РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФЕЩЕНКО Александр Владимирович Исследование микроструктуры пучка в линейных ускорителях ионов

Для полного описания пучка нужна 6-мерная функция + время Микроструктура пучка Основное требование – высокое фазовое разрешение. Для типичных фазовых протяженностей сгустков около 10° фазовое разрешение должно быть около 1° на частотах сотни МГц Разрешение 1 эквивалентно временному разрешению 14 пс (f=200 МГц). Эквивалентная полоса пропускания: F=36 ГГц.

Принципиальное ограничение широкополосности методов и устройств, в которых для передачи информации используется электромагнитное поле анализируемого пучка Конфигурация электрического поля точечного заряда. При W=100 МэВ и R=2 см соответствует полоса всего ΔF=2,5 ГГц. Выход - локализация области пространства, при пролете пучка через которую происходит передача информации о его временной структуре.

Выход - внести мишень малых размеров в пучок и регистрировать излучение, возникающее при пересечении мишени пучком. излучение Вавилова-Черенкова; для ионов Н - электроны обдирки (включая фотодиссоциацию); δ-электроны; переходное излучение; рентгеновское излучение; вторичные низкоэнергетические электроны; Физическое ограничение фазового разрешения для вторичных низкоэнергетических электронов - временная дисперсия вторичной эмиссии. Теоретическая величина временной дисперсии для металлов с с. Экспериментальная оценка верхнего предела временной дисперсии: от (4±2) пс до n·100 пс.

Первый реальный детектор продольного распределения с использованием вторичных низкоэнергетических электронов (Witkover R.L. A Non-destructive Bunch Length Monitor For a Proton Linear Accelerator // Nucl. Instr. And Meth. – 1976, V. 137, No. 2, - pp ) ВН и ВЧ Сигнал Исследуемый пучок Вторичные электроны Исследуемый пучок Мишень Фольга Продольная модуляция

Первое предложение по использованию поперечной модуляции вторичных низкоэнергетических электронов относится к началу 60-х годов (А.С СССР, МКИ H05h7/00. Устройство для измерения ширины фазового сгустка электронов, ускоренных в ускорителе / И.А. Прудников, В.А. Вьялицын, И.Р. Рябухов) Исследуемый пучок ВН Мишень Фокусировка ВЧ развертка Экран e Изображение сгустка e

Схема анализатора фазового спектра I(φ) I(Z) 12 Вторичные электроны 4 5 Исследуемый пучок φ 3 Z UмUм Сигнал 1 – мишень, 2 – входной коллиматор, 3 – дефлектор, 4 – выходной коллиматор, 5 – коллектор электронов.

Пример траекторий движения электронов Оптимальное фокусирующее поле, отключенное ВЧ поле Траектории двух групп электронов влетающих в ВЧ дефлектор в фазах, отличающихся на 5° при f=1300 МГц

К вопросу о нахождении фазового разрешения Смещение электронов в плоскости выходного коллиматора: Фазовое разрешение где ΔZ L – размер пучка на полувысоте в случае сгустка в виде -функции, Z max – максимальное отклонение электрона в плоскости выходного коллиматора. На практике используется выражение: где ΔZ 0 – размер сфокусированного пучка при выключенном отклоняющем ВЧ поле, наблюдаемый экспериментально, σ – среднеквадратический размер сфокусированного пучка для сгустка в виде -функции

Зависимость фазового разрешения от амплитуды отклоняющего ВЧ напряжения между пластинами дефлектора при разных входных коллиматорах (частота 352,2 МГц)

Анализатор фазового спектра Исследуемый пучок 1 2 3а 3б кВ e Схема анализатора фазового спектра с поперечной модуляцией вторичных низкоэнергетических электронов (1 – мишень, 2 – входной коллиматор, 3а – электростатическая линза, 3б – ВЧ дефлектор, 4 – выходной коллиматор, 5 – коллектор электронов) Внешний вид анализатора фазового спектра с поперечной модуляцией вторичных низкоэнергетических электронов.

МОДИФИКАЦИИ ДЕТЕКТОРОВ 1.Анализатор фазового спектра (BSM)- базовый детектор 2.Анализатор фазового спектра для ионов Н- минус 3.Измеритель длительности сгустков и скорости пучка (BLVD) 4.Измеритель трехмерного распределения частиц в сгустках (3D-BSM)

4 7 Сигнал I( φ) Исследуемый пучок Н-минус U targ 1 32 I(z) Электроны Z X 5 6 B Y X 1 – мишень, 2 – входной коллиматор, 3 – дефлектор, 4 – выходной коллиматор, 5 – поворотный магнит, 6- коллиматор, 7- коллектор электронов Модификация базового детектора для пучков ионов Н-минус

Тип детектораЛаборатория Разработчик и изготовитель Анализируемый пучокГод запуска Кол. детекторов BSMИЯИ РАН H+ (20 МэВ, 100 МэВ)19881 BSMSSCИЯИ РАНH- (2,5 МэВ)19931 BSMFNAL H- (116 МэВ, 401 МэВ)19933 BLVDCERN Linac-3ИЯИ РАНPb 27+ (0,25МэВ/н, 4,2МэВ/н)19941 BSMSSCИЯИ РАНH- (2,5 МэВ)1 BSMSSCИЯИ РАНH- (70 МэВ)1 BSMSSCИЯИ РАНH- (600 МэВ)1 3D-BSMCERN Linac-2ИЯИ РАНH+ (50МэВ)19961 BLVDKEKИЯИ РАНH- ( 3 МэВ)19961 BSMDESYИЯИ РАНH- (10 МэВ,30 МэВ)19972 BLVDDESYИЯИ РАНH- (50МэВ)19971 BLVDИЯИ РАН H+ (160МэВ)19971 BSMCERN Linac-2ИЯИ РАНH+ (10 МэВ, 30 МэВ)1999, BSMANL Тяжелые ионы20021 BSMSNS ORNLИЯИ РАНH- (7,5 MэВ, 90 МэВ) BSMSNS ORNLИЯИ РАНH- (180 МэВ)20071 BSMSNS ORNLИЯИ РАНH- (1 ГэВ) BSMCERN Linac-4ИЯИ РАНH- (3÷160 МэВ)20121 BSMJ-PARCИЯИ РАНH- (200 МэВ)20123

BSM для Linac-4 ЦЕРН Трехмерный вид BSM Стойка электроники и системы управления BSM Интеграция BSM в диагностический стенд Linac-4 BSM на стенде в ЦЕРН, октябрь 2011.

Детектор для ускорителя SNS ORNL

Трехмерный вид детектора BLVD для ускорителя Linac-3 DESY (1 – корпус, 2 – привод мишени, 3 – ВЧ дефлектор, 4 – узел регистрации, 5 – корректирующий магнит, 6 - направляющие продольного перемещения, 7 – привод продольного перемещения, 8,9 – сильфонные компенсаторы, 10 – опора)

Измеритель трехмерного распределения частиц в сгустках (3D-BSM) Вертикальное перемещение yПучок электронов Сигнал x Горизонтальрное Исследуемый перемещение пучок V foc U m tV 2 sin() x 30 z каналов V foc U m tV 2 sin()

Фотография детектора 3D-BSM

Измерение продольного распределения заряда в сгустках; Измерение средней скорости частиц; Измерение трехмерного (объемного) распределения заряда в сгустках; Измерение продольного ореола ускоренного пучка; Измерение продольного эмиттанса; Установка амплитуд и фаз полей в резонаторах ускорителя; Продольное согласование пучка; Измерение поперечного сечения пучка и поперечного ореола; Нахождение поперечного эмиттанса для разных точек вдоль сгустка. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПУЧКА В ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЯХ ИОНОВ

ЛУ ММФ ИЯИ РАН (протоны) –20 МэВ, BSM –100 МэВ, BSM –160 МэВ, BLVD SSC-RFQ (2,5 МэВ, H -, BSM) Linac – 3 ЦЕРН (Pb +25, Pb +27, BLVD) –250 кэВ/нуклон –4,2 МэВ /нуклон JHP-RFQ (3,0 МэВ, H -, BLVD) Linac – 3 DESY (H - ) –10 МэВ, BSM –30 МэВ, BSM –50 МэВ, BLVD Linac – 2 ЦЕРН (протоны) –10 МэВ, BSM –30 МэВ, BSM –50 МэВ, 3D-BSM SNS Linac ORNL (H - ) –7 МэВ, BSM –100 МэВ, BSM –180 МэВ, BSM –1 ГэВ, BSM Диапазон импульсных токов пучка от 1 мкА до 180 мА

BSM107BSM109 BSM111BSM107 BSM109 BSM МэВ МэВ Поведение микроструктуры пучка в течение импульса на ускорителе SNS (первый резонатор структуры CCL) при токе 15 мА

BSM111 BSM109 BSM107BSM109BSM МэВ МэВ BSM107 Поведение микроструктуры пучка в течение импульса на ускорителе SNS (первый резонатор структуры CCL) при токе 30 мА

0 Δβ / β -π/8 0 0 π/8 -π/8 π/8 I 0 -π/8 0 0 π/8 -π/8 π/8 Δβ / β I I E=E 0 E=1,02E 0 E=1,04E 0 0,003 -0,006 0,006 -0,003 0 Продольные фазовые портреты и соответствующие фазовые спектры пучка на выходе первого резонатора при разных амплитудах ускоряющего поля. Установка амплитуды в первом ускоряющем резонаторе ЛУ ММФ (20 МэВ). Моделирование.

Установка амплитуды в первом ускоряющем резонаторе ЛУ ММФ (20 МэВ). Эксперимент. Фазовые спектры при разных амплитудах ускоряющего поля. Фазовые спектры вблизи амплитуды поля, соответствующей экстремуму функций I m (E) и Ф(E). Зависимости I m (E) и Ф(E) вблизи уровня поля, соответствующего экстремуму, для номинальной энергии инжекции. Зависимости I m (E) и Ф(E) вблизи уровня поля, соответствующего экстремуму, для энергии инжекции меньшей номинальной на 1%.

Измерение продольного эмиттанса на выходе начальной части ЛУ ММФ (100 МэВ). Согласование по продольному движению. Измерение фазовых спектров при определении продольного эмиттанса. E=0 φ° E=0,7E 0 E=1,3E 0 Продольный фазовый эллипс на выходе четвертого резонатора. Продольный фазовый эллипс на выходе пятого резонатора (1) и на входе основной части ускорителя (2). Δ p/p Δψ Δ p/p Энергетический спектр на выходе начальной части ЛУ ММФ.

Измерение продольного эмиттанса на участке промежуточного вывода ЛУ ММФ (160 МэВ) Измеритель профиля BLVD Согласующая секция Среднеквадратический продольный эмиттанс на участке промежуточного вывода.

Измерение продольного эмиттанса на выходе первого резонатора (7 МэВ) ускорителя SNS Границы сгустков, трансформированные ко входу резонатора и эквивалентный среднеквадратический продольный фазовый эллипс Трансформация фазовых эллипсов при пролете пучка через резонатор и до детектора

Измерение продольного эмиттанса в первом резонаторе CCL ускорителя SNS Среднеквадратичные эмиттансы для разных уровней отсечки сигналов Эмиттансы по основанию для разных уровней отсечки сигналов

Исследования продольного ореола сгустков k=1 k=10 k=50 а) , ,2 0,6 0,8 1,0 100 Фаза, град (427,6 МГц) в) % Интервал фаз, град (427,6 МГц) б) ,1 0,01 0, Фаза, град (427,6 МГц) Измерение продольного ореола на ускорителе SSC-RFQ (2,5 МэВ) Н-минус Протоны % Интервал фаз, град Измерение продольного ореола на ускорителе JHP-RFQ (3,0 МэВ) Зависимость интенсивности электронов после выходного коллиматора от смещения пучка. Восстановленный Измеренный Восст. с фоном ,1 0,01 0,001 0,000 1 Фаза, град (432 МГц)

Продольный ореол сгустков на выходе первого резонатора (7 МэВ) ускорителя SNS

Продольный ореол сгустков в первом резонаторе CCL ускорителя SNS Форма сгустков по результатам 6 измерений с изменением коэффициента усиления 1÷3500 Измерения с номинальным коэффициентом усиления Коэффициент усиления увеличен в 160 раз

Исследования объемной структуры сгустков на ускорителе Linac-2 CERN c помощью детектора 3D- BSM Измеряемая функция: Форма импульса тока на ускорителе Linac-2 CERN. Горизонтальный и вертикальный профили на выходе ускорителя Linac- 2 CERN.

Интегральный фазовый спектр. Эволюция продольного распределения в течение импульса тока пучка.

Интегральная проекция сгустка на вертикальную плоскость. Интегральное поперечное сечение пучка. Интегральная проекция сгустка на горизонтальную плоскость.

Поведение в течение импульса тока пучка проекций сгустков на вертикальную и горизонтальную продольные плоскости

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 1

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 2

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 3

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка

Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 4

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Поперечное сечение сгустков в разных фазах и в разные моменты времени импульса тока пучка Сгусток 5

Определение поперечного эмиттанса для разных точек вдоль сгустка Продольное распределение заряда в сгустках и зависимость среднеквадратического поперечного эмиттанса от продольной координаты в сгустках. Эмиттанс, мм·мрад Интенсивность Эмиттанс Интенсивность Фаза, град X', мрад X, мм Весь сгусток Поперечные среднеквадратические фазовые эллипсы для разных точек вдоль сгустков.

Заключение 1.Создан новый класс диагностических устройств для исследования микроструктуры пучка в линейных ускорителях ионов, нашедших применение в ведущих ускорительных центрах. Созданные детекторы работают в широком диапазоне энергий и интенсивностей пучков различных типов ионов. 2.Проведены экспериментальные исследования микроструктуры пучка на ускорителях ЛУ ММФ ИЯИ РАН, SSC-RFQ, ЦЕРН Linac-2, ЦЕРН Linac-3, DESY Linac-3, JHP-RFQ, SNS. 3.Результаты измерений, выполняемых с помощью созданных детекторов, используются для настройки ускорителей и для определения качества пучка.