Ускорительно-накопительный комплекс для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ
|
Алексеев, Николай Николаевич
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.20
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РФ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
На правах рукописи
?
Алексеев Николай Николаевич
Ускорительно-накопительный комплекс
для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике
Специальность
01 04 20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника 01 04.01 - приборы и методы экспериментальной физики
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва 2005 г
УДК 621 384
Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики"
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ
Лебедев
Андрей Николаевич
доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, ФИАН им П Н Лебедева, РАН
Мешков
Игорь Николаевич
Кравчук
Леонид Владимирович
доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, ОИЯИ, г Дубна
доктор технических наук, профессор ИЯИ, г Троицк
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Объединенный институт ядерных
исследований, г Дубна
Защита состоится '.¿^ 2005 г в У^^' часов в конференц-зале
ГНЦ РФ ИТЭФ на заседании диссертационного совета Д 201 002 01 по адресу Москва, ул Б Черемушкинская, 25
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики
Автореферат разослан " С0&-?.
2005 г
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат физ -мат наук ^ В В Васильев
№££1 21? Р^Э
Общая характеристика работы
Актуальность работы Задача создания ускорительно-накопительного комплекса ионов для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике возникла как одно из направлений реконструкции существующего в ИТЭФ протонного синхротрона У-10, относящегося к поколению первых кольцевых протонных ускорителей с жесткой фокусировкой, строительство которых велось в конце 50-х годов одновременно в России, США и ЦЕРН В то время ускорительная техника развивалась стремительно в погоне, в первую очередь, за энергией и интенсивностью ускоренного пучка Возможности развития в этом направлении протонного синхротрона У-7 на энергию 7 ГэВ, запущенного в ИТЭФ в 1961 г, были исчерпаны к 1980 г, когда в результате двух реконструкций (в 1967 был сооружен новый инжектор на энергию 25 МэВ и в 1974 г перестроена структура магнитного кольца) - была увеличена энергия ускоренного пучка до 10 ГэВ (ускоритель был переименован в У 10), и интенсивность достигла 1,51012 протонов за цикл ускорения Дальнейшее развитие ускорительного комплекса ИТЭФ могло быть направлено только на расширение его функциональных возможностей Тематика экспериментальных работ на протонном синхротроне У-10 с каждым годом исчерпывалась, и реконструкция ускорителя, которая расширила бы функциональные возможности ускорительного комплекса и открыла новые перспективные направления исследований представляла собой актуальную задачу для Института
Состояние вопроса В 1985 г был разработан и начал реализовываться проект реконструкции У-10 с целью создания на его основе ускорительного комплекса тяжелых ионов В выбранной схеме предполагалось ускорять малозарядные тяжелые ионы до энергии ограниченной магнитной жесткостью кольца У-10, с невысокой интенсивностью - для экспериментов по релятивистской ядерной физике В 1989 г проект был остановлен из-за отсутствия финансирования
В 1996 г возникла идея рассмотреть возможность продолжения реконструкции ускорительного комплекса ИТЭФ под новую физическую задачу исследование состояния вещества с высокой плотностью энергии получаемой при взаимодействии ускоренного пучка тяжелых ионов высокой мощности с веществом Имеющиеся в ИТЭФ два магнитные кольца - синхротрон У-10 и удерживающее кольцо УК, построенное по проекту 1985 года позволяли рассматривать схему получения высокой интенсивности и, соответственно, большой мощности пучка при помощи накопителя, в качестве которого можно было использовать одно кольцо заполняемое многократно пучком ионов ускоряемых циклически в другом кольце Диапазон рассматриваемых энергий накапливаемых ионов определялся предельной магнитной жесткостью кольца УК (12,7 Тл м) соответствующей удельному импульсу частиц 3,8 ГэВ/с Однако оказалось что кольцо УК не может быть использовано в качестве накопителя ионов с максимальной энергией, т к конструкция магнитных элементов этого кольца была рассчитана на режим работы быстрого бустерного синхротрона с частотой циклов до 20 Гц и средней рассеиваемой мощностью не выше 10% от максимальной Таким образом в проекте ускорительно-накопительного комплекса функции колец однозначно определились У-10 - накопитель УК - ,бустерный синхротрон Дальнейшая проработка проекта показала, что исполь&оваюиФ1л¥ЬШн9и^честве накопителя
I БИБЛИОТЕКА
I оэПТШП '
" I II ж ^
тяжелых ионов с бустерным синхротроном УК позволяет рассчитывать на достижение тераваттного уровня мощности накопленного пучка давшего название создаваемой установке ИТЭФ-ТВН Действующих установок с такой мощностью пучка ионов средних энергий (до 1 ГэВ/а е м ) в настоящее время в мире нет
Создание установки ИТЭФ-ТВН, не имеющей аналогов в мире и позволяющей в лабораторных условиях изучать нестационарные физико-химические процессы в экстремальных состояниях вещества при импульсном воздействии интенсивным пучком тяжелых ионов запредельной мощности, открывало беспрецедентную возможность получения новых сведений о реальном состоянии и поведении компонентов сверхплотной плазменной материи на всех этапах ее эволюции от момента начала разогрева до достижения экстремальных параметров и последующей деградации Проникновение в неисследованную область высоких давлений и температур предоставляет уникальную возможность выявить особенности фазовых переходов вещества в экстремальных условиях, а также проследить влияние разнообразных процессов энергетического обмена на его свойства и состояние Эксперименты по исследованию свойств сильно-сжатой и разогретой плазмы имеют не только теоретическое но и большое практическое значение, т к позволят уточнить структуру и эволюцию астрофизических объектов, имитировать физические процессы в мишенях инерционного термоядерного синтеза, описать физическое воздействие интенсивных энергетических потоков на вещество включая прогнозирование последствий техногенных катастроф, условия вхождения космических объектов в атмосферу тяжелых планет и т д
Цель работы заключалась в разработке и реализации структуры сильноточного ускорительно-накопительного комплекса тяжелых ионов ИТЭФ-ТВН, создаваемого на основе протонного синхротрона ИТЭФ У-10, и исследовании предельных параметров создаваемого комплекса на последовательных этапах его развития по интенсивности и мощности ускоренного и накопленного пучка, а также получении релятивистских энергий ускоренных ионов, ограниченных максимальной магнитной жесткостью синхротрона У-10 Для достижения поставленной цели решались следующие задачи
1 Теоретическое исследование и оптимизация предельных параметров создаваемого ускорительно-накопительного комплекса тяжелых ионов на последовательных этапах его развития по интенсивности и мощности ускоренного и накопленного пучка в зависимости от конфигурации комплекса, параметров структурных компонентов, технологических решений
2 Создание ионного инжектора И-3, расчет и оптимизация его параметров в зависимости от структуры и конструктивных особенностей элементов согласующего канала
3 Создание ускорителя не полностью ободранных ионов (бустерного синхротрона) на основе магнитного кольца УК дополнив его необходимым оборудованием системой генерации магнитных циклов ускоряющей системой, вводными и выводными ионопроводами, а также системами охлаждения кольцевого магнита, коррекции магнитного поля управления и синхронизации ввода вывода и диагностики пучка
4 Создание для накопительного кольца У-10 системы перезарядной инжекции ионов, а также системы группировки и быстрого вывода накопленного пучка
5 Модификация систем У-10 для реализации режима ускорения ионов до релятивистских энергий
6 Наладка и физический пуск бустерного синхротрона УК
7 Наладка и физический пуск накопителя У-10 с перезарядной схемой инжекции
8 Наладка и физический пуск синхротрона У-10 в режиме ускорения ионов до релятивистских энергий
9 Наладка системы продольной группировки накопленного пучка в У-10 и системы быстрого вывода пучка в канал транспортировки на экспериментальную установку
Научная новизна представленной работы заключается в решении ряда новых вопросов, относящихся к физике пучков заряженных частиц, приборам и методам экспериментальной физики и технике кольцевых ускорителей и накопителей тяжелых ионов, и состоит в следующем
1 Выполнен комплекс теоретических исследований, составивший инженерно-физическую основу проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ с целью создания на его основе ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН с рекордной импульсной интенсивностью и мощностью ионных пучков в диапазоне энергий до 1 ГэВ/а е.м .
а) проведен сравнительный анализ действующих и проектируемых тяжелоионных ускорительно-накопительных комплексов, показана возможность получения в накопительном кольце с перезарядной инжекцией ионов рекордной интенсивности накопленного пучка, сформулированы условия вывода создаваемой установки на тераваттный уровень мощности,
б) изучена динамика формирования сильноточного пучка тяжелых ионов на выходе лазерного источника и в канале транспортировки и согласования пучка с доминирующим пространственным зарядом с двухзазорным линейным инжектором, разработана схема линейного канала инжектора, рассчитанная на максимальный выходной ток ускоренного пучка,
в) исследованы проблемы минимизации потерь пучка с неравномерной плотностью и доминирующим пространственным зарядом при инжекции, захвате и ускорении в бустерном синхротроне,
г) исследованы проблемы обеспечения высокой эффективности многократной перезарядной инжекции тяжелоионного пучка в накопительное кольцо, выполнен расчет высокоэффективной схемы перезарядной инжекции пучка в накопительное кольцо У-10,
д) дано физико-техническое обоснование предельных параметров тяжелоионного комплекса ИТЭФ-ТВН по интенсивности и мощности накопленного пучка
2 Впервые разработана и применена циклическая схема многократной перезарядной инжекции ядер в накопительное кольцо с предварительным ускорением не полностью ободранных ионов в линейном инжекторе и в бустерном синхротроне
3 Проведен цикл экспериментальных исследований и оптимизации схемы многократной перезарядной инжекции и условий накопления пучка, позволивший получить рекордное увеличение в 50 раз интенсивности накопленного пучка по отношению к инжектируемому
4 Впервые реализована трехступенчатая схема ускорения ионов до релятивистских энергий с перезарядной инжекцией пучка из бустерного в основной синхротрон.
Практическая ценность
1 Создан многофункциональный ускорительно-накопительный комплекс ионов для исследований по актуальным направлениям фундаментальной и прикладной науки.
физике высокой плотности энергии в веществе, релятивистской ядерной физике, проблемам топливного цикла, медицинской физике,
радиационной стойкости материалов и приборов,
физике сильноточных ионных пучков и ускорителей заряженных частиц
2 Осуществлен режим многократной перезарядной инжекции ионов в накопительное кольцо У-10, достигнут уровень интенсивности накопителя 2 1010 ядер углерода с рекордным коэффициентом увеличения интенсивности однооборотной инжекции, показана возможность дальнейшего увеличения интенсивности накопленной пучка.
3. Отработана методика компрессии накопленного ионного пучка, получена ширина импульса сгруппированного пучка 170 не при длительности оборота 1,4 мке
4 Получено ускорение ядер углерода до энергии 48 Гэв при помощи трехступенчатой эстафетной схемы ускорения, в линейном инжекторе, бустерном и основном синхротронных кольцах
5 Создана система быстрого вывода пучка из ускорительно-накопительного кольца У-10 в канал транспортировки пучка на экспериментальную установку
6 Начались и активно ведутся эксперименты на пучках протонов и ионов-ускорительный комплекс отработал в 2003-04 гг на физический эксперимент, методические и прикладные исследования всего 6678 (в 2004 г - 3288 ч), из которых с протонным пучком - 4082 часов (в 2004 г - 1896 ч ), с ионным пучком в режиме накопления - 2280 часов (в 2004 г - 1392 ч), с ионным пучком в режиме ускорения ионов до релятивистских энергий - 316 часов
Апробация работы
Результаты работы нашли свое подтверждение в работах нескольких экспериментальных групп с накопленным и выведенным пучком ядер углерода, а также пучком ядер углерода, ускоренным до энергии 4 ГэВ/а е м Работы докладывались на семинарах ИТЭФ, на конференциях РАС в 1999 г, 2001 г., ЕРАС в 1998 г , 2000 г, 2002 г , RuPAC в 1998 г , 2000 г , 2002 г, 2004 г., HIF в 2002 г , RIKEN Workshop в 1998 г, семинаре памяти В П Саранцева в ОИЯИ в 1997 г., 2003г
Публикации
В печати опубликовано 29 статей' Письма ЖЭТФ - 1, Атомная Энергия - 3, Письма в ЭЧАЯ - 1, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research - 3, Laser and Particle Beams - 3, Physica Scripta - 1, Труды RuPAC - 8, Труды ЕРАС - 2, Труды РАС - 2, Труды HIF - 1, Препринты ИТЭФ - 4 Часть материала изложена в материалах проекта установки ИТЭФ-ТВН и внутренних отчетах ИТЭФ
Объем работы
Диссертация содержит 182 страницы, 116 рисунков, 55 таблиц, 172 наименования ссылок Состоит из введения, трех глав и заключения
Основные положения, выносимые на защиту
1 В результате выполненных расчетов и теоретических исследований составлено инженерно-физическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ и создания на его основе ускорительно-накопительного комплекса с рекордной импульсной интенсивностью ионных пучков Ускорительный комплекс сохраняет при этом возможность ускорения протонного пучка, а также приобретает способность накопления ионов с энергией несколько сотен МэВ/а е м и ускорения ионов до релятивистских энергий В основу проекта положен известный способ перезарядной инжекции, впервые адаптированный в разработанном проекте к пучкам тяжелых ионов для которых детально рассмотрены эффекты взаимодействия с материалом перезарядной мишени и остаточным газом в камере накопителя и определены условия сохранения устойчивости в процессе накопления
2 Разработанная схема многократной перезарядной инжекции тяжелых ионов в накопительное кольцо У-10 с предварительным циклическим ускорением не полностью ободранных ионов в линейном инжекторе и в бустерном синхротроне УК, рассчитанная на накопление тяжелых ионов с изменением заряда при инжекции в диапазоне г„она/2яДрЭе[0,6 0.8] и энергией до 1 ГэВ/а е м Предельная интенсивность накопителя определяется его поперечным аксептансом и темпом накопления и ограничена эффектами кулоновского сдвига бетатронных частот и внутрипучкового рассеяния частиц.
3 Созданная структура ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН, включает в себя
лазерный источник ионов с энергией лазера 5 Дж, линейный канал ионного инжектора И-3 на энергию 4 МВ, бустерный синхротрон УК,
канал транспортировки и инжекции пучка из И-3 в УК, систему однооборотного вывода пучка из УК, переводной ионопровод пучка из УК в У-10,
систему многократной перезарядной инжекции пучка из УК в У-10, систему продольной ВЧ группировки накопленного пучка в У-10, систему однооборотного вывода пучка из У-10 в канал транспортировки на экспериментальную установку
4 В результате наладки созданного на основе ПС У-10 ускорительно-накопительного комплекса получено
ускорение ионов С4* в линейном инжекторе И-3 до энергии 1,3 МэВ/а е м с током до 5 мА
ускорение ионов С4+ в бустерном синхротроне УК до максимальной энергии 410 МэВ/а е м , соответствующей импульсу частиц 3200на ГэВ/с, с интенсивностью до 109 частиц за цикл ускорения
реализована перезарядная многократная инжекция ионов углерода с энергией до 300 МэВ/а е м из бустерного синхротрона УК в накопительное кольцо У-10 по схеме С4*=> С6* с частотой повторения циклов инжекции 1/3 с"1 , и получено накопление ядер углерода с близким к линейному по времени ростом интенсивности пучка в накопителе в продолжение -100 с ( >30 циклов инжекции) и достижением предельного уровня 2 Ю10 частиц, соответствующего 50-кратному увеличению интенсивности инжекции одного оборота.
реализована схема продольной группировки накопленного в У-10 пучка при помощи ВЧ поля на первой гармонике ускоряющей частоты при длительности
оборота циркулирующего пучка 1,4 мкс получена длительность на полувысоте импульса сгруппированного пучка ~ 170 не,
реализована перезарядная инжекция ионов углерода с энергией 50МэВ/аем из бустерного синхротрона УК в синхротрон У-10 на растущее магнитное поле, настроено ускорение инжектированного пучка ядер углерода в У-10 до энергии 4 ГэВ/а е м ,
накопленный, либо ускоренный в У-10 пучок ионов или протоное с импульсом до 4гяарй ГэВ/с выводится за один оборот в канал транспортировки на экспериментальную установку
Перейдем к краткому изложению содержания глав диссертации
Первая глава посвящена вопросам теоретического обоснования проекта ИТЭФ-ТВН и выбору основных физико-технических решений, позволяющих на основе имеющегося в ИТЭФ оборудования создать действующую структуру ускорительно-накопительного комплекса тяжелых ионов для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике с перспективой последующей замены в отработанной технологической схеме ионного инжектора на более мощный, для вывода комплекса на проектные параметры по интенсивности и мощности ускоренного и накопленного пучка, а также с возможностью его дальнейшего развития
При рассмотрении вопросов получения высокозарядных ионов проведен сравнительный анализ на основе опубликованных материалов существующих типов ионных источников для решения задачи генерации пучков тяжелых ионов с массой до 200 а е м и с максимально высоким зарядом, который показал, что максимально высокая интенсивность накопленного пучка тяжелых ядер может быть получена в ускорительно-накопительном комплексе ИТЭФ-ТВН с использованием либо ионного источника типа ЕСЯ, либо лазерного ионного источника С источником типа ЕСЯ можно рассчитывать на накопление при достаточно высокой эффективности ядер элементов до /Аядра -100 однако в этом случае необходима система многооборотной инжекции пучка в бустерный синхротрон УК позволяющая увеличивать интенсивность инжектированного пучка по отношению к первому обороту в 5-10 раз Лазерный источник с энергией лазера до 100 Дж не позволяет в настоящее время рассчитывать на накопление ядер элементов с атомным номером больше гйДра=30 Поскольку технология применения источников типа ЕС13 в ИТЭФ отсутствует выбор был остановлен на лазерном типе ионных источников, определенный опыт использования которых имелся в ИТЭФ Практика применения лазерных ионных источников для генерации сильноточных пучков высокой интенсивности позволила определить параметры пучка использованные в дальнейшем при рассмотрении динамики частиц в согласующем канале линейного инжектора
Расчет структуры канала транспортировки пучка низкой энергии выполнен в приложении к двухзазорному линейному инжектору И-3 с использованием которого отлаживался ускорительно-накопительный комплекс Требования к фокусирующей системе, размещению вспомогатепьного оборудования, расположению группирователя относительно ускоряющего резонатора сформулированы на основе численного решения уравнений движения сильноточного пучка в ламинарном приближении и программного моделирования с учетом известных и прогнозируемых параметров многокомпонентного пучка на выходе разрывающего промежутка лазерного ионного источника
Вопросы ускорения сильноточного пучка тяжелых ионов в двухзазорном резонансном линейном ускорителе с низкой ускоряющей частотой (2,5 МГц) и достаточно высоким темпом ускорения (до 10 МВ/м) рассмотрены на основе известных аналитических методов и численного моделирования Показано, что при использовании группирователя на входе ускорителя максимальный пиковый ток на его выходе достигается за счет увеличения группирующего напряжения, позволяющего уменьшить пролетную базу до ускоряющего зазора, а также оптимальным выбором положения последней фокусирующей линзы и точным согласованием пролетной базы с функций увеличения плотности группируемого пучка с учетом фокусирующих свойств первого ускоряющего зазора Высокая скважность импульсов пучка с малым разбросом частиц по энергии на выходе ускорителя вызывает медленное выравнивание плотности частиц при транспортировке и при большом пиковом токе накладывает ограничение на эффективность его ускорения в бустерном синхротроне Показано, что скорость выравнивания плотности пучка повышается при смещении фазы сгруппированного пучка на начало спадающего склона ускоряющего напряжения резонатора Согласование жесткости фокусировки канала транспортировки пучка от выхода инжектора до синхротрона с величиной пиковой плотности пучка медленно уменьшающейся на пролетной длине, позволяет избежать потерь при транспортировке, но не устраняет полностью проблему эффективного ускорения пучка в бустерном синхротроне, т к максимальная плотность частиц при инжекции оказывается многократно превышающей кулоновский предел ускорителя Поэтому увеличение до предельного значения тока пучка на выходе инжектора И-3 не решает проблему получения максимальной интенсивности ускоренного пучка в синхротроне
Вопросы динамики частиц в бустерном синхротроне УК рассмотрены для уточнения особенностей создаваемого ускорителя во многом определяющих предельные параметры всего ускорительно-накопительного комплекса, и выбора ряда физико-технических решений связанных в частности с оптимизацией условий инжекции пучка с доминирующим пространственным зарядом решением проблемы расширения частотного диапазона ускоряющей системы адиабатическим захватом и ускорением, а также вакуумными проблемами при ускорении не полностью ободранных ионов При использовании линейного инжектора с лазерным ионным источником требуемое для заполнения кольца количество ионов может быть получено только в коротком импульсе, и равномерность заполнения кольца определяется шириной формой и банчевой структурой этого импульса При инжекции пучка от высокочастотного линеиного инжектора предельная интенсивность синхротрона определяется кулоновским пределом, и при однооборотной инжекции будет ограничиваться амплитудой и, в определенной мере неравномерностью вершины импульса тока инжектированного пучка Показано, что при инжекции пучка с доминирующим пространственным зарядом от низкочастотного инжектора типа И-3 предельная интенсивность УК ограничивается на уровне 0,1-0,15 от кулоновского предела пространственно-временной структурой инжектируемого пучка и величиной пикового тока
Методика адиабатического захват и ускорения позволяет обеспечить увеличение коэффициента использования инжектированного пучка до -90% Как показал расчет, при ограниченной величиной 10 кВ амплитуде ускоряющего напряжения в синхротроне УК минимальная длительность цикла адиабатического ускорения составляет -1,4 с, и, соответственно, максимальная частота циклов
ускорения не может превышать 0,7 Гц Для увеличения частоты циклов адиабатического ускорения необходимо увеличение амплитуды ускоряющего напряжения при помощи дополнительных ускоряющих станций
Рассмотрение вопросов взаимодействия ускоряемого пучка с остаточным газом показывает что минимальные потери (<10%) не полностью ободранных ионов в процессе ускорения в УК могут быть обеспечены при среднем вакууме ~10"9 Topp Требования к вакууму могут быть снижены за счет увеличения темпа ускорения, а также, - в меньшей степени, - при повышении энергии инжектируемого пучка Необходимый вакуум может быть получен при помощи ^40 равномерно распределенных по периметру кольцевой камеры насосов типа НМД с предельным вакуумом —5 1010 Topp при условии обеспечения поверхностного газовыделения в камере ускорителя на уровне 10 12 Topp л с 1 см 7
Основным и определяющим звеном в технологической цепочке получения максимальной интенсивности накопленного пучка тяжелых ионов в накопителе является многократная перезарядная инжекция Сама по себе перезарядка ионов давно используется на всех ионных ускорителях при переходе с одной ступени ускорения на другую для увеличения заряда и, соответственно конечной энергии ускоряемых ионов Однако опыт использования перезарядки ионов как способа их инжекции в кольцевой ускоритель-накопитель является минимальным Задача определения условий получения эффективности перезарядной инжекции близкой к 100% решается в проекте ИТЭФ-ТВН впервые
Схема перезарядной инжекции тяжелых ионов предложенная для ТВН, основывается на минимизации возмущающего воздействия перезарядной мишени на пучок за счет повышения энергии перезаряжаемых ионов, и уменьшения числа прохождений накопленными частицами через мишень Мишень размещается целиком вне рабочей апертуры вакуумной камеры накопителя, и свободно циркулирующий (накопленный) пучок набрасывается на мишень только в момент инжекции очередной порции частиц при помощи однооборотного смещения равновесной орбиты, создаваемого ударными магнитами Таким образом, число прохождений каждой частицей через мишень в процессе накопления не превышает количества циклов инжекции, и возмущающее воздействие мишени на пучок оказывается минимальным
В рассматриваемом для ТВН диапазоне энергии накапливаемых ионов с атомным номером Zmflj до 30 обеспечивается условие значительного превышения вероятности ионизации электронов K-оболочки над суммарной вероятностью рекомбинаций, позволяющее при оптимальной толщине перезарядной мишени в диапазоне значений 10,8-1021 см2, в зависимости от материала мишени, энергии и атомного номера иона инжектировать голые ядра с эффективностью >99% Показано что при оптимальной толщине перезарядной мишени потери частиц из-за кулоновского рассеяния на большие углы для всех рассматриваемых ионов не превышают 103 Динамическое увеличение эмиттанса пучка из-за многократного кулоновского рассеяния при центральной инжекции и аксептансе кольца Ах1250 я мм мрад также не велико и практически не ограничивает предельный коэффициент увеличения интенсивности инжектируемого пучка
Влияние ионизационных потерь энергии быстрыми ядрами при пересечении мишени на динамику поперечного движения частиц зависит в существенной мере от размера свободной от резонансов окрестности рабочей точки в клетке бетатронных резонансов и хроматичности пучка по бетатронным частотам При оптимальной величине коэффициентов хроматичности -5 и наибольшем
смещении импульса частиц при пересечении мишени с оптимальной толщиной, увеличение разброса частиц по бетатронным частотам составляет —1 5 102 на сотню пересечений Полученная величина не является критичной для реально достижимой области устойчивости в клетке бетатронных резонансов
Предельная интенсивность сильноточного накопителя всегда ограничивается коллективными эффектами, связанными с некогерентным сдвигом бетатронных частот, импедансами связи пучка с кольцом по продольному и поперечному движению и внутрипучковым рассеянием частиц Все перечисленные эффекты удается частично компенсировать теми или иными техническими средствами а оценка степени их влияния на динамику частиц позволяет определить границы применения этих средств Кроме того предельный уровень интенсивности, достижимый без применения средств компенсации коллективных неустойчивостей, характеризует качество основной части технологической цепочки от получения ионов до многократной инжекции и долговременного удержания пучка Рассмотрение проблем внутрипучкового рассеяния показывает что уровень интенсивности накопленного пучка, соответствующий предельным для ТВН значениям по некогерентному кулоновскому сдвигу бетатронных частот может быть достигнут при длительности полного цикла накопления -(7-12) с и допустимом среднеквадратичном разбросе частиц по импульсам <т( ~1%
Предельная интенсивность бустерного синхротрона УК с инжектором И-4 оказывается в основном достаточной для обеспечения требуемого по критерию внутрипучкового рассеяния частиц темпа накопления при частоте повторения циклов ускорения -20 Гц, на которую рассчитаны магниты УК
Во второй главе изложены основные технические решения положенные в основу ускорительно-накопительного комплекса Структура комплекса не сразу определилась в окончательном варианте, т к более предпочтительным казалось использовать в качестве накопительного магнитного кольца УК, предварительно ускоряя не полностью ободранные ионы в линейном инжекторе и в синхротроне У-10, как это предполагалось в проекте 1985-89 гг Кольцо УК с достаточно большим аксептансом, свободной структурой и лучшим качеством магнитного поля больше удовлетворяло требованиям к накопителю, чем кольцо У-10 Однако из за ограничения по ср кв току в обмотках магнитных элементов УК от этого варианта пришлось отказаться, т к максимальная энергия накапливаемых ионов не могла превышать 200 МэВ/а е м и не позволяла рассчитывать на накопление тяжелых ионов и достижение максимальной мощности пучка Кроме того проблематичным оставался перевод пучка из У-10 в УК и вывод пучка из УК в экспериментальный . зал т к кольца установлены приблизительно в одном уровне, и требовалось
пересекать достаточно плотную структуру магнитов У-10 в ограниченном пространстве магнитного зала Вариант использования магнитного кольца У-10 в качестве накопительного был свободен от отмеченных недостатков однако для его • реализации требовалось дооборудовать удерживающее кольцо УК до бустерного
синхротрона со всеми вспомогательными системами необходимыми для инжекции, ускорения и вывода не полностью ободранных ионов Дополнительное преимущество этого варианта состояло в создании промежуточной ускоряющей ступени между линейным инжектором и синхротроном У-10 позволяющей реализовать трехступенчатую схему ускорения ионов до релятивистских энергии
Проблема создания ионного инжектора для бустерного синхротрона, адекватного поставленной задаче получения максимальной интенсивности и
мощности накопленного пучка тяжелых ионов, не могла быть решена на основе имеющихся в ИТЭФ установок Начинать же реализацию проекта с создания дорогостоящего сильноточного линейного ускорителя-инжектора на энергию 7-8 МэВ/а е м представлялось нецелесообразным, т к задерживало получение накопленного пучка и начало физических экспериментов на несколько лет Кроме того, технология многократной перезарядной инжекции тяжелых ионов положенная в основание проекта, не была апробирована ни на одном действующем ускорителе и требовалась проверка эффективности способа накопления частиц с использованием этого метода Таким образом, в качестве инжектора на начальном этапе реализации проекта решили использовать двухзазорный ускоряющий резонатор И 3 с напряжением на зазоре 2 МВ, который позволит создать структуру комплекса и отработать всю схему ускорения, накопления группировки и вывода пучка для методических и физических экспериментов при ограниченной инжектором интенсивности Параллельная с созданием накопителя разработка сильноточного линейного инжектора ионов И-4 позволит в дальнейшем поднять интенсивность комплекса до проектного уровня
Первоначальная конфигурация линейного канала И-3 включала в себя' лазерный ионный источник с СОг-лазером на энергию 5 Дж, камерой дрейфа плазмы и разрывающим промежутком; фильтр Вина и ВЧ-группирователь Три электро-статические линзы, установленные между перечисленными элементами, обеспечивали необходимую фокусировку пучка На выходе И-3 пучок фокусировался дублетом из квадрупольных линз и поворачивался на угол 90° магнитом выполняющим роль анализирующего и направляющего пучок в ионопровод для инжекции в УК Первоначальная компоновка элементов на входе И-3 была рассчитана на транспортировку пучка с энергией 50 кВ и током до 50 мА и позволила исследовать и оптимизировать параметры ионного пучка на выходе лазерного источника, наладить и провести измерения рабочих характеристик ускоряющего резонатора и системы его питания, исследовать характеристики группирователя, фокусирующих элементов и сепарирующего пучок по зарядам элемента - фильтра Вина Последующий анализ структуры согласующего канала на максимум ср импульсного тока ускоренного пучка выполненный на основе расчетов и экспериментальных данных, показал, что достигнутые параметры ускоренного пучка, - пиковый (банчевый) ток до 200 мА при ширине банчей на полувысоте -18 не и средний импульсный ток 4-6 мА при ширине импульса -10 мке, - ограничиваются потерями частиц на входе ускоряющего зазора резонатора из-за большой расходимости пучка под действием возрастающих при его продольной группировке кулоновских сил расталкивания частиц Показано, что изменение конструкции входного фланца резонатора и уменьшение расстояния от »
фокусирующей линзы до ускоряющего резонатора на 100 150 мм позволит 1
устранить потери частиц и поднять средний импульсный ток ускоренного пучка до 15-20 мА
В процессе преобразования магнитного кольца УК в бустерный синхротрон •
были созданы канал транспортировки пучка от И-3 до УК на основе раннее построенного канала И-З/У-10 с системой импульсного питания магнитных элементов, система инжекции, система генерации магнитных циклов с максимальным током до 3 кА система водяного охлаждения кольцевого магнита система коррекции магнитного поля, ускоряющая ВЧ система с цифровой системой управления радиочастотой, система синхронизации система быстрого вывода
пучка в переводной ионопровод УК/У-10, дополнительные системы диагностики пучка и компьютерного управления
Для преобразования У-10 в ускорительно-накопительный комплекс потребовалось создание системы транспортировки и многократной перезарядной инжекции пучка из бустерного синхротрона УК в У-10, создание систем продольной группировки, быстрого вывода и транспортировки накопленного пучка, создание новой цифровой системы управления радиочастотой ускоряющего поля, а также модификация систем управления синхронизации, коррекции магнитного поля под новые режимы работы Основные технические и конструкторские решения, с использованные при реконструкции У-10 в существенной мере определялись
особенностями структуры магнитного кольца У-10 и сложившейся схемой размещения в этой структуре вспомогательного оборудования
В процессе создания основного элемента всего проекта, - системы многократной перезарядной инжекции, - были решены проблемы достаточно плотной компоновки магнитных элементов переводного ионопровода в тесной структуре магнитных блоков У-10 оптимальной коррекции нелинейности магнитного поля на траектории инжекции на входе в магнитное кольцо У-10, создания системы однооборотного смещения равновесной орбиты, разработки конструкций сложнопрофильной вакуумной камеры размещения механизма с касетой перезарядной мишени внутри магнитного блока совмещения функций инжекции и вывода пучка в одном септумном магните
Для использования ускоренных и накопленных ионов в экспериментах создана система быстрого вывода из У-10 пучка с импульсом до 42яарэ ГэВ/с в канал транспортировки выведенного пучка в экспериментально-мишенный зал Предполагается также создание системы медленного вывода пучка из У-10 с импульсом до 10 ГэВ/с в оборудованную дополнительной защитой зону Большого экспериментального зала
В третьей главе представлены результаты наладочных работ и физического пуска ускорительно накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН включающего последовательные этапы наладки ускорения ионов от лазерного ионного источника в линейном ускорителе И 3, инжекции и ускорения ионов в бустерном синхротроне УК вывода ускоренного пучка из УК с последующей его транспортировкой через переводной ионопровод и перезарядной многократной инжекцией в У-10 в режиме накопления либо однократной инжекцией на растущее магнитное поле для ускорения ядер до релятивистских энергии В режиме накопления ионов была реализована продольная группировка пучка с последующим выводом в канал транспортировки на экспериментальную установку
Для получения ускорения пучка в УК были решены проблемы формирования магнитного цикла, коррекции магнитного поля, синхронизации инжекции и многочисленных импульсных элементов ионопровода, настройки функции управления радиочастотой ускоряющего поля, перезахвата пучка с одной ускоряющей станции на другую на растущем магнитном поле получения предельного вакуума Эффективность инжекции и ускорения ионов С4+ в синхротроне УК составляет в настоящее время несколько процентов и определяется отсутствием адиабатического захвата неравномерной по плотности частиц структурой инжектируемого пучка с пиковым током, превышающим во много раз кулоновский предел а также вакуумными потерями частиц Максимальная достигнутая в УК интенсивность ускоренного пучка составляет 109 ионов за цикл ускорения, достигнутая энергия 410 МэВ/а е м соответствует максимальному току в
магнитах 3,1 кА и проектному импульсу пучка ЪТ^ра ГэВ/с в режиме непрерывной работы с частотой повторения циклов ускорения до 1 Гц
При наладке быстрого вывода пучка из УК были решены проблемы оптимизации горизонтального положения равновесной орбиты при выводе пучка, стабипизации энергии и траектории выведенного пучка, синхронизации запуска ударных магнитов с медианой распределения плотности пучка при выводе ,
Наладка многократной перезарядной инжекции пучка из УК в У-10 осуществлялась в несколько этапов Первоначально перезарядная мишень была установлена непосредственно на равновесной орбите, и признаком замкнутого оборота являлось вторичное попадание инжектированного пучка в мишень со >
смещением по времени, равным периоду обращения пучка Замкнутый оборот перезаряженного пучка подтвердил правильность кинематической схемы инжекции Для получения циркуляции инжектированного пучка в соответствии с расчетной схемой перезарядной инжекции потребовалось сместить перезарядную мишень на край рабочей апертуры вакуумной камеры и задействовать ударные магниты однооборотного смещения орбиты При заданной горизонтапьной координате перезарядной мишени угол пересечения траектории инжекции с мишенью однозначно определяет амплитуду и фазу бетатронных колебаний перезаряженного пучка, и, соответственно, необходимые корректирующие воздействия на пучок ударными магнитами для устранения бетатронных колебаний Циркуляция инжектированного пучка была получена после того как угол пересечения траектории инжекции с мишенью был подобран таким образом, чтобы амплитуда бетатронных колебаний оказалась минимальной
Следующий этап наладочных работ состоял в исследовании и устранении возмущающих факторов, препятствующих долговременной циркуляции инжектированного пучка, для осуществления процесса многократной инжекции и последующего накопления Первые проблемы получения долговременной циркуляции возникли из-за возмущающего воздействия на циркулирующий пучок импульсных магнитных элементов переводного ионопровода и системы инжекции Один из возмущающих эффектов был связан с индуцированной импульсными магнитными элементами э д с в контурах образованных заземленной в нескольких местах вакуумной камерой, охватывающей магнитные блоки накопителя Установка дополнительных изолирующих вставок в вакуумную камеру, позволила устранить возмущения магнитного поля и получить устойчивую и продолжительную циркуляцию пучка в накопителе Другая проблема возникла из-за циклического воздействия на циркупирующий в кольце У-10 пучок магнитного попя кольцевого тока цепи питания бустерного синхротрона УК Влияние магнитных циклов УК было минимизировано при помощи дополнительного витка, проложенного рядом с »
кольцевой шиной питания магнитных элементов УК и включенного ;
последовательно с этой шиной в обратном направлении
Впервые накопление пучка в кольце У-10 было получено 25 марта 2002 года Последующие усовершенствования и оптимизация процедуры перезарядной •
инжекции и расширение динамической апертуры накопительного кольца позволили существенно повысить стабильность процесса накопления Основная проблема предельной интенсивности накопленного пучка состояла в стабилизации работы всей технологической цепочки последовательного ускорения пучка в инжекторе И-3 и синхротроне УК, вывода пучка из УК при заданной с достаточной точностью энергией, транспортировки и перезарядной инжекции пучка в У-10, синхронизованной с однооборотным смещением орбиты циркулирующего пучка и
сепаратрисой ускоряющего поля в кольце У-10 Осциллограммы, иллюстрирующие стабильный процесс накопления пучка, показаны на рис 1 Близкий к линейному
а)
.рГ"
У
Г 10 О с А М J 24 OmBJ
Рис. 1. Процесс накопления ядер углерода с энергией 213 МзВ/а е м а) линейный рост интенсивности накапливаемого пучка ~ 100 с (>30 циклов инжекции) б) уровень предельной интенсивности (1 В/6 10е)
1 00JJ Г А Си III / 794ШБ
Рис 2 Верхняя осциллограмма - сигнал перезарядной мишени, нижняя осциллограмма - максимальный ток накопленного пучка ядер С6* (1В/10 мА),
Рис 3 Осциллограммы потерь накопленного пучка с выключенной (а) и работающей с частотой 1/3 Гц (6) системой однооборотного смещения орбиты У-10
рост интенсивности накапливаемого пучка, как видно из осциллограмм, получается в продолжение -30 циклов инжекции Максимальная интенсивность накопленного пучка (-2 Ю10 частиц) достигается за несколько сотен циклов инжекции По мере увеличения интенсивности накапливаемого пучка эффективность инжекции снижается, т к растут потери частиц из-за увеличения поперечного фазового объема пучка связанного с неидеальностями системы инжекции, взаимодействием пучка с остаточным газом и другими факторами На рис 2 приводится осциллограмма максимального импульсного тока пучка, по амплитуде -40 мА, накопленного в сепаратрисе на первой кратности ускоряющей частоты
Общая оценка состояния накопительного кольца и системы перезарядной инжекции, полученная на основании измерений скорости потерь частиц в накопителе с включенной и выключенной системой смещения орбиты на перезарядную мишень (рис 3) показывает, что существующему качеству системы перезарядной инжекции, учитывающему также динамическую апертуру накопителя Ах7, соответствует максимальный коэффициент увеличения интенсивности инжектируемого пучка к1х=110 При той же динамической апертуре и отсутствии возмущений пучка, связанных с инжекцией, максимальному увеличению интенсивности соответствует k¡x=80 Потери накопленного пучка не связанные с инжекцией, определяются рассеянием частиц на остаточном газе и стохастическими процессами увеличения эмиттанса пучка из-за взаимодействия с флуктуациями электромагнитных полей Увеличение к, может быть получено за счет улучшения вакуума в накопительном кольце расширения динамической апертуры, а также устранения неидеальностей системы перезарядной инжекции
Для продольной группировки пучка перед выводом использовалась стандартная ускоряющая станция синхротрона У-10, настроенная на частоту обращения пучка Наибольшая эффективность группировки пучка при быстром увеличения амплитуды ускоряющего напряжения достигалась при сохранении в процессе накопления продольного фазового объема инжектируемого пучка Экспериментально показано, что при заполнении центральной части сепаратрисы настройкой оптимальной амплитуды ускоряющего напряжения и синхронизации инжекции можно сохранить продольный фазовый объем инжектируемого пучка, увеличивая по мере накопления плотность частиц и сохраняя продольный размер пучка в окрестности равновесной фазы ф8=0 При последующем быстром увеличении амплитуды ускоряющего напряжения пучок группируется с наибольшей эффективностью находясь в области фаз линейных синхротронных колебаний Применение этой методики в У-10 позволило получить банч шириной 170 не при длительности оборота 1,4 мке и увеличении амплитуды ускоряющего напряжения с -1 кВ при накоплении до 10 кВ в процессе группировки
При наладке системы быстрого вывода пучка решались проблемы прецизионного управления импульсным током в септумном магните от двух независимых источников питания противоположной полярности работающих в режимах многократной инжекции и вывода пучка, синхронизации запуска ударных магнитов с фазой радиочастоты группирующего поля коррекции нелинейности магнитного поля в блоке 503 на траектории вывода пучка, а также транспортировки пучка по ионопроводу В первых экспериментах с быстрым выводом пучка с шиммированием выходной половины блока 503 получена эффективность вывода (50-60)% Дальнейшее увеличение эффективности вывода до проектного значения ~98% должно быть получено, как показывают расчеты, после шиммирования второй половины блока 503 и расширения апертуры части выводного канала в нейтральном полюсе блока 504
Создание бустерного синхротрона УК и системы перезарядной инжекции ионов из УК в У-10 позволило рассмотреть возможность ускорения ионов до релятивистской энергии по трехступенчатой схеме И-3=>УК=>У-10 Для решения этой задачи были модифицированы схемы управления магнитными циклами УК и У-10 и системы синхронизации процесса перевода пучка из одного кольца в другое для обеспечения необходимой точности согласования энергии инжектируемого из УК пучка с магнитным полем У-10 Проблема непосредственно ускорения решалась при помощи новой цифровой системы управления радиочастотой ускоряющего
поля У-10, приспособленной для ускорения не только протонов, но и любого типа ионов В результате наладки трехступенчатой схемы ускорения был получен пучок ядер углерода с энергией 4 ГэВ/н и интенсивностью -108 частиц за цикл ускорения
В заключении обобщаются основные результаты выполненной работы а также обсуждаются возможные направления дальнейшего развития ускорительного комплекса Отмечается, что реконструкция ускорительного комплекса ИТЭФ стала важным этапом обновления экспериментальной базы Института и создания новых возможностей для фундаментальных и прикладных исследований с использованием ускоренных пучков заряженных частиц по актуальным направлениям современной науки, техники и технологии Дальнейшее развитие комплекса позволит обеспечить постоянное повышение научно-технического уровня проводимых исследовании в соответствии с возрастающими требованиями физического эксперимента
Основные результаты работы
1) Разработан и теоретически обоснован концептуальный проект создания на основе протонного синхротрона ИТЭФ У-10 тяжелоионного ускорительно-накопительного комплекса тераваттного уровня мощности накопленного пучка в диапазоне энергий до 1 ГэВ/а ем с возможностью ускорения ионов до релятивистских энергий
2) Создана структура комплекса ИТЭФ-ТВН включающая в себя лазерный ионный источник, ионный инжектор И-3 на энергию 4 МВ, бустерный синхротрон УК с системой инжекции И-З/УК и системой быстрого вывода пучка в переводной ионопровод УК/У-10, тяжелоионный накопитель У-10 с системой перезарядной инжекции ускоренного в УК пучка и системами продольной группировки и быстрого вывода пучка в канал транспортировки на экспериментальную мишень
3) Выполнены наладка и запуск инжектора И-3 на ионах четырехзарядного углерода получен ускоренный пучок с энергией 4 МВ с током ~5 мА Анализ созданной структуры согласующего канала с использованием экспериментальных данных и численного моделирования показал что полученный ток ускоренного пучка может быть увеличен до 15-20 мА
4) Выполнен физический пуск бустерного синхротрона УК на ионах четырехзарядного углерода, получен ускоренный пучок с энергией до 420 МэВ/а е м с интенсивностью до 109 ионов за цикл
5) Выполнен физический пуск накопителя У-10 с системой многократной перезарядной инжекции с использованием ионов углерода при энергии 200 МэВ/а ем по схеме С4+=>Сб+ получена интенсивность накопленного пучка 2 Ю10 частиц с коэффициентом увеличения по отношению к интенсивности однооборотной инжекции в 50 раз
6) Налажена система продольной группировки накопленного пучка получен импульс сгруппированного пучка шириной на полувысоте 170 не
7) Налажена система быстрого вывода и транспортировки пучка на экспериментальную мишень которая позволила приступить к экспериментам с выведенным пучком ядер углерода
8) Проведены экспериментальные исследования динамики пучка в процессе ускорения в синхротроне УК и накопления в У-10, определены основные факторы ограничивающие интенсивность ускоренного и накопленного пучка
9) Выполнен физический пуск трехступенчатой схемы ускорения И-З/УК/У-10
на ионах углерода, получена энергия ускоренного пучка 4 ГэВ/а ем с
интенсивностью 108 частиц за цикл
Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях
1 Д Г Кошкарев, Н Н Алексеев, Б Ю Шарков "Сооружение тяжелоионного накопителя ИТЭФ-ТВН" Труды XVI Совещания по ускорителям заряженных частиц Протвино 1998 Т 2, с 100-105
2 Н Н Алексеев, Д Г Кошкарев Б Ю Шарков "Нелиувиллевское накопление ядер углерода в ускорительно-накопительном комплексе ИТЭФ" Письма в ЖЭТФ (2003), том 77, вып 3 с 149-152
3 Н Н Алексеев, П Н Алексеев, В Н Балануца, и др "Физический пуск накопительного кольца ТВН" Атомная энергия, т 93 вып 6 (2002) 474-479
4 Н Н Алексеев, П Н Алексеев, В Н Балануца, и др "Ускорение ионов С4* в бустерном синхротроне УК ИТЭФ" Труды XVII Совещания по ускорителям заряженных частиц Протвино 2000 Т 2, с 231-235
5 Н Н Алексеев П Н Алексеев, В Н Балануца и др "Ускорение ядер углерода до релятивистских энергий в синхротроне У-10" Атомная энергия том 95 вып 5, ноябрь 2003
6 NN Alexeev, Р N Alekseev V N Balanutsa, et al "Status of the Terawatt Accumulator Accelerator pro|ect" Laser and Particle Beams (2002), 20, 385-391
7 H H Алексеев, Г H Акимов, П Н Алексеев и др "Ускоритель-накопитель ИТЭФ-ТВН". Письма в ЭЧАЯ Т 1 (2004) №3(120),с 78-87
8 N N.AIexeev, D G Koshkarev, В Ju Sharkov 'The ITEP Powerfull Heavy Ion Accumulator (ITEP-TWAC) Project - recent development and prospects' PAC2001, p.3383-85
9 NN Alexeev S L Bereznitsky V I Nikolaev 'Beam dynamics in matching channel of ITEP-TWAC Heavy Ion Injector l-З' Proc EPAC2000, p 1283-1285 (2000)
10 NN Alexeev, A E Bolshakov, E R Mustafin, P R Zenkevich "Simulation of Accumulation Process in ITEP-TWAC", Proc. EPAC98, 1141-1143
11 H H Алексеев, С Л Березницкий и др 'Оптимизация конфигурации ионного инжектора И-3 для протон-ионного ускорительного комплекса ИТЭФ" Труды XVI совещания по ускорителям заряженных частиц Дубна 1998, т 1, с 57-61
12 Н Н Алексеев, А С Рябцев, Е А Сысоев, "Ионопровод для транспортировки инжектируемого лучка тяжелоионного ускорительного комплекса ИТЭФ' Труды XI Совещания по ускорителям заряженных частиц Дубна 1989 т 2, с 355,
13. Н Н Алексеев, А Е Большаков, С В Гапоненко и др "Наладка УК -вспомогательного магнитного кольца ускорительного коглплекса ИТЭФ" Труды XIII совещания по ускорителям заряженных частиц Дубна 1993 т 1, с 126-130
14 V A Krasnopolsky, NN Alexeev et al "The ITEP-TWAC Injection and Extraction Kickers" Proc PAC99, p 1479-81
15 H НАлексеев , Д Г Кошкарев, A H Талызин "Исследование схемы многооборотной нелиувиллевской инжекции для установки тяжелоионного накопителя ИТЭФ-ТВН' II Семинар памяти В П Саранцева, Дубна (1998) с 5463
16 N D Mescheryakov, N N Alexeev, et al "Laser ion source of multicharged ion for ITEP accumulator facility" Laser and Particle Beams, 20 (2002) 455
17 P Zenkevich, N Alexeev et al "Strategy of intense ion beam accumulation by use of charge exchange injection" Nucl Instrum Meth Phys Res A 464 (2001) 616-620
18.NN Alexeev, A E Bolshakov, E R Mustafin, PRZenkevich "Numerical code for Monte-Carlo Simulation of ion storage" Riken Workshop on Space Charge Dominated Beam Physics for Heavy Ion Fusion" Saitama Japan (1998) 31-41
19 E Syresin, N Alexeev, V Bykovsky et al 'Project of TWAC Electron Cooler" Physica Scripta, Vol T104 (2003) 160-163
20 P Zenkevich, N N Alexeev et al "Electron cooling system for ITEP ion Storage Ring Laser and Particle Beams, 20 (2002) 459-461
21 B Ju Sharkov, N N Alexeev, D G Koshkarev et al "Heavy-ion fusion activities at ITEP" Nucl Instrum Meth Nucl in Phys Res A 415 (1998) 20-16
22 B Ju Sharkov, N N Alexeev, M D Chyrazov et al "Heavy ion fusion energy program in Russia" Nucl Instrum Meth Nucl in Phys Res A 464 (2001) 1-3
23 N.N Alexeev, G N.Akimov, P N Alekseev, et al "Experiments with Carbon Ions Accumulation in the ITEP-TWAC Storage Ring" Proc of RuPAC XIX, Dubna (2004) 65-67
Цб 2 3 8
РНБ Русский фонд
2006-4 12508
Подписано к печати 29.07 03 Формат 60x90 1/16
Усл. печ. л 1,2 Уч. изд. л. 0,85 Тираж 100 экз. Заказ 514
Отпечатано в ИТЭФ , 117218, Москва, Б. Черемушкинская. 25
Введение
1. Расчет и теоретическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ У-10.
1.1. Получение высокозарядных ионов.
1.1.1. Особенности формирования лазерной плазмы.
1.1.2. Параметры пучка на выходе лазерного источника.
1.1.3. Выводы.
1.2. Транспортировка пучка низкой энергии.
1.2.1. Формирование пучка на выходе разрывающего промежутка.
1.2.2. Характеристики фокусирующего канала.
1.2.3. Продольная группировка пучка в согласующем канале И-3.
1.2.4. Транспортировка пучка на выходе И-3.
1.2.5. Выводы.
1.3. Динамика пучка в двухзазорном линейном инжекторе.
1.3.1. Продольное движение.
1.3.2. Поперечное движение.
1.3.3. Ускорение в И-3 тяжелых ионов cA/Z^>3.
1.3.4. Выводы.
1.4. Динамика пучка в бустерном синхротроне.
1.4.1. Инжекция.
1.4.2. Коррекция магнитного поля.
1.4.3. Адиабатический захват и ускорение.
1.4.4. Предельная интенсивность.
1.4.5. Вакуумные потери частиц.
1.4.6. Выводы.
1.5. Перезарядная инжекция тяжелых ионов.
1.5.1. Изменение зарядового состояния быстрых ионов.
1.5.1.1. Сечения ионизации.
1.5.1.2.Сечения рекомбинации.
1.5.1.3.Равновесное зарядовое состояние.
1.5.2. Кулоновское рассеяние.
1.5.3. Ионизационные потери энергии.
1.5.4. Обратная перезарядка.
1.5.5. Выводы.
1.6. Общие характеристики бетатронных резонансов.
1.6.1. Характеристики бетатронных резонансов в окрестности рабочей точки У-10.
1.6.2. Нелинейность поля в коротких прямолинейных промежутках структуры У-10.
1.6.3. Анализ влияния нелинейностей Е-блоков.
1.6.4. Выводы.
1.7. Ограничение интенсивности накопителя из-за коллективных эффектов.
1.7.1. Некогерентный сдвиг бетатронных частот.
1.7.2. Продольная неустойчивость.
1.7.3. Поперечная неустойчивость.
1.7.4. Внутрипучковое рассеяние.
1.7.5. Выводы.
2. Основные технические решения, положенные в основу комплекса.
2.1. Краткий обзор тяжелоионных комплексов.
2.2. Структура ускорительно-накопительного комплекса и режимы его работы.
2.2.1. Выводы.
2.3. Ионный инжектор И-3.
2.3.1. Система ВЧ-питания ускоряющего резонатора.
2.3.2. Параметры пучка на выходе лазерного источника.
2.3.3. Применение фильтра Вина для сепарации пучка.
2.3.4. Оптимизация структуры согласующего канала.
2.3.5. Выводы.
2.4. Бустерный синхротрон УК. 2.4.1. Магнитное кольцо УК.
2.4.2. Система инжекции.
2.4.3. Система питания кольцевого магнита УК.
2.4.4. Коррекция магнитного поля.
2.4.5. Ускоряющая система.
2.4.6. Вакуумная система.
2.4.7. Группировка пучка перед выводом.
2.4.8. Система быстрого вывода пучка.
2.4.9. Выводы.
2.5. Ускоритель-накопитель У-10.
2.5.1. Переводной ионопровод УК/У-10.
2.5.2. Технология многократной перезарядной инжекции.
2.5.3. Инжекция пучка при помощи вводного ипфлектора.
2.5.4. Система быстрого вывода. ф 2.5.5. Выводы.
3. Результаты физического пуска комплекса.
3.1. Наладка инжекции и ускорения ионов С4+ в кольце УК.
3.1.1. Потери частиц при инжекции и на первых оборотах.
3.1.2. Модуляция зарядовой плотности пучка в процессе захвата и ускорения.
3.1.3. Наладка ускорения до максимальной энергии.
3.1.4. Анализ потерь частиц по циклу ускорения.
3.1.5. Наладка быстрого вывода пучка.
3.1.6. Выводы.
3.2. Накопление ионов углерода в кольце У-10.
3.2.1. Транспортировка пучка по переводному ионопроводу.
3.2.2. Экспериментальная проверка кинематических расчетов.
3.2.3. Наладка долговременной циркуляции пучка.
3.2.4. Наладка и оптимизация многократной инжекции и накопления.
3.2.5. Предварительный анализ состояния накопителя. 3.2.6. Выводы.
3.3. Продольная группировка и вывод накопленного пучка.
3.3.1. Выводы.
3.4. Наладка инжекции и ускорения ионов в У-10 до релятивистских энергий.
3.4.1. Выводы.
Задача создания ускорительно-накопительного комплекса для экспериментов на пучках ионов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике возникла как одно из направлений реконструкции существующего в ИТЭФ протонного синхротрона У-10, относящегося к поколению первых кольцевых протонных ускорителей с жесткой фокусировкой, строительство которых велось в конце 50-х годов одновременно в России, США и ЦЕРН. В то время ускорительная техника развивалась стремительно в погоне, в первую очередь, за энергией и интенсивностью ускоренного пучка. Возможности развития в этом направлении протонного синхротрона У-7 на энергию 7 ГэВ, запущенного в ИТЭФ в 1961 г.[1], были исчерпаны к 1980 г., когда в результате двух реконструкций (в 1967 был сооружен новый инжектор на энергию 25 МэВ и в 1974 г. перестроена структура магнитного кольца) - была увеличена энергия ускоренного пучка до 10 ГэВ (ускоритель был переименован в У-10), и интенсивность достигла 1,5-1012 протонов за цикл ускорения [2]. Дальнейшее развитие ускорительного комплекса ИТЭФ могло быть направлено только на расширение его функциональных возможностей.
В 1985 г. был разработан и начал реализовываться проект реконструкции У-10 с целью создания на его основе ускорительного комплекса тяжелых ионов [3,4]. В выбранной схеме предполагалось ускорять малозарядные тяжелые ионы до релятивистских энергий с невысокой интенсивностью для экспериментов по релятивистской ядерной физике [5,6]. В 1989 г. проект был остановлен из-за отсутствия финансирования.
В 1996 г. возникла идея [7] рассмотреть возможность продолжения реконструкции ускорительного комплекса ИТЭФ под новую физическую задачу: исследование состояния вещества с высокой плотностью энергии, получаемой при взаимодействии с веществом ускоренного пучка тяжелых ионов высокой мощности. Имеющиеся в ИТЭФ два магнитные кольца, - синхротрон У-10 и удерживающее кольцо УК, построенное по проекту 1985 года, -позволяли рассматривать схему получения максимальной интенсивности и, соответственно, высокой мощности пучка при помощи накопителя, в качестве которого можно было использовать одно из колец, заполняемое многократно пучком, ускоряемых циклически в другом кольце. Диапазон рассматриваемых энергий накапливаемых ионов определялся предельной магнитной жесткостью кольца УК (12,9 Тл-м), соответствующей удельному импульсу частиц 3,8 ГэВ/с. Однако оказалось, что кольцо УК не может быть использовано в качестве накопителя ионов с максимальной энергией, т.к. конструкция магнитных элементов этого кольца была рассчитана на режим работы быстрого бустерного синхротрона с частотой циклов до 20 Гц и средней рассеиваемой мощностью не выше 10% от максимальной. Таким образом, в проекте ускорительно-накопительного комплекса функции колец однозначно определились: У-10 - накопитель, УК - бустерный синхротрон. Дальнейшая проработка проекта показала, что использование У-10 в качестве накопителя тяжелых ионов с бустерным синхротроном УК позволяет рассчитывать на достижение тераваттного уровня мощности накопленного пучка, давшего название создаваемой установке ИТЭФ-ТВН [8].
Создание установки ИТЭФ-ТВН, не имеющей аналогов в мире и позволяющей в лабораторных условиях изучать нестационарные физико-химические процессы в экстремальных состояниях вещества при импульсном воздействии интенсивным пучком тяжелых ионов запредельной мощности, открывало беспрецедентную возможность получения новых сведений о реальном состоянии и поведении компонентов сверхплотной плазменной материи на всех этапах ее эволюции от момента начала разогрева до достижения экстремальных параметров и последующей деградации [9]. Проникновение в неисследованную область высоких давлений и температур предоставляет уникальную возможность выявить особенности фазовых переходов вещества в экстремальных условиях, а также проследить влияние разнообразных процессов энергетического обмена на его свойства и состояние [10,11]. Эксперименты по исследованию свойств сильно-сжатой и разогретой плазмы имеют не только теоретическое, но и большое практическое значение, т.к. позволят уточнить структуру и эволюцию астрофизических объектов, имитировать физические процессы в мишенях инерционного термоядерного синтеза; описать физическое воздействие интенсивных энергетических потоков на вещество, включая прогнозирование последствий техногенных катастроф, условия вхождения космических объектов в атмосферу тяжелых планет и т.д.
При переоборудовании У-10 в тяжелоионнный накопитель оказалось возможным сохранить существующую технология ускорения в У-10 протонного пучка, а также создать новую возможность получения ионов релятивистских энергий при последовательном их ускорении в синхротронах УК и У-10. Основные проектные характеристики комплекса даны в табл. 1. В настоящее время завершен первый этап реконструкции, в результате которого создана полностью технологическая схема нового комплекса. В процессе реконструкции был построен линейный инжектор ионов И-3 на энергию 4 MB [12], осуществлен физический пуск бустерного синхротрона УК [13], а также впервые реализована циклическая схема перезарядной многократной инжекции ионов из бустерного синхротрона УК в накопительное кольцо, переоборудованное из протонного синхротрона У-10 [14]. В результате пусконаладочных работ было получено накопление ядер углерода в кольце У-10 при энергии 200 МэВ/а.е.м. [15], а также ускорение ядра углерода в У-10 до энергии 4 ГэВ/а.е.м. [16].
Режим работы Параметры пучка
Ускоритель протонов Энергия, ГэВ 10
Интенсивность, с"1 10"
Ускоритель ионов Ускоряемые ионы дои
Энергия, ГэВ/а.е.м. 2-4
Интенсивность, нуклон/с ~ю"
Накопитель ионов Накапливаемые ионы (ядра) до Zn
Энергия частиц, МэВ/а.е.м. до 1000
Энергия пучка, кДж до 100
Мощность пучка на мишени, ТВт ДО 1
В основу диссертации положены: расчет и теоретическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона У-10 с целью создания ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН, предназначенного для экспериментов с пучками тяжелых ионов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике, а также результаты технической реализации проекта, включающей в себя создание, наладку и физический пуск основной технологической схемы.
Научная новизна представленной работы заключается в решении ряда новых вопросов, относящихся к физике пучков заряженных частиц и технике кольцевых ускорителей и накопителей тяжелых ионов.
1. Выполнен комплекс теоретических исследований, составивший инженерно-физическую основу проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ с целью создания на его основе ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН с рекордной импульсной интенсивностью и мощностью ионных пучков в диапазоне энергий до 1 ГэВ/а.е.м.: а) проведен сравнительный анализ особенностей действующих и проектируемых тяжелоионных ускорительно-накопительных комплексов, показана возможность получения в накопительном кольце с перезарядной инжекцией ионов рекордной интенсивности накопленного пучка, сформулированы условия вывода создаваемой установки на тераваттный уровень мощности; б) изучена динамика формирования сильноточного пучка тяжелых ионов на выходе лазерного источника и в канале транспортировки и согласования пучка с доминирующим пространственным зарядом с двухзазорным линейным инжектором, разработана схема линейного канала инжектора, рассчитанная на максимальный выходной ток пучка; в) исследованы проблемы минимизации потерь пучка с неравномерной плотностью и доминирующим пространственным зарядом при инжекции, захвате и ускорении в бустерном синхротроне; г) исследованы проблемы обеспечения высокой эффективности многократной перезарядной инжекции тяжелоионного пучка в накопительное кольцо, выполнен расчет схемы перезарядной инжекции пучка в накопительное кольцо У-10 с эффективностью близкой к единице: д) дано физико-техническое обоснование предельных параметров тяжелоионного комплекса ИТЭФ-ТВН по интенсивности и мощности накопленного пучка.
2. Впервые разработана и применена циклическая схема многократной перезарядной инжекции ядер в накопительное кольцо с предварительным ускорением не полностью ободранных ионов в линейном инжекторе и в бустерном синхротроне.
3. Проведен цикл исследований и оптимизации схемы многократной перезарядной инжекции и условий накопления пучка, позволивший получить рекордное увеличение в 50 раз интенсивности накопленного пучка по отношению к инжектируемому.
4. Впервые реализована трехступенчатая схема ускорения ионов до релятивистских энергий с перезарядной инжекцией пучка из бустерного в основной синхротрон.
Практическая ценность.
1. Создан многофункциональный ускорительно-накопительный комплекс ионов для исследований по актуальным направлениям прикладной и фундаментальной науки и современных технологий: физике высокой плотности энергии в веществе, релятивистской ядерной физике, проблемам топливного цикла, медицинской физике, радиационной стойкости материалов и приборов, физике сильноточных ионных пучков и ускорителей заряженных частиц.
2. Осуществлен режим многократной перезарядной инжекции ионов, ускоренных в о бустерном синхротроне, в накопительное кольцо У-10, при однократной инжекции ~5-10 достигнут уровень интенсивности накопленного пучка 2-1010 ядер углерода с энергией 200 МэВ/а.е.м.
3. Отработана методика продольной компрессии накопленного ионного пучка ВЧ полем, получена ширина импульса сгруппированного пучка 170 не при длительности оборота 1,4 мкс.
4. Получено ускорение ядер углерода до релятивистской энергии 48 Гэв при помощи трехступенчатой эстафетной схемы ускорения, в линейном инжекторе, бустерном и основном синхротронных кольцах.
5. Создана система быстрого вывода пучка из ускорительно-накопительного кольца У-10 в канал транспортировки пучка на экспериментальную установку.
6. Начались и активно ведутся эксперименты на пучках протонов и ионов: ускорительный комплекс отработал в 2003-04 г. на физический эксперимент и прикладные исследования всего 6678 (в 2004 г-3288 ч.), из которых с протонным пучком - 4082 часов (в 2004 г. - 1896 ч.), с ионным пучком в режиме накопления 2280 часов (в 2004 г. - 1392 ч.), с ионным пучком в режиме ускорения ионов до релятивистских энергий - 316 часов.
Основные положения, выносимые на защиту 1. В результате выполненных расчетов и теоретических исследований составлено инженерно-физическое обоснование проекта реконструкции протонного синхротрона ИТЭФ и создания на его основе ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН с рекордной импульсной интенсивностью ионных пучков. Ускорительный комплекс сохраняет при этом возможность ускорения протонного пучка, а также приобретает возможность накопления ионов с энергией несколько сотен МэВ/а.е.м. и ускорения ионов до релятивистских энергий. В основу проекта положен известный способ перезарядной инжекции, впервые адаптированный в разработанном проекте к пучкам тяжелых ионов, для которых детально рассмотрены эффекты взаимодействия с материалом перезарядной мишени и остаточным газом в камере накопителя и определены условия сохранения устойчивости в процессе накопления.
2. Разработанная схема многократной перезарядной инжекции тяжелых ионов в накопительное кольцо У-10 с предварительным циклическим ускорением не полностью ободранных ионов в линейном инжекторе и в бустерном синхротроне УК, рассчитанная на накопление тяжелых ионов с изменением заряда при инжекции в диапазоне Z/Zoe[0,6 , 0,8] и энергией до 1 ГэВ/а.е.м. Предельная интенсивность накопителя определяется его поперечным аксептансом и темпом накопления и' ограничена эффектами кулоновского сдвига бетатронных частот и внутрипучкового рассеяния частиц.
3. Созданная технологическая схема ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН, включает в себя: лазерный источник ионов с энергией лазера 5 Дж, линейный канал ионного инжектора И-3 на энергию 4 MB, бустерный синхротрон УК, канал транспортировки и инжекции пучка из И-3 в бустерный синхротрон УК, систему однооборотного вывода пучка из УК, переводной ионопровод пучка из УК в У-10, систему многократной перезарядной инжекции пучка из УК в У-10 с перезарядной мишенью, установленной на краю рабочей апертуры вакуумной камеры, и подсистемой однооборотного смещения равновесной орбиты накопителя, построенной на основе ударных магнитов для совмещения фазовых объемов инжектируемого и циркулирующего пучка при пересечении с перезарядной мишеныо в момент инжекции очередной порции частиц, систему продольной ВЧ группировки накопленного пучка в У-10, систему однооборотного вывода пучка из У-10 в канал транспортировки на экспериментальную установку.
5. В результате наладки технологической схемы ускорительно-накопительного комплекса: получено ускорение ионов C4f в линейном инжекторе И-3 до энергии 1,3 МэВ/а.е.м. с током до 5 мА, получено ускорение ионов С4+ в бустерном синхротроне УК до максимальной энергии 410 МэВ/а.е.м., соответствующей удельному импульсу частиц 3 ГэВ/с, реализована перезарядная многократная инжекция ионов углерода с энергией до 300 МэВ/а.е.м. из бустерного синхротрона УК в накопительное кольцо У-10 по схеме С4+=> С6+ с частотой повторения циклов инжекции 1/3 с' , и получено накопление ядер углерода с близким к линейному по времени ростом интенсивности пучка в накопителе в продолжение ~100 с ( >30 циклов инжекции), последующим плавным снижением темпа накопления до достижения предельного уровня, соответствующего 50-кратному увеличению интенсивности инжектируемого пучка за один оборот, отработана методика продольной группировки накопленного в У-10 пучка при помощи ВЧ поля на первой гармонике ускоряющей частоты; при длительности оборота циркулирующего пучка 1,4 мкс получена длительность сгруппированного пучка ~ 170 не, реализована перезарядная инжекция ионов углерода с энергией 50 МэВ/а.е.м. из бустерного синхротрона УК в синхротрон У-10 на растущее магнитное поле и последующее ускорение инжектированных ядер углерода в У-10 до энергии 4 ГэВ/а.е.м., накопленный либо ускоренный в У-10 пучок ионов или протонов с импульсов до 4ZP ГэВ/с выводится за один оборот в канал транспортировки на экспериментальную установку.
Апробация работы.
Результаты работы нашли свое подтверждение в работах нескольких экспериментальных групп с накопленным и выведенным пучком ядер углерода, а также пучком ядер углерода, ускоренным до энергии 4 ГэВ/а.е.м.
Работы докладывались на семинарах ИТЭФ, на конференциях РАС в 1999 г., 2001 г., ЕРАС в 1998 г., 2000 г., 2002 г., RuPAC в 1998 г., 2000 г., 2002 г., 2004 г., HIF в 2002 г., RIKEN Workshop в 1998 г., семинаре им. Саранцева в ОИЯИ в 1997 г., 2003 г.
Публикации.
В печати опубликовано 29 статей: Письма ЖЭТФ - 1, Атомная Энергия - 3, Письма в ЭЧАЯ - 1, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research - 3, Laser and Particle Beams -3, Physica Scripta - 1, Препринты ИТЭФ - 4, Труды RuPAC - 8, Труды ЕРАС - 2, Труды РАС - 2, Труды HIF - 1. Часть материала изложена в материалах проекта ИТЭФ-ТВН и внутренних отчетах ИТЭФ.
Диссертация содержит 182 страницы, 116 рисунков, 55 таблиц, 172 наименования ссылок. Состоит из введения, трех глав и заключения. Перейдем к краткому описанию содержания глав диссертации.
Основные результаты работы кратко можно сформулировать следующим образом:
1) Разработан и теоретически обоснован концептуальный проект создания на основе протонного синхротрона ИТЭФ У-10 тяжел оиониого ускорительно-накопительного комплекса тераваттного уровня мощности накопленного пучка в диапазоне энергий нескольких сотен МэВ/а.е.м., а также ускоряемого пучка ионов до энергий 2-4 ГэВ/а.е.м.
На основе анализа применения различных типов ионных источников показано, что максимально высокая интенсивность накопленного пучка тяжелых ядер может быть получена с использованием либо ионного источника типа ECR, либо лазерного ионного источника. При использовании источника типа ECR можно получать и накапливать с высокой эффективностью ядра элементов до 9зМо42+ включительно, однако в этом случае необходима система многооборотной инжекции пучка в бустерный синхротрон УК, позволяющая увеличивать интенсивность инжектированного пучка по отношению к первому обороту в 5-10 раз. Лазерный ионный источник на основе СОг лазера с интенсивностью излучения >10' Вт/см2 позволяет рассчитывать на получение ионов с потенциалом ионизации до 1 кВ и, соответственно, на накопление ядер элементов до 64Zn30+ и ускорения до релятивистских энергий ионов до урана.
При извлечении максимального тока пучка из факела лазерной плазмы на выходе разрывающего промежутка наиболее оптимальной является широкоапертурная трехэлектродная конфигурация разрывающего промежутка с отсутствием фокусировки в ускоряющем поле между первым и вторым плоскими электродами и тормозящим фокусирующим полем между вторым плоским и третьим цилиндрическим электродами. Выбор способа транспортировки пучка от разрывающего промежутка лазерного ионного источника до линейного инжектора связан с условиями согласования и конструктивными особенностями конкретного ускорителя. В инжекторе И-3 максимальный ток ускоренного пучка определяется оптимальным положением группирователя, при котором максимальная скорость увеличения продольной плотности пучка приходится на фокусирующую часть первого ускоряющего зазора резонатора И-3. Из-за низкой энергии и большого пикового тока пучка на выходе И-3 динамика поперечного движения частиц в кольце бустерного синхротрона УК определяется дефокусирующими силами пространственного заряда, приводящими к потерям частиц на первых оборотах, и некогерентному сдвигу бетатронных частот, увеличивающему потери частиц при захвате и ускорении пучка.
Показано, что в линейном инжекторе И-3 могут ускоряться ионы с любым отношением Ap/Zp в нерезонансном режиме, при этом их максимальная энергия не выходит за диапазон (1,1-7-2)2^^0, при этом пучок с максимальной энергией на выходе И-3 может быть получен группировкой частиц на входе И-3 в соответствующей области фаз ускоряющей частоты резонатора. Интенсивность ускоренного пучка в этом случае зависит от изменения плотности частиц в процессе ускорения. Интенсивность пучка, ускоряемого в нерезонансном режиме можно также увеличивать, изменяя фазовую длину пролетной трубки уменьшением амплитуды ускоряющего напряжения, однако при этом не удается получить выигрыш в энергии ускоренного пучка.
Для получения максимальной интенсивности ускоренного в бустерном синхротроне пучка необходим инжекционный комплекс, обеспечивающий равномерное заполнение продольного аксептанса ускорителя под кулоновский предел. При использовании линейного инжектора с лазерным ионным источником требуемое для заполнения кольца количество ионов может быть получено в коротком импульсе, не превышающем по длительности период обращения пучка в кольце, и равномерность заполнения кольца будет определяться формой этого импульса и его банчевой структурой. Предельная интенсивность УК при инжекции ионов с энергией 7 МэВ/а.е.м. от высокочастотного линейного инжектора И-4 определяется кулоновским пределом и будет частично ограничиваться неравномерностью вершины импульса тока пучка на выходе ионного источника. При инжекции пучка от низкочастотного инжектора И-3 предельная интенсивность УК ограничивается на уровне 0,1-0,15 от кулоновского предела банчевой структурой инжектируемого пучка и величиной пикового(банчевого) тока.
Схема перезарядной инжекции тяжелых ионов, предложенная для ТВН, основывается на минимизации возмущающего воздействия перезарядной мишени на пучок за счет повышения энергии перезаряжаемых ионов, с ростом которой появляется возможность инжектировать голые ядра, для которых возмущающее воздействие мишени оказывается минимальным, и уменьшения числа прохождений накопленными частицами через мишень. Для этого мишень размещается целиком вне рабочей апертуры вакуумной камеры накопителя, и свободно циркулирующий пучок набрасывается на мишень только в момент инжекции при помощи однооборотного смещения равновесной орбиты, создаваемого ударными магнитами.
В рассматриваемом для ТВН диапазоне энергий накапливаемых ионов с атомным номером до 30 обеспечиваются условия значительного превышения вероятности ионизации электронов К-оболочки над суммарной вероятностью рекомбинаций, позволяющие при оптимальном числе атомов перезарядной мишени в диапазоне значений 1018-И021 см'2 в зависимости от материала мишени, а также энергии и атомного номера быстрых ионов инжектировать голые ядра с эффективностью >99%.
При оптимальной толщине перезарядной мишени потери частиц из-за кулоновского рассеяния на большие углы для всех рассматриваемых ионов не превышают 10~3. Динамическое увеличение эмиттанса пучка из-за многократного кулоновского рассеяния при центральной инжекции и аксептансе кольца Ax z>50 п мм-мрад также не велико и практически не ограничивает предельный коэффициент увеличения интенсивности инжектируемого пучка.
Влияние на динамику поперечного движения накапливаемого пучка ионизационных потерь энергии быстрыми ядрами при пересечении мишени зависит в существенной мере от размера свободной от резонансов окрестности рабочей точки в клетке бетатронных резонансов и хроматичности пучка по бетатронным частотам. При оптимальной величине коэффициентов хроматичности 7]хл& -5 и наибольшего смещения импульса при пересечении мишени с оптимальной толщиной увеличение разброса частиц по бетатронным частотам составляет ~ 1,5 ТО"2 на сотню пересечений. Полученная величина не является критичной для реально достижимой области устойчивости в клетке бетатронных резонансов.
Анализ известных из магнитных измерений возмущений магнитного поля структурных блоков накопителя показывает, что возбуждаемые этими возмущениями резонансы 2-го, 3-го, 4-го и 5-го порядка существенно не ограничивают область устойчивого движения в окрестности любой из рабочих точек. Полосы неустойчивости, создаваемые резонансами, неизбежно приводят к потерям частиц, непосредственно оказавшихся в зоне их действия. Наибольшие ограничения связаны с секступольным резонансом 3Qz-28 и косым октупольным резонансом 2QX+2QZ=37.
За основу предельных параметров ТВН по интенсивности Nmax, энергии Етах и мощности Ртах накопленного пучка принят критерий предельной интенсивности циркулирующего непрерывного пучка по некогерентному сдвигу бетатронной частоты из-за кулоновских сил расталкивания частиц. Полученные значения Nmax показывают, что энергия накопленного в ТВН пучка ионов по кулоновскому пределу может превышать уровень 100 кДж при равномерном по продольной плотности частиц заполнении кольца. Продольная группировка пучка при помощи ускоряющего ВЧ поля позволяет увеличить пиковую плотность частиц в несколько раз, что соответствует увеличению пиковой мощности пучка до тераваттного уровня при достаточной величине поперечного аксептанса ускорителя и при условии обеспечения устойчивости пучка в процессе группировки, требующей отдельного теоретического и экспериментального исследования.
Предельная интенсивность накопленного пучка по критерию Кейла-Шнеля для продольной неустойчивости, рассчитанная для разброса частиц (5р/р)=0,5% на полувысоте типичных функций распределения, заданных на конечном отрезке монотонно спадающими к концам, превышает соответствующие предельные значения по некогерентному кулоновскому сдвигу бетатронных частот при условии обеспечения продольного импеданса связи, соответствующего гладкой камере.
Поперечная неустойчивость накапливаемого пучка способна развиваться при интенсивности существенно меньшей предельного значения по некогерентному кулоновскому сдвигу бетатронных частот. Формирование в процессе накопления специальной формы распределения частиц по импульсам с длинным «хвостом», содержащим до 10% частиц, позволяет отодвинуть пороговое значение интенсивности для поперечной неустойчивости более чем на порядок. Эффективным средством решения проблемы поперечной неустойчивости являются также активные методы ее подавления, широко используемые на многих ускорителях.
Внутрипучковое рассеяние приводит к увеличению разброса частиц по импульсам с ростом интенсивности накопленного пучка. Параметр скорости увеличения импульсного разброса —-— меняется на три порядка при изменении ср. кв. разброса по импульсам ст в Nrp диапазоне от 0,1% до 1%. Это является серьёзным препятствием для накопления большого числа частиц с малым импульсным разбросом. Уровень интенсивности накопленного пучка, соответствующий предельным для ТВН значениям по некогерентному кулоновскому сдвигу бетатронных частот, может быть достигнут при длительности полного цикла накопления -7-12 с и допустимом ср. кв. разбросом частиц по импульсам <т ~1%. Кроме режима ускорения ядер углерода до энергии 920 МэВ/а.е.м., предельная интенсивность бустерного синхротрона УК с инжектором И-4 по критерию внутрипучкового рассеяния частиц оказывается с небольшим запасом достаточной для обеспечения такого темпа накопления при частоте повторения циклов ускорения -20 Гц, на которую рассчитаны магниты УК.
2) Создана основная технологическая схема комплекса ИТЭФ-ТВН, включающая в себя лазерный ионный источник, ионный инжектор И-3 на энергию 4 MB, бустерный синхротрон УК с системой инжекции И-З/УК и системой быстрого вывода пучка в переводной ионопровод УК/У-10, тяжелоионный накопитель У-10 с системой перезарядной инжекции ускоренного в УК пучка и системами продольной группировки и быстрого вывода пучка в канал транспортировки на экспериментальную мишень. Выбранная схема реконструкции ускорительного комплекса является достаточно перспективной, т.к. в ней эффективно используется сложившаяся ранее инфраструктура комплекса и при минимальных затратах на строительные работы и дорогостоящее оборудование создается качественно новая установка с возможностью ее дальнейшего совершенствования.
Созданная структура линейного канала инжектора И-3 позволила исследовать и оптимизировать параметры ионного пучка на выходе лазерного источника, наладить с пучком и провести измерения рабочих характеристик ускоряющего резонатора и системы его питания, исследовать характеристики группирователя, фокусирующих элементов и сепарирующего пучок по зарядам элемента - фильтра Вина. Используя структуру линейного канала И-3, были проведены численные и экспериментальные исследования возможности сепарации пучка определенной зарядности на входе ускоряющего резонатора при помощи фильтра Вина. По результатам экспериментов с многокомпонентным пучком ионов углерода показано, что фильтр Вина может эффективно использоваться для выделения требуемой зарядовой компоненты при общем токе пучка в несколько сотен мА при условии разработки компактной конструкции фильтра с эффективной длиной 1Эфф~100 мм и полем Ех/Ву=б-102/0,33 [кВ/Тлм]. Такая конструкция может быть применена для сепарирования зарядовой компоненты пучка с Ap/Zp-3 и EK=5-l(f эВ/2р с разрешением по заряду до 10%.
Созданный бустерный синхротрон УК решает проблему ускорения любых типов ионов до энергии накопления либо последующего ускорения в кольце У-10. Исследование характеристик магнитного кольца УК, выполненное на протонном пучке с энергией 25 МэВ с на пучке четырехзарядных ионов углерода, показало, что рабочая точка без коррекции магнитного поля при одинаковых значениях токов в магнитах и квадрупольных линзах близка к расчетному значению Qx,z=5,75 по циклу ускорения, коррекция равновесной орбиты в вертикальной и горизонтальной плоскости не превышает нескольких миллиметров.
Система однооборотной инжекции пучка в УК, построенная по классической схеме с электростатическим инфлектором и септумным магнитом с минимизированным рассеянным полем, обеспечивает инжекцию пучка с фазовым объемом, соответствующим аксептансу ускорителя полностью удовлетворяет требованиям сильноточного ускорителя.
Две действующие в настоящее время системы генерации магнитных циклов УК обеспечивают режимы работы комплекса с накоплением ионов и ускорением протонов и ионов с атомным номером не выше Ар~100 до релятивистских энергий. Для ускорения более тяжелых ионов до предельной энергии У-10 потребуется дополнительная система генерации циклов на основе мотор-генератора и 12-фазного ВТП с максимальным током 2 к А с использованием второго имеющегося в ИТЭФ мотор-генератора.
Проблема создания ускоряющей ВЧ-системы УК с коэффициентом перестройки по частоте Kf>15 решена при помощи двух ускоряющих станций с ферритовым заполнением, перекрывающих при совместном использовании частотный диапазон (0,63+10,5) МГц при амплитуде укоряющего напряжения до 10 кВ и использованием эстафетной схемы ускорения, в которой пучок перезахватывается с одной ускоряющей станции на другую на растущем магнитном поле.
Толстостенная вакуумная камеры УК ограничивает в настоящее время допустимую скорость подъема магнитного поля в УК на уровне 1 Тл/с и должна быть заменена на новую. Средний вакуум в камере УК, оцениваемый по потерям ионов С4+ при долговременной циркуляции и ускорении величиной ~2-10"9 Торр, не соответствует установленным требованиям и снижает трансмиссию пучка в 2-3 раза. Для улучшения вакуума необходима ревизия вакуумной системы с использованием средств анализа по массам остаточного газа в камере и поиска микротечей на уровне предельного вакуума кольца, которые в настоящее время отсутствуют.
Система быстрого вывода пучка из синхротрона УК построена на основе шестимодулыюго ударного магнита, отклоняющего пучок с импульсом до 3ZP ГэВ/с на угол 16 мрад, и рассчитана на поперечный максимальный фазовый объем выводимого пучка £х=20 it мм мрад в горизонтальной плоскости и sz=12 я мм мрад в вертикальной плоскости. Расчетная эффективность вывода составляет 90% для сгруппированного пучка на первой кратности ускоряющей частоты в диапазоне энергий ускоренного пучка от нескольких десятков МэВ/а.е.м. до предельной энергии синхротрона.
Основные технические и конструкторские решения, использованные при переоборудовании протонного синхротрона У-10 в тяжелоионный накопитель, в существенной мере определялись особенностями структуры магнитного кольца У-10 и сложившейся схемой размещения в этой структуре вспомогательного оборудования, т.к. одно из условий реконструкции комплекса состояло в сохранении существующей технологии ускорения и использования в экспериментах протонного пучка максимальной энергии.
Компактная конструкция ионопровода УК/У-10 построена на основе импульсных магнитных элементов и обеспечивает транспортировку пучка с импульсом до 3ZP ГэВ/с и эмиттансом в обеих плоскостях до 15 тс мм мрад.
Система многократной перезарядной инжекции с использованием однооборотного смещения циркулирующего в накопителе пучка на перезарядную мишень в момент инжекции очередной порции частиц, рассчитана на однократное прохождение части циркулирующего пучка через перезарядную мишень в каждом цикле инжекции; таким образом, обеспечивается минимальное возмущающее воздействие мишени на накапливаемый пучок. Кинематическая схема перезарядной инжекции рассчитана на отношение зарядов инжектируемого и циркулирующего пучка Z/Zo=0,7 с допуском ±0,1. Для ионов с большим отклонением величины Z/Zo от номинального значения должно быть изменено азимутальное положение перезарядной мишени (установлена дополнительная мишень с необходимым азимутальным смещением.
Коррекция нелинейного поля на траектории инжекции шиммированием вводного блока устраняет деформацию эмиттанса пучка и уменьшает угол необходимого отклонения траектории в септумном магните.
Система однооборотного смещения орбиты, собранная из трех одномодульных ударных магнитов, позволяет отклонять пучок с импульсом 3ZP ГэВ/с на угол до 3 мрад, соответствующий смещению орбиты в точке установленной мишени ~20 мм.
Система быстрого вывода пучка из У-10 построена на основе пятисекционного ударного магнита и септумного магнита двойного назначения, направляющего инжектируемый пучок на перезарядную мишень и отклоняющего пучок в выводной ионопровод, соответственно, при прямом и инвертированном поле в магнитном зазоре. Эффективность быстрого вывода определяется в существенной мере нелинейностью магнитного поля на выводной траектории в магнитном блоке У-10. Расчеты показывают, что шиммирование блока по всей его длине приводит к увеличению угла отклонения пучка при выводе в ударном магните до 15 мрад, и увеличению эффективности вывода до 98%.
3) Выполнены наладка и запуск инжектора И-3 на ионах четырехзарядного углерода, получен ускоренный пучок с энергией 4 MB с током основной зарядовой компоненты -5 мА. Анализ созданной структуры согласующего канала, выполненный на основе экспериментальных данных и числениого моделирования показал, что достигнутые параметры ускоренного пучка, - пиковый (банчевый) ток 200 мА при ширине банчей на полувысоте -18 не, - ограничиваются потерями частиц на входе ускоряющего зазора резонатора из-за большой расходимости пучка по^ действием возрастающих* при продольной группировке кулоновских сил пространственного заряда. В результате численной оптимизации динамики поперечного движения частиц на входе в первый ускоряющий зазор резонатора удается минимизировать потери частиц и поднять ср. импульсный ток ускоренного пучка до 15-20 мА.
4) Выполнен физический пуск бустерного синхротрона УК на ионах четырехзарядного углерода, максимальная полученная энергия составляет 420 МэВ/а.е.м., интенсивность 109 ионов за цикл ускорения.
Специфика банчевой структуры пучка на выходе инжектора И-3, связанная с высокой скважностью и низкой частотой следования банчей (2,5 МГц) с пиковым током в 20-25 раз превышающим предел по кулоновскому сдвигу бетатронных частот в синхротроне УК, определяет динамику потерь частиц на первых оборотах и на начальном этапе ускорения. Полученная эффективность инжекции пучка в синхротрон УК соответствует расчету для пикового тока пучка 40-50 мА на входе в кольцо. Эффективность захвата пучка в режим ускорения определяется размером сепаратрисы при равновесной фазе ускоряющего поля -30°.
Наладка режима ускорения пучка до максимальной энергии в процессе физического пуска ускорителя включала в себя настройку синхронизации запуска задающего генератора системы управления радиочастотой и подъема ускоряющего напряжения, подбор коррекции расчетной функции управления радиочастотой, подбор оптимальной функции амплитуды ускоряющего напряжения от скорости подъема магнитного поля на начальном участке ускорения и настройку эстафетной схемы перезахвата пучка с одной ускоряющей станции на другую на растущем магнитом поле.
Эксперименты с быстрым выводом пучка из УК показали, что созданная система вывода соответствуют расчетам: при максимальном напряжении на зарядной линии системы питания шестимодульного ударного магнита 45 кВ может быть выведен пучок с импульсом p=2,6Zp МэВ/с без смещения орбиты на участке вывода и с импульсом до p=3,lZp МэВ/с при смещении орбиты на 10 мм на участке вывода
5) Выполнен физический пуск накопителя У-10 с системой многократной перезарядной инжекции с использованием ионов углерода при энергии 200 МэВ/а.е.м. по схеме С4+=>С6+, получена интенсивность накопленного пучка 2-1010 частиц, соответствующая ~50-кратному увеличению числа частиц, инжектируемых на каждом обороте.
При транспортировке пучка по переводному ионопроводу с использованием импульсных поворотных магнитов, существенным фактором, влияющим на точность и стабильность воспроизведения расчетного режима, оказалось запаздывание индукции магнитного поля относительно тока в обмотках.
Точность расчета кинематической схемы перезарядной инжекции с прохождением траектории пучка с неравновесным зарядом в области нелинейных полей магнитных блоков накопителя экспериментально подтвердилась при получении замкнутого оборота инжектированого пучка. В процессе последующей наладки долговременной циркуляции инжектированного пучка было выявлено и устранено влияние возмущающих эффектов на поперечную устойчивость пучка в накопительном кольце, связанных с индуцированной импульсными магнитными элементами э.д.с. в контурах, образованных заземленной в нескольких местах вакуумной камерой накопителя, и циклирующего магнитного поля, создаваемого кольцевым током цепи питания магнитов бустерного синхротрона УК.
Для компенсации потери энергии ионов при пересечении мишени наладка и оптимизация накопления пучка выполнялась с минимальной амплитудой ускоряющего напряжения (<1 кВ), обеспечивающего сохранение импульсного разброса инжектируемого пучка в сепаратрисе накопительного кольца. Устойчивое накопление пучка в кольце У-10 было получено в результате стабилизации работы всех технологических систем и тонкой настройки и согласования параметров траектории инжекции, поперечных координат перезарядной мишени, равновесной орбиты накопителя, амплитуды однооборотного возмущения орбиты и рабочей точки в клетке бетатронных резонансов.
Сделанные в процессе накопления пучка измерения его параметров показывают, что эффективность перезарядной инжекции близка к абсолютному значению для части инжектируемого пучка, попадающей на вершину импульса однооборотного смещения орбиты. При существующем качестве накопителя продолжительность роста интенсивности накапливаемого пучка составляет несколько сотен циклов инжекции. По мере увеличения интенсивности накапливаемого пучка эффективность инжекции снижается, т.к. растут потери частиц из-за увеличения поперечного фазового объема пучка, связанного с неидеальностями системы инжекции, взаимодействием пучка с остаточным газом и другими возмущающими факторами.
6) Налажена система продольной группировки пучка, накопленного при минимальной амплитуде ускоряющего напряжения. При увеличении ускоряющего напряжения с минимального уровня 1 кВ до максимального 10 кВ, получен импульс сгруппированного пучка шириной на полувысоте 170 не при длительности периода обращения пучка 1,4 мко.
Наибольшая эффективность продольной группировки пучка при помощи быстрого увеличения амплитуды ускоряющего напряжения достигается при сохранении в процессе накопления продольного фазового объем инжектируемого пучка в области фаз линейных синхротронных колебаний частиц в окрестности равновесной фазы (ps=0. Полученный результат соответствует трехкратной компрессии накопленного пучка при максимальной амплитуде ВЧ напряжения одной ускоряющей станции У-10. С использованием установленных на кольце У-10 пяти ускоряющих станций с суммарной амплитудой ускоряющего напряжения 50 кВ таким образом можно получать семикратное уменьшение ширины импульса пучка до -80 не с интенсивностью, ограниченной эффектами коллективной неустойчивости для сгруппированного пучка.
При накоплении непрерывного пучка максимальный фактор продольной группировки определяется допустимым диапазоном изменения импульсного разброса пучка, поэтому зависит от его начального значения. Т.к. при отсутствии ускоряющего поля импульсный разброс инжектированного пучка не сохраняется, эффективность группировки существенно снижается. Возможные способы решения этой проблемы в накопителе ТВН требуют дополнительных исследований.
7) Налажена система быстрого вывода и транспортировки пучка на экспериментальную мишень, которая позволила приступить к экспериментам с выведенным пучком ядер углерода. В первых экспериментах с быстрым выводом пучка была получена эффективность (50-^60)%. Недостаточная эффективность вывода связывается с неполным шиммированием нелинейного поля на траектории вывода, а также частичным заужением апертуры выводного канала на выходе нейтрального полюса магнитного блока на трассе вывода, в котором использовался существующий канал, несколько отклоняющийся от заданного направления вывода. Дальнейшее увеличение эффективности вывода до проектного значения -98% будет получено после дополнительного исправления нелинейности поля и расширения апертуры канала в нейтральном полюсе блока.
8) Проведены экспериментальные исследования динамики пучка в процессе ускорения в синхротроне УК и накопления в У-10, определены основные факторы, ограничивающие интенсивность ускоренного и накопленного пучка.
Интенсивность бустерного синхротрона УК при работе с инжектором И-3 определяется в настоящее время структурой инжектируемого пучка с крайне высокой пиковой плотностью частиц при низкой частоте следования сгустков и не достаточно высоким вакуумом в кольцевой камере. Повышение интенсивности в 5-7 раз может быть получено в результате ревизии вакуумной системы и модернизации системы формирования магнитного цикла с отработкой методики распускания инжектированного пучка при квазипостоянном магнитным поле с последующим адиабатическим захватом и ускорением.
Общая оценка состояния накопительного кольца и системы перезарядной инжекции получена на основании экспериментально измеренных постоянных времени потерь накопленного пучка при выключенной и включенной системе однооборотного смещения орбиты. Существующему качеству системы перезарядной инжекции, учитывающему также динамическую апертуру накопителя Ахл, соответствует максимальный коэффициент увеличения интенсивности инжектируемого пучка kix=110. Потери накопленного пучка, не связанные с процессом инжекции, снижают общий коэффициент увеличения интенсивности до полученного значения кх=50. Уменьшение возмущения накопленного пучка при инжекции, повышение вакуума в накопителе и расширение динамической апертуры накопителя за счет улучшения качества коррекции магнитного поля позволяет рассчитывать на уменьшение потерь накопленного пучка в 2-3 раза. С учетом резервов повышения интенсивности бустерного синхротрона и эффективности перевода пучка в накопительное кольцо можно предполагать увеличение предельной интенсивности накопленного пучка ядер углерода до (3-^8) 10й
9) В результате необходимой модификации систем сонхротрона У-10 с использованием системы перезарядной инжекции выполнен физический пуск трехступенчатой схемы ускорения И-З/УК/У-10 на ионах углерода и получена энергия ускоренного пучка 4 ГэВ/а.е.м. с интенсивностью 108 частиц за цикл ускорения.
Опробованная схема ускорения ионов до релятивистских энергий является универсальной и может применяться с той или иной эффективностью практически для любых типов ионов. Создание второй сильноточной системы генерации магнитных циклов расширит диапазон ускорения ионов в бустерном синхротроне до самых тяжелых, а также позволит поднять интенсивность ускоренного пучка ионов за счет повышения энергии инжекции У-10.
Реконструкция ускорительного комплекса ИТЭФ стала важным этапом обновления экспериментальной базы Института и создания новых возможностей для фундаментальных и прикладных исследований с использованием ускоренных пучков заряженных частиц по актуальным направлениям современной науки, техники и технологии: физике высокой плотности энергии в веществе, фундаментальной релятивистской ядерной физике, проблемам топливного цикла, медицинской физике, радиационной стойкости материалов и приборов, физике сильноточных ионных пучков и ускорителей заряженных частиц.
На созданном в результате реконструкции ускорительно-накопительном комплексе ионов начались исследования по всем перечисленным направлениям. Комплекс отработал в 2003-04 г. на физический эксперимент и прикладные исследования всего 6678 (в 2004 г 3288 ч.), из которых с протонным пучком - 4082 часов (в 2004 г. - 1896 ч.), с ионным пучком в режиме накопления 2280 часов (в 2004 г. - 1392 ч.), с ионным пучком в режиме ускорения ионов до релятивистских энергий - 316 часов.
Дальнейшее развитие комплекса позволит обеспечить постоянное повышение научно-технического уровня проводимых исследований в соответствии с возрастающими требованиями физического эксперимента. Наладка созданной в результате реконструкции протонного синхротрона У-10 технологической схемы ускорительно-накопительного комплекса ИТЭФ-ТВН показала возможность его использования в следующих основных режимах: 1) ускорение протонов до энергии 10 ГэВ, 2) ускорение ионов до энергии, ограниченной максимальной жесткостью магнитного кольца У-10 (34 Тл-м), 3) накопление ионов с энергией несколько сотен МэВ/а.е.м., 4) ускорение четырехзарядных ионов углерода в УК до энергии 410 МэВ/а.е.м. Ближайшее развитие комплекса направлено на ускорение и накопление более тяжелых ионов, увеличение интенсивности ускоренного и мощности накопленного пучка, а также модернизацию существующих и создание новых экспериментальных установок.
Самые тяжелые ионы смогут ускоряться (до U ) и накапливаться (до Zn )после увеличения мощности лазера в ионном источнике до 50-100 Дж. Работы по монтажу нового лазерного ионного источника в настоящее время близятся к завершению. В конструкцию лазерного источника заложена возможность быстрой смены материала мишени, что позволит вести эксперименты с несколькими типами ионов.
Для кардинального увеличения (на порядок и более) интенсивности ускоренных ионных пучков создается сильноточный ионный инжектор И-4 на энергию 7-8 МэВ/а.е.м. с ускоряющей частотой 83 МГц. В настоящее время проект нового инжектора разработан и начато изготовление его ускоряющей структуры. При адекватном финансировании работа по сооружению нового инжектора может быть завершена за 3-4 года.
Как отмечалось выше, максимальная энергия и мощность накопленного пучка могут быть достигнуты при кардинальном увеличении скорости накопления ионов за счет повышения частоты повторения циклов ускорения пучка в бустерном синхротроне УК и, соответственно, частоты инжекции пучка в накопительное кольцо до 20 Гц. Для реализации столь высокого темпа ускорения пучка в УК необходима распределенная система генерации магнитных циклов с максимальным напряжением ~20 кВ и ускоряющая система с суммарным напряжением до 200 кВ. Т.к. амплитуда напряжения на ускоряющем зазоре одной станции при существующих технологиях ограничивается, как правило, величиной не более 10 кВ при габаритном размере станции ~2 м, для размещения всей системы на кольце синхротрона требуется не менее 40 м прямолинейных промежутков. Уникальность магнитной структуры УК, отличающая это кольцо от всех существующих в мире синхротронов, состоит в наличии большого числа (по два в каждом из 21 периода) трехметровых прямолинейных промежутков, в которых может быть легко установлена такая система. Таким образом, в мире не появится в обозримом будущем ускорительного комплекса, способного конкурировать с комплексом ИТЭФ по темпу накопления ионов, а, следовательно, и по интенсивности накопленного пучка.
Одно из направлений дальнейшего развития комплекса состоит в освоении технологии накопления высокой интенсивности пучка ядер с Zp>30. Для этого необходимо усовершенствовать технологию генерации сильноточных пучков высокозарядных ионов с использованием лазера для повышения потенциала ионизации выше 1 кВ, или использовать ионный источник типа ECR и создать многооборотную систему инжекции пучка в УК.
Кольцо УК может быть также использовано для экспериментов на циркулирующем пучке с использованием сверхтонких газо-струйных, кластерных и капельных внутренних мишеней с толщиной 1014-1016 частиц/см2. Экспериментальная установка может быть размещена в 6-метровом прямолинейном промежутке магнитной структуры УК. Схема получения циркулирующего пучка ионов в УК может быть разная: пучок либо непосредственно получается ускорением в этом кольце, либо переводится в кольцо УК после накопления до максимальной интенсивности из кольца У-10.
Экспериментальное исследование физических и технологических проблем сильноточных ионных пучков и ускорителей заряженных частиц является также одним из приоритетных направлений использования комплекса. Многокомпонентный пучок высокозарядных ионов с доминирующим пространственным зарядом генерируется в настоящее время на выходе лазерного источника. Дальнейшее исследование проблем сепарации, транспортировки, группировки и формирования оптимальной конфигурации такого пучка в согласующем канале линейного инжектора представляет научный и практический интерес для создания сильноточных ускорителей тяжелых ионов. На выходе линейного инжектора И-3 уже получен пучок ионов углерода с доминирующим пространственным зарядом с энергией 4 MB и пиковым током до 300 мА при длительности импульсов 15-20 не. Как было показано, пиковый ток этой установки может быть доведен до ~2 А. Пучок со столь высокой зарядовой плотностью может использоваться для решения технологических проблем тяжелоионных драйверов на стадии транспортировки, формирования и ускорения сильноточного пучка промежуточной энергии. Будет продолжено исследование проблем инжекции и ускорения сильноточного пучка от инжектора И-3, а в последующем и от И-4, - в синхротроне УК. В накопительном кольце У-10 наряду с проблемами обеспечения поперечной и продольной устойчивости сильноточного пучка будет решаться проблема получения максимальной плотности частиц при быстрой группировке с многократным превышением кулоновского предела по некогерентному сдвигу бетатронных частот. Формирование пучка определенной конфигурации и максимальной плотности на экспериментальной мишени представляет собой отдельное направление физических и технологических исследований.
Таким образом, использование имеющихся резервов развития созданного в ИТЭФ комплекса позволит вывести его по эксплуатационным параметрам и качеству проведения физических экспериментов на уровень лидирующих в мире тяжелоионных комплексов средних энергий и поддерживать это состояние в следующем десятилетии.
Выношу искреннюю благодарность Шаркову Борису Юрьевичу, первому высказавшему идею преобразования протонного синхротрона У-10 в ускорительно-накопительный комплекс тяжелых ионов на основе перезарядной инжекции и оказавшего огромную поддержку проекту, без которой его реализация была бы невозможной, Кошкареву Дмитрию Георгиевича, внесшему огромный вклад в обоснование проекта и уточнение структуры комплекса, Щеголеву Владимиру Александровичу, главному организатору и инженерному руководителю всех работ по реконструкции, Заводову Виталию Петровичу и Мильяченко Александру Дмитриевичу, сумевшим решить радиотехнические и высоковольтные проблемы, Никитину Геннадию Андреевичу, обеспечившему работоспособность и необходимый уровень стабильности бесчисленных систем импульсного питания ионопроводов, системы перезарядной инжекции и систем коррекции магнитного поля, Николаеву Владимиру Ивановичу, добившемуся надежной и стабильной работы от инжектора И-3, Соснину Дмитрию Вадимовичу, создавшему систему диагностики пучка, Гапоненко Сергею Владимировичу и ушедшему из жизни Завражнову Василию Семеновичу, обеспечившим модернизацию и работоспособность систем управления и синхронизации, Горячеву Юрию Михайловичу, разработавшему конструкцию перезарядной мишени, Потрясовой Элле Ивановне, обеспечившей необходимую точность геодезической расстановки всех элементов ускорительного комплекса, Алексееву Петру Николаевичу, разработавшему и построившему системы управления радиочастотой для обоих синхротронов, Кондратьеву Юрию Константиновичу, обеспечившему работоспособность всех высоковольтных систем, руководителям служб ускорительного комплекса, обеспечившим выполнение всех работ по реконструкции, а также запуск, наладку и эксплуатацию комплекса: Щелканову Михаилу Валериановичу, Окорокову Игорю Сергеевичу, Балануце Владимиру Николаевичу, Журавлеву Анатолию Сергеевичу, Петрухину Вячеславу Федоровичу, Кириллову Алексею Васильевичу, инженерам и энтузиастам всех дел на ускорителе, Кузнецову Виктору Алексеевичу, Буланову Юрию Ивановичу, Самсонову Виктору Григорьевичу, сотрудникам МРТИ Мамаеву Геннадию Леонидовичу и ушедшему из жизни Краснопольскому Всеволоду Алексеевичу, создавшим ударные магниты для систем вывода и перезарядной инжекции, всем сотрудникам отдела 130 и Института, поддержавшим проект и принимавшим участие в реконструкции.
Заключение
Цель настоящей работы состояла в теоретическом обоснованиии, разработке и реализации структурной схемы сильноточного ускорительно-накопительного комплекса тяжелых ионов ИТЭФ-ТВН, создаваемого для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе и релятивистской ядерной физике на основе протонного синхротрона ИТЭФ У-10, и исследовании предельных параметров создаваемого комплекса по энергии, интенсивности и мощности ускоренного и накопленного пучка на последовательных этапах его развития.
