ITEP-TWAC FACILITY PROGRESS REPORT N.N.Alexeev, D.G.Koshkarev, B.Yu.Sharkov Institute for Theoretical and Experimental Physics, Moscow, Russia RuPAC 2006

Содержание доклада Проект ИТЭФ-ТВН Достигнутые и планируемые параметры Модернизация лазерного источника ионов и переход на тяжелые ионы Перспективы повышения интенсивности ускорителя-накопителя У-10 Эксплуатация комплекса и направления исследований на пучках протонов и ионов Заключение

Ускорительный комплекс ИТЭФ-ТВН 1) Создание накопителя тяжелых ионов тераваттного уровня мощности для экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе Цель проекта 2) Создание ускорителя ионов с макс. энергией до ~4 ГэВ на нуклон для экспериментов по релятивистской ядерной физике Ускоритель протонов Энергия, ГэВ 10 Интенсивность, p/с ~10 11 Накопитель ионов на основе перезарядной инжекции Ионы до Zn Энергия частиц, МэВ/а.е.м. до 1000 Энергия пучка, кДж до 100 Мощность пучка на мишени, ТВт до 1 Ускоритель ионов до релятивистских энергий Ионы до U Энергия, ГэВ/а.е.м. 2-4 Интенсивность, н/с ~ ) Расширение прикладных исследований на пучках протонов и ионов

Этапы реконструкции Создание ионного инжектора И-3 Создание канала транспортировки и системы инжекции И-3/УК Создание бустерного синхротрона УК Создание системы быстрого вывода пучка из УК Создание переводного ионопровода и системы многократной перезарядной инжекции УК/У Физический пуск бустера УК май 2000 Физический пуск накопителя ионов У-10 март 2002 Ускорения С 6+ до энергии 4,0 ГэВ/нноябрь 2002 Создание систем группировки и быстрого вывода пучка 2003 Начало физ-экспериментов с ядрами углерода 2003 Улучшение технологии накопления ионов параллельно с эксплуатацией комплекса в режимах ускорения протонов и ионов x

Charge-exchange injection technique applied for heavy ions The ion accumulation is based on the charge-exchange injection with using a fast bump system for minimising the stacked beam perturbation over penetrating through the stripping foil material. Schematic layout of the beam trajectory at injection are shown in Fig. The deflection of the beam in the septum magnet SMG at injection is 98 mrad, the maximum field is 1.2 T. This magnet steers the injected beam to the centre of the stripping foil of 5x10 mm size, which is placed in the vacuum chamber of the F505 with a displacement of 20 mm from the ring equilibrium orbit. The fast bump system matching of both injected and circulating beams includes three kicker magnets installed in the short straight sections after of the magnets F411, F511 and F711. The first kicker magnet gives the kick of 3 mrad deflecting the stacked beam to the stripping foil at a moment when the injected beam is passing through the transfer line. The two beams, becoming one after passing through the stripping foil, are set to the ring closed orbit downwards by the kicker magnets in straight sections of F511 and F711. The foil material is mylar with the thickness of 5 mg/cm 2, that yields >90% of bare carbon ions with projectile energy of >50 MeV/amu. Beams trajectories at injection Injecting beam crosses stripping foilAccelerated and stacked beamsTwo beams meeting in stripping foil Stripping foil signal Injected beam Stacked and injected beams Beam in booster before ejection Stripping foil signal Stacked and injected beams

Accumulation process optimization The injection efficiency is now limited by the rise time of the pulse in the UK ejection kicker magnet and some particle losses (~10%) in beam transfer line between booster and accumulator rings. The efficiency of beam stacking is near to absolute for particles crossing stripping foil. The process of the beam accumulation is shown on Fig. The efficiency of accumulation process is characterized by lifetime of the stacked beam with fast bump system on ( ) and off ( o ) [6]. Using equality o =25 A x,z, we get estimation of the accumulator ring dynamic acceptance as A x,z ~ 12 mm mrad. Designating A as acceptance reduction from the orbit displacement by the fast bump at injection, and considering equality ( o )/( o - )=20(A x,z - A), it gets estimation of A ~ 2 mm mrad. The factor of stacked beam losses at injection of a new portion of particles is calculated as =( o - )/(f inj o )=0.005, and the factor of stacking intensity increase is equal to k =(f inj ) ~70. The maximum intensity achieved last time in the booster synchrotron has not yet been used in the mode of beam accumulation so we have possibility to increase the stacked beam intensity in the next accumulator run by factor of two. Stacking of the C 4+ =>C 6+ beam in U-10 Ring 1V/2.5x10 9 1V/6x10 9 Stacked beam life time in the U-10 Ring Kickers on, =200 s Kickers off, o =300 s Maximal intensity of stacked beam k =>70 1V/6x10 9 Level of intensity saturation Approaching to saturation level Stacked beam current 1V/25 mA 60 mA 4x с 100 с

Longitudinal compression and ejection of stacked beam The stacked beam longitudinal compression is fulfilled with the 10 kV accelerating resonator which is used also with low voltage (~1 kV) for the beam keeping at the process of its accumulation. Due to the Non-Liouvillian saving of the longitudinal phase space for the stacking beam at multiple charge exchange injection, the particle density seems to be maximal after compression and the grade of compression depends on a beam forming in the booster synchrotron at its acceleration and ejection. Result of beam compression up to the pulse width of 150 ns is illustrated on Fig. 150 ns 1V/50 mA Fast extraction system of U-10 Ring Stacked bunch envelope at compression before ejection Compressed bunch width Beam stacking and fast ejection 180 mA

Ускорение ядер С 6+ до энергии 4 ГэВ/н по трехступенчатой схеме И-3/УК/У-10 Интенсивность ускоренного пучка Производная магнитного цикла У-10 3х10 8 Сброс пучка на внутреннюю мишень 700 мс

Достигнутые параметры комплекса в режиме накопления ионов 2004Достигнутые к 2006 г. Ожидаемые в 2007 г Планируемые Ускоряемые частицыС 4+ Al 11+, Fe 16+ до U 29+ (2008) Накапливаемые частицыС 6+ Al 13+, Fe 26+ до Zn 30 (2008) Энергия накопления, МэВ/н (2009) Частота циклов накопления, Гц (2008) 20 (2010) Интенсивность бустера УК, С 4+ за цикл10 9 3x10 9 ~10 10 (2008) Разброс частиц по импульсам, % ~100 Время жизни накопленного пучка, с140200>250>500 Коэффициент увеличения интенсивности в накопителе >100 Интенсивность накопленного пучка (С 6+ ) 2x x10 10 >10 11 >10 12 (2009) ~10 13 ( ) Мощность накопленного пучка, Вт 5х10 7 2х10 8 ~10 9 >10 10 (2009) ~10 12 ( )

Лазерный ионный источник Длина волны10,6 мкм Энергия в импульсе5 Дж Ширина импульса100 нс/1,5 мкс Частота повторения импульсов 0,5 Гц Рабочий ресурс~10 6 Параметры CO 2 - лазера 250 мА 100 мА С 5+ С 4+ С 3+ С 2+ хвост голова середина Ток пучка и зарядовый состав Оптическая схема Лазер Л5 Мишень Плазменный факел Ионный пучок Луч лазера Зеркало Разрывающий промежуток 10 мкс

Модернизация ионного источника C 5+ 1.Повышение энергии лазера для увеличения потенциала ионизации тяжелых элементов. 2.Модернизация конструкции мишенной камеры для повышения ресурса источника. 3.Обеспечение оперативной смены типа ускоряемых ионов. Новая оптическая схема лазерного ионного источника с тремя лазерами Л100 Л10(20)Л5 Мишень Высоковольтная платформа Плазменный факел Ионный пучок Лазерный луч Зеркала Длина волны, мкм10,6 Энергия в импульсе, Дж5/20/100 Ширина импульса, нс100/80/30 Частота повторения, Гц0,5 /1/1 Рабочий ресурс~10 6

Проблемы повышение интенсивности накопителя C 5+ 1.Увеличение интенсивности бустера УК : с инжектором И-3 (1,3МэВ/н)-в 10 раз с инжектором И-4 (7 МэВ/н)-в 100 раз 3.Расширение динамической апертуры накопителя-в 5 раза 2.Уменьшение потерь частиц при выводе из бустера и инжекции в накопитель-в 2 раза 4.Увеличение частоты циклов накопления для минимизации внутрипучкового рассеяния частиц Резонатор RFQ на энергию 1,6 МэВ/н с макетными электродами Параметры И-4 ВЧ-линак (~80 МГц) энергия- 7 МэВ/а.е.м., Z/A ~ 0,3, Imax ~100 mA

Ионный инжектор И-3 Ускоряющая частота2,504 МГц Амплитуда ускоряющего напряжениядо 2 МВ на зазор Амплитуда напряжения группирователя до 10 кВ Ускоряемые ионылюбые Входная энергия пучка50 кВ Энергия ионов с Z/A=0,2 0,5 0,8-1,9 МэВ/н Поперечный аксептанс до 2000 мм мрад Максимальный выходной ток пучка7 мА (С 4+ )

Ускорение супертяжелых ионов Зависимость энергии частицы на выходе И- 3 от фазы группирующего напряжения для А р /Z p 3. А р /Z p = Ускорение U 29+ с наибольшей интенсивностью Ускорение U 29+ до максимальной энергии Режим ускорения ионов U 29+ К и,%Е к,кэВ/а.е.м. Макс. интенсивность Макс. энергия9204

Структура пучка ионов С 4+ на выходе И-3 Ток пучка на входе (1В/50 мА) и банчевая структура на вых. И-3 (1В/20 мА). Банчи пучка на выходе И-3 1В/20 мА Форма банча на выходе И-3, 1В/20 мА 400 мА 18 нс 400 нс

Ускорение пучка в бустерном синхротроне УК при инжекции на растущее поле Ток пучка ионов С 4+ на выходе И-3 и в конце ионопровода. Циркуляция пучка в УК после инжекции по датчику в конце первого оборота(2В/1 мА) Осциллограмма захвата пучка в УК в режим ускорения (2В/1 мА) Осциллограмма ускорения ионов С 4+ в УК до энергии 300 МэВ/а.е.м. Вых. И-3 Вх. УК 2 мА 7 мА 1,5 мА 1 мА ,5х10 9 Интенсивность Производная магнитного цикла

Адиабатический захват пучка в режим ускорения в БС УК Injection – for one turn Time of beam debunching - 7 ms Time of RF amplitude ramp – 10 ms Time of transition to acceleration – 20 ms Factor of beam capture - >90% Factor of beam loss at transition to acceleration – 20% Longitudinal beam dynamics Beam debunching, U RF =100 V Beam trapping, U RF =10 kV Beam acceleration Oscillograms Debunching Injection Beam trapping, 1V/10 9 Beam bunches at acceleration with s =10 o Intensity, 1V/10 9 C 4+ beam adiabatic trapping dB/dt RF voltage, 10 kV f RF = 720 kHz, h=10 Е к =1,4 МeV/amu, =1,00, =0,055 Е к =1,3 МeV/amu, =1,00, =0,053 5х10 9

Состояние накопительного кольца У-10 1.Динамическая апертура - ~ 10 мм мрад =>50 мм мрад 2.Смещения равновесной орбиты по горизонтали мм => по вертикали мм => ~ 5 мм ~ 3 мм 3.Коэффициенты хроматичности- по горизонтали--5 => по вертикали--20 => ~ 5 4.Вакуум Торр => Торр Коррекции хроматичности Коррекция равновесной орбиты Симметрирование структуры магнитного кольца для компенсации нелинейных резонансов Исследование клетки резонансов для выбора оптимальной рабочей точки Интенсивность накопленного пучка в зависимости то рабочей точки в клетке бетатронных резонансов Рабочая точка

Эксплуатация комплекса ИТЭФ- ТВН Режим работы Схема ускорения Энергия, МэВ/н Режим вывода Ускоритель протонов И-2 И-2/У до 230 до Импульс, 10 мкс/с Медицинский вывод, 200 нс, Быстрый вывод, 800 нс, Внутренняя мишень, 1с Медленный вывод, 1с Ускоритель ионов, С, (Al,Fe,Pb,U) И-3/УК И-3/УК/У-10 1, Быстрый вывод, 800 нс Внутренняя мишень, 1с Медленный вывод, 1с Накопитель ионов, С, (Al,Co,Zn) И-3/УК/У Быстрый вывод, 150 нс Полное время работы комплекса в 2005 году составило 2808 часов, из которых: 1704 ч. - ускорение протонов (1152 ч. с энергией 2,5 ГэВ и 552 ч. с энергией 8 ГэВ), 828 часов – накопление ионов углерода с энергией 200 МэВ/н, 276 часов – ускорение ионов углерода до энергии 4 ГэВ/н.

Использование ускоренных пучков Большой экспериментальный зал (БЭЗ) Зона медленного вывода пучка Мишенный корпус Корпус биологических исследований Зона вторичных пучков Стенд радиационной обработки материалов Радиационный Испытательный Центр Здание инжектора И-2 Здание инжектора И-3

релятивистская ядерная физика физика высокой плотности энергии в веществе физика и технология тяжелоионного термоядерного синтеза физика сильноточных ионных пучков радиобиология и медицинская физика протонная терапия ионная терапия радиационное материаловедение протонная радиография испытание радиационной стойкости образцов Направления исследований на пучках протонов и ионов комплекса ИТЭФ-ТВН

Заключение 1. За последние два года достигнут определенный прогресс в повышении эксплуатационных параметров комплекса ИТЭФ-ТВН: - улучшена технология перезарядной инжекции и накопления, что позволило увеличить вдвое интенсивность накапливаемого пучка, - коэффициент накопления ионов повышен в 1,5 раза до величины ~70, - комплекс выведен на эксплуатационный режим ускорения и накопления ионов в объеме ~1000 часов в год. 4. В существующих условиях финансирования фундаментальных исследований необходимо расширение коммерческого использования ускоренных пучков протонов и ионов для получения дополнительных средств на содержание развитие комплекса. 3. Модернизация ряда систем инжекционного комплекса И-3/УК позволяет рассчитывать на повышение интенсивности накопителя до 10 раз. Дальнейшее увеличение интенсивности может быть достигнуто с новым ионным инжектором И Основная задача текущего года состоит в модернизации ионного источника для расширении массового состава ускоряемых и накапливаемых ионов.