Влияние внешних шумов на динамику пучков в больших коллайдерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ



российская академия наук

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

На правах рукописи

ШИЛЬЦЕВ Владимир Дмитриевич

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ШУМОВ

НА ДИНАМИКУ ПУЧКОВ В БОЛЬШИХ КОЛЛАЙДЕРАХ

01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК-^1993

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации, В настоящее время исследования соударений элементарных частиц при сверхвысоких энергиях (1-10ТэВ = 103 — 10"4 ГэВ и более) вызывают большой интерес. Это обусловлено возможностью получения новой физической информации как о пространственно-временной картине, так и о внутренней структуре всех типов фундаментальных взаимодействий. Наиболее перспективным способом изучения взаимодействия частиц является метод встречных пучков. Новое поколение ускорителей со встречными пучками сверхвысоких энергий представлено разрабатываемыми (а некоторые уже строятся) циклическими адронными кол-лайдерами (в большинстве своем со сверхпроводящими магнитными элементами) и электрон-позитронными линейными коллайдерами. Первой характерной особенностью являются большие геометрические размеры этих установок (периметр, длина), которые составл яют десятки (до сотни) километров. При заданной энергии взаимодействия размеры установок определяются максимально достигнутыми магнитными' нолями для удержания частиц на круговой орбите или предельным ускоряющим электрическим полем для линейного ускорителя. Вторым важным условием успешного функционирования суперколлайдеров является рекордно большие количества частиц па орбите ускорителя и сверхмалые размеры сгустков этих частиц в месте встречи. Это обусловлено тем, что светимость установок со встречными пучками С равна

№

. . " ¿ = % ' • (О

где N - число частиц в сгустке, /с - частота столкновений сгустков, б'х - эффективная поперечная площадь пересечения сгустков в месте встречи. При величине бета-функции в месте встречи /3* сечение определяется эмиттансом (фазовым объемом) пучков с : = 4тг£|5*.

БЬльшие размеры ускорителей и требование высокой светимости (^¡о 1033 — Ю31 см'2с'1) противоречат друг другу; Дело в том, что эти большие установки состоят из нескольких десятков тысяч элементов, малые неидеальностй которых (в частио-4 сти, из-за вибраций земли), накапливаясь, ведут к к росту эмиттансов сгустков и к разведению пучков в месте столкновения. К сожалению, существующие методы охлаждения пучков, которые могли бы подавить указанные эффекты, малоэффективны для суперколлайдеров. Радиационное охлаждение из-за синхротронного излучения еще недостаточно сильно для протонов, а в линейных коллайдерах отсутствует вообще. Электронное охлаждение протонов весьма проблематично использовать на сверхвысоких энергиях; Из-за большого количества частиц (до 1014) не работает и стохастическое охлаждений- Выходом является создание пучков с требуемыми параметрами на низких энергиях и сохранение Их в течении часов или десятков часов на энергии эксперимента. - , "' V.

Для поддержания параметров пучков необходимо знать уровни внешних шумовых воздействий па пучок (типа вибраций). Эти данные необходимы для проектирования систем, позволяющих ослабить влияние внешних шумов - в частности, систем обратной связи по пучку. О этой точки зрения, интерес представляют как естествейные

• показано, что низкочастотные вибрации с частотой много меньшей частоты обращения /о "в циклическом ускорителе вызывают искажения орбиты частиц в нем, определяемые в основном пространственно некоррелированным сейсмическим шумом; виброшумы на частотах сравнимых с /о, особенно на гармониках вида fa\v — п|, где v - бетатроннах частота машины, ah - целое число, приводят к росту эмитанса пучка:

• показано, что одним из наиболее эффективных путей борьбы с ростом поперечного эмиттанса, является система обратной связи, кйторая позволяет умень- \ шить его в (т4/тд)2раз, где т3- время затухания когерентного сигнала при включении обратной связи

3. Проведен ряд экспериментов по изучению вибраций для ускорителей:

• в тоннеле УНК ИФВЭ и на поверхности в г. Протвино.

• измерения влияния движения земли на пучок накопителя ВЭПП-З ИЯФ СО РАН.

_ • изучение "виброклимата" в районе сооружения В-фабрики ВЭПП-5 ИЯФ СО РАН.

• эксперименты в шахте строящегося ускорителя SSC (США)

Во время измерений широко исследовались не только мощностные характеристики поля сейсмошумов, но и его пространственные, временные и частотные корреляционные свойства, что ючень важно для ускорителей.

4. Произведено прямое полномасштабное моделирование роста эмиттгшса в течении полного временижизни пучков (20 часов) для коллайдера SSC с использованием сигналов с сейсмометров в режиме "on-line". . .' -

5. На основанйи анализа полученных результатов, а так же данных других измерений предложена "фрактальная модель" сверхвизкочастотной диффузии элементов грунта, определено ее влияние на уходы орбит больших ускорителей и созданы эффективные алгоритмы по включению такого рода движений в программы и комплексы программ по расчету больших ускорителей.

Практическая значимость результатов. В результате произведенных исследований получен ряд новых данных, необходимых для правильного проектирования и строительства больших коллайдеров и их отдельных элементов, таких как системы коррекции орбиты, подстройки столкновений сгустков лоб-в-лоб и системы обратной связи. Созданная сейсмостанция Может быть легко интегрирована в систему диагностики любого ускорителя. v

• . / ■ '

(з)

(Р - импульс' частиц, е-скорость света, е - заряд частицы, ßo - значение бета-функции в месте расположения линзы, /о - частота обращения в ускорителе, v -безразмерная частота бетатронных колебаний в фокусирующей структур», Ssß(f) -спектральная плотность мощности флуктуаций поля на частоте f).

Уравнения (2, 3) показывают, что только некоторые частоты в спектре определяют рост эмиттанса. Тем. не менее, из-за. разброса бетатронных частот Sv резонансные гармоники /о |га — v | имеют конечную ширину Sf s» S)f fo■: Если спектры возмущений не меняются сильно внутри ширин резонансов, то в (3 ) с. высокой степенью точности можно использовать значения спектра в резонансных частотах.

Далее обсуждаются оценки приемлемых уровней вибраций на примере ускорителя SSC. Показано, что для номинального значения эмиттанса е = 4.7 - Ю-9 см, требование, чтобы эМиттанс удваивался не быстрее, чем за 20 часов (это проектное время,одного цикла SSC и примерно два времени затухания из-за синхротронного излучения протонов), приводит к ограничению на спектр вибраций квадруполей:

"%2 Sdtfo — nj) < 3 • 10~12мкм?/Гц (4)

Для сравнения укажем, что эта величина соответствует уровеню белого шума ¿гота =Д-1 • Ю-4 мкм. Поскольку спектры-вибраций #езко падают с частотой, то (4) дает в основном ограничение на мощность шумов на низшей резонансной гармонике /о Д р=3440*.265=912 Гц.

Рассмотрен так же эффект "вмороженного" поля в магните и показан^, что если турбулентный гелий вызывает вибрации формы вакуумной камеры (например, ква-друпольные колебания в сечении), то будет меняться и поле на оси, т.к. должен сохраниться и поток поля внутри проводящего контура. Легко оценить приемлемый уровень <5г амплитуды таких вибраций вакуумной камеры:

SB '

* formt SS -g- • Ä . (5) ,

В SSO радиус вакуумной камеры R = 2 см, что дает orTmi = 1.4 ■ 10~9 см. Это примерно в 7 раз меньше .требования на амплитуды вибраций квадруполей (4).'

Соответствующие оценки требований на вибрации секступолей показывают, что они не так опасны.

Во втором параграфе приведен анализ явления декогеренции в адронных коллай-дерах, которое быстро (за время декогеренции) перекачивает когерентный эмиттанс в размерный. Показано, что основным, процессом, приводящим к уменьшению когерентного сигнала (и'соответствующему росту эмиттанса) являются нелинейные . силы от встречного сгустка. С помощью вводимого погнятия функции декогеренции находится количество оборотов, после которого происходит эффективный" прирост эмиттансЬ.: '

Таблица J: Параметры ускорителей и уровни сейсмошумов .

SSC LHC УНК Fermi ВЭПП-5 ВЛЭПП

Рс, ГэВ 20000 8000 3000 900 7.0/4.0 1000

■С,км 87.12 26.66 20.77 6.29 0.77 12.0

10 15 I1 0.1 100 10

/о, кГц 3.44 11.25 14.52 47.7 392 0.13

123.28 71.28 30.24 19.4 14.27 «500

123,78 70.31 (3132 19.41 15.27 «500

с„, мкм 1:0 1.25 5.0 .''4 0.92/5.8 0.3/100

«г*, мкм 5.0 12,0 270 40 ; 2.9/380 Ю-з/2

Ти час 20 11 1 20 1 - '

fu кГц 0.76 3.1 3.5 19.3 100 .025

£Д0-3 . 1.8 2.5 0.8 1.5 50/17 2000/50

6,10 5 мкм/с 1.4 3.2 69 5.5 26 -

3.1 18 1000 25 58 -

6х, 10~4мкм 1.0 1.5 18 4.0 -. 300

Ailm, MKM 0.2 1.3 5.2 5.0 0.9 0.03

Для того, чтобы исследовать все источники возмущении движения пучков в ускорителях необходимо проводить измерения в очень широком частотном диапазоне от-долей Герца до нескольких килоГерц. Динамический диапазон колебаний земли в этой полосе небычайно велик - от сотен микрон до долей ангстрема - т.е. более 7 порядков по амплитуде. Ни один из существующих приборов для геофизических измерений не может работать в столь широком частотном и динамическом диапазонах. Поэтому в своих измерениях мы использовали несколько типов датчиков наразные (но перекрывающиеся) частотные диапазоны : СВК-Д - от 10_3 Гп до 1 Гц, СМ-ЗКВ - от 0.05 Гц до 1000 Гц, ТА-2 - от 200 Гц до 4-5 кГц. Возможность взаимной проверки показаний разных датчиков в перекрывающихся диапазонах значительно увеличивала достоверность информации. В первых трех частях второй главы описаны основные параметры сейсмической аппаратуры и. приведено ее сравнение с другими отечественными и зарубежными аналогами.

Широкий динамический диапазон потребовал разработки новой малошумящей аппаратуры в перестраиваемой полосе частот и новых методов обработки оцифрованных сигналов. Описана созданная для автоматизации измерений сейсмостанция ASSA на базе ПЭВМ IBM PC/AT и двух крейтов КАМАК, которая позволила работать в полностью автономном режиме и отличалась гибкостью программного обеспечения, удобством пользования, а так же легкостью интегрирования в общие системы диагностики ускорителей.

Кроме того во второй главе описаны математические методы анализа сейсмошумов и методы цифровой обработки данных. Подробно рассмотрен используемый нами оригинальный гибридный алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ), имеющий в основании 16-точечное сверхбыстрое ДПФ по методу Винограда, после

эти процессы были хорошо скоррелированы в полосе частот от 1 до 50 Гц. Причиной разного поведения спектров в области частот выше 50 Гц являлось малая корреляция между пучком »колебаниями магнита, обусловленная другими источниками шумов.

Далее описываются проведенные осенью 1992 г. измерения вибраций земли для В-фабрики ВЭПП-5 ИЯФ СО РАН. На территории ИЯФ GO РАН датчики располага- , лись следующим образом: первый из них был установлен на бетонном полу заходной шахты ВЭПП-5 на глубине примерно 30 м от поверхности земли,' второй датчик постоянно располагался около выхода шахты на поверхности Земли, третий - на бетонном оснований рядом с корпусом ДОЛ на расстоянии около 300 м от шахты -» -около 200 м от домика с сейсмостанцией ASST. Кроме измерения спектров мощности и корреляций были исследованы статистические свойства вибраций в этом месте, отличающемся высоким уровнем техногенных шумов. На рис. 5 приведена гистограмма амплитуд смещения грунта за время 10 сек, т.е. вероятность амплитуде попасть в интервал (х,х.+0.5) [мкм]. В последнем канале приведена вероятнэсть обнаружить амплитуду более 50 мкм. Вероятность иметь смещение с амплитудой х падает степенным образом и может быть аппроксимирована формулой^

dP(xj 0.6 лклГ1 - ' „ ' . '

Кроме временного поведения технических» шумов, детально изучен процесс прохождения сейсмических волн от больших землятрясеиий. Например, 19 августа 1992 г. в 6:00 по московскому времени произошло сильное землятрясенйе в Киргизии с силою до 9 баллов ио шкале Рихтера. В Новосибирске это проявилось в виде двух цугов колебаний в .7:30 и интервалом между приходом Р- и S-волны около 500 сек. Отмечается, что несмотря на большую амплитуду этих колебаний - около 500 мкм -степень их пространственной корреляции очень высока и вряд ли отразится на работе ВЭПП-5, который при этом будет смегцаЧъся как целое, в' отличие от воздействия от локальных вибраций с малым радиусом корреляции.

В четвертой части главы 3 описаны эксперименты по изучению сейсмошумов для комплекса ББС, в г.Важсахачй (Техас, США). В соответствии с межлабораторнь^м соглашением между ИЯФ СО РАН и Лабораторией ЭЭСЬ в феврале-сентябре 1993 г. в этом районе были проведены совместные экспериментальные исследования сейсмо-шумов. Для этого из ИЯФ СО РАН было привезено сейсмологическое оборудований: датчики СМ-ЗКВ, ТА-2 и автономная установка по автоматизации экспериментов АБвА'.

Первые измерения были проведены на поверхности земли в здании Для испытанйя систем ускорителя ББС. В этом здании была установлена цепочка сверхпроводящих дипольных магнитов общей длиной около 180 м. В период проведения описываемых измерений магниты находились при комнатной температуре и не были запитаны током. Один из ¿иполей (стандартная длина 15 м, вес около 15 т) находился в состо-1ЙЙИ с открытым внешним кожухом и была доступна т.н. "холодная масса" диполя -

/

В четвертой главе исследованы низкочастотные сейсмические шумы (характерные времена от минут до десятков лет). Такие медленные перемещения различных участков тоннеля ускорителя вызывают искажения орбиты" и могут препятствовать его надежному функционированию. На примере данных о смещении тоннеля SPS(CERN, Швейцария) описаны методы анализу сверхмедленных смещений. Полученные данные указывают на существование некоррелированного, диффузного смещения разных участков грунта. Детально рассмотрение данные геофизических измерений в обсерваториях и в тоннелях ряда ускорителей обобщены в работе формулой диффузного движения, цитируемой в настоящее время в литературе как закон " ATL": за время Т два участка тоннеля, находящиеся на расстоянии L, переместятся друг относительно друга на величину dX, которая в среднем по времени и простран-' ству равна 0, а ее дисперсия подчинятся закону :

, 1 dX2 = A-T-L (8)

На рис. 9 представлены результаты анализа смещений разных тоннелей (зависимость величины dХг/Т от L) и, для сравнения, пунктиром проведена прямая, соответствующая закЬну " ATL" с коэффициентом А — 1.0 • 10~4м'км?/(с ■ м). Данные хорошо демонстрируют ATL зависимость с несколько отличающимися коэффициентами А, но близкими ж подгоночному.

Далее, на основании закона ATL, получены аналитические выражения Для уходов орбиты, проведены оценки для SSC и показано, что всего лишь через 1-2 года после начальной выставки ускорителя следует ожидать, что в некоторых ячейках максимальной силы корректоров не будет хватать для компенсации смещений ква-друполей.

В конце четвертой главы описаны методы компьютерного моделирования диффузного медленного движения земли тремя методами: суммирование случайных чисел, по фрактальной модели грунта и методу преобразования Фурье случайных функций.

В заключении приводятся основные результаты и выводы проведенной работы: разработка и изготовление установки по изучению вибраций на ускорителях; исследование механизмов влияния вибраций и других внешних возмущений на работу больших коллайдеров; проведение ряда экспериментов по изучению вибраций Для четырех ускорительных комплексов; прямое полномасштабное моделирование роста эмиттанса в течении полного времени жизни пучков (20 часов) для коллайдера SSC с использованием сигналов с сейсмометров в режиме "on-line"; обоснована "фрактальная модель" сверхнизкочастотной диффузии элементов грунта и ее влияние на уходы орбит больших ускорителей и созданы эффективные алгоритмы по включению такого рода движений в программы и комплексы программ по расчету больших ускорителей.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих-работах автора:

[13] В.В.Пархомчук и В.Д.Шильцев,"Высокочуствительный датчик положения для выставки элементов комплекса ВЛЭПП", ФИЯФ РМ 89-02', Протвино, 1989.

[14} V.D.Shiltsev, B.A.Baklakov, P.K.Lebedev et'.al, "Mechanical Stability of VLEPP Tables", VLEPP-Note-02/1990, Prbtvino, 1990 and Proc. of II Intern. Workshop on Next Generation of Linear Colliders, KEK, Tsukuba, Japan, 1990:

[15] В.Д.Шильцев, Б.А.Баклаков, П.К.Лебедев и др. "Измерение уровня сейсмощумов и их корреляций в районе строительства накопителя ВЭПП-5", Отчет ИЯФ.СО РАН, Новосибирск, 1992.

[16] V.D.Shiltsev/Seismic Measurements for Novosibirsk B-factory VEPP-5", Proc. of Int. Workshop on Emittance Preservation in Lineal Colliders, KEK, Tsukuba, Japan,

' April 1993.

, [17] V.V.Parkhomchuk,V.D.Shiltsev,H.J.Weaver,"Measurements

of Ground Motion Vibrations at the SSC", SSCL-Preprint-323, May 1993, Dallas, TX, USA and Proc. of 1993 IEEE Part. Accel. Conference,,May 1993, Washington, DC, USA, ■ ' . - ••

[18] V.V.Parkhomchuk,"V.D.Shiltsev,H.J.Weaver,"Measurements of Ground Motion and SSC Dipole Vibrations", SSCL-624, June 1993, Dallas, TX, USA.

[19] V.D.Shiltsev,V.V.Parkhomchuk,H.J. Weaver,"Underground Measurements of Seismic Vibrations at the SSC Site", SSCL-Preprint-507, Sept.1993, Dallas, TX, USA.

[20] V.D.Shiltsev, V.V.Parkhomchuk "Real-Time Modeling of. Transverse Emittance Growth Due to Ground Motion", SSCL-639,.Sept. 1993, Dallas, TX, USA.

[21] V.A Lebedev, V.V.Parkhomchuk, V.D.Shiltsev, A.N.Skrinsky, "Suppression of Emittance Growth Caused by Mechanical Vibrations of Magnetic Elements in the

. > Presence of Beam-Beam Effects in the SSC", INP Preprint 91-120, Novosibirsk, 1991.

■ ' ,

[22] V.V.Paikhomchuk and V.D.Shiltsev,"Is Transverse Feedback Necessary for the SSC Emittance Preservation? (Vibration Noise Analysis and Feedback Parameters Optimization')", SSCL-622, Dallas, TX, USA.

. [23] V.Shiltsev,R.Stiening,"SPS- Data on Tunnel Displacements and the ATL Law", SSCL-Preprint-505, Sept.1993, Dallas,TX, USA, and and Proc. of III Int. Workshop on Accel. Alignment (CERN), Annecy, France, Sept. 1993.

[24] В.В.Пархомчук и В.Д.Шильцев, "Фрактальная модель грунта", Йрепринт ИЯФ СО РАН 92-31, Новосибирск, 1992.

[25] V.Parkhomchuk, V.Shiltsev and G.Stupakov, "Slow Ground Motion and Operation of Large Colliders", SSCL-Preprint-470, July 199?, Dallas TX, USA.

ce, о я и

Spectrum (micrometer«2/Hz) ° о о о о S uJ¡.

О g

к

4 ■

к g

я. ■g1

-fi

s

B¡<

ТТТ7]-Г I flillll.—I I I И11Ц-1 I » П11Ц-^

0.01" 0.1 ... . 1 10 V00

4 . - Frequency, Hz

1000

Рис. 7 : Спектры мощности в тоннелях различных ускорителей: SSC, CERN, КЕК и УНК.

Ч"Ч

I»'1!"!!."1)1

— Without laadback system

— WWi 20-h damplne «me for betatron oscillations

О г 4 6 8 10 1Z 14 16 18 20 „ . Time(h)

4 6 в 10 12 14 16 18 20 -- %

•Пшв(Ь) да^

Рис. 8 : Результаты моделирования роста нормализованного поперечного эмит-танса в коллайдере ББС за. 20 часов в условиях рабочего дня: а) без обратной связи, б) с обратной связью с <7 = 0.05. ' *

ШИЛЬЦЕВ Владимир Дмитриевич

Влияние внешних шумов на, динамику пучков в больших коллаидерах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на'соискание ученой степени кандидата фиоико-математических наук

Сдано в набор 22.12.1993 г. Подписано в печать 22 декабря 1993 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1,4 печ.л., 1,2 уч.-иод.л.

_._Тираж 100 эка. Бесплатно. Заказ N 111__

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 6S0090, пр. академика Лаврентьева, 11.