Сверхпроводящий ускоряющий модуль на основе одномодового резонатора и его взаимодействие с интенсивным пучком в накопителе CESR

• Автор: Беломестных, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Введение
Одно из основных направлений в развитии физики высоких энергий в последнее время - создание циклических установок со встречными пучками (коллайдеров). Новую физическую информацию становится получить все труденее и труднее, так как она заключена во все более редких распадах. Поэтому новые установки должны обеспечивать высокую светимость порядка 1033 -г 1034 см 2с~1. Светимость L определяется формулой
Т О 7'7/7, 117 I bunch bv
L = 2.17(l+r)Ebeam jr* (1)
где L - в 1032 см_2с_1, г - отношение вертикального и горизонтального размеров пучка в месте встречи, Ebeam ~ энергия пучков в ГэВ, Nb - количество сгустков в пучке, Ibunch ~ средний ток сгустка в амперах, qv - линейный сдвиг вертикальной бетатронной частоты вследствие взаимодействия пучков в месте встречи, j5v* -вертикальная бета-функция в месте встречи в метрах. При фиксированных размерах сгустков и бета-функции в месте встречи повышения светимости можно достичь, увеличивая ток в сгуске и/или увеличивая количество сгустков.
С другой стороны, в течение примерно 20 последних лет в мире идет интенсивное строительство накопителей-источников синхротронного излучения (СИ). Благодаря уникальным свойствам СИ, его использование революционным образом изменяет возможности многих физических методов исследования как в области фундаментальных, так и в области прикладных наук. Одной из основных характеристик источников СИ является яркость [1]:
B=NbJbMnch (2)

где £jH£z- горизонтальный и вертикальный эмиттансы пучка. Из приведенной формулы видно, что один из способов повышения яркости - это повышение тока пучка.
Таким образом, возможность накопления интенсивных пучков заряженных частиц и многосгустковый режим работы являются существенными факторами для увеличения светимости установок со встречными пучками и яркости накопителей-источников СИ.
Коллайдер CESR.
Расположенный в Лаборатории ядерных исследований Корнеллского университета накопитель Cornell Electron Storage Ring (CESR) [2] - это установка со встречными электрон-позитронными пучками, работающая в диапазоне энергий Y резонансов. Ускорительный комплекс состоит из линейного ускорителя на энергию 300 МэВ, синхротрона и собственно коллайдера CESR (рисунок 1). Инжекция из синхротрона происходит на энергии эксперимента. В южном экспериментальном промежутке находится детектор CLEO. По обеим сторонам детектора расположены восточный и западный технические промежутки. В них установлены ВЧ резонаторы, вигглеры и электростатические сепараторы. Некоторые параметры CESR приведены в таблице 1. В настоящее время CESR является коллайдером с самой большой в мире светимостью. Помимо проведения экспериментов по физике высоких энергий, коллайдер также служит источником СИ для экспериментальных станций лаборатории CHESS [3].
Поэтапная программа повышения светимости CESR предусматривает повышение светимости коллайдера до >1033 cm'V1 при токе 1 А в двух пучках [4]. Как было показано выше, повышения светимости можно достичь, увеличивая количество частиц в сгуске и/или увеличивая количество сгустков в пучке. Однако, ток в CESR в настоящее время ограничен когерентными многосгустковыми фазовыми колебаниями, вызванными взимодействием пучка с резонансными модами ускоряющих резонаторов [5, 6]. Анализ показал, что это ограничение является фундаментальным для пятиячеечных медных резонаторов, используемых в

Рисунок 1. Схематическое изображение ускорительного комплекса СЕБЫ.
накопителе [7, 8]. Для того, чтобы позволить коллайдеру копить токи до 1 А в двух сгустках, необходима новая ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система. Поскольку в плане требований к ВЧ резонаторам СЕБЯ во многом сходен с будущими коллайдерами-"фабриками" и большими накопителями-источниками СИ, ниже мы сформулируем эти требования.

невозможным. Единственный метод - это измерение потока гелия на выходе из криостата. Мы использовали измеритель потока холодного газа, который калибровался с помощью нагревательного элемента, расположенного в гелиевом объеме. На рисунке 3.5 показаны результаты измерений. К сожалению, прибор оказался не очень надежным и прецизионным, так что данные измерений содержат довольно большой уровень шумов. Тем не менее, из рисунка можно уловить общую тенденцию снижения добротности с ростом ВЧ поля в резонаторе.
При темпе ускорения 5 МВ/м (£>0 = 109) резонатор работал стабильно и в течение получаса поддерживал в накопителе ток пучка 100 - 110 мА. Между 5 и 6 МВ/м полная тепловая нагрузка возросла до 150 Вт вследствие эмиссии электронов с поверхности резонатора и увеличения ВЧ потерь. Это максимальная нагрузка для рефрижераторной системы. Возможность тренировки резонатора с целью повышения предельных полей была ограничена ВЧ окном (загоранием мультипактора).
Вследствие высоких тепловых потерь мы могли работать при полях свыше 5 МВ/м только в течение коротких отрезков времени, т.к. давление в криостате непрерывно увеличивалось, что вызывало изменение резонансной частоты резонатора, которое компенсировалось с помощью механизма подстройки. В конце концов спустя некоторое время механизм достигал предела диапазона подстройки, что делало дальнейшую работу невозможной. Тем не менее, мы могли в течение нескольких минут поддерживать токи пучка между 95 и 120 мА при градиентах до 6 МВ/м.
3.5 Передача ВЧ мощности пучку
Потери энергии частиц вследствие синхротронного излучения в накопителе СЕБЛ составляют 1,2 МэВ на оборот с включенными вигглерами и 1,01 МэВ на оборот без вигглеров. Мы проводили измерения с выключенными вигглерами, поэтому для восполнения этой энергии пучку при токе 100 мА необходима была ВЧ мощность 101 кВт. Поскольку во время испытаний в накопителе было пять