(У^
1
Содержание
ВВЕДЕНИЕ.........................................;...................5
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДИК.............................12
1. 1. Диагностические методы в экспериментах по физике плазмы 12
Методика лазерного рассеяния на угол 90°...........................12-
Методика экспериментов по томсоновскому рассеянию на угол 8°........15
Оценка возможного влияния
лазерного излучения на исследуемую плазму...........................17
Определение турбулентных электрических полей в плазме по спектральному контуру линии Иа:
основные теоретические предпосылки...............:..................19
Профиль линии На в равновесной плазме...............................20
Профиль линии На в поле высокочастотной турбулентности..............21
1.2. Физика ускорителей. Использование синхротронного излучения (СИ)
для диагностики пучков заряженных частиц............................23
Свойства синхротронного излучения (СИ), существенные для диагностики пучков на комплексе ВЭПГ1-4М........................................23
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ.................................29
2.1. Физика плазмы. Установка ГОЛ-М.................................29
2.1.1. Системы лазерного рассеяния установки ГОЛ-М..................33
Лазеры систем некогерентного томсоповского рассеяния................33
Системы регистрации рассеянного лазерного излучения.................37
Система «I».....................................................38
Система «II»....................................................40
2
Система «III»......................................................41
Система «IV».......................................................44
Калибровка систем томсоновского рассеяния...............................47
Электроника систем регистрации..........................................48
2.1.2. Спектроскопические диагностики для исследования ленгмюровской
турбулентности..........................................................49
Эмиссионная спектроскопия на основе
интерферометра Фабри-Перо...............................................49
Метод стабилизации интерференционной картины............................52
Исследование формы спектральных линий
методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии.......................55
Основные особенности метода ВРЛС........................................56
Оптическая схема диагностики............................................57
2.2. Физика ускорителей.
Комплекс ВЭПП-4 и его оптические диагностики............................62
Измерение поперечных размеров пучка.....................................66
Измерения частот колебаний пучка и его поперечного профиля с пооборотным
разрешением................................................68
Принцип работы Быстрого Измерителя Профиля..............................71
Измерение относительной чувствительности каналов БИП....................72
Программное обеспечение и возможности прибора...........................73
Коронограф для исследования
«хвостов» электронного пучка............................................77
Система стабилизация пучка по координате и углу
в экспериментальном промежутке ВЭГ1П-4М.................................80
Точность измерений......................................................86
Энергетический диапазон коллайдера, доступный для измерений.............88
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДИАГНОСТИК В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И ФИЗИКЕ УСКОРИТЕЛЕЙ............................................................89
3.1. Физика плазмы. Измерения основных параметров плазмы:
температуры и плотности................................................89
Измерения температуры и плотности электронов плазмы...................89
Обсуждение результатов........................... :..................91
Исследование «хвостов»
функции распределения электронов плазмы................................95
Восстановление функции распределения электронов плазмы по данным
томсоновского рассеяния................................................96
Обсуждение результатов...............................................100-
Обнаружение леигмюровских каверн
при инжекции РЭП в плазму.............................................101
Спектроскопическое исследование ленгмюровской турбулентности. Изучение
контура линии На во время инжекции РЭП в плазму.......................102
Эмиссионная спектроскопия....................................102
ВнутриРезонаторная Лазерная Спектроскопия...............;....105
Обсуждение результатов................................................107
3.2. Физика ускорителей. Измерение основных параметров пучка в
коллайдере ВЭПП-4М....................................................110
Применение ПЗС-камеры для настройки коллайдера........................110
Контроль положения пучка по координате и углу
в экспериментальном промежутке ВЭПП-4М................................112
Экспериментальные результаты, полученные при помощи быстрого
измерителя профиля....................................................116
Раскогеренчивание пучка...............................................116
Регистрация эффектов встречи..........................................118
Сканирование плоскости бетатронных частот.............................121
Рутинный контроль низкочастотных и фазовых колебаний пучка............122
Измерения энергетического разброса пучка..............................124
Метод I. Спектр синхро-бетатронных колебаний..........................125
Метод II. Хроматическая зависимость
огибающей бетатронных колебаний пучка.................................127
Прямое сопоставление данных диагностик при измерении энергетического
разброса пучка........................................................130
Определение динамической апертуры ВЭПП-4М.............................132
Зависимость динамической апертуры от хроматизма.......................134
Измерения ДА при помощи быстрого удара по пучку.......................135
Измерение динамической апертуры
в присутствии эффектов встречи........................................136
Исследование динамики пучка
при пересечении бетатронных резонансов................................137
Исследование «хвостов»
функции распределения электронного пучка..............................143
Моделирование рассеяния пучка на остаточном вакууме...................144
Обсуждение результатов................................................149
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................150
Литература............................................................153
5
ВВЕДЕНИЕ
Оптические диагностики широко используются в экспериментах по -физике плазмы и для измерений параметров электронных и позитронных пучков в ускорителях. При этом зачастую применяются «идеологически» идентичные подходы, что объясняется совпадением некоторых свойств изучаемых объектов, и, в связи с этим, совпадением требований к методам измерения их параметров.
Во-первых, во всех экспериментах, описанных в диссертации, обязательным свойством диагностики являлась ее бесконтактность. Как в случае исследования взаимодействия сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) с плазмой, так и в случае измерения параметров электронного пучка в кольцевом ускорителе (коллайдере) любой физический контакт с объектом исследования либо исказит его свойства, либо уничтожит * диагностический инструмент. Поэтому вполне естественно, что для исследования плазмы используется ее собственное излучение, либо рассеяние излучения лазера на электронах плазмы, а для измерений параметров пучка в кольцевых ускорителях электронов и позитронов широко применяется регистрация синхрогронного излучения (СИ). В обоих случаях зачастую удастся проводить измерения в оптической области спектра, что обуславливает применение практически идентичных детекторов излучения и оптических элементов.
Во-вторых, помимо параметров основной части функции распределения, в обоих случаях описываемой функцией Гаусса, значительный интерес представляет информация о той ее части, что находится за пределами ±3<т. В -пучково-плазменньтх экспериментах, описываемых в диссертации, основное энергосодержание плазмы, нагретой РЭП, содержится именно в «хвостах» функции распределения электронов, имеющих плотность на уровне
(КГ2 -г-10"3) <пс>, где < пс > - средняя плотность электронов плазмы. В случае электрон-позитронного коллайдера «хвостовая» часть пучка отвечает за время жизни частиц в накопителе и фоновую загрузку детектора. Перечисленные параметры являются важнейшими характеристиками современных установок; поэтому для выбора оптимального состояния функционирования ускорителя желательно иметь достоверное представление о распределении частиц в пучке, причем не только в центральной части, но и в «хвостах».
В третьих, в физике ускорителей всегда имелся интерес к изучению распределения частиц в пучке при исследовании разного рода быстрых неустойчивостей, таких, как эффекты встречи, нелинейная динамика пучков, квадрупольиые неустойчивости и т.п. Для этого необходимо обеспечить пооборотное измерение динамики профиля пучка одновременно с измерением положения его центра тяжести на протяжении десятков, а то и сотен тысяч оборотов. В исследованиях по взаимодействию РЭП с плазмой значительный интерес представляет выяснение механизма ленгмюровского коллапса; проявляющегося, в частности, в виде каверн на профиле плотности с размерами в доли миллиметра и временем жизни несколько десятков наносекунд, что много меньше характерного размера всей плазмы, длительности инжекции РЭП и времени жизни плазмы в ловушке.
Помимо этого, основными параметрами плазмы являются ее температура и плотность. Аналогичные величины для электронного пучка в ускорителе -ток (число частиц в банче), энергетический и угловой разброс. Весьма важной характеристикой обоих объектов является время жизни. В диссертации развиты методы исследования и измерения всех этих величин.
Кроме вышеперечисленного, оба объекта исследования роднит плохая воспроизводимость многих исследуемых явлений, что особенно типично для всякого рода неустойчивостей. Это заставляет использовать многоканальные
7
диагностики, чтобы регистрировать всю протяженность события в пространстве и времени с достаточным разрешением.
Несмотря на общие методологические основы у диагностик, применяемых в исследованиях по физике плазмы и физике ускорителей, эти разделы физики, разумеется, совершенно специфичны и их изучение требует применения специализированных методик.
Диагностики, развитые в экспериментах по физике плазмы, использовались для исследования ее параметров при взаимодействии с мощным релятивистским электронным пучком (РЭП). В ИЯФ СО РАН на установках ГОЛ-1 [1] и ГОЛ-М [2], ИНАР [14], ГОЛ-3 [2] с 1975 года велись и . ведутся эксперименты по нагреву РЭП плазмы. Механизм взаимодействия РЭП с плазмой ([3]-[8]) основан на возбуждении пучком ленгмюровских колебаний и их затухании в результате нелинейных процессов, сопровождаемых нагревом плазменных электронов. Эксперименты на установке ГОЛ-1 были направлены на повышение эффективности передачи энергии от пучка к плазме, в то время как исследования на установке ГОЛ-М ставили своей целью изучение физических механизмов, с помощью которых эта передача осуществляется. Для этого был применен метод коллективного С02-рассеяния [9 - 12], позволивший детально изучить частотный и пространственный спектры ленгмюровской и ионно-звуковой турбулентности. Для построения самосогласованной физической картины взаимодействия РЭП -с плазмой требовалась также информация о сс основных параметрах: плотности и электронной температуре, что позволяет, в частности, получить независимую оценку уровня турбулентности, возбуждаемой РЭП в плазме. Одним из следствий того, что нагрев плазмы происходит в результате возбуждения турбулентных колебаний, является появление высокоэнергичных “хвостов” у функции распределения электронов плазмы. Эта особенность была обнаружена уже в первых экспериментах по взаимодействию РЭП с плазмой
8
([13], [14]). Плотность хвостов составляет несколько процентов от основной плотности плазмы, но характерная энергия равна сотням Те, где Те-температура электронов плазмы, поэтому именно в них содержится основная доля энергии, переданная РЭП плазме. Наиболее тщательное исследование “хвостов” функции распределения электронов в экспериментах по нагреву ’ плазмы электронным пучком было осуществлено в работе [14]. В экспериментах на установке “ГОЛ-М” требовалось . добиться дальнейшего продвижения в область высоких энергий, а также, по возможности, изучить временное поведении функции распределения электронов плазмы и пространственное распределение “хвостов”, т.к. это непосредственно связано с возбуждаемой РЭП турбулентностью.
Для получения информации о перечисленных выше параметрах плазмы естественно было применить метод томсоновского рассеяния, показавший свою высокую эффективность в экспериментах но взаимодействию РЭП с плазмой на установках “ИНЛР” [15] и ГОЛ-1 [16]. Были использованы (последовательно) две системы лазерного рассеяния. С помощью первой из * них, на основе рубинового лазера, был определен радиальный профиль предварительной плазмы, создаваемой высоковольтным разрядом в магнитном поле и измерены температура и плотность плазмы, нагретой РЭП в двух точках по длине установки. Вторая система рассеяния, на основе мощного неодимового лазера, позволила провести детальные исследования функции распределения электронов плазмы.
Для изучения турбулентности, возбуждаемой РЭП, нами был использован еще один метод диагностики - штарковская спектроскопия спектральных линий. Попытки определение уровня турбулентности плазмы с помощью штарковской спектроскопии предпринимались неоднократно ([17]-[23], [51-55], [66-69]). Для этого использовались как линии водорода серии Бальмера * (На , Нр , Ну), так и запрещенные линии гелия. Линия На предпочтительна с
точки зрения интенсивности, кроме того ВЧ колебания, (в нашем случае -леигмюровские), должны приводить как к уширению центральной компоненты линии так и появлению плазменных сателлитов на крыльях ее контура. В обоих случаях необходимо детальное исследование спектрального интервала масштаба нескольких ангстрем за время около 100 наносекунд - характерная длительность РЭП в наших экспериментах. Это требует применения светосильной спектральной аппаратуры с соответствующим временным разрешением. Нами были опробованы два подхода - спектрометр на основе перестраиваемого интерферометра Фабри-Перо (ИФП) и метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС).
Методы томсоновского рассеяния и спектроскопии зачастую являются основными диагностиками на многих плазменных установках ([24-26, 112]), поэтому расширение их возможностей представляется актуальным. Как правило, в большинстве экспериментов по томсоновскому рассеянию требуется получить лишь величины электронной температуры и плотности, соответственно применяемая аппаратура не предназначена для исследования неравновесных функций распределения, хотя отклонения спектра рассеяния от гауссовского зарегистрированы в ряде работ ([27-29]). С начала 90-х годов прошлого века возник интерес к изучения высокоэнергичной части функций распределения электронов плазмы в токамаках, где с помощью генерации надтепловых “хвостов” осуществляется поддержание полоидального тока [30, 109]. Не-Максвелловские хвосты возникают и при нагреве электронов плазмы па электронном циклотронном резонансе [110]. Для их исследования, таюке как и в данной работе, применяется рассеяние лазерного излучения, в том числе и на малые углы. Низкая плотность “хвостов” требует повышения яркости лазера, что и было осуществлено в наших экспериментах.
Оптические диагностики для исследования по физике ускорителей, описанные в диссертации, были развиты на ускорительном комплексе ВЭПП-
10
4, включающем в себя бустер ВЭПП-3 и электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-4М [113]. Обе установки, повторно введенные в строй после серьезной аварии (пожара) в 1985 г, были оснащены оптическим диагностиками [114], которые существенно модернизированы и дополнены автором.
Ускоритель ВЭПП-3 используется как бустер коллайдера ВЭПП-4М и, независимо, как источник синхротронного излучения. Коллайдер ВЭГ1П-4М, помимо работы на физику высоких энергий совместно с детектором КЕДР [115], также работает в качестве источника синхротронного излучения (СИ). Комплекс ВЭПП-4М относится к установкам, работающим в круглосуточном режиме, что предъявляет к диагностикам особые требования. Оптические диагностики, действующие на комплексе, основаны на регистрации синхротронного излучения из поворотных магнитов. Они позволяют измерять размер электронного и позитронного пучков, контролировать их положение в точке излучения [116], следить за возникновением фазовых колебаний, измерять бетатронные частоты [117]. Все эти данные необходимы во время рутинной работы коллайдера по набору статистики в экспериментах с КЕДРом [170 - 177] и при обслуживании пользователей станций СИ. Одновременно, диагностики дают возможность заниматься исследованиями по физике ускорителей во время ускорительных смен: измерять энергетический разброс пучка [118, 139, 142], проводить исследование эффектов встречи и нелинейных явлений, например, динамики пучка при пересечении бетатронных резонансов [154, 157], исследовать «хвосты» пучка [119, 120].
Данная диссертация посвящена развитию методов томсоновского рассеяния и спектроскопии в экспериментах по взаимодействию РЭП с плазмой, а также созданию новых методик для исследований по физике ускорителей заряженных частиц.
Новизна диссертации заключается в следующем:
11
Впервые локальная функция распределения плазменных электронов определена в интервале энергий около 200 Тс.
Впервые с помощью нескольких независимых методик исследовано влияние высокочастотных турбулентных электрических полей на профиль спектральной линии На.
Впервые обнаружены ленгмЮровские каверны, вызванные нелинейными процессами диссипации турбулентных колебаний в плазме.
Впервые исследована динамика поперечного профиля электронного пучка в ускорителе на протяжении более 130 тысяч оборотов с одпооборотным временным разрешением.
Впервые исследовано образование «хвостов» электронного пучка в циклическом ускорителе вследствие рассеяния на остаточном газе при помощи оптического коронографа.
Автором выносятся на защиту:
1. Диагностические комплексы на основе рубинового и неодимового лазера.
2. Спектроскопические диагностики на основе интерферометра Фабри-Перо и метода внутрирезонаторной лазерной спектроскопии для исследования контура линии Н„, результаты экспериментального исследования влияния турбулентных полей на контур линии На.
3. Результаты экспериментального исследования динамики температуры и плотности плазмы, нагретой РЭП, а также детального изучения параметров функции распределения электронов плазмы.
4. Оптический коронограф для исследования «хвостов» пучка в ускорителе ВЭПП-3 и проведение с ним экспериментов.
5. Монитор профиля электронного пучка с пооборотным временным разрешением и проведение с ним экспериментов по физике ускорителей.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1], [11], [12], [90], [103], [111], [117], [118], [121], [122], [123], [157], [158], [178] из списка ВАК.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДИК
1. 1. Диагностические методы в экспериментах но физике плазмы Методика лазерного рассеяния на угол 90°
Рассмотрим некоторые результаты теории рассеяния света в плазме, имеющие отношение к проведенным экспериментам.
При рассеянии плоскополяризованной электромагнитной волны с амплитудой Ею на электроне, двигающемся со скоростью Д = Р/с, среднее по времени значение мощности, рассеянной в телесный угол сЮ. (рис. 1.1), равно
Р,(№ = (с£2г02<Ю/8/г)[.? х(.«х£,.о)р,
сдвиг частоты равен
=(£,-£,)•? =<у,(
\-$-р
В нсрелятивистском случае |А:| * 2к1ът{0!2), где к19к$у <о5 - волновые
векторы и частоты падающей и рассеянной волны, в - угол рассеяния.-
При рассеянии на плазме вид спектра рассеяния определяется параметром Солпитера а= }^г , где г0 - дебаевский радиус. В дальнейшем мы
ограничимся случаем а« 1, т.е. некогереитным рассеянием, т.к. это неравенство выполняется в наших экспериментальных условиях.
Если излучение рассеивается на N электронах, находящихся в объеме V с функцией распределения по скоростям /(»>), то уровень мощности рассеянного излучения в частотном интервале со5 +со5 +сісо! пропорционален числу электронов, имеющих составляющую скорости вдоль к в диапазоне от Гк Д° ук+^к- Полная мощность излучения, рассеянного в телесный угол СІО в направлении ^
Р,{Я,со,)<1со,с1С1 = Ы{Р,1А)г^ах ДОгіуЛу*.,-П^тсо,-Ші)-П^)] *(1.1) Для р «1, а также в случае а«\ можно считать к постоянной , т.е.
Р^Я^сІсо^П^ЩР^АУЇсіОх \\\<іух<Ьу(Ь>: -<у,)-£•?)], (1.2)
где длина рассеивающего объема (V = АЬ). Таким образом, частотный сдвиг рассеянного излучения, записанный через допплеровский сдвиг а>5 - су, повторяет форму функции распределения по скоростям в направлении дифференциального рассеивающего вектора Л. Если электроны имеют максвелловское распределение по скоростям, то выраженный через сдвиг ДЯ = ЯЛ спектр рассеянного света имеет вид [31]:
Р;г£(1С1пЛ л 9 г — гр-К/?" (ІЛ*
Ря (Я,Л,)<ІЛ5<1П = ° *---[* X(5 X £ю)]2 £схр(- С ^.
2тгіи5Іпг(0/2) я 4у/є Д/ біп (#/2) М
а в координатах 1п(Д) от (ЛЯ)2 - это прямая с тангенсом угла наклона Є = -с2(4у2є •Лі -$\п2(0/2)), где уТе - тепловая скорость электронов. Если Лі и Л5 выражены в ангстремах, то 0=-2.68- \0~ъ/Те(эВ) для Я,- =6943 А (рубиновый лазер) и С = -4.56-10"3 /Те для Я,-= 5268 А (вторая гармоника неодимового
лазера). При обработке результатов измерений прямая вписывалась в экспериментальные точки методом наименьших квадратов.
Известной особенностью экспериментов по нагреву плазмы РЭП является неравновесный вид функции распределения электронов [14]. При этом большая часть энергии, переданной пучком плазме, содержится в сверхтспловых “хвостах” функции распределения. РЭП, за счет черепковского механизма, возбуждает ленгмюровские колебания с фазовой скоростью, равной скорости пучка. Их волновой вектор /с, = сор(./с .«сорс/уТе. Вследствие
нелинейных процессов [5-7], [32], одним из которых может быть
ленгмюровский коллапс [33], [34], происходит перекачка колебаний в коротковолновую область т.е. в область больших значений векторов Л, где происходит их поглощение электронами плазмы. Целыо физических экспериментов на установке “ГОЛ-М” являлось исследование деталей механизма взаимодействия РЭП с плазмой, в том числе и спектра ленгмюровской турбулентности как в резонансной области, где происходит накачка колебаний, так и в нерезонансной, где они поглощаются. Соответственно, необходима информация о функции распределения электронов плазмы в возможно более широком энергетическом интервале. Если нагрев основной массы электронов (“керна”) можно измерить с помощью томсоновского рассеяния па угол 6 =90°, то для определения характеристик хвостов необходимо использовать рассеяние на малый угол в « 1.
Преимущества малоуглового рассеяния заключаются в следующем [36]:.
- Во-первых, как видно из (1.1), ширина спектра рассеянного излучения пропорциональна зш(<9/2). Для 0 = 8°, как в наших экспериментах, это соответствует сжатию спектра в 10 раз по сравнению с рассеянием па 90°. Пропорционально возрастает превышение спектральной плотности полезного сигнала над спектральной плотностью фонового излучения плазмы, что весьма существенно при измерениях параметров плазмы, нагреваемой РЭП, т.к.
- Київ+380960830922