Поляризованные пучки в ускорителях и накопителях с сибирскими змейками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

/ч

«>г С":

-4 О*

, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР с* ^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

^ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И.Будкера СО РАН

На правах рукописи

ПТИЦЫН Вадим Иванович

ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ ПУЧКИ В УСКОРИТЕЛЯХ А НАКОПИТЕЛЯХ С СИБИРСКИМИ ЗМЕЙКАМИ

11.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная

техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН".

Научный руководитель:

Шатунов доктор фнз.-мат. наук,

Юрий Михайлович ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им.Г.И.Будкера СО РАН", г. Новосибирск

Официальные оппоненты:

Перелыитейн доктор фнз.-мат. наук, профессор,

Элкуно Аврумович Объединенный институт ядерных

исследований, г. Дубна

Эйдельман кандидат фнз.-мат. наук,

Юрий Исаакович ГНЦ РФ "Институт ядерной физики

им.Г.И.Будкера СО РАН", г. Новосибирск

Ведущая организация: Институт ядерных исследований,

г. Москва

Защита диссертации состоится " ^_" _убС^СЖ-_ 199

г. в " " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.0

при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новоснбирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ ил Г.И.Будкера СО РАН".

Автореферат разослан "_ 1 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета академик

Б.В. Чириков

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В настоящее время применение Сибирских змеек является едннствен-ым способом получения поляризованных протонов с энергиями в де-ятки и сотни Гэв. В связи с этим предполагается использование Си-ирских змеек на протонных ускорителях RIIIC (США) и HERA (Герма-ня). Другое применение Сибирских змеек связано с получением продоль-ой поляризации пучка в месте эксперимента. Данный способ получения родольно поляризованных пучков хорош для электронных накопителен с иергнен до 3 Гэв, как для проведения экспериментов на поляризованных [шпенях ( AmPS (Нидерланды) и Bates (США)), так и для экспернмен-оп на встречных пучках (проекты C-tau фабрик). Диссертация посвя-lena рассмотрению различных аспектов применения Сибирских змеек а протонных и электронных машинах.

В данной работе представлен метод расчета спинового движения циклическом ускорителе в присутствии спиновых ротаторов; иссле-ованы условия, определяющие деполяризацию в электронном накопи-еле с соленоидальной Сибирской змейкой, и продемонстрировано полу-еннс продольно поляризованного пучка на накопителе AmPS с Сибиркой змейкой; рассмотрено подавление уединенного спинового резонанса протонном ускорителе с Сибирскими змейками и механизм возннкнове-ия резонансов высоких порядков (змеечных резонансов); представлены хемы Сибирских змеек и спиновых ротаторов на спиральных магнитах.

Целью работы, положенной в основу диссертации, явилось исследо-анне аспектов применения Сибирских змеек, как для получения продоль-ой поляризации в месте эксперимента, так и для прохождения спиновых езоиансов, а также создание конкретных схем змеек.

Научная новизна.

1. Разработан оригинальный алгоритм расчета характеристик спи нового движения в линейном приближении для сложных конфигу раций магнитных полей на орбите и сильной связи мод бетатрон ного движения. На основе алгоритма написана вычислительная про грамма АБРИтШ.

2. Получены условия для минимизации деполяризующих эффекто; при применении Сибирских змеек, основанных на соленоидальны: магнитах, на электронных накопителях.

3. Впервые экспериментально продемонстрировано получение про дольной поляризации с Сибирской змейкой на электронном нако пнтеле АтРБ.

4. Проведен анализ пересечения спинового резонанса в протошкм ускорителе с Сибирскими змейками. Получены формулы, описыва ющне поведение поляризации в резонансной зоне. Показан мехашш возникновения так называемых змеечных резонансов.

5. Разработаны схемы Сибирских змеек и спиновых ротаторов и основе спиральных магнитов для протонных ускорителей.

Практическая ценность результатов работы. Результаты ис следований, приведенные в диссертации, могут быть использованы пр проектировании, постройке и эксплуатации ускорителей и накопителе заряженных частиц в различных ускорительных центрах России и з рубежом, в частности, в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера С( РАН (г.Новосибирск), Институте Ядерных Исследований (г.Амстерда!^ Нидерланды), Брукхэвенской национальной лаборатории (США), Ускс рительиом центре ДЭЗИ (г.Гамбург, Германия) и других Лаборатория: где ведется работа с поляризованными пучками электронов или протс нов.

Апробация работы. Результаты, положенные в основу диссертг цин, неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинара в ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких как ИЯФ С< РАН (г.Новосибирск), Брукхэвенская национальная лаборатория (США Институт Ядерных Исследований (г.Амстердам, Нидерланды), Ускор1 тельный центр ДЭЗИ (г.Гамбург, Германия) и др.; кроме того резул1 таты работы докладывались па Международных конференциях по ускс рителям заряженных частиц (Гамбург, 1992; Даллас, 1995), Междунаро; ных конференциях по физике спина на высоких энергиях (Пагоя, 199!

>лумннгтон, 1994; Амстердам, 1996), У-ом Рабочем совещании по финке спина на высоких энергиях (Протвино, 1992), Рабочем совещании ю Сибирским змейкам (Брукхэвен, 1994).

Основной материал диссертации содержится в работах [1-4].

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введе-;ия, шести глав, заключения и списка литературы из 44 ссылок, изложена на 81 странице машинописного текста, содержит 30 рисунков.

Содержание работы

Применение поляризованных пучков для экспериментов на ускорите-ях и накопителях заряженных частиц является важным инструментом, озволяющнм изучить различные аспекты теорий взаимодействия эле-[ентарных частиц. Получение поляризованных пучков и сохранение их олярпзацнн при движении в ускорителе является непростой задачей виду присутствия различного рода деполяризующих эффектов, вели-нна которых возрастает с увеличением энергии частиц. В 70-х годах ИЯФ была предложена идея применения специального спинового ро-атора, названного Сибирской змейкой, для эффективного подавления еполярнзующнх спиновых резонансов.

В настоящее время применение Сибирских змеек является единствен-ым способом получения поляризованных протонов с энергиями в де-1тки и сотни Гэв. В связи с этим предполагается использование Сибир-<нх змеек на протонных ускорителях R1IIC (США) и HERA (Германия).

Другое применение Сибирских змеек связано с получением продоль-эй поляризации пучка в месте эксперимента. В ИЯФ был» разработаны сконструированы Сибирские змейки на основе соленондальных магнн-ов для электронных накопителей AmPS (Нидерланды) и Bates (США), эдготавлнвающих эксперименты на мишенях с продольно иоляризован-ымн пучками.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и двух прн-эженнй.

В первой главе диссертации, носящей характер введения в проблемы элучения поляризованных пучков, представлен краткий обзор теории внження спнна в ускорителях и накопителях.

Вводится понятие о периодическом спиновом решении iio па замкнули орбите, определяющим направление устойчивой поляризации на калом азимуте циклического ускорителя. Для частицы, двигающейся вне

замкнутой орбиты, вводится решение уравнения движения спина и периодическое как по по азимуту ускорителя, так и по фазам орбнтальногс движения.

Приводятся методы получения приближенного решения для вектора й вдали от спиновых резонансов и в случае уединенного резонанса. Сохранение поляризации при пересечении уединенного резонанса описывается формулой Фруассара-Сторы, определяющей необходимые у слови; для быстрого и адиабатического прохождений резонанса.

Для электронных накопителей важное значение имеет учет эффектов связанных с присутствием сннхротронного излучения, а именно, эффек том радиационной поляризации и эффектом деполяризации вследствш квантовых флуктуацнй излучения. Конкуренция этих процессов ведет i установлению равновесной степени поляризации, описываемой фор мулoi Дербенева-Кондратенко.

Во второй главе описывается принцип действия Сибирской змейки -спинового ротатора, осуществляющего поворот спина на 180° вокруг oci лежащей в горизонтальной плоскости.

При использовании одной Сибирской змейки направление устойчиво! поляризации на азимуте противоположном змейке совпадает с резуль тирующей осью поворота спина (называемой осью змейки) на участк змейки, а спиновая частота равна 1/2 в независимости от энергии. Та кнм образом для осуществления продольной поляризации в месте экспе римента достаточно вставить змейку с продольной осью в протнвополож ной точке накопителя. Змейка с продольной осью может быть исполнен; на основе соленоидов, не возмущающих замкнутую орбиту пучка.

Независимость спиновой частоты от энергии является замечатель ним свойством, определяющим применение Сибирских змеек в качеств инструмента для подавления спиновых резонансов. Действительно, сс ответствующнм выбором частот орбитального движения можно обес печать невозможность точного выполнения условий наиболее сильны спиновых резонансов. Благодаря этому свойству, применение Сибирски змеек является единственным способом сохранения поляризации прото1 ного пучка при ускорении до энергий больших 30 Гэв.

Применение четного числа змеек в ускорителе позволяет сохранит вертикальное направление вектора по в накопителе, что позволяет свс сти деполяризующие эффекты к минимуму. Выводятся условия на pai становку змеек вдоль азимута ускорителя для обеспечения незавпснмост спиновой частоты от энергии. Выбор взаимной ориентации осей змеек ш зволяет получить любое желаемое значение спиновой частоты.

Глава три посвящена описанию алгоритма для расчета спинового внження в линейном приближении. Алгоритм основан на представлении типового решения Л, периодического по фазам орбитального движения, виде линейной формы по орбитальным переменным. Коэффициенты гой формы определяют набор комплексных функций азимута, называе-ых спин-орбитальными функциями.

Полученное дифференциальное уравнение для набора спин-орбиталь ых функций имеет ту же самую однородную часть, что и уравнение для временных орбитального движения. Этот факт позволяет вычисление реобразований спин-орбитальных функций через элементы структуры :корителя, используя хорошо известные матрицы преобразования для Читальных переменных.

Спин-орбитальные функции могут быть использованы для расчета "поляризующих эффектов, обусловленных эффектами многократного ассеяния или излучения. В частности функция Fs определяет вектор шн-орбнтальной связи d, который необходим при вычислении деполя-изашш, обусловленной флуктуацнямми спнхротронного излучения ча-гнцы.

Спнн-орбнталъные функции могут применяться также для вычисле-ия сил резопансов, связанных с ошибками в оптической структуре уско-ителя. При этом особое значение имеют функции F\ и Fa, которые могут >ггь названы функциями отклика на ошибки, соответственно, вертн-глыюго и горизонтального магнитных полей па орбите пучка. Прнво-ится примеры для вычисления сил резонапсов, обусловленных ошнб-1мп градиентов и малой связью мод бетатронного движения.

Для функции F5 находится решения через функции отклика, а также ?рез функции орбитального движения (функции Флоке и дисперсионные ункцнн). Рассматривается влияние синхротронных колебаний вблизи ?лого спинового резонанса.

Представленный алгоритм вычисления спин-орбитальных функций л л положен в основу программы ASPIRRIN (Analysis ofSPIn Resonances RfNgs).

В четвертой главе рассматривается применение соленоидальной Сн-ipcKoft змейки для получения продольной поляризации в месте экспери-ента на электронных накопителях. Вектор по, описывающий устойчиво направление поляризации, вне змейки расположен в горизонтальной юскостн. Это приводит к тому, что обычный механизм самополярпза-ш электронов в этом случае не работает и, кроме того, значительно мпшвается деполяризация, обусловленная флуктуацнямн синхротрон-эго излучения. Находятся выражения для функции /5, определяющей

деполярпзацшо пучка. В результате этого получаются условия спин орбитального согласования, необходимые для уменьшения деполяриза ции; приводится пример согласованной Сибирской змейки. Тем не ме нее усиление деполяризующих эффектов с увеличением энергии приво дит к выводу об ограничении применимости такого способа полученш продольной поляризации к энергиям не превышающим 3 Гэв.

В накопителе с одной Сибирской змейкой равновесная степень поля рнзацин определяется только эффектом кинетической поляризации, м наблюдаемым на обычных накопителях. Равновесная степень поляриза ции зависит как от энергии электронов, так и, в случае несогласованно) змейки, от оптики накопителя.

Описывается первое применение Сибирской змейки для полученн; продольно поляризованного электронного пучка на накопителе АшРЭ Приводятся результаты эксперимента, подтверждающие получение про дольной поляризации.

В главе пять проводится анализ применения Сибирских змеек на про тонных ускорителях. Исследуется подавление уединенного спинового ре зонанса в присутствии двух змеек. При этом рассмотрение удобно прово дить в специальной вращающейся системе координат, при преобразова нин в которую гармоники уединенного резонанса приходим к сумме ли пенных гармоник. В первом приближении получается решение с учето? всей бесконечной суммы линейных гармоник. Для оценки эффектнвност] применения змеек вводится понятие глубины резонанса - максималыюг отклонения спина от вертикального в резонансной зоне. Наблюдаема поляризация значительно зависит от азимута наблюдения, кроме тоге при некоторых значениях расстройки, в так называемых узловых точ ках, происходит полное восстановление поляризации при наблюдении н определенных азимутах. Сравнение аналитических результатов с резуль татами численного моделирования показывает хорошее согласие.

Проводится приближенное описание движения спина вблизи так иг зываемых змеечных резоиансов, на основе учета наиболее сильных ли ценных гармоник. Змеечные резонансы соответсвуют определенным зпа чениям дробной части вертикальной бетатронпой частоты. Уменьшенп силы змеечных резоиансов возможно при уменьшении глубины основног резонанса, что может быть достигнуто использованием большего чнел Сибирских змеек.

При применении четырех змеек уменьшение глубины резонанса зави сит от взаимной ориентации осей змеек. Находятся оптимальные конф! гурацнн осей змеек для эффективного подавления спинового резонанса.

В шестой главе приводятся схемы Сибирских змеек и спиновых ро-аторов, основанные на использовании спиральных магнитов. Основным ренмуществом таких схем по сравнению со схемами, использующими быкновениые дннольные магниты, является меньшее искажение орбиты учка внутри ротатора.

Полученные на основе решения уравнений движения формулы для реобразования траектории частицы и ее спина через один период спи-ального магнита представляют собой основу для конструирования спн-эвых ротаторов, которые состоят из спиральных магнитов, имеющих злое число периодов и различные спнралытостн и величины полей. Пред-гавлены лучшие схемы таких змеек и ротаторов, выявленные на основе меленного анализа.

Так называемая схема Сибирской змейки с непрерывной осью стро-гся на основе определенных условий симметрии и позволяет получение обой требуемой ориентации оси змейки. Вариант такой змейки был при-?т для применения на ускорителе ШПС. Несколько отличные условия [мметрии используются для получения более эффективного варианта пбнрекой змейки с радиальной осью.

Предлагаются варианты спиновых ротаторов для преобразования •ртикалыюго спина в горизонтальную плоскость. Представлены схемы, ставленные на основе трех и четырех спиральных магнитов.

В Заключении перечислены основные результаты работы:

• Разработан оригинальный алгоритм расчета характеристик спинового движения в линейном приближении для сложных конфигураций магнитных полей на орбите и сильной связи мод бетатронного движения. На основе этого алгоритма написана вычислительная программа ЛЭРИШШ.

• Получены условия для спин-орбитального согласования для Сибирских змеек на электронных машинах.

в Экспериментально подтверждена возможность применения Сибирской змейки для получения продольно поляризованных пучков.

о Проведен анализ пересечения спинового резонанса в протонном ускорителе с Сибирскими змейками. Получены формулы, описывающие поведение поляризации в резонансной зоне. Показан механизм возникновения резонансов высоких порядков. Найдены оптимальные конфигурации осей Сибирских змеек при применении четырех змеек п ускорителе.

• Разработаны схемы Сибирских змеек и спиновых ротаторов и основе спиральных магнитов для протонных ускорителен.

Все материалы диссертации опубликованы в И статьях в препринта и трудах конференции. Основные результаты содержатся в следующи работах:

1. Danilov V.V., Perevedentsev Е.А., Ptitsin V.l., Shatunov Yu.M de Jager C.W., Longitudinal Polarization at the AmPS Ring, Proc. < 10th Intern. Symp. on High Energy Spin Phys., Nagoya, (1992) 445.

2. Perevedentsev E.A., Ptitsin V.l., Shatunov Yu.M., Calculation of Sp Resonances in Storage Rings , Proc. of 5th Int. Workshop on Hi{ Energy Spin Physics, Protvino, (1994) 281.

3. Ptitsin V.l., Shatunov Yu.M., Helical Spin Rotators and Snakes Proc. of 3rd Workshop on Siberian Snakes and Spin Rotators, BN (1994) 15.

4. Ptitsin V.l., Numerical investigation of spin resonance crossing wi Siberian snake , AGS/AD/Tech. Note N419, (1995).