Введение к работе
Актуальность проблемы.
Получение поляризованных пучков в современных ускорительных центрах является одной из актуальных проблем физики высоких энергий. Активный интерес к решению этой проблемы обусловлен широким спектром спиновых явлений, обнаруженных в области высоких энергий. Ускорение поляризованного пучка позволит получить экспериментальные данные. способные ответить на многочисленные вопросы о структуре спина, адро-нов и характере спинового взаимодействия при высоких энергиях.
Активное изучение динамики спина релятивистской частицы позволило обнаружить широкий спектр неустойчивостей спинового движения при движении частицы в периодических электрических и магнитных полях. Наличие неустойчивостей спинового движения (деполяризующих резонан-сов) приводит к быстрой потере поляризации пучка при ускорении и является основной проблемой при получении поляризованного пучка протонов высокой энергии.
При энергиях ускорителя 104-20 ГэВ число опасных резонансов невелико, поэтому эффективными являются методы индивидуальной коррекции спиновых резонансов. Однако использование этих методов становится практически невозможным уже в районе 204-30 ГэВ из-за роста числа пересекаемых спиновых резонансов и их мощностей. В области высоких энергий необходимо использование метода "Сибирских змеек", основанного на введении специальных устройств (змеек) в магнитную структуру ускорителя. Каждая змейка поворачивает спин частиц на 180 вокруг горизонтальной оси и в то же время является оптически прозрачной для орбитального движения частиц в ускорителе. Введение одной или не-
скольких змеек в магнитную структуру ускорителя позволяет перестроить динамику спина, и таким образом избежать пересечения спиновых резонансов.
В 1989 году на накопительном кольце IUCF (Indiana) были получены первые результаты экспериментальной проверки концепции "Сибирских змеек" ? Возникла задача практической реализации данного метода в современных протонных ускорителях высоких энергий. "Сибирская змейка" представляет собой специальную конфигурацию магнитных полей, поворачивающих спин частил на 180 вокруг горизонтальной осп, и введение ее в магнитную структуру ускорителя возмушает движение частиц пучка. Помимо анализа спиновой динамики в магнитных структурах с "Сибирскими змейками", необходимо было изучить воздействие змеек на динамику частиц пучка.
Применение "Сибирских змеек" оказывается целесообразным и при низких энергиях. В этом случае число спиновых резонансов невелико и можно использовать частичную змейку, с углом поворота--сшша меньше 180. Характер воздействия такой змейки на динамику спина при наличии деполяризующего воздействия требовал дополнительного анализа. Необходимо было экспериментальное исследование возможности сдвига спиновой частоты с помощью частичной змейки для отстройки от слабых резонансов. связанных с ошибками поля магнитной структуры.
Для ускорителей, диапазон энергий которого попадает и в область низких и в область высоких энергий, актуальной стала проблема возможности включения змейки во время ускорительного ппкла с сохранением поляризации пучка.
Решению перечисленного круга вопросов посвяшена данная диссертация. Полученные результаты позволили предложить в качестве проектов схемы ускорения поляризованных протонов на ускорительных комплексах ИФВЭ (Протвино) [1,2] п ФНАЛ (США) ?
Цель'диссертационной работы
анализ спиновой дпнамшш п динамики частил пучка в периодических магнитных структурах с "Сибирскими змейками";
экспериментальное исследование влияния частичных "Сибирских змеек" на динамику спина:
экспериментальное изучение возможности адиабатического включе-
- ния змейки без потери поляризации пучка;
1Krisca A.D. et. al., // Phys. Rev. Lett. 63, 1137 (1989)
'Acceleration of Polarized Protons in the Fermilab Tevatron, SPIN Collaboration, University of Michigan Report, Unpnblished (1994).
разработка методики расчета практических схем "Сибирских змеек", состоящих как из набора дипольних магнитов, так и использующих геликоидальные магниты;
изучение возмущений в динамике пучка, связанных с введением " Сибирских змеек" в магнитную структуру ускорителя.
Научная новизна результатов
е имеют аналогов эксперименты по исследованию динамики спина с Сибирскими змейками". Впервые была экспериментально подтверждена >зможность использования частичной "'Сибирской змейки'- для отстрой-I от резонансов несовершенств. Измеренный сдвиг спиновой частоты ютветствует теоретически предсказанному. Проведены так же эксперп-енты по исследованию динамики спина при включении змейки. Показано, го при условии адиабатически медленного включения змейки направле-іе поляризации пучка изменяется так же как и устойчивое направление элярпзаини. Абсолютная величина полярпзашш пучка при этом не меня-:ся, что подтверждает возможность адиабатического включения змейки ;з потери поляризации пучка.
Впервые проведено исследование влияние выбора симметрии конфигу-1шш магнитного поля "Сибирской змейки" на ее параметры. Показа-з, что выбор симметрии упрощает решение условий сохранения орбиты )'чка вне змейки, а так же определяет плоскость, в которой лежит ось )ащенпя спина. Для антисимметричных конфигураций ось змейки - го-ізонтальна, а для симметричных схем змеек ось вращения сиггаа лежит плоскости (x,z). На основе анализа схем змеек с позиции симметрии ігнптного поля создана методика расчета произвольных схем змеек, ззволяюшая выбирать оптимальную конфигурацию змейки с требуемой шентапней оси вращения спина для конкретного ускорителя.
Проанализирована динамика спина в геликоидальном магнитном по-:. Выполнены расчеты семейства геликоидальных змеек, использующих :тавкп дипольного магнитного поля. Такие качественно новые схемы іеек могут быть выполнены в виде одного магнита и отличаются ком-жтностью и малостью искажений орбиты пучка по сравнению с дпс-)етными схемами змеек.
Изучено воздействие практических схем змеек на динамику пучка в :корптеле. Показано, что это воздействие максимально при низких энер-[ях и убывает с ростом энергии пучка. Фокусирующий эффект змеп-[ становится существенным и требует дополнительной коррекции при :ергпях ниже 10 ГэВ. Возмущение дисперсионной функции ускорителя
связано с искажениями орбиты пучка и локализовано внутри змейки. В змейки дисперсионная функция остается невозмущенной.
Научная и практическая ценность
Проведенные исследования по анализу спинового и орбитального движен частиц в периодических магнитных структурах с "Сибирскими змейь мп" могут быть положены в основу при проектировании ускорителей накопителей с поляризованными пучками протонов. Применение мето "Сибирских змеек" позволяет сохранять поляризацию протонного пуч: в процессе ускорения до самых высоких энергий. При этом, необходим число змеек в синхротроне определяется критерием сохранения поляр зацпи: число змеек должно быть заведомо больше удвоенного значен суммы максимальной мощности внутренних деполяризующих резонанс и резонансов несовершенств данного ускорителя. Для ускорителей, макс мальная энергия которых не превышает 100 ГэВ. достаточно нспользова1 одну змейку. Для ускорителен с большей энергией необходимо нспольз ванпе нескольких пар змеек.
В области энергий ниже 20 ГэВ применение полных "Сибирских зм ек" затруднительно из за значительных отклонений орбиты пучка внут] змейки. Одним из важных результатов данной работы являются прог денные в накопительном кольце IUCF (Индиана) эксперименты, подтве дпвшпе возможность использования частичной змейки в ускорителях энергией до 20 ГэВ для преодоления резонансов несовершенств. В наст ягдее время частичная змейка установлена в протонном синхротроне АС (Брукхевен) и проведены ее успешные испытания. Применение частично змейки так же планируется в Бустере ФНАЛ (США).
В случае, когда в диапазон энергий ускорителя попадают энергии ниже и выше 20 ГэВ возможно применение комбинированного метод При этом на низкой энергии используется частичная змейка, а в райо: 10-20 ГэВ происходит адиабатическое включение змейки до полной. Вс можность адиабатпческого включения змейки с сохранением полярпзащ продемонстрирована экспериментально. Такая схема включения змей] предлагается для протонного синхротрона У-70 (Протвино).
Приведенная методика расчета различных схем змеек позволяет ві брать оптимальную конфигурацию змейки для различных ускорителе Для ускорителей с низкой энергией пнжекшш перспективным предст вляется использование геликоидальных схем змеек, более компактных вносящих меньшие искажения орбиты пучка. В институте физики вые ких энергий (Протвино) была создана модель геликоидального магнит
дназначенного для использования в "Сибирских змейках"? Результаты ытаний подтвердили возможность создания полномасштабных магни-со спиральным полем.
Выполненные в данной работе исследования различных аспектов при-:ення метода "Сибирских змеек" позволили сформулировать предло-ше по ускорению поляризованного пучка в ускорительном комплексе ВЭ. Материалы данной работы были также использованы при созда-: проекта ускорения поляризованного пучка во ФНАЛе.
Автор защищает:
.. На основе исследования динамики спина в периодических магнитных структурах с "Сибирскими змейками" получена практическая оденка чпсла "Сибирских змеек", необходимых для преодоления не-устойчпвостей спинового движения - деполяризующих- -резонансов определенной сплы.
I. Проведена экспериментальная проверка возможности использования частичной "Сибирской змейки" для отстройки от деполяризующих резонансов, связанных с несовершенствами магнитной структуры. Был экспериментально измерен сдвиг спиновой частоты, создаваемый частичной змейкой. Результаты измерений совпадают с теоретическими предсказаниями.
3. Проанализирована динамика спина в циклических ускорителях при изменении силы змейки и экспериментально подтверждена возможность адибатпческого включения "Сибирской змейки" без потери поляризации пучка.
І. Изучено влияние выбора симметричной или антисимметричной конфигурации магнитного поля на параметры "Сибирских змеек". Показано, что выбор симметрии поля змейки определяет ориентацию оси вращения спина, а также упрощает решение условий сохранения орбиты пучка вне змейки.
-
Разработана методика расчета практических схем "Сибирских змеек", позволяющая проектировать схемы змеек с требуемыми параметрами. На основе анализа динамики спина в спиральных конфигурациях магнитных полей получены качественно новые геликоидальные схемы змеек, более компактные и имеющие меньшие искажения орбиты по сравнению с дискретными схемами.
-
Исследована динамика пучка при внесении "Сибирских змеек" в магнитную стр}т:туру ускорителя. Проанализированы и получены
'Доклад Э.А. Людмирского на семинаре ОКУ ИФВЭ 14.02.94
выражения для фокусирующего эффекта змейки и возмущения да персионной функции магнитной структуры. 7. На основе проведенного анализа спинового и орбитального .тгаїтжі нпя частиц в периодических магнитных структурах с "Сибирским змейками" сформулированы предложения по ускорению поляризс ванных протонов в ускорительных комплексах ИФВЭ (Россия) л 400 ГэВ и ФНАЛ (США) до 1 ТэВ.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались н семинарах ИФВЭ и Мичиганского университета, на рабочих совещания коллаборащпг СПИН, на 14 Международном совещании по ускорителя] заряженных частиц в Протвино, на международных конференциях СПИВ 93 в Протвино и СПИН-94 в Индиане и на конференции Амерпканског физического общества в Вашингтоне 1993. По материалам диссертаци опубликовано 8 работ в виде препринтов ИФВЭ, в журнале "Успехи Фв зических Наук", в журналах "Physical Review", "Physical Review Letters и "Particle Accelerators".
Структура диссертации. Работа изложена на 89 страницах, состо ит из введения, пяти глав и заключения, содержит 16 рисунков и списої цитируемой литературы, включающий 59 наименования.
