Разработка и исследование систем локализации потерь, защиты и аварийного сброса пучка

• Автор: Язынин, Игорь Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 158 с. : ил.

* ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Разработка и исследование систем локализации потерь

1.1 Выбор оптимального положения коллиматоров в системе локализации потерь пучка

1.1.1 Графические методы анализа расстановки коллиматоров

1.2 Заброс частиц на скрепер и возможные пути его увеличения

1.2.1 Заброс частиц на скрепер при наведении пучка с постоянной скоростью

« 1.2.2 Способы увеличения заброса пучка на скрепер

1.2.3 Влияние нестабильности орбиты пучка на величину заброса

1.2.4 Рассеивающая мишень

1.2.4 Наклонный скрепер

1.3 Гало пучка при локализации потерь

1.4 Взаимодействие частиц пучка с веществом
1.4.1 Рассеяние протонов на мишени
1.4.2 Однократное взаимодействие частиц со скрепером или коллиматором
1.4.3 Оценка суммарных потерь при работе системы с мишенью и скрепером
1.4.4 Влияние изменения положения равновесной орбиты на распределение потерь
* 1.4.5 Критерии оценки выхода первичных рассеянных частиц
ГЛАВА 2 Разработка систем аварийного сброса и каналов вывода
провзаимодействовавших пучков
2.1 Система аварийного сброса пучка
2.1.1 Схема канала аварийного вывода
2.1.2 Требования к конструкции поглотителя аварийного сброса
2.1.3 Определение допустимых размеров пучка на поглотителе
2.2 Оптимизация каналов вывода провзаимодействовавших пучков
* в линейных коллайдерах
2.2.1 Параметры пучка в точке встреч (ТВ)
2.2.2 Описание схемы канала вывода
2.2.3 Учет импульса в матричном подходе к расчету канала
2.2.4 Влияние положения и размеров первой квадрупольной линзы на
пропускную способность канала
2.2.5 Влияние ошибки положения пучков в ТВ на величину потерь
2.2.6 Графический метод выбора апертур элементов

ГЛАВА 3 Разработка коллиматоров, скреперов и поглотителей
3.1 Принципы исследования разогрева коллиматоров
* 3.1.1 Характеристики энерговыделения электромагнитного ливня
3.1.2 Поперечные распределения плотности энерговыделения и частиц пучка
3.1.3 Уравнение теплопроводности и пределы разогрева материалов
3.1.4 Мгновенный разогрев поглотителя
3.1.5 Стационарный разогрев поглотителя
3.1.6 Численное исследование энерговыделения в поглотителе
3.2 Разогрев коллиматора
* 3.2.1 Предлагаемые конструкции коллиматоров
3.2.2 Исследование разогрева коллиматоров с разной формой поглотителя
3.2.3 Численное исследование разогрева коллиматоров
3.3 Разогрев элементов системы локализации потерь
3.3.1 Выбор материала мишени
3.3.2 Выбор материала скрепера и его конструкции
3.3.3 Влияние излучения на разогрев оборудования
3.4 Конструкция поглотителя аварийного сброса
3.4.1 Результаты расчета комплекса поглотителя
* ГЛАВА 4 Исследование работы системы локализации потерь в У
и возможные пути увеличения эффективности систем
4.1 Исследование работы системы локализации потерь в У70
4.1.1 Система с одним скрепером
4.1.2 Система с рассеивающей мишенью и скрепером
4.1.3 Моделирование процесса формирования пучка в У-70
4.1.4 Разработка системы защиты для системы локализации потерь в У-70
4.2 Разработка системы защиты в У-70 при медленном резонансном выводе
4.3 Использование бетатронного резонанса
* 4.3.1 Резонанс третьего порядка
4.3.2 Резонанс второго порядка
4.4 Использование изогнутого кристалла
4.4.1 Использование эффекта каналирования
4.4.2 Разогрев кристалла
4.4.3 Использованием эффекта объемного отражения
4.4.4 Расчет системы локализации потерь с кристаллом на У-70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
* ЛИТЕРАТУРА

ф Создание ускорителей нового поколения - адронных и лептонных сверхпроводящих
коллайдеров (LHC, УНК, TESLA) - и реконструкция действующих установок (У-70) выдвигают все возрастающие требования к качеству расчета и проектирования систем, обеспечивающих достижение заданных параметров пучков, стабильность работы ускорителя и уменьшение уровней облучения элементов оборудования и наведенной активности из-за потерь частиц при все увеличивающейся интенсивности и энергии пучков.
Как показывает практика работы действующих циклических ускорителей, наибольшие потери частиц имеют место при инжекции и в начале цикла ускорения (до 20%), при переходе через критическую энергию (до 2%) и при выводе (до 5%). Причинами потерь пучка могут быть: неполный захват частиц в режим ускорения, увеличение размеров пучка из-за ошибок ввода, взаимодействие с остаточным газом, развитие различных неустойчивостей пучка и нештатные режимы работы оборудования. Дополнительные потери возникают при работе систем вывода, перевода, аварийного сброса и при взаимодействии встречных пучков в коллайдерах. Оценки показывают, что при проектных параметрах пучков потери одного процента полной интенсивности (например, I = 6-1014 прот./имп. в проекте УНК) при энергии 400 ГэВ или выше могут привести к радиационному и тепловому разрушению вакуумных камер и магнитного оборудования, а доли процента могут вызвать недопустимый разогрев
• сверхпроводящих обмоток и переход магнитов в нормальное состояние. Ужесточение норм
радиационной безопасности выдвигают также новые требования к созданию систем защищающих ускоритель и окружающую среду от облучения.
Поэтому для полноценной работы ускорителя предусматривается создание и использование системы локализации потерь, которая располагается в одном специально оборудованном месте машины. Она состоит из скрепера, непосредственно перехватывающего гало пучка, коллиматоров, защищающих оборудование от рассеянных частиц, и радиационной защиты, окружающей эти элементы системы (Рис. 1.1). Дополнительно для уменьшения потерь частиц в кольце и разогрева скрепера могут быть использованы рассеивающие мишени, монокристаллы
^ и резонансы. Система должна перехватывать до нескольких процентов интенсивности пучка
максимальной энергии с условием минимизации выхода протонов в кольцо ускорителя. Поэтому, в настоящее время, большое внимание уделяется выбору конструкции и материалов системы с точки зрения поглощения ею максимально возможной мощности локализуемых частиц пучка в ускорителе и оптимальной расстановки коллиматоров для перехвата всех фракций рассеянных высокоэнергетичных частиц пучка [1-7]. Вторичные заряженные частицы, вышедшие из мишени, скрепера и коллиматоров, под влиянием магнитных полей потеряются на близлежащих к системе стенках вакуумной камеры. Для защиты оборудования ускорителя от них и нейтральных частиц предусматривается установка дополнительных коллиматоров, магнитов и окружение элементов системы защитой из металла (железа, свинца) и бетона
• целях уменьшения потерь в ускорителе автором разработан усовершенствованный

(<Ё 1 (dE
представить АЕ » -I — I xlt, где I — j - энергия, теряемая частицей на единице длины изV У min V У min
за ионизационного торможения.
Угловое распределение при упругом ядерном рассеянии протона в веществе с атомным номером Л можно представить [56]:
^ = ad (А, р) ■ Ь(А, р) • еь{л^', (1.52)

где t = (р9)2 — инвариант Лоренца, 0 - азимутальный угол в лабораторной системе, сге1 — сечение упругого рассеяния. При переходе к плоскостным углам при однократном взаимодействии находим
(L53)
среднеквадратичный угол рассеяния. Для оценок вклада процесса в распределение потерь
величина Ь^ЪГэВ~2 и Qd [мрад« — я———. Для сравнения влияния процессов
р[ГэВ/с] Еш[ГэВ]
на величины потерь удобно ввести rms рассеяния при импульсе 1 ГэВ/с - 9ук. Тогда 6к ~ßlk I р и величина к196[мрад]. Изменение энергии фракции определятся в основном ионизационным торможением.
При дифракционном взаимодействии двойное дифференциальное сечение может быть аппроксимировано зависимостью [56]:
— = s = ^ = . (i.54)
dSpdt Sp p s 2 mnpc
относительные потери импульса, тп - масса нуклона, s - квадрат энергии в ц.м., bd = ~^bppjel.
Область масс Me[M0,(0.15s)1/2], с учетом того, что M0amn«GeV. При переходе к плоскостным углам найдем плотность углового рассеяния как функцию от угла и изменения импульса при однократном взаимодействии:
Pd(SP,x') = p(S)-р(х'), р(х’) = ехр(-х'2/20j), р(0„) = 4
V2 явл S 1п(0.3рс)
^^mta=l/2^M,5rfmM=0.15], ОАмрад]*— 5— (155)
р[ГэВ/с]
Сечения процессов ядерного взаимодействия протона с веществом можно определить из протон - протонных сечений с учетом эффективного числа внутриядерных нуклонов Neff: