Оптоволоконный датчик потерь пучка на основе черенковского излучения для Инжекционного комплекса ВЭПП-5
Оглавление
Стр. Введение
Глава 1. Выбор системы диагностики потерь пучка для Инжекционногокомплекса
1.1 Обзортиповдатчиковпотерьпучка
1.2 Предъявляемые требования к датчику потерь пучка на Инжекционномкомплексе
1.3 Принцип работы оптоволоконного датчика потерь пучка . . . .
1.4 Исторический обзор использования оптоволокна в качестве датчикапотерьпучка
Глава 2. Анализ физических процессов, лежащих в основе работыдатчика
2.1 Взаимодействиеэлектроновсвеществом . . . . . . . . . . . . .
2.2 ИзлучениеВавилова-Черенкова
2.3 Прочие механизмы излучения равномерно движущихся зарядов
2.4 Распространениесветавоптоволокне
2.4.1 Структура оптических волокон, их разновидности и классификация
2.4.2 Лучевая теория распространения света . . . . . . . . . .
2.4.3 Затуханиесигнала
2.4.4 Дисперсиясигнала
2.4.5 Межсимвольная интерференция сигналов . . . . . . . . .
2.4.6 Радиационная стойкость оптоволокна . . . . . . . . . . .
2.5 Особенности распространения излучения Вавилова-Черенкова в оптоволокне
2.5.1 Эффективностьзахватаизлучения . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Числофотоновнавыходеизоптоволокна . . . . . . . .
2.5.3 Затуханиеизлучения
2.6 Выводыкглаве2
3
Стр. Глава 3. Численное моделирование работы датчика . . . . . . .
3.1 Описаниечисленноймодели
3.2 Калибровкасигнала
3.3 Условие генерации излучения и применимости датчика . . . . .
3.4 Влияниеполямагнитовналивень
3.5 Зависимость интенсивности ливня от параметров пучка . . . . .
3.6 Распределение электронной компоненты ливня по поверхности
вакуумнойкамеры
3.7 Продольное угловое распределение электронной компоненты
ливня
3.8 Вероятность захвата черенковского излучения в оптоволокно и
световыход
3.9 Длительность и профиль выходного светового импульса . . . .
3.10 Влияние дисперсии на длительность выходного светового
импульса
3.11Выводыкглаве3
Глава 4. Выбор оптимальных элементов датчика и способов регистрациипотерь
4.1 Выбороптимальногооптоволокна
4.1.1 Измерение дисперсии в разных типах оптоволокна . . .
4.1.2 Дисперсия и затухание сигнала в пластиковом оптоволокне
4.1.3 Измерение пропускной способности облученного пластиковогооптоволокна
4.2 ВыбороптимальногоФЭУ
4.2.1 ФЭУнамикроканальныхпластинах. . . . . . . . . . . .
4.2.2 КремниевыйФЭУ
4.3 Оцифровкасигнала
4.4 Способырегистрациипотерь
4.4.1 Направление регистрации оптического сигнала . . . . . .
4.4.2 Комбинацияизчетырехдатчиков
4.4.3 Вывод излучения посредством коллиматора . . . . . . .
4.5 Оценкапорогачувствительностидатчика . . . . . . . . . . . . .
4.6 Выводыкглаве4
4
Стр. Инжекционномкомплексе
5.1 Описаниеэкспериментальнойустановки. . . . . . . . . . . . . .
5.2 Алгоритмобработкисигнала
5.3 Программаконтроляпотерьпучка………………101 5.4 Пример использования датчика в каналах выпуска . . . . . . .
5.5 Пооборотные измерения в накопительном кольце . . . . . . . .
5.6 Выводыкглаве5 ………………………109
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Списоксокращенийиусловныхобозначений . . . . . . . . . . . .
Списоклитературы ………………………..114
Во введении обосновывается актуальность исследований, прово- димых в рамках данной диссертационной работы, формулируется цель,
ставятся задачи работы, излагается научная новизна и практическая зна- чимость представляемой работы.
Первая глава посвящена выбору системы диагностики потерь пучка для ИК ВЭПП-5. Приводится обзор наиболее подходящих типов датчиков потерь пучка. Перечисляются требования, предъявляемые к датчику по- терь пучка на ИК ВЭПП-5.
Описывается принцип работы выбранного оптоволоконного датчи- ка потерь пучка. Датчик размещается с внешней стороны вакуумной камеры ускорителя и регистрирует черенковское излучение, генерируе- мое в оптическом волокне вторичными заряженными частицами, которые образуются при взаимодействии теряемого пучка с веществом стенки вакуумной камеры и окружающих элементов ускорителя. Черенковское излучение распространяется по оптоволокну и регистрируется при помо- щи фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Сигнал с ФЭУ оцифровывается при помощи АЦП. Время прихода светового импульса дает информацию о месте потери пучка, а его интенсивность – о количестве потерянных частиц. Световой импульс можно регистрировать с обоих торцов оптоволокна. Схе- ма датчика представлена на рисунке 1. Приводится исторический обзор использования оптоволокна в качестве датчика потерь пучка.
Стенка ваккумной камеры
ФЭУ
ФЭУ
Старт
Пучок Электромагнитный ливень
Оптоволокно
Распространение черенковского излучения
Старт
АЦП
Рис. 1 — Схема оптоволоконного датчика потерь пучка. Запуск АЦП осуществляется внешним синхроимпульсом, привязанным к моменту инжекции/выпуска пучка
Во второй главе приводится анализ физических процессов, лежа- щих в основе работы датчика и влияющих на его способность определять место потери пучка в ускорителе и количество потерянных частиц. К таким процессам относятся взаимодействие теряемых электронов пучка с веще- ством стенки вакуумной камеры, генерируемое в оптоволокне черенковское излучение и механизм передачи излучения по оптоволокну.
Подробно описывается устройство оптоволокна, рассматриваются су- ществующие типы оптоволокон и физические процессы, влияющие на
АЦП
качество передачи светового импульса. Для исследования влияния па- раметров оптоволокна на распространение излучения и на световыход, используется лучевая теория распространения света. Особое внимание уделено передаче черенковского излучения по оптоволокну с учетом осо- бенностей его генерации и спектра излучения. Механизм распространения излучения рассматривается на примере многомодового оптоволокна со сту- пенчатым профилем показателя преломления.
Третья глава посвящена результатам численного моделирования процесса регистрации потерь пучка при помощи датчика потерь для структуры ИК ВЭПП-5. Результаты моделирования различных сценариев потерь пучка с параметрами, максимально близко подобранными к пара- метрам ИК ВЭПП-5, позволяют определить, какими характеристиками должен обладать датчик, в каком месте его следует разместить и каким способом регистрировать сигнал.
Поскольку практически невозможно измерить точную эффектив- ность любого датчика потерь пучка за счет неопределенности места потери и наличия углового разброса электромагнитного ливня, численное модели- рование необходимо для абсолютной калибровки сигнала с точки зрения отношения величины сигнала к количеству потерянных частиц. Числен- ное моделирование выполнено при помощи программы FLUKA на основе метода Монте-Карло.
Приведены угловое, энергетическое и поперечное распределения элек- тронной компоненты электромагнитного ливня при падении пучка на стенку вакуумной камеры. Также показано распространение черенковского излучения по оптоволокну в зависимости от угла падения пучка на стенку вакуумной камеры и диаметра оптоволокна. Показаны временная структу- ра светового импульса и влияние дисперсии в оптоволокне на длительности светового импульса на выходе из оптоволокна.
В результате моделирования физических процессов, положенных в основу принципа работы оптоволоконного датчика потерь пучка, были определены условия применимости датчика, процессы, существенным об- разом влияющие на его пространственное разрешение, и были рассчитаны коэффициенты для калибровки сигнала датчика.
Четвертая глава посвящена выбору оптимальных элементов дат- чика и способов регистрации потерь. Приводятся результаты эксперимен- тального исследования разных типов оптоволокон, ФЭУ и АЦП с точки зрения оптимального пространственного разрешения датчика, его калиб- ровки, простоты и надежности использования.
Были протестированы четыре типа оптоволокна, различающихся по материалу сердцевины, профилю показателя преломления и количеству передаваемых мод излучения. Для каждого из них было измерено значе- ние дисперсии. Измеренная дисперсия света наряду с расчетной величиной дисперсии для каждого типа оптоволокна приведена в таблице 1.
Таблица 1 — Основные параметры исследуемых оптоволокон и получен- ные значения дисперсии
Название
Тип Профиль Материал
Broadcom, HFBR-RUS
Многомодовое Ступенчатый Пластик
Thorlabs, FG550UEC
Многомодовое Ступенчатый Кварц
Fiberware, G 400/560A
Многомодовое Градиентный Кварц
Fiberware, SM 400/125PI
Одномодовое Ступенчатый Кварц
Расчетная дисперсия, нс/м
0.27
0.15
0.1
≤0.1
Измеренная дисперсия, нс/м
0.24 ± 0.02
0.17 ± 0.01
0.16 ± 0.02
0.17 ± 0.03
Установлено, оптимальным типом оптоволокна с точки зрения про- странственного разрешения, затухания, радиационной стойкости и меха- нической прочности является кварцевое многомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 550 мкм. С точки зрения стоимости самый лучший вариант – пластиковое оптоволокно. В зависимости от бюджета оба эти варианта являются опти- мальными. Для пластикового оптоволокна оптимальная длина составляет примерно 30 м, для многомодового кварцевого – 40 м.
На примере пластикового оптоволокна было изучено влияние иони- зирующего излучения на качество передачи светового импульса. Был определен срок его эксплуатации при типичной мощности дозы на ИК ВЭПП-5, порядка 100 Гр/год, который составил около пяти лет, при этом уровень оптического сигнала падает не более, чем на треть.
Показано, что регистрируя световой сигнала с торца оптоволокна, расположенного в направлении, противоположном направлению движе- ния пучка, пространственное разрешение датчика лучше в 3–5 раз по сравнению с противоположным торцом. Полученные в эксперименте рас- пределения потерь электронного пучка при регистрации с двух торцов кварцевого многомодового оптоволокна представлены на рисунке 2.
Приводится экспериментальное сравнение разных типов фотодетек- торов, наиболее оптимальных для датчика потерь. Показано, что одним из наиболее подходящих типов является ФЭУ на микроканальных пластинах, который обладает минимальными временными характеристиками. Его вре- менной вклад в результирующую длительность импульса с датчика потерь составляет 3.5 нс.
Также было проведено сравнение оцифровки сигнала при помощи АЦП с разными временными характеристиками. И показано, что для оцифровки сигнала потерь пучка достаточно использовать АЦП с поло- сой пропускания 200 МГц и частотой дискретизации 500 Мвыб/с.
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
– 0.5
НПарпортиавлнеанпире. “1” НПаопнрапврл.епнуичека“2”
Г
Б
Потери пучка, отн.ед.
SM
A B 3M1 3M2 3M3 3M4 3M5 5M1 5M2
0 5 10 15
s, м
Рис. 2 — Потери пучка электронов, полученные с двух торцов кварцевого
многомодового оптоволокна: красным – с торца, расположенного в направ- лении «1» (в направлении движения пучка), синим – в направлении «2» (в противоположном направлении)
Показано, что комбинация из четырех датчиков, равноудаленных друг от друга по периметру вакуумной камеры, позволяет определять ме- ста потерь пучка в поперечной плоскости относительно его направления движения. На рисунке 3а приведены сигналы потерь, полученные при по- мощи такой комбинации. Используя операции суммирования/вычитания четырех сигналов, можно определить азимутальное место потерь. Как изображено на рисунке 3б, местоположение потери определено в правом нижнем квадранте. Локализация мест потерь с точностью до квадранта является достаточной при первичной проводке пучка.
Кроме того, в рамках задачи оптимального способа регистрации по- терь пучка рассмотрена эффективность ввода излучения из оптоволокна в ФЭУ при помощи оптического коллиматора.
Проведенная в данной главе экспериментальная оценка порога чув- ствительности датчика показала, что он способен регистрировать потери пучка ∼ 1 пКл. Такая пороговая чувствительность с запасом удовлетворя- ет требованию к использованию датчика на ИК ВЭПП-5 и в дальнейшем позволит использовать аналогичный датчик для строящегося источника синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ» и регистри- ровать потери на уровне 3 % от заряда сгустка в односгустковом режиме работы комплекса.
0.00
верх
Y’ No3 X’
– 0.01
а)
лево
No2
– 0.02
– 0.03
– 0.04
0 5 10 15 20
право
No1
Y
X
направление пучка в плоскости рисунка
Y
верх
Y’ No3 X’
1.0
0.5
t, нс
const
лево
No2
право
No4
X’=|U1+U3|−|U2+U4|
X’ Y’
Y ‘=|U2+U3|−|U1+U4| const
б)
0.0
– 0.5
– 1.0
0 5 10 15 20
t, нс
No1
No2 No3 No4
No4
направление пучка в плоскости рисунка
tgα
No1
X
Рис. 3 — а) Сигналы с четырех датчиков при потере пучка электронов путем его отклонения вправо и схема азимутального расположения опто- волокон на поверхности вакуумной камеры; б) Огибающие сигналов с четырех датчиков и схематичное изображение места потери пучка
В пятой главе описываются особенности практического применения оптоволоконного датчика потерь на ускорителе ИК ВЭПП-5. Демонстри- руется успешная работа оптимизированного датчика, рассчитанного на работу в составе каналов выпуска электронов и позитронов, а также цик- лического накопителя. Приводится описание программного обеспечения, которое интегрировано в общую систему автоматизации всего ускоритель- ного комплекса и позволяет контролировать потери пучка в ускорителе в режиме реального времени.
Для контроля потерь пучка и их минимизации при его проводке до потребителей приоритетной задачей была установка системы датчиков по- терь в каналах выпуска электронов и позитронов. Настройка проводки
U / U0, отн.ед.
U, В
пучка по этим каналам является нетривиальной, поскольку транспорти- ровка пучков осуществляется сразу в вертикальной и горизонтальной плоскостях. На рисунке 4 показаны схема расположения датчиков потерь пучка в каналах транспортировки ИК ВЭПП-5 и все элементы системы диагностики.
Высоко- вольтный источник питания
синхроимпульс
АЦП
ФЭУ на МКП Высокое напряжение
Оптоволокно
к АЦП, коаксиальный кабель 50 Ом
4M4 4M5
3M5
e+
5M1
4M1 SM1
e-
3M3 5M2
6M1
ФЭУ ФЭУ
SM2
6M2 6M4 6M3
5M3
5M4
а) б)
Рис. 4 — а) Схема расположения датчиков потерь пучка в каналах транс- портировки ИК ВЭПП-5, б) Элементы системы диагностики потерь
Для обработки сигналов с датчиков написана клиентская программа, которая позволяет оператору в режиме реального времени контролировать потери пучка вдоль структуры, производя при этом подстройку транспор- тировки пучка до потребителей. Программа синхронизована с текущим режимом комплекса (сорт частиц/потребитель) и позволяет управлять на- пряжением питания, подаваемым на ФЭУ.
На рисунке 5 показано основное окно программы, в котором отоб- ражается информация о местах потерь пучка вдоль каналов выпуска и о количестве теряемых частиц, соответствующему каждому месту потерь.
Пространственное разрешение датчика составило, как и требовалось, менее 1 м. Расчетное значение теряемых частиц, вычисленное при помо- щи численного моделирования процессов генерации сигнала и калибровки ФЭУ, по порядку величины получилось верным. Поскольку для каждого события расчетные значения количества теряемых частиц учитывают эф- фект затухания света в оптоволокне, зависимость коэффициента усиления
Рис. 5 — Основное окно программы системы диагностики потерь пучка в каналах выпуска ИК ВЭПП-5
ФЭУ от напряжения питания и нормированы на накопленный ток пучка, они сопоставимы между собой.
Было также произведено сравнение количества теряемых частиц, по- лученных при помощи датчика потерь, со значениями, полученными на основе информации с датчиков положения пучка (пикапов). Получено, что точность расчетных значений потерь пучка при помощи датчика потерь по порядку величины схожа с точностью имеющихся на данный момент пика- пов. При этом датчик потерь за счет своей распределенной конструкции дает подробную информацию о местоположении потерь.
Приводятся результаты использования датчика потерь в накопителе- охладителе ИК ВЭПП-5. Показано, что датчик способен регистрировать потери пучка на нескольких оборотах после инжекции и может быть ис- пользован как инструмент для его запуска и наладки.
В заключении сформулированы основные результаты работы, кото- рые заключаются в следующем:
1. Был разработан оптоволоконный датчик потерь пучка и введен в эксплуатацию на однопролетных и кольцевых участках ИК ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН.
2. В результате численного моделирования и расчетов физических процессов, положенных в основу принципа работы оптоволоконно- го датчика потерь пучка, были определены условия применимости датчика, процессы, существенным образом влияющие на его про- странственное разрешение, и были рассчитаны коэффициенты для
калибровки сигнала с датчика. Расчетная абсолютная величина
потерь пучка получилась верной по порядку величины.
3. Были экспериментально изучены свойства различных типов опто- волокон. Установлено, оптимальным типом оптоволокна с точки зрения пространственного разрешения, затухания, радиационной стойкости и механической прочности является кварцевое мно- гомодовое оптоволокно со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 550 мкм. Оптимальная дли-
на отрезка оптоволокна составляет примерно 40 м.
4. Экспериментально показано, что среди фотодетекторов одним из наиболее подходящих типов является ФЭУ на микроканальных пластинах, который обладает минимальными временными харак- теристиками. Временной вклад в результирующую длительность импульса с датчика потерь составляет 3.5 нс. Для оцифровки сигнала достаточно использовать АЦП с полосой пропускания
200 МГц и частотой дискретизации 500 Мвыб/с.
5. Было установлено, что регистрируя световой сигнала с торца
оптоволокна, расположенного в направлении, противоположном направлению движения пучка, пространственное разрешение дат- чика потерь пучка лучше в 3–5 раз по сравнению с противопо- ложным торцом. Оптимизация параметров элементов датчика и способа регистрации сигнала позволила получить пространствен- ное разрешения датчика не хуже 1 м.
6. Было продемонстрировано, что комбинация из четырех датчиков, равноудаленных друг от друга по периметру вакуумной камеры, позволяет не только повысить чувствительность системы диагно- стики потерь, но и определить место потери пучка в поперечной плоскости относительно его направления движения с точностью не хуже квадранта.
7. Проведенная в данной главе экспериментальная оценка порога чувствительности датчика на основе ФЭУ на микроканальных пластинах показала, что он способен регистрировать потери пуч- ка ∼ 1 пКл. Такая пороговая чувствительность с запасом удовле- творяет требованию к использованию датчика на ИК ВЭПП-5.
8. В рамках представленного проекта было создано программное обеспечение для обработки сигналов с датчика в каналах выпус- ка электронов и позитронов ИК ВЭПП-5, которое интегрировано в общую систему автоматизации всего ускорительного комплекса. Данное программное обеспечение позволяет оператору ускори- тельного комплекса в режиме реального времени отслеживать распределение потерь пучка вдоль выбранного участка ускорите- ля и с хорошей эффективностью настраивать прохождение пучков по каналам К-500 до потребителей.
9. Представленные в данной работе результаты исследования подхо- дят для дальнейшего применения аналогичных датчиков потерь пучка на других электрон-позитронных установках. По результа- там диссертационной работы планируется использовать оптово- локонную систему диагностики потерь пучка, оптимизированную для работы в однопролетных участках строящегося источни- ка синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ» в г. Новосибирск и на линейных участках действующего коллай- дера ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН.
Начиная с 2015 г. Инжекционный комплекс (ИК) ВЭПП-5 [1–3] введен в эксплуатацию и обеспечивает высокоэнергетическими пучками электронов и позитронов два действующих коллайдера ИЯФ СО РАН. Коллайдеры ВЭПП-2000 [4] и ВЭПП-4М [5] представляют собою уникальные установки для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками вы- соких энергий.
Получая и накапливая пучки с энергией до 500 МэВ и интенсивностью до 1011 частиц, ИК ВЭПП-5 доставляет пучки по транспортным каналам К-500 [6] до потребителей. Типичная величина потерь интенсивности пучка в процессе его транспортировки до потребителей может достигать 50 %, поэтому продол- жается активная работа по улучшению производительности и стабильности ИК ВЭПП-5. Таким образом, от надежности функционирования комплекса напря- мую зависит эффективность работы коллайдеров ИЯФ СО РАН.
Диагностика потерь пучка важна на всех этапах работы ускорителя заря- женных частиц, начиная от его запуска и наладки и заканчивая оптимизацией потерь в режиме реального времени в процессе штатной работы установки. Для регистрации потерь используют датчики потерь пучка, которые размещают с внешней стороны вакуумной камеры в тех местах, где потери наиболее веро- ятны.
При пролете пучка заряженных частиц по ускорителю амплитуда коле- баний некоторых частиц может стать столь значительной, что приведет к их потере на стенке вакуумной камеры. В случае пучков релятивистских электро- нов либо позитронов, попадая на металлическую стенку вакуумной камеры, они генерируют электромагнитный ливень. Датчик регистрирует частицы ливня и тем самым определяет место потери пучка и количество потерянных частиц.
Во время запуска и наладки ускорителя система диагностики потерь поз- воляет минимизировать потери пучка либо полностью от них избавиться. В штатном режиме работы ускорителя, помимо оптимизации типичных потерь пучка, она позволяет регистрировать потери по причине аварийного выхода из строя какой-либо системы ускорителя (магнитной, вакуумной, высокочастотной и т. д.). В таком случае, система диагностики потерь работает как дозимет- рическая система для контроля уровня радиации в режиме онлайн и может производить сброс пучка по аварийному сигналу в случае величин потерь, по- тенциально опасных для элементов ускорителя и рабочего персонала.
В отсутствие выделенной системы диагностики потерь пучка, проводка пучка по ускорителю на ИК ВЭПП-5 осуществлялась по иным системам диа- гностики пучка (люминофорным экранам, датчикам положения пучка, датчику тока, цилиндру Фарадея и пр.). При этом на первичную проводку пучка при помощи диагностических устройств, как правило, уходило много пучкового вре- мени. Часть устройств, такие как люминофорные экраны, цилиндр Фарадея, разрушают пучок и при этом требуется существенное время на приведение их в рабочее положение. Настройка комплекса также усложнена тем, что си- стема диагностики пучка состоит из локальных датчиков, которые имеются в небольшом количестве, таким образом, между двумя датчиками располагается большое количество магнитных элементов, которые могут требовать настройки. Датчики положения пучка при первичной настройке ускорителя, для которой характерна большая величина потерь, являются ненадежным инструментом, т. к. под воздействием большой дозы радиации могут выдавать ложную ин- формацию.
Поэтому для минимизации потерь в процессе наладки и штатной работы ИК ВЭПП-5 возникла необходимость разработать и внедрить систему диагно- стики потерь пучка. В качестве такой системы было предложено использовать распределенные датчики потерь пучка на основе черенковского излучения в оптоволокне. Такая система позволила ускорить настройку комплекса и повы- сит эффективность его работы на потребителей.
Принцип работы оптоволоконного датчика потерь пучка основан на регистрации черенковского излучения, генерируемого в оптическом волокне релятивистскими заряженными частицами ливня. Черенковское излучение рас- пространяется по оптоволокну и регистрируется при помощи фотодетектора. Время прихода светового импульса на фотодетектор дает информацию о месте потери пучка, а его интенсивность – о количестве потерянных частиц.
Последние два десятилетия метод диагностики потерь пучка заряженных частиц на основе черенковского излучения в оптоволокне широко используется на крупных электронных ускорителях по всему миру. Толчком для развития данной методики послужило развитие оптоволоконной техники и начало мас- сового производства оптоволокон. Впервые использование оптоволокна в качестве датчика потерь пучка с быстрым откликом было осуществлено на установке KEK-PS в 2000 г. [7; 8]. После чего, начиная с 2002 г., многие ускорительные центры начали внедрять данную методику в качестве штатной системы диагностики потерь пучка: DESY на DELTA, FLASH [9;10], CERN – CLIC Test Facility 3 [11], RIKEN – Spring-8 X-FEL [12], SLAC – LCLS-II [13], FERMI – ELETTRA [14], ANSTO – ASP [15], Институт Кокрофта – ALICE [16] и другие. Однако для каждого конкретного ускорителя система диагностики потерь пучка разрабатывается с учетом тре- бований к точности обнаружения потерь и зависит от параметров ускорителя.
Целью данной работы является разработка оптоволоконного датчика по- терь пучка и ввод его в эксплуатацию на однопролетных и кольцевых участках ИК ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН. При этом разработка системы диагностики по- терь пучка предполагает исчерпывающее исследование основных процессов, лежащих в основе принципа работы датчика, для дальнейшего использова- ния аналогичных датчиков потерь пучка на других электронных установках. По результатам диссертационной работы планируется использовать аналогич- ную систему диагностики потерь пучка в однопролетных участках строящегося источника синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ», г. Но- восибирск.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Исследовать физические процессы, лежащие в основе принципа работы оптоволоконного датчика потерь пучка, чтобы определить особенности распространения черенковского излучения в оптоволокне.
2. Провести моделирование взаимодействия пучка заряженных частиц со стенкой вакуумной камеры ускорителя и процесса генерации и распространения оптических фотонов в оптоволокне с точки зрения эффективности регистрации черенковского излучения при различных параметрах ускорителя.
3. Исследовать работу различных типов оптоволокна с точки зрения наименьшей дисперсии излучения, оптимального числа собираемых фо- тонов и допустимого срока эксплуатации в условиях радиации, чтобы выбрать наиболее подходящий тип и длину отрезка оптоволокна для достижения требуемого пространственного разрешения датчика потерь пучка. 4. Исследовать работу различных типов фотодетекторов и аналого-циф- ровых преобразователей (АЦП) с точки зрения их оптимальных временных характеристик, чтобы выбрать наиболее подходящие типы для регистрации световых сигналов, приходящих с оптоволокна, и для достижения требуемого пространственного разрешения датчика потерь пучка.
5. Создать программное обеспечение для обработки сигналов с опто- волоконного датчика потерь пучка, которое позволяет оператору ускорительного комплекса в режиме реального времени отслеживать распределение потерь пучка вдоль выбранного участка ускорителя.
6. Ввести систему диагностики потерь пучка на основе черенковского излучения в оптоволокне в эксплуатацию с учетом предъявляемых тре- бований к точности локализации потерь, а также с учетом параметров и особенностей ускорителя.
Научная новизна:
1. Впервые выполнено детальное исследование характеристик потерь пуч- ка электронов в ускорителях заряженных частиц на энергию до 500 МэВ и способов их регистрации при помощи оптоволоконного датчика потерь на основе черенковского излучения. Были произведены измере- ния дисперсии и интенсивности сигналов датчика потерь для разных типов оптоволокон. Экспериментально показаны возможные способы улучшения пространственного разрешения датчика.
2. Впервые на основе численного моделирования выполнена калибровка оптоволоконного датчика потерь. Абсолютная величина количества те- ряемых частиц учитывает эффект затухания света в оптоволокне, и нормирована на коэффициент усиления фотодетектора и первоначаль- ный ток пучка до его потерь.
3. Предложен способ, позволяющий с помощью комбинации из четырех датчиков, равноудаленных друг от друга по периметру вакуумной камеры, определить место потери пучка в поперечной плоскости от- носительно направления движения пучка.
4. Впервые выполнено исследование временных и амплитудных харак- теристик датчика потерь пучка на основе пластикового оптоволокна. Благодаря выбору оптимальных элементов датчика пространствен- ное разрешение составило менее 1 м, а его пороговая чувствитель- ность ∼ 1 пКл. Из эксперимента посчитана радиационная стойкость пластикового оптоволокна в условиях эксплуатации на электронных ускорителях.
5. Разработанная система диагностики потерь пучка была введена в эксплуатацию на ИК ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН. Данная система впер- вые сделала возможным в режиме реального времени контролировать распределение потерь пучка вдоль выбранного участка ускорителя и эффективнее настраивать прохождение пучков до потребителей.
Научная и практическая значимость:
Введение в эксплуатацию системы диагностики потерь пучка на основе черенковского излучения в оптоволокне позволило реализовать контроль рас- пределения потерь пучка в режиме реального времени в процессе наладки и штатной работы ИК ВЭПП-5. Начиная с 2019 года данная система диагностики потерь стабильно работает в числе штатной диагностики пучка на ИК ВЭПП-5.
Наработанные методы моделирования потерь пучка в ускорителях за- ряженных частиц и способов их регистрации при помощи оптоволоконного датчика потерь на основе черенковского излучения позволяют производить подбор компонентов датчика с оптимальными временными и амплитудными характеристиками.
Полученные в рамках диссертационной работы результаты исследования имеют большое значение для создания аналогичных систем диагностики потерь пучка на современных ускорительных комплексах, коллайдерах и источниках синхротронного излучения.
Оптоволоконная система диагностики потерь пучка будет использована в однопролетных участках строящегося источника синхротронного излучения нового поколения ЦКП «СКИФ» и на линейных участках действующего кол- лайдера ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Проведено моделирование и расчеты параметров оптоволоконного дат- чика потерь пучка, в результате которых были сделаны выводы об условиях применимости датчика, о его пространственном разрешении и калибровке сигнала для электронных ускорителей.
2. Экспериментально продемонстрированы особенности работы различ- ных типов оптоволокна, фотодетекторов и АЦП. В результате ис- следования был выбран наиболее подходящий тип и длина отрезка оптоволокна, а также тип фотодетектора и АЦП с оптимальными временными характеристиками для достижения требуемого простран- ственного разрешения датчика для ИК ВЭПП-5.
3. Создано и успешно испытано в экспериментах необходимое для работы оптоволоконного датчика потерь пучка программное обеспечение. Оно интегрировано в общую систему автоматизации ИК ВЭПП-5, реализу- ет все необходимые режимы работы прибора и обрабатывает сигнал, предоставляя информацию о местах потери пучка и о количестве поте- рянных частиц.
4. Впервые успешно испытан и введен в эксплуатацию оптоволоконный датчик потерь пучка с оптимизированными параметрам в составе каналов выпуска электронов и позитронов, а также циклического на- копителя на ИК ВЭПП-5.
Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссерта- ции были представлены на XXIV Всероссийской Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (RUPAC-2014, Обнинск, Россия), на научной сессии Отде- ления физических наук РАН «К 110-летию со дня рождения П.А. Черенкова» (Москва, Россия, 2014), на 6-й Международной Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (IPAC-2015, Ричмонд, США), на XXVI Всероссийской Конференции по Ускорителям Заряженных Частиц (RUPAC-2018, Протви- но, Россия), на XIII Международном научном семинаре памяти профессора В.П. Саранцева «Проблемы коллайдеров и ускорителей заряженных частиц» (Алушта, Россия, 2019), на 8-й Международной Конференции по Диагностике Пучков Заряженных Частиц (IBIC-2019, Мальмё, Швеция).
Личный вклад. Все основные результаты по теме исследования полу- чены автором лично. Автор принимал активное участие в постановке задачи, участвовал в проведении экспериментов, проводил обработку и анализ экспе- риментальных данных, проводил расчеты и численное моделирование, написал программное обеспечение, а также участвовал в подготовке публикаций. Вклад автора явился определяющим для реализации оптоволоконного датчика потерь пучка на ИК ВЭПП-5.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, среди них 4 статьи в периодических изданиях, входящих в перечень ВАК [17–20], 2 статьи в трудах международных конференций [21;22], 2 статьи в трудах всероссийских конференций [23; 24].
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (66 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
