Разработанный для канала транспортировки измеритель имеет фазовое разрешение около 1 градуса на частоте 352,2 МГц, что эквивалентно временному разрешению лучше 10 пикосекунд при импульсных токах пучка десятки миллиампер.

Данная работа является этапом в разработке и создании измерителей формы сгустков и исследовании параметров продольного движения в ускорителе Linac-4. Ранее в период 2009-2013 годов был разработан, изготовлен, поставлен и испытан на пучке первый детектор данного типа непосредственно для ускорителя. После его успешных испытаний в 2013 году было принято решение о создании второго детектора с увеличенной апертурой для канала транспортировки из ускорителя Linac-4 в бустер. Работа была начата в конце 2013 года, и летом 2015 года измеритель был поставлен в ЦЕРН. Осенью 2015 года сотрудниками ИЯИ РАН были выполнены сборка, наладка и лабораторные испытания второго измерителя, включая как механику, так и электронику.

Поскольку постоянное место установки второго измерителя в канале транспортировки из ускорителя в бустер не готово, то с целью обеспечения возможности его испытаний летом 2016 он был установлен в этом же канале временно. Временное место расположения выбрано непосредственно перед экспериментом по обдирке пучка отрицательных ионов водорода в протоны (Half Sector Test), что накладывало ограничения на длительность импульса тока пучка не более 10 мкс.

В конце ноября - начале декабря 2016 года сотрудниками ИЯИ РАН была выполнена наладка второго измерителя с пучком, продемонстрирована его работоспособность, проведены пробные измерения, оказана помощь в наладке системы контроля.

Поставленный и испытанный ранее первый измеритель использовался в канале транспортировки из RFQ в DTL, после третьего резонатора с трубками дрейфа при энергии 50 МэВ, после ускоряющей структуры CCDTL при энергии 102 МэВ и летом 2016 года был установлен стационарно непосредственно на выходе Linac-4 после структуры PIMS при энергии 160 МэВ. В конце ноября – начале декабря 2016 года проводились измерения и с помощью первого измерителя, однако было обнаружено, что вышел из строя вторичный электронный умножитель, что не позволяло проводить измерения с достаточной точностью по амплитуде. При этом точность по фазе обеспечивалась, что позволило понять поведение пучка, а также во многом объяснить и результаты, получаемые и на втором измерителе.

Состояние работ в 2016 году.

Основные работы по созданию второго измерителя были завершены в 2015 году. В том же году были проведены лабораторные испытания и измеритель был поставлен в ЦЕРН. Осенью 2015 года была проведена сборка измерителя и его лабораторные испытания а также смонтирована электроника измерителя в клистронной галерее ускорителя Linac-4.

На рисунке 1 показана схема ускорителя Linac-4 и места установки первого и второго измерителей. Расположение второго измерителя в канале транспортировки показано на рис.2.

Рис. 1 Схема ускорителя Linac-4 и места расположения первого (BSM#1) и второго (BSM#2) измерителей.

Рис. 2 Расположение второго измерителя в канале транспортировки.

В конце ноября - начале декабря 2016 года была выполнена наладка второго измерителя с пучком, продемонстрирована его работоспособность, проведены пробные измерения, оказана помощь в наладке системы контроля.

Первой задачей при начале работ с пучком является выбор оптимальных параметров, прежде всего фокусирующего потенциала. Для выбора этого параметра предусмотрена специальная процедура, когда при выключенном высокочастотном отклоняющем поле измеряется зависимость интенсивности вторичных низкоэнергетических электронов от корректирующего напряжения между пластинами дефлектора при фиксированном потенциале. Затем вычисляется среднеквадратичная ширина измеренной функции.

Измерения проводятся для набора фокусирующих потенциалов и определяется оптимальное значение потенциала, при котором среднеквадратичный размер минимален. На рис.3 приведена зависимость среднеквадратичного размера сфокусированного пучка вторичных низкоэнергетических электронов от фокусирующего потенциала. Минимальный среднеквадратичный размер в единицах корректирующего напряжения достигается при величине фокусирующего потенциала равном 6.0 кВ, и составляет 1.48 В. С учетом коэффициента перевода в смещение пучка (10 мм на 70 В) геометрический среднеквадратический размер равен 0.21 мм. С учетом того, что размер выходного коллиматора составляет 0.5 мм, можно утверждать, что достигается практически идеальная фокусировка пучка вторичных низкоэнергетических электронов.

Рис. 3 Фокусировка пучка вторичных низкоэнергетических электронов для разных фокусирующих потенциалов.

На рис. 4 приведен пример измерения формы сгустков при оптимальных параметрах настройки измерителя и при регулировании фазы отклоняющего поля в широком диапазоне. Измеренная зависимость, проинтегрированная по всей длительности импульса, сильно изрезана, а сами сгустки практически не видны, что может объясняться тем, что их фазовая протяженность превышает диапазон измерений по фазам, составляющий 180°. На рис. 5 представлена эволюция формы сгустков во времени в течение импульса тока пучка длительностью 10 µs. Видно, что наблюдается сильное смещение сгустка по фазе в течение импульса, составляющее около 100°. Сам же сгусток заметно короче 180°. Одна из причин изрезанности сгустков является малая интенсивность потока вторичных низкоэнергетических электронов, что обусловлено, в том числе, и высоким фазовым разрешением, необходимости в котором для измерения имеющихся сгустков нет.

Рис.4 Пример экспериментальных данных.

Рис. 5 Изменение формы сгустков в течение импульса тока пучка.

Было принято решение уменьшить амплитуду отклоняющего поля на порядок, Результаты измерений представлены на рисунках 6 и 7. При уменьшении амплитуды результаты измерений становятся более стабильными.

Рис. 6 Результат измерения интегральной формы сгустков при уменьшенной амплитуде отклоняющего поля.

Рис. 7 Изменение формы сгустков в течение импульса тока пучка при уменьшенной амплитуде отклоняющего поля.

Были проведены измерения для разных величин корректирующего напряжения на отклоняющих пластинах. При смещении электронов в плоскости выходного коллиматора электростатическим корректирующим полем на величину, равную амплитуде высокочастотной развертки, электроны не проходят через коллиматор ни при каких фазах и сигнал падает до нуля. Это позволяет определить амплитуду высокочастотного отклонения. В нашем случае сигнал исчезал при корректирующем напряжении примерно ±70 В, что дает амплитуду ВЧ отклонения примерно 10 мм (при уменьшенном в 10 раз отклоняющем поле).

Были также проведены измерения с помощью первого измерителя, установленного непосредственно на выходе ускорителя. Поскольку вторично электронный умножитель, используемый для регистрации вторичных низкоэнергетических электронов в первом измерителе, вышел из строя, то величина сигнала измерялась с большой ошибкой. Что касается фазовых измерений, то их точность не ухудшилась. При этих измерениях выключался поворотный магнит на выходе ускорителя, и пучок направлялся в ловушку. Это позволяло увеличить длительность импульса пучка до 100 µs. Результаты измерений приведены на рис. 8 и 9.

Рис. 8. Интегральная форма сгустка на выходе ускорителя.

Рис. 9 Эволюция формы сгустков в течение импульса тока пучка на выходе ускорителя.

Из рис. 9 видно, что в первой половине импульса тока пучка примерно в течение 50 µs наблюдается модуляция фазового положения сгустков примерно на 50°. Во второй половине импульса фазовое положение сгустков относительно стабильно. Интегральная форма сгустка для второй половины импульса показана на рис. 10.

Рис. 10 Интегральная форма сгустка на выходе ускорителя для второй половины импульса тока пучка

Видно, что фазовая протяженность сгустков на полувысоте не превышает 10°, однако имеется длинный хвост, расположенный в голове сгустка.

Результатом работы в 2016 году явились завершение наладки с пучком второго измерителя формы сгустков и проведение демонстрационных измерений в канале транспортировки из линейного ускорителя в бустер. Проведены совместные измерения двумя измерителями, результаты которых позволяют сделать выводы о качестве работы систем стабилизации амплитуд и фаз ускоряющих полей. Весь объем перечисленных работ был выполнен совместно сотрудниками ИЯИ РАН и ЦЕРН.