1
Введение
Экспериментальное
исследование продольной динамики пучка в линейных резонансных ускорителях
является одной из важнейших задач, которые необходимо решать при запуске и
настройке ускорителей, особенно ускорителей с высокой интенсивностью пучка.
Измерители продольного распределения заряда в сгустках (анализатор формы
сгустков, фазовый анализатор, Bunch Shape Monitor) являются уникальными инструментами,
которые позволяют непосредственно измерять микроструктуру ускоренного пучка, по
которой можно определять и другие характеристики, например продольный эмиттанс,
а также параметры ускоряющих полей. Детекторы этого типа были разработаны в ИЯИ
РАН и нашли применение в ряде ведущих ускорительных центров (SSC, ЦЕРН, DESY, KEK, SNS, J-PARC, LANSCE). В настоящее время в ИЯИ РАН ведется
разработка детекторов для ускорителя тяжелых ионов FRIB (Мичиганский университет, США), а
также для европейского нейтронного источника ESS.
Поскольку тип ускоряемых частиц, параметры пучка и частоты ускоряющих
полей на ускорителях различны, то каждый измеритель требует специальной
разработки и является уникальным. Для ускорителя Linac-4 ранее в период 2009-2016 годов
были созданы два измерителя. Особенностью требований к измерителям для
ускорителя Linac-4 является тип частиц – отрицательные ионы водорода, широкий диапазон
энергии пучка от 3 МэВ до 160 МэВ, широкий диапазон интенсивностей (импульсный
ток до 65 мА), малые габариты первого измерителя, поскольку решение о его
использовании было принято уже после определения состава измерительного канала,
а также большая (100 мм) апертура второго измерителя.
2
Состояние
работ в 2017 году.
Основные работы по созданию измерителей были завершены в 2016 году. Были
выполнены сборка, наладка, лабораторные испытания, испытания с пучком и
проведены измерения характеристик пучка. Измерители устанавливались на
ускорителе в нескольких местах. В 2017 году первый измеритель был установлен
непосредственно на выходе ускорителя, второй – на расстоянии примерно 30 м от
выхода ускорителя. Вследствие проведенных монтажных работ работоспособность
обоих измерителей была нарушена. Необходимо было восстановить работоспособность
обоих измерителей и провести измерения продольных характеристик. Данная задача
была выполнена полностью. Ниже приводятся результаты измерений формы сгустков
непосредственно на выходе ускорителя с помощью первого измерителя. К сожалению,
большие внутриимпульсные нестабильности полей в ускоряющих резонаторах,
возникающие вследствие нагрузки пучком, приводят к разгруппировке пучка на
дрейфе, поэтому на втором измерителе сгустки оказываются размытыми.
На рисунке 1 представлена эволюция формы сгустков j(φ,t) на
выходе ускорителя в стандартном режиме работы ускорителя. Видно, что в первой
половине импульса тока пучка длительностью 60 мкс наблюдается сильная модуляция
фазового положения сгустков. Фазовое положение сгустков стабилизируется к концу
импульса.
Рисунок
1 – Эволюция формы сгустков в течение импульса тока пучка.
Интегральная форма сгустков I(φ),
полученная интегрированием функции j(φ,t) по времени в течение всего
импульса, показана на рисунке 2. Отметим, что при проведении измерений
регулирование фазы отклоняющего ВЧ поля в дефлекторе измерителя производиться
таким образом, что в получаемых экспериментально данных «голова» сгустков
находится на графике справа, а «хвост» - слева. На рисунке 2 также приведена
форма сгустков проинтегрированная для последних 10 микросекунд импульса, когда
фазовое положение сгустков стабилизируется.
Рисунок
2 –Интегральная форма сгустков (слева) и форма сгустков, проинтегрированная в
диапазоне 50÷60 мкс.
Причиной модуляции фазового
положения сгустков является модуляция амплитуд и фаз полей в ускоряющих
резонаторах. В качестве примера на рисунке 3 приведена огибающая поля в
ускоряющем резонаторе с трубками дрейфа №3 DTL3. При
инжекции пучка происходит просадка поля, которая компенсируется системой
обратной связи (“feedback”) в течение нескольких десятков
микросекунд. Имеющаяся система упреждающей компенсации (“feedforward”) должна
существенно улучшить стабилизацию полей, но при проведении измерений она не
была задействована.
Рисунок
3 – Огибающая ВЧ поля резонаторе DTL3.
Были проведены измерения формы
сгустков при регулировании фазы ускоряющего поля в диапазоне 360° одновременно
в последнем и предпоследнем резонаторах ускорителя PIMS 11 и PIMS 12. На рисунке 4 показаны результаты
измерений с шагом 20°, начиная со значения -10°, которое считается номинальным.
Представлены эволюция формы сгустков в течение импульса j(φ,t),
интегральная форма сгустков I(φ), а
также интеграл по фазам I(t), который отражает форму импульса
тока пучка, пересекающего мишень измерителя. Для обеспечения возможности
визуального сравнения масштаб на всех однотипных рисунках одинаков. Видно, что
во время переходного процесса модуляция ускоряющих полей вследствие нагрузки
пучком приводит к модуляции не только фазового положения сгустков, но и к
модуляции функции I(t), что указывает на модуляцию
поперечного размера и/или поперечного положения пучка.
-10°
-30°
-50°
-70°
-90°
-110°
-130°
-150°
-170°
170°
150°
130°
110°
90°
70°
50°
30°
10°
-10°
Рисунок
4 - Эволюция формы сгустков в течение импульса (слева), интегральная форма
сгустков (по центру), а также интеграл по фазам (справа) для разных фаз
ускоряющего поля.
Из приведенных рисунков видно, что фазовая протяженность
сгустков изменяется в широких пределах. Так, например, при отсчете фазы поля
-90° и интегрировании в диапазоне 50÷60 мкс ширина сгустка на полувысоте
составляет примерно 5°, что демонстрируется на рисунке 5.
Рисунок 5 – Демонстрация короткого сгустка.
Небезынтересным представляется и
поведение центра тяжести сгустков при регулировании фазы ускоряющего поля. На
рисунке 6 показана зависимость фазы центра сгустков для временного диапазона 40÷60 мкс.
Рисунок
6 – Поведение фазового положения центра тяжести сгустков при регулировании фазы
ускоряющего поля.
Следует отметить, что данные,
представленные на рисунке 6 могут быть использованы для установки требуемых
значений амплитуды и фазы ускоряющего поля в резонаторах путем сравнения
экспериментальных данных с расчетными.
Что касается второго измерителя, то
его работоспособность также была восстановлена. Была выполнена проверка
настройки его электронно-оптического канала по термоэлектронам и по вторичным
низкоэнергетическим электронам. К сожалению, модуляция продольных и, скорее
всего, поперечных параметров, которая усугубляется после дрейфа, не позволила
провести наблюдения сгустков. Получаемые данные представлены на рисунке 7.
Рисунок
7 – Пример данных, получаемых на втором измерителе.
3
Список российских Институтов-участников эксперимента
Единственным участником проекта от России является
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных
исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН).
4
Наиболее значимые научные достижения, полученные в 2017
году, и вклад российской группы; результаты работы российской группы в
коллаборации в 2017 году.
Результатом работы российской группы в 2017 году явились восстановлениен
работоспособности двух измерителей формы сгустков, установленных на выходе
ускорителя Linac-4, и проведение измерений
продолных характеристик ускоренного пучка. Результаты измерений позволяют
оценивать настройку систем стабилизации амплитуд и фаз ускоряющих полей. Весь
объем перечисленных работ был выполнен совместно сотрудниками ИЯИ РАН и ЦЕРН.
5
Основные
этапы работы Российской группы в 2017 году и цель посещения ЦЕРН в 2018 году.
Основным этапом работы российской группы в 2017
году явились восстановление работоспособности измерителей формы сгустков, а
также проведение исследований поведения формы сгустков. Работы выполнялись
пятью сотрудниками ИЯИ РАН, а также одним студентом МФТИ. Непосредственно на
ускорителе Linac-4 работы выполнялись четырьмя сотрудниками ИЯИ РАН во время
командирования в ЦЕРН. Суммарная длительность командировок составила 24 человеко-дня. Предположительно
в 2018 году для проведения совместных систематических измерений с
использованием двух измерителей потребуется 2 визита 3-4 представителей ИЯИ РАН
общей продолжительностью 8 человеко-недель.
6
Заключение
Таким образом, в результате выполнения этапа восстановлена
работоспособность и завершены наладка и испытания с пучком двух
измерителей формы сгустков. Проведены измерения продольных характеристик
ускоренного пучка, которые подтвердили уникальные возможности измерителей. Продемонстрирована
возможность оценки качества работы систем стабилизации амплитуд и фаз
ускоряющих полей.
Результаты 2017
года носят промежуточный характер, поскольку ускоритель, сооружение которого
формально и завершено, все еще находится в стадии наладки и пока не
обеспечивает стабильные параметры пучка. Основная цель, которая преследовалась
при принятии решения об установке двух измерителей на выходе ускорителя, -
определение продольного эмиттанса и оптимизация инжекции в бустер, пока не
достигнута. Тем не менее, полученные результаты уже нашли практическое
применение при разработке и создании измерителей
продольного распределения для крупнейших ускорительных центров мира (ИЯИ
РАН, SSC, ЦЕРН,
DESY, KEK, SNS, J-PARC, LANSCE, FRIB, GSI, ESS).
Этап выполнен на высоком
научно-техническом уровне. В настоящее время только ИЯИ РАН реально обладает
потенциалом для разработки и создания измерителей продольного распределения
зарядов в сгустках пучка в линейных ускорителях ионов.