Метод выпуска пучка из синхротрона с помощью многослойного медно-железного экрана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Бондаренко, Алексей Владимирович

• Бондаренко, Алексей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бондаренко, Алексей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ВЫПУСКА ПУЧКА ИЗ ЦИКЛИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЕЙ.

1.1. однооборотная экстракция пучка из синхротрона.

1.2. Импульсный септум.

1.3. Септум Ламбертсона.

ГЛАВА 2. СХЕМА ВЫПУСКА ПУЧКА ЧЕРЕЗ МАГНИТНЫЙ ЭКРАН.

2.1. Основные проблемы.

2.2. Проникновение магнитного поля в многослойный медно-железный экран.

2.3. Многослойный медно-железный экран.

2.4. Возмущение поля многослойным медно-железным экраном.

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Измерения возмущения поля магнитным экраном.

3.1.1. Описание оборудования.

3.1.2. Калибровка измерительной катушки.

3.1.3. ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОЛЯ.

3.1.4. Измерение возмущения поля.

3.2. Измерение магнитной проницаемости материала экрана.

3.3. Сравнение измерений и численных расчётов.

ГЛАВА 4. ПРОЕКТ ЭКСТРАКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ЭНЕРГИИ 2.2 ГЭВ.

4.1. Проект бустера в будущем источнике СИ в Новосибирске.

4.2. Вертикальный выпуск пучка из бустера в накопитель.

4.3. кикер.

4.4. возмущение поля магнитным экраном.

4.4.1. ВОЗМУЩЕНИЕ ПОЛЯ ЭКРАНОМ НА КРАЯХ ДИПОЛЯ.

4.5. Возмущения магнитного поля токами, индуцированными в вакуумной камере

4.5.1. Расчет допустимой толщины стенок цилиндрической вакуумной камеры.

4.5.2. Возмущение переменного однородного магнитного поля цилиндрической вакуумной камерой.

4.5.3. ВОЗМУЩЕНИЕ ПОЛЯ КАМЕРОЙ РАЗМЕЩЕННОЙ В ДИПОЛЕ.

4.6. Оценка влияния возмущения поля.

4.6.1. Влияние дополнительного угла.

4.6.2. ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ФОКУСИРОВКИ.

4.6.3. влияние секступольного члена возмущения поля.

4.6.4. влияние удлинения орбиты.

4.7. численное моделирование динамики пучка под влиянием возмущения поля

4.8. тепловой расчет многослойного экрана.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод выпуска пучка из синхротрона с помощью многослойного медно-железного экрана»

Задача вывода пучка из циклического ускорителя появилась в 1931 году вместе с первым ускорителем такого типа — циклотроном. С тех пор возникло множество видов циклических ускорителей и, соответственно, различных схем и способов вывода пучка из них.

В современных синхротронах используют один из двух следующих способов: либо производят медленный выпуск на резонансах 3-го или 4-го порядка, либо осуществляется однооборотная экстракция с использованием кикера и септум-магнита. Физическая идея септума состоит в создании сильного магнитного поля, отделенного от орбиты синхротрона стенкой — "ножом септума". Кикер — это быстрый магнит, который изменяет положение траектории пучка относительно ножа септума за время, меньшее, чем период оборота частиц в ускорителе. При включенном кикере пучок отклоняется магнитным полем в септуме и уходит в экстракционный канал. Поля кикера, как правило, недостаточно, чтобы сообщить пучку значительное отклонение, а размещение септума около равновесной орбиты синхротрона приводит к уменьшению апертуры ускорителя. Поэтому перед экстракцией орбиту приближают к ножу септума несколькими импульсными диполями. Существует два типа септум-магнитов. Первый тип — это импульсные септумы, в них нож септума состоит из проводника, магнитное поле параллельно ножу и экранирование поля ножом происходит за счет скин-эффекта. Основным недостатком таких септумов является большая потребляемая мощность и необходимость размещения импульсного септума внутри вакуумной камеры. Септумы второго типа называются септумами Ламбертсона, в них магнитное поле направлено перпендикулярно ножу септума, который состоит из ферромагнетика. К недостаткам септума Ламбертсона можно отнести вес необходимого магнитопровода и сравнительно большие размеры всей экстракционной системы.

В данной работе предлагается и обсуждается новая однооборотная схема выпуска пучка из синхротрона с использованием многослойных медно-железных экранов вместо септум-магнита. Экраны размещаются в двух центральных диполях импульсного байпаса. Такая схема выпуска технически проще и компактнее общепринятой схемы.

Цель работы — разработка схемы выпуска пучка из циклического ускорителя через магнитный экран, анализ и минимизация влияния системы экстракции на циркулирующий пучок. Основной эффект, вызываемый влиянием экстракционного байпаса, - это уменьшение эффективности выпуска за счет возмущения поля в зазоре магнитов байпаса магнитным экраном и вакуумными камерами.

Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на научных конференциях [1], [2] и [3], а также на конкурсах молодых специалистов и семинарах Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Основные результаты опубликованы в работах [4], [5] и [6].

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Бондаренко, Алексей Владимирович

Заключение

Ниже перечислены основные выводы и результаты работы:

1. Предложена новая схема выпуска пучка из синхротрона с использованием многослойного медно-железного экрана. К преимуществам схемы относится техническая простота.

2. Система выпуска через многослойный медно-железный экран более компактна по сравнению с другими схемами выпуска, в которых используется импульсный байпас.

3. С помощью численного моделирования, а также аналитически на одномерной модели, было показано, что скорость проникновения магнитного потока в стенки многослойного медно-железного экрана постоянна при постоянной скорости увеличения внешнего поля. Подобрав эту скорость, можно минимизировать возмущение поля, создаваемое многослойным медно-железным экраном.

4. Была рассмотрена вертикальная схема выпуска через магнитный экран, так как в этом случае требуется меньший заброс кикером по сравнению с горизонтальной схемой выпуска.

5. Для питания экстракционного байпаса подходит импульсный генератор с линейной или настраиваемой формой нарастания импульса. Если использовать генератор с синусоидальным импульсом, то выпуск необходимо проводить в первую четверть полупериода синусоидального импульса.

6. Создан прототип круглого трубчатого многослойного экрана и проведены расчеты и измерения возмущения поля таким экраном. Измерения подтверждают правильность методов, использованных для расчетов возмущения поля.

7. Результаты измерений возмущения поля многослойным экраном в краевых полях магнита совпадают с результатами моделирования в двумерном приближении.

8. В экстракционном байпасе целесообразно использовать круглые вакуумные камеры. Скорость увеличения поля в диполях байпаса составляет 0.45 Тл за 1.5 мс, но влияние возмущения поля вакуумными камерами на циркулирующий пучок мало, так как импульсные магниты составлены в байпас и влияние вакуумных камер в средних и крайних магнитах компенсировано.

9. Проведенные расчеты возмущения поля многослойным медно-железным экраном в диполях экстракционного байпаса и полученные оценки влияния этого возмущения на динамику пучка в циклическом ускорителе подтверждают возможность использования такой схемы для выпуска пучка из синхротрона.

Из вышеизложенного важнейшими результатами являются 1, 3, 6 и 9.

В заключение хотелось бы выразить искреннюю благодарность Геннадию Николаевичу Кулипанову, Николаю Александровичу Винокурову и Сергею Владимировичу Мигинскому за плодотворное обсуждение материалов диссертации и высказанные ценные замечания; Владимиру Афанасьевичу Киселеву, Геннадию Афанасьевичу Белякову, Борису Алексеевичу Гудкову, Николаю Николаевичу Пономареву, Федору Федоровичу Бацелю, Михаилу Алексеевичу Щеглову и Евгению Ивановичу Колобанову, а таюке всему коллективу лаборатории 8-1 за помощь в подготовке и проведении экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бондаренко, Алексей Владимирович, 2010 год

1. A.V. Bondarenko, N.A Vinokurov. A new beam extraction scheme from a synchrotron using a magnetic shield as a septum. XXIth Russian Conference on Charged Particle Accelerators RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, 28 Sep 14 Oct, 2008.

2. A.V. Bondarenko, N.A Vinokurov. Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield. XVIIth International Synchrotron Radiation Conference SR-2008, Novosibirsk, Russia, 15-20 June 2008.

3. A.V. Bondarenko, N.A. Vinokurov. Beam extraction from a synchrotron through a magnetic shield. Nuclear Inst, and Methods in Physics Research, A 603 (2009), pp. 10-12

4. A.B. Бондаренко, H.A. Винокуров, C.B. Мигинский. Схема экстракции пучка для бустера новосибирского источника синхротронного излучения. Вестник НГУ 4 (2009), вып. 1, 43-46.

5. А.В. Бондаренко, Н.А. Винокуров, С.В. Мигинский. Выпуск пучка из синхротрона через магнитный экран: магнитные измерения и расчёт эффективности. Вестник НГУ 4 (2009), вып. 2, 40-46.

6. А.А. Коломенский, А.Н. Лебедев. Теория циклических ускорителей. М., Физматгиз, 1962.

7. С.П. Капица, В.Н. Мелехин. Микротрон. М., «Наука», 1969.

8. A.W. Chao, М. Tigner. Handbook of accelerator physics and engineering. Singapore: World Scientific, 1999.

9. Г.И. Будкер, А.А. Наумов и др. Работы по сильноточным ускорителям ИЯФ СО АН СССР. Международная конференция по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1963.

10. К. Wille. The Physics of Particle Accelerators an introduction. New York: Oxford university press, 2000.

11. M. Gu, Z. Chen, L. Oyang, et al. Proceedings of EPAC 08, Pulsed magnet systems for the SSRF injection and extraction, Geneva, Italy, p.2175-2176.

12. L. Oyang, M. Gu, B. Liu, et al. Proceedings of EPAC 08, Eddy current septum magnets for booster injection and extraction, and storage ring injection at SSRF, Geneva, Italy, p.2177-2179.14. http://www.comsol.com/

13. B.K. Kang, J.E. Milburn. Scaling law for diffused magnetic field in an addy current passive copper septum magnet. NIM A, 1996, volume 385, issue 1, p. 6-12.

14. JI.H. Бондаренко. Диссертация к.ф.-м. н. Импульсный однооборотный выпуск пучка электронов с энергией 50 МэВ из синхротрона Б2С ИЯФ СО АН СССР. Новосибирск. 1963.

15. JI.M. Бреховских. Волны в слоистых средах. Москва: Издательство академии наук, 1957.

16. J. Rossbach, P. Schmuser. Basic course on accelerator optics.

17. S.Y. Lee, Accelerator Physic. World Scientific, Singapore, 1999.

18. Данные предоставлены Киселевым Владимиром Афанасьевичем.

19. И.В. Казарезов, А.Ф. Серов, ., В.Д. Юдин. Мощный импульсный источник на тиристорах для питания электрофизических установок. Препринт ИЯФ №84-1 2, Новосибирск, 1984.

20. В.В. Каргальцев, Э.А. Купер. Блок для измерения импульсных параметров БИИП-4 "Ц0640". Препринт ИЯФ №82-48, Новосибирск, 1982.

21. Г.С.Пискунов, С.В. Тарарышкин. Двадцатичетырехразрядная

22. ЭВМ в стандарте КАМАК. Автометрия, 1986, №4, с.32-38.

23. E.I. Antokhin, G.N. Kulipanov, N.A. Mezentsev, et al. The project of a new source for the Siberian Synchrotron Radiation Center. NIM A, 2009, volume 603, issues 1+2, p. 1-3.

24. S.V. Miginsky. New quadratures with local error estimation and two strategies of step control in calculation of definite integrals. Preprint Budker INP №01-18, Novosibirsk, 2001.

25. A.C. Вольмир. Устойчивость упругих систем, Москва, государственное издательство физико-математической литературы, 1963.

26. J. Li, S.F. Mikhailov, S. Huang, et al. Proceedings of РАС 07, Compensation of the beam dynamics effects caused by the extraction Lambertson septum of the HIGS booster, Albuquerque, USA, p.3582-3584.

27. J. Cerino, M. Baltay, R. Boyce, et al. Proceedings of РАС 91, Extraction septum magnet for the SSRL SPEAR injector, San Francisco, USA, p.2328-2330.

28. R.D. Rush, Proceedings of Nonlinear Dynamics Aspects of Particle Accelerators, Single particle dynamics and nonlinear resonances in circular accelerators, Sardinia, 1985, p.37-63.

29. Д.В. Пестриков, Нелинейные эффекты в динамике циркулирующих пучков. НГУ, 2002.