Развитие оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ЖУРАВЛЕВ Андрей Николаевич

РАЗВИТИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4М

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 о ДЕК 2009

НОВОСИБИРСК - 2009

003487658

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Мешков - кандидат физико-математических наук,

Олег Игоревич Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КООП - доктор физико-математических наук,

Иван Александрович Учреждение Российской академии наук

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ЯКОВЕНКО - кандидат физико-математических наук,

Сергей Леонидович Объединенный институт ядерных

исследований, г. Дубна.

ВЕДУЩАЯ - Научно-исследовательский институт ядерной

ОРГАНИЗАЦИЯ: физики ГОУ ВПО «Томский политехнический

университет», г. Томск.

Защита диссертации состоится « » ^l^c/oJK 2009 г. в «/2_ZfL» часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.03 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11,

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

Автореферат разослан «.2-сЗ» ¿^чаДлУ^Д 2009 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук sS / A.A. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Циклические ускорители на данный момент являются основными поставщиками результатов для физики элементарных частиц. Их энергия покрывает широкий диапазон от сотен МэВ до сотен ГэВ. С каждым годом становится все больше и больше накопителей, используемых как источники синхротронного излучения (СИ). Эти машины находят применение в различных областях как научной, так и прикладной деятельности.

Средства диагностика пучка - наши органы чувств, дающие возможность исследовать свойства и поведение пучка в ускорителе. Развитие диагностических методов позволяет увеличивать точность определения параметров пучка, оптимизировать режимы работы установки и получать востребованные и конкурентоспособные экспериментальные результаты. Здесь уместно высказывание: ускоритель хорош настолько, насколько хороша его диагностика.

Для повседневной эксплуатации установки требуется знание основных текущих параметров пучка. Важным условием проведения экспериментов со встречными пучками является большое время жизни частиц, поэтому применение контактных методов измерений зачастую практически исключено. Привлекательность оптической диагностики, использующей СИ, заключается в том, что она не оказывает гшкакого воздействия на объект исследования, и поэтому является очень востребованным способом получения необходимой информации о пучках заряженных частиц в ускорителях электронов и позитронов.

Для диагностических целей свет выводится из ускорителя и транспортируется к измерительному оборудованию посредством различных оптических элементов: окон, зеркал, линз и волоконных световодов. Приемниками излучения являются телекамеры, приборы с зарядовой связью, фотодиоды, фотоумножители и другие оптические детекторы.

Применять оптическую диагностику начинают с первых же секунд работы ускорителя с пучком (проводка пучка по каналу или кольцу) и непрерывно используют в процессе работы ускорителя в рутинных измерениях основных параметров пучка. Полученная информация очевидна и очень полезна, например, можно следить за изменениями размеров пучка, током пучка, энергией и энергетическим разбросом пучка, можно измерять синхротронную и бетатронные частоты, поперечные профили пучка, длину сгустка.

Еще в первых теоретических работах по свойствам синхротронного излучения делались прогнозы по использованию СИ для измерений параметров пучка заряженных частиц. Особенно востребованной оптическая диагностика стала с появлением ускорителей со встречными пучками, когда для успешной эксплуатации установки понадобились системы непрерывного наблюдения и измерения параметров пучка.

В последнее время на комплексе ВЭПП-4 стали появляться новые приборы оптической диагностики, разработанные и созданные в Институте ядерной физики. В 2001 году для измерений положения и поперечных размеров пучка в непрерывном режиме начали использоваться ПЗС-камеры. В 2003 году на коллайдере ВЭПП-4М был введен в строй пооборотный профилометр. Уникальные свойства прибора позволяют применять его не только в рутинных измерениях параметров пучка, но и в разнообразных научных экспериментах по ускорительной физике. В 2006 году для точного измерения времени жизни пучка в широком динамическом диапазоне по току на комплексе ВЭПП-4 внедрили фотодиод, что позволило провести эксперименты по измерению динамической апертуры ускорителя. В 2008 году заработала многоточечная камера-обскура, позволяющая контролировать координату и вертикальный угол наклона пучка в экспериментальном промежутке.

В основу диссертации положена разработка новых приборов и методов оптической диагностики для измерения основных параметров пучков заряженных частиц в накопителях с использованием синхротронного излучения (СИ), а также эксперименты, где эти диагностики применялись.

Цель работы

Глубокая модернизация существующей на комплексе ВЭПП-4М оптической диагностики с целью создания современного диагностического инструмента для измерения параметров пучков заряженных частиц в ускорителях электронов и позитронов.

Научная новизна

• Впервые в мировой практике был спроектирован, изготовлен и введен в эксплуатацию быстрый профилометр (многоанодный ФЭУ). С помощью прибора оптической диагностики с пооборотным временным разрешением удается регистрировать профиль пучка по вертикальной или горизонтальной координате в 16 точках на протяжении 217 оборотов.

• Предложен и осуществлен метод обнаружения фазовых колебаний пучка на раннем этапе их возникновения на основе многоанодного ФЭУ.

• Реализована система контроля пучка в экспериментальном промежутке на основе многоточечной камеры-обскуры.

Практическая значимость работы

В результате данной работы была введена в эксплуатацию система оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М, позволяющая измерять следующие параметры пучка:

• Положение и размеры пучков электронов и позитронов.

• Ток пучка электронов в широком динамическом диапазоне от ЮмкА до максимально возможного значения тока на ускорителе, и с точностью лучшей, чем у существующих на комплексе ВЭПП-4М измерителей тока.

• Частоты колебаний пучка в широком динамическом диапазоне от нескольких Гц до сотен КГц, что позволяет определять низкочастотный спектр колебаний пучка, синхротронную и бетатронные частоты.

• Профиль пучка на протяжении 217 оборотов с пооборотным временным разрешением.

• Положение и вертикальный угол наклона пучка в экспериментальном промежутке ВЭПП-4М.

Система обнаружения фазовых колебаний на раннем этапе их возникновения на основе многоанодного ФЭУ позволила увеличить надежность и стабильность режима набора статистики при работе на детектор КЕДР.

Полученные в работе результаты экспериментов по измерению динамической апертуры, энергетического разброса и пересечению бетатронного резонанса представляют интерес для физики ускорителей.

Апробация работы и публикации

Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на семинарах в Институте ядерной физики vim. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск, РФ). Кроме того, результаты работ докладывались на XIX Российской конференции по ускорителям заряженных частиц (Дубна, Россия, 2004), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Люцерн, Швейцария, 2004), VII Европейском совещании по диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц (Лион, Франция, 2005), XX Российской конференции по ускорителям заряженных частиц (Новосибирск, Россия,

2006), Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Эдинбург, Шотландия, 2006), VII Европейском совещании по диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц (Венеция, Италия, 2007), Азиатской конференции по ускорителям заряженных частиц (Индор, Индия,

2007), XXI Российской конференции по ускорителям заряженных частиц (Звенигород, Россия, 2008), 11-й Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц (Генуя, Италия, 2008), 23-й конференции по ускорителям заряженных частиц (Ванкувер, Канада, 2009).

По материалам диссертации опубликовано более 20 работ.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 46 наименований и содержит 94 страницы машинописного текста, включая 68 графиков и рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель диссертационной работы. Раскрыта актуальность данной работы. Кратко изложена история развития оптической диагностики как на комплексе ВЭПП-4М, так и на более ранних ускорительных установках ИЯФ.

В первой главе в параграфе 1.1 приводится описание установки ВЭПП-4М, на котором расположена рассматриваемая в диссертации диагностика и проведены описываемые эксперименты. В параграфе 1.2 рассмотрены основные физические особенности синхротронного излучения, существенные для диагностических применений на комплексе ВЭПП-4. Приведены формулы и численные оценки основных параметров синхротронного излучения для комплекса ВЭПП-4М.

Вторая глава посвящена описанию приборов оптической диагностики, активно применяемых на комплексе ВЭПП-4 как для рутинных измерений основных параметров пучков электронов и позитронов, так и в специализированных экспериментах по физике ускорителей. Такими приборами диагностики являются ПЗС-камера, многоанодный ФЭУ, фотодиод, многоточечная камера-обскура и ф-диссектор.

В параграфе 2.1 описана ПЗС-камера, которая была разработана и изготовлена в Лаб.6 ИЯФ СО РАН. Для ее использования в качестве постоянно действующего диагностического инструмента на комплексе ВЭПП-4 требовалась паспортизация параметров ПЗС-камеры. Такие измерения были проделаны и их результаты приведены в этой главе.

В параграфе 2.2 представлен быстрый профилометр на основе многоанодного ФЭУ, позволяющий строить профиль пучка с пооборотным временным разрешением (рис. 1.).

Многоанодный ФЭУ имеет 16 независимых анодов, чувствительность которых может отличаться друг от друга на величину до 30% (по паспорту). Также для этого прибора важна синхронизация с пролетом пучка, определяющая качество получаемых данных. Поэтому кроме характеристик и принципа работы профилометра также описана процедура выбора рабочей точки и измерение относительной чувствительности анодов.

Рис. 1. Трехмерная картинка эволюции пучка во времени (на левом); поперечное распределение частиц в пучке (на правом).

В параграфе 2.3 приведено описание прибора на основе фотодиода 82387-3311 НАМАМАТБи и его основные характеристики. Фотодиод использовался для измерения изменений тока пучка в широком динамическом диапазоне и с точностью, превосходящей существующие на ВЭПП-4 электротехнические методы.

В параграфе 2.4 описана многоточечная камера-обскура, использующаяся для контроля орбиты пучка вблизи места встречи. Физические особенности устройства таковы, что работать камера может не на любой энергии коллайдера. Ограничение на энергию ускорителя включено в описание отдельной главой, наряду с принципом действия и оценкой точности измерений устройства.

В третьей главе разделение материала осуществлено по принципу «измеряемый параметр». Методы, основанные на применении перечисленных выше приборов оптической диагностики, предназначены для измерений положения и размеров пучка; частот колебаний пучка; тока пучка; энергетического разброса пучка.

В параграфе 3.1 описаны измерения, связанные с определением положения и размеров пучков, а также их динамикой. На комплексе ВЭПП-4М существуют два оптических прибора, способных измерять положение и размеры пучка — это ПЗС-камера и многоанодный ФЭУ. Эти устройства, определяя по сути одни и те же параметры пучка, не конкурируют, а органично дополняют друг друга. С помощью ПЗС-камеры контролируется положение, вертикальные и горизонтальные размеры пучка (рис. 2).

С помощью многоанодного ФЭУ можно следить за изменением положения и размера пучка в одной плоскости (горизонтальной или вертикальной) с пооборотным временным разрешением (рис. 3).

Таким образом, первая диагностика осуществляет «медленные», а вторая - «быстрые» измерения положения и размеров пучков. Контроль за положением пучка в экспериментальном промежутке производится при помощи многоточечной камерой-обскурой.

Рис. 2. Информационное окно ПЗС-камеры. Изображение пучка, построенное ПЗС-камерой и результат его обработки.

Рис. 3. Положение центра тяжести пучка (верхний график) и поведение размера пучка при сведении в месте встречи токов, ограниченных эффектами встречи.

В параграфе 3.2 представлены примеры использования многоанодного ФЭУ для измерений частот колебаний пучка (рис. 4).

Рис. 4. Частоты колебаний пучка Vа = 0.012, Ух = 0.547, Vу = 0.575.

Возможности многоанодного ФЭУ позволяют вести наблюдение за пучком на протяжении отрезка времени от сотен миллисекунд до 20 секунд, а это, в свою очередь, дает возможность измерять частоты колебаний пучка от единиц Гц до сотен КГц. Таким образом, мы измеряем все возможные виды частот: бетатронные, синхротронную, а также низкочастотный спектр (от 10 до 400 Гц). Последний связан с пульсациями источников питания магнитной системы ускорителя.

В параграфе 3.3 описаны два метода измерения энергетического разброса пучка на комплексе ВЭПП-4М. Первый из них основан на появлении синхротронных сателлитов в спектре бетатронных колебаний пучка при увеличении хроматизма ускорителя. Энергетический разброс определяется из соотношения амплитуд синхротронных сателлитов и

основного пика вертикальной бетатронной частоты (рис. 5).

08-,-,-,-,--,-,-

! ! : У\

: ; • V -IV ; ;

0.6.....<.....■.....•......-У,- -V .....■.....

з : ; : ; 1 ;

и [ Г

1 0.4..........:..........:.....

§ : : : V -2\> :

" 0.2 •■V-...............

Q U=£-----, I. А—П -f^, К_Ч / - I4*-1_I-к.-_1=£._К !»■■■■■ 1'^Т

0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 betatron tune

Рис. 5. Спектр вертикальных синхро-бетатронных колебаний.

V - V У -lv

j ч 5

v -2\ '1 5 1 j V +2v ,■ . s

- у ■ L V 3 1\ J V \ lv t3v Л'л !.

52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0. betatron tune

Второй метод определения энергетического разброса основан на анализе формы огибающей бетатронных колебаний пучка, вызванных ударом кикера. Энергетический разброс определяется путем сравнения экспериментальных

г, и в

Рис. 6. Сравнение экспериментально определенной огибающей свободных бетатронных колебаний и теоретических кривых, соответствующих

различным значениям энергетического разброса СЕ.

В параграфе 3.4 описаны эксперименты по измерению динамической апертуры ВЭПП-4М различными методами и в различных режимах работы ускорителя. Обычно динамическая апертура оценивается из результатов моделирования, что было проделано и в нашем случае. Но помимо этого, мы измерили ее экспериментально несколькими разными способами и сравнили полученные результаты между собой и с данными моделирования.

В заключении перечислены основные результаты работы, которые одновременно являются положениями, выносимыми на защиту:

Модернизирована система оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М. В результате модернизации значительно расширился набор параметров пучков, регулярно определяемых при повседневной эксплуатации ускорителя. Появилась возможность проводить исследования по широкому кругу задач физики ускорителей.

Основные результаты проделанной автором работы состоят в следующем:

1. Введен в эксплуатацию быстрый профилометр (многоанодный ФЭУ). Впервые в мире удалось с помощью прибора оптической диагностики с пооборотным временным разрешением зарегистрировать профиль пучка по 16 точкам на протяжении 217 оборотов.

2. Проведены измерения параметров ПЗС-камеры, позволившие использовать этот прибор в качестве постоянного диагностического инструмента на комплексе ВЭПП-4.

3. Реализовала система контроля положения и угла наклона пучка в экспериментальном промежутке ВЭПП-4М на основе многоточечной камеры-обскуры.

4. Предложен и осуществлен метод обнаружения фазовых колебаний пучка на раннем этапе их возникновения, основанный на многоанодном ФЭУ.

5. Налажена методика измерения энергетического разброса лучка с помощью многоанодного ФЭУ.

6. Реализовано измерение несколькими методами динамической апертуры ВЭПП-4М, в том числе при помощи точного измерения времени жизни пучка.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.V. Bogomyagkov, V.F. Gurko, A.N. Zhuravlev, P.V. Zubarev, V.A. Kiselev, O.I. Meshkov, N.Yu. Muchnoi, A.N. Selivanov, V.V. Smaluk. New fast beam profile monitor for electron-positron colliders. Rev. Sci. Instrum. 78, 043305 (2007).

2. O.I. Meshkov, S.A. Glukhov, V.F. Gurko, A.D. Khilchenko, V.A. Kiselev, E.B. Levichev, N.Yu. Muchnoi, P.A. Piminov, V.V. Smaluk, A.N. Zhuravlev, «New optical diagnostics of the VEPP-4M collider», (Novosibirsk, IYF) . 2008.4pp. Published in Phys.Part.Nucl.Lett.5:601-6046,2008.

3. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich and A.N. Zhuravlev, «Beam energy spread measurement at the VEPP-4M Electron-Positron Collider», JINST (Journal of Instrumentation) PUBLISHED: June 8, 2007.

4. S. Glukhov, V. Kiselev, E. Levichev, O. Meshkov, S. Nikitin, I. Nikolaev, P. Piminov, A. Zhuravlev. «Study of beam dynamics during crossing of resonance in the VEPP-4M storage ring» Beam Dynamics Newsletter, No.48, April 2009.

5. O.B. Анчугов, B.E. Блинов, A.B. Богомягков, A.H. Журавлев, C.E. Карнаев, Г.В. Карпов, B.A. Киселев, Е.Б. Левичев, О.И, Мешков, С.И. Мишнев, Н.Ю. Мучной, С.А. Никитин, И.Б. Николаев, В.В. Петров, П.А. Пиминов, Е.А. Симонов, С.В. Синяткин, А.Н. Скринский, В.В. Смалюк, Ю.А. Тихонов, Г.М. Тумайкин, А.Г. Шамов, Д.Н. Шатилов, Д.А. Шведов, Е.И. Шубин. «Физика пучков заряженных частиц на ускорительном комплексе ВЭПП-4». ЖЭТФ, принято к публикации.

6. В.Ф. Гурко, А.Н. Журавлев, П.В. Зубарев, А.Н. Квашнин, В.А. Киселев, О.И. Мешков, Н.Ю. Мучной, А.Д. Хильченко «Многоанодный ФЭУ для оптической диагностики пучка на коллайдере ВЭПП-4М.» Препринт ИЯФ 2004-81, Новосибирск 2004.

7. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich, A.N. Zhuravlev «Beam Energy Spread Measurement at the VEPP-4M Electron-Positron Collider» Препринт, Budker INP 2006-57, Novosibirsk 2006.

8. O.I. Meshkov, V.F. Gurko, A.N. Zhuravlev, P.V. Zubarev, V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, N.A. Selivanov, V.V. Smaluk, A.D. Khilchenko «VEPP-4M optical beam profile monitor with one-turn temporal resolution.» Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland, pp. 2733-2735.

9. O.I. Meshkov, A.V. Bogomyagkov, F. Gurko, A.N. Zhuravlev, P.V. Zubarev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, N. A. Selivanov, A. D. Khilchenko «Application of the beam profile monitor for VEPP-4M tuning», DIP AC 2005, Lyon, France.

10. Pavel Piminov, Sergey Glukhov, Evgeny Levichev, Oleg I. Meshkov, Sergei Nikitin, Ivan Nikolaev, Andrey N. Zhuravlev «Study of Beam Dynamics during the Crossing of the Third-Order Resonance at VEPP-4M», Proceedings of PAC09, Vancouver, 2009.

11. A.N. Zhuravlev , S.A. Glukhov, V.F. Gurko, A.D. Khilchenko, V.A. Kiselev, A.N. Kvashnin, E.B. Levichev, O.I. Meshkov, P.A. Piminov, V.V. Smaluk, P.V. Zubarev «The VEPP-4M dynamic aperture determination through the precise measurement of the beam lifitime», DIPAC 2007, Venice, Mestre, Italy.

12. O.I. Meshkov, A.N. Zhuravlev, «Multi-Pinhole Camera for Beam Position and Vertical Angle Stabilization», Proceedings of RUPAC08, Zvenigorod, 2008.

13. O.I. Meshkov, V.F. Gurko, A.N. Zhuravlev, E.I. Zinin, P.V. Zubarev,

N.Yu. Muchnoi, Yu.A. Pahotin, A.N. Selivanov, M.G. Fedotov, A.D. Khilchenko, «Optical diagnostic of the VEPP-4M collider», RuPAC XIX, Dubna 2004.

14. O.I. Meshkov, V.F. Gurko, A.N. Zhuravlev, E.I. Zinin, P.V. Zubarev, N.Yu. Muchnoi, Yu.A. Pahotin, A.N. Selivanov, M.G. Fedotov, A.D. Khilchenko, «The upgraded optical diagnostic of the VEPP-4M collider», EPAC 2004, Lucerne, Switzerland.

15. V.V. Zhilich, A. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, V.V. Smaluk, S.V. Sinyatkin. «Direct comparison of the methods of beam energy spread determination in the VEPP-4M collider» Proceedings of DIP AC'07, Venice, Italy, 2007.

16. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich, A.N. Zhuravlev, «Comparison of the methods for beam energy spread measurement at the VEPP-4M», Proc. of the APAC'2007, Indore, India, January 29 - February 2,2007.

17. V. Kiselev, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, A.N. Zhuravlev, «Beam Energy Spread Measurement at the VEPP-4M Electron-positron Collider», RuPAC 2006, Novosibirsk, September 10-14.

18. O.I. Meshkov, V.F. Gurko, A.N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, A.N. Selivanov, V.V. Smaluk, A.D. Khilchenko, «Study of beam energy spread at the VEPP-4M», EPAC 2006, Edinburgh, Scotland.

19. O.I. Meshkov, V.V. Zhilich, A.N. Zhuravlev, V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, V.V. Smaluk, S. V. Sinyatkin, «Development of the methods of beam energy spread determination in the VEPP-4M collider», EPAC 2008, Genoa, Italy.

20. V.A. Kiselev, E.B.Levichev, O.I. Meshkov, P.A.Piminov, D.N. Shatilov, V.V. Smaluk, A.N. Zhuravlev, «The VEPP-4 dynamic aperture determination ith beam-beam effects» EPAC 2008, Genoa, Italy.

ЖУРАВЛЕВ Андрей Николаевич

Развитие оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭШ1-4М

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор .17.11. 2009 г. Подписано в печать 17.11.2009 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.7 печ. л.,0.6 уч.-изд. л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 34_

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

Введение.

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА КОМПЛЕКСЕ.

ВЭПП-4М.

1.1. Основные параметры комплекса ВЭПП-4.

1.2. Синхротронное излучение на комплексе ВЭПП-4М.

ПРИБОРЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ, ПРИМЕНЯЕМЕ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4М.

2.1. ПЗС-камера.

2.1.1. Измерение чувствительности камеры.

2.1.2. Насыщение. Динамический и линейный диапазоны.

2.1.3. Регулировка коэффициента усиления.

2.1.4: Использование параметров «усиление» и «смещение».

2.1.5. Зависимость амплитуды шума,от времени накопления.

2.2. Многоанодный ФЭУ.

2.2.1. Принцип работы

2.2.2. Выбор рабочей точки.

2.2.3. Измерение относительной чувствительности анодов.

2.3. Фотодиод.

2.4. Многоточечная камера-обскура.

2.4Л.Принцип действия диагностики.

2.4.2. Точность измерений.

2.4.3. Ограничения на энергию ускорителя.

РЕАЛИЗОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4М.

3.1. Положение и размеры пучка. Динамика положения и размеров пучка.

3.1.1. Медленные измерения положения и размеров пучка с помощью ПЗС-камеры.

3.1.1.1. Горизонтальный и вертикальный размеры пучков.

3.1.1.2. Применение ПЗС-камеры для настройки коллайдера.

3.1.2. Быстрые измерения положения и размера пучка с помощью многоанодного ФЭУ.

3.1.2.1. Электростатический удар.

3.1.2.3. Эффекты встречи.

3.1.2.4. Прохождение через резонанс.

3.1.3. Система контроля положения пучка.

3.2. Измерение частот колебаний пучка.

3.2.1. Измерение бетатронных частот.

3.2.2. Измерение синхротронной частоты. Мониторинг фазовых колебаний.

3.213. Измерение спектра низкочастотных колебаний пучка.

3.3.1. Измерение энергетического разброса по боковым сателлитам спектра бетатронных колебаний.

3.3.2. Хроматическая зависимость огибающей бетатронных колебаний пучка.

3.3.3. Прямое сравнение методов измерения энергетического разброса на комплексе ВЭПП-4М.

3.4. Ток пучка. Динамическая апертура.

314.1. Метод искусственного ограничения-апертуры.

3.4.2. Зависимость динамической апертуры от хроматизма.

3.4.3. Измерения динамической апертуры при помощи быстрого удара по пучку.•.

3.4.4. Измерение динамической апертуры при встречных пучках .,.

Циклические ускорители, на данный момент, являются основными поставщиками результатов для физики элементарных частиц. Ускорители покрывают широкий диапазон энергии от сотен МэВ до сотен ГэВ. Нельзя не упомянуть накопители, используемые как источники СИ, где не нужны сверхвысокие энергии. Эти машины находят применение в различных областях научной и прикладной деятельности. С каждым годом таких установок становится все больше и больше.

Диагностика пучка - существенная составляющая любого ускорителя. Эти системы - наши органы чувств, которые позволяют исследовать свойства и поведение пучка в ускорителе Развитие диагностических методов позволяет увеличивать точность определения параметров пучка, оптимизировать режимы работы установки и получать востребованные и конкурентоспособные экспериментальные результаты. Здесь уместно высказывание: ускоритель хорош настолько, насколько хороша его диагностика.

Развитая диагностическая система абсолютно необходима для успешной работы любого ускорителя. Для рутинной эксплуатации установки требуется знать текущие основные параметры пучка, причем желательно при получении этих параметров не изменить характеристики пучка. Большое время жизни является важным условием проведения экспериментов со встречными пучками, поэтому применение методов диагностики, приводящих к возмущению частиц в пучке или к полной их потере, зачастую практически исключено. Привлекательность оптической диагностики, использующей СИ, заключается в том, что она не оказывает никакого воздействия на объект исследования, т.е. является неразрушающим типом диагностики. Именно поэтому оптическая диагностика является очень востребованным способом получения необходимой информации о пучках заряженных частиц в ускорителях электронов и позитронов.

Для диагностических целей свет выводится из ускорителя и транспортируется к измерительному оборудованию посредством различных оптических элементов: окон, зеркал, линз и волоконных световодов. Приемниками являются телекамеры, приборы с зарядовой-связью, фотодиоды, фотоумножители и другие оптические детекторы.

Применять оптическую диагностику начинают с первых же секунд работы ускорителя с пучком (проводка пучка по каналу или кольцу) и непрерывно используют в процессе работы ускорителя в рутинных измерениях основных параметров пучка. Полученная информация очевидна и очень полезна, например, можно следить за изменениями размеров пучка, током пучка, энергией и энергетическим разбросом пучка, можно измерять синхротронную и бетатронные частоты, поперечные профили пучка, длину сгустка.

Еще в первых работах по изучению свойств синхротронного излучения делались прогнозы по использованию СИ для измерений параметров пучка-заряженных частиц [1], [2]'. Особенно востребованной оптическая диагностика стала с появлением ускорителей со встречными, пучками, когда для успешной эксплуатации установки понадобились системы непрерывного наблюдения и измерения параметров пучка.

В Институте ядерной физики им. Будкера, являющемся пионером в области ускорителей со встречными пучками, первые системы оптической диагностики были предложены Э.И.Зининым еще в шестидесятые годы прошлого века на первом в ИЯФе ускорителе на встречных пучках ВЭП-1

3]. Уже в то время был зарегистрирован отдельный электрон на орбите ВЭП-1, были измерены продольный и поперечные размеры сгустка, а также осуществлена абсолютная калибровка системы измерения тока пучка по синхротронному излучению. По мере развития ускорительных установок (с ВЭП-1 до ВЭПП-4М) оптическая диагностика развивалась, дополнялась, оптимизировалась. Реализованный в то время метод измерения продольного размера пучка с помощью ф-диссектора до сих пор активно используются как на ВЭПП-3, так и на ВЭПП-4М. Данный прибор продемонстрировал поразительную долговечность и надежность в работе.

В последнее время на комплексе ВЭПП-4 стали появляться новые приборы оптической диагностики, разработанные и созданные в Институте ядерной физики. В 2001 году появились ПЗС-камеры, которые-позволили измерять положение и поперечные размеры пучка в непрерывном режиме

4]. В 2003 году на комплексе стали использовать пооборотный профилометр [5-8]. Уникальные свойства прибора позволяют применять его не только в рутинных измерениях параметров пучка, но и в разнообразных научных экспериментах по ускорительной физике [9-11]. В 2006 году для точного измерения времени жизни пучка в широком динамическом диапазоне по току на комплексе ВЭПП-4 внедрили фотодиод [12]. В 2008 году заработала многоточечная камера-обскура, которая позволяет контролировать положение пучка в экспериментальном промежутке [13].

В основу диссертации положена разработка новых приборов и методов оптической диагностики для измерения основных параметров пучков заряженных частиц в накопителях с использованием синхротронного излучения (СИ), а также эксперименты, где эти диагностики применялись. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные результаты опубликованы в научных журналах [5, 9, 10, 15, 16, 17, 24, 39] и препринтах ИЯФ [6, 41], а также докладывались как на российских ускорительных конференциях RUPAC'04 [22], RUPAC'06 [37], RUPAC'08 [13, 14], так и на международных конференциях DIPAC'05 [8], DIPAC07 [12, 35], ЕР АС'04 [7, 21, 23], ЕРАС'06 [18, 38], ЕРАС'08 [40, 44], АРАС'07 [36], РАС'09 [11].

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям Мешкову Олегу Игоревичу и Мучному Николаю Юрьевичу, совместная работа с которыми во многом предопределила результаты, представленные в данной диссертации. Автор также признателен сотрудникам лабораторий 6 и 9 ИЯФ СО РАН, и лично Федотову Михаилу Геннадьевичу, Хильченко Александру Дмитриевичу, Зубареву Петру Васильевичу за непосредственное участие в создании приборов, описанных в данной диссертации. За совместное проведение научных экспериментов и обсуждение результатов автор выражает признательность всем сотрудникам лаборатории 1-3 и сектору 1-31, и лично Богомягкову Антону Викторовичу, Глухову Сергею Александровичу, Карнаеву Сергею Евгеньевичу, Киселеву Владимиру Афанасьевичу, Никитину Сергею Алексеевичу, Пиминову Павлу Алексеевичу, Симонову Евгению Анатольевичу, Синяткину Сергею Викторовичу, Смалюку Виктору Васильевичу, Старостиной Елене Валерьевне, Шатилову Дмитрию Николаевичу. Отдельно свою искреннюю признательность за постоянный интерес и поддержку в работе над диссертацией автор выражает Левичеву Евгению Борисовичу.

Заключение

В данной диссертации отражены результаты работы по модернизации системы оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М, которая позволила проводить не только рутинные измерения основных параметров пучков, но и значительно расширила возможности исследований по физике ускорителей.

1. А.А.Соколов, И.М.Тернов «Синхротронное излучение», НАУКА, Москва 1966.

2. Г.Н. Кулипанов, А. Н. Скринский. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы, УФН, т. 122, вып.З.

3. Э. И. Зинин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера, 1984.

4. M.G. Fedotov, D.S. Filimonov, S.E.Kaniaev, V.A.Kiselev, O.I. Meslikov, N.Yu.Muchnoi, A.N.Selivanov. Transverse beam profile measurement at the VEPP-4M collider. Proceedings of EPAC 2002, p.2040, 2002.

5. A. V. Bogomyagkov, V. F. Gurko, A. N. Zhuravlev, P. V. Zubarev, V. A. Kiselev, O.I. Meshkov, N. Yu. Muchnoi, A. N. Selivanov, V. V. Smalnk. New fast beam profile monitor for electron-positron colliders. Rev. Sci. Instrum. 78, 043305 (2007).

6. В.Ф. Гурко, A.H. Журавлев, П.В. Зубарев, A.H. Квашнин, B.A. Киселев, О.И. Мешков, Н.Ю. Мучной, А.Д. Хильченко « Многоанодный ФЭУ для оптической диагностики пучка на коллайдере ВЭШТ-4М.» Препринт ИЯФ 2004-81, Новосибирск 2004.

7. О. I. Meslikov, A.V. Bogomyagkov, F. Gurko, A. N. Zhuravlev, P. V. Zubarev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, N. A. Selivanov, A. D. Khilchenko «Application of the beam profile monitor for VEPP-4M tuning», DIP AC 2005, Lyon, France

8. S. Glukhov, V. Kiselev, Е. Levichev, О. Meshkov, S. Nikitin, I. Nikolaev, P. Piminov, A. Zhuravlev. «Study of beam dynamics during crossing of resonance in the VEPP-4M storage ring.» Beam Dynamics Newsletter, No. 48, April 2009.

9. Pavel Piminov, Sergey Glukhov, Evgeny Levichev, Oleg I. Meshkov, Sergei Nikitin, Ivan Nikolaev, Andrey N. Zhuravlev «Study of Beam Dynamics during the Crossing of the Third-Order Resonance at VEPP-4M», Proceedings of PAC09, Vancouver, 2009

10. O.I. Meshkov, A.N. Zhuravlev, « Multi-Pinhole Camera for Beam Position and Vertical Angle Stabilization.», Proceedings of RUPAC08, Zvenigorod, 2008.

11. V.Smaluk for the VEPP-4 team, «Status of VEPP-4M Collider at BINP», Proc. of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia

12. В.В.Анашин, В.М.Аульченко, Е.М.Балдин, А.К.Барладян,

13. A.Ю.Барняков, М.Ю.Барняков, С.Е.Бару, И.В.Бедный, О.Л.Белобородова, А.Е.Блинов, В.Е.Блинов, А.В.Бобров,

14. B.С.Бобровников, А.В.Богомягков, А.Е.Бондарь, Д.В.Бондарев,

15. A.Р.Бузыкаев, А.И.Воробьев, В.В.Гулевич, Ю.М.Глуховченко,

16. B.Н.Жилич, А.Н.Журавлев, С.Е.Карнаев, Г.В.Карпов, С.В.Карпов, В.А.Киселев, Т.А.Козлова, С.А.Кононов, К.Ю.Котов, Е.А.Кравченко, В.Ф.Куликов, Г.Я.Куркин, Э.А.Купер, Е.Б.Левичев, Д.А.Максимов,

17. B.М.Малышев, А.Л.Масленников, А.С.Медведко, О.И.Мешков,

18. C.И.Мишнев, И.И.Морозов, Н.Ю.Мучной, В.В.Нейфельд, С.А.Никитин, И.Б.Николаев, И.Н.Окунев, А.П.Онучин, С.Б.Орешкин, И.О.Орлов,

19. A.А.Осипов, С.В.Пелеганчук, В.В.Петров, С.С.Петросян,

20. C.Г.Пивоваров, П.А.Пиминов, А.О.Полуэктов, И.Н.Попков, Г.Е.Поспелов, В.Г.Присекин, А.А.Рубан, Г.А.Савинов, В.К.Сандырев, Е.А.Симонов, С.В.Синяткин, Ю.И.Сковпень, А. Н. Скринский,

21. N.Yu. Muchnoi, S.A. Nikitin, V.N. Zhilich, «Fast and Precise Beam Energy Monitor Based on the Compton Backscattering at the VEPP-4M Collider.», Proc. of EPAC 2006, Edinburgh, UK

22. Синхротронное излучение. (Сборник статей, под ред. А.А.Соколова и И.М.Тернова, М. «НАУКА», 1966)

23. В.В.Бажанова, Е.А.Переведенцев и Ю.И.Эйдельман, «Кое-что про неисчерпаемый электрон», Сибирский физический журнал. 1997, №1, с. 12-20.

24. O.I.Meshkov, A.N.Zliuravlev, E.V.Kremyanskaya, E.B.Levichev, N.Yu.Muchnoi, Yu.A.Pakhotin, N. A. Selivanov, M.G.Fedotov, «Study of beam tails with the optical coronagraph», EPAC 2004, Lucerne, Switzerland

25. O.I.Meshkov, V.F.Gurko, A.N.Zliuravlev, E.LZinin, P.V.Zubarev, N.Yu.Muchnoi, Yu.A.Pahotin, A.N. Selivanov, M.G.Fedotov, A.D.Khilchenko, «Optical diagnostic of the VEPP-4M collider», RuPAC XIX, Dubna 2004.

26. O.I.Meshkov, V.F.Gurko, A.N.Zliuravlev, E.I.Zinin, P.V.Zubarev, N.Yu.Muchnoi, Yu.A.Pahotin, A.N. Selivanov, M.G.Fedotov, A.D.Khilchenko, «The upgraded optical diagnostic of the VEPP-4M collider», EPAC 2004, Lucerne, Switzerland

27. C.A.Thomas, G.Rehm, «An X-RAY pinhole camera system for DIAMOND», Proceedings of DIP AC 2005, Lyon, France

28. C.Lamborg, J.Safranek, P.Stafan «А pinhole camera for SPEAR 2», Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria

29. С. Pellegrini, А,М. Sessler. «Crossing of an incoherent integral resonance in the electron ring accelerator», NIM 84 (1970) pp. 109-116.

30. A. Chao, M. Month. «Particle trapping during passage through a high-order nonlinear resonance», NIM 121 (1974) pp. 129-138.

31. G.N.Kulipanov, S.Popov, G.Tumaikin. «Experimental study of particles loss in circular accelerator due to the nonlinear resonance passage», Proc. of Ail-Union workshop on particle accelerators, 1968, pp. 374-378.

32. S.Y.Lee, "Emittance dilution in resonance crossing of FFAG accelerators", ICFA Beam Dyn.Newslett.43, 2007, 51-53.

33. T. Nakamura et al. «Chromaticity for energy spread measurement and for cure of transverse multi-bunch instability in the SPRING-8 storage ring.» Proceed. Of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, p. 19721974.

34. V. V. Smaluk. PhD thesis (in Russian).

35. H.A. Винокуров, B.H. Корчуганов, Г.Н. Кулипанов, E.A. Переведенцев. «Влияние хроматичности и кубической нелинейности на кинематику бетатронных колебаний» Препринт ИЯФ СО АН СССР 76-87. Новосибирск, 1976.

36. V.V. Zhilich, А. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, V.V. Smaluk, S.V. Sinyatkin. «Direct comparison of the methods of beam energy spread determination in the VEPP-4M collider.» Proceedings of DIPAC'07, Venice, Italy, 2007

37. V.A.Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I.Meshkov, V.V.Smaluk, V.N.Zhilich, A.N.Zhuravlev, «Comparison of the methods for beam energy spread measurement at the VEPP-4M», Proc. of the APAC*2007, Indore, India, January 29 February 2, 2007

38. V.Kiselev, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, A.N. Zhuravlev, «Beam Energy Spread Measurement at the VEPP-4M Electron-positron Collider», RuPAC 2006, Novosibirsk, September 10-14

39. О. I. Meshkov, V. F. Gurko, A. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, A. N. Selivanov, V. V. Smaluk, A. D. Khilchenko, «Study of beam energy spread at the VEPP-4M», EPAC 2006, Edinburgh, Scotland

40. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich and A.N. Zhuravlev, «Beam energy spread measurement at the VEPP-4M Electron-Positron Collider», JINST (Journal of Instrumentation) PUBLISHED: June 8, 2007

41. О. I. Meshkov, V.V. Zhilich, A. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, V.V. Smaluk, S. V. Sinyatkin, «Development of the methods of beam energy spread determination in the VEPP-4M collider», EPAC 2008, Genoa, Italy

42. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich, A.N. Zhuravlev «Beam Energy Spread Measurement at the VEPP-4M Electron-Positron Collider» Препринт, Budker INP 200.6-57, Novosibirsk 2006.

43. V. Kiselev, E. Levichev, V. Sajaev, V. Smaluk. Dynamic aperture study at the VEPP-4M storage ring. Proc. of the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, 1997.

44. B. Simon, P. Kuske. The dynamic aperture of BESSY. 2nd Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop, 1988.

45. V.A. Kiselev, E.B.Levichev, O.I. Meshkov, P.A. Piminov, D.N. Shatilov, V.V. Smaluk, A.N.Zhuravlev, «The VEPP-4 dynamic aperture determination with beam-beam effects» EPAC 2008, Genoa, Italy

46. J. Le Duff. Single and multiple Touschek effects. CAS, Fifth Advanced Accelerator Physics Course, CERN 95-06, Geneva, 1995, pp. 573-586