Физические основы высокоинтенсивного протонного ускорительного комплекса для физики средних энергий каонных и нейтронных фабрик

• Автор: Сеничев, Юрий Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 224 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертация посвящена научному исследованию и разработке физических основ нового поколения ускорительных протонных комплексов класса «фабрика»: мезонные, каонные, нейтронные и трансмутационные комплексы. В состав комплекса входит линейный и кольцевые ускорители. Отличительной особенностью такого класса ускорителей является высокая средняя мощность пучка 5-10 МВт при среднем токе протонов порядка 1 мА с возможностью медленного вывода пучка и ускорения поляризованных частиц. По интенсивности - это ускорители, на два порядка превышающие ускорители предыдущего поколения.
В диссертации дана научная классификация ускорительных установок, определены физические и технические требования к новому классу ускорителей, поставлены и решены физические задачи, которые отличают данный класс ускорителей от предшествующих ему менее интенсивных ускорителей. Разработан математический формализм, дающий инструментальную основу для проектирования такого класса ускорительных установок. Исследована динамика пучка в интенсивном протонном линейном ускорителе, как составной части комплекса: разработана теория
квазиравновесного движения пучка в бипериодических ускоряющих структурах со ступенчатым изменением фазовой скорости, исследовано явление образования ореола интенсивного пучка. На основе теории создана методика предварительной “холодной” настройки резонатора, позволившая скомпенсировать геометрические и электрические отклонения параметров. Исследован новый эффект в линейных ускорителях, связанный с различной природой излучения пучка и генератора. Определены пределы всех возможных коллективных неустойчивостей пучка в кольцевых ускорителях класса «фабрика», сформулированы требования для систем их стабилизации. Разработан новый класс магнитооптических структур для синхротронов, отвечающих требованиям высокоинтенсивных протонных ускорителей. Разработаны и предложены рекомендации к построению магнитной оптики участка медленного вывода пучка. Исследована резонансная и нерезонансная деполяризации поляризованного протонного пучка в магнитооптических структурах.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 224 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 таблиц и библиографию из 157 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ
схр.
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
КЛАССА «ФАБРИКА» И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
В ПРИЛОЖЕНИИ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ
1.1 Частотно-временная характеристика комплекса
1.2 Основные характеристики ступеней синхротронного комплекса
без прохождения через критическую энергию
1.3 Проблемы большой интенсивности. Основные источники
потерь частиц
1.4 Гамильтоновое описание динамики заряженной частицы в
ускорителе с учетом собственного потенциала пучка
1.5 Условие симплектичности при решении уравнений
пространственного заряда
1.6 Симплектичный интегратор общего уравнения движения
1.7 Вихревые поля. Интеграл взаимодействия пучка с резонатором
1.8 Система автоматического регулирования
Выводы
2. ОСОБЕННОСТИ ОДНОЧАСТИЧНОЙ ДИНАМИКИ ПУЧКА В УСКОРЯЮЩИХ
СТРУКТУРАХ СО СТУПЕНЧАТЫМ
ИЗМЕНЕНИЕМ ФАЗОВОЙ СКОРОСТИ
2.1 Квазиравновесное движение в бипериодических структурах
со ступенчатым изменением фазовой скорости
2.2 Основные типы погрешностей в многорезонаторном
ускорителе ионов
2.3 Возмущение фазового движения частиц на секции 2.4 Малые колебания частиц на резонаторе 2.5 Влияние изменения квазиравновесных параметров на область захвата
2.6 Особенности фазопролетной процедуры настройки неидеального резонатора
Выводы

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОРЕОЛА ИНТЕНСИВНОГО ПУЧКА
3.1 Взаимодействие пучка с резонатором
3.1.1 Нестационарные пространственно-временные переходные
процессы
3.1.2 Стационарные пространственные искажения поля
3.1.3 Параметрический резонанс и нестабильность продольного
движения
3.1.4 Переходной процесс с учетом обратной связи
3.1.5 Регулярное охлаждение пучка
3.2 Механическое и термодинамическое приближения к
проблеме образования ореола в высокоинтенсивных пучках
3.2.1 Уравнение движения с учетом постранственного заряда
3.2.2 Уравнение огибающих
3.2.3 Образование ореола пучка
3.2.4 Термодинамическое приближение к проблеме образования
ореола
3.2.5 Результаты численного моделирования
Вывод ы
4. МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА С МАЛЫМ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ КОМПАКТ-ФАКТОРОМ ДЛЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО СИНХРОТРОНА
4.1 Ограничение на продольный импеданс и требуемый
компакт-фактор
4.1.1 Взаимодействие с широкополосным импедансом
4.1.2 Взаимодействие с узкополосным импедансом
4.1.3 Стабилизация продольных неустойчивостей
4.2 Поперечные неустойчивости
4.2.1 Микроволновая неустойчивость
4.2.2 Взаимодействие с резонансным импедансом
4.2.3 Взаимодействие с резистивными стенками камеры
4.3 Резонансная магнитооптическая структура
4.3.1 Теория
4.3.2 Модуляция р функции
4.3.3 Модуляция функции градиента
4.3.4 Одновременная модуляция функций градиента и
кривизны
Вывод ы
2. ОСОБЕННОСТИ ОДНОЧАСТИЧНОЙ ДИНАМИКИ ПУЧКА В УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУРАХ СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ФАЗОВОЙ СКОРОСТИ
В соответствии с предложенной структурой ускорительного комплекса класса «фабрика» линейный ускоритель есть первая ступень высокоинтенсивного протонного комплекса. Основное требование к нему - он должен обеспечивать необходимую среднюю интенсивность всего комплекса на уровне 100-г 200 мкА с прецизионными параметрами пучка, заданными условием инжекции в следующую ступень. При средней мощности пучка 0.3 1.0 МВатт общим требованием являются минимальные потери
пучка. Чтобы достичь этого ускоритель должен обладать высокой пропускной способностью.
В этой главе рассматриваюсят эффекты, влияющие на настройку ускорителя, учет которых позволил получить максимальную пропускную способность линейного ускорителя мезонной фабрики. При исследовании этой проблемы мы в основном изучали высокоэнергетическую часть линейного ускорителя по нескольким причинам. Во-первых, с ростом энергии частиц ограничение на потери возрастает. Во-вторых, такие явления, как рост эмиттанса и halo связаны с эффектами “накопления” влияния различного рода нелинейностей, и происходят они в основном на наиболее длинном участке ускорителя - его высокоэнергетической части. И в-третьих, поскольку резонаторы высокоэнергетической части состоят из секций с постоянной фазовой скоростью, изменяющейся от секции к секции, равновесное движение в них возмущено изначально.
Все эти моменты являются принципиальными для ускорителя класса «фабрика». Требования, предъявляемые к изготовлению и настройке оборудования в связи с этими особенностями, находятся иногда выше технологических возможностей. Вторая глава посвящена решению этих проблем с позиции изучения одночастичной динамики пучка в высокоэнергетической части линейного ускорителя, основой которой является бипериодическая ускоряющая структура, и тем техническим решениям, которые вытекают из понимания поведения пучка.
Идея введения эквивалентной квазиравновесной фазовой скорости секции с дрейфовым промежутком основана на корректном математическом представлении “единицы периодичности” ускорителя с бипериодической ускоряющей структурой. Благодаря этой плодотворной идеи была разработана процедура “холодной” настройки резонатора. Процедура позволила при существующих технических допусках провести согласование резонаторов по уровню синхронной энергии методом компенсации искажений поля за счет геометрической коррекции межсекционных зазоров.
2.1 Квазиоавновесное движение в бипериодических структурах со ступенчатым изменением фазовой скорости.
Изменение относительной скорости частицы /5 на ускоряющем участке длины (Н связано с изменением энергии № соотношением :
сф 1 (Ш