Введение в ускорители Павел Белошицкий ЦЕРН

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 2 Содержание Ускорители – что это такое, где применяются, чем отличаются друг от друга Немного из истории ускорителей Основные системы ускорителей Синхротроны и коллайдеры Ускорительный комплекс ЦЕРНа

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 3 Ускоритель – установка для получения пучков заряженных частиц Ускорители применяются: В научных исследованиях (элементарные частицы, ядерная физика, физика твердого тела, получение не встречающихся в природе нуклидов) В прикладных исследованиях (источники синхротронного излучения) В медицине (радиационная диагностика и терапия, стерилизация аппаратуры), биологии В промышленности (имплантация ионов, дефектоскопия, стерилизация пищевых продуктов, искусственная полимеризация лаков, модификация свойств материалов, напр, резины, радиационная обработка материалов, изготовление элементов микроэлектроники)

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 4 Ускорители различаются: По назначению По составу поставляемых частиц: легкие (электроны, позитроны), промежуточные (мезоны) и тяжелые частицы (протоны), ионы самых разнообразных масс и зарядностей, античастицы (антипротоны) По энергии частиц, от самых низких до нескольких ТэВ (10 12 эВ, 1 эВ=1.6· Дж) По геометрии (кольцевые и линейные) По интенсивности пучков

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 5 Происхождение ускорителей Первая задача – изучение строения атомного ядра 1932г., Кокрофт и Уолтон (Англия, Кэвендишская лаборатория) - бомбардировка ядер лития протонами первое в мире успешное искусственное превращение химических элементов (литий в гелий) впервые была проверена формула Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии (кинетическая энергия образовавшихся ядер была больше кинетической энергии исходных ядер) Нобелевская премия по физике за 1951г.

Ускоритель Кокрофта-Уолтона Лестничный умножитель напряжения, преобразует переменное напряжение в постоянное В отличие от трансформатора, ненужен железный сердечник и большие изоляторы Дешев, прост для изоляции Максимальное напряжение ~1 МВ ограничено пробоем в воздухе Используется в источниках высокого напряжения, в системах рентгеновского излучения, подсветке ЖК экранов, ионных насосах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 6

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 7 Электростатический генератор Ван де Граафа Принцип работы: Воздух ионизируется под высоким (50 кВ) напряжением Коронный разряд, ионы заряжают резиновый ремень, вращение блоков задается мотором Заряд переносится ремнем вверх до сборника Сфера заряжается до высокого потенциала, ограничения связаны с коронным разрядом, зависят от формы поверхности, ее чистоты и т.д. Во избежание пробоя внутри сферу заполняют инертным газом (10 Атм, азот, фреон) Ионы (протоны) получаются в источнике под высоким напряжением (равным потенциалу сферы) и ускоряются в канале Нужная зарядность отсортировывается при помощи анализируюшего магнита и коллиматора Максимальная энергия порядка 10 МэВ

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 8 Ускоритель тандем Принцин работы: дважды используется ускоряющее напряжение пучок отрицательных ионов вводится из источника под нулевым напряжением и ускоряется до напряжения терминала производится его обдирка при прохождении через фольгу до положительной зарядности повторное ускорение за счет прохождения разности потенциалов при движении пучка от терминала к магнитному анализатору

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 9 Высокочастотный линейный ускоритель (Видероэ) Принцип действия: пучок из ионного источника вводится в последовательность дрейфовых трубок, выполненных из проводяшего материала высокочастотное напряжение прикладывается ко всем трубкам от генератора поля внутри трубок нет, но есть в зазорах за время пролета частицы в трубке фаза ускоряющего поля изменяется на 180 градусов для поддержание синхронизма между частицей и нужной фазой ускоряющего поля длина трубок нарастает (резонансная структура) когда скорость частицы (и, соответственно, длина дрейфовой трубки) нарастает значительно по сравнению с первоначальной, происходит смена частоты на более высокую при высоких частотах становятся заметными потери энергии в структуре и зазоры «закрывают», делая их резонаторами

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 10 Ускоряющее поле Две топологии ускоряющего поля: По типу бетатрона По типу резонатора

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 11 Циклотрон (предложен Лоуренсом в 1932г., Нобелевская премия 1939 г.) Принцип работы: Для нерелятивистских частиц (v

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 12 Бетатрон Теоретическая основа заложена Видероэ, впервые построен Керстом в 1940 г.). Основные элементы: Обмотки переменного тока, генерирующего переменное магнитное поле Железный сердечник для формирования потока магнитного поля через охватываемую пучком область Условие постоянства орбиты Условие устойчивости поперечных (бетатронных) колебаний - слабая радиальная вариация магнитного поля (достигается профилированием магнитного полюса) Максимальная энергия 300 МэВ

Синхротрон Принцип действия: ведущее поле с радиальной фокусировкой растет по мере роста энергии частицы условие 2:1 не нужно, вместо этого частота ВЧ подстраивается под частоту обращения Принцип автофазировки (Векслер (1944) и Макмиллан (1945)) Ограничение слабой фокусировки – очень большие поперечные размеры пучка -> очень громоздкие магниты (синхрофазотрон в Дубне, 1956г., вес магнитов 6000 тонн) Изобретение принципа сильной фокусировки, Кристофилос (1950, неопубликовано) и независимо Курант, Ливингстон и Снайдерс (1952) 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 13

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 14 Критическая энергия и принцип автофазировки С ростом энергии (импульса) частота обращения частицы по орбите в синхротронах сначала растет, а затем, по достижении некоторой энергии, падает Эта энергия называется критической Коэффициент α называется коэффициентом расширения орбит. Зависимость частоты обращения от импульса определяется 2 факторами: ростом скорости частицы и ростом длины орбиты

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 15 Критическая энергия и принцип автофазировки Энергия пучка EE кр, частица с энергией меньшей синхронной имеет большую частоту обращения, опережает по фазе ВЧ напряжение, попадает в менее сильное поле, получает меньший прирост энергии

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 16 Основные системы ускорителя Магнитная (обеспечивает движение частиц по заданной траектории и их поперечную фокусировку) ВЧ (высокочастотная, ускоряет частицы до требуемой энергии и осуществляет продольную фокусировку, формирует пучок требуемого размера) Система ввода/вывода пучка Вакуумная (для поддержания необходимого времени жизни пучка) Управления (обеспечивает программируемое во времени изменение параметров систем ускорителя, необходимое для получения пучков ускоряемых частиц с заданными параметрами) Диагностики (совокупность измерительных устройств, позволяющих контролировать параметры пучка) Система питания (обеспечивает электропитание других систем с требуемыми параметрами) Система радиационной защиты (обеспечивает защиту персонала и оборудования от воздействия пучка)

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 17 Магнитная система: поворотные магниты Функция – повернуть пучок в ускорителе на 360 градусов Сила Лоренца Она же – центростремительная сила Условие движения частицы по замкнутой орбите

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 18 Магнитная система: поворотные магниты Пример 1: магнит для LHC B 0 = 8.3 T, p =7 ТэВ/с, радиус поворота ρ = 2804 м. Пример 2: при длине магнита 14.3м и таком большом радиусе поворота угол поворота φ=l/ ρ=5.1·10 -3 рад для полного поворота (φ=2π) нужно очень большое число число магнитов (1232) ! Важные следствия: Для достижения больших энергий (импульсов) необходимо повышать магнитное поле, по возможности сохраняя небольшим радиус траектории (иначе ускоритель будет очень большой) Если задача достижения высоких энергий является первостепенной, приходится строить ускорители очень большого размера Стоимость ускорителя растет примерно пропорционально радиусу Максимально достижимое поле в нормальных магнитах составляет около 2 Т (насыщение сердечника) Достижение высоких магнитных полей является очень актуальным, делая необходимым переход к сверхпроводящим магнитам

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 19 Магнитная система: типы поворотных магнитов Достоинства магнитов: С-магнит - легкий доступ в вакуумную камеру (не нужно разбирать магнит) Н-магнит - экономичность (простота в изготовлении), легче сформировать однородное поле Некоторые особенности: Большой сердечник нужен для высокой (10 -5 ) однородности поля Сердечник должен быть ламинированным (изготовленным из тонких пластин с изоляционным слоем между ними) для подавления токов Фуко

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 20 Магнитная система: что еще важно в поворотных магнитах Точность установки (ошибки перекоса = > поворот в вертикальной плоскости) Стабильные источники питания ( ) Достаточная область «хорошего» магнитного поля (шимирование)

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 21 Магнитная система: сверхпроводящие магниты Выше магнитное поле (до 10 раз) => меньше размер ускорителя или (при заданном размере) выше энергия Потребляют меньше энергии Более стабильное магнитное поле Но: криогенная система, сложность в эксплуатации

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 22 Магнитная система: особенности магнитов LHC Два пучка в соседних вакуумных камерах внутри одного магнита 14.3 м длиной, 35тонн весом $ 500,000 каждый, всего нужно 1232 магнита Наиболее трудоемки в изготовлении сверхпроводящие катушки Катушки закреплены в «воротничках» из ненамагничивающейся стали Силовая нагрузка на «воротнички» (копменсация электромагнитного взаимодействия токовых катушек) составляет 400 тонн на метр!

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 23 Магнитная система: сверхпроводящие магниты Профиль плотности тока в идеальном случае – непрактично! Профиль плотности тока в реальном магните

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 24 Магнитная система: элементы конструкции сверхпроводящего магнита 1,2 – дьюар с жидким азотом (LHC - 4.2К) и жидким гелием (LHC - 1.9К) 3 – титано-ниобиевые «обмотки» в медной матрице 4 – нагреватель (для первоначальной запитки сверхпроводящей обмотки током от источника питания) 5 – источник питания 6 – разрядное сопротивление 7 – реле защиты 8 – управляющее устройство (отключает нагреватель, когда ток в обмотке достигает требуемой величины)

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 25 Магнитная система: квадрупольные линзы Назначение – поперечная фокусировка пучка

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 26 Магнитная система: квадрупольные линзы Зачем нужна фокусировка: если бы все частицы двигались по центральной орбите, то квадруполи были бы не нужны. В реальности траектории частиц не совпадают с идеальной орбитой Почему: Пучки, получаемые в источниках и вводимые в ускоритель, имеют конечный размер, определяемый способом их формирования Идеальную орбиту сформировать невозможно из-за различных погрешностей, связанных с изготовлением и установкой поворотных магнитов, установкой квадрупольных линз Даже в гипотетическом случае совершенных магнитов силы кулоновского расталкивания между частицами пучка привели бы к росту поперечного размера пучка

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 27 Магнитная система: как достигается поперечная фокусировка Каждый из квадруполей фокусирует в одной плоскости и дефокусирует в другой Пара, составленная из таких квадруполей, при определенном выборе их параметров будет фокусировать в обеих плоскостях (Курант, Ливингстон, Снайдерс, 1952г.) две линзы в геометрической оптике, фокусирующая и дефокусирующая, при правильном выборе расстояния между ними будут работать как фокусируюшая система

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 28 Магнитная система: движение частиц в квадрупольной линзе В постоянном магнитном поле с потенциалом (полюса – гиперболической формы) магнитное поле Сила, действуюшая на частицу Движение частиц в квадруполе описывается уравнениями

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 29 Магнитная система: фокусировка частиц в поворотном магните Уравнение движения частиц в поворотном магните с учетом отклонения по импульсу Радиальная фокусировка в поворотном магните: при движении с большим радиусом, чем центральная орбита (x>0), центробежная сила падает, а сила Лоренца остается прежней. Такую фокусировку называют слабой – при больших радиусах поворота в магните 1/ρ 2

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 30 Магнитная система: бета-функция Уравнение поперечного движения для частицы (Δp=0) Его решение Частицы совершают квази-гармонические колебания с амплитудой (ε x,y β x,y (s)) 1/2 и фазой μ x,y (s), причем зависимость и фазы, и амлитуды от положения частицы на орбите определяется бета- функцией

Пример: оптика антипротонной фабрики 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 31

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 32 Магнитная система: частота бетатронных колебаний Частоты этих колебаний, называемых бетатронными, на длине окружности L равны - исключительно важные параметры и должны выбираться при проектировании ускорителя очень тщательно Необходимо, чтобы выполнялось условие (m,n,l – целые числа) Его физический смысл – различные моды колебаний (дипольная, квадрупольная и более высоких порядков) не должны возбуждаться, т.е. в системе не должно быть резонансов (низших порядков)

Рабочая точка Пара чисел {Q х,Q y } называется рабочей точкой Правильный выбор РТ исключительно важен для обеспечения устойчивости поперечного движения Важнейшее условие-удаленность РТ от наиболее опасных резонансов Резонансы какого порядка опасны – зависит от типа ускорителя (протонный/ электронный, на теплых или холодных магнитах, высокоцикличный или накопитель) Рабочие точки частот бетатронныхколебаний антипротонной фабрики 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 33

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 34 Магнитная система: коррекция орбиты пучка Погрешности установки и питания поворотных магнитов => искажение орбиты Погрешности установки и питания квадрупольных линз => искажение орбиты и неправильная частота бетатронных колебаний => неустойчивость колебаний, потеря пучка Очень важна правильная калибровка магнита в лаборатории, дающая зависимость магнитного поля от тока в обмотках Применение специальной регуляции и фильтров при запитке магнитов повышает стабильность магнитного поля Схема коррекции орбиты

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 35 Магнитная система: поперечный эмиттанс пучка эмиттанс пучка ε x,y не зависит от положения частицы Зачем нужен второй параметр для описания движения частицы? Ансамбль частиц с разными начальными условиями (на выходе из источника частиц, на входе в ускоритель, на выходе их него) Площадь эллипса (площадь, занимаемая пучком в фазовом пространстве) = π·ε=π·σ x · σ x. Размер пучка σ x =(εβ) 1/2

Поперечный аксептанс ускорителя Аксептанс – это максимальный эмиттанс (=максимальный фазовый объем пучка), при котором еще нет потерь Определяется по формуле A z =Max{a(s) 2 /β z (s)}, a-апертура вакуумной камеры => зависит как от поперечных размеров вакумной камеры ускорителя и его оптики Чем больше аксептанс, тем больше поперечные габариты элементов ускорителя, тем он дороже в изготовлении и эксплуатации (потребление энергии) Какой нужен аксептанс-зависит от задачи В накопителях, где важно большое время жизни пучка (порядка суток), область устойчивого движения пучка должна как минимум в n=7-8 раз превышать размер пучка =>A z =n 2 ε z, A z / ε z 50 В высокоциклических (с длительностью несколько секунд и меньше) ускорителях тревования к времени жизни пучка менее жесткие и пучок может заполнять всю вакуумную камеру => ε z A z 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 36

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 37 Продольные колебания Сепаратриса определяет область устойчивых колебаний Малые колебания – гармонические с частотой Площадь, занимаемая сгустком – продольный эмиттанс

Продольный эмиттанс и продольный аксептанс Продольный эмиттанс – область фазового пространства (в координатах (ΔЕ, φ), заполняемого пучком Продольный аксептанс – максимальный, при котором движение пучка происходит без потерь Продольный аксептанс ускорителя определяется: а) параметрами ВЧ системы (больше напряжение,-> больше аксептанс) б) зависимостью частот бетатронных колебаний от импульса частицы Продольный аксептанс ускорителя важен: а) для обеспечения ускорения без потерь б) для минимизации потерь при рассеянии частиц пучка на остаточном газе 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 38

Накопление пучков путем их охлаждения Цель: повышение интенсивности пучка путем его накопления в кольце с ограниченным аксептансом (фазовым объемом) Схема накопления: а) ввод пучка в ускоритель с заполнением аксептанса б) охлаждение эмиттанса до величины значительно меньшей аксептанса в) ввод новой порции частиц и т.д 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 39

Электронное охлаждение: принцип действия (Г.И.Будкер, Новосибирск, конец 1960-х «холодный» электронный пучок (т.е. пучок с очень малым разбросом по продольным и поперечным скоростям) смешивается с охлаждаемым пучком (протонным, ионным) В результате кулоновского взаимодействия происховит выравнивание температур пучков 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 40

Электронное охлаждение (техническая реализация) «холодный» электронный пучок формируется в электронной пушке специального устройства – электронного охладителя Элекронный охладитель и накопительное кольцо имеют общий участок, на котором происходит охлаждение «использованные» электроны собираются на коллекторе Постоянное обновление электронного пучка необходимо, иначе он быстро нагреется и охлаждение перестанет работать 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 41

Стохастическое охлаждение (принцип действия) С помощью датчика положения определяетя отклонение частицы от идеальной орбиты В точке кольца, отстоящей на 90˚+180 ˚ · n (n - целое), устанавливается ударный магнит Информация о величине отклонения передается на кикер, в котором производится удар соответствующей силы, и поперечная скорость частицы обнуляется Так как частица движется со скоростью бликой к скорости света, расстояние от датчика до кикера по прямой должно быть заметно короче пути частицы по орбите 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 42 С. ван дер Меер, начало 1970-х, Нобелевская премия 1984 г.

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 43 От синхротрона к коллайдеру Эксперимент на фиксированной мишени Полезная энергия Эксперимент на встречных пучках Полезная энергия Для высоких энергий E=mc 2 γ>>mc 2 и

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 44 Критерии эффективности синхротрона Интенсивность пучка – число поставляемых частиц в секунду Яркость пучка – отношение тока к эмиттансу Светимость – это отношение числа событий в секунду к сечению реакции Светимость не зависит от изучаемого процесса, но зависит от параметров пучка и ускорителя

Потери частиц: некоторые причины и следствия Нежелательность потерь: менее эффективная работа ускорителя, вохможное повреждение оборудования, вохможное радияционное заражение, потенциальная опасность для персонала Системы защиты оьорудования и персонала Причины потерь пучка: - отказ оборудования (теряется весь пучок или его часть) - одночастичные неустойчивости пучка - коллективные неустойчивости пучка - внутрипучкоаое рассеяние - взаимодействие с остаточным газом - многие, многие другие... 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 45

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 46 Cветимость в коллайдере Два пучка = > два «кольца» + участок встречи Для круглого пучка с гауссовым распределением светимость N – число частиц в сгустке длиной σ s, n b - число сгустков в одном кольце, f rev - частота обращения, ε – эмиттанс пучка, β * и σ * =(εβ * ) 1/2 – бета функция и поперечный размер пучка в месте встречи, F – геометрический фактор, определяющий уменьшение светимости вследствие пересечения частиц под углом θ c

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 47 От чего зависит светимость в коллайдере? Светимость пропорциональна квадрату числа частиц в сгустке. Ограничения – эффекты места встречи и разнообразные коллективные эффеты, имеющие пороговый характер и обусловленные взаимодействием сгустков с «окружением» числу сгустков при фиксированном числе частиц в них. Ограничение – во избежание нежелательного («паразитного») взаимодействия сгустков вне места встречи, ведущего к их деградации, их разведение по двум разным орбитам должно осушествляться как можно быстрее – исключительно сложная задача частоте обращения – более высокая частота обращения при фиксированном числе сгустков означает меньший периметр (сверхпроводящие магниты), следовательно, меньшее расстояние между сгустками. Ограничения – максимально достижимое поле в магнитах, взаимодействие сгустков между собой с учетом εβ * = (σ *)2 = σ x σ y поперечному сечению пучка в месте встречи (т.е. его плотности). Ограничения – эффекты места встречи, максимально достижимая фокусировка примыкаюшими квадрупольными линзами, нелинейные эффекты

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 48 LHC main parameters

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 49 Ускорительный комплекс ЦЕРНа

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 50 Ускорительный комплекс ЦЕРНа LINAC2 – линейный ускоритель протонов (до 50 МэВ) Booster (4 кольца)– синхротрон на энергию 1.4 ГэВ PS - протонный синхротрон на энергию 26 ГэВ SPS – суперпротонный синхротрон на энергию 450 ГэВ LHC – большой адронный коллайдер на энергию 7 ТэВ LINAC3 - линейный ускоритель ионов свинца (4.2 МэВ/нуклон) LEIR – ионное кольцо низких энергий (72 МэВ/нуклон) ISOLDE – радиационные ионные пучки AD – получение атомов антиводорода CNGS – нейтрино для лаборатории в Гран Сассо (Италия)

Почему ускорительный комплекс состоит из большого числа звеньев? Технические причины: Диапазон изменения магнитного поля в поворотных магнитах ограничен Трудно поддерживать высокую стабильность тока в источниках питания (10 -4 ÷10 -5 ) в широком диапазоне Ограничение по диапазону перестройки частоты ВЧ напряжения Если осуществлять ускорение в одной усьановке, то ее цикличность будет невысока Ограничения, связанные с физикой пучков: Ограничение по интенсивности, обусловленное пространственным зарядом пучка, ~β 2 γ 3 Ограничения, связанные с коллективными неустойчивостями ~γ 3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 51

3/11/2010Введение в ускорители / Павел Белошицкий / ЦЕРН 52 Спасибо за внимание!