Моделюваня внутрішньопучкових процесів та їх врахування при проведенні діагностики на прискорювачах заряджених частинок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

ДОЛІНСЬКА МАРИНА ЕДУАРДІВНА

УДК 004.94:539.1; 621.384.64

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛЮВАННЯ ВНУТРІШНЬОПУЧКОВИХ ПРОЦЕСІВ ТА ЇХ ВРАХУВАННЯ ПРИ ПРОВЕДЕННІ ДІАГНОСТИКИ НА ПРИСКОРЮВАЧАХ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК

01. 04. 16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

Київ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук ДЕМ'ЯНОВ ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ, Інститут ядерних досліджень НАН України, провідний науковий співробітник, відділу ізохрнного циклотрону У-240.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор ПУГАЧ ВАЛЕРІЙ МИХАЙЛОВИЧ, Інститут ядерних досліджень НАН України, провідний науковий співробітник, відділу ядерних реакцій;

кандидат фізико-математичних наук ЛЕБЕДЬ СЕРГІЙ ОЛЕКСІЙОВИЧ, Інститут прикладної фізики НАН України, провідний науковий співробітник, відділу електростатичного прискорювача іонів.

Провідна установа: Київський національний університет ім. Т.Шевченка, кафедра ядерної фізики (Міністерство науки і освіти України, м. Київ).

Захист відбудеться “19” червня 2003 року о 14¹⁵ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680 Київ, просп. Науки 47.

З дисертацією можна ознаіомитись у бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України.

Автореферат розісланий “16” травня 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осташко В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Для успішного проведення експериментальних ядерно-фізичних досліджень, пов'язаних з використанням прискорених пучків заряджених частинок, необхідне максимально точне знання їх параметрів. Для цього потрібні ефективно працюючі системи контролю та діагностики пучків на прискорювальних установках.

На відміну від старих методів діагностики, в яких оцінка якості пучків давалася лише шляхом візуальних спостережень та вимірювань на основі аналогових методів, сучасні діагностичні системи повинні базуватися на широкому використанні новітнього комп'ютерного та електронного обладнання. Це передбачає наявність відповідних методик та технічного обладнання, які дозволяють не тільки ефективно обробляти експериментальні дані, а й максимально точно прогнозувати та оцінювати похибки, що вносяться як самим обладнанням, так і різноманітними атомно- та ядерно- фізичними процесами, що виникають під час прискорення. У зв'язку з цим постає необхідність у проведенні теоретичного моделювання таких процесів з урахуванням реальних експериментальних умов прискорення. Це дає можливість підібрати наіоптимальніші режими роботи прискорювачів без довгих трудоємких попередніх вимірювань, пов'язаних із збором статистичної інформації та додаткових робіт з наладки обладнання, як це було раніше, що дозволить значно зменшити часові та енергетичні витрати на проведення як самих діагностичних процедур, так і на прецизійні ядерні вимірювання.

При проведенні діагностичних вимірювань необхідно враховувати, що на високочастотних (ВЧ) прискорювачах, таких як ізохронний циклотрон У-240 та циклотрон У-120 ІЯД НАН України, пучки іонів мають перервну у часі структуру, тобто складаються із окремих згустків. Оскільки такі згустки мають дуже малі часові розміри, експериментальне дослідження процесів, що відбуваються під час прискорення, є дуже складною проблемою, вирішення якої полягає в проведенні теоретичного моделювання таких процесів. При цьому необхідно враховувати, що на кінцеві результати визначення параметрів пучків впливають власний просторовий електричний заряд іонних згустків та процеси його часткової нейтралізації при взаємодії іонів пучка з зарядженими частинками, які утворюються при іонізації залишкового газу у вакуумній камері прискорювачів.

Дослідження процесів, що відбуваються під час прискорення, визначення умов узгодження пучків з елементами транспортних ліній, вибір оптимальної конфігурації фокусуючих елементів неможливі без знання еміттанса та параметрів Твісса. На відміну від відомих методик, які потребують або значних часових витрат на отримання експериментальних даних, або не дають необхідної точності кінцевих результатів, для сучасних систем діагностики потрібні такі методи, які забезпечують високу точність вихідних параметрів при мінімальних часових витратах на проведення діагностичних процедур.

Оптимізація та модернізація діагностичного обладнання на прискорювачах ІЯД за рахунок використання нових теоретичних та технічних методик, дозволять покращити якість іонних пучків, зменшити їх втрати при транспортуванні, а тому нададуть можливість поліпшити умови для проведення досліджень на базі ядерно-фізичних установок інституту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано згідно затвердженим Президією НАН України науково-тематичним програмам та відомчим темам відділів ядерно-фізичних установок ІЯД (ізохроного циклотрону У-240, циклотрону У-120, електростатичного генератору) та лабораторії часового аналізу ядерних процесів.

Мета дисертаційної роботи:

1) розвиток сучасних методів діагностики параметрів пучків для оптимізації роботи прискорювальних установок, зокрема, розробка нової методики визначення параметрів поперечного еміттанса;

2) розробка теоретичних та експериментальних методів визначення параметрів окремих іонних згустків, що прискорюються, та їх ланцюжків, періодичних у часі;

3) теоретичне та експериментальне дослідження внутрішньопучкових процесів, що відбуваються під час прискорення, та створення на їх основі нових практичних методів урахування впливу цих процесів на результати діагностичних вимірювань.

Задачі роботи. Для досягнення вищеназваної мети були поставлені такі задачі:

а) розробити новий метод вимірювання та комп'ютерної обробки експериментальних даних для визначення параметрів Твісса та поперечного еміттанса;

б) провести теоретичне дослідження структури електричного поля іонних згустків та розробити методику врахування ефекту просторового заряду при проведенні вимірювань профілю пучка;

в) вивести умови захоплення іонними згустками заряджених частинок, що утворюються при іонізації залишкового газу, та розробити методику розрахунків впливу часткової нейтралізації власного заряду іонних згустків на результати діагностичних вимірювань;

г) провести експериментальні дослідження для підтвердження отриманих теоретичних методик.

Наукова новизна одержаних результатів. Під час виконання дисертаційної роботи запропоновано новий діагностичний метод визначення поперечного еміттансу та розроблено програмне забезпечення для обробки експериментальних даних, отриманих цим методом.

Розроблено новий аналітичний підхід для визначення структури електричного поля іонних згустків, який дозволяє, на відміну від попередніх методів, проводити аналіз електричного поля у будь-якому положенні, як всередині, так і зовні іонних згустків.

В даній роботі отримали подальший розвиток методи врахування ефекту власного просторового заряду іонних пучків на результати діагностичних вимірювань.

Проведено теоретичне дослідження умов захоплення та утримання у внутрішньому об'ємі іонних пучків заряджених частинок іонізованого залишкового газу.

Запропоновано новий числовий підхід, який на відміну від відомих статистичних експериментальних методів, дозволяє теоретично аналізувати та прогнозувати спотворення експериментальних даних при проведенні профільних вимірювань, щообумовлені частковою нейтралізацією просторового заряду згустків внаслідок взаємодії іонів із зарядженими частинками залишкового газу у вакуумній камері.

Практичне значення одержаних результатів. Для визначення параметрів еміттансу розроблено новий метод, який дає можливість досить швидко і точно проводити вимірювання та обробку експериментальних даних у двох поперечних фазових площинах одночасно. Використання цифрової камери та механічних вузлів, що рухаються, дозволяють значно оптимізувати вимірювальний процес. Така методика та програмне забезпечення пройшли успішні випробування на діагностичній установці центру ядерної фізики GSI (Дармштадт, Німеччина). Окремі елементи наведеного програмного алгоритму можуть застосовуватися при вимірюваннях щільовим методом, який використовується на ізохронному циклотроні У-240 ІЯД.

Використання наведених в роботі аналітичних виразів для параметрів електричного поля дозволяють проводити наочний графічний аналіз просторової структури поля як окремих іонних згустків, так і їх ланцюжків, що рухаються у часі, з урахуванням конкретних умов прискорення.

Запропонована методика врахування ефекту просторового заряду згустків дає можливість теоретично прогнозувати спотворення та похибки експериментальних даних. Використання цих методів при проведенні профільних вимірювань на діагностичних моніторах системи діагностики GSI дозволило значно скоротити час, потрібний на налагодження діагностичного обладнання.

Розрахунки динаміки заряджених частинок у полі іонних згустків за розробленою методикою дають можливість визначати умови захоплення та утримання частинок залишкового газу у внутрішньому об'ємі згустка за різних умов прискорення, як це показано на прикладі пучка U⁴⁺ при типових параметрах лінійного прискорювача UNILAC, GSI.

Комп'ютерні програми, розроблені на основі запропонованого числового алгоритму, дозволяють оцінювати явище часткової нейтралізації просторового заряду іонних пучків та його вплив на результати діагностики без проведення попереднього статистичного тестування. Наведений метод пройшов успішну апробацію при вимірюваннях напруги на pick-up електроді з пучком Ar⁺ при різних значеннях інтенсивності на газовій мишені UNILAC.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці теоретичних та технічних задач, виборі та розробці нових методів їх вирішення, виконанні аналітичних розрахунків та аналізі отриманих результатів, розробці числових алгоритмів та комп'ютерних програм, підготовці та проведенні експериментальних досліджень, підготовці рукописів статей до публікації.

У спільних публікаціях автору належать: розробка нової методики вимірювань та комп'ютерної обробки експериментальних даних для отримання параметрів поперечного еміттансу; розробка нової теоретичної методики розрахунків структури електричного поля окремих іонних згустків; аналітичний та числовий аналіз руху заряджених частинок під дією цього поля; виведення умов захвату згустками пучків заряджених частинок іонізованого залишкового газу; розробка теоретичних та експериментальних методик розрахунків впливу на параметри пучків ефекту власного просторового заряду іонних згустків та процесу його часткової нейтралізації під впливом іонізованого залишкового газу.

Апробація результатів дисертації. Результати, що покладено в основу дисертації, доповідались на 4-ій Європейській конференції з діагностики пучків DIPAC (Честер, UK, 1999), 52-ій Міжнародній науковій нараді “Ядро 2002” (Москва, 2002), 7-ій Міжнародній школі-семінарі з фізики важких іонів (Дубна, 2002), щорічній науковій конференції ІЯД НАН України (Київ, 2003), на засіданні науково-технічної ради, наукових семінарах відділу ізохронного циклотрону У-240 та лабораторії часового аналізу ядерних процесів ІЯД НАН України (Київ, 1999-2002).

Публікації. За темою дисертації опубліковано дев'ять статей, п'ять з яких - у реферованих фахових журналах. Повний список публікацій наведено наприкінці автореферату.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та двох додатків. На початку кожного розділу наведено короткий вступ, а в кінці - заключення з переліком основних результатів. Дисертацію надруковано на 135 сторінках, включаючи 6 таблиць та 69 ілюстрацій. Список літератури складається з 76 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації; відзначено зв'язок роботи з науковими програмами та темами; сформульовані мета та задачі проведених досліджень; відображені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; окреслено особистий внесок здобувача в проведених дослідженнях; вказані апробації результатів роботи та публікації за темою дисертації.

У першому розділі дисертації відзначається, що для розрахунків ефективно працюючих фокусуючих систем прискорювача, визначення умов погодження пучка з елементами транспортних ліній, зменшення втрат пучка при транспортуванні необхідне точне знання параметрів еміттансу.

У першому підрозділі на основі критичного аналізу теоретично-експериментальної бази та результатів роботи найбільш поширених деструктивних та недеструктивних методик визначення параметрів емітансу обґрунтовується необхідність пошуку нових підходів у цьому напрямку. Зокрема, відзначається, що використання одних методик, наприклад деструктивного щільового методу, дає можливість отримання результатів з достатньо високою точністю (похибка не перевищує 10%), але процес отримання та обробки експериментальних даних займає багато часу (приблизно 6-8 годин). При використанні інших методик, наприклад недеструктивного градієнтного метода, вимірювання та теоретичні розрахунки не займають багато часу, але дають дуже неточні результати (похибка може досягати 60%). Таким чином, з метою оптимізації роботи сучасних систем діагностики виникає необхідність у проведенні пошуку таких методик визначення емітанса, які були б одночасно і швидкісними і достатньо точними.

У другому підрозділі наведено принципи роботи нового метода визначення еміттансу, технічний пристрій та обладнання для проведення пучкової діагностики і методику програмної обробки експериментальних даних, яка дає можливість отримувати та обробляти дані одразу у двох поперечних напрямах одночасно, що дозволяє значно скоротити тривалість вимірів.

При проведенні вимірювань використовується тонка пластина з великою кількістю дуже малих дірочок (pepper-pot-пластина), що встановлюється перпендикулярно до вісі пучка. Проходячи через цю пластину, пучок створює світлові плями на фіксуючому екрані, встановленому позаду неї. За розмірами цих плям і розподілом інтенсивності в них знаходиться фазова залежність кутових відхилень від координат та розраховуються параметри фазових фігур іонного пучка.

У діагностичному приладі, розробленому під час виконання даної роботи, на відміну від подібних методик, що використовують проволочне детектування, запропоновано застосовувати цифрову камеру з метою фіксації та одночасної передачі експериментальних даних для подальшої програмної обробки. Фіксуючий екран встановлюється під невеликим кутом, щоб вісь цифрової камери була перпендикулярна площині екрана. Перед проведенням вимірювань з пучком для встановлення відповідності між реальними фізичними розмірами та зображенням на фіксуючому екрані проводяться калібровочні вимірювання зі світловим пучком від лазера.

Для оптимізації та прискорення вимірювального процесу pepper-pot пластина та фіксуючий екран розташовуються на рухомій платформі, що дає можливість після проведення вимірювань швидко усувати з пучкового тракту діагностичні елементи обладнання. Для автоматичної зміни pepper-pot пластин використовується механічний блок, що дозволяє швидко підібрати пластину з такими розмірами, які забезпечують найбільш чітке світлове зображення на фіксуючому екрані. Подібний блок може застосовуватися і для автоматичного підбору фіксуючого екрану.

Для подальшої математичної обробки світлова картина перетворюється цифровою камерою на числову матрицю, поданою в bmp форматі, розмір якої залежить від густини піксилей на одиницю площини для даної камери.

Вищенаведені принципи були покладені в основу створення pepper-pot приладу в системі діагностики лінійного прискорювача UNILAC, який, при безпосередній участі здобувача, пройшов успішні випробування. В даному підрозділі наводяться детальні технічні характеристики його елементів.

Далі наведено детальний опис методики математичної програмної обробки отриманої числової матриці розподілу інтенсивності. Оскільки під час прискорення мають місце вторинні процеси, які ведуть до наведення шумів та деякого фону, спочатку рекомендується проводити процедуру зглажування експериментальних даних. Для цього застосовується метод найменших квадратів з використанням стандартних поліномів Лежандра в якості ортонормованого базісу.

Далі проводяться програмні циклічні процедури для виділення окремих плям. Після цього обробляються їхні матриці розподілу інтенсивності. Такі розподіли в горизонтальному та вертикальному напрямах наближаються функціями Гаусса з урахуванням того, що експериментальні проекції мають несиметричну форму. Тому для кожної з них підбираються по два гауссіани - для лівої та правої частин піку (відносно максимума).

Після аппроксімації функціями Гаусса проекцій інтенсивності визначаються розміри усіх плям. При цьому розраховуються кутові відхилення у відповідності до внутрішньопучкових координат, що дозволяє побудувати представляючі фігури фазових площин, які характерізують еміттанс та параметри Твісса.

Параметри поперечного еміттансу визначаються за допомогою нового числового графічного алгоритму. За площею та кутом нахилу фазової фігури проводиться наближення її еліпсом. Це дає можливість аналітично розрахувати значення еміттансу та параметрів Твісса.

У третьому підрозділі наведено результати застосування запропонованого методу при діагностиці еміттансу на лінійному прискорювачі UNILAC під час вимірювань з пучком іонів Ni³⁺ з енергією 1МеВ/нуклон. З метою тестування методики паралельно проводилися вимірювання еміттансу за допомогою традиційного високоточного щільового приладу. При виконанні таких робіт для різних рівней інтенсивності були отримані дуже близькі значення еміттансу.

Вимірювання показали, що на проведення експерименту, обробку даних витрачається дуже мало часу (близько 20 хвилин) у порівнянні зі щільовими багаточасовими процедурами. При цьому похибки вихідних результатів не перевищують 5-10%. Результати подібних вимірювань дають можливість зробити висновок про коректність розробленого метода і рекомендувати іого для подальшого використання на прискорювачах, у тому числі в ІЯД.

У другому розділі описані дослідження структури електричного поля іоних згустків пучка, що прискорюється. Відмічено, що для розрахунків впливу на результати діагностичних вимірювань таких процесів, як ефект власного просторового заряду пучка та іого часткова нейтралізація внаслідок взаємодії з зарядженими частинками залишкового газу, раніше вважали пучки ВЧ-прискорювачів неперервними. Таке наближення призводило до значних похибок при проведенні діагностичних досліджень. З метою зменшення цих похибок і проведення моделювання внутрішньопучкових процесів при умовах максимально наближених до реальних було проведено розрахунки основних параметрів електричного поля окремих іонних згустків.

У першому підрозділі пояснюється внутрішня структура іонних пучків, характерних для ВЧ-прискорювачів. Такі пучки складаються з періодичних у часі макроімпульсів (довжиною порядку декількох мілісекунд), які в свою чергу складаються з мікроімпульсів, або іонних згустків довжиною порядку декількох наносекунд. Акцентується увага на те, що експериментальне дослідження параметрів таких згустків (внаслідок короткої часової довжини) вкрай ускладнене, а тому виникає необхідність у проведенні теоретичного моделювання для визначення їх параметрів.

Другий підрозділ присвячено розрахункам електричного потенціалу іонних згустків. В літературі з експериментальних та теоретичних досліджень структури ВЧ прискорених пучків відзначається, що в залежності від умов прискорення, іонні згустки або мають подібні розміри у подовжньому та поперечному напрямках, або бувають витягнутими в одному з цих напрямів. У першому випадку доцільно наближати форму згустку сферою, а у другому - еліпсоідом обертання.

Густина розподілу електричного заряду таких згустків _sh на першому етапі досліджень наближається однорідною функцією , де N - кількість частинок в одному згустку, Z_i - заряд іонів, e - заряд електрона, R - його радіус. Такий розподіл характеризує середнє по внутрішньому об'єму значення заряду згустку.

На наступному етапі досліджень з урахуванням реальних умов прискорення густина розподілу електричного заряду наближається параболічною функцією . Це дозволяє відобразити той факт, що значення заряду найбільше у центрі згустку і спадає при наближені до його країв.

Однорідний розподіл густини заряду в еліпсоїдальних згустках наближається формулою , де a i b- довжини півосей еліпсоіду, що наближає форму згустку.

Параболічний розподіл густини заряду визначається виразом

,

де та .

Для розрахунків потенціалу електричного поля згустків знаходяться аналітичні розв'язки рівняння Пуассона. Для визначення потенціалу згустків еліпсоідальної конфігурації використовується система витягнутих сфероїдальних координат (,,t), в яких представляється оператор Лапласа і розв'язується відповідне рівняння .

У третьому підрозділі на основі виразів для електричного потенціалу проведені розрахунки напруги електричного поля іоних згустків різної конфігурації. Для цього знайдено аналітичні рішення діфференційного рівняння , де Е(r) - функція залежності напруги від координати.

Напруга електричного поля іонних згустків сфероїдальної форми з однорідним розподілом заряду знайдена у вигляді виразів:

, (1.1)

, (1.2)

де (1.1) - внутрішня, (1.2) - зовнішня напруга у цьому випадку.

Для напруги внутрішнього електричного поля іоних згустків сфероїдальної форми з параболічним розподілом заряду отримано вираз

, (2)

а напруга зовнішнього електричного поля також описується формулою (1.2).

Далі знайдено аналітичні вирази для напруги електричного поля згустків еліпсоідальної форми. Для випадку однорідного розподілу заряду напруга електричного поля

, (3.1)

, (3.2)

де і- функції напруги для внутрішнього та зовнішнього електричного поля згустку. Коефіцієнти, що входять до виразів (3.1) та (3.2), визначаються півосями еліпсоіда, що наближає форму згустків, та параметрами прискорення, Р(х) - ортогональні поліноми Лежандра, Q(x) - спеціальні функції, що визначаються співвідношеннями:

, , _.

Якщо густина електричного заряду наближається параболічною функцією, то напруга має вигляд:

, (4.1)

, (4.2)

де і- значення напруги зовнішнього та внутрішнього електричного поля, а функції DK, DN, DKO, DNO виражаються через функції Р(х), Q(x) та коефіцієнти, які визначаються через півосі еліпсоїда та параметри прискорення .

Знайдені вирази дають можливість проводити наглядний графічний аналіз напруги електричного поля згустків еліпсоїдальної форми. В четвертому підрозділі з метою підтвердження та тестування отриманих аналітичних виразів для параметрів електричного поля іонних згустків робиться їх співставлення із значеннями поперечних компонентів потенціалу та напруги електричного поля неперервних у часі іонних пучків. Показано, що результати таких розрахунків добре узгоджені між собою.

У п'ятому підрозділі проведено теоретичний аналіз руху заряджених частинок під дією електричного поля іонних згустків різної конфігурації. З цією метою знаходяться розв'язки діфференційних рівнянь руху для відповідних функцій напруги E_r, що задаються формулами (1-4).

Для випадку сфероїдальних згустків знайдено аналітичні розв'язки рівнянь руху. При однорідному розподілі густини заряду в згустку для залежності координати z(t) та швидкості від часу t отримано вирази:

, (5.1)

, (5.2)

де частота коливань має вигляд: , а z(0) та v_z(0)- початкові значення координати та швидкості. Знайдено умову захвату та стабільних коливань частинки у внутрішньому об'ємі згустку: , що дозволило вивести мінімальну кількість іонів у згустку з однорідним розподілом густини заряду N^h_min, необхідну для захвату та утримання зарядженої частинки:

. (6)

Аналогічні розрахунки для випадку параболічного розподілу заряду в сфероїдальному згустку показали, що значення мінімальної кількості іонів, необхідної для захвату зарядженої частинки N^р_min, визначається співвідношенням:

. (7)

Проведено аналіз мінімальної кількості іонів у згустку для різних початкових значень координати та швидкості частинки. Для розрахунків параметрів руху заряджених частинок під дією сумарного (внутрішнього та зовнішнього) електричного поля іонних згустків сфероїдальної форми з різними видами розподілу заряду розроблено комп'ютерну програму “Kugel”, лістинг якої наведено в додатку А до дисертації.

Для розрахунків параметрів руху та умов захоплення заряджених частинок згустками еліпсоідальної форми розроблено комп'ютерну програму “Bunch_field”, алгоритм якої базується на числовому розв'язанні рівнянь руху (текст програми наведено у додатку Б до дисертації). Програма також дає можливість аналізувати рух заряджених частинок в електричному полі ланцюжків іонних згустків, які рухаються у часі. Це дозволяє проводити моделювання вторинних процесів, пов'язаних з захватом пучком заряджених частинок іонізованого залишкового газу.

У шостому підрозділі на основі отриманих аналітичних та числових уявлень для структури електричного поля іонних згустків та аналізу руху під дією цього поля власних іонів наведено методику розрахунків імпульсного та енергетичного розкидів іонів та зміни в часі розмірів пучка за рахунок розштовхування іонів, що складають прискорюваний пучок. Для розрахунків імпульсного розкиду рр використовується формула

, (8)

де Ат - маса іона, t - проміжок часу, Е - функція напруги.

Наведено результати чисельних розрахунків для іонного пучка U⁴⁺ при типових для лінійних прискорювачів IH-RFQ (GSI) та UNILAC параметрах.

Третій розділ присвячено новим експериментальним та теоретичним методам визначення впливу на результати діагностичних вимірювань ефекту просторового заряду іонних згустків та явища його часткової нейтралізації за рахунок захвату у внутрішній об'єм згустків заряджених частинок, що утворюються в процесі іонізації залишкового газу у вакуумній камері прискорювача. еміттанс заряд іонний

У першому підрозділі розглянуто процес іонізації багатокомпонентного залишкового газу та процес утворення вільних електронів та іонів. Наведено методики визначення перерізів іонізації, обдирки та захвату електронів.

Другий підрозділ присвячено теоретичному алгоритму визначення показника нейтралізації просторового заряду іонних згустків. Кількість електронів , що утворюються в процесі іонізації за проміжок часу t , визначається виразом

, (9)

де N₀ - кількість іонів в одному згустку, _s - час іонізації, _с - час взаємодії іонів з молекулами залишкового газу.

Для визначення кількості електронів, які приймають участь у нейтралізації просторового заряду іонного згустку, за допомогою комп'ютерної програми “Bunch_field” розраховується внутрішня область згустку, в якій відбувається захват електронів.

Далі наведено результати застосування алгоритму для визначення впливу нейтралізації просторового заряду іонного пучка Ar⁺ на результати вимірювань напруги на об'ємному pick-up електроді, який було встановлено позаду газової мішені, для різних значень інтенсивності пучка з періодом прискорення 27.7 нс. Наведено також технічний опис приладів, що застосовувались для проведення таких вимірювань.

У третьому підрозділі наведено методики вимірювань профілю іонних пучків, які базуються на принципі фіксації залишкових заряджених частинок. При проведенні подібних експериментів спостерігаються значні спотворення результатів за рахунок впливу ефекту просторового заряду. Цей ефект полягає в тому, що під дією власного електричного поля пучка відбуваються відхилення заряджених частинок від очікуваного положення. Відомо, що настройка діагностичного обладнання вимагає проведення трудоємких статистичних вимірювань. Використання розроблених в даній роботі нових теоретичних методів дозволяє уникнути таких попередніх процедур.

Для вимірювань подовжнього профілю іонних пучків у групі діагностики UNILAC за участю здобувача було розроблено монітор, що фіксує електрони залишкового газу. Розрахунки траєкторій руху електронів під впливом електричного поля іонних згустків за програмою “Bunch_field”, дали очікуване відхилення траєкторій електронів.

Для вимірювань поперечного профілю у даній роботі запропоновано принцип фіксації залишкових іонів, які рухаються під дією електричного поля ланцюжків іонних згустків. Монітор, що працює за таким методом, також було впроваджено під час роботи в групі діагностики GSI. Для посилення сигналу перед проволочним детектором запропоновано встановити мікроканальну пластину. При проходженні через окремий мікроканал залишкові іони вибивають із стінок електрони, що утворюють багатократнопосилений сигнал. Як і в попередньому випадку, при обробці експериментальних даних необхідно враховувати ефект просторового заряду іонного пучка. Для цього програмою “Bunch_field” розраховуються параметри руху іонів в електричному полі ланцюжка згустків.

Враховуючи сумарну напругу електричного поля та розв'язуючи рівняння руху, як і в попередньому випадку, розраховуються відхилення іонів від прямої лінії. Для пучка U⁴⁺ проводилось детектування іонів Н₂⁺. Теоретично було показано, що максимальне відхилення очікуваного положення не перевищує 0.7 мм, що підтвердилось результатами вимірювань.

У висновках сформульовані основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, проведених під час виконання дисертаційної роботи.

У додатку А наведено алгоритм Kugel (MADCAD) для розрахунків параметрів руху заряджених частинок під дією електричного поля іоних згустків сферичної конфігурації. Показано, як за допомогою даного алгоритму можна проводити аналіз параметрів електричного поля іонних згустків та осциляцій заряджених частинок у внутрішньому об'ємі цих згустків.

У додатку Б наведено текст комп'ютерної програми Bunch_field (Pascal) для розрахунків параметрів електричного поля згустків, умов захоплення цими згустками заряджених частинок та параметрів їх руху під дією власного електричного поля прискорюваного пучка.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено нове вирішення таких наукових та технічних проблем:

- методика вимірювань та комп'ютерної обробки експериментальних даних з визначення поперечного еміттансу та параметрів Твісса іонних пучків, що прискорюються;

- аналітичне визначення структури електричного поля окремих іонних згустків з метою теоретичного аналізу його просторової структури;

- експериментально-теоретичні методики та теоретичні алгоритми дослідження впливу вторинних процесів, що відбуваються під час вч-прискорення, на результати діагностичних вимірювань параметрів пучків.

Основні результати дисертаційної роботи:

1. З метою оптимізації існуючих систем діагностики параметрів пучків, що прискорюються, розроблено новий, удосконалений шляхом використання цифрової камери та рухомих механічних вузлів, pepper-pot-метод визначення параметрів еміттансу. Розроблено програмний алгоритм для обробки експериментальних даних, отриманих цим методом.

2. Розроблено новий аналітичний підхід для визначення параметрів внутрішнього та зовнішнього електричного поля іонних пучків, що складаються з окремих згустків різної конфігурації. Такий підхід дозволяє проводити аналіз руху під дією електричного поля пучків заряджених частинок залишкового газу, що іонізується у вакуумній камері.

3. Наведено нову методику визначення умов захоплення та стабільних коливань у внутрішньому об'ємі іонних згустків заряджених частинок залишкового газу.

4. Запропонована нова методика визначення та врахування впливу на параметри пучка, що діагностуються, явища часткової нейтралізації його власного просторового заряду за рахунок захвату заряджених частинок залишкового газу. Продемонстровано, що результати проведених теоретичних розрахунків та експерименту з пучком Ar⁺ добре узгоджуються.

5. Наведено нову експериментально- теоретичну методику врахування ефекту просторового заряду іонних згустків при проведенні вимірювань профілю пучка. Ця методика дає можливість оперативно проводити налагодження діагностичного обладнання таким чином, щоб мінімізувати спотворення експериментальних даних.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Долинская М.Э., Дорошко Н.Л., Зайченко А.К. Pepper-pot метод определения эмиттанса и параметров Твисса // Збірник наукових праць ІЯД.- 2002.- №2(7).- С. 182 - 188.

2. Долинская М.Э., Дорошко Н.Л., Зайченко А.К. Математическое описание электрических полей сгустков пучков ВЧ-ускорителей //Збірник наукових праць ІЯД.-2002.-№3(8).-С.75-84.

3. Dolinska M., Doroshko N. Pepper-pot diagnostic method to define emittance and Twiss parameters on low energies accelerators // Вопросы атомной науки и техники.- 2002.- №2 - P.107-111.

4. Долінська М.Е., Дорошко Н.Л., Ольховський В.С. Розрахунок параметрів електричного поля іонних згустків та умов захоплення ними вільних електронів на вч-прискорювачах // Укр. Фіз. Журн. - 2003. - Т.48, №2. - С. 174 - 180.

5. Долинская М.Э., Дорошко Н.Л. Влияние частичной нейтрализации пространственного заряда на диагностируемые параметры ионных пучков //Збірник наукових праць ІЯД. - 2003- №1(9) - С. 77 - 86.

6. Dolinska M., Strehl P. The electric fields of bunches // GSI Internal Report. - March, 2000. - 50P.

7. Долинская М.Э., Дорошко Н.Л., Зайченко А.К. Определение эмиттанса и параметров Твисса при проведении диагностики пучков на низкоэнергетических высокочастотных ускорителях // Препринт КІЯД-02-3. Київ.- 2002.-14 С.

8. Dolinska M., Domke M., Forck P., Lyakin D., Peters A., Strehl P. Emittance measurements at the new UNILAC pre-stripper using a pepper-pot with a pc-controlled CCD-camera // Proс. of the 4th European Workshop on Beam Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators. - Chester, UK, 16-18 May, 1999.- P.161-163.

9. Долинская М.Э., Дорошко Н.Л., Ольховский В.С. Временной анализ осцилляции частицы в двухъямном симметричном потенциале // Сборник тезисов материалов 52-ого Международного совещания "Ядро - 2002". - Москва.- 18 - 22 июня 2002г.- С. 126.

АНОТАЦІЇ

Долінська М.Е. Моделюваня внутрішньопучкових процесів та їх врахування при проведенні діагностики на прискорювачах заряджених частинок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій. - Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, 2003.

Дисертація присвячена розвитку сучасних методів діагностики пучків заряджених частинок, які використовуються при проведенні ядерно-фізичних експериментів на прискорювачах. Розроблено удосконалену методику вимірювань параметрів еміттансу з використанням нових технічних рішень; запропоновано новий підхід для визначення структури поля просторового заряду пучків, що складаються з окремих іонних згустків; на основі проведення моделювання вторинних процесів, що відбуваються під час прискорення, розроблені нові експериментально - теоретичні методики врахування ефекту власного просторового заряду іонних згустків та його часткової нейтралізації за рахунок захоплення заряджених частинок залишкового газу, що іонізується.

Ключові слова: діагностика, еміттанс, параметри Твісса, залишковий газ, просторовий заряд, часткова нейтралізація.

Dolinska M.E. Modeling of inner beam processes and their account at carrying out of diagnostics on accelerators of the charged particles. - Manuscript.

The dissertation submitted to earn a Candidate of Technical Sciences Degree on the specialty of 01.04.16 - physics of nucleus, elementary particles and high energies. - Institute of nuclear research, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2003

The dissertation is devoted to development of modern methods of beam diagnostics of the charged particles which are used at carrying out of nuclear physical experiments on accelerators. The advanced method for measurement of emittance parameters with use of new technical decisions is developed; the new approach for definition of structure of electric field of a spaсе charge of beams which are consist of separate bunches is offered; it is lead modeling of secondary processes which occur during acceleration;

new experimental - theoretical methods of the account of own spatial charge effect of ion bunches and partial neutralization because of capture of the charged particles of residual gas are developed

Key words: diagnostics, emittance, Twiss parameters, residual gas, a space charge, partial neutralization.

Долинская М.Э. Моделирование внутрипучковых процессов и их учет при проведении диагностики на ускорителях заряженных частиц. - Рукопись.

Диссертация посвящена развитию современных методов диагностики пучков заряженных частиц, которые используются при проведении ядерно-физических экспериментов на ускорителях.

Разработана усовершенствованная методика определения эмиттанса и параметров Твисса одновременно в обоих поперечных плоскостях. Для получения экспериментальных данных с одновременной их передачей для компьютерной программной обработки предлагается использовать цифровую камеру. Для оптимизации измерительного процесса используются подвижные механические узлы. Применение таких новых технических решений позволяет получать достаточно точные результаты при минимальных временных затратах на проведение диагностических процедур. С целью проверки работы оборудования и корректности полученных результатов проведены измерения параметров эмиттанса пучка ионов Ni³⁺ на приборе, разработанном на основе представленной методики, а также на традиционном щелевом диагностическом приборе.

Предложен новый теоретический подход для определения структуры электрического поля пространственного заряда пучков, которые состоят из отдельных ионных сгустков. Получены аналитические выражения для определения потенциала и напряженности электрического поля ионных сгустков различной конфигурации с учетом условий ускорения. Такие представления дают возможность проводить наглядный графический анализ структуры поля ионных сгустков, как это показано на примере пучка ионов U⁴⁺.

Используя полученные аналитические представления для параметров электрического поля, стало возможным рассчитать параметры движения заряженных частиц под его действием. Такие расчеты позволяют определять импульсный и энергетический разбросы ионов в ускоренном пучке, а также условия захвата ионными пучками электронов и ионов остаточного газа вакуумной камеры, который ионизируется во время ускорения.

Проведено моделирование вторичных процессов, которые происходят во время ускорения. Разработана новая экспериментально-теоретическая методика учета эффекта собственного пространственного заряда ионных сгустков и определения его влияния на параметры диагностируемого пучка. Применение такой методики дает возможность без предварительных наладочных работ с оборудованием прогнозировать ожидаемые искривления и погрешности экспериментальных данных при проведении измерений профиля пучка на мониторах, фиксирующих заряженные частицы остаточного газа. Приведены результаты применения такой методики при проведении профильных измерений с пучком ионов U⁴⁺.

Предложена новая методика определения степени частичной нейтрализации собственного пространственного заряда ионных сгустков, которая происходит вследствие захвата во внутренний объем пучка заряженных частиц ионизированного остаточного газа. Применение такой методики позволило рассчитать ожидаемые искажения экспериментальных данных при проведении измерений напряжения с ионным пучком Ar⁺ на новом объемном pick-up электроде, установленном позади газовой обдирочной мишени. Показано, что экспериментальные и теоретические результаты хорошо согласуются.

Ключевые слова: диагностика, эмиттанс, параметры Твисса, остаточный газ, пространственный заряд, частичная нейтрализация.

Размещено на Allbest.ru

...