Установки электронного охлаждения с изменяемым профилем электронного пучка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Бублей, Александр Валентинович

• Бублей, Александр Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бублей, Александр Валентинович

Введение.

1. Применение полого электронного пучка для решения проблем, возникающих в электронном охлаждении.

1.1. Электронная пушка.

1.2. Измерения профиля электронного пучка.

1.2.1. Методика измерений.

1.2.2. Оборудование.

1.2.3. Калибровка постоянным током.

12,4. Измерения профилей пучка.

2. Магнитная система установки.

2.1. Центральный соленоид (секция охлаяедения).

2.1.1. Прецизионная система измерения магнитного поля соленоида.

2.2. Поворотные магниты (тороиды), соленоиды пушки и коллектора.

2.2.1. Измерения магнитной системы при помощи датчиков Холла.

23. Коррекция магнитного поля.

3. Электростатическая компенсация дрейфа электронов.

4. Эксперименты по электронному охлаяедению.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Установки электронного охлаждения с изменяемым профилем электронного пучка»

Электронное охлаждение является одним из методов управления параметрами пучков тяжелых ионов. После первых экспериментов с электронным охлаждением в Новосибирске, метод получил широкое распространение, во многих лабораториях были созданы установки с электронным охлаждением [1]. Опыт, накопленный при использовании электронного охлаждения в реальных экспериментах с внутренними мишенями и интенсивными пучками, показал наличие некоторых проблем, ограничивающих светимость таких установок. Наиболее существенной особенностью электронного охлаждения является быстрый рост скорости охлаждения для малых амплитуд отклонения ионов от равновесия. Это связано с тем, что магнитное поле на участке охлаждения «замагничивает» поперечное движение электронов. После ускорения электронов до высокой энергии продольный разброс очень мал и продольная температура в сопутствующей системе координат становится меньше 1° К. В результате, в большинстве случаев температурой электронного пучка можно пренебречь, и скорость, охлаждения растет как куб амплитуды колебаний ионов. И, если, например, ионы с амплитудой колебаний 1 см могут охлаждаться* за 1 сек., то ионы, накопленные в одно-миллиметровом «ядре» пучка, будут охлаждаться за время 1 мсек. Образование сверхплотного охлажденного' «ядра» пучка приводило во. многих случаях к развитию колебаний и быстрой гибели ионов на больших амплитудах. Это ограничивало накопление пучков и вызывало проблемы фонов в детекторах. Модуляция энергии электронного пучка и, соответственно, возрастание энергетического разброса ионного пучка улучшало ситуацию.

Развитие новых проектов потребовало разработки систем охлаждения, позволяющих оперативно управлять охлаждением в 6- мерном фазовом пространстве для оптимизации накопления пучков. Для этого была разработана концепция управления не только скоростями электронного пучка, но и плотностью. Уменьшение электронной плотности к центру накопления уменьшает и скорость охлаждения. Так полый электронный пучок будет охлаждать только электроны с амплитудой колебаний, превышающей радиус полой части, что и предотвратит образование слишком высокой плотности ионного пучка. Кроме того, уменьшение электронной плотности в области накопления уменьшает и рекомбинацию ионов и увеличивает время жизни ионов, что позволит накапливать больше ионов.

Тяжелые ионы с большой зарядностью имеют высокие значения сечения взаимодействия с атомами остаточного газа в вакуумной камере.

Современные накопительные кольца требуют перехода к вакууму на уровне 11

10" -10" торр. В установках электронного охлаждения основным источником газоотделения является десорбция под действием потерь электронного пучка в области охлаждения. Так потери тока на уровне 1 мА и

3 15 коэффициенте десорбциЮ" будут создавать поток газа 6x10 атомов в секунду, и при скорости откачки 10000 л/с равновесное давление составит 10"8 Торр. Для перехода к давлениям 10"11 Торр и ниже необходимо уменьшить потери электронного тока до уровня 1 мкА. Для этого предложено использовать электростатические повороты в установках электронного охлаждения. Идея состоит в том, чтобы, посредством электрического поля, заставить электроны, отраженные от коллектора, двигаться по той же траектории, что и основной пучок. В" этом случае, совершив какое-то количество колебаний, они будут захватываться в коллектор вместе с электронами основного пучка.

Использование электронного охлаждения на высоких энергиях предъявляет высокие требования на прямолинейность магнитного поля в секции охлаждения. Отклонение от прямолинейности вызывает дополнительное движение электронов в сопутствующей системе и ухудшает охлаждение. Для создания магнитного поля предлагается собирать магнитную систему из отдельных катушек с возможностью пространственной коррекции каждой катушки. Магнитное поле измеряется после сборки соленоида, а отклонения корректируются небольшим вращением, либо наклоном катушек.

На защиту в данной диссертации выносятся следующие научные результаты:

1. Применение электронной пушки с изменяемым профилем пучка дня установок электронного охлаждения.

2. Исследования профилей пучка для этого типа пушек с применением оригинальной методики.

3. Ввод в строй магнитной системы установки электронного охлаждения на базе прецизионного соленоида. Применение комплексной системы магнитных измерений для его тестирования и юстировки.

4. Ввод в строй системы электростатической компенсации дрейфа электронного пучка на участке поворота.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Бублей, Александр Валентинович

Основные результаты, полученные в диссертационной работе

1 Для установок электронного охлаждения была применена электронная пушка с изменяемым профилем пучка. Проведены испытания этого типа пушек с применением оригинальной методики.

2 Запущена в строй магнитная система установки электронного охлаждения на базе прецизионного соленоида. Для тестирования и юстировки его применялась специально разработанная комплексная система магнитных измерений.

3 Введена в строй система электростатической компенсации дрейфа электронного пучка на участке поворота.

В заключение автор хочет выразить свою благодарность научному руководителю В.В Пархомчуку, научным сотрудникам В.Б. Реве, В.М. Панасюку, В.Н.Бочарову за всестороннюю помощь в проведении экспериментов, а так же всему коллективу лаборатории 5-2, принимавшему участие в пуско-наладочных работах по запуску установок электронного охлаждения.

66

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бублей, Александр Валентинович, 2011 год

1. В.В. Пархомчук, А.Н. Скринский, Успехи Физических Наук 43(5) 433-452(2000)

2. V.V. Parkhomchuk, High Intensity and high brightness hadrons beams, AIP conference proceeding v. 642, p. 325-331, 2002,http://proceedings.aip.org/dbt/dbt.jsp?KEY=APCPCS&Volume=642&Issue=l

3. L. Hermanson, D. Reistad, "Electron cooling at CELSIUS", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 441, (2000), 140-144

4. A.V. Bubley, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva. Advantages of cooling with radial varying electron beam density, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 532 (2004)303-306.

5. A.V. Ivanov, M. Tiunov, UltraSAM-2D code for simulation of electron gun with ultra high precision, EPAC2002, Paris, France, hh.1634-1636, http://accelconf.web.cem.ch/AccelConl7202/PAPERSAVEPRI050.pdf.

6. A.V. Bubley, V.M. Panasyuk, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva, Measuring a hollow electron beam profile, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 532 (2004) 413-417.

7. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Том1. Металлы и материалы с металлической проводимостью. Москва: ГЭИ, 1962

8. V.Bocharov, A. Bubley et. al., HERFL-CSR electron cooler commissioning, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 532 (2004) 144-149

9. E.I. Antokhin, V.N. Bocharov, A.V. Bubley, Conceptual project of an electron cooling system at an anergy of electrons of 350keV, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 441 (2000) 87-91.

10. C. Crawford, E. McCrory, S. Nagaitsev, A. Shemyakin, V.Bocharov, A. Bubley, V. Parkhomchuk, V. Tupikov, and S. Seletsky, Fermilab Electron

11. Cooling Project: Field Measurements in the Cooling Section Solenoid, Proc. 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, pp. 195-7

12. Бочаров B.H., Бублей A.B., Константинов С.Г. и др. Прецизионные измерения и компенсация поперечных компонент магнитного поля соленоидов. ГТГЭ. -2005. -№6. — С.78-86.

13. G. Tranquffle, М. Cooling Results From UllR Proc. of COOL 2007, Bad Kreuznach, Germany, pp 55-58.