Разработка конверсионной системы инжекционного комплекса ВЭПП-5

Источники позитронов существуют во всех лабораториях мира, работающих со встречными электрон-позитронными пучками. Строительство нового поколения ускорительных установок с высокой светимостью, в частности строительство в Институте ядерной физики СО РАН Ф-фабрики и С-ТАУ фабрики, выдвигает требования создания высоко интенсивных источников позитронов, которые призваны обеспечить новые установки необходимым для их нормальной работы количеством частиц.

Наиболее распространенная и общепринятая схема позитронного источника базируется на использовании линейных ускорителей [1−4]. Данная схема позитронного инжектора обычно включает в себя два линейных ускорителя. Первый линейный ускоритель предназначен для получения, формирования и ускорения электронного сгустка до требуемой энергии конверсии. Далее расположен конверсионный узел, который служит для получения и формирования позитронного сгустка. Второй линейный ускоритель ускоряет до требуемой энергии уже сформированные позитронные сгустки.

Для создания высоко интенсивных позитронных источников во всех лабораториях мира используют первичные электронные сгустки с энергией от нескольких ГэВ до нескольких десятков ГэВ [2,3,5,6]. Эффективность преобразования первичных электронов в позитроны характеризуют коэффициентом конверсии, который показывает число позитронов, вылетающих из конверсионной мишени, нормированное на число первичных электронов и на их энергию в ГэВ. Данная величина составляет 2.2 позитрона на один электрон и на один ГэВ.

Наибольший коэффициент сбора позитронов — число позитронов, транспортированное до места встречи, нормированное на число электронов и на их энергию в ГэВ, достигнутый на сегодняшний день, составляет 3.0%ГэВ~г [7].

В разрабатываемых на сегодняшний день высоко интенсивных источниках позитронов увеличение коэффициента сбора позитронов достигается путем оптимизации конверсионной мишени и согласующего устройства.

Цель проделанной работы заключалась в исследовании возможности создания высоко интенсивного источника позитронов на малых энергиях конверсии (300 МэВ) для ин-жекционного комплекса Ф, С-ТАУ фабрик, а также в разработке отдельных элементов конверсионного узла.

В первой части данной работы рассмотрен источник позитронов в общей схеме форин-жектора инжекционного комплекса ВЭПП-5. Описаны основные элементы форинжектора, приведены требования к позитронному источнику инжекционного комплекса. Описана конструкция конверсионного узла и основные элементы.

Вторая часть посвящена процессу получения позитронных сгустков — электрон-по-зитронной конверсии. Первый пункт посвящен выходу позитронов из конверсионной мишени — коэффициенту конверсии при разных значениях энергии первичного электронного сгустка. В нем приведены аналитические зависимости для числа позитронов, выходящих из конверсионной мишени от энергии электронного сгустка. Данная зависимость сравнена с результатами моделирования электро-магнитных ливней в веществе мишени. Второй пунткт посвящен вопросу выбора оптимальной толщины конверсионной мишени для получения наибольшего выхода позитронов. Проведены численные моделирования для разной толщины мишени и разных энергий первоначального электронного сгустка. Полученные результаты сравнены с аналитической и эмпирической зависимостями. Исследована зависимость числа позитронов, вышедших из конверсионной мишени, от значений энергии первоначального электронного сгустка и от ее толщины. Третий пункт посвящен распределениям позитронного сгустка после мишени. Здесь приводятся энергетический спектр позитронного сгустка при разных значениях энергий первоначального электронного сгустка и энергетическо-угловое распределение позитронного сгустка. В Четвертом пункте приведены радиальные распределения позитронов после конверсионной мишени. Обсуждаются вопросы, связанные с проблемой теплового повреждения мишени, и вопросы, связанные с фокусировкой первоначального электронного сгустка.

Третья часть работы посвящена согласующему устройству, применяемому для сбора позитронов. В ней рассмотрены согласующие устройства с продольным магнитным полем и приведено сравнение их свойств. В первом пункте приведены уравнения движения заряженной частицы в продольном магнитном поле согласующего устройства. Во втором пункте приведены инварианты при движении в поле согласующего устройства и поле и в соленоида сопровождения. В третьем пункте приведено решение уравнения движения без всяких допущений относительно адиабатичности поведения поля согласующего устройства. Четвертый пункт посвящен условию успешного захвата позитронов. В пятом пункте рассмотрено апертурное ограничение, накладываемое на захватываемые позитроны — акцептанс согласующего устройства. Акцептанс рассмотрен в общем виде, а также рассмотрено условие при котором он может быть разделен на два независимых между собой акцептанса — угловом и радиальном. Шестой пункт посвящен фазовым ограничениям, связанным с длиной позитронного сгустка. Здесь же рассмотрено удлинение позитронного сгустка при движении в поле согласующего устройства. Седьмой пункт посвящен оценкам захваченного числа позитронов. Приведены оценки числа захватываемых позитронов с учетом обеспечения требуемого энергетического разброса в позитронном сгустке. Описаны основные факторы, которые необходимо учитывать при проведении таких оценок.

В четвертой части данной работы рассмотрена динамика позитронов в ускоряюгце-фокусирующих полях согласующего устройства, соленоида сопровождения и первой ускоряющей секции на основе численного решения уравнений движения. В первом пункте обсуждается проблема сшивки магнитных полей, создаваемых различными элементами фокусирующего канала. Также отмечены преимущества использования декартовой системы координат для численного решения системы уравнений движения. Второй пункт содержит схему численного счета уравнений движения. Здесь же приведено краткое описание программы численного расчета динамики позитронов. Третий пункт посвящен сравнению характеристик согласующих устройств, полученных аналитическими методами в предыдущей главе, с результатами численного моделирования. В первом подпункте сравниваются апертурные ограничения углового акцептанса при разных параметрах согласующих устройств, таких как его длина и значение максимального поля. Второй подпункт посвящен сравнению фазовых ограничений в приближении бесконечно короткого — точечного сгустка частиц. В третьем подпункте приведены удлинения позитронного сгустка после прохождения согласующего устройства и первой ускоряющей секции. Четвертый подпункт посвящен фазово-энергетическому распределению сгустка позитронов после первой ускоряющей секции в зависимости от начальной фазы ускорения. В четвертом пункте данной главы приведены численные оценки числа захватываемых позитронов, используя программу трассировки частиц. Предложено рассматривать область захватываемых позитронов на фазово-энергетической плоскости как прямоугольник, обеспечивающий требуемый энергетический разброс в сгустке на выходе позитронного линейного ускорителя. В первом подпункте проведено сравнение числа захваченных позитронов в зависимости от длины поля согласующего устройства для разных значений максимального поля. Второй подпункт посвящен оптимизации положения конверсионной мишени. Исследована зависимость числа захваченных позитронов при продольном смещении мишени от положения максимума поля согласующего устройства.

Пятая глава данной работы содержит численные результаты моделирования динамики позитронов в реальных полях согласующего устройства — полях, создаваемых концентратором потока. По своей структуре данная глава аналогична предыдущей. Первый пункт посвящен угловому акцептансу согласующего устройства при учете реальных полей. Во втором пункте рассмотрены фазовые ограничения в приближении точечного сгустка. Третий пункт содержит результаты моделирования удлинения сгустка после прохождения первой ускоряющей секции. Четвертый пункт посвящен фазово-энергетическому распределению позитронного сгустка после первой секции. В пятом пункте проведена оптимизация положения конверсионной мишени относительно положения максимума поля концентратора потока. Также исследована зависимость захваченных позитронов от угла раскрыва внутреннего конуса концентратора потока и его удаления от ускоряющей секции. Шестой пункт посвящен инжекции позитронного сгустка в охладитель-накопитель. Здесь проведено сравнение предложенным ранее способом оценки области захвата позитронов на фазово-энергетической плоскости в виде прямоугольника с более точными выражениями. Данные сравнения сделаны при учете требуемого энергетического разброса в сгустке позитронов при средней энергии частиц 510 МэВ. В первом подпункте рассмотрена ин-жекция позитронного сгустка в охладитель-накопитель при использовании специального устройства, уменьшающего энергетический разброс в сгустке позитронов — дебанчера-монохроматора. Приведены спектры позитронного сгустка до прохождения дебанчера-монохроматора и после него. Также приведена зависимость энергетического разброса в сгустке позитронов после прохождения дебанчера-монохроматора от начального энергетического разброса после линейного ускорителя и длины позитронного сгустка. Проведена оптимизация параметров дебанчера-монохроматора, таких как продольная дисперсионная функция и максимальная энергия, набираемая в ускоряющей секции данного устройства. Оптимизация проводилась с целью достижения наибольшего числа захватываемых позитронов.

Шестая глава работы посвящена разработке элементов конверсионного узла. Первый пункт, содержащий несколько подпунктов, описывает расчет импульсного поля согласующего устройства — трансформатора потока в квазистационарном приближении. Здесь проведено сравнение нескольких методов решения задачи диффузии магнитного поля в проводники. Первый подпункт посвящен построению сеточной области для решения поставлен8 ной задачи с целью геометрического разрешения конфигурации проводников и процесса проникновения импульсного магнитного поля в проводники. Второй подпункт посвящен дискретизации уравнений вектор-потенциала магнитного поля в области расчетной сетки, занятой проводниками для случая их аксиальной симметрии. Третий подпункт описывает алгоритмы и методы решения разностного уравнения Лапласа. Основное внимание уделено итерационным методам решения с использованием ускоряющих множителей и метода измельчения расчетной сетки. В четвертом подпункте описан алгоритм расчета импульсных магнитных полей в случае аксиальной симметрии задачи и учета поправок, вносимых разрезом, приведена блок-схема построения программы расчета полей в квазистационарном случае. Второй пункт шестой главы описывает результаты измерения импульсного магнитного поля макета концентратора потока, изготовленного в увеличенном масштабе. Проведены измерения продольной и перпендикулярной составляющих магнитного поля в зависимости от расстояния до оси в плоскости цели разреза и в зависимости от угла поворота относительно плоскости щели разреза. Третий пункт описывает измерения магнитного поля прототипа импульсного магнита согласующего устройства конверсионного узла и сравнение с расчетным полем.

В заключении приводятся основные результаты и выводы из проделанной работы.

Основные результаты и выводы из проделанной работы.

1) Рассчитаны распределения позитронов и выбраны оптимальные параметры конверсионной мишени, в частности:

• рассмотрены распределения позитронов, выходящих из конверсионной мишени;

• получены основные — наиболее важные распределения позитронов на которые следует обращать внимание при разработке конверсионной системы;

• рассмотрен процесс тепловыделения в материале конверсионной мишени;

• проведены сравнения результатов аналитических оценок для полного числа позитронов, выходящих из конверсионной мишени, с результатами численного моделирования и оптимальной толщины конверсионной мишени.

2) Описаны основные механизмы и факторы, приводящие к ограничению на число захватываемых позитронов:

• в общем виде получена квадратичная форма акцептанса согласующего устройства;

• описаны свойства согласующего устройства, полученные аналитическим методом, для случая неадиабатического изменения его поля, рассчитаны максимальные захватываемые углы и максимальный радиальный размер позитронного источника;

• описаны ограничения, накладываемые на захватываемые позитроны, связанные с удлинением позитронного сгустка при движении, а полях согласующего устройства, соленоида сопровождения и в ускоряющем поле СВЧ-волнына основе рассмотренных ограничений предложена процедура численной оценки числа захватываемых позитронов.

3) Проведено численное моделирование динамики позитронов в ускоряюще-фокусиру-ющих полях согласующего устройства, соленоида сопровождения и ускоряющей секции:

• учтено влияние реальных полей, создаваемых концентратором потока, на число захватываемых позитронов и отличие от идеализированных полей согласующего устройства, применяемых для аналитических расчетов его свойств;

• оптимизировано положение конверсионной мишени относительно положения максимума поля согласующего устройства;

• оценено число позитронов, ускоренное до требуемой средней энергии, с учетом обеспечения требуемого энергетического разброса в сгустке для разных параметров согласующего устройства;

• на основе предыдущих пунктов выбраны параметры согласующего устройства, обеспечивающие достижение наибольшего числа захваченных позитронов.

4) Проведены расчеты и измерения концентратора потока:

• предложен и реализован численный метод расчета концентратора потока в квазистационарном приближении;

• изготовлен и измерен прототип импульсного магнита конверсионной системы инжек-ционного комплекса.

Научная и практическая значимость работы. Полученные распределения позитронов и выделенные основные распределения дают дополнительные представления об ограничениях накладываемых на захватываемые позитроны, а также дополняют методы численной оценки числа захватываемых частиц, использующие трассировку. Полученные выражения для максимальных углов, захватываемых согласующим устройством, без всяких допущений относительно поведения магнитного поля, дают возможность применять их в довольно широких вариациях значений максимального магнитного поля и длины согласующего устройства. Успешная реализация конструкции прототипа импульсного магнита, а так же достигнутое, в ходе его испытаний, наибольшее магнитное поля для типа устройств позволяют использовать его как образец для изготовления согласующего устройства конверсионного узла ижекционного комплекса ВЭПП-5.

Выше приведенные факторы дают возможность надеяться на успешную реализацию позитронной программы в рамках создания инжекционного комплекса ВЭПП-5 и для других ускорительных комплексов, эксплуатируемых в ИЯФ СО РАН.

Заключение

.