Разработка и создание специализированных источников синхротронного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение

Глава I. Оптимизация накопителя -источника СИ

§1.1. Оптимизация структурных функций накопителя - источника СИ

§ 1.2. Минимизация эмиттанса и настройка магнитной оптики

§ 1.3. Развитие структур с ахроматическими поворотами

Глава II. Структуры современных специализированных источников СИ

§2.1. Структура накопителя Сибири

§ 2.2. Компенсация хроматизма и динамическая апертура Сибири

§ 2.3. Развитие оптической структуры и уменьшение эмиттанса Сибири

§ 2.4. Оптическая структура SLS PSI

§ 2.5. Оптическая структура Nanohana

Глава III. Разработка и создание магнитных систем

§3.1. Магнитные элементы Сибири

§ 3.2. Магнитные элементы SLS

Глава IV. Статус источника СИ Сибирь

§4.1. Система инжекции для накопителя Сибирь

§4.2. Запуск Сибири-2 и работа с пучком

§4.3. Коррекция орбиты и измерение параметров структуры Сибири

§4.4. Основные параметры пучков СИ Сибири

Синхротронное излучение заряженной частицы, движущейся с релятивистской скоростью по кривой траектории, играет все возрастающую важную роль во многих областях науки. Оно производит потоки фотонов, сравнимых по своей интенсивности с лазерным излучением, но в широком спектральном диапазоне, недоступном для источников других типов.

Использование синхротронного излучения (СИ) радикальным образом изменило возможности многих физических методов исследования в области фундаментальных наук (в частности, в рентгеноструктурном анализе белков, атомной и молекулярной физике, физике твердого тела, химическом катализе), так и в области прикладных наук (материаловедение, микроэлементный анализ, медицинская диагностика и др.). Кроме того, СИ открыло возможность реализации ряда принципиально новых технологий: рентгеновской литографии для производства приборов с субмикронными структурами и LIGA - технологии для производства приборов микромеханики.

Первые исследовательские работы с использованием СИ были выполнены в 60-х годах XX века на синхротронах [1].

С начала 1980-х годов по настоящее время на базе накопителей электронов и позитронов выросло три поколения источников СИ. Каждое поколение имело свои качественные отличия.

Так, самые первые массовые источники СИ - это электрон - позитронные коллайдеры, на которых параллельно физике высоких энергий проводились работы на выведенном СИ. На таких установках, было отработано много новых идей, включая первые технологии сверхпроводящих устройств (например, ВЭПП-2 и ВЭПП-3 в Новосибирске и СПИР в Станфорде) и лазеров на свободных электронах (ВЭПП-3 в Новосибирске).

Второе поколение - специализированные накопители - источники СИ - на которых большинство работ проводилось с излучением из поворотных магнитов. Однако основные требования повышения интенсивности и яркости, нужной степени поляризации, временной структуры были уже осознаны. Именно во втором поколении вопросы оптимизации магнитных структур накопителей вышли на первый план. В этот период были разработаны и впервые массово применены новые яркие излучатели - вигглеры и ондуляторы. На ряде накопителей второго поколения были модернизированы магнитные структуры с целью уменьшения эмиттансов и более оптимальной работы с новыми источниками.

Третье поколение, появившееся в 1992 году, характеризуется специализированными накопителями со сверхмалыми эмиттансами, длинными прямолинейными промежутками, основное предназначение которых состоит в работе с квазимонохроматическим излучением из ондуляторов и мини-ондуляторов, как основных источников. Их научное и технологическое воздействие такое же или даже более значительное, как и источников 2-ого поколения.

Потребительские возможности источников СИ тем выше, чем больше спектральный поток и спектральная яркость излучения в заданном спектральном диапазоне. Эти две величины являются инвариантами относительно оптических преобразований.

Спектральный поток источника

Р{Х)=-ЛЛЛЛЛ-(1) с-(0.1%АЯ/Я) определяется как количество фотонов, испускаемых в единицу времени в полосе длин волн АЯ/Я около заданной длины волны. Общепринятой полосой для сравнения яркостей и потоков является АЯ/Я = Ю"''. Потоки >10"*фотонов в секунду, падающих на образец, при накопленных токах 100 мА или более, являются сегодня доступными на многих специализированных источниках СИ.

Спектральная яркость источника „ photons

5(Я) = * (2) с-ттA-mradA-{ОЛЪАХ!X)

- это плотность потока фотонов в фазовом пространстве, которая определяется числом фотонов в единицу времени, излучаемых на длине волны Я в полосе АЯ/Я = 10~л с единицы поперечной площади источника в единицу телесного угла.

Эффективная поперечная площадь и эффективный угловой размер источника включают эффекты дифракции и протяженной природы источника. Эффекты дифракции определяют на заданной длине волны фазовый объем излучения отдельного электрона Я минимальный «фотонный эмиттанс» (УР/ = Протяженная природа источника

Ап проявляется в том, что эффективный эмиттанс пучка фотонов определяется конечными размерами и угловыми расходимостями реального пучка частиц и самого излучателя. Яркость фотонного пучка увеличивается до тех пор, пока электронный эмиттанс не уменьшится до величины £лул — • В этом случае такой источник света становится дифракционно - ограниченным.

Для жесткого излучения из поворотного магнита дифракционными эффектами и эффектами, связанными с протяженностью источника можно пренебречь (за исключением инфракрасной области). Наиболее близко к дифракционному пределу приближаются характеристики более мягкого излучения из ондуляторов.

Итак, чтобы приблизиться к высокой яркости, присущей излучению отдельной частицы, нужно чтобы электронный пучок тоже был ярок, то есть имел бы большой ток и малый эмиттанс.

Равновесный эмиттанс в накопительных кольцах определяется, главным образом, энергией Е, углом поворота в магните 9 и оптикой в дипольных магнитах, выражаемой через форм - фактор Р, lattice '

Существенное уменьшение эмиттанса в будущих проектах может быть достигнуто только при уменьшении углов поворота на один диполь в, что дает большое количество суперпериодов, большой периметр кольца (см. проекты колец - затухателей для будущих линейных коллайдеров). Отметим, например, что электрон-позитронный коллайдер LEP (CERN) имеет огромный периметр и большое число поворотных магнитов. Уже сейчас, на энергии инжекции (20 ГэВ), в нем накапливают пучки с очень малым равновесным эмиттансом 2 нм-рад, хотя его магнитная структура очень далека от оптимальной, если иметь в виду получение синхротронного излучения.

На Рис.1 показано уменьшение эмиттансов пучков электронов и возможность генерации дифракционно - ограниченного ондуляторного излучения с энергиями фотонов 100 эВ, 1 кэВ, 10 кэВ в зависимости от поколения специализированных источников СИ на накопителях [2].

1Е-05 1Е-06 1Е-07 1Е-08 | 1Е-09 | 1Е-10 lOkeV lE-11-lE-12

12 3

Поколения источников СИ

Рис. 1. Уменьшение эмиттансов в источниках СИ

Яркость и поток синхротронного излучения непрерывно увеличиваются благодаря построенным современным сильнофокусирующим ускорителям с большим накопленным током, стабильными электронными пучками, и разработанными сильнополевыми и точными магнитами, контролирующими положение электронной орбиты.

В настоящее время в мире существуют 53 лаборатории в 19 странах вовлеченных в работу, строительство или проектирование около 73 электронных накопительных колец, с энергиями от нескольких сотен МэВ до 10 ГэВ, как источников синхротронного излучения для фундаментальных и прикладных исследований. Из них более 40 находятся в работе, а около 10 - в стадии строительства. Остальные проекты находятся на разных этапах проектирования и ожидания финансирования строительства [3].

В Азии были построены и работают в настоящее время TLS - синхротронный центр на Тайване, PLS - ускорительная лаборатория в Поханге (Южная Корея), и Spring-8 в японском исследовательском Институте синхротронного излучения. В Америке работает ALS в Национальной лаборатории в Беркли и APS - в Аргоннской национальной лаборатории в США и LNLS в Кампинасе (Бразилия). В Европе работают ESRF в Гренобле (Франция), ELETTRA в Триесте (Италия), МАХИ в Лунде (Швеция) и Сибирь-2 в Москве (Россия).

Кроме того, есть источники СИ для специальных целей, таких как промышленные приложения (например, ANKA в Карлсруэ, Германия) или лазеры на свободных электронах (университет Duke, США и университет Дортмунда, Германия, Институт ядерной физики в Новосибирске, Россия).

В Таблице 1 суммированы источники СИ первого, второго и третьего поколений, работающих в США в настоящее время [4]. Приведены также энергии и, натуральные эмиттансы £л пучков электронов, используемые в разных лабораториях, и критические энергии фотонов излучения из поворотных магнитов.

Таблица 1. Специализированные установки СИ в США.

Комплекс VUV NSLS BNL Upton, NY

ALADDIN SRC Madison, WI

E (GeV) £д, {nm - rad)

ALS LBL Berkeley, CA

SPEAR SSRL Stanford, CA

0.744

0.8

CAMD LSU Baton Rouge, LA 1.2-1.5

1.3-1.9

XRAY NSLS BNL, Upton, NY 2.5-2.8

3.0

CESR/CHESS Cornell, Ithaca, NY 4.7-5.6

APS A N L Argonne, IL

7.0-7.5

138.0

97.6

211.0

3.4

102.0

130.0

214.0

8.2

0.48

0.54

1.31 @ 1.2 GeV 1.51 @ 1.5 GeV 5.55 @ 2.584 GeV 4.67

10.3 @ 5.3 GeV 19.5 @ 7.0 GeV

Интересно отметить тенденцию к достижению малого эмиттанса и высокой яркости при работе как с мягким (ALS [5]), так и с жестким (APS [6]) рентгеновским излучением.

Сообгцество пользователей СИ развивается в быстром темпе и в Западной Европе. В настоящее время число пользователей СИ в Европе близко к 10000. Начиная с 1992 года из действующих установок были закрыты ADONE, BESSY-I, но зато были запущены DELTA, ELETTRA, ESRF и MAX И, BESSY II, ANKA, SLS.

Современные источники света в Западной Европе перечислены в Таблице 2. Они охватывают три поколения и принадлежат как к рентгеновским источникам, так и к источникам вакуумного ультрафиолета. Почти все накопители 80-х годов были модифицированы и улучшены. Не только были добавлены новые пучковые линии, были также уменьшены эмиттансы. Super-ACO была первой машиной третьего поколения, то есть проектируемая с самого начала с малым эмиттансом и с устройствами вставок. Она оставалась единственным источником СИ третьего поколения до тех пор, пока не заработала ЕЗКР.

Таблица 2. Современные

Имя Страна, Первый поколение пучок

DORIS III [6] D, 1 1973

SRS [7] UK, 2 1980

Super-АСО F, 3 1987

ESRF F, 3 1992

ELETTRA I, 3 1993

DELTA D, 3 1995

MAX II S, 3 1995

BESSY II D,3 1998

ANKA D, 3 2000

SLS CH,3 2000 чники СИ в Западной Европе. Энергия, Периметр, Эмиттанс, Ток,

GeV м nm-rad А

4.5 288.2 430

2.0 96.1 110 200

0.8 72.5 37

6 800 8 500

1.5 259.2 4 200

1.5 10

1.5 90 9 400

1.7 240 6 400

2.5 110.4 40-70 100

2.4 288.0 2.3-3.6 400

Современные накопители имеют малый эмиттанс, меньше чем 10 нм-рад, их работа, главным образом, обеспечивается вставными устройствами. ESRF [7] в Гренобле (вместе с APS (США) и SPring8 (Япония)) является единственной установкой в Западной Европе, предназначенной для работе в жестком рентгене. Итальянский источник СИ ELETTRA в Триесте [8] работает в диапазоне вакуумного ультрафиолета и сравним по параметрам с ALS (США). Два других источника в ВУФ и MP - DELTA в Дортмунде и МАХ II [9] в Лунде - запущены в 1995 году. BESSY II [10] в Берлине начала работу в 1997 году. Специализированный источник СИ ANKA [И] - единственный, полностью ориентированный на промышленное использование, такое как элементный анализ поверхности и микромеханика - начал работать с пучком в 2000 году.

Кроме ЕЗКР, кольца из этого списка ориентированы на вакуумный ультрафиолет и мягкий рентген, но зато они работают с более высокой энергией частиц, чем более старые накопители. Это позволяет преодолеть негативное влияние эффекта Тушека и использовать преимущества более низких магнитных полей во вставных устройствах.

В настоящее время в разных странах Европы осуществляется несколько новых проектов источников СИ, см. Таблицу 3.

Таблица 3. Европейские проекты новых источников СИ.

Имя Страна Энергия, Периметр Эмиттанс Ток

GeV [m] [нм-рад] [мА]

DIAMOND UK 3.0 345.6 14.5 300

LSB Е 2.5 251.8 8.3 200

SOLEIL F 2.15 336 2.7-15 500

Источники света DIAMOND, LSB, SLS, SOLEIL оптимизированы на самую высокую яркость в диапазоне ВУФ и MP [12]. Швейцарский источник света SLS вступил в строй в 2001 году. Для DIAMOND [13] в Великобритании и SOLEIL [14] во Франции открыто финансирование. Они должны заменить существующие кольца, SRS и Super ACO, соответственно. Испания с LSB и Швейцария с SLS [15] являются новыми двумя странами, вступившими в синхротронное сообщество.

Магнитная структура DIAMOND, SOLEIL, SLS включает длинные (14 - 20 м) прямолинейные промежутки для размещения очень длинных электромагнитных ондуляторов (с периодом 5 м) с фиксированными зазорами. Ондуляторы будут являться источниками фотонов близкими к дифракционно - ограниченным с энергиями от нескольких eV до сотен eV . Ондуляторы с периодами 80 - 15 мм способны давать яркость в диапазоне 10ЛЛ-10ЛЛ фотонов/сек/ммл/мрадл/0.1%В\У. Эти источники обслужат большую часть пользователей. Когерентный поток от этих устройств будет превышать Ю'л фотонов в секунду в полосе 0.1%. Более того, ондуляторы смогут генерировать эллиптически поляризованный свет в диапазоне от 10 до 1000 eV. Спиральность света можно будет переключать с частотой десятков герц.

Эти новые источники на накопителях с энергией до 3 ГэВ планируют также использовать многополюсные вигглеры, сверхпроводящие и нормальные поворотные магниты для расширения спектра в область жесткого рентгена. Например, на SLS планируется работа с/проводящих вигглеров в диапазоне энергий фотонов 20 - 100 keV и с яркостью 10'Л-10'Л

Высокоэнергичная часть спектра будет перекрывается излучением из сверх -ярких ондуляторов, установленных на ESRF и PETRA. Планы ESRF включают уменьшение горизонтального эмиттанса от 4 нм-рад до 3 нм-рад и вертикального эмиттанса до 0.006 нм-рад при уменьшении связи в бетатронном движении до 0.2%. Это расширит диапазон энергий фотонов до 100 keV. Кольцо PETRA на DESY, служившее инжектором для коллайдера HERA, было модифицировано для работы в качестве источника СИ [16]. Оно может поднимать энергию электронов или позитронов от 7 до 12 ГэВ. В моде работы с малым эмиттансом (8 нм-рад при 7 ГэВ) PETRA перекроет диапазон до 200 кэВ.

Сравнение спектральных свойств излучения в терминах средней и пиковой яркости, с которым работают или планируют работать экспериментаторы на установках США, показано на Рис.2 для разных источников (поворотных магнитов, вигглеров, ондуляторов и лазеров на свободных электронах) [4]. Яркость источников на основе рентгеновских трубок в начале XX века достигала значений около 10Л в вышеприведенных единицах. В наши дни, в наиболее мощных источниках СИ на основе ондуляторов, яркость достигает величины 10Л°.

Таким образом, в настоящее время растущая актуальность создания специализированных источников СИ является общепризнанной.

Wavelength (шп)

Wavelength (nm)

124.0 12.4 1.24 0.124 I Г I

124.0 12.4 1.24 0.124 1 "1 • r

SLAC 1 ГТ ,S

4tin0.01%B.W.)

6-8 GeV

1-2 GeV лл -vUnd.

Undulators/~

NSLS XI \ \

6-8 GeVWig?, 10'* SSRL'54-Pole

Wiggler „ - - л S L S ,

10'"

10*2 10 Ю

10= 10' г 10Л' E DESY / TESLA-FEL I

BNL DUVFEL (in 0,01% B.W.)

ALS 1-2 GeV —Undulators

6-8 GeV Undulatots

10' 6-8 G e X " KS LSX1 Wjgglers N I 1. 1. 1.

10

10"' 10"A 10"' 10° 1O Photon Energy (keV)

Figure 1: Comparison of average and peak spectral brightness for existing and proposed light sources

10- 10-' 10" lO' 10л Photon Energy (keV) d

10

10л a 10'«

Рис.2. Сравнение спектральных свойств излучения в терминах средней и пиковой яркости для разных источников.

В октябре 1999 года состоялась официальная процедура открытия Источника Синхротронного Излучения в Российском научном центре «Курчатовский институт», г. Москва. Курчатовский Источник Синхротронного Излучения (КИСР1) - первый в России специализированный ускорительный комплекс, предназначенный для генерации пучков синхротронного излучения (СИ). Общий вид накопителя Сибирь-2 в ускорительном зале показан на Рис.3.

Этот комплекс был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН (Новосибирск) [16], а автор диссертационной работы являлся основным разработчиком и .руководителем проекта КИСИ.

Рис.3. Общий вид накопителя Сибирь-2.

Комплекс включает в себя линейный ускоритель на энергию электронов 80-100 МэВ в качестве форинжектора и два накопителя электронов: Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. Он предназначен для генерации ярких пучков электромагнитного излучения в инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра в диапазоне длин волн 0.1-2000 А.

Расчетная магнитная структура Сибири-2 состоит из шести зеркально-симметричных суперпериодов, каждый из которых содержит по два 3 м промежутка для ондуляторов, вигглеров, инжекции и резонатора ВЧ-питания. Горизонтальный эмиттанс пучка электронов, обусловленный квантовыми флуктуациями излучения на энергии 2.5 ГэВ равен £Л = 7 8-Ю О ит-гай? , а основная область устойчивости бетатронного движения заключена в интервалах 6 < л < 9.

Кроме того, автор является разработчиком и руководителем проекта Технологического Накопительного Комплекса (ТНК) в Зеленограде (Москва) -специализированного источника СИ [17] для электронной промышленности. Этот комплекс также был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН (Новосибирск).

Инжекционная часть ТНК состоит из линака на энергию 80-100 МэВ и малого накопителя-бустера на энергию 450 МэВ, повторяя, в принципе, схему инжекции Сибири-2. Структура большого накопителя ТНК аналогична структуре Сибири-2, но периметр накопителя равен 115.85 м, что на -8.3 м меньше периметра Сибири-2. Однако, благодаря достигнутой гибкости оптической структуры, это уменьшение периметра было сделано в основном за счет уменьшения до ~ 2 м длин шести промежутков внутри ахроматических поворотов без увеличения горизонтального эмиттанса. Диапазон рабочей энергии ТНК 1.6 - 1.9 ГэВ. Он обусловлен оптимальной работой ТНК на СИ из поворотных магнитов в процессе поточного создания интегральных схем на основе LIGA - технологии. Горизонтальный эмиттанс на энергии 1.6 ГэВ равен 30 нм-рад. В настоящее время создание ТНК приостановлено на стадии монтажа магнитной системы большого накопителя из-за отсутствия финансирования. Описываемые в настоящей работе основные решения пригодны как для Сибири-2, так и для ТНК. Поэтому, для краткости, в дальнейшем изложении мы будем упоминать только Сибирь-2.

В последние десять лет автор принимал участие в создании магнитных элементов специализированного источника СИ - накопителя электронов Bessy-II (Германия) [18]. Он является одним из разработчиков проекта Nanohana (Япония) [19]. Под его руководством разработаны и созданы прецизионные квадрупольные и секступольные линзы для вступившего в строй в 2000 году источника СИ третьего поколения SLS (PSI, Швейцария) [20].

Автор защищает следующие результаты работы.

1. Оптимизация параметров фокусирующей структуры накопителя -специализированного источника СИ с целью достижения максимальной яркости излучения.

Произведен анализ экспериментальных требований, предъявляемых к пучкам синхротронного излучения и, на этой основе, выявлены границы оптимального поведения бетатронных и дисперсионных функций на азимутах различных источников СИ (поворотных магнитов, сверхпроводящих змеек и ондуляторов).

2. Минимизация эмиттанса накопителя - специализированного источника СИ.

Проведено исследование общих свойств ахроматических магнитных систем.

Получены формулы для минимального горизонтального эмиттанса и выражения, описывающие поведение амплитудных функций, обеспечивающих минимальный эмиттанс. С учетом оптимальных значений амплитудных функций на азимутах источников СИ получены аналитически ограничения на геометрические параметры магнитных систем, включающих ахроматические повороты.

3. Выбор и расчет вариантов магнитной структуры накопителя Сибирь-2.

Проведен расчет базовой структуры накопителя Сибирь-2 обладающей наименьшим эмиттансом среди накопителей этого класса. Найдены и исследованы альтернативные структуры, обеспечивающие как максимальные динамические апертуры, так и минимальные эмиттансы, и открывающие возможности модернизации накопителя с целью дальнейшего уменьшения эмиттансов пучка электронов. Показана принципиальная возможность гибкого изменения оптических параметров в принятой магнитной структуре при изменении условий эксперимента.

4. Выбор схемы комплекса Сибирь.

Схема комплекса отличается компактностью и включает линейный ускоритель -форинжектор, малый накопитель Сибирь-1 на энергию 0.45 ГэВ - одновременно бустер и независимый источник СИ в диапазоне длин волн вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, основной накопитель Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ - собственно источник СИ, обеспечивающий диапазон длин волн 0.1 - 2000 ангстрем. Принятая двухкаскадная схема инжекции является наиболее экономичным вариантом схемы комплекса.

5. Разработка и создание магнитных элементов.

Закрытые - «0»-образные конструкции магнитных элементов Сибири-2 позволяют проводить каналы СИ сквозь магнитопроводы с сохранением высокого качества магнитного поля при больших напряженностях полей (1.7 Тесла, 35 Т/м). Несмотря на большую разницу между рабочей энергией и энергией инжекции достигнута максимальная скорость подъема энергии в накопителе Сибирь-2 (22 МэВ/сек) при минимальных потерях частиц в процессе ускорения (-10%).

Прецизионные квадрупольные и секступольные линзы для накопителя SLS (PSI). Достижение геометрической точности положения магнитной оси относительно базовых поверхностей не хуже 30 микрон и минимизация высших гармонических составляющих в мультипольном разложении полей линз до 2-10"''для квадруполей и 5-10"Лдля секступолей позволила сохранить динамическую апертуру и очень быстро запустить накопитель на проектных параметрах.

6. Каналы вывода СИ.

Схема вывода СИ из поворотных магнитов, вигглеров и ондуляторов на накопителе Сибирь -2 обеспечивает максимальное количество каналов (39) при минимальном периметре. Выбранные азимуты точек излучения обеспечивают яркость излучения близкую к максимальной. Получены и выпущены из вакуумного объема пучки СИ из о поворотных магнитов с критической длиной волны 1.75А.

7. Накопитель электронов Сибирь-1 на энергию 450 МэВ.

Действующий источник СИ в ВУФ и МР на энергии 450 МэВ и током до 250-300 мА одновременно являющийся бустером для накопителя Сибирь-2, работающий с выпущенным током 100 -200 мА и периодом инжекционного цикла 25-3Осек.

Апробация работы

Успешный запуск и функционирование комплекса источников СИ «Сибирь», высокое качество выведенных пучков синхротронного излучения на экспериментальных станциях, доказывают правильность и эффективность подходов, обеспечивших создание комплекса.

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких как ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), РНЦ «Курчатовский Институт» (г.Москва), Лаборатория Дарсбери (Англия), Лаборатория LURE (г. Орсэ, Франция), Атомный научный центр (г.Карлсруэ, Германия), CAT (г.Индор, Индия).

Результаты работ докладывались на Международных конференциях по ускорителям заряженных частиц, таких как Европейская конференция по ускорителям ЕРАС-92, ЕРАС-96, Международная Конференция по ускорителям заряженных частиц и по ускорителям частиц высокой энергии РАС-95, Четвертая международная конференция по источникам синхротронного излучения и Второй Азиатский форум по синхротронному излучению 1995 г. (Корея), Международная конференция по синхротронному излучению и аппаратуре 1998 г (Япония), SRI-82 (Гамбург, Германия), Конференциях по использованию СИ, проводимых в Новосибирске СИ - 82,.98, 2000. Конференциях по ускорителям заряженных частиц в Протвино и Дубне (Россия). Значительная часть работы опубликована в рецензируемых изданиях. Всего количество публикаций более 60.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений.

Заключение

Главным итогом проделанной автором работы является создание Курчатовского Источника Синхротронного Излучения (КИСИ, г. Москва) - первого в России специализированного ускорительного комплекса, предназначенного для генерации пучков синхротронного излучения (СИ) в диапазоне энергий фотонов вплоть до 150-200 кэВ, а также за счет получения ярких пучков фотонов с энергией 1-20 кэВ.

Специализированный накопитель - источник СИ - рассчитан для постановки большого количества специальных устройств генерации СИ: двух сверхпроводящих вигглеров с магнитным полем до 12 Тесла, 4-х ондуляторов и двух мини ондуляторов.

Накопитель «Сибирь-2» оптимизирован с целью создания магнитной структуры с существенно разным поведением структурных функций накопителя в разных прямолинейных промежутках, имеет приемлемое значение естественной хроматичности кольца и 6-ти кратную периодичность, ослабляющую действие структурных резонансов. В работе:

1. Произведен анализ экспериментальных требований, предъявляемых к пучкам синхротронного излучения и, на этой основе, выявлены границы оптимального поведения бетатронных и дисперсионных функций на азимутах различных источников СИ (поворотных магнитов, сверхпроводящих змеек и ондуляторов).

2. Проведено исследование общих свойств ахроматических магнитных систем. Получены формулы для минимального горизонтального эмиттанса и выражения, описывающие поведение амплитудных функций, обеспечивающих минимальный эмиттанс. С учетом оптимальных значений амплитудных функций на азимутах источников СИ получены аналитически ограничения на геометрические параметры магнитных систем, включающих ахроматические повороты.

3. Проведена оптимизация параметров магнитной структуры накопителя Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ с целью достижения максимальной яркости излучения, обладающей наименьшим эмиттансом среди накопителей этого класса. Исследованы модернизированные структуры, обеспечивающие принципиальные возможности дальнейшего уменьшения эмиттансов. Показана принципиальная возможность гибкого изменения оптических параметров в принятой магнитной структуре при изменении условий эксперимента.

4. Выбрана и реализована схема комплекса СИ, отличающаяся компактностью. Она включает линейный ускоритель - форинжектор, малый накопитель Сибирь-1 на энергию 0.45 ГэВ - одновременно бустер и независимый источник СИ в диапазоне длин волн вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена (ВУФ и МР), основной накопитель Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. - собственно источник СИ, обеспечивающий диапазон длин волн 0.1 - 2000 ангстрем. Принятая двухкаскадная схема инжекции является наиболее экономичным вариантом схемы комплекса.

5. Создан и запущен на проектных параметрах накопитель электронов Сибирь-1 на энергию 450 МэВ, действующий источник СИ в ВУФ и МР на энергии 450 МэВ и одновременно являющийся бустером для накопителя Сибирь-2.

6. Разработаны и созданы магнитные элементы Сибири-2, позволяющие проводить каналы СИ сквозь магнитопроводы с сохранением высокого качества магнитного поля при больших напряженностях полей (1.7 Тесла, 35 Т/м). Достигнута высокая скорость подъема энергии в накопителе Сибирь-2 (22 МэВ/сек) в процессе ускорения.

7. Схема вывода СИ из поворотных магнитов, вигглеров и ондуляторов на накопителе Сибирь -2 обеспечивает максимальное количество каналов (39) при минимальном периметре. Выбранные азимуты точек излучения обеспечивают яркость излучения близкую к максимальной. Получены и выпущены из вакуумного объема пучки СИ из поворотных магнитов с критической длиной волны 1.75Á.

8. Разработан проект японского источника СИ для промышленных приложений -Nanohana (префектура Chiba).

9. Разработаны и созданы самые точные в настоящее время магнитные элементы для Швейцарского источника СИ третьего поколения - SLS, что явилось основой его быстрого и успешного запуска.

Создание систем и запуск крупных электрофизических установок, какой является комплекс «Сибирь», является делом рук большого коллектива сотрудников ИЯФ СО РАН и коллектива сотрудников Курчатовского Центра Синхротронного Излучения.

Наибольшее участие со стороны Курчатовского Института принимали директор

Института Общей Ядерной Физики академик СТ. Беляев, начальник КИСИ д-р ф.-м.н.

Станкевич В.Г.Л Валентинов А.Г., Крылов Ю. , Юпинов Ю. Л., Одинцов Д.Г., Пестерев

СИ.

223

Я считаю своим долгом выразить искреннюю благодарность директору ИЯФ СО РАН академику А.Н. Скринскому за неустанное внимание к работе и деловые обсуждения ключевых вопросов.

Мне приятно выразить особенную благодарность за многолетнее стимулирующее сотрудничество член-корреспонденту РАН, профессору Кулипанову Г.Н.

Автор благодарен сотрудникам ИЯФ Булыгину А.Н., Батракову А. М., Левичеву Е.Б., Ушакову В.А., Филипченко A.B., Сажаеву В. В., Калинину A.C., Киселеву В.А., Матвееву Ю.Г., Медведко A.C., Острейко Г.Н., Сердобипцеву Г. В., Петрову В.М., Петрову СП., Кузьминых B.C. Куркину Г.Я., Горникеру Э.И., Гаврилову Н.Г., Евстигнееву A.B., Зубкову Н.И., Рувинскому СИ., Суханову А. В, Трахтенбергу Э.М., Чиркову Б.Ф., Егорычеву М. П., Шрайнеру К.К., Щеголеву Л.М. за помощь, полезные обсуждения, поддержку и плодотворную совместную работу на разных этапах расчетов, проектирования, создания и запуска установок. За техническую помощь при написании диссертации автор признателен Константиновой Л. Л.