Разработка измерителя продольного распределения заряда в сгустках для Linac-4 ЦЕРН

выполненной в рамках Программы Президиума РАН

"Экспериментальные  и теоретические исследования фундаментальных взаимодействий, связанные с работами на ускорительном комплексе ЦЕРН".

Аннотация

В настоящее время в ЦЕРНе в рамках программы модернизации Большого адронного коллайдера начато сооружение линейного ускорителя отрицательных ионов водорода Linac-4. На первом этапе планируется использовать новый линейный ускоритель с выходной энергией 160 МэВ в качестве инжектора в бустер протонного синхротрона. В дальнейшем предполагается построить новый протонный синхротрон вместо существующего и осуществлять в него инжекцию непосредственно из линейного ускорителя, увеличив энергию последнего до нескольких ГэВ.

Между ИЯИ РАН и ЦЕРН заключено соглашение, по которому ИЯИ РАН должен разработать, изготовить, провести лабораторные испытания, поставить в ЦЕРН, смонтировать и наладить измеритель продольного распределения заряда в сгустках для линейного ускорителя Linac-4, а также провести измерения параметров пучка на стенде, который включает источник ионов, RFQ и канал транспортировки. В дальнейшем планируется использование измерителя на разных участках ускорителя по мере его запуска с окончательной установкой на энергии 160 МэВ. Выполнение работы планируется в несколько этапов, в том числе: 2009 год – разработка проекта измерителя, 2010 год – изготовление, лабораторные испытания в ИЯИ РАН и поставка в ЦЕРН, 2011 год – сборка, монтаж, наладка и проведение измерений на выходе RFQ и канале транспортировки.

Согласно соглашению завершение этапа разработки – 22 декабря 2009. На конец ноября предусмотренный данным этапом объем работ практически выполнен: техническая документация передана в ЦЕРН для согласования.

Разработанный измеритель имеет фазовое разрешение около 1 градуса на частоте 352,2 МГц, что эквивалентно временному разрешению лучше 10 пикосекунд при импульсных токах пучка десятки миллиампер. Конструктивной особенностью является то, что измеритель вписан в ограниченную геометрию диагностического стенда, создаваемого в ЦЕРНе для исследований пучка в процессе поэтапного запуска ускорителя Linac-4.

ИЯИ РАН является единственным институтом, в котором реально разрабатываются и изготавливаются измерители данного типа. Высокий научно-технический уровень подтверждается тем, что создание подобных измерителей проводилось и проводится в ИЯИ РАН для крупнейших ускорительных центров мира (SSC, ЦЕРН, DESY, KEK, SNS, J-PARC). В частности, для ЦЕРН измерители этого типа ранее были созданы для линейного ускорителя протонов Linac-2 и линейного ускорителя тяжелых ионов Linac-3.

Рис. 1 Схема измерителя продольного распределения заряда в сгустках

Принцип действия измерителя основан на когерентном преобразовании временной структуры исследуемого пучка в пространственную структуру вторичных низкоэнергетических электронов путем поперечной ВЧ модуляции. Вторичные электроны выбиваются исследуемым пучком из тонкой мишени, вводимой в пучок на время измерений. Мишень находится под высоким потенциалом, примерно -10 кВ, за счет чего обеспечивается вытягивание вторичных электронной за пределы апертуры в электронно-оптический канал измерителя с минимальными искажениями временной структуры.

Проведен расчет измерителя и его основных элементов. Основной характеристикой измерителя является фазовое разрешение. Фазовое разрешение рассчитано с учетом характеристик вторичных электронов, реальной геометрии и реальных отклоняющих и фокусирующих полей, а также собственных полей пучка. Вследствие действия пространственного заряда исследуемого пучка фазовое разрешение не постоянно вдоль сгустка. Показано, что в целом фазовое разрешение составляет величину около 1 градуса на частоте 352,2 МГц, что эквивалентно временному разрешению 10 пикосекунд. Наличие пространственного заряда также приводит к дополнительной ошибке, которую мы называем ошибкой отсчета фазы. Показано, что данная ошибка также находится в пределах 1 градуса. Сформулированы ограничения на параметры пучка (импульсный ток, длительность импульсов, частота следования импульсов и поперечные размеры пучка) с точки зрения обеспечения термостойкости мишени.

Разработана механическая и электрическая части проекта. Также сформулированы требования к системе контроля, разработаны алгоритмы измерений и промежуточное программное обеспечение на платформе LabView.

На рис.2 показан чертеж общего вида разработанного измерителя, а на рис. 3 – окно измерительной программы.

Рис. 2 Общий вид измерителя продольного распределения заряда в сгустках для Linac-4 ЦЕРН.

Рис. 3 Окно измерительной программы

Результаты выполненной работы могут и будут использованы для дальнейших работ в данной области. В частности, полученные результаты уже нашли практическое применение при разработке измерителей продольного распределения для Японского исследовательского ускорительного комплекса (J-PARC). В случае сооружения новых линейных ускорителей ионов в России, результаты исследований могут быть использованы и на Родине.

Эффективность выполненного этапа работы проявится после изготовления и реального использования измерителя на ускорителе Linac-4 . Из нашего опыта можно утверждать, что будет получена информация о параметрах и характеристиках пучка, не доступная иными методами. Эта информация поможет проводить настройку и исследование продольного движения частиц в ускорителе, что в конечном итоге позволит получить качественный высокоинтенсивный пучок для его инжекции на первом этапе в бустер протонного синхротрона, а на втором – после повышения энергии непосредственно в новый протонный синхротрон.