2
Содержание
Ввеление 4
Глава 1. Характеристики синхротронного излучения из поворотных
магнитов и встроенных устройств накопительного кольца ДЭЛСИ 16
§1.1. Общее описание программы исследований на пучках синхротронного излучения накопителя ДЭЛСИ 16
§1.2. Синхротронное излучение из поворотных магнитов 19
§ 1.3. Синхротронное излучение из вигглеров и ондуляторов 23
Глава 2. Источник СИ - ДЭЛСИ 31
§2.1. Специфика накопительного кольца ДЭЛСИ ЗI
§2.2. Выбор магнитной структу ры накопительного кольца ДЭЛСИ 36
§2.3. Рабочая точка 51
Глава 3. Встроенные устройства накопительного кольца ДЭЛСИ и их влияние на линейную оптику 61
§3.1. Вигглер с магнитным полем 10 Тл для генерации синхротронного излучения 61
§3.2. Ондулятор для генерации синхротронної о излучения 85
Глава 4. Динамическая апертура ДЭЛСИ 97
§4.1. Понятие динамической апертуры 97
§4.2. Динамическая апертура накопителя ДЭЛСИ без вегроенных устройств 100
§4.3. Влияние нелинейностей вигтлера на динамическую апертуру ДЭЛСИ 115
§4.4. Влияние нелинейностей ондулятора на динамическую апертуру ДЭЛСИ 123
§4.5. Регулировка связи бетатронных колебаний 128
Глава 5. Технические аспекты накопительного кольца ДЭЛСИ
§5.1. Коррекция замкнутой орбиты
§5 2. Канал транспортировки пучка из линейного ускорителя в накопительное кольцо
§5 3. Инжекция в накопительное кольцо §5.4. Время жизни пучка Заключение Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4 Литература
4
Введение
Синхротроннеє излучение (СИ) релятивистских электронов (позитронов) находит широкое применение во многих областях науки. Его использование принципиально расширило возможности экспериментальных мегодов исследования в атомной и молекулярной физике, физике твердого тела, химии, в прикладных науках, таких как материаловедение, медицинская диагностика, микроэлсментный анализ. Синхротронное излучение открыло возможности реализации принципиально новых технологий, таких как рентгеновская литография, ЬЮА-тсхнологии и многих других [I].
По существующей классификации сегодня принято делить накопители -источники СИ на три поколения (рис. 1), хотя уже появились проекты источников СИ четвертого поколения. На первых источниках СИ - электрон-позитроиных коллайдерах - исследования на выведенном синхротронном излучении проводились параллельно с экспериментами по физике высоких энергий. Второе поколение источников СИ составляют уже специализированные накопители, на них проводятся работы с излучением из поворотных магнитов. На таких источниках на первый план вышли вопросы оптимизации магнитных структур для получения малых эмиттансов с целью улучшения характеристик излучения. Третье поколение источников СИ характеризуется в первую очередь наличием встроенных устройств, их основное предназначение состоит в работе с квазимонохроматическим излучением из ондуляторов и миниондуляторов. Эти накопители формируют пучки электронов со сверхмалыми эмитгансами, в их структуре присутствуют длинные прямолинейные промежутки, а сама структура оптимизирована для эффективной работы встроенных устройств.
5
Е
З
г*
о
£"5 Ь «
5 а
І ^
Я 8
7
х
о
Р
с
•0*
Ю
юг|-
10,8Н
ю,5н
ю"-
ю9-
10й-
Диффракинонный предел (ток 200 мА)
Шпоколение : !
Ц
поколение
I поколение
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020
Год
Рис Л. Поколения источников синхротронного излучения
Каждое следующее поколение приводило к повышению яркости излучения как минимум на порядок. Яркость излучения определяется как
где о'Ыг - горизонтальные и вертикальные среднеквадратичные размеры и
угловые отклонения для электронного пучка (распределение электронов в пучке предполагается гауссовское), аг, о' - дифракционные размеры для пучка фотонов.
Увеличение яркости и уменьшение эмиттанса электронного пучка ограничено дифракционным пределом: уменьшение эмиттанса ниже значения четверти длины волны излучения не приводит к увеличению яркости:
•„ъе,=±. (2)
Максимальная яркость излучения достигается при ах, = -:
- 2
А/
со
Для накопительных колец третьего поколения характерны значения эмиттанса порядка 5-25 нм, яркость излучения из ондулятора достигает 102 фотон/(с-мм2мрад2-0,1% т.п.), В настоящее время в 19 странах мира 53 лаборатории вовлечены в исследования на СИ. В них работают, строятся или проектируются около 73 накопительных колец -источников СИ, часть из них приведена в таблице 1. Из них 40 работают, 10 - в стадии строительства, остальные находятся на различных этапах проектирования в ожидании финансирования [2]. -
Таблица 1. Основные параметры мировых источников СИ
№ Название, страна Энергия. ГэВ Периметр, м Горизонтальный эмитганс, нм-рад Ток, мА Максимальная яркость, фогонУ(с-мм2мрадх0,1% ш.п.)
1 APS, США 7,0 1104 8,2 100 10й
2 ALS, США 1,9 196,8 3.4 400 10"
3 SPF.AR SSRL. США 3.0 234 130,0 100 10“
4 LNLS, Бразилия М 93,2 125.0 100
5 SRS, Великобритания 2,0 96.1 110 200 10м
6 ESRF, Франция 6,0 800 8.0 500 10*"
7 ELETTRA, Италия 1,5 259,2 4 200 10х*
8 DELTA, Германия 1,5 115,2 10 300 10й
9 BESSY 11, Германия 1.7 240 6 400 10'*
10 ANKA, Германия 2,5 110,4 40-70 100 10”
11 MAX И. Швеция 1.5 90 9 400 ю'7
12 SLS, Швейцария 2,4 288 2.3 400 10"
13 ВЭГТП-3, Россия 2,0 74.4 270 250 10й
14 Сибирь-2, Россия 2,5 124,3 90 300 10”
15 SESAME, Иордания 1 101 50 700 io17
16 SRRC, Тайвань 1,5 120 19 200 10”
17 Spring 8. Япония 8.0 1436 7 100 10i!
18 PLS, Корея 2,5 280,6 12 400 10”
8
Говоря о современных проектах источников синхротронного излучения, необходимо отметить следующие тенденции.
1) В связи с быстрым разви тием криогенных технологий появилась возможность проектирования компактных источников синхротронного излучения со сверхпроводящими магнитами.
2) На современных источниках СИ устанавливаются сильнополевые вигтлеры, позволяющие сдвигать спектр излучения в область мягкого или жесткого рентгена без увеличения энергии пучка электронов.
3) Обязательной считается возможность формирования сверхкоротких сгустков, необходимых для экспериментов на пучках синхротронного излучения с временным разрешением.
4) Создаются специализированные каналы СИ для технологическою использования (рентгеновская литография, ЬЮА-технология), а также для медицинских приложений.
Существует несколько новых проектов [3] (таблица 2), эти накопительные кольца оптимизированы на малый эмиттанс, в их структуру входят сверхпроводящие маг ниты, предусмотрены длинные прямолинейные промежут ки для ондуляторов. Если эмиттанс пучка близок к дифракционному пределу, то яркость ондуляторного излучения растет линейно с длиной ондулятора, пока разброс энергий электронов из-за квантовых флуктуаций не станет сравним со спектральной шириной ондуляторного излучения.
9
Таблица 2. Проекты новых источников СИ в Западной Европе
Название, ci-рана Энергия, ГэВ Периметр, м Г оризонтальный эмиттанс, нм-рад Ток, мА Яркость, фотон/(с-мм2-мрад2 0,1% т.п.)
DIAMOND, Великобритания 3 345,6 14,5 300 101У
SOLETL, Франция 2,15 336 2,7 500 10,у
LSB, Испания 2,5 336 2,7-15 500 10го
В 1999 г. по соглашению между ОИЯИ и Национальным институтом ядерной физики и физики высоких энергий NIKHEF (Амстердам, Голландия) был безвозмездно передан в Дубну ускорительный комплекс, включающий в себя электронный линейный ускоритель ME А (Medium Energy Accelerator) на энергию электронов 700 МэВ и накопительное кольцо AmPS (Amsterdam Pulse Stretcher) с максимальной энергией электронов 900 МэВ при токе накопленного пучка 200 мА В ОИЯИ на основе этого ускорительного комплекса планируется создать современный источник СИ ДЭЛСИ (Дубненский электронный синхротрон) с энергией электронов 1,2 ГэВ при токе накопленного пучка 300 мА [4-10]. Накопительное кольцо ДЭЛСИ проектируется на основе элементов кольца AmPS, но с существенным изменением его оптики. Кольцо будет дополнено ондулятором с высокой яркостью и сверхпроводящим вигглером, генерирующим высокоэнергетическое рентгеновское излучение. Энергия электронов будет увеличена путем модификации дипольных магнитов AmPS (первый модифицированный дипольный магнит уже прошел магнитные измерения).
10
Для достижения современных параметров излучения при относительно небольшой энергии электронного пучка и малых размерах накопителя необходим прежде всего малый эмштанс. Это налагает достаточно жесткие требования на магнитную структуру накопителя, так как эмитгаис пропорционален квадрату энергии
кЕ1
и обратно пропорционален кубу числа элементов периодичности в структуре хх =
[16), где к определяется типом структуры. Увеличение количества поворотных магнитов для накопителя ДЭЛСИ неприемлемо ввиду использования имеющегося оборудования Использование магнитной структуры типа ТВА невозможно, так как тогда нужно будет использоват ь только 30 поворотных магнитов из имеющихся 32, что приведет к уменьшению энерг ии электронного пучка в накопителе.
Энергия электронов в накопителе ДЭЛСИ сравнительно небольшая, поэтому для получения хорошей яркости необходимо применение встроенных устройств, которые в свою очередь оказывают серьезное воздействие на электронный пучок. Необходима компенсация их влияния, в первую очередь для того, чтобы эмитганс при включении вигглера увеличивался не слишком сильно. Кроме того, уменьшение эмигганса создает ряд проблем, связанных с динамической апертурой: для достижения хорошего значения времени жизни и эффективной инжекции динамическая апертура должна быть достаточно велика, а уменьшение эмиттанса ведет к ес уменьшению. Ко всему прочему, специфика накопительного кольца ДЭЛСИ состоит в том, что необходимо использовать магнитные элементы накопительного кольца АтРЭ с минимальными переделками, а также ограничиться изготовлением минимального числа дополнительных элементов для уменьшения стоимости всего комплекса.
11
Основные цели работы. Данная работа имела цслыо разработку магнитной структуры накопительного кольца источника СИ ДЭЛСИ и анализ динамики пучка электронов в накопителе с целью получения максимально яркого излучения из поворотных магнитов и встроенных устройств для проведения широкого спектра научных и прикладных исследований.
Актуальность работы. Как видно из таблицы I, в России существуют только два источника СИ - ВЭГП1-3 и Сибирь-2. В Западной Европе работают пять источников СИ третьего поколения с энергией порядка 1-2 ГэВ (таблица 1, №№ 7-9, 11). В настоящее время в мире наблюдаегся тенденция переделки старых накопителей электронов в источники СИ с высоким уровнем излучения (проекты 81АМ [42], $Е8АМЕ [43]). Благодаря готовым элементам магнитной структуры накопителя АтРБ, есть возможность создать недорогой новый накопитель - источник СИ с лучшими на сегодняшний день параметрами излучения в России и не уступающий по параметрам зарубежным накопителям с энергией электронов в пределах 1-2,5 ГэВ.
На защиту' выносится:
Магнитная структура накопителя электронов - источника СИ с компенсацией сильного возмущения, вносимого вигглером с магнитным полем 10 Тл.
1. Предложена и оптимизирована магнитная структура накопительного кольца, обеспечи вающая:
1.1. накопление и формирование пучка электронов с энергией 1,2 ГэВ, горизонтальным эмиттансом 11,4 нм при длине сгустка 8,74 мм,
1.2. яркость СИ из поворотных магнитов 3,3-Ю1“ фотон/(с мм2-мрад2-0,1% т.п.);
1.3. возможность размещения встроенных устройств - вигтлера с магнитным нолем 10 Тл и ондулятора с магнитным полем 0,75 Тл длиной 2,25 м с оптимизированными величинами бста-функций дтя получения
12
максимальной яркости излучения и без существенного возмущения динамики пучка;
1.4. корректировку искажений замкнутой орбиты имеющимся в наличии набором корректоров в пределах ожидаемых ошибок полей в элементах структуры,
1.5 время жизни пучка около пяти часов.
2. Выбрано оптимальное значение бетатронных частот Ох> ()2 (рабочая точка), обеспечивающее максимально возможные размеры области устойчивого движения электронов в накопителе ДЭЛСИ.
3. Сформулированы требования к специализированному вигглеру с магнитным полем 10 Тл для накопительного кольца ДЭЛСИ.
4. Показано, что магнитная структура обладает достаточной для эффективной инжекции динамической апертурой и при включенных встроенных устройствах обеспечивает необходимое значение времени жизни пучка Проведен анализ влияния ошибок на параметры накопителя.
5. Выбрана и оптимизирована магнитная структура транспортировочного канала, обеспечивающая эффективную транспортировку электронного пучка из линейного ускорителя в накопительное кольцо с использованием элементов канала транспортировки пучка накопителя АтРБ.
6. Предложена схема инжекции, обеспечивающая эффективное накопление электронного пучка с током до 300 мА на энергию электронов 0,8 ГэВ. Проведен расчет параметров основных элементов инжекции - септума и кикеров.
13
Научная новизна. Впервые предложена и рассчитана магнитная структура накопителя с низкой энергией электронов и со встроенным сильнополевым вигглером с магнитным полем 10 Тл, позволяющая сформировать пучок электронов с эмиттансом 11,4 нм-рад, что обеспечивает высокую яркость излучения. По своим параметрам предложенный накопитель является источником СИ третьего поколения Найден способ компенсации влияния вигглера на структурные функции. Определены требования к вигглеру, выполнение которых (при ею изготовлении) позволит уменьшить нежелательные эффекты, прежде всего, рост эмиттанса.
Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в журналах «Атомная энергия» [11], Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A467 [7], A470 [8], докладывались на Международных конференциях по ускорителям заряженных частиц: Американская конференция по ускорителям РАС’2001 (США, 2001 г.), международная конференция по ядерной и радиационной физике ICNRP’2001 (Казахстан, 2001 г.), Европейская конференция по ускорителям ЕРАС’2000 (Австрия, 2000 г.), Международная конференции по использованию синхротроиного излучения SR’2000 (г.Новосибирск, 2000 г.), Международная конференция SRF2000 (Германия, 2000 г.), XVII Всероссийское совещание но ускорителям заряженных частиц (г.Протвино, 2000 г.), первое и второе Международное рабочее совещание «Синхротронный источник ОИЯИ: перспективы исследований» (г.Дубна, 1999, 2001 гг.), четвертая, пятая и шесгая конференции молодых ученых и специалистов (г.Дубна, 2000, 2001, 2002 гг.), третий научный семинар памяти В.П.Саранцева (г.Дубна, 1999 г.), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном институте ядерных исследований.
14
Структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, четырех приложений и списка литературы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [4-15].
В главе 1 дано краткое описание характеристик синхротронного излучения из поворотных магнитов и встроенных усгройств, приведены результаты расчетов характеристик синхротронного излучения из поворотных магнитов, вигтлера и ондулятора накопительного кольца ДЭЛСИ, проведено сравнение параметров синхротронного излучения ДЭЛСИ с аналогичными параметрами Российскою источника синхротронного излучения С'ибирь-2 (г. Москва), и зарубежных - BESSY II (Германия), МАХ II (Швеция).
Глава 2 посвящена выбору магнитной структуры накопительного кольца ДЭЛСИ, которая позволяет получить малый эмиттанс и высокую яркость излучения. В этой главе приведены общие соображения по выбору магнитной структуры накопителя -источника СИ с учетом специфических требований, налагаемых использованием оборудования накопительного кольца AmPS. Описаны результаты расчета двух магнитных структур: с восьмью прямолинейными промежутками для встроенных устройств и структуры с четырьмя прямолинейными промежутками, выбранной для дальнейшей разработки. Приведено обоснование данного выбора. Проведен выбор рабочей точки накопительного кольца с учетом величины динамической апертуры.
В главе 3 приводятся результаты расчета влияния встроенных устройств на линейную оптику накопителя ДЭЛСИ. Определены требования на структурные функции в местах установки встроенных устройств. Разработана и рассчитана схема компенсации их влияния на основные параметры накопителя.
В главе 4 рассмотрена динамическая апертура накопительного кольца ДЭЛСИ. Приведены требования на динамическую апертуру, проведен ее расист- при
15
выключенных встроенных, устройствах, при включенных внгглерс и ондуляторе без учета систематических и случайных ошибок в магнитных элементах структуры накопителя, а также при их введении в структуру
В главе 5 описываются технические аспекты накопителя. Выбрана схема коррекции замкнутой орбиты накопительного кольца ДЭЛСИ Приводятся результаты расчета замкнутой орбиты при введении случайных ошибок в магнитных элементах при выключенной и включенной системе коррекции, сделан выбор параметров корректоров. Описывается схема инжекции электронного пучка из линейного ускорителя в накопительное кольцо. Приведены результаты расчета канала транспортировки. Рассмотрены различные физические процессы, ограничивающие время жизни пучка.
В приложениях 1. 2. 3. 4 приводятся параметры магнитных элементов магнитной структуры накопительною кольца ДЭЛСИ в представлении программы МАО [17] и ОРА [65) для структуры с восьмью и четырьмя прямолинейными промежутками без встроенных устройств и при включенных встроенных устройствах. Приводятся параметры магнитных элементов канала транспортировки электронного пучка из линейного ускорителя в накопительное КОЛЬЦО.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
- Київ+380960830922