Формирование интенсивных ионных пучков в накопителях с многооборотной перезарядной инжекцией и электронным охлаждением

Проблема формирования интенсивных ионных пучков является достаточно общей для современных накопителей. Большой интерес представляют пучки поляризованных частиц и ионов радиоактивных изотопов. Источники таких частиц, как правило, имеют невысокую интенсивность, и получение высокой светимости эксперимента связано с предварительным накоплением ионов. Для экспериментов с выведенным пучком, в которых определяющую роль играет мощность пучка на мишени, также необходимо получение в накопителях ионных пучков с интенсивностью существенно превосходящей интенсивность источника ионов.

Одним из наиболее эффективных методов инжекции, применяемых для накопления ионных пучков, является перезарядная инжекция. При низкой интенсивности ионного пучка из источника применяется многооборотная перезарядная инжекция. Для получения максимальной интегральной светимости в эксперименте с внутренней мишенью в ряде случаев требуется многократно повторяемая многооборотная инжекция. При многооборотной инжекции инжектированный пучок ионов заполняет весь аксептанс накопителя, и повторная инжекция без применения охлаждения невозможна.

При использовании интенсивных источников многозарядных ионов накопление можегг быть осуществлено за счет многократно повторяемой однооборотной инжекции. При однооборотной инжекции мишень пересекается одновременно инжектируемым и циркулирующим пучками. Возмущающее воздействие мишени на циркулирующий пучок приводит к изменению его энергетического спектра и эмитганса. При этом при многократной инжекции фазовая плотность частиц изменяется неуправляемым образом. Например, реализуемый в настоящее время в ИТЭФ (Москва) проект ТВН.

ТераВаттный Накопитель) [1] потребует накопления пучков тяжёлых ионов с плотностью, предельной по пространственному заряду. Для решения этой задачи планируется использование многократно повторяемой однооборотной перезарядной инжекции, а формирование фазового объема накопленного пучка, оптимального с точки зрения быстрого вывода, может быть осуществлено с помощью системы электронного охлаждения. Многооборотная перезарядная инжекция с последующим электронным охлаждением пучка ионов применяется на накопителе CELSIUS (Упсала, Швеция) [2]. Проекты новых накопительных комплексов радиоактивных ионов MUSES (RIKEN, Япония) [3] и GSI (Дармштадт, Германия) также предполагают использование электронного охлаждения для формирования пучков ионов и поддержания светимости в экспериментах с внутренней мишенью и ион-электроными столкновениями.

Сочетание многооборотной (однократной или многократно повторяемой) перезарядной инжекции и электронного охлаждения используется для накопления и формирования интенсивных пучков протонов и дейтронов (не поляризованных и поляризованных) на накопителе COSY (исследовательский центр Юлих, Германия) [4]. Первым серьезным достижением при использовании электронного охлаждения на этом накопителе была реализация быстрого вывода охлажденного протонного пучка малого диаметра с помощью диагностического (относительно слабого) кикера. Получаемый короткий импульс протонов используется для эксперимента JESSICA, проводимого в рамках разработки Европейского Источника Спаляционных Нейтронов (ESS). Начиная с 2001 г. охлажденный электронами протонный пучок, выведенный из накопителя с помощью системы медленного стохастического вывода, используется для экспериментов на магнитном спектрометре BIG KARL и времяпролетном спектрометре TOF. Электронное охлаждение пучка перед ускорением, например, в эксперименте BIG KARL приводит к увеличению эффективности его использования примерно в 60 раз благодаря меньшему размеру пучка и, что более важно, существенному снижению интенсивности гало.

Одним из возможных направлений развития ускорительного комплекса Нуклотрон (ОИЯИ, Дубна) [5] является создание бустера с аксептансом, существенно превышающим аксептанс Нуклотрона, основное назначение которого — повышение светимости экспериментов с пучками поляризованных дейтронов и тяжелых ионов. Использование бустера с большим аксептансом позволит оптимизировать процесс многооборотной перезарядной инжекции и увеличить интенсивность пучка ионов, накапливаемого за один импульс инжекции. При использовании бустера необходимо решить проблему перевода пучка в Нуклотрон. Возможны два варианта решения этой проблемы.

Первый вариант предполагает ускорение пучка в бустере до некоторой промежуточной энергии (200 — 400 МэВ/нукл), при которой эмиттанс пучка становится меньше аксептанса Нуклотрона. При этом требуется разработка новой системы инжекции в Нуклотрон. При большей энергии инжектируемого пучка требуются более мощные кикеры. Применение электростатических кикеров требует высокой напряженности поля, а разработка магнитных кикеров, работающих в условиях сверхпроводимости, является непростой технической проблемой.

Второй вариант заключается в использовании одного из методов охлаждения пучка в бустере. При этом за время между импульсами инжекции эмиттанс ионного пучка должен быть уменьшен до величины, позволяющей осуществить эффективный перевод из бустера в Нуклотрон при помощи существующей системы инжекции. Предельная по пространственному заряду интенсивность пучка протонов (дейтронов) на энергии инжекции в Нуклотрон составляет более 1011 частиц, что практически исключает возможность применения стохастического охлаждения для получения пучков с максимальной интенсивностью. Эффективность электронного охлаждения слабо зависит от интенсивности ионного пучка, поэтому применение системы электронного охлаждения в бустере представляется наиболее перспективным.

Выбор того или иного варианта использования бустера будет определяться из оптимизации стоимости проекта, но применение системы электронного охлаждения имеет дополнительное потенциальное преимущество, так как позволяет осуществить и накопление пучка при многократно повторяемой инжекции, что может быть важно в случае проведения экспериментов с внутренней мишенью. Кроме того, охлаждение пучка ионов на энергии инжекции позволяет после ускорения повысить эффективность и упростить технические требования к системе быстрого вывода.

Однако, для многооборотной инжекции характерна большая величина шестимерного фазового объема инжектированного пучка, что может приводить к специфическим ограничениям его интенсивности при применении электронного охлаждения, в основном связанным с двумя явлениями. Первое из них — это уменьшение времени жизни инжектированных частиц в присутствии электронного пучка. И второе — развитие неустойчивости пучка ионов при его глубоком охлаждении, приводящей к быстрым потерям частиц, что не позволяет довести плотность ионного пучка до предела по пространственному заряду.

Неустойчивости процесса электронного охлаждения интенсивного ионного пучка наблюдались на ряде накопителей. Например, на накопителе COSY и снижение времени жизни ионов в присутствии электронного пучка, и развитие неустойчивости охлажденного пучка наблюдались с момента начала эксплуатации системы электронного охлаждения. Эти эффекты ограничивают интенсивность пучка протонов, используемого в экспериментах на COSY, на уровне 1.5−7-2 -Ю10 циркулирующих частиц при интенсивности инжекции до 10й частиц за импульс [6].

В настоящее время предложено несколько объяснений наблюдаемых явлений, но физическая природа их до конца не выяснена. Поэтому экспериментальное исследование процесса накопления является актуальной задачей, а учет возможных отрицательных последствий использования охлаждения и разработка мер по их предотвращению необходимы при проектировании новых систем электронного охлаждения.

Данная работа имела следующие основные цели:

— экспериментальное исследование причин, приводящих к ограничению интенсивности ионного пучка в накопителях с многооборотной перезарядной инжекцией при его формировании с помощью системы электронного охлаждения,.

— выработку основных требований к параметрам системы охлаждения и накопителя, позволяющих осуществить накопление ионного пучка до предела по пространственному заряду,.

— разработку физического проекта системы электронного охлаждения для бустера синхротрона Нуклотрон.

Научная новизна. Впервые экспериментально исследован процесс развития неустойчивости интенсивного ионного пучка в накопителе COSY. Впервые проанализирован механизм потерь ионов непосредственно после инжекции, связанный с наличием дисперсии в секции охлаждения, большой величиной хроматичности в горизонтальной плоскости и нелинейностью собственного поля электронного пучка. Проведен расчет динамики электронного охлаждения ионного пучка в Бустере синхротрона Нуклотрон, сформулированы основные требования к системе электронного охлаждения, предложены меры по обеспечению устойчивости пучка в процессе охлаждения.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты позволяют оптимизировать работу систем электронного охлаждения в накопителях с многооборотной перезарядной инжекцией. Использование разработанной системы электронного охлаждения на бустере синхротрона Нуклотрон позволит поднять интенсивность пучка поляризованных дейтронов в Нуклотроне до предела по пространственному заряду при существующей системе инжекции. На защиту выносится:

Результаты экспериментальных исследований динамики охлаждения интенсивного протонного пучка на накопителе COSY, физический проект системы электронного охлаждения бустера синхротрона Нуклотрон, позволяющей осуществить накопление пучка ионов до предела по пространственному заряду.

1. Исследованы причины ограничения интенсивности пучка ионов в накопителе COSY. Показано, что предельная интенсивность ограничивается двумя основными процессами: сокращением времени жизни инжектированных ионов в присутствии электронного пучка и потерями ионов в охлажденном пучке.

2. Предложен механизм развития неустойчивости, приводящей к сокращению времени жизни инжектированного пучка, согласующийся с экспериментальными результатами и связанный с наличием дисперсии в секции охлаждения, большой величиной хроматичности в горизонтальной плоскости и нелинейностью собственного поля электронного пучка.

3. Экспериментально обнаружено, что потери частиц в охлажденном ионном пучке в накопителе COSY вызваны развитием когерентных бетатронных колебаний пучка.

4. Исследована динамика развития неустойчивости охлажденного пучка и дана ее интерпретация с помощью численного моделирования процесса охлаждения.

5. Разработан физический проект системы электронного охлаждения бустера накопителя Нуклотрон, позволяющей осуществить накопление пучка ионов до предела по пространственному заряду. Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации докладывались на Европейской конференции по ускорителям ЕРАСС'2002 (Франция, 2002 г.), XVIII Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц РУПАК'2002 (Обнинск, 2002 г.), на международных совещаниях по электронному охлаждению (Уппсала 1998 г., Бэд Хоннеф, 2000 г.), неоднократно обсуждались на научных семинарах в исследовательском центре Юлих и Объединенном институте ядерных исследований.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи в рецензируемых журналах (пп. [11, 41, 45] списка литературы), две статьи в годовых отчетах исследовательского центра Юлих (пп. [8, 17]), 2 статьи в трудах конференций (пп. [6, 39]).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 50 наименований. Общий объем: 109 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков и 3 таблицы. Содержание диссертационной работы.

Заключение

.

В ходе выполнения работы были экспериментально исследованы причины ограничения интенсивности пучка ионов в накопителе COSY. Показано, что предельная интенсивность ограничивается двумя основными процессами: сокращением времени жизни инжектированных ионов в присутствии электронного пучка и потерями ионов в охлажденном пучке.

Показано, что устойчивость работы системы электронного охлаждения определяется не только параметрами электронного пучка, но существенно зависит также и от выбора рабочей точки и качества настройки самого накопителя. В частности, рабочая точка накопителя COSY расположена вблизи зоны резонанса связи, что при большой величине хроматичности в горизонтальной плоскости и наличии дисперсии в секции охлаждения может приводить к параметрической раскачке вертикальных колебаний части инжектированных ионов и, как следствие, к сокращению времени жизни инжектированного пучка. Параметрическая раскачка колебаний вызвана нелинейностью фокусирующих полей и, в первую очередь, нелинейностью собственного поля электронного пучка, которая существенно влияет на динамику движения ионов из-за того, что непосредственно после инжекции размеры ионного пучка в секции охлаждения в несколько раз превышают радиус электронного пучка. Для накопителя COSY предложены пути повышения времени жизни инжектированных ионов.

Экспериментально обнаружено, что потери частиц в охлажденном ионном пучке в накопителе COSY вызваны развитием когерентных бетатронных колебаний пучка, что не позволяет устойчиво накапливать ионы до предела по пространственному заряду. Детально исследована динамика развития этой неустойчивости и дана ее интерпретация с помощью численного моделирования процесса охлаждения. Для подавления потерь частиц при развитии неустойчивости было предложено использовать систему обратной связи по вертикальной степени свободы. (В последней серии экспериментов в 2003 году такая система была введена в действие, и в режиме многократного повторения импульсов инжекции интенсивность накопленного пучка была доведена примерно до 10 м протонов при устойчивом процессе накопления.).

Таким образом, проектирование системы электронного охлаждения для формирования пучка ионов в накопителях с многооборотной перезарядной инжекцией является не только технической, но и ускорительной задачей. Выбор параметров накопителя и системы охлаждения должны осуществляться согласованно.

На основе анализа экспериментальных результатов сформулированы основные требования на параметры бустера синхротрона Нуклотрон и его системы электронного охлаждения, позволяющие избежать отрицательных последствий при применении охлаждения и устойчиво накапливать ионы до предела по пространственному заряду. Показано, что применение электронного охлаждения позволяет осуществить эффективный перевод пучка в Нуклотрон без его ускорения в бустере. Это упрощает и удешевляет конструкцию бустера и системы инжекции пучка в Нуклотрон.