Методы вывода частиц из протонных ускорителей на высокие энергии с использованием поликристаллических и монокристаллических внутренних мишеней

Эффективность использования для физических экспериментов любого ускорителя (или комплекса ускорителей) заряженных частиц при заданной энергии определяется двумя факторами:

— Фактором ускорения, куда относятся достижение максимальной интенсивности ускоренного пучка частиц и получение высокого качества его параметров (эмиттанс, импульсный разброс и др.);

— Фактором вывода, характеризующим уровень решения проблем вывода ускоренного пучка: эффективность выводавозможность вывода пучков частиц в широком диапазоне интенсивностей (вплоть до максимальной) при разнообразии их по энергиям, знакам, сортам и т. п.- качество характеристик выведенных пучков (длительность вывода, частотный спектр пульсаций интенсивности, уровень временной модуляции ее и др.), а также возможность одновременного проведения нескольких экспериментов.

Очевидно, что при квалифицированном решении проблем вывода оправдываются средства и усилия, затраченные на получение высоких результатов при ускорении пучка. В противном случае только часть ускоренной интенсивности в том или ином виде может быть использована экспериментальными установками. Неиспользованная (например, из-за низкой эффективности или качества вывода) часть ускоренного пучка теряется в ускорителе, облучая уникальное оборудование, что сокращает срок его службы. Высокие же уровни наведенной радиоактивности в местах потерь частиц осложняют проведение ремонтных и профилактических работ. Результаты исследований этой проблемы, связанной с процессами ускорения и вывода и раскрывающей взаимосвязь потерь заряженных частиц с распределением полей излучения по периметру ускорителя, обсуждаются в главе IV настоящей диссертации.

Ранее под выводом понимали два способа перевода пучка частиц максимальной энергии из ускорителя к экспериментальной установке [1−3]. Первый из них — генерация вторичных частиц, являющихся продуктом взаимодействия ускоренного первичного пучка с поликристаллической мишенью, находящейся внутри вакуумной камеры ускорителя. Физические эксперименты в этом случае проводятся с конкретными частицами соответствующего сорта и знака, на транспортировку которых оптимальным образом настраивается магнито-оптический канал. Другой способ: с помощью специальных дефлекторов с электрическими или магнитными полями обеспечивается отклонение частиц ускоренного пучка за пределы камеры ускорителя с последующей транспортировкой их на внешнюю мишень, либо к экспериментальной установке. Вывод частиц за время порядка микросекунд или долей микросекунды (т.е. не более, чем время одного оборота пучка в ускорителе) называется Быстрым, при продолжительности вывода в сотни миллисекунд и более — вывод называется Медленным. К пучкам, выводимым для физических экспериментов, предъявляются требования, определяемые особенностями использования частиц. Например, ввиду ограничения возможностей электронной аппаратуры, для экспериментов с использованием счетчиков и искровых камер с ростом интенсивности ускорителя требуется увеличение длительности вывода и уменьшение амплитуды временной модуляции интенсивности выводимых пучков. Вывод лее пучков частиц большой интенсивности за очень короткое время (быстрый вывод) бывает необходим при исследованиях редких событий в условиях большого фона (например, в нейтринных экспериментах), при исследованиях процессов взаимодействия частиц в сильных импульсных магнитных полях и т. п.

Существуют, однако, еще два метода вывода, представляющие собой комбинацию из двух перечисленных. Они относятся к разновидности медленного вывода и позволяют, при правильном их сочетании, существенно повысить эффективность использования ускоренного пучка за счет увеличения числа установок и обеспечения редкой возможности: одновременного проведения экспериментов как с пучками вторичных частиц, так и первичных протонов. Один из методов позволяет осуществлять с помощью септум-магнитов вывод первичных протонов, испытавших многократное кулоновское и упругое ядерное рассеяния в материале внутренних мишеней ускорителя в процессе генерации вторичных частиц. Этот метод, повышая эффективность использования ускоренного пучка, позволяет снизить степень облучения оборудования ускорителя. Второй — это многооборотный (из-за медленного наведения с обратной связью) вывод первичных протонов с помощью изогнутых монокристаллов за счет хорошо известного эффекта каналирования (см., например, [4−6]). Здесь не требуется применения специальных магнитных полей и уникального оборудования. Этот оригинальный метод позволяет осуществить вывод протонов достижимых сегодня энергий в условиях, когда в данное направление невозможно вывести частицы с помощью известных методов из-за отсутствия места для установки «классического» оборудования. Оба эти метода вывода пучка протонов из жесткофокусирующего ускорителя при энергии ТО ГэВ впервые в практике физического эксперимента исследованы и реализованы на протонном синхротроне ИФВЭ (см., например, [7−20]), что обеспечило выполнение важных экспериментальных программ на ряде новых физических установок [21−24].

К настоящему времени разработана теория практически всех вопросов динамики частиц, относящихся к ускорению и выводу пучков (см., например, [1,2]). Поэтому основные усилия диссертанта были сосредоточены на достижении, на основе использования теоретического материала, математического моделирования и экспериментальных исследований, результатов, повышающих эффективность физических исследований в ИФВЭ. Выборочные теоретические оценки приводятся для облегчения понимания полученных результатов и не претендуют на оригинальность. При разработке новых режимов вывода частиц использован ранее приобретенный опыт и учтены достижения на других ускорителях мира [25−27]. Объединение методов вывода вторичных частиц и первичных протонов позволило впервые в ИФВЭ обеспечить одновременную в цикле ускорителя и длительную (в течение всей плоской части цикла) работу 5−6 физических установок с высококачественными пучками выводимых частиц. В случае последовательной работы с быстрым (БВ) и/или резонансным медленным (РМВ) выводами протонов коэффициент одновременности проведения экспериментов в цикле У-70 достигает 7−8.

Изложение материала в диссертации приводится, в основном, применительно к ускорителю ИФВЭ на энергию 70 ГэВ (У-70), однако полученные результаты носят общий характер и могут быть применены на других действующих или проектируемых ускорителях. В частности, идеи и результаты вывода пучка из У-70 с помощью изогнутого монокристалла использовались при разработках вывода протонов из SPS CERNa при энергиях 14,120 и 270 ГэВ и Тэватрона FNAL на 900 ГэВ [28−33]. Непосредственное участие диссертанта в подготовке и проведении эксперимента Е853 во FNAL способствовало успешному решению новой для этой лаборатории задачи — вывода пучка с помощью изогнутого монокристалла из крупнейшего в мире ускорителя-коллайдера [30−33]. Структурно диссертация, объединяющая достигнутые результаты и опыт, приобретенный более чем за 30 лет работы на У-70, состоит из четырех глав.

Первая глава посвящена исследованию и развитию существующих методов вывода частиц из У-70. Приводятся результаты исследований динамики ускоренного пучка при наведении его одновременно на две, а впоследствии и на три внутренние мишени (ВМ) в одном цикле ускорителя. Компенсация взаимного влияния локальных искажений орбиты обеспечила устойчивый вывод пучков вторичных частиц на всей плоской части цикла при одновременной работе нескольких ВМ. Оптимизация (по данным расчетов потоков частиц с мишеней) расположения мониторов обратной связи позволила снизить чувствительность мониторов к работе «чужих» мишеней. В результате, даже при одновременной работе 4−5 мишеней чувствительность системы наведения пучка на мишень канала N4, работающего в наиболее тяжелых фоновых условиях, к работе «чужих» мишеней снизилась до уровня 8−10% (фактор 4). При последовательной работе внутренних мишеней [34] с БВ и/или РМВ число экспериментов, проводимых в одном цикле, достигает 6−7.

Выполнены расчеты и исследования характеристик тонких мишеней, вносящих новые эффекты в динамику пучка ускоренных протонов и дающих новое качество выводимым пучкам частиц. Главная проблема при использовании внутренних мишеней ускорителя в условиях достигнутых интенсивностей (> 1013 частиц/цикл) и при высоких плотностях частиц в пучке заключается в их термической стойкости. В отличие от внешних мишеней, которые могут иметь, при достаточно свободном доступе, хороший теплоотвод и даже принудительное охлаждение, внутренние мишени располагаются в зоне высокого вакуума ускорителя, куда доступ практически невозможен до конца сеанса его работы. Ранее (см., например, [35]) толщина мишеней по пучку выбиралась ~ 0.1 L7y — ядерной длины свободного пробега, а поперечный размер — порядка миллиметров. В случае У-70 эти размеры следующие: диаметр 3 мм, длина 30 мм. Многолетняя практика использования мишеней подобного типа (будем называть их «толстыми») как на ускорителе ИФВЭ, так и на зарубежных ускорителях [36,37] показала, что их применение возможно при интенсивностях взаимодействующего с мишенью пучка < 2 • 1012 протонов/цикл. При более высоких интенсивностях имеют место необратимые тепловые повреждения, приводящие к разрушению мишени и срыву экспериментов. Внедрение «тонких» мишеней (~ долей миллиметра по пучку) обусловило качественное изменение механизмов нагрева и охлаждения мишени. В результате, тонкие мишени значительно облегчили задачу получения требуемых параметров пучков вторичных частиц, а амплитуда временной модуляции интенсивности, — главный параметр, определяющий эффективность эксперимента, — была уменьшена примерно на порядок [38,39]. За счет того, что время жизни протонов в случае тонкой мишени на два порядка превышает время их жизни при взаимодействии с толстой мишенью, обеспечивается выравнивание продольной плотности пучка в У-70 даже после быстрого вывода большого числа ускоренных сгустков. Нарушение функции азимутального распределения плотности частиц после БВ являлось главной причиной появления в выводимых пучках пульсаций интенсивности с частотой обращения пучка в ускорителе 200 кГц. В результате быстрого затухания этих пульсаций при работе тонкой мишени, они практически не оказывают влияния на временную структуру выводимых пучков вторичных частиц. Обсуждаются также проблемы совместной работы ВМ с БВ. Результаты исследований, полученные после внедрения тонкой внутренней мишени, позволили обеспечить одновременный вывод пучков вторичных частиц для 4−5 экспериментальных установок даже после БВ или РМВ при качестве временной структуры в несколько раз лучшем, чем при одновременной работе «толстых» мишеней [39]. Высокие научно-технические результаты, обеспечившие повышение эффективности физических экспериментов от внедрения тонкой внутренней мишени, подтверждены решением Научно-Технического Совета ИФВЭ.

Рассчитана и экспериментально исследована [40] возможность двукратного быстрого вывода высокоинтенсивного пучка на установку Нейтринный Детектор (НД), как альтернатива Быстрому Резонансному Выводу (БРВ) [41], не обеспечивавшему требований экспериментов к параметрам выводимого пучка. Реализованный ранее режим двукратного БВ протонов для пузырьковых камер [42] не мог быть использован: интервал между выводами составлял 1.5−2 с. Повторный вывод требовалось осуществить в течение времени работы фокусирующей системы нейтринного канала.

100 мкс), что влекло за собой реконструкцию силовой части и системы синхронизации кикер-магнитов БВ. Предложенная модернизация питания кикер-магнитов позволяла реализовать двукратный быстрый вывод протонов с. эффективностью > 90% (средняя эффективность БРВ < 70%). Учитывая другие факторы (например, возможность совместной работы в одном цикле с пузырьковой камерой СКАТ), эффективность работы НД могла возрасти в 4 раза. Экспериментальное осуществление одного из вариантов предложенного способа вывода подтвердило результаты расчетов. Ввиду его новизны, данное предложение было рассмотрено на НТС ИФВЭ.

Приводятся также результаты первых экспериментов одновременной работы внутренних мишеней с РМВ [43]. Положительные моменты:

— Длительность вывода пучков (растяжка) около 2 с вместо ~ по 0.7 с при их последовательной работе;

— Улучшение временной структуры выводимых пучков в каналах РМВ. Без ВМ структура была не приемлема для экспериментов.

В качестве недостатка отмечалось, что мишень снижает эффективность РМВ на ~ 5%. На фоне вышеприведенных положительных факторов и при интенсивности ~ (2 — 3) • 1012 протонов/цикл это могло быть допустимо с точки зрения облучаемости оборудования. В расчетном плане, по иницииативе физиков-экспериментаторов, исследована возможность осуществления РМВ пучка протонов одновременно в два независимых направления [44]. Показано, что в случае У-70 с новой системой вывода, включающей в себя в качестве основных элементов септум-магниты новой конструкции1 («сдвоенные»), возможно осуществление такого вывода с эффективностью не хуже, чем достигнута для существующей системы при выводе пучка в одно направление [45,79,141]. Приведены схемные решения нового способа вывода.

Расширяющаяся программа физических исследований в ИФВЭ ставила.

1 Оригинальная эскизная проработка магнитов совместно с Э. А. Людмирским. также задачу осуществления вывода пучков протонов с интенсивностью 107 —1011 частиц за цикл. При этом предъявлялись высокие требования к основным параметрам сформированного пучка, таким, как амплитуда временной модуляции интенсивности, длительность вывода, пространственные и угловые размеры пучка на внешней мишени и др. В частности, эти требования выдвигались экспериментальными группами установок ФОДС, ДАКОР, СВД, СФИНКС [21−23], а позднее и Комплекс Меченых Нейтрино (КМН) [24]. Существующая система РМВ [45,79,141] в указанном диапазоне интенсивностей не обеспечивает требуемого качества временной структуры пучка. Вывод с помощью септум-магнитов протонов, заброшенных в их апертуры при взаимодействии с внутренними мишенями, удовлетворяет всем требованиям экспериментов [7−12]. Вторая глава содержит результаты разработки, экспериментальных исследований и осуществления нового режима — Нерезонансного Медленного Вывода (НМВ) ускоренных протонов. Особенность данного метода вывода заключается в том, что увеличение амплитуд бетатронных колебаний частиц пучка осуществляется за счет рассеяния их на внутренних мишенях ускорителя. Резонансная раскачка пучка не используется. Были изучены условия движения в ускорителе протонов, претерпевших рассеяние на малые углы 1 мрад) на внутренних мишенях, и вывода их из ускорителя с помощью септум-магнитов системы РМВ. Расчеты показали, что с помощью поликристаллических мишеней с определенными параметрами (материал, толщина по пучку и др.) и специально сформированного локального искажения замкнутой орбиты можно обеспечить заброс протонов, получивших необходимый прирост амплитуд бетатронных колебаний, в апертуру первого септум-магнита, имеющего тонкую токовую перегородку. Интервал среднеквадратичных значений углов рассеяния частиц — 0.3−1.5 мрад, это позволило получить в канале пучок протонов интенсивностью > 3 • Ю10 (при сбросе на мишень < 6 ¦ 1011) с удовлетворительным качеством временной структуры [7,47,75].

В силу особенностей систем вывода, существующих на ускорителе ИФ-ВЭ, диапазон интенсивностей выводимых пучков 107 — 10й частиц/цикл был недоступен для физических экспериментов. В результате осуществления НМВ, на У-70 впервые обеспечена возможность вывода пучков любой интенсивности, вплоть до максимальной, с помощью:

• мишеней и изогнутых монокристаллов: < 104 Ч-107 частиц/цикл;

• НМВ: 107 10й частиц/цикл;

• БВ, РМВ: > 10п-=- > 1013 протонов/цикл.

Осуществление одновременного вывода ускоренных протонов в один из каналов N21 (установка СФИНКС), N8 и 22 (установки ФОДС, ФОДС-2 ж СВД), N23 (установка КМН) и вторичных частиц с внутренних мишеней в каналы N2,14,4,18,5Н, 6 (установки СИГМА, ПРОЗА, ИСТРА, ВЕС, ГАМС, ГИПЕРОН, ЧАРМ и др.) способствовало значительному повышению эффективности использования ускоренного пучка, при этом длительность растяжки всех пучков, выводимых в этом режиме, увеличена примерно вдвое. Использование тонкой внутренней мишени [38,39,46] обеспечило улучшение временной структуры во всех каналах (на отдельных установках примерно на порядок) за счет подавления как низкочастотной (< сотен Гц), так и высокочастотной 200 кГц) составляющих пульсаций в выведенных пучках. Обеспечен уровень модуляции интенсивности ~ 7 — 10%. Такой уровень модуляции при одновременной работе большого числа (4−6) потребителей достигнут на ускорителе ИФВЭ впервые. Этот результат является лучшим для ускорителей класса У-70 среди физических лабораторий мира как по числу одновременно работающих установок, так и по качеству временной структуры выводимых пучков.

Исследованы в расчетном плане перспективы использования НМВ. Показано, что в случае, когда первым отклоняющим элементом является электростатический дефлектор (ЭД) с толщиной проволок 0.1 мм, эффективность НМВ может достигать свыше 90% [47,75], что хорошо согласуется с аналогичными оценками, сделанными для ускорителей Тэватрон FNAL и SPS CERN [48,49] и позволяет существенно расширить возможности вывода высокоинтенсивного пучка из ускорителя ИФВЭ.

Еще более эффективного использования ускоренного пучка молено добиться, если, наряду с уже известными устройствами для вывода пучков, применить изогнутые монокристаллы [5,6,13−20], которые находят широкое применение в различных областях физического эксперимента. Третья глава диссертации посвящена исследованию возможности использования эффекта каналирования на ускорителях заряженных частиц высоких энергий. Осуществление впервые в практике физических экспериментов многооборотного вывода пучка протонов из ускорителя ИФВЭ в направления каналов N2,14 [13−19,47,50,54] явилось очередным шагом в сторону практического применения этого интересного метода вывода, обеспечившим возможность выполнения новой программы поляризационных исследований на установке ПРОЗА [51]. Вывод протонов осуществлен с помощью монокристалла Si, установленного в вакуумной камере У-70 и изогнутого на угол 80 мрад. Наведение пучка на монокристалл осуществляется с помощью специально сформированного локального искажения замкнутой орбиты, обеспечивающего подведение пучка к монокристаллу и равномерное их взаимодействие в течение всей плоской части цикла на координатах, существенно более далеких, чем рабочие координаты обычных (поликристаллических) внутренних мишеней. На установке ПРОЗА получено до 107 протонов, эффективность вывода в первых экспериментах достигала 1.5-Ю-4, что согласуется с данными других исследований (см., например, [52]). Работа осуществлялась одновременно с выводом вторичных частиц с 3−4 внутренних мишеней в другие каналы У-70. Другой возможности для вывода на установку ПРОЗА пучка протонов с энергией 70 ГэВ и интенсивностью > 2 • 106 за цикл не существовало.

Исследован в расчетном плане вывод протонов на установку ВЕС (канал 4Д) для исследований процессов образования и распада чармованных частиц. Показано, что вывод возможен при угле изгиба монокристалла, установленного в блоке 27 У-70, 83−89 мрад [47,50,54]. При этом существует возможность точной настройки координатного и углового положения пучка относительно монокристалла, что облегчает их взаимную юстировку. С появлением в канале N4 протонного пучка расширяются экспериментальные возможности не только установки ВЕС, сохраняющей возможность работы с пучками вторичных частиц, но и других установок — ГАМС, ИСТРА. Осуществлен экспериментальный вывод на установку ВЕС [53]. Рассмотрены перспективы использования изогнутых монокристаллов на ускорителе ИФВЭ, а также возможности и результаты использования их на ускорителях частиц более высоких энергий SPS CERN и Тэватрон FNAL [28−33,47,54,55,165,176,177]. Исследования новых методов вывода, выполненные в течение 1993;1995гг. и по результатам которых опубликовано более 10 научных работ, были поддержаны грантом Международного научного фонда и Правительства РФ.

Четвертая глава, представляющая собой логическое завершение диссертации, посвящена исследованиям потерь частиц и облучаемости оборудования У-70 при ускорении и выводе пучков, а также разработке, исследованию и реализации мер, позволяющих снизить его облучение. Ввиду того, что энергия ускоренных протонов в У-70 достаточно высока, а рабочая интенсивность пучков превосходит 1013 частиц за цикл (проектная интенсивность — 5 • 1013 протонов/импульс), то влияние потерь пучка на работоспособность оборудования ускорителя может иметь серьезные последствия. Например, при взаимодействии таких пучков с веществом могут возникать (и возникают) макроскопические эффекты: повышение температуры и даже плавление (мишеней, участков вакуумных камер), образование ударных волн, вызывающих деформацию или механическое разрушение некоторых узлов, выход из строя электронного оборудования [179,180]. Накапливающиеся под действием излучения дефекты в используемых на ускорителях материалах после определенного предела приводят к резкому ухудшению их свойств [193,194]. Поэтому проблема радиационной стойкости материалов на современных ускорителях частиц приобретает все большее значение, и следует ожидать, что работоспособность существующих ускорителей, а так же развитие ускорительной техники в первую очередь будет зависеть от снижения радиационных нагрузок на оборудование за счет минимизации потерь частиц при их ускорении и выводе. Другой путь — повышение радиационной стойкости материалов требует значительных затрат на исследования и не дает кардинального решения данной проблемы. На У-70 исследованы этапы потерь частиц по циклу ускорения [56−58] и показано, что основная доля радиационных нагрузок на оборудование приходится на вывод пучков максимальной энергии в течение плоской части магнитного цикла. Приведены результаты экспериментальных исследований радиационных нагрузок на оборудование вывода, влияющих на сроки его жизни за счет деградации электротехнических, механических и других характеристик используемых элементов и уровней наведенной радиоактивности, ограничЕшаюгцих возможности ремонта существующего оборудования. Исследования охватывают полностью период с 1971 по 1993 г. 57,58,183,186] и прослеживают динамику накопления радиационных нагрузок элементами вывода (главным образом, септум-магнитами), выхода их из строя из-за переоблучения. Приводится также банк данных [59] радиационных нагрузок на кольцевой магнит У-70 за период от начала его работы (1967г.) по 1990 г. включительно. На основании результатов дальнейших исследований и расчетов проведен анализ облучаемости ускорителя за последующие годы и сделано заключение о состоянии радиационных нагрузок на электромагнит У-70 на конец 2002 г., считая от начала его работы. Полученные данные позволяют осуществлять долговременное прогнозирование работоспособности оборудования У-70 при известных режимах ускорителя. Описаны меры, способствовавшие снижению облучаемости оборудования при некоторых режимах работы У-70. Ряд мер [90], исследованных и реализованных, например, при инжекции от линейного ускорителя И-100, позволил минимизировать облучаемость линз РМВ ПП-12 пучком протонов с энергией 100 МэВ. Эта работа защищена авторским свидетельством [60]. По направлению исследований главы 4 опубликовано более 10 научных работ. Результаты этих работ использовались другими авторами для анализа условий потерь частиц и облучаемости оборудования на других ускорителях и разработки стратегических направлений защиты от излучений структур ускорителей (см., например, [61]).

Следует обратить внимание на еще одно обстоятельство: в настоящее время тенденция развития ускорителей такова, что новые ускорители на сверхвысокие энергии создаются без «мишеней», т. е. возмущающих пучок устройств, расположенных в вакуумной камере и предназначенных для вывода частиц. Это и понятно, так как сверхпроводящие (как правило) магниты и ускоряющие структуры не допускают больших удельных потерь частиц, которые могли бы иметь место. Однако на ускорителях средних и промежуточных энергий, таких как протонный синхротрон ИФВЭ, возможно и целесообразно применение мишеней, что позволяет, за счет повышения эффективности исследований, ставить эксперименты и получать результаты, которые могут быть специфичными только для области энергий У-70 [21−24,63,64]. Достаточно вспомнить открытие Серпуховского эффекта, масштабной инвариантности и ряда других открытий, зарегистрированных в Государственном реестре СССР (всего 6 открытий). Обнаружены 5 новых частиц и 2 античастицы [63,64]- подтверждено существование з/" ф-частиц, открытых на других ускорителях. Проблема облучения оборудования таких «не сверхпроводящих» ускорителей может быть в будущем минимизирована за сче±— повышения эффективности БВ и РМВ, а также благодаря НМВ, обеспечивающему вывод частиц до nevnnvroro взаимодействия их в матепияде мишени Г7−12.47−49,75,123], к/ х о j." .L > /7 J7 и грамотному применению изогнутых монокристаллов [13,19,54,155,165]. Выводы диссертации представлены в заключении.

Результаты исследований, представленных в диссертации, опубликованы в виде препринтов ИФВЭ [7,8,11,13,15,18,34,38,40,42,44,47,50,5659,87,90,91,103,113,144,155,160,165, 183,186] и FNAL [30−32,176], статей в Российских [8,42] и иностранных [16−18,20,31,155,160,165,177] журналах, а также в Трудах конференций и совещаний по ускорителям и прикладным вопросам, на которых проводилось их обсуждение:

• Всесоюзные совещания по ускорителям зар. частиц [39,43,89,160];

• Российские совещания по ускорителям зар. частиц [12,126,143,162];

• Европейские конференции (ЕРАС) [9,10,12,19,103,144,155,162];

• Национальные США конференции (РАС) [14,17,18,55,143,159,160];

• Всесоюзное совещание: «Проблемы применения эффектов каналирования частиц кристаллами в физике высоких энергий» [15,50].

• Международные совещания:

— «Channeling and other coherent crystal effects at relativistic energy» ,.

Дания [20,31];

— «Near Beam Physics Symposium», FNAL [33,54,88];

— Conference on Elastic and Diffractive Scattering, Blois VIII [75];

— Совещания экспертов сотрудничества E853 (1993;1997гг.) [30].

• Авторское свидетельство на изобретение [60].

Из приведенного списка опубликованных работ (53) можно выделить 39 публикаций, составляющих «ядро» диссертации: [10−12,17,18,20,31,33,34,3840,42−44,47,54−60,75,88,90,103,113,126,143, 144,155,159,160,162,165,176,177,186].

5. Выводы и рекомендации к главе IV.

Анализ результатов исследований радиационной обстановки на У-70 за весь период его работы и результатов облучаемости оборудования систем вывода позволяет подвести некоторые итоги. Попрежнему основные потери ускоренного пучка, а, следовательно, и радиационные нагрузки на оборудование происходят на плоской части магнитного цикла при:

— быстром выводе (1вв > Ю13 за цикл, эффективность ~ 90%);

— резонансном медленном выводе (1рмв < Ю13 протонов/цикл, крейсерская эффективность ~ (80 — 85)%);

— работе внутренних мишеней (Jbm < 2 • 1012 за цикл, облучение > 70%);

— перехвате остатков неиспользованной интенсивности (/ост ~ 15% от полной интенсивности за сеанс). i /.

Даже грубая оценка доли ускоренного пучка, теряемой в У-70 при существующих режимах его использования, показывает, что она составляет заметную часть от суммарной интенсивности. Приведем оценки возможного снижения потерь пучка для оптимально работающих систем вывода ускорителя (нормировка на 1013 протонов/цикл).

1. Быстрый вывод. Правильно спроектированная и отлаженная система БВ обеспечивает вывод пучка с эффективностью не ниже 98%.

Значит вместо ~ 1012 протонов/цикл (как в существующей ситуации) на сентумах будет теряться не более 2−1011 протонов/цикл. Это уменьшение потерь в 5 раз. После выхода из строя изготовленной в CERNe системы вывода, БВ пучка из У-70 осуществляется по временным схемам, не обеспечивающим высокую эффективность. Необходима разработка новой системы БВ.

2. Резонансный медленный вывод. Теоретически достижима эффективность РМВ — 99%. Однако, как следует из [195], для схемы вывода ИФВЭ и при уменьшении импульсного разброса частиц в пучке возможно достижение эффективности 96%. Это значит, что потери составят 4%. По сравнению с существующей ситуацией, это улучшение в 4−5 раз (потери снизятся до 4 • 1011 вместо 1.5 — 2 • 1012).

3. Внутренние мишени. По принципу работы мишень — источник потерь большей части взаимодействующих с нею частиц. Средний суммарный сброс на внутренние мишени составляет ~ 1.5 -1012 протонов/цикл. С учетом высокого коэффициента одновременности проведения экспериментов на пучках вторичных частиц, удельный «расход» пучка составляет ~ 3 • 10й протонов/цикл на эксперимент. Это в несколько раз ниже потерь пучка при БВ или РМВ, каждый из которых обеспечивает вывод пучка только на один эксперимент. В ИФВЭ использование вторичных пучков доминирует в программе физических исследований (почти 2/3 экспериментов обеспечиваются такими пучками [47,73]), поэтому сброс на внутренние мишени желательно сохранить. Учитывая высокое качество пучков, достигаемое за счет тонкой мишени [38,39], возможно снижение суммарного сброса на мишени до 1 • 1012 протонов/цикл, т. е. в 1.5 раза.

4. Перехват остатков неиспользованной интенсивности. Существование остатков интенсивности, сбрасываемых на поглотитель ПП-86 [88,91], обусловлено рядом причин, например:

— режимами работы ускорителя при проведении исследований У-70 (до 15% от суммарной интенсивности за сеанс);

— запретами динамических (при выходе из режима элементов вывода или канала) или дозиметрических (при ухудшении радиационной обстановки) блокировок на вывод. В результате, весь ускоренный пучок (> 1013 протонов) остается в камере ускорителя, сбрасываясь на мишени и поглотитель. За сеанс работы У-70 это составляет 3−5% от суммарной интенсивности. Следует отметить, что сброс большой интенсивности на внутреннюю мишень даже в одном цикле может вывести ее из строя из-за перегрева;

— необходимостью иметь остаток интенсивности ~ 1011 протонов для формирования сигнала обратной связи требуемого «качества» на системы наведения пучка на мишени.

Создав на У-70 систему аварийного вывода (без такой системы сейчас немыслима работа крупных ускорителей), обеспечивающую выброс пучка из кольцевой камеры в примитивный канал на специальный поглотитель в любой нештатной или программируемой ситуациях, возможных в цикле ускорения, можно ограничить остатки интенсивности на уровне 1−2%. В случае осуществления высокоэффективных режимов вывода и создания системы аварийного вывода пучка, можно будет обеспечить уровни потерь, не превышающие следующих величин:

• при быстром выводе — 1−2%,.

• при резонансном медленном выводе — 4%,.

• при работе внутренних мишеней — 10%,.

• при перехвате остатков интенсивности — 1−2%.

Это означает, что радиационные нагрузки на оборудование У-70, чрезмерные в существующей ситуации, могут быть снижены в 4−5 раз. В свою очередь, это обеспечит в несколько раз более длительную работоспособность оборудования У-70 и повышение эффективности использования для физических экспериментов всего ускорительного комплекса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Институт физики высоких энергий создавался как центр исследований по физике высоких энергий, элементарных частиц и ядерной физике, имеющий не только национальный (в то время общесоюзный), но и интернациональный статус. Ускоритель на 70 ГэВ длительное время был крупнейшей в мире лабораторией, где осуществлялось крупномасштабное научно-техническое сотрудничество, и где, помимо большого числа ученых из зарубежных научных центров, экспериментальные исследования вели сотни ученых из десятков институтов бывшего СССР.

За период проведения физических исследований только на пучках вторичных частиц У-70 официально зарегистрировано 6 научных открытий [63,64] и, по предварительным оценкам, опубликовано только сотрудниками ИФВЭ более 1500 научных работ, результаты которых стимулировали теоретические исследования, изложенные еще в сотнях публикаций [197]. Например, только по поводу открытия «Серпуховского эффекта» в ближайшие три года было опубликовано более 200 теоретических работ [63]. Повышение эффективности использования пучка ускорителя позволило получить новые яркие результаты, такие, как открытие масштабной инвариантности, открытие мезонов с большими спинами (h, г) и другие. Проводились также исследования в области упругих взаимодействий, поляризационных эффектов при высоких энергиях и целый ряд других [64]. Высокие качество и стабильность пучков вторичных частиц и первичных протонов, выводимых с помощью новых методов, использующих тонкие внутренние мишени (ВМ), септум-магниты и изогнутые монокристаллы, а так же сравнительная «простота» их получения являются причиной того, что использование этих пучков доминирует в программе физических исследований Института: из 22 экспериментов такими пучками обеспечиваются 14.

В данной диссертации изложены результаты исследований и решения проблем, от которых непосредственным образом зависит эффективность использования ускорителя. ИФВЭ для физических экспериментов: впервые в практике ускорителей система вывода вторичных частиц и система медленного вывода (РМВ) протонов объединены единой задачей, решение которой обеспечило одновременную в цикле ускорителя и длительную (в течение всей плоской части цикла) работу 5−6 физических установок с высококачественными пучками выводимых частиц, отличающихся по сорту, знаку и энергиям. Основные результаты выполненных работ, относящихся к рассмотренной теме, можно сформулировать следующим образом:

1. Исследованы условия совместимости работы трех ВМ, формирующих пучки вторичных частиц для каналов 2(14), 4,5Н (4Н), 6,18,РП при независимом наведении на них протонного пучка. С учетом «теневого» режима, обеспечена одновременная работа 4−5 физических установок любых из 6 существующих каналов, получающих частицы с мишеней во всем диапазоне их рабочих координат.

2. Обоснован выбор материала новых тонких мишеней, охлаждение которых в условиях высокого вакуума происходит лишь за счет излучения энергии. Мишень выдерживает взаимодействие с пучком протонов интенсивностью до 1012 (аварийно — до 5 • 1012) за цикл в течение многих месяцев.

3. Впервые для генерации вторичных частиц на У-70 внедрена тонкая 50 мг/см2) мишень из углеродной ткани, что обеспечило подавление как низкочастотных (< сотен Гц) пульсаций систем ускорителя, так и ВЧ-пульсаций 200 кГц) во всех одновременно выводимых пучках. Временная структура пучков улучшена почти на порядок.

4. Обнаружено, что пучок ускоренных протонов, имеющий ярко выраженную однооборотную структуру после быстрого вывода 25 банчей, через ~ 300 мс от начала взаимодействия с тонкой мишенью меняет свое состояние и находится одновременно в двух фазах: сбанчированной и дебанчи-рованной. Вторая фаза обеспечивает кардинальное улучшение временной структуры вторичных частиц и первичных протонов, выводимых одновременно в разные направления.

5. Осуществление одновременной работы 5 физических установок с максимальной длительностью вывода увеличило эффективность экспериментов на пучках вторичных частиц нового качества более, чем в 2 раза. Новое качество пучков дополнительно повышает их эффективность примерно в 1.5 раза.

6. Исследованы нестандартные способы вывода: параллельная работа ВМ с РМВ, РМВ протонов одновременно в два независимых направления, двукратный БВ высокоинтенсивного пучка. Реализуемость этих способов открывает возможность дальнейшего повышения эффективности использования У-70 и осуществления в ИФВЭ новых оригинальных экспериментов по физике высоких энергий.

7. Впервые в практике вывода частиц из жесткофокусирующих ускорителей в ИФВЭ осуществлен Нерезонансный Медленный Вывод (НМВ) протонов, ускоренных до энергии 70 ГэВ, что сделало доступным для экспериментов диапазон промежуточных интенсивностей 107 -т- 1011 частиц за цикл. Осуществлен последовательно-параллельный вывод ускоренных протонов и вторичных частиц.

8. Исследован и осуществлен НМВ протонов для новых экспериментов на установки СФИНКС (канал N21), ФОДС-2 и СВД (канал N22), КМН (канал N23) параллельно с работой 4−5 внутренних мишеней. Без НМВ эти эксперименты могли не состояться. Показано, что НМВ перспективен не только для У-70, но и для ускорителей на более высокие энергии SPS и Тэватрон.

9. Впервые в практике физического эксперимента в ИФВЭ осуществлен и развит новый метод вывода протонов — с помощью изогнутого монокристалла Si на установку ПРОЗА для поляризационных исследований. Исследован вывод пучка протонов для нового эксперимента на установку ВЕС. Предложена схема наведения пучка на монокристалл, ослабляющая требования к их взаимной юстировке. Осуществлен экспериментальный вывод пучка. Другой возможности вывести пучок протонов на эти установки не существовало.

10. Реализован одновременный вывод вторичных частиц с поликристаллических внутренних мишеней и ускоренных протонов с помощью изогнутого монокристалла и НМВ на 5−6 физических установок, использующих пучки частиц только с внутренних мишеней. При работе с БВ и/или РМВ коэффициент одновременности экспериментов в цикле У-70 может достигать 7−8.

11. Получено первое экспериментальное подтверждение увеличения с помощью изогнутого монокристалла интенсивности пучка, выводимого в режиме НМВ: монокристалл перед дефлектором системы вывода снижает потери на септуме, увеличивая число выводимых частиц.

12. Показана перспективность использования изогнутых монокристаллов для осуществления новых экспериментов и вывода частиц на фиксированные мишени из транс-ТэВных ускорителей, таких как LHC и SSC. Эксперимент Е853 подтвердил каналирование частиц самой высокой энергии из исследовавшихся когда-либо — 900 ГэВ. Вывод пучка из Тэватрона может осуществляться без влияния на «коллайдерные» эксперименты и одновременно с их проведением.

13. Результаты многолетних (более 30 лет) исследований потерь частиц в У-70 при их ускорении и выводе и связанных с ними радиационных нагрузок на оборудование показали, что после получения доз ~ 108 рад резко меняются свойства используемых материалов, что, как правило, приводит к выходу из строя уникального оборудования (обмоток коррекции, септум-магнитов систем вывода и др.).

14. Реализованы меры по минимизации потерь протонов с энергией 100 МэВ, значительно снизившие облучаемость оборудования У-70 в зоне инжекции пучка. Обсуждаются другие меры, реализованные и предлагаемые к реализации на У-70. Ожидаемый результат снижения облучаемости оборудования У-70 — 4−5 раз.

В процессе развития существующих, а также при разработке, исследованиях и осуществлении новых методов вывода частиц я был тесно связан со специалистами ОУ У-70,ОП, ОЭА, ОЭФ, ОНФ, ОАФ, ОРИ и ряда других подразделений, принимавшими необходимое участие, и чей вклад способствовал их успешной реализации. Я выражаю глубокую благодарность В. А. Медведеву, А. А. Кардашу, М. И. Чернецову, А. П. Курову, С. В. Соколову, Б. А. Зеленову, П. Т. Пашкову, П. Н. Чиркову, А. В. Максимову, В. И. Дианову, В. Ф. Сухомлинову, Г. Е. Воронину, Н. А. Галяеву, В. Н. Запольскому, В. А. Маишееву, В. С. Селезневу, В. Н. Гришину и многим другим. Успешному внедрению новых режимов вывода пучков способствовали деловые контакты с начальниками смен Главного пульта У-70 и систем вывода, ОП и экспериментальных установок. Я признателен за деловые обсуждения, содействие реализации новых методов вывода частиц и постоянную поддержку, Ю. С. Федотову за участие в.

Э.А.Мяэ обсуждениях результатов расчетов новых режимов и их поддержку, Ю. С. Ходыреву, Р. А. Рзаеву за обсуждение новых идей по выводу частиц, расширяющих возможности У-70, Н. Е. Тюрину, Е. Ф. Троянову, Ю. М. Адо, К. П. Мызникову, В. И. Котову, Э. А. Людмирскому. Не могу не выразить глубокой признательности физикам-экспериментаторам.

Ю.Д.Прокошкину, В. Л. Соловьянову, Ю. М. Антипову, А. Н. Васильеву,.

С.В.Донскову, А. А. Ледневу, В. Ф. Образцову, В. Н. Болотову, В. Н. Ноздрачеву, В. В. Соколовскому и другим, первыми оценившим новое качество пучка при работе тонкой мишени и способствовавшим ее внедрению,.

Р.М.Суляеву, Л. Г. Ландсбергу, С. П. Денисову, В. И. Крышкину, А. М. Моисееву, поддержавшим режим НМВ, высоко оценившим качество пучков и активно способствовавшим развитию этого метода вывода, С. С. Герштейну, С. Б. Нурушеву, А. М. Зайцеву, стимулировавшим разработку и осуществление вывода протонов из ускорителя с применением изогнутых монокристаллов, а также В. Е. Бородину, В. Н. Лебедеву, С. Л. Кучинину, чей постоянный интерес и сотрудничество способствовали тому, что результаты контроля за потерями частиц, дозиметрической обстановкой и радиационными нагрузками на оборудование были прозрачными на всех этапах от инжекции пучка до вывода все годы работы У-70. Совместные с В. Е. Бородиным исследования потерь позволяли грамотно регламентировать работу ускорителя и осуществлять долговременное прогнозирование его работоспособности. По существу, физики-экспериментаторы являлись самыми строгими ценителями и судьями качеств новых пучков, выведенных из ускорителя нетрадиционными методами, и их объективно положительные отзывы на заседаниях научно-технического Совета Института способствовали (и будут способствовать в дальнейшем) поиску новых возможностей вывода пучков для экспериментов, повышающих эффективность их проведения.

Кроме того, я выражаю сердечную благодарность и искреннюю признательность А. Н. Лебедеву, А. В. Агафонову, И. А. Шукейло, И. Н. Мешкову, Г. Д. Ширкову, И. Б. И с синскому, В. В. Владимирскому, Д. Г. Кошкареву, В. А. Теплякову, С. А. Садовскому (и некоторым из упомянутых выше лицповторно) за моральную и по-человечески теплую поддержку, оказанную в период формирования и обсуждения материала, что помогло представить итог моей многолетней деятельности в виде данной диссертации. Персонально, я убежден, что научные принципы А. А. Логунова способствовали тому, что научно-технический Совет ИФВЭ является гарантом объективного подхода к оценке деятельности специалистов науки. Благодаря поддержке Совета, в крупнейшем научном подразделении Института может быть защищена первая докторская диссертация рядового СНС.

В заключение, я выражаю горячую признательность моим зарубежным коллегам W. Scandale (CERN), оценившему мой вклад в исследование и развитие новых методов вывода пучков и применившего опыт ИФВЭ для реализации вывода протонов с помощью изогнутого монокристалла из SPS, A.W.Maschke (FNAL), Ch. Steinbach (CERN), чьи идеи и опыт легли в основу реализованного впервые Нерезонансного Медленного Вывода пучка протонов из жесткофокусирующего ускорителя ИФВЭ, С.Т. Murphy (FNAL) за предоставленную возможность участия в эксперименте по выводу пучка изогнутым монокристаллом из Тэватрона — крупнейшего ускорителя-коллайдера на энергию 900 ГэВ и высокую оценку моего практического вклада и моих идей в решение этой задачи. Я глубоко благодарен Н. В. Мохову, способствовавшему развитию моих контактов с FNAL, за его поддержку и постоянный интерес, B.S. Newberger (University of Texas at Austin) за полезные обсуждения еще нерешенных проблем в период подготовки эксперимента в Fermilab, а так же R.A. Carrigan, Jr., обсуждение с которым «step by step» результатов вывода пучка из Тэватрона и совместная работа в 1997 г. над проектом вывода частиц из нового Инжектора FNAL способствовали интеграции наших идей в дело вывода пучков из современных, уже не являющихся классическими, ускорителей.