Электрические и механические явления

Во многих ускорителях существуют сильные статические и высокочастотные (ВЧ) электрические поля. В проекте установки ВЛЭПП ИЯФ СО АН предусмотрена напряженность ускоряющего поля до 2 МВ/см на длине волны 5 см, эти поля были получены в модельных экспериментах. Эмпирический критерий для определения границ пробоя в ВЧ-резона-торах был предложен в Радиационной лаборатории им. Лоуренса (LBL) в Беркли.

В накопителях с большим током частиц важно знать распределение внутри вакуумной камеры электростатического потенциала, образованного обращающимся пучком. Приведем простое решение для прямоугольной геометрии камеры и пучка (рис. 1.8). Пучок смещен по радиусу от центра камеры, плотность заряда в пучке распределена по радиусу равномерно с короткими спадами на краях по закону косинуса, по вертикали — равномерно. Метод расчета обычный; решение уравнений Лапласа и Пуассона для потенциала в соответствующих областях, учет необходимых граничных условий для поля на стенках камеры, сшивка решений Потенциал убывает с расширением пучка при постоянном токе. Следовательно, потенциал пучка не будет возрастать пропорционально его току в процессе накопления частиц (Stacking-процесс) вследствие конкурирующего расширения пучка. Рис. 1.9 свидетельствует о сильной модуляции потенциала пучка вдоль камеры накопителя. Без очищающих электродов в пучке протонов существовало бы множество групп захваченных электронов. Остаточную нейтрализацию пучка при включенных электродах можно оценить из распределения полного потенциала: она примерно равна 0,7% в среднем по всему контуру ISR.

Явление мультипакции наблюдалось в накопителе ISR.

Смещение сгруппированного малоинтенсивного пучка протонов с внутренней инжекционной орбиты к центру камеры вызывало резкое кратковременное повышение давления от исходного уровня 1*10⁷ до 5 * 1*10⁶ Па. При варьировании ВЧ-параметров, длины и числа сгустков эффект мог быть уменьшен или полностью подавлен. При 20 сгустках пороговый ток пучка по этому эффекту составил около 120 мА. Наименьший ток, при котором может происходить электронная мультипакция, вычисляют из условия приобретения электроном в поле сгустков протонов достаточной энергии для пересечения камеры за интервал времени между двумя последовательными сгустками. Если коэффициент вторичной эмиссии поверхности стенки больше единицы, то число электронов, совершающих колебания синхронно с частотой сгустков поперек камеры, нарастает.

В накопителях заряженных частиц сгруппированные пучки могут возбуждать паразитные электромагнитные колебания на любых неоднородностей вакуумной камеры. Потери энергии пучка из-за генерации паразитных колебаний могут быть значительными. В некоторых случаях этот эффект грозит появлением поперечных неустойчивостей пучка. Отсюда возникает требование гладких вакуумных камер в накопителях. При конструировании вакуумной камеры накопителя каждый ее элемент должен проверяться на возможность генерации пучком паразитных колебаний. Существуют два метода определения степени риска возбуждения паразитных колебаний в камере. Первый заключается в прямой имитации возбуждения элемента вакуумной камеры сгустком частиц. Для этого через элемент камеры по траектории частиц протягивают металлический провод, по которому пропускают импульс тока той же конфигурации и длительности, что и сгусток частиц. Деформация формы импульса после исследуемого элемента камеры позволяет вычислить характеристики возбужденного поля. Пусть / ₀ (t) и / ₂ (t) — импульс тока до и после элемента; Z_B — волновое сопротивление линии. Характерный параметр потерь иэ-за высших типов колебаний определяется по формуле

Потерянная сгустком мощность при прохождении им элемента связана с параметром потерь G_n выражением второй метод заключается в традиционном измерении ВЧ-параметров элемента камеры, таких, как собственные частоты возможных типов колебаний, шунтовые сопротивления, добротности, а также распределения напряженностей различных компонентов паразитного СВЧ-поля.

Ионизация атомов остаточного газа пучком протонов в синхротронах и накопителях приводит к появлению электронов, нейтрализующих положительный объемный заряд и способных вызвать неустойчивость пучка. Подавление нейтрализации достигается с помощью очищающих электродов, создающих поперек камеры разность потенциалов 6 кВ. Общая протяженность очищающих полей в ISR составляет около 7% длины орбиты. Давление остаточного газа играет важную роль в этом процессе. Нейтрализация пучка приводит к сдвигу частот бетатронных колебаний.

Первоначально для накопителя ISR допустимое значение степени нейтрализации в несколько процентов было определено на основании оценок сдвига частот бетатронных колебаний из-за пространственного заряда. Однако при эксплуатации ISR наблюдался эффект связанной электрон-протонной неустойчивости, который побудил уменьшить предельное значение степени нейтрализации на два порядка. Допустимая степень нейтрализации вместе с известной эффективностью системы внешней очистки пучка протонов от электронов приводит к критерию для остаточного давления в протонном накопителе. В нестационарном случае скорость роста числа захваченных электронов в пучке равна в протонных накопителях электроны могут удаляться не только внешней системой очистки, но и естественным процессом самоочистки. При многократных соударениях с протонами захваченные электроны нагреваются, т. е. увеличивают свою энергию до тех пор, пока не смогут выйти на стенки камеры. Этот процесс нагрева электронов пучком идет сравнительно медленно; удельная скорость очистки при многократных соударениях

Это выражение отличается от (1.36) отсутствием логарифмического множителя. Поскольку для типичных параметров этот множитель равен примерно 50, однократное рассеяние не имеет большого значения для электронной очистки.

Наиболее эффективна система внешней очистки с непрерывными электродами вдоль всей камеры. Однако она занимает часть апертуры камеры и, кроме того, увеличивает общий потенциал пучка относительно камеры. Компромиссным решением является размещение многих коротких очищающих электродов по периметру накопителя. Но в этом случае должна быть обеспечена достаточно высокая скорость и_Др продольного дрейфа электронов действием на них скрещенных полей, магнитного поля накопителя В и электрического поля пучка £: |/_др = &/В Если расстояние между очищающими электродами L, то удельная скорость очистки внешними электродами R_BB = &/BL. Очистка пучка от электронов в прямых промежутках без магнитов может быть достигнута за счет продольных вариаций потенциала пучка, вызываемых тем, что огибающая пучка модулирована (3-функцией. При этом удельная скорость очистки потенциальному барьеру пучка, и уйти на стенки камеры. Удельная скорость рождения электронов, имеющих энергию меньше И/g и захватываемых пучком, равна

Одна из самых опасных аварий вакуумных систем ускорительных комплексов — внезапное появление крупного отверстия в вакуумной камере с последующим быстрым заполнением ее атмосферным воздухом. Многие компоненты ускорительного комплекса при этом выходят из строя, некоторые повреждаются необратимо. Для защиты оборудования между секторами камеры устанавливают быстродействующие клапаны, автоматически срабатывающие при подобной аварии. Однако при сооружении все более крупных ускорителей и накопителей уменьшаются сечения камер, а их стенки становятся все более тонкими, т. е. возрастает риск прорыва их атмосферным давлением. В данных обстоятельствах становится существенным значение эффектов распространения фронта высокого давления в узких и длинных вакуумных камерах. Эти эффекты изучались экспериментально в ЦЕРНе. Движущаяся от точки прорыва вдоль вакуумной трубы область высокого давления имеет явно выраженный ступенчатый характер и обнаруживает в передней части два фронта давления, причем второй из них запаздывает относительно первого. Скорость первого фронта около 950 м/с. Амплитуда первого фронта давления невелика: 5,0 • 10² — 10³ Па. Этот фронт давления не угрожает механическими повреждениями даже таким механически нестойким устройствам, как открытые электронно-ионизационные манометрические преобразователи. Второй фронт давления имеет большую амплитуду, порядка нескольких единиц на 10⁴ Па, и может вызвать разрушения оборудования механическим ударом. Этот фронт волны давления формируется за время примерно 90 мс до начала движения. Верхний предел скорости движения второго фронта оценивается значением 770 м/с.

Наличие двух фронтов давления при распространении волны атмосферного давления в протяженных камерах нуждается в построении физической модели, которая могла бы объяснить это явление. Однако с практической точки зрения оно благоприятно, так как быстроприходящий слабый фронт может быть использован как запускающий сигнал автоматического закрытия клапанов раньше, чем их достигнет второй, потенциально опасный, фронт волны давления.

Допустимое установившееся значение степени нейтрализации определяется двумя эффектами: а) некогерентным сдвигом частот бетатронных колебаний; б) нестабильностью связанных колебаний электронов и протонов. Второй эффект приводит к более строгому ограничению степени нейтрализации. Выражение т_н = R_pi/R_B и уравнение (1.35) для связи давления с величиной /_р1 приводят к условию для давления в камере протонного накопителя, полученному по критерию допустимой нейтрализации: