Измеритель продольного распределения заряда в сгустках для Канала Транспортировки из Ускорителя Linac-4 в Бустер.

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

Цель работы — разработка и создание измерителя продольного распределения заряда в сгустках для Канала Транспортировки из Ускорителя Linac-4 в Бустер.

Линейный ускоритель Linac-4 сооружается в ЦЕРН в рамках программы модернизации Большого адронного коллайдера.

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.

Данная работа изначально ориентирована на внедрение. Она является этапом в разработке и создании измерителей формы сгустков и исследовании параметров продольного движения в ускорителе Linac-4. Ранее в период 2009-2013 годов был разработан, изготовлен, поставлен и испытан на пучке первый детектор данного типа непосредственно для ускорителя. 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. Осенью 2015 года сотрудниками ИЯИ РАН, командированными в ЦЕРН, были выполнены сборка, наладка и лабораторные испытания второго измерителя, включая как механику, так и электронику.

В настоящее время второй измеритель законсервирован и будет установлен в пучке на канале транспортировки в бустер летом 2016 года. Осенью 2016 года планируются первые измерения.

Поставленный и испытанный ранее первый измеритель в настоящее время установлен в ускорителе Linac-4 после третьего резонатора с трубками дрейфа на энергии 50 МэВ. Осенью 2015 года сотрудниками ИЯИ РАН выполнен комплекс работ по наладке и проверке данного измерителя и его подготовке для работ с пучком. Первые измерения были выполнены в декабре 2015 года сразу после достижения энергии 50 МэВ.

ИЯИ РАН является единственным в мире 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, LANSCE, FRIB, GSI).

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). Ведется разработка детекторов для ускорителя тяжелых ионов FRIB (Мичиганский университет, США), а также для трех ускорителей лаборатории GSI (Дармштадт, Германия). Поскольку тип ускоряемых частиц, параметры пучка и частоты ускоряющих полей на ускорителях различны, то каждый измеритель требует специальной разработки и является уникальным. Особенностью требований к измерителям для ускорителя Linac-4 является 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, поскольку решение об использовании измерителя было принято уже после определения состава и конфигурации диагностического канала, а также большая (100 мм) апертура второго измерителя.

В 2015 году было завершено изготовление второго измерителя и проведены лабораторные испытания в ИЯИ РАН. На рис. 1 показаны некоторые детали и узлы измерителя на этапе изготовления.

Рис. 1 Детали и узлы измерителя на этапе изготовления.

Летом 2015 года измеритель был отправлен в ЦЕРН. Осенью 2015 года состоялся визит специалистов ИЯИ РАН в ЦЕРН, во время которого была проведена сборка измерителя и его лабораторные испытания (рис. 2). Также была смонтирована электроника измерителя в клистронной галерее ускорителя Linac-4 (рис. 3).

Рис. 2: Лабораторные испытания измерителя на стенде.

Рис. 3 Стойки электроники измерителей формы сгустков в клистронной галерее ускорителя Linac-4

(слева – стойка измерителя №1, справа – измерителя №2).

При проведении лабораторных испытаний выполнены настройка высокочастотного дефлектора, калибровка положения и механического перемещения мишени шаговым двигателем, проведены высоковольтные испытания и испытания электроннно-оптической системы по термоэлектронам. При высоковольтных испытаниях особое внимание уделялось проверке отсутствия темнового тока электронов с мишени, который проявляется в изменении давления в вакуумной камере измерителя. В результате настройки электронно-оптического канала были выбраны потенциалы мишени и электростатической линзы, корректирующего напряжения в дефлекторе, токов в отклоняющем и корректирующем магнитах. Выбранные параметры будут использованы в качестве начального приближения при работе непосредственно с пучком. Также выполнена калибровка электронных фазовращателей как по фазе, так и по амплитуде.

Выполнен монтаж электроники, а также проверка и подключение кабелей к измерителю №2. Поскольку за период командирования не удалось оформить допуск в тоннель ускорителя, то была выполнена дистанционная проверка измерителя №1 по термоэлектронам, подтвердившая его готовность.

В декабре 2015 года проведены измерения продольных характеристик пучка на участке после третьего ускоряющего резонатора с трубками дрейфа при энергии 50 МэВ.

Рисунок 4 демонстрирует один из этапов настройки измерителя непосредственно по пучку – настройка электронно-оптического канала по пучку вторичных низкоэнергетических электронов, выбиваемых исследуемым пучком из мишени, находящейся под потенциалом минус 10 кВ.

Рис. 4 Фокусировка пучка вторичных низкоэнергетических электронов для разных потенциалов электродов дефлектора.

На рис. 5 показано окно программы управления измерителем. В нижней части окна показано типичное измеренное продольное распределение заряда в сгустке. Фазовое разрешение при измерениях составляет величину менее 1° на частоте 352,2 МГц, что эквивалентно временному разрешению менее 8 пикосекунд. Видно, что фазовая протяженность сгустка ускоренного пучка составляет примерно 6° на полувысоте.

Рис. 5 Вид окна программы управления измерителем после завершения измерения.

На рисунке 6 приведена расчетная зависимость среднеквадратического продольного размера сгустков от фазы поля в третьем ускоряющем резонаторе с трубками дрейфа, найденная методом численного моделирования (зеленые точки), а также зависимости, найденные путем обработки результатов измерений формы сгустков с помощью пакета Matlab (красные точки) и с помощью программы управления измерителем (синие точки). Следует отметить идеальное согласие результатов моделирования и результатов эксперимента при обработке пакетом Matlab. Отличие результата при обработке программой управления объясняется некорректным заданием уровня фона.

Рис. 6 Изменение среднеквадратического продольного размера сгустков при регулировании фазы поля

в третьем ускоряющем резонаторе с трубками дрейфа.

Созданный измеритель позволяет измерять эволюцию продольного распределения в течение импульса тока пучка (рис. 7). В результате таких измерений были обнаружены нестабильности продольного распределения в начале импульса.

Рис. 7 Эволюция продольного распределения в течение импульса тока пучка.

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

Результатом работы российской группы в 2015 году явились завершение изготовления, поставка, сборка, лабораторные испытания и подготовка измерителя формы сгустков №2 для канала транспортировки из ускорителя Linac-4 в бустер к установке в тоннеле ускорителя, а также проверка и наладка измерителя №1 для ускорителя и его подготовка непосредственно к измерениям. Весь объем перечисленных работ был выполнен исключительно группой участников – сотрудников ИЯИ РАН. Первые измерения характеристик пучка на участке после третьего ускоряющего резонатора с трубками дрейфа при энергии 50 МэВ выполнялись совместно с сотрудниками ЦЕРН.

Основным этапом работы российской группы в 2015 году явились завершение изготовления, поставка, сборка и лабораторные испытания измерителя №2, его подготовка к установке в тоннеле летом 2016, а также проверка и восстановление работоспособности измерителя №1 после его переноса на участок ускорителя с энергией 50 МэВ. После поставки измерителя последующие работы проводились сотрудниками ИЯИ РАН во время командирования в ЦЕРН. Для этих целей были командированы 5 сотрудников ИЯИ РАН. Суммарная длительность командировок составила 105 человеко-дней. Предположительно в 2016 году для запуска измерителя №2, а также для проведения совместных измерений с использованием двух измерителей потребуется 2 визита 3-4 представителей ИЯИ РАН общей продолжительностью 11 человеко-недель.

Таким образом, в результате выполнения этапа завершено изготовление второго измерителя, проведены его лабораторные испытания в ИЯИ РАН, измеритель поставлен в ЦЕРН. Во время визита в ЦЕРН проведена сборка измерителя и его лабораторные испытания, а также собрана и смонтирована электроника измерителя в клистронной галерее ускорителя Linac-4. Измеритель подготовлен к монтажу на пучке в канале транспортировки из ускорителя в бустер. Восстановлена работоспособность измерителя №1 и выполнена его дистанционная проверка по термоэлектронам, подтвердившая его готовность. Проведены первые измерения характеристик пучка на участке после третьего ускоряющего резонатора с трубками дрейфа при энергии 50 МэВ.

Результаты 2015 года носят промежуточный характер. Однако в целом результаты выполненных для ЦЕРН работ по разработке и созданию измерителей могут и будут использованы для дальнейших работ в данной области. В частности, 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).

Этап выполнен на высоком научно-техническом уровне. В настоящее время только в ИЯИ РАН реально создаются измерители продольного распределения зарядов в сгустках пучка в линейных ускорителях ионов.