Аннотация:

Первые циклические ускорители заряженных частиц со слабой фокусировкой использовали магниты с совмещенными функциями, которые формировали орбиту пучка и обеспечивали фокусировку по обоим поперечным направлениям. Дополнительное профилирование полюса позволяло создать более высокие компоненты магнитного поля, например, квадратичную для компенсации хроматических аберраций. Магниты с совмещенными функциями трудоемки в проектировании и изготовлении. Так же затруднена процедура измерения распределения магнитного поля в таких устройствах: измеряющие датчики должны перемещаться с хорошей пространственной точностью (~50 µм – 100 µм) относительно сложной трехмерной поверхности полюса магнита. Имеются проблемы и в использовании магнитов с совмещенными функциями, поскольку в неоднородном магнитном поле свойства пучка зависят от его орбиты, и возмущения замкнутой орбиты могут приводить к изменению рабочей точки бетатронных частот и искажению оптических функций.

Однако использование магнитов с совмещенными функциями позволяет делать циклические ускорители существенно компактнее ценой отказа от некоторого числа индивидуальных квадрупольных и секступольных линз. Введение градиента в поворотные магниты позволяет уменьшить горизонтальный эмиттанс по сравнению с магнитом с однородным полем, что немаловажно для источников синхротронного излучения. Распределение квадратичной нелинейности в длинных поворотных магнитах позволяет сделать ее азимутальное распределение более однородным (по сравнению со случаем коротких и сильных сосредоточенных секступольных линз), что уменьшает мощность соответствующих резонансов и благотворно влияет на динамическую апертуру.

В последние годы наблюдается рост числа современных циклических ускорителей, где используются или планируются магниты с совмещенными функциями, такие как источники синхротронного излучения ALBA (Барселона, Испания), Solaris (Краков, Польша) и MAX IV (Лунд, Швеция). Источники СИ будущего (четвертого поколения) вынуждены использовать магниты с совмещенными функциями, поскольку это помогает получить натуральный эмиттанс пучка существенно меньше 1 нм·рад при приемлемом размере накопительного кольца. Этим объясняется значительный интерес в последние годы со стороны разработчиков накопителей заряженных частиц к расчетам, проектированию, изготовлению и измерению магнитов с совмещенными функциями. Решению данных задач посвящена диссертация.

Цель диссертационной работы:

• разработка оптической структуры кольца бустерного синхротрона для источника синхротронного излучения NSLS II (Брукхейвенская национальная лаборатория, США);
• исследование динамики пучка, оценка допусков на магнитные элементы;
• моделирование, проектирование и производство дипольных магнитных элементов с совмещенными функциями бустерного синхротрона.

В работе определяются основные требования, предъявляемые к бустерному кольцу при его проектировании, такие как: компактность кольца, оптимальные параметры магнитной структуры кольца и высокая эффективность перепуска ускоряемых частиц. Проведен подробный анализ магнитной структуры и оптики синхротрона NSLS II. Отдельно исследованы факторы, задающие требования на параметры и точность изготовления магнитных элементов. Также показаны способы коррекции оптики из-за наличия ошибок и рассмотрены эффекты, связанные с вихревыми токами, протекающими в стенках вакуумной камеры, которые приводят к уменьшению эффективности работы бустера.

В разделе посвященным поворотным магнитам обосновывается выбор конструкции поворотных магнитов BF и BD. Приводятся и обсуждаются моделирование, оптимизация профиля диполей и результаты 2-х и 3-х мерного моделирования магнитных полей, оценки на точность изготовления магнитных элементов. Так же представлен процесс производства поворотных магнитов, проанализированы результаты измерения механических параметров сердечников и их влияние на характеристики магнитов. Затронуты вопросы точности изготовления и технологии производства магнитов.

Особое внимание уделено методике прецизионного измерения магнитного поля с помощью датчиков Холла и измерительному оборудованию. Особенностью данной измерительной системы является использование геодезической системы для коррекции координат положения датчиков Холла относительно геодезических знаков диполей. В работе подробно рассматриваются источники ошибок измерительной системы и влияние их на точность определения параметров дипольных магнитов. Приведены результаты измерений магнитных параметров поворотных магнитов, проводится анализ результатов измерений, и их сравнение с результатами моделирования магнитных полей. Описана процедура выставки и способ коррекции параметров дипольных магнитов на основе результатов магнитных измерений. Обсуждаются результаты импульсных магнитных измерений.

В заключительной части представлены основные результаты по запуску бустерного синхротрона для источника NSLS-II. Приведено сравнение измеренных с помощью пучка параметров кольца с ожидаемыми значениями, полученными из моделирования ошибок магнитных элементов кольца. Приводится анализ выставки магнитных элементов в кольце бустера.