Особенности продольной динамики частиц в сверхпроводящих линейных ускорителях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Богданов, Александр Александрович

• Богданов, Александр Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Богданов, Александр Александрович

Введение.

I. Сепаратрисный формализм для сверхпроводящих линейных ускорителей.

1.1 Отличительные особенности сверхпроводящих резонаторов, определяющие специфику динамики пучка.

1.2 Ускоряющая структура с плавно изменяющейся геометрией.

1.3 Ускоряющая структура со ступенчатым изменением фазовой скорости.

1.3.1 Механизм ускорения квазисинхронной частицы.

1.3.2 Формирование эффективной области устойчивости около квазисинхронной частицы.

1.4 Ускоряющая структура со ступенчатым изменением ВЧ-фазы.

1.4.1 Механизм ускорения квазисинхронной частицы.

1.4.2 Формирование эффективной области устойчивости.

Выводы.

И. Структурные резонансы продольного движения.

II. 1 Параметризация продольного движения в линейном ускорителе с дрейфовыми промежутками.

11.2 Общий случай нелинейного резонансного возбуждения.

11.2.1 Получение резонансного Гамильтониана.

11.2.2 Изолированные особые точки.

11.3 Нелинейный резонанс второго порядка.

11.3.1 Нахождение особых точек.

11.3.2 Пересечение резонанса как прямая и обратная бифуркация.

11.4 Нелинейный резонанс третьего порядка.

11.5 Численное моделирование резонансных явлений в линейном ускорителе-инжекторе COSY.

11.6 Методы компенсации влияния параметрического резонанса.

Выводы.

III. Особенности настройки и построения сверхпроводящей ускоряющей структуры.

III. 1 Модернизированная процедура настройки сверхпроводящего линейного ускорителя.

III.1.1 ДГ-процедура для настройки нормальнопроводящих линейных ускорителей.

III. 1.2 Основные отличительные особенности ДГ-процедуры для настройки сверхпроводящих линейных ускорителей.

III. 1.3 Фазирование сверхпроводящих резонаторов "по пучку" как первый этап настройки.

III. 1.4 Коррекция эквивалентной фазовой скорости как второй этап настройки.

III. 1.5 Традиционная процедура настройки как завершающий этап.

Выводы.

III.2 Оптимизация геометрии сверхпроводящего линейного ускорителя

111.2.1 Аспекты, влияющие на построение геомерии.

111.2.2 Построение геометрии для ускорения одного типа частиц.

111.2.3 Построение геометрии для ускорения частиц с разным отношением заряда к массе.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности продольной динамики частиц в сверхпроводящих линейных ускорителях»

Современный этап развития физики и техники ускорителей заряженных частиц определяется широким использованием сверхпроводниковых технологий. Большинство проектов будущих ускорителей и планы развития существующих основываются па применении сверхпроводящих резонаторах. Необычайно широк круг задач, решаемых с помошью сверхпроводящих ускорителей. В области физики высоких энергий Большой Адронный Коллайдер LHC (ЦЕРН) на 14 ТэВ (в системе центра масс), как ожидается, позволит экспериментально проверить положения Стандартной модели, а именно, ответить на вопросы о существовании Хиггс-бозона, разрешить проблему дисбаланса материи-антиматерии, проверить идею о суперсимметрии. Ускорение протонов и ионов в LHC планируется осуществлять с помощью одпозазорных сверхпроводящих резонаторов [1]. Сверхпроводящий линейный электрон-позитронный коллайдер TESLA [2] с энергией 500 ГэВ призван в значительной степени дополнить исследования, проводимые на LHC. Эта установка прольет свет на вопрос о происхождении массы элементарных частиц, позволит провести более детальные исследования свойств новых частиц, в том числе Хиггс-бозона, предоставит возможность выйти за пределы Стандартной модели и более точно проверить теорию суперсимметрии, объединяющей все четыре взаимодействия. Уникальные возможности для ядерной физики несет в себе удвоение конечной энергии сверхпроводящего рецикулярного линейного ускорителя (CEBAF) до 12 ГэВ [3], что позволит значительно продвинуться в понимании природы сильного взаимодействия и явления конфайнмента кварков.

Повышенный интерес к исследованиям нейтрино стимулирует разработку проектов нейтринной фабрики [4,5]. Пучки нейтрино получаются при распадах мюонов, ускоренных до энергий 20-50 ГэВ. Поэтому нейтринные фабрики можно рассматривать как первый шаг к мюонным коллайдерам. Однако малый период полураспада мюона (~2 мкс) доставляет много технических трудностей при осуществлении ускорения. Сверхпроводящие резонаторы в этом случае делают возможным ускорение с высоким темпом.

Ускорение радиоактивных изотопов позволит получить ответы на многие фундаментальные вопросы ядерной физики, в частности, о происхождении химических элементов, о стабильности ядер, о свойствах экзотических ядер. Важность подобных исследований подтверждается тем, что проект Ускорителя редких изотопов (RIA) [6] внесен Американским департаментом по Энергии (DOE) в число наиболее приоритетных проектов по ядерной физике.

Применение сверхпроводящих резонаторов для ускорения высокоинтенсивных пучков позволяет существенно снизить затраты на создание и поддержание ВЧ-системы ускорителя. Это преимущество, вместе с возможностью обеспечить предельно низкий уровень потерь частиц [7], послужило толчком к развитию и созданию нейтронных источников, основанных на сверхпроводящих линейных ускорителях. Заканчивается сооружение Американского нейтронного источника (SNS) [8], завершена разработка Европейского нейтронного источника (ESS) [9]. Разрабатываются ускорительные комплексы по переработке ядерных отходов [10, 11].

Этот, далеко не полный, перечень современных проектов наглядно показывает, что применение сверхпроводниковых технологий выводит ускорители на решение задач следующей ступени познания окружающего мира.

Однако, на сегодняшний день значительно возрастает актуальность исследований, направленных на выяснение особенностей движения частиц в сверхпроводящем ускорителе, поскольку построение ускоряющей структуры должно быть оптимизировано, в первую очередь, с точки зрения динамики пучка. Кроме того, современные технологии обработки сверхпроводящих материалов достигли настолько высокого уровня, что на сегодняшний день изготовление сверхпроводящих резонаторов не представляет технологических трудностей. В связи с этим, на передний план выходят задачи, связанные с изучением влияния особенностей геометрии сверхпроводящей ускоряющей структуры на динамику частиц.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование особенностей продольной динамики частиц в сверхпроводящих линейных ускорителях в одночастичном приближении. Указанная цель достигается решением следующих основных задач:

• Первая задача сводится к теоретическому обоснованию принципа ускорения в структурах двух типов: со ступенчатым изменением фазовой скорости и со ступенчатым высокочастотным фазированием резонаторов. В круг вопросов, затрагиваемых в данной задаче, включается также исследование процесса создания эффективной области устойчивости в указанных структурах.

• Вторая задача связана с изучением изменения эффективной области устойчивости под влиянием структурных резонансов, обусловленных наличием дрейфовых промежутков между криомодулями.

• Проблематика третьей задачи лежит в практической плоскости и заключается в разработке процедуры, которая позволила бы сохранить область устойчивости и расчетные параметры пучка при практической реализации ускоряющей структуры с погрешностями установки амплитуды и фазы ускоряющего поля.

Результаты работы были использованы при разработке линейного сверхпроводящего ускорителя-инжектора COSY (Juelich, Germany) [12] и при анализе линейного ускорителя Европейского нейтронного источника (ESS) [9].

Структура диссертации представляется в следующем виде. Диссертация изложена на 129 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 56 наименований. Диссертация включает 34 рисунка и 1 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Богданов, Александр Александрович

Выводы

Была представлена процедура оптимизации ускоряющей структуры. Оптимизация должна удовлетворять следующим критериям. Во-первых, структура должна обеспечивать эффективное ускорение частиц, что исследуется по поведению коэффициента пролетного времени. Во-вторых, переход частиц из одной группы резонаторов в другую должен осуществляться без потерь. Критерием эффективности захвата частиц в сепаратрису следующей группы является соотношение амплитуд когерентных колебаний пучка непосредственно при переходе. И, наконец, структура должна обеспечивать устойчивость движения частиц под воздействием структурных резонансов.

Было показано применение указанных критериев при построении геометрии СП линейного ускорителя в проекте ESS, который является примером СП высоко-энергетичной структуры. В области низких энергий рассматривалось построение геометрии для линейного ускорителя-инжектора COSY. Несмотря на единство подходов к построению геометрии в каждом случае, характер и параметры структур имеют некоторые различия, которые определяются, в первую очередь, тем фактом, что действие несинхронизма гораздо сильнее проявляется в области низких энергии. Как следствие этого, отличаются типы резонаторов в каждом случае. В области высоких энергий применяются эллиптические резонаторы с большим количеством зазоров, в то время как при низких энергиях возможно применение лишь резонаторов с малым количеством зазоров, примером которых служат коаксиальные резонаторы и спок-резонаторы. Следует заметить, что для ускорения и в диапазоне энергий от 2.5 до 50 МэВ и от 185 до 1335 МэВ используются две группы резонаторов.

124

Заключение

В диссертации проводилось исследование особенностей продольного движения частиц в сверхпроводящих линейных ускорителях. Основные результаты можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана теория квазисинхронного движения частиц в сверхпроводящих линейных ускорителях, состоящих из идентичных резонаторов

2. На основании теории квазисинхронного движения обоснован принцип межрезонаторного высокочастотного фазирования, обеспечивающий ускорение частиц и максимальную область захвата в сверхпроводящих линейных ускорителях. Изучено, как ВЧ-фазирование резонаторов приводит к возбуждению когерентных колебаний пучка

3. Развит сепаратрисный формализм, позволяющий исследовать динамику частиц в сверхпроводящих линейных ускорителях. Показано, что когерентные колебания пучка являются причиной сокращения импульсного размера эффективной сепаратрисы

4. Проведено теоретическое исследование структурных резонансов, возникающих из-за наличия дрейфовых промежутков между криомодулями. Получена оценка ширины наиболее опасных резонансов и качественно исследовано поведение частиц вблизи резонансов второго и третьего порядка. Получено ограничение на длину дрейфового промежутка. Для изучения поведения системы в реальном ускорителе был развит аппарат численного моделирования. Предложены методы компенсации влияния резонансного возбуждения

5. Предложен метод модернизации АГ-процедуры для настройки сверхпроводящих линейных ускорителей. Подтверждение правильности предложенного метода проводится путем численного моделирования

Были сформулированны основные критерии построения оптимальной геометрии сверхпроводящего линейного ускорителя, учитывающие выявленные особенности продольного движения частиц

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Богданов, Александр Александрович, 2004 год

1. Е. Chiaveri et. al., Measurements on the first LHC acceleration module, Proc. 2001 РАС, Chicago, USA

2. Conceptual design of a 500 GeV e+e- Linear collider with integrated X-ray laser facility, ed.: R. Brickmann et al, DESY 1997-048, 1997

3. L. Harwood, Upgrading CEBAF to 12 GeV, Proc. 2003 РАС, Portland, USA

4. M. Zisman, R&D Toward Neutrino Factories and Muon Colliders, Proc. 2003 РАС, Portland, USA

5. W.T. Weng et. al., Neutrino Beam Facilities and Projects, Proc. 2003 РАС, Portland, USA

6. K. W. Shepard, The U.S. RIA project SRF Linac, Proc. SRF2001, Tsukuba, Japan,2001

7. T.P. Wangler at al., Basis for Low Beam Loss in the High-Current APT Linac, Proc. XIX International Linac Conference, Chicago, USA, 1998

8. N. Holtkamp, Status of the SNS project, Proc. 2003 РАС, Portland, USA

9. The ESS project, vol. IH: Technical Report, 2002

10. G.P. Lawrence, High Power Proton Linac for ATP; Status of Design and Development, Proc. of XIX International Linac Conference, Chicago, USA, 1998

11. M. Napolitano et al., Status of the High Current Proton Accelerator for the TRASCO Program, Proc. 2002 EPAC, Paris, France

12. R. Toelle, et al., A Superconducting Injector LINAC for COSY, Proc. 2002 EPAC, Paris, France

13. H. Padamsee, J. Knobloch, T. Hays, RF Superconductivity for Accelerators, John Wiley & Sons, Inc., 1998

14. U. Linz, Ion beams in tumor therapy, Weinheim: Chapman and Hall, 1995

15. G. Coutrakon et al., Design Consideration for Medical Proton Accelerators, Proc. 1999 РАС, New York, USA

16. F. Scarpa et al., Test Results of the LNL Low Cost, High Performance Solid State RF Amplifier, Annual report 2001 Laboratori Nazionali di Legnaro

17. K.W. Shepard etal., IEEE Trans. Nucl.Sci., 24: 1147(1977)

18. R.A. Jameson, Discussion of Superconducting and Room-Temperature High-Intensity Ion Linacs, Proc. 1996 EPAC, Barselona, Spain

19. C. Rode et al., The SNS Superconducting Linac System, Proc. 2001 РАС, Chicago, IL, USA

20. T.P. Wangler, Beam Dynamics Design and Simulation Studies of the APT Superconducting Linac, Proc. 1999 РАС, New York, USA

21. Б.В. Чириков, Нелинейный резонанс, НГУ, Новосибирск, 1977

22. А. Лихтенберг, М. Либерман, Регулярная и стохастическая динамика, М., "Мир", 1984

23. G. Guignard, Effect des champs magnetiques perturbatears d'un synchrotron, CERN 70-24, chapter 4, 1970

24. И.М. Капчинский, Теория линейных резонансных ускорителей, М., Энергоиздат, 1982

25. А.Д. Власов, Теория линейных ускорителей, М., Атомиздат, 1965

26. Линейные ускорители ионов, под ред. Б.П. Мурина, М., Атомиздат, 1978

27. T.P. Wangler, Principles of RF Linear Accelerators, John Wiley & Sons, Inc., 1998

28. Ю.В. Сеничев, E.H. Шапошникова, Квазиравновесное движение в ускорителе, состоящем из секций с постоянной фазовой скоростью, Препринт ИЯИ АН СССР, М., 1987

29. Л .Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Механика, М., "Наука", 1988

30. Н.Н. Боголюбов, Ю.А. Митропольский, Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний, Гос. изд. физ.-мат. лит., М., 1958

31. A. Bogdanov, Yu. Senichev, R. Maier, Separatrix Formalism for Superconducting Linear Accelerators, Phys. Rev. STAB, 6, 124001, (2003).

32. A. Bogdanov and Yu. Senichev, Some Features of Beam Dynamics in Superconducting Linear Accelerators Based on the Stepped-Geometry Accelerating Structures, Proc. ICANS-XVI, Duesseldorf-Neuss, Germany, May 2003, pp. 955-965.

33. Yu. Senichev and A. Bogdanov, Low Energy Accelerators Based on Superconducting Cavities, Proc. of the 9th International Workshop "Beam Dynamics and Optimisation", editors: D.A. Ovsyannikov, S.N. Andrianov, June 2002.

34. H. Poincare, New methods of celestial mechanics, Nauka, 1971

35. Л.Э. Эльсгольц, Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление, Эдиториал УРСС, М., 2000

36. А.Н. Тихонов, А.Б. Васильева, А.Г. Свешников, Дифференциальные уравнения, М., "Наука", Физматлит, 1998

37. MAFIA, E-TTie Eigenmode Solver, the MAFIA Collaboration, 1996

38. N.Vasyukhin, private communication

39. К. R. Crandall, The Delta-T Tuneup Procedure for the LAMPF 805 MHz Linac, LANL Report LA-6374-MS, June, 1976

40. Yu. Senichev, E. Shaposhnikova, The Problems of a Stepped-Phase-Velocity Linear Accelerator Tuning, Proc. HEACC-1987

41. T. L. Owens, Phase and Amplitude Tuning Procedures for the Fermilab Linac, Fermilab-TM-1713, January, 1991

42. S. Nath, J. Billen, J. Stovall, H. Takeda, L. Young and K. Crandall, Longitudinal Beam-Dynamics of the SNS SRF-Linac, Proc. 2002 EPAC, Paris, France

43. A. Bogdanov, R. Maier, Yu. Senichev, Separatrix Formalism in Superconducting Linac Design, Proc. 2002 EPAC, Paris, France, pp. 1235-1237.

44. A.J. Lennox, Overview of Accelerators in Medicine, Proc. 1993 РАС, Washington, D.C., USA

45. K.H.W. Bethge, Non-medical application of ion linacs, Proc. of CAS-CERN 96-02, ed.: S. Turner, CERN, 1996

46. K.H.W. Bethge, Application of ion linacs, Proc. of CAS-CERN 96-02, ed.: S. Turner, CERN, 1996

47. H. Padamsee et al., IEEE Trans. Magn., 17:947 (1981)

48. J.R. Delayen, C.L. Bohn, C.T. Roche, Experimental results in superconducting niobium resonators for high-brightness ion beam acceleration, Proc. 1990 LINAC, Albuquerque, USA

49. J.R. Delayen, W.L. Kennedy, C.T. Roche, Design and test of a superconducting structure for high-velocity ions, Proc. 1992 LINAC, Ottawa, Canada

50. Yu. Senichev, A. Bogdanov, W. Braeutigam, R. Maier, E. Zaplatin, Analysis of Normal- and Super-conducting Options for ESS Low Energy Part of Proton Linear Accelerator. Proc 2002 EPAC, Paris, France, pp. 1046-1048.

51. J.R. Delayen, Medium-p Superconducting Accelerating Structure, Proc. 2001 RF Superconductivity Workshop, Tsukuba, Japan

52. Yu. Senichev, A. Bogdanov, A. Lehrach, R. Maier, R. ТйИе, E. Zaplatin, Some Features of Beam Dynamics in Superconducting Linac Based on Quarter- and Half-wave Cavities, Proc. 2002 EPAC, Paris, France, pp. 1293,-1295.

53. The Superconducting Injector LINAC for the Cooler Synchrotron COSY, Conceptual design report, 2001

54. A. Facco, V. Zviagintsev, Study on beam steering in intermediate-P superconducting quarter wave resonators, Proc. 2001 РАС, Chicago, IL, 2001, p.1095

55. P.N. Ostroumov, K.W. Shepard, Minimizing transverse-field effects in superconducting quarter-wave cavities, Proc. 2002 LINAC, Gyeongju, Korea, 2002

56. The Superconducting Injector LINAC for the Cooler Synchrotron COSY, Design upgrade report, 2002