Сверхпроводящий ускоряющий модуль на основе одномодового резонатора и его взаимодействие с интенсивным пучком в накопителе CESR тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Беломестных, Сергей Анатольевич

• Беломестных, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беломестных, Сергей Анатольевич

1. G. Н. Rees, "Radiation Excitation and Beam Distributions in Electron Storage Rings," Synchrotron Radiation and Free Electron Lasers, Proc. CERN Accelerator School, Chester, United Kingdom, April 1989, CERN 90-03, pp. 37-52.

2. M. Tigner, "CESR - An Electron Positron Colliding Beam Facility at Cornell," IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-24, 1849 (1977).

3. B. W. Batterman, N. W. Ashcroft, "CHRTR CHESS: The New Synchrotron Radiation Facility at Cornell," Science, 206:10 (1979), pp. 157-161.

4. D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

5. M. Billing, "Observation of a Longitudinal Coupled Bunch Instability with Trains of Bunches in CESR," presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

6. A. Temnykh, D. Hartill, S. Belomestnykh, R. Kaplan, "The HOM Study of CESR RF Cavities Using Single Circulating Bunch," Report CBN 97-5, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997), presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

7. С. А. Беломестных, неопубликовано.

8. D. Fromowitz, "Simulation of Multibunch Instabilities Based on the Fundamental Cavity Mode," Report CON 97-10, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (August 1997).

9. В. Г. Вещеревич, "Многорезонаторные ускоряющие структуры электрон-позитронного накопителя ВЭПП-4," Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1983.

10. J. Kirchgessner, "Review of the Development of RF Cavities for High Currents," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1469-1473.

11. R. Boni, "HOM-Free Cavities," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 1, pp. 182-186.

12. K. Akai, "RF Issues for High Intensity Factories," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 1, pp. 205209.

13. S. Belomestnykh, "Coherent Synchrotron Frequency Shift due to the Fundamental Accelerating Cavity Mode in CESR," Report SRF 970314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1997).

14. H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

15. T. Furuya, et al., "Beam Test of a Superconducting Damped Cavity for KEKB," KEK Preprint 97-18, presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

Глава 1

1.1 H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

1.2 H. Padamsee, et al., "Accelerating Cavity Development for the Cornell B-Factory, CESR-B," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 2, pp. 786-788.

1.3 H. Padamsee, et al., "Design Challenges for High Current Storage Rings," Particle Accelerators, 1992, Vol. 40, pp. 17-41.

1.4 M. Tigner, "CESR-B, Upgrade the CESR Facility to B-Factory Capability," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 1, pp. 132-134.

1.5 D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

1.6 V. Veshcherevich, "B-Factory Cavity with Long Tubes and Tapers: Dipole Modes. Measurements on Full Scale Copper Model," Minutes of the SRF Meeting, July 9, 1992, Report SRFM 070992, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1992).

1.7 S. Belomestnykh, "Cutoff Frequencies of Several SRF and CESR Beam Pipes," Report SRF 951220-18, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1995).

1.8 T. Kageyama, "Grooved Beam Pipe for Damping Dipole Modes in RF Cavities," KEK B-Factory Workshop, KEK, Tsukuba, Japan, October 1990.

1.9 P. Kneisel and B. Lewis, "Advanced Surface Cleaning Methods - Three Years Experience with High Pressure Ultrapure Water Rinsing of Superconducting Cavities," Proceedings of the 7th Workshop on RF Superconductivity, Vol. 1, pp.311-327.

1.10 D. Moffat et al., "Preparation and Testing of a Superconducting Cavity for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 763-765.

1.11 S. Belomestnykh, et al., "Superconducting RF System for the CESR Luminosity Upgrade: Design, Status, and Plans," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 3, pp. 2100-2102.

1.12 M. Pisharody, et al., "High Power Window Test on a MHz Planar Waveguide Window for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1720-1722.

1.13 E. Chojnacki, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Tests and Designs of HighPower Waveguide Vacuum Windows at Cornell," Report SRF 971210-07, Cornell

Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (December 1997), presented at the Eighth Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy, October 1997.

1.14 D. J. Liska, et al., "Design Features of a Seven-Cell, High Gradient Superconducting Cavity," Proceedings of the 1992 Linear Accelerator Conference, Ottawa, Canada, August 1992, Vol. 1, pp. 162-165.

1.15 J. Kirchgessner, "Thoughts on the Very High Value of dF/dP" Report SRF 940321-01, Cornell Laoratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1994).

1.16 J. Kirchgessner and S. Belomestnykh, "On the Pressure Compensation for the B-cell Cavity in the MARK II Cryostat," Report SRF 970624-06, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (June 1997).

1.17 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

1.18 D. Moffat, et al., "Design and Fabrication of a Ferrite-lined HOM Load for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 977-979.

1.19 W. Hartung, "The Interaction between a Beam and a Layer of Microwave-Absorbing Material," Ph. D. Dissertation, Cornell University (1996).

Глава 2

2.1 D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

2.2 V. Veshcherevich, et al., "The Loss Factor of the Cavity Module for the CESR Beam Test and Some Other Asymmetric Structures," Report SRF 931013-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1993).

2.3 S. Belomestnykh and W. Hartung, "Calculations of the Loss Factor of the BB1 Superconducting Cavity," Report SRF 960202-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1996).

2.4 D. Boussard, "Design of a Ring RF System," Proceedings of the CERN Accelerator School "RF Engineering for Particle Accelerators", Oxford, UK, April 1991, Vol. 2, pp. 474-500.

Глава 3

3.1 D. Moffat et al., "Preparation and Testing of a Superconducting Cavity for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 763-765.

3.2 D. Metzger, et al., "Test Results and Design Considerations for a MHz, kWatt Vacuum Window for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 1399-1401.

3.3 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

3.4 H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

3.5 K. Akai, "Beam Tests and Operation of Superconducting Cavities," Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, KEK, Tsukuba, Japan, August 1989, KEK Report 89-21, Vol. 1, p. 189-206.

3.6 E. Chojnacki, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Tests and Designs of HighPower Waveguide Vacuum Windows at Cornell," Report SRF 971210-07, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (December 1997), presented at the Eighth Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy, October 1997.

3.7 M. Pisharody, et al., "High Power Window Test on a MHz Planar Waveguide Window for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1720-1722.

3.8 S. Belomestnykh, R. Kaplan, and J. Kirchgessner, "Beam Installation of the BB1-2 Cavity: Waveguide Adjustment and Cavity Positioning," Report SRF 961217-04, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (December 1996).

Глава 4

4.1 В. Zotter, "Potential-well Bunch Lengthening," Preprint CERN SPS/81-14 (DI), Geneva, May 1981.

4.2 E. B. Blum, et al., "Bunch Length Measurements in CESR using an X-ray Sensitive Photoconducting Detector," Nuclear Instruments and Methods, 1983, Vol. 207, pp. 321-324.

4.3 Z. Greenwald, et al., "Bunch Length Measurement using Beam Spectrum," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 2, pp. 1246-1248.

4.4 D. Cinabro, "Observation of Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 96-17/CBX 96-94, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (November 1996).

D. Cinabro, "Update on the Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 97-14/CBX 97-39, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (April 1997).

4.5 R. Holtzapple, частное сообщение.

4.6 P. В. Wilson, "Introduction to Wakefields and Wake Potentials," Preprint SLAC-PUB-4547, SLAC/AP-66 (January 1989).

4.7 D. Rice, et al., "Single Bunch Current Dependent Phenomena in CESR," IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-28, p. 2446-2448 (1981).

4.8 M. Billing, "Higher Mode Power Loss Limitations for Beam Currents in CESR," Report CBN 84-15, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1984).

4.9 V. Veshcherevich, et al., "The Loss Factor of the Cavity Module for the CESR Beam Test and Some Other Asymmetric Structures," Report SRF 931013-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1993).

4.10 T. Weiland, "Transverse Beam Cavity Interaction, Part I: Short Range Forces," Document DESY 82-015, Deutsches Elektronen Synchrotron, Hamburg, Germany (March 1982).

4.11 S. Belomestnykh and W. Hartung, "Calculations of the Loss Factor of the BB1 Superconducting Cavity," Report SRF 960202-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1996).

4.12 W. Chou and Y. Lin, "Impedance Calculations for 2-D and 3-D Structures and the Impedance Budget of 7-GeV APS Storage Ring," Proceedings of the 1989 IEEE Particle Accelerator Conference, Chicago, IL, March 1989, Vol. 2, pp. 909-911.

4.13 Y. H. Chin, "Advances and Applications of ABCI," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 5, pp. 3414-3416.

4.14 Y. H. Chin, "User's Guide for ABCI Version 8.8 (Azimuthal Beam Cavity Interaction)," Lawrence Berkeley Laboratory Report LBL-35258, CERN Preprint SL/94-02 (AP), 1994.

4.15 "MAFIA User Guide," Report LA-UR-90-1307, University of California (November 1989).

4.16 J. F. DeFord, et al., "The AMOS (Azimuthal Mode Simulator) Code," Proceedings of the 1989 IEEE Particle Accelerator Conference, Chicago, IL, March 1989, Vol. 2, pp. 1181-1183.

4.17 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

4.18 W. Hartung, "The Interaction between a Beam and a Layer of Microwave-Absorbing Material," Ph. D. Dissertation, Cornell University (1996).

4.19 S. Belomestnykh, "Cutoff Frequencies of Several SRF and CESR Beam Pipes," Report SRF 951220-18, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1995).

4.20 D. Myakishev, et al., "SUPERLANS/SUPERSAM Codes. User's Guide," Novosibirsk, 1992.

4.21 D. G. Myakishev, V. P. Yakovlev, "An Interactive Code SUPERLANS for Evaluating of RF Cavities and Accelerating Structures," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 5, pp. 30023004.

4.22 A. Temnykh, "Wake Function Study Using Two Spaced Bunches," Report CBN 95-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (My 1995).

4.23 M. M. Карлинер, A. H. Скринский, И. А. Шехтман, "Условия устойчивости фазового движения сгустка в накопителе релятивистских частиц," ЖТФ, т. XXXVIII, в. 11, с. 1945-1952 (1968).

4.24 М. М. Карлинер, "Устойчивость фазового движения многих сгустков в накопителе заряженных частиц," ЖТФ, т. XLI, в. 9, с. 1806-1811 (1971).

4.25 М. М. Karliner, N. V. Mityanina, V. P. Yakovlev, "Longitudinal Stability of Colliding Beams in e~e+ Storage Rings with the Account of Beam Coupling with the Environment," Proceedings of the Third Advanced ICFA Workshop on Beam-Beam Effects in Circular Colliders, pp 131-134, Novosibirsk, 1989.

4.26 В. Г. Вещеревич, "Многорезонаторные ускоряющие структуры электрон-позитронного накопителя ВЭПП-4," Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1983.

4.27 D. G. Myakishev, V. P. Yakovlev, "The New Possibilities of SuperLANS Code for Evaluation of Axisymmetric Cavities," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 4, pp. 2348-2349.

4.28 E. Haebel, P. Marchard, and J. Tuckmantel, "On the Calculation of Beam Tube Propagation of Cavity Modes from SUPERFISH and URMEL," Preprint CERN/EF/RF 841, CERN, Geneva, Switzerland (March 1984).

4.29 S. A. Heifets, "Analytic Study of the High-Frequency Impedance," Report CEBAF-PR-89-014.

4.30 S. Fornaca, et al., "Experimental Investigation of Low Frequency Modes of a Single Cell RF Cavity," Proceedings of the 1987 IEEE Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., March 1987, pp. 1818-1820.

4.31 W. Hartung, "LEP 1500 Plans Collapse and Other Stories or What I Learned on my CERN Vacation," Report NS/RF-92-1701, National Superconductor, 160000 Lincoln Avenue, Brentwood, Colorado 80523 (1992).

4.32 W. Hartung and E. Haebel, "In Search of Trapped Modes in the Single-Cell Cavity Prototype for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 898-900.

4.33 D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

4.34 M. Billing, "Observation of a Longitudinal Coupled Bunch Instability with Trains of Bunches in CESR," presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

4.35 A. Temnykh, D. Hartill, S. Belomestnykh, R. Kaplan, "The HOM Study of CESR RF Cavities Using Single Circulating Bunch," Report CBN 97-5, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997), presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

4.36 N. Mityanina, " MB I User's Manual," Report SRF/D 970314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997).

4.37 K. Akai, "RF Issues for High Intensity Factories," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 1, pp. 205209.

4.38 С. А. Беломестных, неопубликовано.

4.39 D. Fromowitz, "Simulation of Multibunch Instabilities Based on the Fundamental Cavity Mode," Report CON 97-10, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (August 1997).

4.40 S. Belomestnykh, "Coherent Synchrotron Frequency Shift due to the Fundamental Accelerating Cavity Mode in CESR," Report SRF 970314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1997).

Глава 5

5.1 H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

5.2 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

5.3 S. Belomestnykh, et al., "Wake Fields and HOMs Studies of a Superconducting Cavity Module with the CESR Beam," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3391-3395.

5.4 S. Belomestnykh, et al., "The Interaction between a Beam and a Superconducting Cavity Module: Measurements in CESR and CESR-Phase III Goals," Proceedings of the International Workshop on Collective Effects and Impedance for B-Factories (CEIBA95), Ed. Y. H. Chin, KEK, Tsukuba, Japan, June 1995, KEK Proceedings 96-6, pp. 456-466.

5.5 E. B. Blum, et al., "Bunch Length Measurements in CESR using an X-ray Sensitive Photoconducting Detector," Nuclear Instruments and Methods, 1983, Vol. 207, pp. 321-324.

5.6 Z. Greenwald, et al., "Bunch Length Measurement using Beam Spectrum," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 2, pp. 1246-1248.

5.7 D. Cinabro, "Observation of Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 96-17/CBX 96-94, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (November 1996).

D. Cinabro, "Update on the Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 97-14/CBX 97-39, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (April 1997).

5.8 A. Temnykh, "Wake Function Study Using Two Spaced Bunches," Report CBN 95-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (July 1995).

93

5.9 M. Billing, et al., "Measurements of Vacuum Chamber Impedance Effects on the Stored Beam at CESR," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3206-3208.

Содержание

Введение 2

Глава 1. Сверхпроводящий ускоряющий модуль 8

1.1 Резонатор 8

1.2 Криостат 13

1.3 ВЧ керамическое окно 14

1.3 Механизм подстройки частоты резонатора 16

1.4 Нагрузки высших мод 18

Глава 2. ВЧ система на основе одномодового резонатора 22

Глава 3. Испытания ускоряющего модуля и прототипов 27

3.1 Испытания прототипа нагрузки ВМ 28

3.2 Испытание ускоряющего модуля в действующем ускорителе 30

3.3 Работа с большими токами пучка 31

3.4 Работа с высокими темпами ускорения 34

3.5 Передача ВЧ мощности пучку 35

3.6 Испытание новых волноводных ВЧ окон 37

3.7 Испытания окончательного варианта ускоряющего модуля, его установка в СЕБЫ и опыт эксплуатации 39

Глава 4. Расчеты взаимодействия резонатора с пучком 44

4.1 Однопролетные эффекты 44

4.2 Расчеты факторов потерь ускоряющего модуля 47

95

4.3 Многосгустковые продольные неустойчивости и спектр высших мод сверхпроводящего резонатора 59

4.4 Взаимодействие пучка с основной модой резонатора 67

Глава 5. Измерение взаимодействия одномодового сверхпроводящего резонатора с пучком в накопителе CESR 71

5.1 Краткий обзор измерений 71

5.2 Измерение аксиально-симметричного фактора потерь 73

5.3 Измерение временной структуры потенциала собственных полей излучения 73

5.4 Сканирование частот высших мод 76

5.5 Измерение спектра высших мод 77

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводящий ускоряющий модуль на основе одномодового резонатора и его взаимодействие с интенсивным пучком в накопителе CESR»

Одно из основных направлений в развитии физики высоких энергий в последнее время - создание циклических установок со встречными пучками (коллайдеров). Новую физическую информацию становится получить все труденее и труднее, так как она заключена во все более редких распадах. Поэтому новые установки должны обеспечивать высокую светимость порядка 1033 -г 1034 см~2с-1. Светимость L определяется формулой т о и/г, \ z? Nblbunch^v

L = 2.17(l+r)Ebeam---(1) где L - в 1032 см-2с-1, г - отношение вертикального и горизонтального размеров пучка в месте встречи, Ebeam ~ энергия пучков в ГэВ, /V/, - количество сгустков в пучке, I bunch ~ средний ток сгустка в амперах, - линейный сдвиг вертикальной бетатронной частоты вследствие взаимодействия пучков в месте встречи, (5V* -вертикальная бета-функция в месте встречи в метрах. При фиксированных размерах сгустков и бета-функции в месте встречи повышения светимости можно достичь, увеличивая ток в сгуске и/или увеличивая количество сгустков.

С другой стороны, в течение примерно 20 последних лет в мире идет интенсивное строительство накопителей-источников синхротронного излучения (СИ). Благодаря уникальным свойствам СИ, его использование революционным образом изменяет возможности многих физических методов исследования как в области фундаментальных, так и в области прикладных наук. Одной из основных характеристик источников СИ является яркость [1]: NЬ I bunch (2) где ех и £z - горизонтальный и вертикальный эмиттансы пучка. Из приведенной формулы видно, что один из способов повышения яркости - это повышение тока пучка.

Таким образом, возможность накопления интенсивных пучков заряженных частиц и многосгустковый режим работы являются существенными факторами для увеличения светимости установок со встречными пучками и яркости накопителей-источников СИ.

Коллайдер CESR.

Расположенный в Лаборатории ядерных исследований Корнеллского университета накопитель Cornell Electron Storage Ring (CESR) [2] - это установка со встречными электрон-позитронными пучками, работающая в диапазоне энергий Y резонансов. Ускорительный комплекс состоит из линейного ускорителя на энергию 300 МэВ, синхротрона и собственно коллайдера CESR (рисунок 1). Инжекция из синхротрона происходит на энергии эксперимента. В южном экспериментальном промежутке находится детектор CLEO. По обеим сторонам детектора расположены восточный и западный технические промежутки. В них установлены ВЧ резонаторы, вигглеры и электростатические сепараторы. Некоторые параметры CESR приведены в таблице 1. В настоящее время CESR является коллайдером с самой большой в мире светимостью. Помимо проведения экспериментов по физике высоких энергий, коллайдер также служит источником СИ для экспериментальных станций лаборатории CHESS [3].

Поэтапная программа повышения светимости CESR предусматривает повышение светимости коллайдера до >1033 cm'V1 при токе 1 А в двух пучках [4]. Как было показано выше, повышения светимости можно достичь, увеличивая количество частиц в сгуске и/или увеличивая количество сгустков в пучке. Однако, ток в CESR в настоящее время ограничен когерентными многосгустковыми фазовыми колебаниями, вызванными взимодействием пучка с резонансными модами ускоряющих резонаторов [5, 6]. Анализ показал, что это ограничение является фундаментальным для пятиячеечных медных резонаторов, используемых в

Детектор CLEO

Рисунок 1. Схематическое изображение ускорительного комплекса CESR. накопителе [7, 8]. Для того, чтобы позволить коллайдеру копить токи до 1 А в двух сгустках, необходима новая ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система. Поскольку в плане требований к ВЧ резонаторам СЕБЫ во многом сходен с будущими коллайдерами-"фабриками" и большими накопителями-источниками СИ, ниже мы сформулируем эти требования.

Таблица 1. Некоторые параметры накопителя СЕБЯ.

Рабочая энергия 4,7-5,6 ГэВ/пучок

Периметр 768,43 м

Пиковая светимость 4,8x1032 cm-V

Макс, интегральная светимость 3,4 фбарн1/год

462 пбарн1/мес.

27,2 пбарн"'/день

Ток в одном пучке 185 мА в 18 сгустках (9x2)

Линейный сдвиг частоты, 0,04

Линейный сдвиг частоты, ^ 0,025

Коэффициент уплотнения орбит 0,0113

Длина сгустка 1,8 см

Потери энергии на СИ (с 1,2 МэВ/оборот вигглерами)

Кратность частоты ВЧ 1281

Частота ВЧ 499,765 МГц

Амплитуда ВЧ напряжения 6,2 MB

Количество резонаторов 4

Резонаторы для "фабрик" и нового поколения источников СИ.

Одним из основных элементов, ограничивающих интенсивность пучков, являются высокочастотные ускоряющие резонаторы: ток заряженных частиц в накопителе может быть ограничен возникновением когерентных фазовых или бетатронных колебаний из-за взаимодействия сгустков частиц с резонансными модами ускоряющего резонатора. Есть два основных способа ослабления этого "паразитного" взаимодействия: 1) расположить частоты высших резонансных мод (ВМ) резонатора определенным образом относительно гармоник частоты обращения и 2) уменьшить шунтовое сопротивление ВМ путем уменьшения их добротности с помощью специальных нагрузок. Первый способ наиболее эффективен для сравнительно небольших установок, когда частота обращения частиц велика по сравнению с шириной спектральных линий ВМ. Как было показано в диссертации В.Г.Вещеревича [9], этот способ имеет смысл применять в установках с размерами порядка ВЭПП-4 и меньше. В более крупных накопителях используется второй метод.

Токи пучка в "фабриках" будут порядка 1 А и выше при многосгустковом режиме работы установок. Это означает, что для обеспечения устойчивости много cry стковых продольных колебаний аксиально-симметричные ВМ новых резонаторов должны иметь добротности порядка 102 [10]. Резонаторы с такими низкими значениями добротностей высших мод часто называют " одномодовыми" или "свободными" от высших мод [11]. В настоящей работе мы будем пользоваться первым термином.

Вследствие того, что потери энергии на оборот растут как четвертая степень энергии частиц, в установках на высокую энергию приходится использовать не один, а большее число резонаторов. Поэтому, при прочих равных условиях, применение резонаторов с большими ускоряющими градиентами, например сверхпроводящих, позволяет уменьшить число резонаторов в накопителе и тем самым понизить суммарный импеданс высших мод. Кроме того, в ускорителях большого размера, работающих с интенсивными пучками, особое внимание нужно уделять взаимодействию пучка с основной, или ускоряющей модой ВЧ резонаторов [12, 13]. При этом преимущество приобретают резонаторы с более низким характеристическим сопротивлением и большей добротностью.

Итак, резонаторы нового поколения должны иметь: высокий ускоряющий градиент (чтобы уменьшить число ускоряющих ячеек в кольце), добротность высших мод порядка 102 (чтобы обеспечить устойчивость многосгустковых колебаний) и небольшое характеристическое сопротивление основной моды (чтобы уменьшить расстройку резонатора и когерентный сдвиг частоты синхротронных колебаний вследствие подгрузки пучком).

За последние годы в различных лабораториях были предложены и испытаны новые конструкции одномодовых резонаторов, как традиционных, "теплых", так и сверхпроводящих [10, 12]. Частота ВЧ определяется выпускаемыми промышленностью мощными непрерывными клистронами, поэтому выбор для ускорителей, потребляющих большую ВЧ мощность, ограничен, по-существу, двумя диапазонами: 352 МГц (LEP, APS) и 500 МГц (CESR, PEP-II, КЕКВ, HERA). Хотя в области теплых резонаторов был сделан определенный прогресс в получении большего ускоряющего напряжения на зазоре (0,77 MB в резонаторе HER PEP-II) или малого характеристического сопротивления основной моды (7,5 Ом у резонаторе ARES для LER КЕКВ), тем не менее по совокупности параметров сверхпроводящие резонаторы, по нашему мнению, выгоднее теплых. При достаточно низком характеристическом сопротивлении (44,5 Ом у резонатора CESR и 46,5 Ом у резонатора HER КЕКВ) они обеспечивают намного более высокое ускоряющее напряжение (>1,6 MB - КЕКВ, >1,8 MB - CESR) и более простой и эффективный способ нагрузки высших мод. Долгий опыт эксплуатации сверхпроводящих резонаторов в ускорителях различных лабораторий мира, недавно проведенные пучковые испытания новых ускоряющих модулей в CESR [14] и аккумуляторном кольце КЕК [15] и опыт эксплуатации первого ускоряющего модуля в CESR доказывают, что современный уровень развития сверхпроводящей ВЧ технологии позволяет изготавливать надежные резонаторы, способные снабжать ВЧ мощностью интенсивные пучки частиц ускорителей нового поколения.

В настоящей работе описаны конструкции ускоряющего модуля на основе одномодового сверхпроводящего резонатора и некоторых элементов этого модуля, разработанных для модернизации коллайдера CESR; описано построение новой ВЧ системы CESR на основе сверхпроводящего модуля; приведены результаты пучковых испытаний прототипа ускоряющего модуля в августе 1994 года, испытаний первого модуля на стенде в августе 1997 года и последовавшей установки его в накопитель; приведены оценки и результаты численных расчетов различных аспектов взаимодействия резонатора с пучком и результаты экспериментов по изучению этого взаимодействия. В заключении обобщен полученный опыт работы с одномодовым резонатором.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Беломестных, Сергей Анатольевич

Заключение

Ускоряющий модуль на основе одномодового сверхпроводящего резонатора обладает такими качествами, как: 1) высокий ускоряющий градиент, 6-10 МВ/м; 2) способность передать в пучок большую ВЧ мощность через волноводный ввод мощности; 3) низкий импеданс взаимодействия с пучком (добротность высших мод порядка 100). Высокий ускорящий гардиент и ввод мощности на 500 кВт позволяют значительно уменьшить число ускоряющих ячеек в кольце. Низкий импеданс повышает пороги возникновения многосгустковых неустойчивостей и, таким образом, позволяет увеличить ток пучка.

Прототип ускоряющего модуля был успешно испытан в CESR в августе 1994 года. Впервые с помощью сверхпроводящего резонатора был накоплен ток 220 мА, пучку была передана рекордная ВЧ мощность 158 кВт, в нагрузках ВМ была поглощена мощность 2 кВт.

По результатам испытаний была доработана конструкция модуля, и на ее основе разработана новая ВЧ система для модернизации коллайдера CESR. ВЧ система состоит из четырех модулей, размещенных парами в восточном и западном технических промежутках. Система снабжения жидким гелием включает в себя два 600-ваттных рефрижератора, 2000-литровый буферный дьюар, криолинии и станции распределения.

Первый из четырех ускоряющих модулей установлен в кольцо CESR вместо одной из старых пятиячеечных ускоряющих структур. Это позволило накапливать средний ток свыше 370 мА в режиме встречных пучков и получить рекордную пиковую светимость.

Экспериментально и теоретически исследовано взаимодействие одномодового резонатора с пучком: 1) показано, что выбранная геометрия ускоряющей структуры не содержит "запертых" высших мод, 2) впервые измерен фактор потерь сверхпроводящего резонатора калориметрическим методом, 3) впервые экспериментально изучен временной характер полей излучения, 4) измерен спектр высших мод с помощью односгусткового пучка.

Полученный опыт может быть использован при создании ВЧ систем накопителей заряженных частиц нового поколения, а предложенный для модернизации коллайдера СЕБЯ ускоряющий модуль на основе одномодового сверхпроводящего резонатора может служить прототипом для ускоряющих резонаторов этих установок.

Помощь, содействие и дружеская поддержка многих людей, как в научном, так и в личном аспектах, позволили автору провести представленные в диссертации исследования и написать саму диссертацию. Поэтому автор считает своим долгом выразить свою искреннюю и глубокую благодарность всем, кто так или иначе причастен к данной работе. В первую очередь автор хочет отметить роль своего учителя, к.т.н. В.М.Петрова, изобретательность, критическое мышление и часто нетрадиционный подход к решению научных и технических проблем которого оказали большое влияние на автора, а совместная работа с которым в Институте ядерной физики СО РАН сформировала во многом научные интересы автора.

Автор приносит свою глубокую благодарность проф. Х.Падамси за помощь в проведении и организации исследований, многочисленные консультации и плодотворные обсуждения темы исследований; нынешним и бывшим членам группы сверхпроводящего ВЧ Корнеллского университета за помощь во время проведения и подготовки экспериментов и в решении различных вопросов, в особенности Ф.Барнсу, Б.Вакосу, д-ру Р.Генгу, П.Квигли, д-ру Дж.Кирчгесснеру, д-ру Й.Кноблоху, Дж.Сирсу, Т.Г.Флинну, д-ру В.Хартунгу, Т.Хейсу и д-ру Э.Чойнаки. Успех данной работы был бы невозможен без помощи физиков, инженеров и техников, работающих на накопителе СЕБК: д-ра М.Биллинга, д-ра Р.Ерлиха, д-ра

82

Дж.Кандасвами, Р.Каплана, д-ра Ю.Ли, Р.Лобделла, проф. Н.Мистри, д-ра Э.Нордберга, С.Пека, Т.Пелайа, Дж.Райли, д-ра Д.Райса, проф. Д.Рубина, М.Рэя, Д.Сэйбола, к.ф.-м.н. А.Темных и др.

Автор также благодарит своих коллег из различных исследовательских институтов и организаций за предоставленное для расчетов программное обеспечение, консультации и советы: к.ф.-м.н. В.П.Яковлева, Д.Г.Мякишева, С.И.Манькова, Н.В.Митянину, Й.Х.Чина, М.С. де Джонга.

Автор искренне благодарит к.т.н. В.Г.Вещеревича за постоянную моральную поддержку, помощь и многочисленные консультации; к.т.н. И.К.Седлярова и А.Г.Трибендиса за полезные замечания, высказанные по тексту диссертации; к.т.н. А.С.Медведко и д.ф.-м.н. М.М.Карлинера за помощь, а также многих других коллег и сотрудников по Институту ядерной физики СО РАН.

В личном плане автор благодарен своим родителям Энелии Захаровне и Анатолию Федоровичу и сестре Марине Хроповой за их постоянный интерес к работе автора и веру в успех. Большое спасибо также моим бабушке Надежде Григорьевне, детям Оле и Максиму и всем другим родственникам за их поддержку.

И, наконец, особая благодарность моей жене Наташе. Без ее терпения, поддержки и любви успешное завершение данной работы было бы немыслимо.

Эта работа финансирована Национальным научным фондом (National Science Foundation) с частичным финансированием из фонда Американо-японского научного сотрудничества (U.S.-Japan collaboration).