Министерство общего и профессионального образования

Разработка и создание измерителей формы сгустков для линейного ускорителя Linac-4 ЦЕРН и исследование продольного движения в ускорителе.

Объектом исследования является диагностика параметров продольного движения в линейных резонансных ускорителях.

Цель работы — разработка, создание измерителей продольного распределения заряда в сгустках для ускорителя Linac-4 ЦЕРН. Линейный ускоритель Linac-4 сооружается в ЦЕРН в рамках программ мы модернизации Большого адронного коллайдера.

К настоящему времени для ускорителя Linac-4 разработано и создано два измерителя формы сгустков, близких по параметрам, но различающихся апертурой и, следовательно, механическим исполнением. Оба измерителя имеют фазовое разрешение около 1 градуса на частоте 352,2 МГц, что эквивалентно временному разрешению лучше 10 пикосекунд при импульсных токах пучка десятки миллиампер.

Первый измеритель был разработан, изготовлен, поставлен и испытан на пучке в период 2009-2013 годов. После его успешных испытаний в 2013 году было принято решение о создании второго детектора с увеличенной апертурой для канала транспортировки из ускорителя Linac-4 в бустер. Работа была начата в конце 2013 года, и летом 2015 года измеритель был поставлен в ЦЕРН. В 2015 году были выполнены сборка, наладка и лабораторные испытания второго измерителя, включая как механику, так и электронику. В 2016 году была выполнена наладка второго измерителя с пучком, продемонстрирована его работоспособность, проведены пробные измерения, оказана помощь в наладке системы контроля. В 2017 году первый измеритель был установлен непосредственно на выходе ускорителя. Второй – на расстоянии примерно 35 м от выхода ускорителя. При проведении монтажных работ работоспособность обоих измерителей была нарушена, поэтому в 2017 году были выполнены работы по восстановлению работоспособности измерителей, а также проведены демонстрационные измерения продольных характеристик.

В настоящее время оба измерителя находятся в работоспособном состоянии, поэтому имеется возможность проводить систематические изучения продольных характеристик, что и было сделано в 2018 году. Кроме того, в настоящее время значительно улучшена стабильность ускоряющих полей в резонаторах, что позволило получать более устойчивые результаты, в том числе и с помощью второго измерителя. Использование двух измерителей дало возможность оценить разброс частиц по энергиям. Впервые продемонстрировано поведение продольных распределений при работе чоппера.

Экспериментальное исследование продольной динамики пучка в линейных резонансных ускорителях является одной из важнейших задач, которые необходимо решать при запуске и настройке ускорителей, особенно ускорителей с высокой интенсивностью пучка. Измерители продольного распределения заряда в сгустках (анализатор формы сгустков, фазовый анализатор, Bunch Shape Monitor) являются уникальными инструментами, которые позволяют непосредственно измерять микроструктуру ускоренного пучка, по которой можно определять и другие характеристики, например продольный эмиттанс, а также параметры ускоряющих полей. Детекторы этого типа были разработаны в ИЯИ РАН и нашли применение в ряде ведущих ускорительных центров (SSC, ЦЕРН, DESY, KEK, SNS, J-PARC, LANSCE). В настоящее время в ИЯИ РАН ведется разработка детекторов для ускорителя тяжелых ионов FRIB (Мичиганский университет, США), ускорителя cw LINAC лаборатории GSI (Дармштадт, Германия), а также для европейского нейтронного источника ESS (Лунд, Швеция). Поскольку тип ускоряемых частиц, параметры пучка и частоты ускоряющих полей на ускорителях различны, то каждый измеритель требует специальной разработки и является уникальным. Для ускорителя Linac-4 ранее в период 2009-2016 годов были созданы два измерителя. Особенностью требований к измерителям для ускорителя Linac-4 являются следующие факторы: тип частиц (отрицательные ионы водорода), широкий диапазон энергии пучка (от 3 МэВ до 160 МэВ), широкий диапазон интенсивностей (импульсный ток до 65 мА), малые габариты первого измерителя, (решение о его использовании было принято уже после определения состава измерительного канала), а также большая (100 мм) апертура второго измерителя.

Основные работы по созданию измерителей были завершены в 2016 году. Были выполнены сборка, наладка, лабораторные испытания, испытания с пучком и проведены измерения характеристик пучка. Измерители устанавливались на ускорителе в нескольких местах. В 2017 году первый измеритель был установлен непосредственно на выходе ускорителя. Второй – на расстоянии примерно 35 м от выхода ускорителя. При проведении монтажных работ работоспособность обоих измерителей была нарушена, поэтому в 2017 году были выполнены работы по восстановлению работоспособности измерителей, а также проведены демонстрационные измерения продольных характеристик.

Влияние чоппера показано на рисунках 1 и 2. Измерения проводились с помощью первого измерителя при токе пучка 10-15мА .

Рис. 1 Пример эволюции продольного распределения в течение импульса тока пучка при работающем чоппере.

Основной сигнал детектора, проинтегрированный по всему фазовому диапазону, пропорционален количеству электронов, эмитированных из мишени и попавших в электронно-оптический канал измерителя.

Этот сигнал пропорционален интенсивности части пучка, пересекающей мишень. При изменении положения пучка, как вертикального так и горизонтального, а также размеров пучка, в том числе и в течение импульса, этот сигнал изменяется, причем чем меньше размеры пучка, тем больше изменения сигнала.

Влияние чоппера проявляется в изрезанности сигнала. Несмотря на полное прерывание пучка, сигнал не спадает до нуля, что обусловлено относительно медленной электроникой измерителя. Быстродействие электроники оптимизировано для получения приемлемых шумов вследствие статистического характера вторичной эмиссии. На результаты измерений продольных характеристик данный эффект не влияет.

Рис. 2. Интегральное по импульсу тока пучка продольное распределение частиц по фазам (слева) и основной сигнал, проинтегрированный по всему фазовому диапазону (справа), отражающий форму импульса тока пучка.

На рисунке 3 демонстрируется поведение продольного распределения в течение импульса тока пучка при увеличении частоты его прерывания. При переходе в режим LHC, когда частота прерывания становится равной частоте обращения частиц в бустере, модуляция вследствие медленности электроники измерителя не наблюдается.

Рис. 3. Демонстрация поведения продольного распределения в течение импульса при увеличении частоты прерывания пучка.

На рисунке 4 показано поведение продольного распределения для импульса длительностью 400 мкс, при которой будет происходить заполнение всех четырех колец бустера. На распределении можно заметить прерывания пучка при переходе в следующее кольцо.

Рис. 4. Демонстрация поведения продольного распределения в течение импульса в режиме инжекции в четыре кольца бустера.

С помощью первого измерителя проведены измерения продольных распределений при регулировании амплитуды ускоряющего поля в последних двух ускоряющих резонаторах PIMS11-12. Интегральные распределения приведены на рис. 5.

Рис. 5. Интегральные распределения при разных амплитудах ускоряющего поля в резонаторах PIMS11-12.

Видно, что происходит существенное изменение фазового положения сгустков, в то время как фазовая протяженность изменяется незначительно. Эффект достаточно очевиден, поскольку оба резонатора «короткие», то есть набег фазы продольных фазовых колебаний в них незначителен, и изменение амплитуды приводит, главным образом, к изменению энергии, и, как следствие, времени пролета до измерителя.

Также измерялись продольные распределения при регулировании фазы ускоряющего поля в PIMS11-12 в широком диапазоне. На рис. 6 показана зависимость фазового положения центра сгустков от фазы в PIMS11-12 при номинальной амплитуде ускоряющего поля. Размах кривой и ее крутизна зависят от величины амплитуды и могут быть использованы для ее определения.

Рис. 6 Зависимость фазового положения сгустков от фазы поля в PIMS11-12.

В процессе исследований на первом измерителе был обнаружен эффект увеличения диапазона измерений по фазам при регулировании тока корректирующего магнита. При регулировании фазы отклоняющего поля в широком диапазоне сгустки наблюдаются дважды на периоде и в случае правильной настройки корректирующего напряжения - с периодичностью 180°. Если фазовая протяженность сгустков превышает 180°, то происходит наложение точек, сдвинутых на половину периода, и результаты искажаются. Это означает ограничение диапазона измерений половиной периода. На рис. 7 показаны распределения, наблюдавшиеся при разных токах в корректирующем магните. Видно, что наблюдается перераспределение интенсивности между четными и нечетными сгустками и, например, при токе 25 мА, второй сгусток полностью отсутствует, что фактически означает расширение диапазона.

0 мА 5 мА

25 мА 50 мА

Рис. 7. Демонстрация расширения диапазона измерений по фазам до полного периода.

Эффект наблюдался при неправильной работе резонаторов PIMS 6,7,11,12 и, к сожалению, измерения не были повторены при их восстановлении. Следует отметить, что данный эффект не зависит от режима работы резонаторов, а обусловлен исключительно измерителем. Объяснения данного эффекта пока не найдено.

Стабильная работа ускорителя в 2018 году позволила провести измерения с помощью второго измерителя.

Некоторые результаты измерений представлены на рис. 8 и 3. Видно, что внутриимпульсная модуляция, невелика и не препятствует измерениям.

Риз. 8. Результаты первого реального измерения с помощью второго измерителя.

Usem=1.25 kV Usem=1.35 kV

Usem=1.5 kV.

Рис. 9. Пример измерений с помощью второго измерителя для разных напряжений питания Usem вторичного электронного умножителя.

Для измерения, выполненного для Usem=1.35 kV, в таблице 1 приведены среднеквадратические размеры сгустков для временного интервала 120÷160 мкс для разных уровней отсечки.

Таблица 1. Среднеквадратическая фазовая протяженность для разных уровней отсечки.

Уровень отсечки, %	Среднеквадратическая фазовая протяженность, град 352.2 МГц
0	19.9
1	16.8
2	15.2
5	12.8
10	10.2
20	8.7
50	5.9

Пренебрегая фазовой протяжённостью на выходе PIMS12 по сравнению с фазовой протяжённостью на втором измерителе, а также влиянием пространственного заряда на дрейфе до второго измерителя (измерения проводились при токе пучка 5,6 мА), можно,

используя соотношение

оценить разброс частиц по импульсу. Так, например, для отсечки 2%, когда среднеквадратический размер сгустка составляет 15,2°, среднеквадратический разброс по импульсу равен 7,3·10-4. Следует отметить, что по результатам численного моделирования, выполненного для номинального тока 62,5 мА, среднеквадратический разброс составляет 6,7·10-4.

Необходимо отметить значительное улучшение внутриимпульсной стабильности ускоряющих полей в ускорителе по сравнению с измерениями, выполненными в 2017 году. Для сравнения на рис. 10 показаны осциллограммы поля в резонаторе DTL3 в 2017 и 2018 годах.

Июнь 2017 Апрель 2018

Рис. 10 Осциллограммы поля в резонаторе DTL3.

Эффект внутриимпульсной нестабильности, наблюдавшийся в 2017 году, демонстрируется на рис11. Основной наблюдаемый эффект – внутриимпульсная модуляция фазового положения сгустков и, как следствие, искажение интегрального продольного распределения.

Рис. 11. Демонстрация эффекта от внутриимпульсных нестабильностей ускоряющих полей.

Единственным участником проекта от России является Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН).

Результатом работы российской группы в 2018 году явились систематические исследования продольных характеристик ускоренного пучка с помощью двух измерителей формы сгустков, установленных на выходе ускорителя Linac-4. Результаты измерений позволяют оценить качество настройки продольного движения в ускорителе, работу систем стабилизации амплитуд и фаз ускоряющих полей. Весь объем перечисленных работ был выполнен совместно сотрудниками ИЯИ РАН и ЦЕРН.

Таким образом, в результате выполнения этапа выполнены систематические исследования продольных характеристик пучка на выходе ускорителя Linac-4. Проведеныt измерения подтвердили уникальные возможности созданных в ИЯИ РАН измерителей. Продемонстрирована возможность оценки качества работы систем стабилизации амплитуд и фаз ускоряющих полей.

Результаты 2018 года носят промежуточный характер, поскольку второй измеритель установлен на временном месте. Его стационарное положение предусмотрено после дебанчера, а основное назначение – использование в процедурах минимизации энергетического разброса на входе в бустер. Основная цель, которая преследовалась при принятии решения об установке двух измерителей на выходе ускорителя - определение продольного эмиттанса и оптимизация инжекции в бустер, пока не достигнута. Тем не менее, полученные результаты уже нашли практическое применение при разработке и создании измерителей продольного распределения для крупнейших ускорительных центров мира (ИЯИ РАН, SSC, ЦЕРН, DESY, KEK, SNS, J-PARC, LANSCE, FRIB, GSI, ESS).

Этап выполнен на высоком научно-техническом уровне. В настоящее время только ИЯИ РАН реально обладает потенциалом для разработки и создания измерителей продольного распределения зарядов в сгустках пучка в линейных ускорителях ионов.