Резонансний повiльний вивiд електронiв iз нагромаджувачiв тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Лп ХАРКІВСЬКИЙ НАУКОВИЙ У Д ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР Г, МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

" АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

На правах рукопису

Гладких І кщю Іванович

УДК «21.384.6

РЕЗОНАНСНИЙ ПОВІЛЬНИЙ ВИВІД ЕЛЕКТРОНІВ ІЗ НАГРОМАДЖУВАЧІВ

01.04.20 - фізика пучків заряджених часток та прискорювали» техніка

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1994

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Через те. що середня потужність імпульсних джерел НВЧ-постачання с обмеженою, сучасні резонансні прискорювачі електронів працюють у короткоімпульсиому режимі з відносно малою частотою повторення імпульсів ї, . При цьому величина коефіцієнта заповнення, яка дорівнює добутку тривалості імпульсу на частоту повторення К — ТрГг, значно менша за одиницю. Для лінійних прискорювачів електронів, які мають характерну тривалість імпульсу Тр - 1 -2 мкс та частоту повторення {, - 50-1 ОХ) Гц, величина коефіцієнту заповнення лежить у межах 5 !<>л У цих умовах для того, щоб

забезпечити необхідну швидкість набору інформації у фізичних експериментах, потрібно працювати з великими імпульсними струмами, які викликають значне псренавантаженкя обладнання, а велика кількість експериментів при цьому принципово неможлива.

Таким чином, необхідність значного підвищення об'ємів та якості інформації, що здобувається у фізичних експериментах, потребує розробки ефективних методів здобування квазібезиерервних пучків заряджених часток, які б мали коефіцієнти заповнення К~1.

Стан справ. Аналіз сучасного розвитку фізики та техніки прискорювачів показує, що у диапазоні енергій часток близько кількох. ГеВ найбільш ефективними методами для досягнення потрібних величин коефіцієнту заповнення є або спеціальні режими роботи існуючих циклічних прискорювачів, або спорудження спеціалізованих прмгкпрювально-нагромаджувальних комплексів, які складаються з лінійних прискорювачів |ЛГ1) та нагромаджувачіи-роаіяіувачів ІНР). НР у таких комплексах перетворю»; імпульсний струм ЛП у квазіб«зперервний за допомогою, як правило, повільною виводу часток ири наявності нелінійних резонансів беїатронннх коливань. Суть повільного виводу полягас у наступному. Пучок часток із ЛП інжектуетьги до НР за кілька обертів. У НИ для нього створюють резонансні умови. Частки пучка, які попадають після інжекції на межу області стійкого руху (поблизу гак званої сепараірмгіО, починають підвищувати амплітуду бетатронних коливань до такої, доки вони не попадуть у виводячій прилад ізвнчаино це є сетум). Далі область стійкого руху почннаюіь зменшувані, щоб за сепаратрисою опинались частки, яки мають все моніт та менші амплітуди, до повного виведення часток із нагромаджувач<«. 1 (ей процес триває до моменту інжекції наступного імпульсу прискорювача, тобто сотні-тисячі обертів- у залежності від частоти інжекції.

Існуючі циклічні прискорювачі електронів мають набагато менші середні струми; ніж ЛІ1, внаслідок чсио здобуття к вазі безперервних пучків з високою величиною коефіцієнту заповнення на базі комплексів ЛГІ-НР має найбільшу перевагу. Альтернативним мотодом «: спорудження джерел безперервних пучків на базі надпровідних прискорювачів, але ж здобуття високоенергетичних інтенсивних пучків

З

Основні положення які подаються до захисту:

1. Проведено порівняльний аналіз нелінійних резонансів бегатронних коливань, за допомогою яких здійснюється повільний вивід, з урахуванням радіаційного згасення коливань. Знайдені вирази для оцінок зростання емітансу виведеного пучка та вираз для відстані до

і резонансу, яка забезпечує рівномірний вивід у заданому інтервалі часу.

2. Запропоновано магнето-оптичну структуру НР-2000, яка

дозволяє здійснити повільний вивід на параметричному 20,«11 та третьому порядка ЗОл»1б резонансах. Здобуто розрахункові параметри пучка, які задовольняють вимогам фізичних експеримвітвг'коефіцієнт заповнення К—0.95, емітакс в* “ЇЛО"7 м-рад при емітансі інжектованого пучкй =310-7 м рад. Запропонована структура, крім того, дозволяє використовувати НР як джерело сінхротронного випромінювання (СВ) зі спектральною яскравістю, яка порівнюється із яскравістю спеціалізованих джерел СВ. .

3. Проведено розрахунки хроматичного повільного виводу із НР-2000 на параметричному та третього порядка резонансах бетатронних коливань, знайдено вирази для оцінок коефіцієнта монохроматизації та коефіцієнта заповнення. Доведено, що у диапазоні енергій 130=0.5-1.5 ГэВ У “такому режимі роботи можна у 3-4 рази зменшити енергетичну дисперсію у виведеному пучку у порівнянні з інжектованим.

4. Розроблена методика та проведені експерименті! з повільного ЯВДЦУ із нагромаджувача електронів Н-100, споруджено канал Ювазібезперервного пучка для експериментів на внутрішніх мішенях.

! Апробація роботи та публитщї. Здобуті у роботі результати було апробовано на міжнародніх конференціях з прискорювачів заряджених часток (Національні конференції США 1987 та 1988 р., Європейські конференції ЕРАС П та ЕРАС III 1990 та 1992 р., Міжнародних конференціях з сінхротронного випромінювання СИ-88, 5Ш-88, XI Міжнародній конференції з магнетної технології 1989 р., XI та XII Всесоюзних нарадах з прискорювачів заряджених часток 1988 та 1990 р., X та XII Всесоюзних семінарах з лінійних прискорювачів 1986 та 1990 р.).

Результати роботи були оприлюднені у "Письмах ЖТф*, працях перелічених конференцій, препринтах та звітах ХФТІ. Усього по темі дисертації були оприлюднені 14 праць.

Вміст роботи

У; роботі систематизовано результати розробки фізичного обгрунтування та проектування нагромаджува ча-розтягувача НР-2000 для лінійного прискорювача електронів ЛУ-2 ГеВ ХФТІ та результати експериментів з повільного виводу із нагромаджувача електронів Н-100 ХФТІ, , . , .

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень,

проаналізовано сучасний стан справ, сформульовано ціль роботи та остови! положення, які подаються до захисту.

У електронних нагромаджувачах внаслідок радіаційного згасення у правій частіші рівняння (2а) з'являється додатковий чл«н -І^С, {!{, де £ -декремент згасення бетатронних коливань у площині виводу. Наявність випромінювання, як доведено у першому розділі, призводить до зростання диапазону амплітуд Ла і, як наслідок, до зростання еміганса виведеного пучка. Для резонансів другого-четвертого порядків {резонанси з більш високими порядками не використовуваються внаслідок їх слабкості) здобуто вирази для оцінок зростання емітанса.

Зміна амплітуди коливань .часток у сепаратрисі внаслідок втрап .енергії на СВ підпорядковується експоненційному закону, що порушує рівномірність виводу при вживанні лінійного закону зміни відстані до резонансу. Здобуто вираз для залежності відстані до резонансу від часу, яка забезпечує рівномірний вивід у завданому інтервалі часу.

На підставі проведеного аналізе нами були вибрані робочі резонанси для НР-2000 • параметричний 20х=11 та резонанс третього порядка 30*=16, причому у диапазоні енергій Ео=0.5-2 ГеВ вивід буде здійснюватись за допомогою резонансу третього порядка, а при більших енергіях * параметричного. Цей вибір обумовлений труднощами виводу часток з малими амплітудами коливань при вживанні резонансу третього порядку, а саме ця ситуація реалізується у диапазон! високих енергій внаслідок великого згасення коливань.

У другому розділі описано результати розрахунків параметрі» структури розтягувача та параметрів виведеного пучка у різних режимах роботи НР-2000. Основні концепції вибору структури обумовлені його багатофункціональніспо і містять таке:

1. Магнето-оптична структура повинна забезпечиш можливість

здійснення повільного виводу на параметричному та третього порядка резонансах бетатронних коливань. . .

2. З метою здобуття параметрів фотонного пучка, порівняльних із параметрами спеціалізованих джерел СВ, необхідно передбачити режим роботи з малим значенням радіаційного емітанса, який визначає яскравість джерела.

3. У режимі джерела СВ, який відзначається більш жорсткою у порівнянні з режимом нагромаджувача фокусировкою, для компенсації природної хроматичності кільця необхідно установлювати сильні секступолізні лінзи, що призводить до виникнення резонансів зв'язку, які зменшують динамічну апертуру (ДА). Тому у магнего-оотичшй структурі нами передбачена система коригування ДА за допомого*» секступольиих лінз, які установлюються у місцях з нульовою дисперсійною функцією 1),-

4. Для здійснення інжекції та виводу під оптимальними кутами до ідеальної рівноважної орбіти, близькими до нуля, що полегшує вимога до систем інжекції та виводу, у структурі кільця передбачено проміжки із постійним значенням радіальної амплітудної функції Р». Величина Я яв

' ціх проміжках повинна бути максимальною по кільцю, що забезпечує

ЛИЙ

НІ і) П Н Іі не?, і!***- • -’*у|П снів і) *а*> НІ ад» Мдеї К га«

' 111_______________к_____ііілі)._і'.:ііі ._.іі.оІіі_і_ і II. ілііііл Ііоіі.і-і

Зй Ш М? ПУміЯУл* *** >>и ®*€ Я*3 П-13 Я-’И П-1П В**

і] Ы? )|Л1» І'|]ві9 |П П2»Г; &&1 ІЦ Й*2Шв»ЗІі №4

II піп ііігпііігііі Г.1.ІІІП..!І1 і::іІ1-із

'«83 024 <12*3 »££ Л2? А2в П^'і ЙИІ Ші£ П іЬ «ЗІ ЮЪ Ш * ЛЗ-І ІМі4

МІ Ж Ш ШЬШЮ

ЛІ і. Сііа лі;* Лі«* ГЦа Ліб Лі? яК» «я? Гим <ііу «йй мУ іигі ШЫ іі.и

вт Л№ т киї

Я і8 -8 IIЛ “ І!Мпіаді1"Іг"1"Л г\

447 ҐІ48 ЛІ ла ЛЗ Л4 ЛЗ Ш Ш № Л7 ЛА Ш Л9 ИИ ЛІ8

шве ШИ* МОД И*иа .

18 20 30 40 50 5.П

Рис.І,

Схема чотирьох супирпсрнодів НР 'ІООО.

В - дипольні магнети, Л - квадруїюлм», 1)і - < ексгугюльні,

ВЛ - октуполі, ЭС, МС - електростатичний та магаотний септуми.

„ ,■/(>

При наявності природної хромати чиості кільця <£у = ^ через

м?--

Р

сінхротронні коливання енергії змінюється відстань до резонансу (будемо розглядати вивід у радіальній площині)

4=4+1*^ (і)

де Б] - ефективна відстань,

Лр/р • відхилення енергії частки від рівноважної,

2* - хроматичність.

Ця зміна відстані до резонансу ііризво.аить до того, що інтенсивність пучка стає модульованою часто і ою сінхроіронних коливань, причому глибина цієї модуляції пропорційна хроматичного, внаслідок чого природну хроматичність звичайно компенсують і такий режим роботи зветься ахроматичним резонансним повільним виводом. Але якщо у кільці створити такі умови, щоб до резонансу потрапляли тільки 'частки визначеної енергії, то такий режим, який зветься

XI

«+

0.00100 +

!

І

і

(

І

І

0.00050

0.00000 +

-.00050 +

2** ** «« ** ** **. ** ** К* 8* 4* 3*5 2** З*» **

**1

**С4 ***031

*****81

РчіммиЧ р Я Я Я^ГгГ £ -

£,*«8***** 4

ОжЛ ЛмммммЛ

,^Н Н /ІППППГ/

£ л«_*іл*л.0 О*Жж»р

*****7

»м«ш

,Уич«мммП

***Р*Р*В7 . 4**А5.1569821.

***5. 13575722

**5

** 4**

** **і С**£»** (,****8 X»*** 4*»**

-.00100 +6******3. .

N---------1---

1.223 1 .213124 . 1211

+ ! + І І ! і І І +

+

-+! X

-.02000 0.00000 0.02000 0.04000 0.06000

+

и

Рис.2.

Фазовд мала циркулюючого та виведеного пучків на резонансі ЗОх»16. Заштриховано фазовий об'єм з включеною системою коригування девіації кута виведених часток. X* - положення септума.

Аналіз виразів (5) показує, що для здобуття малої енергетичної дисперсії виведених часток треба збільшувати ароматичність і зменшувати емітанс інжектованого пучка (диапазон амплітуд а_:_-а____). З

0.00200

0.00100

0.00000

-.00100

- 00200

-.04000 -.01500 0.01000 0.03500 0.06000

*8

ї т + .

І

+

і

!

|

+ . іі.

1 1 36342435 4*А888С5 5**ЕВ8*9. . . 5****»*0

/ м м мм м

.8**»****5 . £.*******52 9**»****В2 125****Е**А95121 3245****РЕ9М44.321 1123Р*947Д73121 1

21312283 122 3 111

"І' *

1

11111. 1 1

2

+ х. І ■?

Рис.З.

фаг»ова мапа пучка при хроматичному виводі у відсутності ВЧ постачання, ^-положення септума.

Физическое обоснование. Звіт про НДР, номер дер ж. регистрами У47332, Харків, І983.

3. Є.В. Буляк та ін. Медленный вывод пучка из накопителя электронов. Письма ЖТФ, т. 10, вип. 23, crop. 1421-1423, 1981.

_ 4. Р.І. Gladkikh et al. PSR-2000. гПге Pulse Stretcher Ring for the Kharkov

Linear Electron Accelerator. Preprint KFTI90-92. Kharkov. 1992.

, 5. PJ. Gladkikh et al. Magnetic system of the Pulse Stretcher Ring PSR-2000.

XI International Conference on Magnet Tecnology, Boston, USA, 1989

6. P.I. Gladkikh et al. Resonance beam extraction in a Pulse Slretcher King PSR-2000. БРАС II, Nice, 12-16 June, 1990.

7. PJ. Gladkikh etal. PSR-2000. An Injecting System. EPAl' 111, Berlin, 2 5-28 March, 1992.

Поопасаво в печать 29.03.94. Формат 60x84/16. Офсеталіечать. У сл.іі. л. 1,0. У ч.-изд.л. 1,0. Тираж 100, Заказ 106.

Харысов-108, ротапринт ННЦ ХФТИі