Численное моделирование и оптимизация параметров нелинейного движения частиц в циклическом ускорителе

• Автор: Пиминов, Павел Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 181 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Моделирование движения частицы в циклическом ускори-

1.1 Программная реализация
1.2 Структура программы
1.3 Уравнения движения
1.4 Линеаризация уравнений движения
1.5 Входной файл
1.6 Физические элементы и процессы
1.7 Линейная оптика
1.8 Трекинг
1.9 Сканирование параметров
1.10 Блок оптимизации
1.11 Сравнение с другими программами
2 Моделирование движения частицы в периодических магнит-
ных структурах
2.1 Описание алгоритма
2.2 Восстановление магнитного поля
2.3 Программная реализация
2.4 Использование симплектического интегратора для моделиро-
вания змеек
3 Совместное влияние нелинейных полей накопителя и про-
странственного заряда пучка
3.1 Моделирование пространственного заряда
3.2 Эффект пространственного заряда в затухательных кольцах .
3.3 Эффекты встречи и нелинейность фокусирующей системы
4 Оптимизация динамической апертуры
4.1 Источники, ограничивающие динамическую апертуру
4.2 Влияние мультипольных ошибок высокого порядка на динамическую апертуру
4.3 Исследование сильной синхробетатронной связи в циклическом накопителе
4.4 Методы оптимизации динамической апертуры накопителей
4.5 Метод лучших пар
4.6 Оптимизация динамической апертуры источников синхротрон-ного излучения
4.7 Оптимизация динамической апертуры crab waist коллайдеров
5 Эксперименты по динамике пучков на коллайдере ВЭПП-4М
5.1 Измерение параметров накопителя ВЭПП-4М
5.2 Исследование нелинейных резонансов связи
5.3 Пересечение резонанса
Заключение
А Разложение поля
Б Приближенная модель вигглера
Литература

Введение
Современные тенденции развития циклических ускорителей заряженных частиц неизбежно ведут к возрастанию роли нелинейных эффектов. Оптика накопителей становится все более жесткой, что приводит к усилению хроматических эффектов и компенсирующего их секступольного возмущения, к тому же на установках со встречными пучками становятся все более существенными эффекты встречи, возрастание плотности заряда в пучке приводит к появлению нелинейности из-за пространственного заряда. Рассмотрим подробнее, какие задачи ставится перед циклическими ускорителями, и какие проблемы ограничивают получение необходимых параметров.
Достаточно давно было осознано, что для увеличения яркости источника синхротронного излучения при фиксированном потоке фотонов или заряде пучка необходимо уменьшать поперечный фазовый объем или эмиттанс пучка, величина которого определяется главным образом процессами синхротронного излучения. Основной способ минимизации эмиттанса в циклических ускорителях является использование специальных магнитных структур, таких, например, как Double Bend Achromat (DBA) или Triple Bend Achromat (ТВА), применяемых в большинстве источников СИ [1]. Минимизация эмиттанса достигается за счет уменьшения квантовых флуктуаций излучения при фиксированном затухании бетатронных колебаний; последнее пропорционально радиационным потерям энергии. Пределом такого подхода является использование структуры с теоретическим минимумом эмиттанса (ТМЕ), которая является наиболее перспективной и закладывается в основу новых источников СИ (например, испанский источник СИ ALB А). Дальнейшее уменьшение эмиттанса достигается за счет увеличения затухания. Такое возможно благодаря постановке большого количества дипольных

оптические функции на входе и выходе участка.
В качестве одного из параметров для Matrix и Transform указывается длина. Она на преобразование координат не влияет и вводится для правильного вычисления периметра ускорителя или частоты обращения, которая необходима для инициализации ускоряющих резонаторов.
• Marker — маркер. Не осуществляет преобразований координат, используется в служебных целях. Дополнительные параметры отсутствуют.
1.6.6 Эффект встречного пучка и эффект пространственного заряда
Физические элементы в той или иной степени описывают устройства, составляющие ускоритель (магниты, ускоряющий резонатор). Кроме того, есть возможность вводить процессы, воздействующие на частицу во время ее движения в ускорителе. Процессы так же можно представить элементами структуры, и использовать для манипуляции ими (включать, отключать, менять параметры и т.д.) весь уже созданный аппарат.
• BeamBeam — встречный пучок, представляющий собой набор тонких нелинейных линз ("слайсов"), разделенных пустыми промежутками. Параметры "слайсов" модулируются бетатронными функциями, меняющимися на длине сгустка. Формулы, описывающие преобразования координат через "слайс" для произвольных углов пересечения, в том числе и для больших углов Пивинского можно найти в [5]. На основе этих формул создана подпрограмма [45], использующаяся в программе LIFETRAC [16]. Если параметры встречного пучка не заданы, то для циклической структуры они будут вычислены при инициализации с помощью матрицы вторых моментов, дающей правильный результат далее в присутствии сильной линейной связи. Параметры: Nslices - число слайсов (по умолчанию 1), Npart - число частиц в сгустке, Ех и Ez - горизонтальный и вертикальный эмиттанс [cm-rad], Es -