Развитие оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Журавлев, Андрей Николаевич

• Журавлев, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Журавлев, Андрей Николаевич

Введение.

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА КОМПЛЕКСЕ.

ВЭПП-4М.

1.1. Основные параметры комплекса ВЭПП-4.

1.2. Синхротронное излучение на комплексе ВЭПП-4М.

ПРИБОРЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ, ПРИМЕНЯЕМЕ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4М.

2.1. ПЗС-камера.

2.1.1. Измерение чувствительности камеры.

2.1.2. Насыщение. Динамический и линейный диапазоны.

2.1.3. Регулировка коэффициента усиления.

2.1.4: Использование параметров «усиление» и «смещение».

2.1.5. Зависимость амплитуды шума,от времени накопления.

2.2. Многоанодный ФЭУ.

2.2.1. Принцип работы

2.2.2. Выбор рабочей точки.

2.2.3. Измерение относительной чувствительности анодов.

2.3. Фотодиод.

2.4. Многоточечная камера-обскура.

2.4Л.Принцип действия диагностики.

2.4.2. Точность измерений.

2.4.3. Ограничения на энергию ускорителя.

РЕАЛИЗОВАННЫЕ МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ НА КОМПЛЕКСЕ ВЭПП-4М.

3.1. Положение и размеры пучка. Динамика положения и размеров пучка.

3.1.1. Медленные измерения положения и размеров пучка с помощью ПЗС-камеры.

3.1.1.1. Горизонтальный и вертикальный размеры пучков.

3.1.1.2. Применение ПЗС-камеры для настройки коллайдера.

3.1.2. Быстрые измерения положения и размера пучка с помощью многоанодного ФЭУ.

3.1.2.1. Электростатический удар.

3.1.2.3. Эффекты встречи.

3.1.2.4. Прохождение через резонанс.

3.1.3. Система контроля положения пучка.

3.2. Измерение частот колебаний пучка.

3.2.1. Измерение бетатронных частот.

3.2.2. Измерение синхротронной частоты. Мониторинг фазовых колебаний.

3.213. Измерение спектра низкочастотных колебаний пучка.

3.3.1. Измерение энергетического разброса по боковым сателлитам спектра бетатронных колебаний.

3.3.2. Хроматическая зависимость огибающей бетатронных колебаний пучка.

3.3.3. Прямое сравнение методов измерения энергетического разброса на комплексе ВЭПП-4М.

3.4. Ток пучка. Динамическая апертура.

314.1. Метод искусственного ограничения-апертуры.

3.4.2. Зависимость динамической апертуры от хроматизма.

3.4.3. Измерения динамической апертуры при помощи быстрого удара по пучку.•.

3.4.4. Измерение динамической апертуры при встречных пучках .,.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М»

Циклические ускорители, на данный момент, являются основными поставщиками результатов для физики элементарных частиц. Ускорители покрывают широкий диапазон энергии от сотен МэВ до сотен ГэВ. Нельзя не упомянуть накопители, используемые как источники СИ, где не нужны сверхвысокие энергии. Эти машины находят применение в различных областях научной и прикладной деятельности. С каждым годом таких установок становится все больше и больше.

Диагностика пучка - существенная составляющая любого ускорителя. Эти системы - наши органы чувств, которые позволяют исследовать свойства и поведение пучка в ускорителе Развитие диагностических методов позволяет увеличивать точность определения параметров пучка, оптимизировать режимы работы установки и получать востребованные и конкурентоспособные экспериментальные результаты. Здесь уместно высказывание: ускоритель хорош настолько, насколько хороша его диагностика.

Развитая диагностическая система абсолютно необходима для успешной работы любого ускорителя. Для рутинной эксплуатации установки требуется знать текущие основные параметры пучка, причем желательно при получении этих параметров не изменить характеристики пучка. Большое время жизни является важным условием проведения экспериментов со встречными пучками, поэтому применение методов диагностики, приводящих к возмущению частиц в пучке или к полной их потере, зачастую практически исключено. Привлекательность оптической диагностики, использующей СИ, заключается в том, что она не оказывает никакого воздействия на объект исследования, т.е. является неразрушающим типом диагностики. Именно поэтому оптическая диагностика является очень востребованным способом получения необходимой информации о пучках заряженных частиц в ускорителях электронов и позитронов.

Для диагностических целей свет выводится из ускорителя и транспортируется к измерительному оборудованию посредством различных оптических элементов: окон, зеркал, линз и волоконных световодов. Приемниками являются телекамеры, приборы с зарядовой-связью, фотодиоды, фотоумножители и другие оптические детекторы.

Применять оптическую диагностику начинают с первых же секунд работы ускорителя с пучком (проводка пучка по каналу или кольцу) и непрерывно используют в процессе работы ускорителя в рутинных измерениях основных параметров пучка. Полученная информация очевидна и очень полезна, например, можно следить за изменениями размеров пучка, током пучка, энергией и энергетическим разбросом пучка, можно измерять синхротронную и бетатронные частоты, поперечные профили пучка, длину сгустка.

Еще в первых работах по изучению свойств синхротронного излучения делались прогнозы по использованию СИ для измерений параметров пучка-заряженных частиц [1], [2]'. Особенно востребованной оптическая диагностика стала с появлением ускорителей со встречными, пучками, когда для успешной эксплуатации установки понадобились системы непрерывного наблюдения и измерения параметров пучка.

В Институте ядерной физики им. Будкера, являющемся пионером в области ускорителей со встречными пучками, первые системы оптической диагностики были предложены Э.И.Зининым еще в шестидесятые годы прошлого века на первом в ИЯФе ускорителе на встречных пучках ВЭП-1

3]. Уже в то время был зарегистрирован отдельный электрон на орбите ВЭП-1, были измерены продольный и поперечные размеры сгустка, а также осуществлена абсолютная калибровка системы измерения тока пучка по синхротронному излучению. По мере развития ускорительных установок (с ВЭП-1 до ВЭПП-4М) оптическая диагностика развивалась, дополнялась, оптимизировалась. Реализованный в то время метод измерения продольного размера пучка с помощью ф-диссектора до сих пор активно используются как на ВЭПП-3, так и на ВЭПП-4М. Данный прибор продемонстрировал поразительную долговечность и надежность в работе.

В последнее время на комплексе ВЭПП-4 стали появляться новые приборы оптической диагностики, разработанные и созданные в Институте ядерной физики. В 2001 году появились ПЗС-камеры, которые-позволили измерять положение и поперечные размеры пучка в непрерывном режиме

4]. В 2003 году на комплексе стали использовать пооборотный профилометр [5-8]. Уникальные свойства прибора позволяют применять его не только в рутинных измерениях параметров пучка, но и в разнообразных научных экспериментах по ускорительной физике [9-11]. В 2006 году для точного измерения времени жизни пучка в широком динамическом диапазоне по току на комплексе ВЭПП-4 внедрили фотодиод [12]. В 2008 году заработала многоточечная камера-обскура, которая позволяет контролировать положение пучка в экспериментальном промежутке [13].

В основу диссертации положена разработка новых приборов и методов оптической диагностики для измерения основных параметров пучков заряженных частиц в накопителях с использованием синхротронного излучения (СИ), а также эксперименты, где эти диагностики применялись. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Журавлев, Андрей Николаевич

Основные результаты опубликованы в научных журналах [5, 9, 10, 15, 16, 17, 24, 39] и препринтах ИЯФ [6, 41], а также докладывались как на российских ускорительных конференциях RUPAC'04 [22], RUPAC'06 [37], RUPAC'08 [13, 14], так и на международных конференциях DIPAC'05 [8], DIPAC07 [12, 35], ЕР АС'04 [7, 21, 23], ЕРАС'06 [18, 38], ЕРАС'08 [40, 44], АРАС'07 [36], РАС'09 [11].

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям Мешкову Олегу Игоревичу и Мучному Николаю Юрьевичу, совместная работа с которыми во многом предопределила результаты, представленные в данной диссертации. Автор также признателен сотрудникам лабораторий 6 и 9 ИЯФ СО РАН, и лично Федотову Михаилу Геннадьевичу, Хильченко Александру Дмитриевичу, Зубареву Петру Васильевичу за непосредственное участие в создании приборов, описанных в данной диссертации. За совместное проведение научных экспериментов и обсуждение результатов автор выражает признательность всем сотрудникам лаборатории 1-3 и сектору 1-31, и лично Богомягкову Антону Викторовичу, Глухову Сергею Александровичу, Карнаеву Сергею Евгеньевичу, Киселеву Владимиру Афанасьевичу, Никитину Сергею Алексеевичу, Пиминову Павлу Алексеевичу, Симонову Евгению Анатольевичу, Синяткину Сергею Викторовичу, Смалюку Виктору Васильевичу, Старостиной Елене Валерьевне, Шатилову Дмитрию Николаевичу. Отдельно свою искреннюю признательность за постоянный интерес и поддержку в работе над диссертацией автор выражает Левичеву Евгению Борисовичу.

Заключение

В данной диссертации отражены результаты работы по модернизации системы оптической диагностики пучков заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4М, которая позволила проводить не только рутинные измерения основных параметров пучков, но и значительно расширила возможности исследований по физике ускорителей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Журавлев, Андрей Николаевич, 2009 год

1. А.А.Соколов, И.М.Тернов «Синхротронное излучение», НАУКА, Москва 1966.

2. Г.Н. Кулипанов, А. Н. Скринский. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы, УФН, т. 122, вып.З.

3. Э. И. Зинин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера, 1984.

4. M.G. Fedotov, D.S. Filimonov, S.E.Kaniaev, V.A.Kiselev, O.I. Meslikov, N.Yu.Muchnoi, A.N.Selivanov. Transverse beam profile measurement at the VEPP-4M collider. Proceedings of EPAC 2002, p.2040, 2002.

5. A. V. Bogomyagkov, V. F. Gurko, A. N. Zhuravlev, P. V. Zubarev, V. A. Kiselev, O.I. Meshkov, N. Yu. Muchnoi, A. N. Selivanov, V. V. Smalnk. New fast beam profile monitor for electron-positron colliders. Rev. Sci. Instrum. 78, 043305 (2007).

6. В.Ф. Гурко, A.H. Журавлев, П.В. Зубарев, A.H. Квашнин, B.A. Киселев, О.И. Мешков, Н.Ю. Мучной, А.Д. Хильченко « Многоанодный ФЭУ для оптической диагностики пучка на коллайдере ВЭШТ-4М.» Препринт ИЯФ 2004-81, Новосибирск 2004.

7. О. I. Meslikov, A.V. Bogomyagkov, F. Gurko, A. N. Zhuravlev, P. V. Zubarev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, N. A. Selivanov, A. D. Khilchenko «Application of the beam profile monitor for VEPP-4M tuning», DIP AC 2005, Lyon, France

8. S. Glukhov, V. Kiselev, Е. Levichev, О. Meshkov, S. Nikitin, I. Nikolaev, P. Piminov, A. Zhuravlev. «Study of beam dynamics during crossing of resonance in the VEPP-4M storage ring.» Beam Dynamics Newsletter, No. 48, April 2009.

9. Pavel Piminov, Sergey Glukhov, Evgeny Levichev, Oleg I. Meshkov, Sergei Nikitin, Ivan Nikolaev, Andrey N. Zhuravlev «Study of Beam Dynamics during the Crossing of the Third-Order Resonance at VEPP-4M», Proceedings of PAC09, Vancouver, 2009

10. O.I. Meshkov, A.N. Zhuravlev, « Multi-Pinhole Camera for Beam Position and Vertical Angle Stabilization.», Proceedings of RUPAC08, Zvenigorod, 2008.

11. V.Smaluk for the VEPP-4 team, «Status of VEPP-4M Collider at BINP», Proc. of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia

12. В.В.Анашин, В.М.Аульченко, Е.М.Балдин, А.К.Барладян,

13. A.Ю.Барняков, М.Ю.Барняков, С.Е.Бару, И.В.Бедный, О.Л.Белобородова, А.Е.Блинов, В.Е.Блинов, А.В.Бобров,

14. B.С.Бобровников, А.В.Богомягков, А.Е.Бондарь, Д.В.Бондарев,

15. A.Р.Бузыкаев, А.И.Воробьев, В.В.Гулевич, Ю.М.Глуховченко,

16. B.Н.Жилич, А.Н.Журавлев, С.Е.Карнаев, Г.В.Карпов, С.В.Карпов, В.А.Киселев, Т.А.Козлова, С.А.Кононов, К.Ю.Котов, Е.А.Кравченко, В.Ф.Куликов, Г.Я.Куркин, Э.А.Купер, Е.Б.Левичев, Д.А.Максимов,

17. B.М.Малышев, А.Л.Масленников, А.С.Медведко, О.И.Мешков,

18. C.И.Мишнев, И.И.Морозов, Н.Ю.Мучной, В.В.Нейфельд, С.А.Никитин, И.Б.Николаев, И.Н.Окунев, А.П.Онучин, С.Б.Орешкин, И.О.Орлов,

19. A.А.Осипов, С.В.Пелеганчук, В.В.Петров, С.С.Петросян,

20. C.Г.Пивоваров, П.А.Пиминов, А.О.Полуэктов, И.Н.Попков, Г.Е.Поспелов, В.Г.Присекин, А.А.Рубан, Г.А.Савинов, В.К.Сандырев, Е.А.Симонов, С.В.Синяткин, Ю.И.Сковпень, А. Н. Скринский,

21. N.Yu. Muchnoi, S.A. Nikitin, V.N. Zhilich, «Fast and Precise Beam Energy Monitor Based on the Compton Backscattering at the VEPP-4M Collider.», Proc. of EPAC 2006, Edinburgh, UK

22. Синхротронное излучение. (Сборник статей, под ред. А.А.Соколова и И.М.Тернова, М. «НАУКА», 1966)

23. В.В.Бажанова, Е.А.Переведенцев и Ю.И.Эйдельман, «Кое-что про неисчерпаемый электрон», Сибирский физический журнал. 1997, №1, с. 12-20.

24. O.I.Meshkov, A.N.Zliuravlev, E.V.Kremyanskaya, E.B.Levichev, N.Yu.Muchnoi, Yu.A.Pakhotin, N. A. Selivanov, M.G.Fedotov, «Study of beam tails with the optical coronagraph», EPAC 2004, Lucerne, Switzerland

25. O.I.Meshkov, V.F.Gurko, A.N.Zliuravlev, E.LZinin, P.V.Zubarev, N.Yu.Muchnoi, Yu.A.Pahotin, A.N. Selivanov, M.G.Fedotov, A.D.Khilchenko, «Optical diagnostic of the VEPP-4M collider», RuPAC XIX, Dubna 2004.

26. O.I.Meshkov, V.F.Gurko, A.N.Zliuravlev, E.I.Zinin, P.V.Zubarev, N.Yu.Muchnoi, Yu.A.Pahotin, A.N. Selivanov, M.G.Fedotov, A.D.Khilchenko, «The upgraded optical diagnostic of the VEPP-4M collider», EPAC 2004, Lucerne, Switzerland

27. C.A.Thomas, G.Rehm, «An X-RAY pinhole camera system for DIAMOND», Proceedings of DIP AC 2005, Lyon, France

28. C.Lamborg, J.Safranek, P.Stafan «А pinhole camera for SPEAR 2», Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria

29. С. Pellegrini, А,М. Sessler. «Crossing of an incoherent integral resonance in the electron ring accelerator», NIM 84 (1970) pp. 109-116.

30. A. Chao, M. Month. «Particle trapping during passage through a high-order nonlinear resonance», NIM 121 (1974) pp. 129-138.

31. G.N.Kulipanov, S.Popov, G.Tumaikin. «Experimental study of particles loss in circular accelerator due to the nonlinear resonance passage», Proc. of Ail-Union workshop on particle accelerators, 1968, pp. 374-378.

32. S.Y.Lee, "Emittance dilution in resonance crossing of FFAG accelerators", ICFA Beam Dyn.Newslett.43, 2007, 51-53.

33. T. Nakamura et al. «Chromaticity for energy spread measurement and for cure of transverse multi-bunch instability in the SPRING-8 storage ring.» Proceed. Of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, p. 19721974.

34. V. V. Smaluk. PhD thesis (in Russian).

35. H.A. Винокуров, B.H. Корчуганов, Г.Н. Кулипанов, E.A. Переведенцев. «Влияние хроматичности и кубической нелинейности на кинематику бетатронных колебаний» Препринт ИЯФ СО АН СССР 76-87. Новосибирск, 1976.

36. V.V. Zhilich, А. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, V.V. Smaluk, S.V. Sinyatkin. «Direct comparison of the methods of beam energy spread determination in the VEPP-4M collider.» Proceedings of DIPAC'07, Venice, Italy, 2007

37. V.A.Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I.Meshkov, V.V.Smaluk, V.N.Zhilich, A.N.Zhuravlev, «Comparison of the methods for beam energy spread measurement at the VEPP-4M», Proc. of the APAC*2007, Indore, India, January 29 February 2, 2007

38. V.Kiselev, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, A.N. Zhuravlev, «Beam Energy Spread Measurement at the VEPP-4M Electron-positron Collider», RuPAC 2006, Novosibirsk, September 10-14

39. О. I. Meshkov, V. F. Gurko, A. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, A. N. Selivanov, V. V. Smaluk, A. D. Khilchenko, «Study of beam energy spread at the VEPP-4M», EPAC 2006, Edinburgh, Scotland

40. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich and A.N. Zhuravlev, «Beam energy spread measurement at the VEPP-4M Electron-Positron Collider», JINST (Journal of Instrumentation) PUBLISHED: June 8, 2007

41. О. I. Meshkov, V.V. Zhilich, A. N. Zhuravlev, V. A. Kiselev, N. Yu. Muchnoi, V.V. Smaluk, S. V. Sinyatkin, «Development of the methods of beam energy spread determination in the VEPP-4M collider», EPAC 2008, Genoa, Italy

42. V.A. Kiselev, N.Yu. Muchnoi, O.I. Meshkov, V.V. Smaluk, V.N. Zhilich, A.N. Zhuravlev «Beam Energy Spread Measurement at the VEPP-4M Electron-Positron Collider» Препринт, Budker INP 200.6-57, Novosibirsk 2006.

43. V. Kiselev, E. Levichev, V. Sajaev, V. Smaluk. Dynamic aperture study at the VEPP-4M storage ring. Proc. of the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, 1997.

44. B. Simon, P. Kuske. The dynamic aperture of BESSY. 2nd Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop, 1988.

45. V.A. Kiselev, E.B.Levichev, O.I. Meshkov, P.A. Piminov, D.N. Shatilov, V.V. Smaluk, A.N.Zhuravlev, «The VEPP-4 dynamic aperture determination with beam-beam effects» EPAC 2008, Genoa, Italy

46. J. Le Duff. Single and multiple Touschek effects. CAS, Fifth Advanced Accelerator Physics Course, CERN 95-06, Geneva, 1995, pp. 573-586