Установки электронного охлаждения с изменяемым профилем электронного пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

4846743

БУБЛЕИ Александр Валентинович

УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПРОФИЛЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц п ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 9 МАЙ 2011

НОВОСИБИРСК - 2011

4846743

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ПАРХОМЧУК Василий Васильевич

- доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

САЛИМОВ Рустам Абельевич

ЯКОВЕНКО Сергей Леонидович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

- доктор технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

- доктор физико-математических наук, Объединённый институт ядерных исследований, г. Дубна.

- ГНЦ РФ «Институт экспериментальной физики», г. Москва.

Защита диссертации состоится « /0 » Ш-ОИ-Л^_2011 г.

в « Н'ЬО » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан «_£_» _2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Опыт, накопленный при использовании электронного охлаждения в реальных экспериментах с внутренними мишенями и интенсивными пучками, показал наличие некоторых проблем, ограничивающих светимость таких установок. Наиболее существенной особенностью электронного охлаждения является быстрый рост скорости охлаждения для малых амплитуд отклонения ионов от равновесия. Это связано с тем, что магнитное поле на участке охлаждения «замагничивает» поперечное движение электронов. После ускорения электронов до высокой энергии продольный разброс очень мал и продольная температура в сопутствующей системе координат становится меньше 1° К. В результате, в большинстве случаев температурой электронного пучка можно пренебречь, и скорость охлаждения растет как куб амплитуды колебаний ионов. Образование сверхплотного охлажденного «ядра» пучка приводило во многих случаях к развитию колебаний и быстрой гибели ионов на больших амплитудах. Это ограничивало накопление пучков и вызывало проблемы фонов в детекторах. Модуляция энергии электронного пучка и, соответственно, возрастание энергетического разброса ионного пучка улучшало ситуацию.

Развитие новых проектов потребовало разработки систем охлаждения, позволяющих оперативно управлять охлаждением в 6-мерном фазовом пространстве для оптимизации накопления пучков. Для этого была разработана концепция управления не только скоростями электронного пучка, но и плотностью. Уменьшение электронной плотности к центру накопления уменьшает и скорость охлаждения. Так полый электронный пучок будет охлаждать только электроны с амплитудой колебаний, превышающей радиус полой части, что и предотвратит образование слишком высокой плотности ионного пучка. Кроме того, уменьшение электронной плотности в области накопления уменьшает и рекомбинацию ионов и увеличивает время жизни ионов, что позволит накапливать больше ионов.

Тяжелые ионы с большой зарядностью имеют высокие значения сечения взаимодействия с атомами остаточного газа в вакуумной камере. Современные накопительные кольца требуют перехода к вакууму на уровне 10 - 10~12 торр. В установках электронного охлаждения основным источником газоотделения является десорбция под действием потерь электронного пучка в области охлаждения. Для перехода к давлениям Ю-11 Торр и ниже необходимо уменьшить потери электронного тока до уровня 1 мкА. Для этого предложено использовать электростатические повороты в установках электронного охлаждения. Идея состоит в том, чтобы посредством электрического поля, заставить электроны, отраженные от коллектора, двигаться по той же траектории, что и основной пучок. В этом

случае, совершив какое-то количество колебаний, они будут захватываться в коллектор вместе с электронами основного пучка.

Использование электронного охлаждения на высоких энергиях предъявляет высокие требования на прямолинейность магнитного поля в секции охлаждения. Отклонение от прямолинейности вызывает дополнительное движение электронов в сопутствующей системе и ухудшает охлаждение. Для создания магнитного поля предлагается собирать магнитную систему из отдельных катушек с возможностью пространственной коррекции каждой катушки. Магнитное поле измеряется после сборки соленоида, а отклонения корректируются небольшим вращением, либо наклоном катушек.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось:

Разработка электронной пушки для установок электронного охлаждения.

- Исследования профилей пучка для этого типа пушек и сравнение с

расчетными параметрами.

- Разработка и ввод в строй магнитной системы установки электронного

охлаждения на базе прецизионного соленоида.

- Разработка электростатической системы для компенсации дрейфа

электронного пучка.

Личный вклад автора

Личное участие автора в получении результатов, составляющих основу диссертации, является определяющим. Автором были произведены измерения параметров установок, изложенные в диссертации. Также автором были проведены некоторые расчеты и моделирование компонентов установок электронного охлаждения, предложены методы их усовершенствования.

Научная новизна

Произведены измерения двумерных профилей электронного пучка пушки с изменяемым профилем пучка при помощи оригинальной методики, изложенной в диссертации.

Достигнуты требуемые параметры магнитной системы на основе прецизионного соленоида.

Достигнута высокая степень рекуперации электронного пучка посредством применения электростатической компенсации дрейфа.

Научная и практическая ценность исследований

Проведенные измерения подтверждают соответствие. установок электронного охлаждения, созданных для CSRm , CSRe (Institute of Modern Physics, Ланьчжоу, Китай) и LEIR (CERN, Швейцария) заданным требованиям. Измеренные характеристики электронной пушки, магнитной

системы и электростатического поворота являются основой для определения параметров эксплуатации описываемых установок.

Основные положения, выносимые на защиту:

Применение электронной пушки с изменяемым профилем пучка для установок электронного охлаждения.

Исследование профилей пучка для этого типа пушек с применением оригинальной методики.

Ввод в строй магнитной системы установки электронного охлаждения на базе прецизионного соленоида. Применение комплексной системы магнитных измерений для его тестирования и юстировки.

Ввод в строй системы электростатической компенсации дрейфа электронного пучка на участке поворота.

Апробация работы и публикации

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких как ИЯФ СО РАН (Новосибирск), ОИЯИ (Дубна, Россия), CERN (Женева, Швейцария). Положения диссертации представлялись на российских и международных конференциях и совещаниях, включая: МЕЕС (Дубна, Россия, 1998), XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 2000), ECOOL'99 (Uppsala, Sweden, 1999), ЕРАС'02 (Paris, France, 2002), COOL-03 (Lake Yamanaka, Japan, 2003), COOL05 (Galena, Illinois, U.S.A, 2005), COOL-07 (Bad Kreuznah, Germany, 2007), Workshop on Beam Cooling and Related topics (Lanzhou, China, 2009).

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 12 наименований, изложении на 67 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и три таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается перечень требований, предъявляемых для современных установок электронного охлаждения. Рассматриваются основные проблемы, возникающие при использовании установок электронного охлаждения на тяжелоионных накопительных комплексах.

Глава 1 посвящена рассмотрению возможности применения полого электронного пучка для решения проблем, возникающих в электронном охлаждении. Дается описание результатов моделирования процессов охлаждения электронными пучками с различным профилем (рис. 1).

Рис. 1. Амплитуды ионов в процессе охлаждения для сплошного электронного пучка (слева) и полого пучка (справа).

Приводится схема и основные параметры пушки с управляемым профилем электронного пучка. Подробно описывается оборудование и методика измерения двумерных профилей для этой пушки (рис. 2, 3).

7

Рис. 2. Схема электронной пушки: 1 - опорный изолятор на 40 кВ; 3, 4 ,6 -керамические изоляторы; 2 - катод, 5 - клемма питания накала катода; 7, 9, 10, 11 - медные кольцевые электроды; 8 - держатель катода; 12 -управляющий электрод; 13 - анод; 14 - биметаллическое соединение (медь и нержавеющая сталь); 15 - вакуумный фланец пушки (ДУ 200).

Рис. 3. Распределения плотности электронов при сканировании разных пучков. Напряжение на управляющем электроде пушки исоп(г = 0, 100, 200, 350, 400 и 600 В (слева направо).

В Главе 2 описана магнитная система установок электронного охлаждения, основой которой является прецизионный соленоид (рис. 4).

Gun Collector

Рис. 4. Схема магнитной системы установки электронного охлаждения для накопительного кольца ЬЕШ (ЦЕРН). А, в - соленоиды пушки и коллектора, В, С, Е, Б - сегменты поворотных магнитов (тороидов), О - центральный соленоид (секция охлаждения).

Рассматривается конструкция и параметры узлов магнитной системы, описана методика юстировки катушек секции охлаждения для достижения требуемой однородности магнитного поля. Во второй части главы приводится схема прецизионной системы для измерений поля центрального соленоида и их результаты. Также приводятся результаты измерений магнитного поля в остальных узлах установки и способы коррекции его неоднородностей.

Глава 3 посвящена рассмотрению устройства электростатической компенсации дрейфа. Приведены результаты измерений токов потерь и, соответственно, уровня вакуума в установке (рис. 5, 6).

| 10

О 500 1000 1500 2000 2500

иьеп<1 (V)

Рис. 5. Измерение тока потерь электронного пучка в зависимости от напряжения на электростатических пластинах.

S ! ' X

хх:

1000 1500 Ubenii (V)

Рис. 6. Улучшение вакуумных условий при переходе от магнитной компенсации дрейфа к электростатической.

В Главе 4 рассматриваются результаты некоторых экспериментов по электронному охлаждению, полученные с помощью описываемых установок (рис. 7).

Position [mm]

Рис. 7. Измерения поперечного (горизонтального) размера ионного пучка в процессе инжекций и ускорения в LEIR.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе

Для установок электронного охлаждения была применена электронная пушка с изменяемым профилем пучка. Проведены испытания этого типа пушек с применением оригинальной методики.

Запущена в строй магнитная система установки электронного охлаждения на базе прецизионного соленоида. Для тестирования и юстировки его применялась специально разработанная комплексная система магнитных измерений.

Введена в строй система электростатической компенсации дрейфа электронного пучка на участке поворота.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе,

опубликованы в следующих работах:

1. A.V. Bubley, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva. Advantages of cooling with radial varying electron beam density. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 532 (2004) 303-306.

2. A.V. Bubley, V.M. Panasyuk, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva. Measuring a hollow electron beam profile. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 532 (2004) 413-417.

3. V.Bocharov, A. Bubley, et. al., HIRFL-CSR electron cooler commissioning. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 532 (2004) 144149.

4. E.I. Antokhin, V.N. Bocharov, A.V. Bubley. Conceptual project of an electron cooling system at an anergy of electrons of 350keV. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 441 (2000) 87-91.

5. C. Crawford, E. McCroiy, S. Nagaitsev, A. Shemyakin, V.Bocharov, A. Bubley, V. Parkhomchuk, V. Tupikov, and S. Seletsky. Fermilab Electron Cooling Project: Field Measurements in the Cooling Section Solenoid. - Proc. 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, p. 195-7.

6. Бочаров B.H., Бублей A.B., Константинов С.Г. и др. Прецизионные измерения и компенсация поперечных компонент магнитного поля соленоидов. // ПТЭ. - 2005. - №6. - С.78-86.

7. Бублей А.В., Панасюк В.М., Пархомчук В.В., Рева В.Б. Измерение профиля интенсивного электронного пучка. // ПТЭ. - 2006. - №1. - С.91-99.

8. A. Bublei, A. Goncharov, A. Ivanov, et. al. The electron gun with variable beam profile for optimization of electron cooling. - Proceeding of EPAC 2002, Paris, France, p.1357-1358.

9. А. В. Бублей, А. В. Иванов, В. M. Панасюк и др. Электронная пушка с управляемым профилем пучка для оптимизации электронного охлаждения ионов. // Вестник НГУ. Серия: физика. 2007. Том 2, выпуск 1. С 65-69.

10. Е. Behtenev, V. Bocharov, V. Bubley, et.al. Comission of Electron Cooler EC-300 for HIRFL-CSR. - AIP Conf. Proceed 821 (Galena, Illinois, U.S.A. 2005) p.334.

11. V. Bocharov, M. Brizgunov, A. Bubley, et.al. First Tests of LEIR Cooler at BINP. - AIP Conf. Proceed., 821 (Galena, Illinois, USA, 2005), p.355.

БУБЛЕЙ Александр Валентинович

Установки электронного охлаждения с изменяемым профилем электронного пучка

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 20.04.2011 г. Подписано в печать 21.04.2011 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.5 печ.л.,0.4 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ №11_

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

Введение.

1. Применение полого электронного пучка для решения проблем, возникающих в электронном охлаждении.

1.1. Электронная пушка.

1.2. Измерения профиля электронного пучка.

1.2.1. Методика измерений.

1.2.2. Оборудование.

1.2.3. Калибровка постоянным током.

12,4. Измерения профилей пучка.

2. Магнитная система установки.

2.1. Центральный соленоид (секция охлаяедения).

2.1.1. Прецизионная система измерения магнитного поля соленоида.

2.2. Поворотные магниты (тороиды), соленоиды пушки и коллектора.

2.2.1. Измерения магнитной системы при помощи датчиков Холла.

23. Коррекция магнитного поля.

3. Электростатическая компенсация дрейфа электронов.

4. Эксперименты по электронному охлаяедению.

Электронное охлаждение является одним из методов управления параметрами пучков тяжелых ионов. После первых экспериментов с электронным охлаждением в Новосибирске, метод получил широкое распространение, во многих лабораториях были созданы установки с электронным охлаждением [1]. Опыт, накопленный при использовании электронного охлаждения в реальных экспериментах с внутренними мишенями и интенсивными пучками, показал наличие некоторых проблем, ограничивающих светимость таких установок. Наиболее существенной особенностью электронного охлаждения является быстрый рост скорости охлаждения для малых амплитуд отклонения ионов от равновесия. Это связано с тем, что магнитное поле на участке охлаждения «замагничивает» поперечное движение электронов. После ускорения электронов до высокой энергии продольный разброс очень мал и продольная температура в сопутствующей системе координат становится меньше 1° К. В результате, в большинстве случаев температурой электронного пучка можно пренебречь, и скорость, охлаждения растет как куб амплитуды колебаний ионов. И, если, например, ионы с амплитудой колебаний 1 см могут охлаждаться* за 1 сек., то ионы, накопленные в одно-миллиметровом «ядре» пучка, будут охлаждаться за время 1 мсек. Образование сверхплотного охлажденного' «ядра» пучка приводило во. многих случаях к развитию колебаний и быстрой гибели ионов на больших амплитудах. Это ограничивало накопление пучков и вызывало проблемы фонов в детекторах. Модуляция энергии электронного пучка и, соответственно, возрастание энергетического разброса ионного пучка улучшало ситуацию.

Развитие новых проектов потребовало разработки систем охлаждения, позволяющих оперативно управлять охлаждением в 6- мерном фазовом пространстве для оптимизации накопления пучков. Для этого была разработана концепция управления не только скоростями электронного пучка, но и плотностью. Уменьшение электронной плотности к центру накопления уменьшает и скорость охлаждения. Так полый электронный пучок будет охлаждать только электроны с амплитудой колебаний, превышающей радиус полой части, что и предотвратит образование слишком высокой плотности ионного пучка. Кроме того, уменьшение электронной плотности в области накопления уменьшает и рекомбинацию ионов и увеличивает время жизни ионов, что позволит накапливать больше ионов.

Тяжелые ионы с большой зарядностью имеют высокие значения сечения взаимодействия с атомами остаточного газа в вакуумной камере.

Современные накопительные кольца требуют перехода к вакууму на уровне 11

10" -10" торр. В установках электронного охлаждения основным источником газоотделения является десорбция под действием потерь электронного пучка в области охлаждения. Так потери тока на уровне 1 мА и

3 15 коэффициенте десорбциЮ" будут создавать поток газа 6x10 атомов в секунду, и при скорости откачки 10000 л/с равновесное давление составит 10"8 Торр. Для перехода к давлениям 10"11 Торр и ниже необходимо уменьшить потери электронного тока до уровня 1 мкА. Для этого предложено использовать электростатические повороты в установках электронного охлаждения. Идея состоит в том, чтобы, посредством электрического поля, заставить электроны, отраженные от коллектора, двигаться по той же траектории, что и основной пучок. В" этом случае, совершив какое-то количество колебаний, они будут захватываться в коллектор вместе с электронами основного пучка.

Использование электронного охлаждения на высоких энергиях предъявляет высокие требования на прямолинейность магнитного поля в секции охлаждения. Отклонение от прямолинейности вызывает дополнительное движение электронов в сопутствующей системе и ухудшает охлаждение. Для создания магнитного поля предлагается собирать магнитную систему из отдельных катушек с возможностью пространственной коррекции каждой катушки. Магнитное поле измеряется после сборки соленоида, а отклонения корректируются небольшим вращением, либо наклоном катушек.

На защиту в данной диссертации выносятся следующие научные результаты:

1. Применение электронной пушки с изменяемым профилем пучка дня установок электронного охлаждения.

2. Исследования профилей пучка для этого типа пушек с применением оригинальной методики.

3. Ввод в строй магнитной системы установки электронного охлаждения на базе прецизионного соленоида. Применение комплексной системы магнитных измерений для его тестирования и юстировки.

4. Ввод в строй системы электростатической компенсации дрейфа электронного пучка на участке поворота.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе

1 Для установок электронного охлаждения была применена электронная пушка с изменяемым профилем пучка. Проведены испытания этого типа пушек с применением оригинальной методики.

2 Запущена в строй магнитная система установки электронного охлаждения на базе прецизионного соленоида. Для тестирования и юстировки его применялась специально разработанная комплексная система магнитных измерений.

3 Введена в строй система электростатической компенсации дрейфа электронного пучка на участке поворота.

В заключение автор хочет выразить свою благодарность научному руководителю В.В Пархомчуку, научным сотрудникам В.Б. Реве, В.М. Панасюку, В.Н.Бочарову за всестороннюю помощь в проведении экспериментов, а так же всему коллективу лаборатории 5-2, принимавшему участие в пуско-наладочных работах по запуску установок электронного охлаждения.

66

Заключение

1. В.В. Пархомчук, А.Н. Скринский, Успехи Физических Наук 43(5) 433-452(2000)

2. V.V. Parkhomchuk, High Intensity and high brightness hadrons beams, AIP conference proceeding v. 642, p. 325-331, 2002,http://proceedings.aip.org/dbt/dbt.jsp?KEY=APCPCS&Volume=642&Issue=l

3. L. Hermanson, D. Reistad, "Electron cooling at CELSIUS", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 441, (2000), 140-144

4. A.V. Bubley, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva. Advantages of cooling with radial varying electron beam density, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 532 (2004)303-306.

5. A.V. Ivanov, M. Tiunov, UltraSAM-2D code for simulation of electron gun with ultra high precision, EPAC2002, Paris, France, hh.1634-1636, http://accelconf.web.cem.ch/AccelConl7202/PAPERSAVEPRI050.pdf.

6. A.V. Bubley, V.M. Panasyuk, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva, Measuring a hollow electron beam profile, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 532 (2004) 413-417.

7. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Том1. Металлы и материалы с металлической проводимостью. Москва: ГЭИ, 1962

8. V.Bocharov, A. Bubley et. al., HERFL-CSR electron cooler commissioning, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 532 (2004) 144-149

9. E.I. Antokhin, V.N. Bocharov, A.V. Bubley, Conceptual project of an electron cooling system at an anergy of electrons of 350keV, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 441 (2000) 87-91.

10. C. Crawford, E. McCrory, S. Nagaitsev, A. Shemyakin, V.Bocharov, A. Bubley, V. Parkhomchuk, V. Tupikov, and S. Seletsky, Fermilab Electron

11. Cooling Project: Field Measurements in the Cooling Section Solenoid, Proc. 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, pp. 195-7

12. Бочаров B.H., Бублей A.B., Константинов С.Г. и др. Прецизионные измерения и компенсация поперечных компонент магнитного поля соленоидов. ГТГЭ. -2005. -№6. — С.78-86.

13. G. Tranquffle, М. Cooling Results From UllR Proc. of COOL 2007, Bad Kreuznach, Germany, pp 55-58.