Исследование влияния краевых полей на основные характеристики пучка частиц

ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ 8
§1.1 Основные определения. Уравнение движения частиц в электромагнитном поле 8
§1.2 Описание управляющих полей 12
§1.3 Основные виды и параметры магнитных элементов 15
§1.4 ЭФФЕКТИВНАЯ ДЛИНА магнитной квадрупольной линзы 20
§1.5 Краевое поле 21
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 1 25
ГЛАВА 2.МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ МАГНИТА 26
§2.1 Бустер, проект NICA 26
§2.2 Общие принципы магнитных измерений 29
§2.3 Задачи магнитных измерений проекта NICA 31
§2.4 Метод гармонических катушек 32
§2.5 Методы вычисления эффективной длины магнита 37
§2.6 Основные результаты и обсуждение 39
Заключение к Главе 2 40
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 42
ПРИЛОЖЕНИЕ 43
Купить

Ускорители пучков заряженных частиц - это сложные инженерные сооружения, которые позволяют физикам проникнуть глубоко внутрь пространства и исследовать свойства материи на предельно малых расстояниях, подобно тому, как современные телескопы используются астрономами для изучения структуры Вселенной на возможно далёких расстояниях. Телескопы видят почти всю Вселенную, которую свет покрывает за 14 миллиардов лет, а современные ускорители «видят», что происходит на расстояниях в тысячи раз меньших размеров атомных ядер.
Хорошо известно, что ускорительные установки различной конфигурации находят большое практическое применение в самых различных областях. Ускоритель заряженных частиц — сложный комплекс устройств, направленный на получение пучков заряженных частиц высоких энергий. Современные ускорители являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН представляет собой кольцо длиной почти 27 километров. Принцип действия любого ускорителя основывается на взаимодействии заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле совершает работу над частицей, то есть увеличивает её энергию, придает скорость. Магнитное же поле работы не совершает, а только отклоняет траекторию движения пучка - т.е. задаёт орбиту.
По структуре ускорительные установки можно разделить на две большие группы: линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), и проходят ускоряющие промежутки многократно.
Различие структуры предполагает, соответственно, различие предназначения ускорительной установки:
• коллайдеры - изучение столкновения частиц высоких энергий;
• бустеры - предускорители пучков заряженных частиц;
• источники синхротронного излучения - создание пучка поляризованных электронов;
• источники нейтронов - прикладные и фундаментальные исследования в физике нейтронов;
• промышленные ускорители - в основном применяются для дефектоскопии или стерилизации продуктов (в пищевой промышленности);
• установки для терапии раковых заболеваний.
В России с 2013 года ведется строительство большого ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility)— российского коллайдера протонов и тяжелых ионов. На базе Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) им.В.И.Векслера и А.М.Балдина Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в городе Дубна Московской области. Планируемое окончание строительства — 2020 год.
Рис.1. Схема ускорительного комплекса NICA
Ускорительный комплекс NICA состоит из двух инжекционных цепочек на базе линейных ускорителей, строящегося бустерного синхротрона (бустер NICA), существующего ускорителя Нуклотрон и разрабатываемого коллайдера пучков для проведения физических экспериментов по изучению поведения барионной материи высокой плотности в лабораторных условиях (Рис. 1). Такого рода материя существует лишь в нейтронных звёздах и ядрах сверхновых звёзд, а также составляла Вселенную на ранней стадии существования. Для создания материи высокой плотности в лабораторных условиях используют столкновение встречных пучков тяжелых ионов, в которых значительная часть энергии расходуется на возникновение новых адронов и возбуждение резонансов, свойства которых могут быть существенно изменены окружающей горячей и плотной средой. При очень высоких температурах или плотностях эта смесь адронов разбивается на составные части — кварки и глюоны, образуя новое агрегатное состояние материи — кварк-глюонную плазму.
Структурными элементами бустера и коллайдера NICA, являются сверхпроводящие (СП) магниты[1]. В камере ускорителя создается высокий вакуум, и вся структура оснащается системой охлаждения жидким гелием (- 2 69ОС).
По сложности изготовления и применения ускорительное оборудование конкурирует только с космической техникой. Доказано, что последняя — уступает. Это связано с тем, что ускорительное оборудование работает с микроструктурой материального мира и, следовательно, требует применения высокопрецизионного оборудования как на этапах изготовления, так и в процессе юстировки каждого элемента структуры.
Известно, что любая частица, попадая в электромагнитное поле, обретает ускорение. Сила Лоренца сообщает частицам центростремительное ускорение, а, следовательно, и поворот всего пучка в магнитном поле.
Поэтому важно создать «правильное» поле для достижения нужной траектории. За это отвечают главные составляющие любого ускорителя: элементы магнитной оптики — магниты и магнитные линзы, внутри которых установлены проводники электрического тока больших значений. Картина силовых линий магнитного поля определяются формой магнитного элемента. Траектория движения пучка заряженных частиц в магнитном поле зависит от плотности расположения силовых линий и изменения их кривизны. Здесь существует проблема: на краях магнита плотность и наклонение линий магнитного поля существенно отличается от картины поля внутри магнита (Рис. 6.) и влияние таких полей, называемых «краевыми», на динамику пучка заряженных частиц может оказаться существенно велико. Необходимость учета краевых полей требует особого подхода в проектировании структуры ускорителя и его элементов, в проведении серийных измерений над магнитами, а также при непосредственной работе ускорителя и движении в нем пучка.
Об исследовании краевых полей магнитных элементов пойдет речь в данной работе. По мере погружения в область ускорительной физики, задача приобрела прикладной характер: а именно, изучение проблемы краевых полей с технической точки зрения - учет краевых полей на этапе юстировки магнитов бустера (предускорителя пучка заряженных частиц) комплекса NICA. Эта задача, несомненно, более узкая, однако ее выбор оправдан необходимостью решения на практике и на текущем этапе реализации проекта NICA.
Одним из наиболее важных параметров магнита является эффективная длина магнита. Вычисление этой величины позволяет в достаточной степени решить проблему краевых полей до того, как система войдет в эксплуатацию.
Цель работы: Исследование формы краевых полей реальных магнитов и определение эффективной длины дипольного магнита бустера (NICA)
Задачи:
1) исследование формы краевых полей и их влияния на основные параметры магнитных элементов;
2) исследование методов и технологий серийных измерений над магнитными элементами;
3) вычисление эффективной длины дипольного магнита бустера (проект NICA).
Купить