Магнитная система накопителя с электрон-позитронными встречными пучками ВЭПП-2000 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Шатунов, Петр Юрьевич

• Шатунов, Петр Юрьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шатунов, Петр Юрьевич

Содержание

Введение

Глава 1. Магнитная структура коллайдера ВЭПП-2000

1.1. Выбор магнитной структуры и принцип круглых пучков

1.2. Описание коллайдера ВЭПП-2000

Глава 2. Магнитные элементы коллайдера ВЭПП-2000

2.1. Поворотные магниты

2.1.1. Проект и параметры магнитов

2.1.2. Стенд магнитных измерений

2.1.3. Результаты магнитных измерений

2.2. Квадрупольные линзы

2.2.1. "Основные" квадрупольные линзы

2.2.2. "Расщепляющие" квадрпупольные линзы

2.3. Элементы коррекций

2.3.1. Секступоли

2.3.2. Скью-квадрупольные коррекции

2.3.3. Дипольные коррекции в поворотных магнитах

2.3.4. Дипольные коррекции в квадрупольных линзах

2.4. Сверхпроводящие соленоиды

2.4.1. Параметры и конструкция

2.4.2. Коммутация и система блокировок

2.4.3. Магнитные измерения

Глава 3. Источники питания магнитных элементов

42

3.1. Источник питания поворотных магнитов

3.2. Источники питания "основных" квадрупольных линз

3.3. Источники питания сверхпроводящих соленоидов

3.4. Источники питания элементов коррекций

Глава 4. Система управления магнитными элементами

4.1. Структура системы управления

4.2. Высокоуровневые программные средства управления магнитными элементами

Глава 5. Опыт работы с магнитной системой коллайдера

5.1. Пробный запуск коллайдера без сверхпроводящих соленоидов

5.2. Получение высокого вакуума

5.3. Калибровка средней энергии пучков

5.3.1. Калибровка энергии по массе 0-мезона

5.3.2. Калибровка энергии методом резонансной деполяризации

5.4. Экспериментальная проверка метода круглых пучков

5.5. Подъем энергии встречных пучков до 1 ГэВ

Заключение

Приложение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитная система накопителя с электрон-позитронными встречными пучками ВЭПП-2000»

Введение

В Институте ядерной физики (ИЯФ) СО РАН более двадцати пяти лет успешно работал комплекс ВЭПП-2М с э л ек т р о п - п о;;итрон н ыми Встречными пучками [I, 2]. Для производства пучков электронов й позитронов используется каскад ускорителей и накопительных колец: импульсный линейный ускоритель ИЛУ производит пучок электронов (1.5 А) с энергией 3 МэВ. который инжектируется 8 синхротрон Б-ЗМ. В зависимости от задачи электроны ускоряются до энергии 125 МэВ или 250 МэВ [3]. Ток выпускаемого пучка 200 •: 300 мА для низкой энергии и ™ 1000 мА для высокой. Пучок высокой энергии с помощью аксиальио-симметричных ли тиевых линз фокусируется на вольфрамовую мишень и порождае т электрон-позитроппый ливень. После мишени позитроны фокусируются с помощью нескольких линз и диполыгых магнитов и инжектируются в накопитель

Накопитель БЭП |4 ] рассчитан на энергию пучков от 125 до 900 МэВ. В зависимости от типа накапливаемых частиц магнитное поле меняет знак. Дублетная структура кольца с большой периодичностью обеспечивает большой акпеитапс для накопления позитронов и малый фазовый обьем затухшего пучка, что очень существенно для перепуска частиц в коллайдер. Время накопления необходимого количества частиц для перепуска в коллайдер 60 мА) порядка 50 секунд для электронов и порядка 30 минут для позитронов. После накопления БЭП ускоряет частицы и переводит их в накопитель ВЭПП-2М на энергии эксперимента (см. рисунок 1).

БЭП.

конвертер

Рис. 1. Общий вид комплекса ВЭПП-2М.

За годы работы ВЭПП-2М целым рядом детекторов была набрана интегральная светимость около 100 пб-1, что позволило с рекордной точностью измерить сечения рождения адронов при аннигиляции электрон-позитронных пар в области с энергией от 0.4 до 1.4 ГэВ в системе центра масс. Обработка данных ВЭПП-2М позволила определить параметры векторных мезонов (р, шиФ), вероятности их распадов в различных каналах и измерить с абсолютной точностью порядка 1% сечения рождения адронов при электрон-позитронной аннигиляции. Эти результаты экспериментов на ВЭПП-2М внесли существенный вклад в вычисления величин аномального магнитного момента мюона (д — 2)^ и постоянной тонкой структуры а(Мг) при энергии ^-мезона, так как весовые функции реакций рождения адронов в рамках Стандартной Модели подчеркивают роль низких энергий.

Однако к 2000 году, ввиду физического старения ВЭПП-2М и ввода в строй Ф— фабрики в Италии (Фраскати), встал вопрос о дальнейшей судьбе комплекса ВЭПП-2М. Надо отметить, что в области энергий выше ВЭПП-2М (до 2 ГэВ в системе центра масс) суммарный интеграл светимости, набранный к тому времени во всех лабораториях мира, примерно в 10 раз уступал результату ВЭПП-2М, хотя указанные выше физические задачи требовали проведения более точных измерений сечений рождения адронов. В области энергий до 2 ГэВ в системе центра масс ожидается проявление возбужденных состояний р, со и Ф-мезонов. Кроме того, в этом энергетическом интервале появляется уникальная возможность изучения рождения протон-антипротонных и нейтрон-антинейтронных пар.

В результате обсуждений в ИЯФ было решено заменить ВЭПП-2М на новый накопитель с большей энергией (до 1 ГэВ на пучок) и в 20-30 раз большей светимостью, используя во многом инфраструктуру комплекса — с сохранением системы воспроизводства пучков электронов и позитронов, системы импульсных и силовых источников питания и т.д. Кроме того, для выполнения поставленной задачи требовалось провести модернизацию и усовершенствование существующих детекторов КМД-2 [5] и СНД [6].

Такой подход позволял значительно сэкономить время и требуемые ресурсы. Однако строительство установки на большую энергию в рамках существующего экспериментального зала с учетом размещения двух детекторов строго ограничивало максимально достижимую энергию, выбор схемы инжекции пучков и, конечно, выбор подхода к получению высокой светимости.

В итоге, после многоступенчатого согласования часто противоречивых требований

со стороны накопительного кольца и детекторов был выбран вариант нового накопителя, который получил название ВЭПП-2000 [7].

Данная работа посвящена различным аспектам разработки и ввода в эксплуатацию магнитной системы нового коллайдера — от выбора электронно-оптической схемы ВЭПП-2000 до первых сезонов работы установки по физической программе.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Найден вариант построения электронно-оптической схемы нового накопителя с круглыми встречными электрон-позитронными пучками.

2. Создана магнитная система коллайдера и в двух экспериментальных заходах с детекторами КМД-3 и СНД доказана ее работоспособность во всем рабочем диапазоне энергий вплоть до 1 ГэВ.

3. Настроена система стабилизации и определения энергии пучков в накопителе по измерениям параметров магнитных элементов. Проведена абсолютная калибровка энергии пучков по массе ф—мезонного резонанса и по резонансной деполяризации.

4. Экспериментально проверена концепция круглых встречных пучков.

5. Реализована автоматизированная система управления и контроля магнитных элементов и источников их питания, построенная на принципах разделения подсистем и предоставляющая широкие возможности для работы операторов комплекса.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Шатунов, Петр Юрьевич

Заключение

Эта работа посвящена созданию магнитной системы нового накопителя со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2000. Обоснован подход к получению высокой светимости коллайдера на основе концепции "круглых" встречных пучков и рассмотрены требования, которые она накладывает на оптическую структуру ускорителя. Приведены результаты компьютерных расчетов параметров встречных пучков.

На основе двухмерных и трехмерных компьютерных расчетов магнитного поля сконструированы и изготовлены поворотные магниты с ведущим полем до 24 кГс и квадру-польные линзы кольца с градиентом магнитного поля до 5.2 кГс/см. Для этих элементов проведены магнитные измерения и проанализированы их результаты. Система коррекций организована в виде дополнительных катушек в основных магнитных элементах — дипольные коррекции в поворотных магнитах и квадрупольных линзах, три типа сексту-полей и совмещенные с ними скью-квадруполи. Создана и о пробована в работе система защиты сверхпроводящих соленоидов финального фокуса с полем до 13 Т.

Для запитки магнитных элементов применяются следующие источники питания: источник со стабилизированным током до 10 кА и мощностью до 1.2 МВт для поворотных магнитов, источник с током до 350 А и мощностью до 4 кВт для основных квадрупольных линз, двухполярные водоохлождаемые источники с током до 300 А для сверхпроводящих соленоидов, двухполярные источники с током до 5 А для разнообразных катушек коррекций.

Для управления и контроля магнитных элементов кольца создана автоматизированная система, построенная на принципах модульности с использованием современных аппаратных и программных средств. Значительное внимание уделено написанию высокоуровневых приложений, с помощью которых оператор может управлять элементами как по отдельности, так и группами, сохранять и восстанавливать рабочие массивы параметров элементов, визуализировать текущее состояние и просматривать историю событий.

Запуск коллайдера в рабочий режим проведен в несколько этапов. Вначале был использован вариант структуры без сверхпроводящих соленоидов для получения высокого вакуума и выставки магнитных элементов. Затем были опробованы в работе несколько вариантов организации оптики "круглых" пучков и найден оптимальный режим, позволяющий вести накопление пучков и иметь высокие предельные токи электронов и позитронов.

В одном из первых ускорительных экспериментов была проведена проверка концепции "круглых" пучков. Было показано, что параметр пространственного заряда может достигать величины £ = 0.1 и выше. Была проведена калибровка энергии пучков накопителя двумя способами: по массе мезона на энергии 510 МэВ и методом резонансной деполяризации на энергии 750 МэВ.

Разработан и опробован метод подъема энергии ВЭПП-2000 с двумя пучками до Е=1 ГэВ.

Опыт работы показал, что магнитная система накопителя соответствует проектным требованиям. Главным результатом работы автор считает успешное начало физических экспериментов с детекторами СНД и КМД-3 в двух экспериментальных сезонах 2010 -2011 годов, в ходе которых была достигнута светимость 3 • 1031 см-2с-1.

В заключение автор хотел бы выразить свою глубокую признательность и искреннюю благодарность Ю.М. Шатунову и И.А. Коопу за общее руководство; своим коллегам по лаборатории Д.Е. Беркаеву, Д.Б. Шварцу, A.A. Валишеву, Ю.А. Роговскому, А.Л. Романову, Е.А. Переведенцеву, А.П. Лысенко, И. Н. Нестеренко, А.Н. Кирпотину, А.А Борисову, В.П. Просветову, O.A. Проскуриной, Р.З. Пронику, Ю.М. Жаринову, М.И. Непомнящих, B.C. Селезневу, Ю.Н. Петрову, за помощь в различных аспектах на всём протяжении работы; A.B. Евстигнееву и Л.М. Щеголеву за конструирование магнитных элементов; H.A. Мезенцеву, В.А. Шкарубе, В.В. Анашину, А.Н. Драничникову, A.A. Краснову, Н.А Пименову и С.П. Демину за организацию и поддержку криогеники на ВЭПП-2000; A.C. Медведко, Э.А. Куперу, В.Р. Козаку, О.В. Беликову, В.Ф. Веремеенко, Ю.М. Вели-канову, Г.В. Карпову, K.M. Горчакову и другим сотрудникам лаборатории №6 за создание источников питания и электроники для управления комплексом ВЭПП-2000.

71

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шатунов, Петр Юрьевич, 2011 год

Литература

[1] Dolinsky S.I., Druzhinin V.P. et al. Summary of experiments with the neutral detector at the e+e~ storage ring VEPP-2M. //Published in Phys. Reports. -April, 1991. —Vol 202.

[2] Aulchenko V.M., Budker G.I. et al. Beginning of the Experiments with electron-Positron Storage Ring VEPP-2m. // *Warsaw 1975, Proceedings, International Symposium On High Energy Physics. - Dubna U975, 1975, pp. 163-171.

[3] Budker G.I. et al. Starting Up The Synchrotron B-3M-Injector For Positron-Electron Storage Ring. — Prepared for 5-th Int.Con. on High Energy Acc., Frascati, 1965.

[4] Накопительное кольцо БЭП. Рабочие материалы: Препринт 83-98. — Новосибирск: ИЯФ СО РАН, 1983.

[5] Anashkin Е. V. et al. The CMD-2 cryogenic magnetic detector. // lustrum. Exp. Tech. . - 2006. - Vol.49. - pp. 798-814.

[6] Achasov M.N. et al. Spherical neutral detector for VEPP-2M collider. // Nucl. Instrum. Meth. - 2000. - Vol. A449. - pp.125-139.

[7] Shatunov Yu.M., Evstigneev A.V., Ganyushin D.I., ... Shatunov P.Yu., ... et al. //Proceedings of European Particle Accelerators Conference 2000. — Austria, 2000, pp. 439-441.

[8] Barkov L.M. et al. Phi-factory project in Novosibirsk. // Proc. of 14-th Int.Con. on High Energy Acc. - Tsukuba, 1989, p.1385.

[9] Ivanov P.M. et al. Luminosity and Beam-Beam Effects on the Electron-Positron Storage Ring VEPP-2M with Superconducting Wiggler Magnet. //Proceedings of the Third Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Beam-Beam Effects in Circular Colliders. — Novosibirsk, 1989, pp. 26-33.

[10] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.. Механика. — M.: Наука, 1965.

[11] Danilov V. V., Perevedentsev E.A. The concept of round colliding beams. — Prepared for 5th European Particle Accelerator Conference (EPAC 96), Sitges, Spain, 10-14 Jun 1996.

[12] Nesterenko I. et al. // Proc. of Mini-Workshop on "Round beams and related concepts in beam dynamics", Fermilab, December 5-6, 1996.

[13] Valishev A. et al. Strong Strong Simulation of Beam Beam Interaction for Round Beams. - Novosibirsk, IYF & KEK, Tsukuba. - PAC03-FPAB051. - May, 2003.

[14] Shatunov P. Yu. et al. Magnet structure of the VEPP-2000 electron positron collider. // Proceedings of 10-th European Particle Accelerators Conference 2006. - Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 628-630.

[15] Khazin B. Physics and detectors for VEPP-2000. -Published in Nucl.Phys.Proc.Suppl. 181-182. 2008. pp.376-380.

[16] Berkaev D.E., Druzhinin V. V., ... Shatunov P. Yu., ... et al. Beams injection system for e+ e- collider VEPP-2000. // Proceedings of 10-th European Particle Accelerators Conference 2006. - Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 622-624.

[17] Лысенко А. П. — Программа численного моделирования ускорителей и каналов. — ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

[18] Antonov A.N., Gaidarov М.К., ... Shatunov P.Yu., ... et al. The electron-ion scattering experiment ELISe at the International Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR): A conceptual design study. //Published in Nucl.Instrum.Meth. —2011. —A637. -pp. 60-76.

[19] Дубровин A. H. — Mermaid User's Guide, Novosibirsk, 2006. - ИЯФ CO РАН, Новосибирск.

[20] Предезионные магнитометры на основе ЯМР в стандарте VME. Препринт 2004-55 / Г.В. Карпов, А.С. Медведко, Е.И. Шубин. - Новосибирск: ИЯФ СО РАН, 2004.

[21] Batrakov A. et al. Control and data acquisition systems for high field superconducting wigglers. — Prepared for 7th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation, Berlin, Germany, August 21-25, 2000.

[22] Vasichev S.S. et al. Power supplies for the bending magnets of the ВЕР and VEPP-2000 storage ring. — Prepared for XX Russian Particle Accelerator Conference, 10 to 14 September, 2006, Novosibirsk, Russia.

[23] Vasichev S.S. et al. Precision current source of the inverter type VCH-300-12 to power magnetic systems of accelerators and charged particle storage rings. — Prepared for XX Russian Particle Accelerator Conference, 10 to 14 September, 2006, Novosibirsk, Russia.

[24] Kozak V. A distributed automation system for electrophysical installations, Automation, Control and Information Technology. // Proceedings of IASTED International Conference.

- Novosibirsk, Russia, June 20-24, 2005, pp.157-160.

[25] CAN in Automation [Электронный ресурс], 2010. http://www.can-cia.org/.

[26] Усилители мощности УМ-6 и УМ-20 для питания корректоров комплекса ВЭПП-2000. Препринт 2007-14 / О.В. Беликов, Д.Е. Беркаев, В.Р. Козак, А.С. Мед-ведко. - Новосибирск: ИЯФ СО РАН, 2007.

[27] Berkaev D., ... Shatunov P. Yu., ... et al. Control System of VEPP-2000 Collider (software, hardware). — Prepared for XX Russian Particle Accelerator Conference, 10 to 14 September, 2006, Novosibirsk, Russia.

[28] Berkaev D., ... Shatunov P.Yu., ... et al. Vepp-2000 collider control system. — Prepared for ICAEEPCS'09, Kobe, Japan, 10-17 Oct, 2009.

[29] Berkaev D., ... Shatunov P.Yu., ... et al. The automation system of the electron-positron collider Vepp-2000. — Prepared for 13th ISTC SAC Seminar "New Perspectives of High Energy Physics Novosibirsk, Russia, 1-5 Sep, 2010.

[30] Kozak V.R. Embedded device set for control systems. Implementation and applications.

— Prepared for XX Russian Particle Accelerator Conference, 10 to 14 September, 2006, Novosibirsk, Russia.

[31] Shatunov Yu.M., ... Shatunov P.Yu., ... et al. Status of VEPP-2000 Project — Prepared for XX Russian Particle Accelerator Conference, 10 to 14 September, 2006, Novosibirsk, Russia.

[32] Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., ... et al. First commissioning results of VEPP-2000. // ICFA Beam Dyn.Newslett. -2009. -Vol.48. -Pp. 235-242.

[33] Shatunov Yu.M., Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., ... et al. VEPP-2000 Electron-Positron Collider Commissioning and First Results of Round Colliding Beam Tests. —

Prepared for 11-th European Particle Accelerators Conference EPAC-2008, 23-27 Jun 2008, Genoa, Italy.

[34] Бакланов Б. А. и др. Стабилизация средней энергии пучков в прецизионных экспериментах на коллайдере ВЭПП-2М. //Труды 7-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. — Дубна, 1980г. т.1. стр. 338.

[35] Hofmann A. Transporting the energy calibration across optics. // Proceedings of 3rd Workshop on LEP performance. — Chamonix, France, 10 - 16 Jan 1993, pp.303-308.

[36] Середняков С.И., Скринский А.Н., Тумайкин Г.М., Шатунов Ю.М. Радиационная поляризация пучков в накопителе ВЭПП-2М. // ЖЭТФ. — 1976. — Том 71 — Стр. 2025-2032.

[37] Koop I.A., Otboev A.V., Shatunov P.Yu., Shatunov Yu.M. Plans for polarized beams at VEPP-2000 and U-70. // Proceedings of AIP Conf. (915). - 2007, Vol. 915, pp.153-161.

[38] Perevedentsev E.A., Ptitsyn V.I., Shatunov Yu.M. Spin-Orbital Function Formalism and ASPIRRIN Code. // Proc. of the 15-th Spin Physics Symposium SPIN-2002. - 2002, p. 761.

[39] Проект системы калибровки энергии ВЭПП-2000 на основе метода обратного комп-тоновского рассеяния. Препринт 2009-10 / М.Н. Ачасов, Д.Е. Беркаев, Н.Ю. Мучной, Е.Э. Пята. - Новосибирск: ИЯФ СО РАН, 2009.

[40] Berkaev D., ... Shatunov P., ... et al. Status and progress VEPP-2000. — Prepared for 21st Russian Particle Accelerators Conference, 28 Sep - 3 Oct 2008, Zvenigorod, Russia.

[41] Romanov A., Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., ... et al. Round Beam Lattice Correction using Response Matrix at VEPP-2000. — Prepared for 1st International Particle Accelerator Conference: IPAC'10, 23-28 May 2010, Kyoto, Japan.

[42] Romanov A., Berkaev D.E., ... Shatunov P.Yu., ... et al. Correction the Round Beam Lattice of VEPP-2000 Collider Using Orbit Response Technique. — Prepared for 11-th European Particle Accelerators Conference EPAC-2008, 23-27 Jun 2008, Genoa, Italy.

[43] Achasov M.N., ... Shatunov P.Yu., ... et al. First experience with SND calorimeter at VEPP-2000 collider. //Published in Nucl.Instrum.Meth. -2009. -A598. -pp. 31-32.

[44] Изучение эффектов электромагнитного взаимодействия встречных пучков в накопителе ВЭПП-2М. Препринт 76-79 / И.Б. Вассерман, И.А. Кооп, С.И. Мишнев, Г.М. Тумайкин, Ю.М. Шатунов. — Новосибирск: ИЯФ СО РАН, 1976.

[45] Shwartz D., ... Shatunov P., ... et al. Present status of VEPP-2000. — ICFA Beam Dyn.Newslett -2010. -Vol.53. -Pp. 28-39.

[46] Berkaev D.E., Shwartz D.B., Shatunov P.Yu. et al. The VEPP-2000 electron-positron collider: First experiments.// Journal of Experimental and Theoretical Physics — Vol. 113. - Num. 2. - Pp. 213-220.