ridge National Laboratory Spallation Neutron Source, 2005, p.2586-2588.

[6] М.С. Авилов, ..., П.В. Логачев и др. Инжекционный комплекс ВЭПП-5.

Состояние работ. // Атомная энергия, №1, 2003, с.82-87.

[7]. Логачев П.В., Малютин Д.А., Старостенко А.А. Применение электронного пучка низкой энергии как средства неразрушающей диагностики интенсивных пучков заряженных частиц. // Приборы и техника эксперимента, №1, 2008, с.5-33.

[8] P.V. Logatchov. Beam quality control for linear colliders. // [ed.] S.Kurokawa.

Melville, New York : AIP Conference proceedings, 2001, p.552-565, v.592.

[9] P. Logatchov. Beam manipulation and diagnostic techniques in linacs. // [ed.] S. Kurokawa. Singapore : World Scientific, 2002, p.213-256.

10. M. S. Avilov, ..., P.V. Logatchov et al. Status of VEPP-5 preinjector. // LINAC'2002, Gyeongju, Korea, 18-23 August, 2002. ISBN: 89-954175-0-1 98420.

[11] P.V. Logatchov, D.A. Malyutin, A.A. Starostenko. Low energy electron beam as a nondestructive diagnostic tool for high power beams. // RUPAC'2006, Novosibirsk, Sept. 10-14,2006.

[12] V.E. Akimov, A.V. Bulatov, P.V. Logatchev, I.V. Kazarezov, A.A. Korepanov, D.A. Maljutin, A.A. Starostenko. Electron miniaccelerator on the base of Tesla transformer for the beam of charged particles nondestructive testing. //RUPAC'2006, Novosibirsk, Sept. 10-14, 2006.

[13] Астрелина К.В., Блинов М.Ф., Всеволжская Т.А., Диканский Н.С., ..., Логачев П.В. и др. Получение интенсивных позитронных пучков на Инжекционном комплексе ВЭПП-5. //ЖЭТФ. 2008. т.133. с. 94-114.

[14] П.А. Бак, Д.Ю. Болховитянов, А.А. Корепанов, П.В. Логачев, Д.А. Малютин, А.А. Старостенко, А.С. Цыганов. Прибор для измерения влияния полей излучения на интенсивный сгусток международного линейного коллайдера. // Новосибирск : Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 1,2009.

[15] П.А. Бак, П.В. Логачев, Д.А. Малютин, А.А. Старостенко. Регистрация полей излучения интенсивных электронных сгустков в линейном ускорителе Инжекциоиного комплекса ВЭПП-5. // Новосибирск: Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 1, 2009.

[16] П.А. Бак, Д.Ю. Болховитянов, П.В. Логачев, Д.А. Малютин, А.А. Старостенко, А.С. Цыганов. Измерение асимметрии продольного распределения заряда в электронном сгустке на коллайдере ВЭПП-4М. // Приборы и техника эксперимента, 2008, № 6, с. 92-98,2008.

[17] П.В. Логачев, Д.А. Малютин, А.А. Старостенко. Развертка с параллельным переносом электронного пучка для измерителя поперечного профиля интенсивного ионного сгустка. // Приборы и техника эксперимента, 2009, № 4, с. 1-5.

ЛОГА ЧЕВ Павел Владимирович

Неразрушающая диагностика интенсивных сгустков заряженных частиц электронным пучком низкой энергии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Сдано в набор . 16.10. 2009 г. Подписано в печать 16.10.2009 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.8 печ.л.,0.7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесачатно. Заказ № 27_

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

Введение.

Глава 1 Обзор неразрушающих методов диагностики интенсивных пучков

1.1 Методы, основанные на электромагнитном взаимодействии интенсивного пучка с элементами вакуумной камеры ускорителя.

1.2 Методы, основанные на использовании синхротронного излучения, производимого пучком электронов или позитронов высокой энергии в поворотных магнитах.

1.3 Лазерный комптоновский измеритель поперечного размера пучка.

1.4 Монитор поперечного размера пучка на основе ионизации газа низкого давления, инжектируемого в область взаимодействия.

1.5 Неразрушающий сканирующий измеритель профиля интенсивных ионных пучков.

Глава 2 Принцип действия и основные методики применения пучкового датчика.

2.1 Определение продольного распределения частиц в интенсивном релятивистском сгустке.

2.2 Определение длины релятивистского сгустка в случае гауссова распределения продольной плотности частиц в нем.

2.3 Определение поперечной координаты центра масс сгустка.

2.4 Измерение угла разворота оси сгустка к направлению его поступательного движения.

2.5 Томография интенсивных протонных пучков высокой энергии.

Глава 3 Установка.

3.1 Описание экспериментальной установки.

3.2 Калибровка детектирующей системы.

3.3 Расположение основных элементов пучкового датчика.

Глава 4 Экспериментальныерезультаты.

4.1 Диагностика пучков в циклических ускорителях и накопителях.^ ^^

4.2 Диагностика пучков линейных ускорителей S-диапазона. q

4.3 Регистрация полей излучения на линейном ускорителе. Qg

Глава 5 Численное моделирование работы пучкового дат-*ц1Ка

5.1 Описание физической модели и разностной схемы.

5.2 Численное моделирование процесса измерения naPais*errpOB интенсивных сгустков. ^^

j

Проведение современных экспериментов по физике элементарных частиц и физике высоких энергий, появление установок нового поколения для работы с синхротронным излучением и для прикладных исследований требуют непрерывного улучшения параметров пучков заряженных частиц (в первую очередь, их интенсивности и яркости). Такое улучшение не может быть I достигнуто без соответствующего развития новых методов диагностики пучков заряженных частиц. Эти методы должны, во-первых, не ухудшать качества исследуемого пучка, во-вторых, работать при значительных плотностях мощности в исследуемом пучке (до 1015 Вт/см2) и, в-третьих, быть чувствительными к его внутренней структуре.

Неразрушающие методы диагностики интенсивных пучков основаны на измерении электромагнитных полей, создаваемых заряженными частицами интенсивного пучка. Такие методы используют электромагнитное взаимодействие исследуемого пучка с разнообразными «зондирующими элементами», такими как вакуумная камера ускорителя, газовый поток, движущийся поперек диагностируемого пучка, внешний электронный пучок или луч мощного лазера. Для целей диагностики также возможно использование синхротронного излучения, производимого пучком электронов, позитронов или протонов высокой энергии в поворотных магнитах.

С момента появления первых ускорителей и по сей день методы неразрушающей диагностики пучков, основанные на электромагнитном взаимодействии пучка заряженных частиц с элементами вакуумной камеры ускорителя, остаются наиболее популярными. Эту группу методов можно разделить на две части. Первая основана на регистрации токов или зарядов, наводимых пучком заряженных частиц на проводящих элементах вакуумной камеры ускорителя (так называемых пикап - электродах). Вторая использует свойство пучка возбуждать определенные типы колебаний в специальных высокодобротных резонаторных системах. Первая часть этой группы методов лежит в основе большинства систем диагностики и позволяет измерять поперечные координаты центра масс сгустка, а также его интенсивность на конкретном обороте в циклическом ускорителе [1]. Вторая часть, как правило, используется в линейных ускорителях для прецизионного измерения поперечного положения центра масс коротких интенсивных сгустков электронов или позитронов высокой энергии [2]. К сожалению, методы диагностики, основанные на электромагнитном взаимодействии пучка заряженных частиц с элементами вакуумной камеры ускорителя, оказываются слабо чувствительными к деталям распределения заряда в интенсивных сгустках. А именно эти детали содержат в себе информацию о развитии различных неустойчивостей в интенсивных пучках.

В современных диагностических системах часто и успешно применяются методы неразрушающей диагностики релятивистских электронных и позитронных пучков, основанные на использовании синхротронного излучения этих частиц, генерируемого в поворотных магнитах [3]. Однако лишь в редких случаях их можно использовать в однопролетном режиме, получая информацию об определенном сгустке на определенном обороте.

Также возможно использование остаточного газа [4] или газового потока [5] в качестве инструмента исследования интенсивного пучка. Однако остаточный газ или газовый поток трудно сконцентрировать должным образом в области взаимодействия с исследуемым пучком, и количество ионов, образованных в исследуемом интенсивном сгустке и ускоренных его электрическим полем, будет мало. Эти ионы проходят через щель в стенке вакуумной камеры и регистрируются специальным детектором. Малое количество ионов от одного сгустка требует накопления сигнала от большого количества сгустков, что не дает возможности наблюдать эволюцию параметров от сгустка к сгустку. Такая методика была экспериментально проверена в Стэнфордеком центре линейных ускорителей (США) [4]: использовался пучок атомов гелия с импульсной плотностью 1014 атомов/см3. Для измерения времяпролетного спектра ионов гелия с погрешностью 10% в диагностируемом пучке релятивистских электронов с энергией 50 ГэВ и размерами пучка 0.2x650 мкм, необходимо было иметь -3-Ю11 электронов, чтобы компенсировать низкую эффективность ионизации атомов гелия. Последняя связана с большой энергией исследуемого пучка и малостью его поперечных размеров (ионизация происходит только внутри пучка).

Особенностью метода, основанного на использовании тестирующего лазерного луча [6], является его нечувствительность к относительно слабым макроскопическим электромагнитным полям исследуемого сгустка. В данном случае диагностика основана на детектировании комптоновских гамма-квантов, что ограничивает применение этого метода фактически только ультрарелятивистскими пучками электронов и позитронов. Кроме того, даже при высоких плотностях частиц как в электронном (позитронном) пучке, так и в световом потоке, малое количество рождаемых в процессе комптоновского рассеяния гамма-квантов не позволяет проводить измерения на одиночном сгустке. Дополнительно к этому, комптоновские гамма-кванты излучаются в очень малом угле относительно направления движения исследуемого пучка, что приводит к необходимости отклонения последнего на значительный угол в поворотном магните. Это дает возможность пропустить комптоновские гамма-кванты в специальный детектор. Такой метод измерения поперечного профиля электронного пучка был реализован и экспериментально изучен в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC, США) и в Лаборатории физики высоких энергий (КЕК, Япония) [6].

Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию диагностических возможностей электронного пучка низкой энергии, применяемого для измерения параметров интенсивных сгустков заряженных частиц. Использование такого электронного пучка [7], [8] дает ряд новых возможностей, недоступных в описанных выше методах: 1) - измерение параметров конкретного сгустка за один пролет; 2) - наблюдение относительно слабых электромагнитных полей излучения, генерируемых интенсивными сгустками в элементах вакуумной камеры ускорителя; 3) - наблюдение изменения во времени внутренней структуры коротких интенсивных сгустков.

Возможность проведения измерений параметров интенсивных сгустков в однопролетном режиме связана с тем, что, как правило, большая часть электронов тестирующего пучка получает вполне измеримые углы отклонения в полях исследуемого сгустка. Именно эти углы и определяют в итоге распределение тестирующих электронов на экране прибора. Здесь можно выделить два предельных случая: когда поперечные размеры тестирующего пучка в области взаимодействия значительно меньше размеров исследуемого сгустка и когда поперечные размеры тестирующего пучка значительно превосходят поперечные размеры изучаемого сгустка. В первом случае возможности метода могут быть реализованы в полной мере, во втором случае возможно измерение поперечного положения сгустка и угла наклона оси сгустка к направлению его движения. Полная реализация возможностей метода подразумевает измерение продольного распределения заряда в сгустке, если его продольный размер превышает максимальный поперечный. Так же возможно измерение поперечного размера и поперечного профиля исследуемого сгустка. Важно отметить, что все эти измерения могут быть однопролетными, давая своего рода фотографии конкретного сгустка в конкретном месте.

Данная методика была впервые реализована в работе [9]. Исследуемый пучок ускорялся в вакуумном диоде до максимальной энергии 600 кэВ Тестирующий пучок имел энергию в диапазоне 1-20 кэВ и детектировался при помощи микроканальной пластины с люминофором, работающей на постоянном напряжении. Исследуемый электронный пучок имел диаметр около 2 мм и максимальный импульсный ток до 1 А. Минимальная длительность импульса тока пучка составляла 50 не. К сожалению, сильно ограниченные возможности формирования исследуемого пучка в данной установке не позволили авторам продемонстрировать в эксперименте весь потенциал данного метода диагностики. Это обстоятельство и послужило основанием для начала работ по экспериментальному исследованию нового метода диагностики на ускорительно-накопительных комплексах И1ЯФ СО РАН.

Поскольку экспериментальной проверки данной методики на линейных и циклических ускорителях в области высоких энергий электронов и позитронов ранее нигде не проводилось, то в ходе подготовки и проведения экспериментов должен был быть решен ряд сложных технических задач. В частности, задача измерения малых импульсных токов на фоне больших импульсных наводок. Также необходимо было найти эффективное электронно-оптическое решение, обеспечивающее требуемые параметры тестирующего электронного пучка в широком диапазоне энергий. Дополнительно к этому нужно было найти решение задачи калибровки детектирующей системы; такая калибровка позволяет проводить временные измерения в пикосекундном диапазоне.

Здесь важно отметить, что интенсивный ультрарелятивистский пучок, как правило, сопровождается значительным числом фоновых электронов и фотонов высокой энергии. В линейных ускорителях электронов такой фон связан, в основном, с темновыми токами ускоряющих структур. В циклических машинах фон может быть связан с фотоэлектронами, образующимися под действием синхротронного излучения, а также с частицами электромагнитных ливней, возникающих при столкновении электронов или позитронов высокой энергии со стенками вакуумной камеры. Попадание частиц основного пучка на стенки вакуумной камеры связано с внутрипучковым рассеянием, с рассеянием на остаточном газе и неустойчивым движением в нелинейных внешних полях. Наиболее эффективным средством борьбы с фоновой загрузкой детектора является синхронный с пролетом исследуемого сгустка импульсный режим работы детектирующей системы. Такой режим необходим для циклических машин, работающих в многосгустковом режиме. Исходя из вышесказанного, обеспечение импульсного режима работы детектора является одной из важнейших задач, возникающих при реализации данного метода.

Другим важным вопросом является уровень воздействия электронного пучка низкой энергии на исследуемый пучок. Поскольку импульсное значение тока исследуемых сгустков лежит в интервале от нескольких Ампер до нескольких кА, а максимальное импульсное значение тока тестирующего пучка не превосходит нескольких мА, то влиянием макроскопических электромагнитных полей тестирующего пучка на исследуемый сгусток можно с хорошей точностью, пренебречь. Более того, описываемый метод можно считать неразрушающим даже в случае пересечения траекторий движения тестирующего пучка и исследуемого сгустка. Действительно, типичная плотность электронов в тестирующем пучке (энергия пучка 50 кэВ, ток 1 мА и диаметр 1 мм) для области взаимодействия равна плотности остаточного газа

-8 водород) при давлении 2-10" Торр. Иначе говоря, рабочие плотности электронов тестирующего пучка в области взаимодействия сравнимы с плотностью остаточного газа в вакуумной камере ускорителя. Это, с учетом малости поперечных размеров тестирующего пучка по сравнению с размерами вакуумной камеры, позволяет сделать вывод о несущественности влияния электронов тестирующего пучка на исследуемый сгусток по сравнению с влиянием электронов, входящих в состав атомов остаточного газа. В приведенном выше численном примере значение плотности электронов в тестирующем пучке близко к практически достижимому максимуму.

Возможности нового метода неразрушающей диагностики интенсивных пучков в полной мере могут быть раскрыты лишь при детальном исследовании процесса взаимодействия пучков. Такое исследование может быть проведено в ряде предельных случаев аналитически, однако для всестороннего изучения вопроса необходимо численное моделирование процесса взаимодействия тестирующего и исследуемого пучков. Численное моделирование также

I ■ необходимо при анализе получаемых на экране прибора изображений. / I

Взятые вместе, вышеуказанные проблемы образуют четко сформулированную комплексную задачу для теоретического,' и экспериментального исследования, решению которой и посвящена диссертационная работа. /

В ходе выполнения работы необходимо было сделать следующее:'

• Изучить теоретически и экспериментально возможности диагностики интенсивных пучков электронов и ионов высокой энергии, основанной на использовании электронного пучка низкой I энергии. /

Отработать на практике технику применения прецизионного электронного пучка низкой энергии для неразрушающей диагностики интенсивных релятивистских сгустков, включающую в себя: I

S электронно-оптическую схему импульсного^ источника с электронным пучком малого фазового объема, работающую в широком диапазоне энергий электронов;

S импульсный режим работы детектора на основе микроканальной пластины с большим коэффициентом усиления; способ калибровки детектирующей системы, необходимо] для проведения временных измерений.

Создать необходимое для работы пучкового датчика програмг ое обеспечение, а именно: S управляющее программное обеспечение, реализующее необходимые режимы работы прибора; S программное обеспечение, моделирующее динатуд—-^^^^ тестирующего пучка с учетом всевозможных особенно ей исследуемого сгустка. • Разработать, изготовить и испытать опытные образцы при^^

Ра, рассчитанные на различные приложения, в частности: S паковый датчик для работы в циклическом накогх^^^^ электронов ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН); S пучковый датчик для работы в составе линейного ускор^^-^^ электронов инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН; S пучковый датчик для циклического коллайдера ВЭГХТ—-«-(ИЯФ СО РАН);

S пучковый датчик для Международного линейного колла^ -^-^ ра; пучковый датчик для накопителен интенсивных исч^ пучков.

Поскольку сформулированные выше задачи решались представляемая работа по теоретическому и экспериментал^^^. исследованию данного метода неразрушающей диагностики интенс--г^ ^ пучков является новой.

Во введении кратко изложено современное состояние исследуемых вопросов, обоснована актуальность темы исследования, отмечены уникальные особенности нового метода диагностики пучков.

Первая глава включает в себя описание неразрушающих методов диагностики. Параграф 1.1 содержит краткое описание методов диагностики, основанных на электромагнитном взаимодействии интенсивного пучка с элементами вакуумной камеры ускорителя. Подавляющее большинство таких методов основано на регистрации токов и напряжений, наведенных исследуемым пучком на специальных электродах, расположенных внутри вакуумной камеры ускорителя. Как правило, для диагностики используется низкочастотная часть спектра электромагнитного излучения исследуемых сгустков, которой соответствуют электромагнитные волны, не распространяющиеся свободно в вакуумной камере ускорителя. В параграфе 1.2 описаны методы, использующие синхротронное излучение, которое генерируется релятивистскими электронами или позитронами в поворотных магнитах. Синхротронное излучение, напротив, свободно распространяется в вакуумной камере и может быть выведено и проанализировано специальными методами. В результате может быть получена ценная информация не только о положении сгустка в пространстве, но и о его поперечном, а также продольном профиле. Параграф 1.3 посвящен описанию лазерного комптоновского измерителя поперечного размера пучка. Для измерения малого поперечного размера интенсивного релятивистского сгустка в данном методе используется интерференционная картина, образующаяся при пересечении двух лазерных лучей. Сканирование электронным пучком поперек полос интерференционной картины приводит к модуляции интенсивности потока жестких комптоновских квантов, рожденных энергичными электронами в электромагнитном поле лазерного излучения. Глубина модуляции интенсивности потока комптоновских гамма - квантов несёт информацию о поперечном размере электронного пучка. За общим описанием метода следуют основные результаты его применения в эксперименте. Параграф 1.4 содержит описание метода и основные экспериментальные результаты по монитору геометрии интенсивного релятивистского пучка на основе ионизации остаточного газа. Данный метод основан на измерении времяпролетного спектра и азимутального распределения ионов, рожденных в интенсивном пучке. Эти ионы ускоряются в электрическом поле интенсивного сгустка и детектируются при помощи микроканальных пластин и секционированного цилиндра Фарадея. В параграфе 1.5 представлен неразрушающий сканирующий измеритель профиля интенсивных ионных пучков. Данная методика основана на использовании прецизионного электронного пучка низкой энергии для сканирования интенсивного ионного пучка.

Вторая глава посвящена принципу действия и основным диагностическим возможностям пучкового датчика — устройства, основанного на использовании электронного пучка низкой энергии в качестве инструмента исследования интенсивных сгустков заряженных частиц. Параграф 2.1 представляет методику измерения продольного распределения заряда в интенсивном релятивистском сгустке. Рассмотрены основные эффекты, определяющие точность такого измерения, и представлены экспериментальные результаты, полученные на пучковых датчиках в ИЯФ СО РАН. Параграф 2.2 посвящен упрощенной методике определения длины релятивистского сгустка в случае гауссова распределения продольной плотности частиц в нем. Такая методика может быть использована в случае, когда диаметр тестирующего пучка в области взаимодействия превосходит характерный поперечный размер исследуемого пучка. Данная методика основана на измерении вертикального и горизонтального размеров получаемых на экране прибора изображений. Параграф 2.3 содержит краткое описание методики определения поперечной координаты центра масс сгустка. Эта методика основана на определении асимметрии распределения яркости изображения на экране прибора в тот момент, когда прицельный параметр тестирующего пучка близок к нулю. В параграфе 2.4 представлена методика измерения угла разворота оси исследуемого сгустка по отношению к направлению его поступательного движения. Методика основана на измерении разницы яркостей определенных частей изображений на экране прибора. Такой разворот может являться следствием воздействия на пучок его собственных полей излучения. Данный эффект, например, приводит к росту фазового объема сгустка в линейном коллайдере, а потому такой разворот сгустка должен контролироваться в нескольких точках по ходу ускорения пучка. Параграф 2.5 посвящен применению нового метода диагностики в томографии интенсивных протонных пучков высокой энергии. Здесь рассматривается диагностическая система на основе электронного пучка низкой энергии в приложении к накопительному кольцу SNS (Окридж, США). Представлена методика измерения профиля распределения заряда в поперечном сечении длинного протонного сгустка высокой интенсивности. Даны предложения по быстрому измерению поперечных размеров сгустка в определенном сечении по его длине. Рассмотрена возможность измерения продольного распределения заряда длинного протонного сгустка. Представлены результаты численного моделирования работы пучкового датчика во всех указанных режимах.

Третья глава включает в себя описание типовой экспериментальной установки — пучкового датчика, работающего в составе линейного ускорителя электронов Инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН. В данную главу также вошло описание процесса калибровки детектирующей системы пучкового датчика и краткое изложение основных принципов компоновки прибора. Параграф 3.1 посвящен устройству основных систем пучкового датчика, к которым относятся: источник электронов, система фокусировки и коррекции положения пробного электронного пучка, система импульсного высоковольтного питания, система горизонтальной развёртки тестирующего пучка, детектирующая система, система управления и синхронизации. Параграф 3.2 содержит описание процесса калибровки детектирующей системы. Калибровка представляет собой процесс измерения аппаратной функции детектирующей системы. Данная аппаратная функция устанавливает взаимно-однозначное соответствие между поверхностной плотностью заряда, приходящего на вход детектирующей системы, и числовым значением яркости изображения, получаемым с цифровой фотокамеры. Аппаратная функция измеряется в различных областях входной поверхности детектора и зависит от координат на этой поверхности. Параграф 3.3 дает представление о базовых принципах компоновки и проектирования пучковых датчиков. Исходя из реальных возможностей элементов, которые составляют прибор, предложены оптимальные варианты их размещения.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментов, проведенных с пучковыми датчиками на ускорительно-накопительных комплексах в ИЯФ СО РАН. В параграфе 4.1 представлены экспериментальные результаты, полученные на пучковых датчиках, установленных в накопителе ВЭПП-3 и в коллайдере ВЭПП-4М (ИЯФ СО РАН). Параграф 4.2 посвящен результатам работы пучкового датчика в составе линейного ускорителя электронов S-диапазона (Инжекционный комплекс ИЯФ СО РАН). В параграфе 4.3 представлены результаты регистрации пучковым датчиком полей излучения, генерируемых интенсивным сгустком в линейном ускорителе электронов Инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН

Пятая глава представляет результаты численного моделирования работы пучкового датчика. Параграф 5.1 содержит описание физической модели прибора и разностной схемы, используемой для численного моделирования процесса работы прибора. Параграф 5.2 представляет результаты численного моделирования процесса измерения параметров интенсивных сгустков. Здесь приведен ряд практических примеров использования численного моделирования для выяснения природы сложных изображений, полученных на экране прибора.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы, отмечается ее научная новизна и практическая значимость.

Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на научных семинарах в ряде ведущих отечественных и зарубежных центров, таких как ИЯФ СО РАН (Новосибирск), ОИЯИ (Дубна), национальной лаборатории ДЕЗИ (Гамбург, Германия) и национальной лаборатории КЕК (Цукуба, Япония). Кроме того, результаты работы докладывались на международных конференциях по ускорителям заряженных частиц: РАС'99 (Нью-Йорк, США), 7-й Европейской Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (ЕРАС-2000, Вена, Австрия), 18-й Международной Конференции по Ускорителям Высокой Энергии (НЕАСС'01, Цукуба, Япония), XVIII Всероссийской Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (RUPAC-2002, Обнинск).

Результаты диссертации изложены в работах [7], [8], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24].

Заключение

Представленный в данной работе метод неразрушающей диагностики интенсивных пучков может быть позиционирован среди других неразрушающих методов, как обладающий уникальной комбинацией важнейших свойств. Во-первых, этот метод является активным, когда инструмент исследования (электронный пучок низкой энергии) может перемещаться в поперечном направлении с очень высокой скоростью (сравнимой со скоростью движения исследуемого пучка в лабораторной системе отсчета) и может пересекаться в пространстве с исследуемым пучком, практически не влияя на него. Во-вторых, этот метод, как правило, применяется в однопролетном режиме, что дает уникальную возможность контролировать состояние определенного сгустка в конкретном месте. В-третьих, данный метод чувствителен к внутренней структуре интенсивных сгустков, поперечные размеры которых значительно меньше поперечных размеров тестирующего пучка. В дополнении ко всему сказанному, описанный метод диагностики в большинстве своих модификаций реализуется на одном и том же оборудовании и дает возможность не только оперативно контролировать качество пучка, но и производить тонкую настройку ускорителя. При этом не обязательно проводить достаточно сложные количественные измерения; опытный оператор, применяя численное моделирование процесса работы прибора, может по виду изображения тестирующего пучка на экране нужным образом настраивать ускоритель.

Область применения данного метода диагностики пучка в линейных ускорителях электронов может быть представлена следующим образом. Исследование временной и пространственной структуры коротких интенсивных сгустков, их взаимного расположения и интенсивности. Все исследования проводятся в однопролетном режиме. Исследование структуры электромагнитных волн СВЧ диапазона, излученных интенсивным пучком и свободно распространяющихся в вакуумной камере ускорителя.

В циклических ускорителях электронов и позитронов, а так же циклических коллайдерах данный метод может применяться для контроля и: изучения влияния на интенсивный пучок разного рода микроволновых неустойчивостей.

Для машин с интенсивными ионными пучками данный метод может стать основой для неразрушающей томографии внутренней структуры сгустков [12]. В данном случае томография необходима для выяснения природы неустойчивостей в интенсивных ионных пучках.

Экспериментальные методики применения пучкового датчика, апробированные на ускорительно-накопительных комплексах ИЯФ СО РАН и представленные в данной работе, позволяют реализовать все перечисленные выше возможности данного метода, многие из которых являются уникальными.

Сформулируем основные результаты диссертационной работы и приведем основные публикации, где эти результаты изложены.

• Впервые исследованы теоретически и экспериментально возможности диагностики интенсивных пучков электронов, позитронов и ионов высокой энергии, основанной на использовании электронного пучка низкой энергии [7], [8], [10], [14], [16], [21], [22], [23], [24].

• Впервые отработана техника применения прецизионного электронного пучка низкой энергии для неразрушающей диагностики интенсивных релятивистских сгустков [8], [11], [13], [14], [15], [19], включающая в себя:

•f электронно-оптическую схему импульсного источника с электронным пучком малого фазового объема, работающую в широком диапазоне энергий электронов [11], [19];

•S импульсный режим работы детектора на основе микроканальной пластины с большим коэффициентом усиления [8];

S способ калибровки детектирующей системы, необходимой для проведения временных измерений [14].

• Создано необходимое для работы пучкового датчика программное обеспечение [14], а именно:

S управляющее программное обеспечение, реализующее все необходимые режимы работы прибора;

S программное обеспечение, моделирующее динамику тестирующего пучка с учетом всевозможных особенностей исследуемого сгустка.

• Впервые разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы прибора, рассчитанные на различные приложения, в частности:

•S пучковый датчик для работы в циклическом накопителе электронов ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН) [8], [10], [11], [15];

S пучковый датчик для работы в составе линейного ускорителя электронов инжекционного комплекса ИЯФ СО РАН [7], [13], [16], [20], [22];

У пучковый датчик для циклического коллайдера ВЭПП-4М (ИЯФ СО РАН) [14], [18], [23];

V пучковый датчик для Международного линейного коллайдера [14], [18], [19], [21];

S пучковый датчик для накопителя протонов SNS (Окридж, США) [12], [14], [18], [24].

Таким образом, в диссертационной работе впервые системно теоретически и экспериментально исследованы возможности нового типа активных неразрушающих методов диагностики интенсивных пучков электронов и позитронов, основанных на взаимодействии электронного пучка низкой энергии с объектами диагностики. Новый тип диагностических приборов был разработан и успешно внедрен на ускорительно-накопительных комплексах ИЯФ СО РАН.

Автор пользуется возможностью выразить глубокую благодарность А.Н. Скринскому, Е.Б. Левичеву, С.И. Мишневу, О.И. Мешкову, JI.A. Мироненко за полезные обсуждения и помощь в организации экспериментов на ускорительно-накопительном комплексе ВЭПП-3, ВЕПП-4М; А. А. Старостенко и Д.А. Малютину за многолетнее результативное участие в работе над новым диагностическим прибором; П.А. Бак, А.Р. Фролову и А.А. Корепанову за разработку и создание уникальной импульсной высоковольтной электроники для пучковых датчиков; А.С. Цыганову, М.А. Федотову, B.C. Туликову за разработку и создание фотометрических цифровых камер для регистрации изображений с экрана прибора; Г.И. Кузнецову, М.А. Батазовой и С.В. Тур за неоценимую помощь в разработке и изготовлении электронно-оптических систем пучковых датчиков; Е.А. Гусеву и Д.Ю. Болховитянову за разработку и создание сложного программного обеспечения для пучковых датчиков; Э.А. Куперу, Д.В. Пестрикову, Б.Н. Сухине, Н.С. Диканскому, Ю.И. Эйдельману и А.П. Сумбаеву за полезные обсуждения.

1. D.P.McGinnis. The Design of Beam Pickup and Kickers. Vancouver. B.C. Canada : s.n., 1994, Vol. 333, pp. 64-77. BIW-94.

2. Ross M., Frisch J., Hendrickson L. McCormick D., Vogel V., Hayano H., Urakawa J. Very High Resolution RF Cavity BPM. s.l. : РАС, 2003. pp. 2545-2547. Vol. 4, DOI: 1109/PAC.2003.1289182.

3. Hofmann, A. Physical phenomena used in beam observation. Isola di Capri Italy : s.n., 1988. pp. 367-379. Vol. 343.

4. Puzo P., Buon J., Jeanjean J., LeDiberder F., Lepeltier V. Submicronic Beam Size Monitor for the Final Focus Test Beam. s.l. : American Institute of Physics Conference Proceedings, 1997. pp. 273-280. Vol. 390.

5. A.V. Bubley, V.I. Kudelainen, V.V.Parkhomchuk, B.M. Smirnov, V.S. Tupikov. Magnesium jet profile monitor. Dubna : Proc. of HEACC'98, Sept. 07-12 1998.

6. Shintake, T. Beam Profile Monitors for Very Small Transverse and Longitudinal Dimensions Using Laser Interferometer and Heterodyne Technique, s.l. : American Institute of Physics, 1997. pp. 130-151. Vol. 390.

7. Ngo, John A. Pasour and Mai T. Nonperturbing Electron Beam Probe To Diagnose Charged-Particle Beams, s.l. : Rev. Sci. Instrum, 1992. pp. 3027-3039. Vol. 63 (5).

8. Logatchov P.V., Starostenko A.A. Non-Destructive Single-Pass Monitor of Longitudinal Charge Distribution, s.l. : ICFA Beam Dynamics Newsletter, 1999. Vol. 20.

9. M.C. Авилов, ., П.В. Логачев и др. Инжекционный комплекс ВЭПП-5. Состояние работ, s.l. : Атомная энергия. №1-2003. с. 82-87.

10. Логачев П.В., Малютин Д.А., Старостенко А. А. Применение электронного пучка низкой энергии как средства неразрушающей диагностики интенсивных пучков заряженных частиц, s.l. : Приборы и техника эксперимента. №1- 2008. с. 5-33.

11. P.V.Logatchov. Beam quality control for linear colliders, ed. S.Kurokawa. Melville, New York : AIP Conference proceedings, 2001. pp. 552-565. Vol. 592.

12. P. Logatchov. Beam manipulation and diagnostic techniques in linacs. ed. S. Kurokawa. Singapore : World Scientific, 2002. pp. 213-256.

13. M. S. Avilov, .P.V. Logatchov et al. Status of VEPP-5 preinjector. s.l. : LINAC'2002, Gyeongju, Korea, 18-23 August, 2002. ISBN: 89-954175-0-1 98420.

14. P.V. Logatchov, D.A. Malyutin, A.A. Starostenko. Low energy electron beam as a nondestructive diagnostic tool for high power beams. RUPAC'2006, Novosibirsk, Sept. 10-14, 2006.

15. Астрелина K.B., Блинов М.Ф., Всеволжская T.A., Диканский Н.С.,. Логачев П.В. и др. Получение интенсивных позитронных пучков на Инжекционном комплексе ВЭПП-5. ЖЭТФ. 2008. т. 133. с. 94-114.

16. П. А. Бак, П. В. Логачев, Д. А. Малютин, А. А. Старостенко.

17. Регистрация полей излучения интенсивных электронных сгустков в линейном ускорителе Инжекционного комплекса ВЭПП-5. Новосибирск : Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 1, 2009.

18. П. В. Логачев, Д. А. Малютин, А. А. Старостенко. Развертка с параллельным переносом электронного пучка для измерителя поперечного профиля интенсивного ионного сгустка, s.l. : Приборы и техника эксперимента, № 5, 2009.

19. S.R., Smith. Beam Position Monitor Engineering, s.l. : American Institute of Physics, 1997. pp. 50-65. Vol. 390, VII Workshop on Beam Instrumentation.

20. Aleksandrov A.V., Avilov M.S., Dikansky N.S., Logachev P.V., Novokhatsky A.V. Device for Electron Bunch Measurement in the picoseconds region. Vancouver, Canada : AIP Conference Proceedings, 1994. pp. 452-458. Vol. 333, BIW-94.

21. Mitsuhashi Т., Flanagan J., Hiramatsu S. Synchrotron Radiation Monitor for KEKB-Factory. Japan : KEKProc. pp. p. 134-138. Vols. 99-24.

22. Т., Mitsuhashi. Beam Profile and Size Measurement by SR Interferometers. s.l. : World Scientific, 1998. pp. 399-427. Joint US-CERN-Russia School on Particle Accelerators.

23. Гудмен, Дж. Статистическая оптика, s.l. : Издательство «Мир», 1988, с. 200-213.

24. Berndt М. et.al. Final Focus Test Beam Design Report, s.l. : SLAC-REF-376, 1991.

25. В., Schwarzschild. New Stanford Facility Squeeze High-Energy Electron beams, s.l. : Physics Today, July 1994. Vol. 22.

26. Prabir K. Roy, Simon S. Yu, Enrique Hanestroza et. al. Electron-beam diagnostic for space-charge measurement of an ion beam. s.l. : Paper LBNL-56392, 2004. http://www.osti.gov/energycitations/servlets/purl/840875-vZ9y7z/native/840875.pdf.

27. A.G. Ramm and A.I. Katsevich. The Radon Transform and Local Tomography, s.l. : CRC Press, Inc., Boca Raton, Fl, 1996.

28. Ф., Наттерер. Математические аспекты компьютерной томографии. Москва : Мир, 1990.

29. Radon, J. Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten. Leipzig: Berichte Sachsische Akademie der Wissenschaften, 1917. pp. 262-277. Vol. Bande 29.

30. Ivanov A., Tiunov M.A. ULTRASAM 2D Code for Simulation of Electron Guns with Ultra High Precision. Paris : Proc. VIII European Particle Accelerator Conference, 2002. pp. 1634-1636.

31. Meshkov O.I., Fedotov M.G., Karnaev S.E., Kiselev V.A., Muchnoi N.Y., Selivanov A.N., Zinin E.I. Optical Measurements of the Beam Parameters of the VEPP-4MStorage Ring. Chicago : Proc. PAC-01 Conf., 2001. pp. 2438-2440.

32. Г.И., Кузнецов. Катодный узел для микротрона, б.м. : Приборы и техника эксперимента, 1997. стр. 143-145. Т. 3.

33. A.V., Novokhatski. Computer Simulation of Radiation Field Dynamics in Accelerating Structures. Novosibirsk : BINP, 1982. Preprint INP 82-157.

34. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика. Т. II. Теория поля. s.l. : М.: Наука, 1988, с. 83-87.