Для полного описания пучка нужна 6-мерная функция + время

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУКИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙФЕЩЕНКО Александр ВладимировичИсследование 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 ограничениеширокополосности методов и устройств, в которых для передачи информации используется электромагнитное поле анализируемого пучка При W=100 МэВ и R=2 см соответствует полоса всего ΔF=2,5 ГГц. Конфигурация электрического поля точечного заряда. 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 - 10-14с 10-15с. Экспериментальная оценка верхнего предела временной дисперсии: от (4±2) пс до n·100 пс.

Вторичные электроны Исследуемый пучок Фольга Мишень Сигнал ВН и ВЧ Исследуемый пучок 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. 203-211) Продольная модуляция

Исследуемый пучок Изображение сгустка ВЧ развертка e e ВН Фокусировка Экран Мишень Первое предложение по использованию поперечной модуляции вторичных низкоэнергетических электронов относится к началу 60-х годов(А.С. 174281 СССР, МКИ H05h7/00. Устройство для измерения ширины фазового сгустка электронов, ускоренных в ускорителе / И.А. Прудников, В.А. Вьялицын, И.Р. Рябухов)

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

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

К вопросу о нахождении фазового разрешения Смещение электронов в плоскости выходного коллиматора: Фазовое разрешение где ΔZL– размер пучка на полувысоте в случае сгустка в виде -функции , Zmax– максимальное отклонение электрона в плоскости выходного коллиматора. На практике используется выражение: где ΔZ0 – 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)

5 4 e 3б 3а 2 1 Исследуемый пучок -10 кВ Анализатор фазового спектра 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 • Анализатор фазового спектра (BSM)-базовый детектор • Анализатор фазового спектра для ионов Н-минус • Измеритель длительности сгустков и скорости пучка (BLVD) • Измеритель трехмерного распределения частиц в сгустках (3D-BSM)

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

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

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) 1 7 6 5 2 3 8 4 Вертикальное перемещение Сигнал y Пучок эле ктронов x Горизонтальрное Исследуемый переме щение пучок U m - + w + j - D V sin( t ) V 2 foc x 30 каналов z U m - - w + j + D V sin( t ) V 2 foc

Фотография детектора 3D-BSM

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПУЧКА В ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЯХ ИОНОВ • 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

Поведение микроструктуры пучка в течение импульса на ускорителе SNS (первый резонатор структуры CCL) при токе 15 мА BSM109 BSM107 BSM111 107.1МэВ 86.8 МэВ BSM107 BSM109 BSM111

86.8 МэВ BSM107 BSM109 BSM111 Поведение микроструктуры пучка в течение импульса на ускорителе SNS (первый резонатор структуры CCL) при токе 30 мА BSM111 BSM107 BSM109 107.1МэВ

Δβ/β Δβ/β Δβ/β 0,006 0,003 0 -0,003 -0,006 0 π/8 -π/8 π/8 0 -π/8 π/8 -π/8 0 I I I -π/8 π/8 0 0 -π/8 π/8 π/8 -π/8 0 E=1,04E0 E=1,02E0 E=E0 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 вблизи амплитуды поля, соответствующей экстремуму функций Im(E) и Ф(E). Фазовые спектры при разных амплитудах ускоряющего поля. Зависимости Im(E) и Ф(E) вблизи уровня поля, соответствующего экстремуму, для энергии инжекции меньшей номинальной на 1%. Зависимости Im(E) и Ф(E) вблизи уровня поля, соответствующего экстремуму, для номинальной энергии инжекции.

E=0 E=0,7E0 E=1,3E0 φ° φ° φ° Измерение продольного эмиттанса на выходе начальной части ЛУ ММФ (100 МэВ). Согласование по продольному движению. Измерение фазовых спектров при определении продольного эмиттанса. Δp/p Δp/p Δp/p Энергетический спектр на выходе начальной части ЛУ ММФ. Δψ Δψ Продольный фазовый эллипс на выходе четвертого резонатора. Продольный фазовый эллипс на выходе пятого резонатора (1) и на входе основной части ускорителя (2).

Измеритель профиля BLVD Согласующая секция Измерение продольного эмиттанса на участке промежуточного вывода ЛУ ММФ (160 МэВ) 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 Эмиттансы по основанию для разных уровней отсечки сигналов Среднеквадратичные эмиттансы для разных уровней отсечки сигналов

в) б) % 1 100 % Восстановленный 100 1 Восст. с фоном 98 98 0,1 0,1 Измеренный 96 94 0,01 96 Фаза, град (427,6 МГц) 0,01 92 Н-минус 0,001 200 100 150 50 0 Протоны 94 200 150 0 100 50 Интервал фаз, град (427,6 МГц) 0,001 92 а) 1,0 0,0001 90 Зависимость интенсивности электронов после выходного коллиматора от смещения пучка. k=50 0,8 200 150 0 50 100 45 60 15 30 75 90 0 0,6 Интервал фаз, град Фаза, град (432 МГц) k=10 0,4 k=1 0,2 100 0 150 200 50 Фаза, град (427,6 МГц) Исследования продольного ореола сгустков Измерение продольного ореола на ускорителе SSC-RFQ (2,5 МэВ) Измерение продольного ореола на ускорителе JHP-RFQ (3,0 МэВ)

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

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

Для полного описания пучка нужна 6-мерная функция + время

Для полного описания пучка нужна 6-мерная функция + время

Presentation Transcript