Накопитель с продольным магнитным полем "LEPTA" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Селезнев, Игорь Алексеевич

• Селезнев, Игорь Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Селезнев, Игорь Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Накопитель с продольным магнитным полем ЬЕРТА

§1.1. Схема и основные параметры накопителя ЬЕРТА

§1.2. Схема инжекции в накопитель с продольным магнитным полем, конструкция септума

§1.3. Принцип совмещения и разведения "замагниченных" электронного и позитронного пучков в накопителе с продольным магнитным полем

§1.4. Конструкция кикера

§1.5. Конструкция квадруполя

Глава 2. Динамика циркулирующего пучка в дрейфовом приближение

• §2.1. Участок с однородным продольным магнитным полем

§2.2. Тороидальный соленоид

§2.3. Спиральный квадруполь в однородном магнитном поле

§2.4. Анализ матрицы накопителя

Глава 3. Тестирование элементов кольца

§3.1. Диагностика

§3.2 Тестирование и настройка схемы инжекции

• §3.3. Тестирование спирального квадруполя

§3.4. Трассировка пучком % кольца

§3.5. Сборка накопителя и трассировка импульсным пучком орбиты системы электронного охлаждения

Глава 4. Физический пуск накопителя ЬЕРТА с циркулирующим электронным пучком

§4.1. Проводка пучка при выключенном квадруполе

§4.2. Матричный анализ влияния коррекций на параметры равновесной орбиты

§4.3. Формирование замкнутой орбиты

§4.4. Результаты физического пуска

§4.5. Методики измерения положения равновесной орбиты, 87 бетатронного числа и параметров поперечного сечения пучка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Накопитель с продольным магнитным полем "LEPTA"»

Первоначальная идея использования продольного (тороидального) магнитного поля в циклическом ускорителе связана с тем, что в обычном бетатроне предельное значение тока пучка определяется условиями при инжекции, когда из-за малой энергии эффекты собственного поля пучка максимальны, а величина фокусирующего поворотного поля еще мала. Введение дополнительной азимутальной компоненты магнитного поля и позволяет осуществить эффективную фокусировку интенсивного пучка при малой энергии ускоряемых частиц. Циклический ускоритель с такой конфигурацией полей получил название "модифицированный бетатрон".

Первые эксперименты по ускорению электронов в бетатроне с дополнительным тороидальным полем были осуществлены в Великобритании сразу после Второй Мировой войны. Поэтому модифицированные бетатроны являются предшественниками термоядерных (плазменных) установок — токамаков и стеллараторов, в которых также используется фокусировка продольным магнитным полем. Главное принципиальное отличие бетатронов от плазменных установок в том, что частицы в них имеют выделенное направление движения: компонента импульса, параллельная направлению магнитного поля, много больше двух других, поперечных к полю, компонент. Устойчивой работы первого бетатрона добиться тогда не удалось, так как пучок электронов после нескольких оборотов попадал на стенку камеры вблизи точки инжекции. Результаты этой работы не были опубликованы, но упоминания о ней можно найти, например, в [1].

Дальнейшее развитие ускорителей этого типа началось после работ [2,3], где были даны оценки предельной интенсивности ускоренного пучка и предложены более удачные схемы инжекции. Одной из проблем модифицированного бетатрона является изменение характера устойчивости движения частиц при переходе от диапазона низких энергий, где фокусировка осуществляется, в основном, продольным полем, к высоким энергиям, где фокусировка обеспечена градиентным, спадающим по радиусу, поворотным полем. Этот недостаток может быть преодолен введением дополнительного спирального мультипольного поля, аналогичного полю стелларатора. Ускорители с таким дополнительным полем были предложены в [4] и получили название "стеллатрон". Несколько установок типа модифицированного бетатрона были созданы и экспериментально исследованы в США в середине 80-х, начале 90-х годов прошлого века. К ним относятся - модифицированный бетатрон университета Калифорнии (UCI) (рис. 1.) [5], впоследствии переоборудованный в стеллатрон; "удлиненный модифицированный бетатрон" МЕВА (рис. 2.) [6]; модифицированный бетатрон лаборатории военно-морского флота [7], в котором также использовались дополнительные стеллараторные обмотки; разрезной модифицированный бетатрон университета штата Нью-Мексико, в котором фокусировка пучка осуществлялась системой соленоидов с противоположным направлением поля - CATE (Casp Array Transport Experiment) (рис. 3.) [8]. Ни на одной из этих установок не были получены проектные параметры пучка, и экспериментальные исследования на этих установках были прекращены в середине 90-х годов. Основными причинами неудачи были сложность схемы инжекции пучка в продольное поле и резонансы, связанные с ларморовским вращением электронов, которые приводили к гибели пучка на высоких энергиях.

Рис. 1. Схема стеллатрона иС1.

Обмотки ЙСрТПКЙЛЫЮГО ПОЛЯ Центральный * солстшл

Обиоткн тороидального поля

Спнрадьвш

Обмотки тороНЛЯЛЬНОГО ноля

О ¡ч ч 1 к II спирального

ПОЛА

Вакуумная камера

Электронное кольцо

Рис. 2. Модифицированный бетатрон МВА.

Рис. 3. Установка CATE.

Схема накопителя заряженных частиц с фокусировкой продольным магнитным полем была предложена в Институте Ядерной Физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск) в 80-х годах. Предложение появилось в связи с развитием идеи генерации антиводорода "на лету". Такая схема генерации [9] предполагает использование двух накопителей -антипротонов и позитронов, имеющих общую прямолинейную секцию, в которой оба пучка совмещены и имеют одинаковые средние скорости. При рекомбинации позитронов с антипротонами и образуются атомы антиводорода. Изначально в этой схеме предполагалось использование для позитронов обычного жесткофокусирующего накопителя [9]. Но для постановки экспериментов на потоках атомов антиводорода оптимальная энергия атомов лежит в диапазоне десятков МэВ, что требует энергии позитронов в несколько кэВ. Обеспечение устойчивого движения частиц в обычном жесткофокусирующем накопителе является затруднительным. Для преодоления этой трудности в [10] было предложено использовать для фокусировки позитронов продольное магнитное поле. Однако авторам этой работы не удалось найти решение проблемы инжекции позитронов в продольное магнитное поле без значительного увеличения их поперечных скоростей и совмещения циркулирующего позитронного пучка с охлаждающим однопролетным электронным. Последняя трудность оказалась принципиальной, т.к. для эффективной антипротон-позитронной рекомбинации необходима низкая температура рекомбинирующих частиц, что в области малых энергий может быть обеспечено только электронным охлаждением. При этом электронное охлаждение позитронов также сопровождается процессом рекомбинации -электронов и позитронов, с образованием направленного потока позитрония, что дает дополнительную возможность проведения экспериментов по физике позитрония в новой постановке.

Решение было найдено авторами работ [11, 12], в которых была предложена схема инжекции и совмещения <самагниченных» позитронного и электронного пучков (т.е. таких, источники которых погружены в продольное магнитное поле). Для обеспечения долговременной устойчивости движения было предложено использовать спиральное квадрупольное поле.

С целью изучения возможностей применения модифицированного бетатрона для генерации позитрония и антиводорода, а также для электронного охлаждения циркулирующим пучком, в ОИЯИ был создан накопитель LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator) [13, 14, 15, 16], физический пуск которого с циркулирующим электронным пучком был осуществлен в сентябре 2004 г.

Модифицированные бетатроны представляют интерес для решения многих задач. Кроме установки ОИЯИ, на различной стадии проработки находится несколько проектов. В Харьковском Физико-техническом институте продолжаются, начатые еще в советское время, теоретические исследования динамики частиц в ускорителях такого типа [17]. В последнее время предложено использовать модифицированный бетатрон для производства интенсивных позитронных пучков [18] и для радиационной терапии [19].

Основные цели работы. Данная работа имела целью разработку и тестирование отдельных элементов накопителя с продольным магнитным полем, сборку и пуск накопителя LEPTA, экспериментальную проверку принципа совмещения «замагниченных» пучков посредством центробежного дрейфа.

Актуальность работы. В 1998 г. в ОИЯИ были начата разработка и сооружение установки LEPTA, предназначенной для генерации интенсивных потоков позитрония и экспериментов с ними в принципиально новой постановке. В сентябре 2004 года был осуществлен физический пуск ключевого элемента этой установки -накопителя LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator) с циркулирующим электронным пучком в диапазоне энергий 1-10 кэВ. В этом накопителе реализована оригинальная схема инжекции для циркулирующего пучка, схема ввода и вывода однопролетного электронного пучка, не возмущающая циркулирующий пучок. Также протестирована схема совмещения циркулирующего и однопролетного охлаждающего электронного пучков.

Для фокусировки заряженных частиц в накопителе LEPTA используется продольное магнитное поле, которое присутствует на всей орбите циркулирующего пучка.

Первоначально ускорители с фокусировкой продольным (азимутальным) магнитным полем были предложены для получения электронных пучков с током несколько килоампер и энергией несколько десятков МэВ. Такие ускорители называются модифицированными бетатронами. Для формирования устойчивого движения по равновесной орбите в них, дополнительно к продольному магнитному полю, может использоваться спиральное квадрупольное поле. Такое поле формируется стеллараторной обмоткой. Этот термин возник в физике плазмы, где для удержания плазмы в стеллараторах, в дополнение к продольному магнитному полю, была впервые использована спиральная мультипольная обмотка.

Структура стеллараторов азимутально-симметричная и для удержания плазмы (формирования замкнутых поверхностей) спиральная мультипольная обмотка покрывает весь периметр. Ускорители с продольным магнитным полем, использующие для обеспечения устойчивого движения на равновесной орбите стеллараторную обмотку, называют стеллатронами, по аналогии со стеллараторами.

Одной из проблем стеллатронов является сложность инжекции и вывода замагниченных пучков. В азимутально-симметричной структуре эту проблему решить не удалось. Структура накопителя LEPTA является секционированной. В нем впервые стеллараторная обмотка покрывает не весь периметр равновесной орбиты, что позволяет ввести дополнительные прямолинейные промежутки, и появляются возможности для размещения устройств впуска-выпуска, диагностики, электронного охлаждения и т.п.

Экспериментальная проверка схемы инжекции и совмещения «замагниченных» циркулирующего позитронного и однопролетного электронного пучков открывает путь для широкого использования такого типа накопителей. Например, проект накопителя позитронов подобного типа разработан в рамках проекта FLAIR (GSI, Германия) для генерации потоков атомов антиводорода. Предложенная схема ввода-вывода пучка позволяет решить основные проблемы модифицированных бетатронов и дает возможность получения электронных пучков большой мощности.

В связи с вышесказанным, настоящая работа является полезной и актуальной.

На защиту выносится:

1. Схема секционированного стеллатрона, в котором спиральная квадрупольная обмотка покрывает часть орбиты. Это позволяет инжектировать и удерживать длительное время «замагниченные» частицы, источник которых погружен в магнитное поле. Физический пуск накопителя LEPTA с циркулирующим электронным пучком, реализующего эту схему.

2. Конструкция накопителя заряженных частиц с продольным магнитным полем LEPTA.

2.1. Конструкция септума, обеспечивающая раздельный ввод в накопитель пучков позитронов и электронов без возмущения пучка, циркулирующего на равновесной орбите.

2.2. Конструкция безжелезного спирального квадруполя, формирующего постоянный градиент в пределах апертуры и обеспечивающего устойчивость движения частиц циркулирующего пучка.

3. Экспериментальная проверка на накопителе с продольным магнитным полем LEPTA схемы совмещения двух «замагниченных» пучков, основанного на центробежном дрейфе частиц в тороидальных соленоидах. При этом движение позитронного пучка моделировалось пучком электронов, циркулирующих в накопителе, а орбита однопролетного пучка электронов формировалась при изменении направления поворотного поля в торах на противоположное.

4. Модель динамики частиц в секционированном накопителе с продольным магнитным полем в дрейфовом приближении, и ее экспериментальное подтверждение на накопителе LEPTA.

5. Методика настройки основных оптических элементов накопителя с фокусировкой продольным магнитным полем, методика формирования замкнутой орбиты и методика измерения бетатронного числа и экспериментальное подтверждение их эффективности на накопителе ЬЕРТА.

Научная новизна. Впервые предложена и осуществлена схема инжекции «замагниченного» пучка в накопитель с продольным магнитным полем без возмущения пучка, циркулирующего на равновесной орбите. Впервые протестирована оригинальная схема совмещения «замагниченных» электронного и позитронного пучков. Впервые предложена и осуществлена схема накопителя с продольным магнитным полем, в котором дополнительная спиральная квадрупольная обмотка покрывает не всю равновесную орбиту. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель динамики циркулирующего пучка в дрейфовом приближении в накопителе с продольным магнитным полем. Разработаны методики для измерения бетатронного числа в накопителе с продольным магнитным полем.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на отечественных и международных конференциях по ускорителям заряженных частиц: XVII (2000г., Протвино), XVIII (2002 г., Обнинск) и XIX (2004 г., Дубна) Всероссийских конференциях по ускорителям заряженных частиц ЯиРАС, европейских конференциях по ускорителям ЕРАС'2002 (Париж), ЕРАС'2004 (Люцерна, Швейцария), на международной конференции по физике антипротонов низкой энергии ЬЕАР'2003 (Йокогама, Япония), международных совещаниях по охлаждению пучков заряженных частиц ЕСООЬ'2003 (Фуджи, Япония), международных научных семинарах памяти В.П. Саранцева (Дубна, 2001, 2003 г.г.), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном Институте Ядерных Исследований.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения списка литературы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [16, 20-23,25-27]. В главе 1 приведена схема установки ЬЕРТА, описаны отдельные элементы накопителя и изложена схема совмещения однопролетного электронного пучка и циркулирующего позитронного.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Селезнев, Игорь Алексеевич

Заключение

В ходе выполнения работы.

1. Сооружен накопитель ЬЕРТА, представляющий собой секционированный стеллатрон, в котором спиральная квадрупольная обмотка покрывает часть орбиты. Такая схема реализована впервые.

2. Разработан и протестирован септум, впервые реализующий схему ввода в накопитель с продольным магнитным полем пучков электронов без возмущения пучка, циркулирующего на равновесной орбите.

3. Разработан и реализован безжелезный спиральный квадруполь, формирующий постоянный градиент в пределах апертуры и обеспечивающий устойчивость движения частиц пучка, циркулирующего в накопителе.

4. Произведен физический пуск накопителя ЬЕРТА с циркулирующим электронным пучком.

5. Впервые на накопителе с продольным магнитным полем экспериментально подтвержден принцип совмещения двух «замагниченных» пучков, основанный на центробежном дрейфе частиц в тороидальных соленоидах. В экспериментах движение позитронного пучка моделировалось пучком электронов, циркулирующих в накопителе, а орбита однопролетного пучка электронов формировалась при изменении направления поворотного поля в торах на противоположное.

6. На основе предложенной модели динамики частиц в дрейфовом приближении для накопителей с продольным магнитным полем выработаны методики настройки основных оптических элементов накопителя, формирования замкнутой орбиты циркулирующих частиц, получения устойчиво циркулирующего пучка, измерения бетатронного числа.

7. Выработанные методики реализованы при пуске накопителя ЬЕРТА и экспериментально подтверждена их эффективность.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям за обсуждения основных вопросов изложенных в диссертации, и руководство работой.

Автор искренне благодарит творческий коллектив сектора электронного охлаждения: Смирнова A.B., Сыресина Е.М., Коротаева Ю.В., Кобеца А.Г., ПивинаР.В., Яковенко С.Л., Степанову Т.А., Соболеву Л.В., Ахманову Е.В., Трубникова Г.В., Малахова В.Н. за длительное и полезное сотрудничество и непосредственную помощь в работе.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность сотрудникам института, принимавшим участие в конструирование и запуске накопителя LEPTA: Лохматову В.И., Болтушкину Е.В., Быковскому В.Ф., Миронову C.B., Онищенко Л.М., Сазонову В.Г., Карпинскому В.Н., Каплину В.И., Ивашкевичу С.А., Жукову H.H.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Селезнев, Игорь Алексеевич, 2005 год

1. Chemin D., Sprangle P. // Particle Accelerators. 1982. V. 12. p. 85-100.

2. Rostoker N. // Particle Accelerators. 1973. V. 5. p. 93.

3. Sprangle P., Kapetanakos C.A. // J. Appl. Phys. 1978. V. 49. p. 1.

4. Kapetanakos C.A. et al. // Phys. Fluids. 1983. V. 26. p. 1634.

5. Mandelbaum B. et al. // Phys. Fluids. 1988. V. 31, No. 4. p. 916-923.

6. Koert P. et al. // Proc. of РАС 1987. p. 972-974.

7. Kapetanakos C.A. et al. // Phys. Fluids B. 1993. V. 5, No. 7. p. 2295.

8. Humphires S. Jr., Тепу R.L., Frauenglass A. // J. Appl. Physics. 1991. V. 69, No. 4.p. 1822-1834.

9. Budker G.I., Skrinsky A.N. // Sov. Phys.-Usp. 1978. V. 21. p. 277.

10. Artamonov A., Derbenev Ya., Saldin E. // Particle Accelerators. 1988. V. 23. p. 79-92

11. Meshkov I.N., Skrinsky A.N. JINR Commun. E9-95-130. Dubna, 1995.

12. Meshkov I.N., Skrinsky A.N. // NIM A. 1996. V. 379. p. 41.

13. Meshkov I., Sidorin A. // Proc. of Intern. Workshop on Medium Energy Electron Cooling, Novosibirsk, 1997. p. 183.

14. Meshkov I. et al. // Proc. of HEACC'98, Dubna, 1998.

15. Ivanov A. et al. // NIM A. 2000. V.441, Nos 1-2. p. 262.

16. Долгополов В.В., Кириченко Ю.В. // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, вып. 11. стр. 72-77

17. Kapetanakos С.А. // Journal of Synchrotron Radiation. 1996. V. 3, No. 6. p. 268-271.

18. TanakaH. //Proc. of FFAG Accelerator Workshop, KEK, Tsukuba July 7-12,2003.

19. Meshkov, I. Seleznev, A. Sidorin, A. Smirnov, G. Trubnikov, S. Yakovenko, Positron storage ring for positronium and antihydrogen generation in flight: The LEPTA project, Proc. of LEAP'03, NIM В 214 (2004) p. 186-190.

20. Мешков И.Н. Транспортировка пучков заряженных частиц. Наука, Сибирское отделение. 1991.