Исследование оптики и настройка поперечной динамики частиц на линейном ускорителе ионов Н + и Н- тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Мирзоян, Александр Николаевич

• Мирзоян, Александр Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мирзоян, Александр Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ДИНАМИКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ НИЗКОЙ ЭНЕРГИИ В ДЛИННЫХ КАНАЛАХ ИНЖЕКЦИИ. § 1. Оптика сильноточного пучка в канале инжекции протонов линейного ускорителя Московской

мезонной фабрики (ЛУ ММФ)

§ 2. Оптика сильноточного пучка в канале инжекции

отрицательных ионов водорода ЛУ ММФ

§ 3. Особенности перехода в каналах инжекции

на пониженную энергию инжекции

§ 4. Влияние сил объемного заряда на пучок в каналах

транспортировки

§ 5. Критерии выбора каналов инжекции

Глава 2. ДИАГНОСТИКА ПУЧКОВ НА КАНАЛАХ ИНЖЕКЦИИ.

§ 1. Диагностика пучка на канале инжекции протонов

§ 2. Измеритель эмиттанса пучка

§ 3. Характерные погрешности измерения эмиттанса

§ 4. Измеритель профиля пучка

§ 5. Измерители тока пучка

§ 6. Устройство визуального наблюдения изображения

пучка

§ 7. Особенности диагностики пучка в канале инжекции протонов при переходе на пониженную энергию

инжекции

§ 8. Особенности диагностики пучка канала инжекции

отрицательных ионов водорода

§ 9. Влияние взаимодействия с веществом протонов и отрицательных ионов водорода на измерения

параметров пучка

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИЛЬНОТОЧНОГО ПУЧКА В КАНАЛЕ ИНЖЕКЦИИ ПРОТОНОВ ЛУ ММФ. § 1. Методика наладки длинных каналов

транспортировки сильноточных пучков

§ 2. Особенности настройки канала инжекции протонов

§ 3. Согласование пучка протонов при включении

резонаторов-группирователей

§ 4. Влияние возмущающих факторов на процесс

настройки и согласования пучка протонов

§ 5. Исследование пространственно-временной

структуры пучка протонов

§ 6. Особенности настройки пучка протонов при

переходе на пониженную энергию инжекции

Глава 4. НАСТРОЙКА ПОПЕРЕЧНОЙ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ СИЛЬНОТОЧНОГО ПУЧКА ПРОТОНОВ В ЛУ ММФ. § 1. Согласование эмиттанса пучка с аксептансом

начальной части ускорителя

§ 2. Согласование пучка на выходе начальной части

ускорителя

§ 3. Согласование пучка на участке 160 МэВ

§ 4. Вывод и настройка пучка на изотопный комплекс

§ 5. Коррекция центра тяжести пучка на входе в ускоритель и на участках 20 МэВ, 100 МэВ и

160 МэВ

§ 6. Изменение эмиттанса пучка протонов вдоль

линейного ускорителя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптики и настройка поперечной динамики частиц на линейном ускорителе ионов Н + и Н-»

ВВЕДЕНИЕ

+

Линейные ускорители ионов Н и Н (протонов и отрицательных ионов водорода) являются незаменимым инструментом для проведения исследований по физике средних энергий. Кроме того, в последние 10ч-15 лет проводятся разработки сильноточных ускорителей на энергию ~1 ГэВ и средний ток пучка до ~100 мкА. Развивается также направление использования линейных ускорителей Н с энергией 400 МэВ и средним током до 400 мкА в качестве инжектора в быстрый циклический синхротрон. Известно, что для успешного ускорения больших средних токов необходимо ограничить относительный уровень потерь частиц. Особую значимость в решении этой задачи приобретает согласование пучков двух сортов от высоковольтных

инжекторов, Н+ и Н, с резонансным ускорителем, как это имеет место на линейном ускорителе Московской мезонной фабрике (ЛУ ММФ).

Практически во всех сильноточных линейных ускорителях между инжектором и ускорителем существуют каналы транспортировки протяженностью от 2-г-З до 10+12 метров. Связано это в первую очередь с необходимостью размещения на канале устройств формирования пучка, фокусирующих элементов и средств диагностики для обеспечения проводки и согласования пучка между инжектором и линейным ускорителем. Кроме того, желание ускорять частицы различных сортов как одновременно, так и поочередно, с целью обеспечения большей эффективности работы ускорителя на физические эксперименты, неизбежно приводит к созданию достаточно длинных каналов с поворотными магнитами, часть из которых выполняет функции вывода двух пучков на общий для них участок канала. При формировании пучков в таких каналах необходимо обеспечить высокую эффективность проводки и согласования с линейным ускорителем.

Другим, не менее важным обстоятельством является необходимость минимизации потерь на сильноточных ускорителях с целью избежать заметную активацию оборудования. Поэтому в таких ускорителях чрезвычайно важно обеспечить согласование частиц на всех участках перехода между ускоряющими структурами различного типа и нарушения регулярности фокусирующей системы.

На линейном ускорителе Московской мезонной фабрики приходится сталкиваться со всеми этими проблемами. Поэтому опыт настройки и согласования пучка частиц до энергии 160 МэВ представляет интерес и полезен для других ускорителей.

Целью диссертации является исследование оптики длинных

+

сильноточных каналов инжекции ионов Н и Н, разработка новых проектов этих каналов с последующим вводом их в эксплуатацию, в том числе и при переходе на пониженную, от 750 к 400 кэВ, энергию

инжекции, и поперечная настройка сильноточного пучка ионов Н+ как на канале инжекции, так и в линейном ускорителе.

По результатам этих исследований на канале протонов реализован новый проект перехода на пониженную энергию инжекции с установкой на общем для 2-х каналов участке ускорителя-бустера ПОКФ. Получены первые результаты по настройке и ускорению пучка.

Завершается разработка проекта на энергию 400 кэВ канала

ионов Н на основе ранее разработанного проекта на энергию 750 кэВ. Изготовлены и испытаны головные образцы основных узлов и элементов канала.

Проведены настройка и исследование пучка протонов с энергией инжекции 750 кэВ как на канале, так и в ускорителе, обеспечивается эксплуатация ускорителя с допустимым уровнем потерь.

Расчет оптики каналов инжекции необходимо проводить с учетом всей совокупности факторов, определяющих расположение и состав оборудования, то есть с учетом того, что канал состоит из целого ряда систем: фокусировки, формирования и диагностики пучка, вакуумного оборудования, системы контроля за положением элементов канала. Так как требования к расположению и функциональным возможностям отдельных элементов канала носят противоречивый характер, то это приводит нас к необходимости решения задачи оптимального выбора по достаточно большому количеству параметров.

При работе с пучком необходимо разработать эффективные методы настройки канала и определить, какие отклонения параметров пучка от расчетных допустимы при эксплуатации ускорителя. Особенно важно обеспечить получение согласованного режима как на входе в линейный ускоритель, так и на участках нарушения периодической структуры ускорителя. В первую очередь это относится к переходу от начальной к основной части ускорителя на энергии 100

МэВ и участку 160 МэВ, на котором установлен поворотный магнит для отвода пучка в комплекс по производству изотопов.

Диссертация состоит из 4-х Глав. В 1-й Главе исследуется оптика сильноточных каналов инжекции ионов Н+ и Н на энергиях 750 и 400 кэВ. На основе расчетов определено оптимальное расположение оборудования каналов, а также требования, которые необходимо выполнить при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации этого оборудования. Проведена оценка изменения этой компоновки для случая, если параметры пучка на выходе инжектора будут отличаться от расчетных. Кроме того, расчеты оптики обеспечивают как исходную фокусировку ддя начала работ по настройке каналов инжекции, так и сопровождение настройки этих каналов.

Во 2-й Главе излагается описание средств диагностики каналов инжекции, обоснование их размещения на каналах, индивидуальные характеристики этих устройств. Несмотря на стремление унифицировать каждый тип измерителя параметров пучка, особенности расположения оборудования и требования к возможностям настройки пучка и измерения его параметров требуют разработки различных по техническому исполнению датчиков пучка. Это относится и к индукционным датчикам тока, и измерителям профиля, и измерителям эмиттанса. Исследуются также особенности взаимодействия протонов и ионов Н с веществом и их влияние на измерения параметров пучка как на каналах инжекции, так и в линейном ускорителе.

В 3-й Главе излагается опыт настройки, исследования параметров пучка и эксплуатации канала протонов с энергией инжекции 750 кэВ. Исследуется влияние возмущающих факторов на процесс настройки и согласования. Приводятся результаты проводки пучка в канале протонов при переходе на пониженную энергию инжекции 400 кэВ.

В 4-й Главе излагается опыт настройки пучка протонов в линейном ускорителе, в том числе и при переходе на пониженную энергию инжекции 400 кэВ, особенности этой настройки с целью минимизации потерь пучка в ускорителе, формирования его на комплекс по производству изотопов. Описываются методы настройки, позволяющие настраивать пучок в режим, близкий к согласованному.

Приводятся данные измерения эмиттанса при различной энергии протонов.

Основные результаты изложены в работах /1-гЗ, 7, 17, 18, 32-К37, 40, 41, 44, 47/. Они доложены на Всесоюзных, Российских и Международных совещаниях по ускорителям заряженных частиц, опубликованы в ведущих отечественых научных журналах.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Мирзоян, Александр Николаевич

Основные результаты, изложенные в диссертации, можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана и освоена методика расчетов длинных сильноточных каналов инжекции как для 4-мерного, так и 6-мерного согласования с учетом всей совокупности факторов, определяющих компоновку, состав оборудования, а также практических ограничений на функциональные возможности этого оборудования.

2. Разработана и реализована методика наладки длинного сильноточного канала инжекции протонов как в режиме 4-мерного, так и 6-мерного согласования пучка с линейным ускорителем. На основе этих исследований проведена доработка канала. Получены проектные коэффициенты захвата пучка в режим ускорения при 4-мерном и 6-мерном режимах настройки.

3. Проведены исследования пространственно-временной структуры пучка протонов на канале инжекции протонов. Исследовано влияние возмущающих факторов на процесс настройки и согласования пучка с линейным ускорителем, определены допустимые изменения тока пучка и энергии инжекции, не вызывающие необходимости перестройки канала.

4. Реализован проект согласующего участка канала инжекции протонов на входе в линейный ускоритель для перехода на пониженную энергию инжекции с установкой на этом участке ускорителя-бустера ПОКФ. Получены первые экспериментальные результаты по ускорению пучка с пониженной до 400 кэВ энергией. Определены требования к каналу инжекции для проводки пучка пониженной энергии с минимальными потерями.

5. Разработаны рабочий проект канала инжекции ионов Н на энергию 750 кэВ и эскизный проект канала на энергию инжекции 400 кэВ. Изготовлены и испытаны квадрупольные линзы, корректирующие магниты, поворотный магнит, головные образцы мониторов пучка.

6. Разработана и реализована процедура измерения параметров пучка протонов на выходе первого резонатора линейного ускорителя при энергии 20 МэВ. Эти измерения подтверждают, что пучок на входе в линейный ускоритель настроен в режим, достаточно близкий к согласованному.

7. Разработана и реализована методика измерений параметров пучка методом 5-и профилометров и настройки пучка в согласованный режим на выходе начальной части ускорителя 100 МэВ. Реализация этой методики позволяет получить согласованный пучок одной-двумя итерациями.

8. Разработана и реализована методика измерения параметров пучка 2-мя профилометрами с изменением градиентов линз и 4-мя профилометрами на согласующем участке 160 МэВ, проведена его настройка в согласованный режим.

9. Разработана и реализована процедура настройки пучка на отводе его в изотопный комплекс на участке 160 МэВ. При этом потери пучка на входном коллиматоре перед мишенью составляют, как правило, 2+5%.

Ю.Разработана и освоена методика минимизации потерь пучка на участке 100+160 МэВ. Поперечную настройку важно проводить по завершении тщательной продольной настройки. При этом суммарный уровень потерь снижается до 0.2+0.3% от ускоренного тока пучка.

11 .Исследованы особенности измерения параметров пучка на энергиях от 400 кэВ до 600 МэВ как для протонов, так и для ионов Н. Эти исследования показывают, что при энергиях пучка не менее 1+2 МэВ эффективно использовать перезарядные фольги, что особенно важно для абсолютных измерений.

В заключение мне приятно принести глубокую благодарность научному руководителю работы доктору физико-математических наук П.Н.Остроумову. Моя благодарность А.В.Лию за организацию обеспечения автоматизации и обработки результатов измерения. Я также благодарен всем сотрудникам лаборатории пучка, которые не один раз помогали мне советом и делом. Особая благодарность профессору С.К.Есину и главному инженеру отдела В.Л.Серову за постоянное внимание и организационную поддержку этой работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мирзоян, Александр Николаевич, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. О.С.Кузьмин, А.Н.Мирзоян, П.Н.Остроумов. Настройка сильноточного канала инжекции протонов линейного ускорителя мезонной фабрики. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0591, Москва, 1988.

2. О.М.Володкевич и др. Измерение параметров протонного пучка на канале инжекции линейного ускорителя мезонной фабрики. Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1989, том 2, с. 174.

3. О.С.Кузьмин, А.Н.Мирзоян, П.Н.Остроумов. Настройка сильноточного канала инжекции линейного ускорителя мезонной фабрики. ПТЭ, No 3, 1990, с. 52.

4. Г.В.Романов. FLAT-программа для расчета оптики сильноточных пучков. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0110, Москва, 1979.

5. К. R. Crandall, D. P. Rusthoi. TRACE 3-D Documentation. LA-UR-97-886, Los Alamos, New Mexico, 1997.

6. Бенфорд А. Транспортировка пучков заряженных частиц. Атомиздат, Москва, 1969.

7. S. К. Esin at al. Commissioning of New Injection Line at Inr Proton Linac. РАС 99, New York, FRA74, http://pac99.bnl.gov.

8. А.В.Новиков, А.Н.Мирзоян, П.Н. Остроумов. Быстродействующий чоппер для формирования микроструктуры пучка заряженных частиц на канале транспортировки ЛУ ММФ ИЯИ РАН. Труды XIY Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1994, том 1, с. 112.

9. V. A. Andreev at al. Development of RFQ Accelerator for the MMF Linac. Proc. of the IEEE Particle Accel. Conf., San Francisco, 1991, Vol. 4, p. 2477.

Ю.Капчинский И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. Энергоиздат, Москва, 1982.

11.1. Hoffmann. Emittance Growth of Beams Close to the Space Charge Limit. Proc. of IEEE Particle Accel. Conf., Washington, 1981, Vol. NS-28, No 3, p. 2399.

12.1. Hoffmann at al. Stability of the Kapchinskij-Vladimirskij (K-V) Distribution in Long Periodic Transport Systems. Particle Accel., 1983, Vol. 13, p. 145.

13.J. Struckmeier, J. Klabunde and M. Reiser. On the Stability and Emittance Growth of Different Particle Phase-Space Distributions in a

Long Magnetic Quadrupole Channel. Particle Accel., 1984, Vol. 15, p. 47.

14.A. Cucchetti, M. Reiser and T. Wangler. Simulation Studies of Emittance Growth in RMS Mismatched Beams. Proc. of IEEE Particle Accel. Conf., San Francisco, 1991, Vol. 1, p. 251.

15.R. R. Stevens, B. Goplen, J. Stovall. Beam Transport Studies on the Beam Line in Injector Complex at LAMPF. Proc. of the Proton Linear Accel. Conf., LA-5115, Los-Alamos, 1972, p. 73.

16.J. R. McConell at al. Status of the Injector Complex of LAMPF. Proc. of the Proton Linear Accel. Conf., Chalk River, Ontario, Atomic Energy of Canada Limited Report, AECL-5677, 1976, p. 327.

17.О.С.Кузьмин и др. Автоматизированное измерение эмиттанса на ускорителе ММФ. Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1992, т. 2, с. 200.

18.D. V. Gorelov, А. N. Mirzojan, Р. N. Ostroumov. Computer Realization of the Six-Dimensional Matching of the Beam Parameters in Linear Accelerators. Proc. of the IMACS-90, Esztergom, Hungary, 1990, p. 176.

19.J. Cuayard and M. Weiss. Use of Beam Emittance Measurements in Matching Problems. Proc. of the Proton Linear Accel. Conf., Chalk River, Ontario, Atomic Energy of Canada Limited Report, AECL-5677, 1976, p. 217.

20.Thornton T. A., Anno J. N. Secondary Electron Emission from 0.5-2.5 MeV Protons and Deutrons. Journal of Appl. Phys., 1977, Vol. 48, No 4, p. 1718.

21.Akio Kojama, Eiichi Yagi, Hideo Sakairi. Secondary Electron Emission from Ni and Al by High-Energy Protons and a-Particle Bombardment. Japanese Journal of Appl. Phys., 1976, Vol. 15, No 9, p.1811.

22.B. Svensson, G. Holmen and A. Buren. Angular Dependence of the Ion-Induced Secondary-Electron Yield from Solids. Phys. Rev., 1981, Vol. 24B, No 7, p. 3749.

23.Е.С.Миронов, Л.М.Неменов. Исследование эмиссии медленных электронов под действием протонов больших энергий. ЖЭТФ, Москва, 1957, т. 32, вып. 2, с. 269.

24. G. Holmen et al. Ions Indused Electron Emissions from Poly crystalline Copper. NIM, 1981, Vol. 185, p. 523.

25.Webber R. С., Hojvat С. Measurement of the Electron Loss Cross Section for Hydrogen Ions on Carbon at 200 MeV. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1977, Vol. NS-26, No 3, p. 4012.

26.Berger M. J., Seltzer S. M. Studies in Penetration of Charged Particles in Matter. Washington, 1964, NAS-NRS, publ. 1133.

27.Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. Наука, Москва, 1969.

28.Брюининг Г. Физика и применение вторичной электронной эмиссии. Советское радио, Москва, 1958.

29.Trump J. G., R. J. van de Graaf. The SE by High Energy Electrons. Phys. Rev., 1949, Vol. 75, p. 44.

30.Kanter H. Energy Dissipation and SE in Solids. Phys. Rev., 1961, Vol. 121, p. 677.

31.H. S. Butler at al. New 750 keV Beam Transport Line for LAMPF. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.NS-32, No 5, October 1985, p. 3086.

32.С.К.Есин и др. Пуск канала инжекции протонов ускорителя мезонной фабрики ИЯИ АН СССР. Вопросы атомной науки и техники, серия: Техника физического эксперимента, Харьков, 1985, вып. 2 (23), с. 6.

33.Yu. V. Bylinsky at al. Initial Operation of the First 20 MEV Tank of the INR Linac. Proc. of the IEEE Particle Accel. Conf., Chicago, 1989, Vol. 2, p. 1411.

34.Д.В.Горелов и др. Исследование поперечных параметров на первом резонаторе (20 МэВ) линейного ускорителя мезонной фабрики. Вопросы атомной науки и техники, серия: Ядерно-физические исследования(Теория и эксперимент), Харьков, 1989, вып. 5(5), с. 30.

35.Yu. V. Bylinsky at al. Beam Parameters after the First 20 MEV Tank of the INR Linac. Proc. of the INES-89, Moscow, 1990, Vol. 1, p. 76.

36.Yu. V. Bylinsky at al. Operational Experience of the First 20 MEV Tank of the INR Linac. Particle Accel., 1990, Vol. 27, No 1-4, p. 117.

37.В.И.Дербилов и др. Качество инжектируемого в ЛУ ММФ пучка Н+ при снижении энергии инжекции. Труды XV Совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1996, т. 2, с. 66.

38.Технический проект линейного ускорителя, в 2-х томах. МРТИ, Москва, 1972.

39.Линейные ускорители ионов, в 2-х томах. Под ред. Б.П.Мурина. Атомиздат, Москва, 1978.

40.1. N. Birukov at al. Transverse Beam Parameter Measurements at the INR Proton Linac. Proc. of the EPAC-92, Berlin, 1992, Vol. 2, p. 1109.

41.Ю.В.Бьшинский и др. Физический пуск начальной части ускорителя ММФ на энергию 100 МэВ. Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1992, т. 2, с. 164.

42.A. Browmen and J. Hurd. Los Alamos Scientific Laboratory. Private Communication, 1988.

43.S. K. Esin at al. Commissioning/Operation of the Moscow Meson Factory Linac. Proc. of the 1994 International Linac Conf., Tsukuba, Japan, 1994, Vol. 1, p. 31.

44.S. K. Esin at al. Beam Loss Study at High Intensity Proton Linac. Proc. of the EPAC 94, London, 1994, Vol. 1, p. 754.

45.S. K. Esin at al. Isotope Production for Medical and Technical Use at Moscow Meson Factory Linac. Proc. of the LINAC-96, Geneva, 1996, Vol. 1, p. 213.

46.П.Н.Остроумов, А.В.Фещенко. Об измерении продольного эмиттанса на выходе начальной части ЛУ МФ. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0535, Москва, 1987.

47.G. I. Batskich at al. Proton Beam Acceleration up to 160 MEV of the Moscow Meson Factory Linac. Proc. of the IEEE Particle Accel. Conf., San Francisco, 1991, Vol. 5, p. 3067.

48.Yu. V. Bylinsky, A. V. Feschenko, P. N. Ostroumov. Longitudinal Emittance Measurement of the 100 MeV Proton Beam. Proc. of the IEEE Particle Accel. Conf., San Francisco, 1991, Vol. 5, p. 3062.

49.Ingo Hofmann and Jurgen Struckmeier. Generalized Three-Dimensional Equations for the Emittance and Field Energy of High-Current Beams in Periodic Focusing Structures. Particle Accel., 1987, Vol. 21, p. 69.

50.Cyril D. Curtis. Experimental Results: Experience with Beam Current and Emittance in the Fermilab Linac. Proc. of Space Charge in Linear Accel. Workshop, LA-7265-C, Los Alamos, 1978, p. 4.

51.Ralph R. Stevens, Jr. Transverse Emittance Measurements for the 201MHz Linac at LAMPF. Proc. of Space Charge in Linear Accel. Workshop, LA-7265-C, Los Alamos, 1978, p. 11.

52.R. A. Jameson. High-Brightness RF Linear Accelerators. LA-UR-86-2243, Los Alamos, New Mexico, 1986.