2
Введение
Одно из основных направлений в развитии физики высоких энергий в последнее время - создание циклических установок со встречными пучками (коллайдеров). Новую физическую информацию становится получить все труденее и труднее, так как она заключена во все более редких распадах. Поэтому новые установки должны обеспечивать высокую светимость порядка 1033 - 1034 см“^-1. Светимость L определяется формулой
г о I п /1 . \ г' Ь * bunch
L — 2.17 (1+г) Еьешп -p-*--------------------------- (1)
где L - в 1032 crV1, r - отношение вертикального и горизонтального размеров пучка в месте встречи, Ebeam ~ энергия пучков в ГэВ, Nb - количество сгустков в пучке, I bunch - средний ток сгустка в амперах, - линейный сдвиг вертикальной бетатронной частоты вследствие взаимодействия пучков в месте встречи, Д * -вертикальная бета-функция в месте встречи в метрах. При фиксированных размерах сгустков и бета-функции в месте встречи повышения светимости можно достичь, увеличивая ток в сгуске и/или увеличивая количество сгустков.
С другой стороны, в течение примерно 20 последних лет в мире идет интенсивное строительство накопителей-источников синхротронного излучения (СИ). Благодаря уникальным свойствам СИ, его использование революционным образом изменяет возможности многих физических методов исследования как в области фундаментальных, так и в области прикладных наук. Одной из основных характеристик источников СИ является яркость [1]:
(2)
3
где £х и ez - горизонтальный и вертикальный эмиттансы пучка. Из приведенной формулы видно, что один из способов повышения яркости - это повышение тока пучка.
Таким образом, возможность накопления интенсивных пучков заряженных частиц и многосгустковый режим работы являются существенными факторами для увеличения светимости установок со встречными пучками и яркости накопителей-источников СИ.
Коллайдер CESR.
Расположенный в Лаборатории ядерных исследований Кориеллского университета накопитель Cornell Electron Storage Ring (CESR) [2] - это установка со встречными электрон-позитронными пучками, работающая в диапазоне энергий Y резонансов. Ускорительный комплекс состоит из линейного ускорителя на энергию 300 МэВ, синхротрона и собственно коллайдера CESR (рисунок 1). Инжекция из синхротрона происходит на энергии эксперимента. В южном экспериментальном промежутке находится детектор CLEO. По обеим сторонам детектора расположены восточный и западный технические промежутки. В них установлены ВЧ резонаторы, вигглеры и электростатические сепараторы. Некоторые параметры CESR приведены в таблице 1. В настоящее время CESR является коллайдером с самой большой в мире светимостью. Помимо проведения экспериментов по физике высоких энергий, коллайдер также служит источником СИ для экспериментальных станций лаборатории CHESS [3].
Поэтапная программа повышения светимости CESR предусматривает повышение светимости коллайдера до >1033 см'2с_1 при токе 1 А в двух пучках [4]. Как было показано выше, повышения светимости можно достичь, увеличивая количество частиц в сгуске и/или увеличивая количество сгустков в пучке. Однако, ток в CESR в настоящее время ограничен когерентными многосгустковыми фазовыми колебаниями, вызванными взимодействием пучка с резонансными модами ускоряющих резонаторов [5, 6]. Анализ показал, что это ограничение является фундаментальным для пятиячеечных медных резонаторов, используемых в
4
Детектор CLEO
Рисунок 1. Схематическое изображение ускорительного комплекса CESR.
накопителе [7, 8]. Для того, чтобы позволить коллайдеру копить токи до 1 А в двух сгустках, необходима новая ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система. Поскольку в плане требований к ВЧ резонаторам СЕЗИ во многом сходен с будущими коллайдерами-"фабриками" и большими накопителями-источниками СИ, ниже мы сформулируем эти требования.
5
Таблица 1. Некоторые параметры накопителя CESR.
Рабочая энергия 4,7 - 5,6 ГэВ/пучок
Периметр 768,43 м
Пиковая светимость 4,8x1g32 см‘2с 1
Макс. интегральная светимость 3,4 фбарн^/год
462 пбарн-,/мес.
27,2 пбарн'!/день
Ток в одном пучке 185 мА в 18 сгустках (9x2)
Линейный сдвиг частоты, ^ 0,04
Линейный сдвиг частоты, £/, 0,025
Коэффициент уплотнения орбит 0,0113
Длина сгустка 1,8 см
Потери энергии на СИ (с 1,2 МэВ/оборот
вигглерами)
Кратность частоты ВЧ 1281
Частота ВЧ 499,765 МГц
Амплитуда ВЧ напряжения 6,2 MB
Количество резонаторов 4
Резонаторы для "фабрик" и нового поколения источников СИ.
Одним из основных элементов, ограничивающих интенсивность пучков, являются высокочастотные ускоряющие резонаторы: ток заряженных частиц в накопителе может быть ограничен возникновением когерентных фазовых или бетатронных колебаний из-за взаимодействия сгустков частиц с резонансными модами ускоряющего резонатора. Есть два основных способа ослабления этого "паразитного" взаимодействия: 1) расположить частоты высших резонансных мод (ВМ) резонатора определенным образом относительно гармоник частоты обращения и 2) уменьшить шунтовое сопротивление ВМ путем уменьшения их добротности с помощью специальных нагрузок. Первый способ наиболее эффективен для
6
сравнительно небольших установок, когда частота обращения частиц велика по сравнению с шириной спектральных линий ВМ. Как было показано в диссертации
В.Г.Вещеревича [9], этот способ имеет смысл применять в установках с размерами порядка ВЭПП-4 и меньше. В более крупных накопителях используется второй метод.
Токи пучка в "фабриках" будут порядка 1 А и выше при многосгустковом режиме работы установок. Это означает, что для обеспечения устойчивости многосгустковых продольных колебаний аксиально-симметричные ВМ новых резонаторов должны иметь добротности порядка 102 [10]. Резонаторы с такими низкими значениями добротностей высших мод часто называют "одномодовыми" или "свободными" от высших мод [11]. В настоящей работе мы будем пользоваться первым термином.
Вследствие того, что потери энергии на оборот растут как четвертая степень энергии частиц, в установках на высокую энергию приходится использовать не один, а большее число резонаторов. Поэтому, при прочих равных условиях, применение резонаторов с большими ускоряющими градиентами, например сверхпроводящих, позволяет уменьшить число резонаторов в накопителе и тем самым понизить суммарный импеданс высших мод. Кроме того, в ускорителях большого размера, работающих с интенсивными пучками, особое внимание нужно уделять взаимодействию пучка с основной, или ускоряющей модой ВЧ резонаторов [12, 13]. При этом преимущество приобретают резонаторы с более низким характеристическим сопротивлением и большей добротностью.
Итак, резонаторы нового поколения должны иметь: высокий ускоряющий градиент (чтобы уменьшить число ускоряющих ячеек в кольце), добротность высших мод порядка 102 (чтобы обеспечить устойчивость многосгустковых колебаний) и небольшое характеристическое сопротивление основной моды (чтобы уменьшить расстройку резонатора и когерентный сдвиг частоты сиихротронных колебаний вследствие подгрузки пучком).
За последние годы в различных лабораториях были предложены и испытаны новые конструкции одномодовых резонаторов, как традиционных, "теплых", так и
7
сверхпроводящих [10, 12]. Частота ВЧ определяется выпускаемыми промышленностью мощными непрерывными клистронами, поэтому выбор для ускорителей, потребляюпщх большую ВЧ мощность, ограничен, но-существу, двумя диапазонами: 352 МГц (LEP, APS) и 500 МГц (CESR, РЕР-И, КЕКВ, HERA). Хотя в области теплых резонаторов был сделан определенный прогресс в получении большего ускоряющего напряжения на зазоре (0,77 MB в резонаторе HER PEP-II) или малого характеристического сопротивления основной моды (7,5 Ом у резонаторе ARES для LER КЕКВ), тем не менее по совокупности параметров сверхпроводящие резонаторы, но нашему мнению, выгоднее теплых. При достаточно низком характеристическом сопротивлении (44,5 Ом у резонатора CESR и 46,5 Ом у резонатора HER КЕКВ) они обеспечивают намного более высокое ускоряющее напряжение (>1,6 MB - КЕКВ, >1,8 MB - CESR) и более простой и эффективный способ нагрузки высших мод. Долгий опыт эксплуатации сверхпроводящих резонаторов в ускорителях различных лабораторий мира, недавно проведенные пучковые испытания новых ускоряющих модулей в CESR [14] и аккумуляторном кольце КЕК [15] и опыт эксплуатации первого ускоряющего модуля в CESR доказывают, что современный уровень развития сверхпроводящей ВЧ технологии позволяет изготавливать надежные резонаторы, способные снабжать ВЧ мощностью интенсивные пучки частиц ускорителей нового поколения.
В настоящей работе описаны конструкции ускоряющего модуля на основе одномодового сверхпроводящего резонатора и некоторых элементов этого модуля, разработанных для модернизации коллайдера CESR; описано построение новой ВЧ системы CESR на основе сверхпроводящего модуля; приведены результаты пучковых испытаний прототипа ускоряющего модуля в августе 1994 года, испытаний первого модуля на стенде в августе 1997 года и последовавшей установки его в накопитель; приведены оценки и результаты численных расчетов различных аспектов взаимодействия резонатора с пучком и результаты экспериментов по изучению этого взаимодействия. В заключении обобщен полученный опыт работы с одномодовым резонатором.
- Київ+380960830922