Стохастический медленный вывод пучка из У70

1. Стохастический медленный вывод пучка из У70 С.В. Иванов, О.П. Лебедев Научный семинар ИФВЭ, четверг 19 января 2006 г. Благодарность проф. К.П. Мызниковуза поддержку и помощь в изучении проблемы

2. Содержание • Система МВ из У70 (оборудование) • Диаграмма Стейнбаха • Наведение: дрейф или диффузия • История вопроса и состояние дел • Специфика ускорителя У70 • Схема СМВ для У70 • Решение уравнения диффузии • Прямоугольные импульсы сброса • Сеанс У70 2004 г. • Цепь обратной связи • Сеанс У70 2005 г. • Выводы и заключения СМВ

3. Система МВ (оборудование) Трасса: ЭД106–ОМ24,26–ПП30 Резонанс: 3Qx = 29 Регистрация: монитор-106 Обычный МВ. Наведение: линза Q38, [наклон H] Стохастический МВ. Наведение: СПГП @ ПП44 = ускоряющая система 200 МГц 0.1 мм 70 кВ/см x 3 м СМВ

4. Диаграмма Стейнбаха Резонанс 3-го порядка Ch.Steinbach (CERN) DS гамильтониан Y. Kobayashi (1967) DQ • Наведение via: • dQx – квадрупольная линза • p0 – наклон магнитного поля • p – ускорение (стохастическое) масштаб |––|примерно соответствует У70У70: амплитудный & импульсный отбор СМВ

5. Наведение: дрейф или диффузия обычный МВ стохастический МВ поток пульсации Двойная цель СМВ: длительность и качество сброса СМВ

6. История вопроса и состояние дел Первое предложение и его автор • Суть классической схемы СМВ: • Пучок, однородный по азимуту • Изменение граничной частоты спектра шума. Диффузия + “скрепирование” CERN PS [Proc. 11th HEACC, 1980, p.335] Simon van der Meer, N.P.по физике1984 CERN LEAR [CERN Courier, Dec 2003, v.43, no.10] S. van der Meer. Stochastic Extraction, a Low-Ripple Version of Resonant Extraction. CERN/PS/AA Note 78–6, March 1978 “chimney” noise power [Proc. 4th EPAC, 1994, v.3, p.2376] СМВ

7. История вопроса и состояние дел (2) Экспериментальная проверка CERN PS, протоны, 24 ГэВ, 8–9 сек [Proc. 11th HEACC, 1980, p.335] CERN LEAR, антипротоны, 200 МэВ, от 1–2 до 10 час, 106–3Ч104 частиц/сек [CERN PS 40th anniversary booklet, 2000] [Proc. 4th EPAC, 1994, v.3, p.2376] СМВ

8. Специфика ускорителя У70 А. Ограниченная длительность плато вывода  ПОЭТОМУ СМВ реализуется на пределе возможностей метода со стороны коротких t Б. Продольный толкатель (нового и.у. не будет) ВЧ система 5.5-6 МГц: может эффективно воздействовать на пучок, но остается неприемлемая структура 6 МГц  ПОЭТОМУ ВЧ 6 МГц использовать нельзя ВЧ система 200 МГц (СПГП): 1. VRF = 0.5 МВ при кратности q = 3330 = 990 не очень много для быстрого управления пучком с p/p0 = (1–1.5)10–3  ПОЭТОМУцентр пучка центру резонанса для уменьшения времени диффузии. Предпочтительнее низкие gи высокие VRF СМВ

9. Специфика ускорителя У70 (2) 2. Схема возбуждения с подавленным (детерминированным) несущим колебанием 200 МГц невозможна  ПОЭТОМУ на продольной фазовой плоскости в зоне диффузии будут присутствовать сепаратрисы 200 МГц 3. Полоса пропускания резонаторов 200 МГц 10 кГц, разброс по частотам обращения пучка на q = 990 примерно 4–6 кГц.  ПОЭТОМУ частотный портрет пучка должен быть вблизи линии 200 МГц, а продольный фазовый портрет пучка должен быть вблизи сепаратрис 200 МГц СМВ

10. К центру У70 Схема СМВ для У70 Диаграмма СМВ для У70 Фазовый портрет в t= 0 • ФИЗИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ: • инверсия образования гало пучка • вывод сгруппированного пучка, пополняемого извне ОСОБЕННОСТИ СМВ из У70: • Большая нелинейность движения около (снаружи) сепаратрис • Пучок в t = 0 и резонанс в разных полуплоскостях (j, (p-p0)/p0). Нет преждевременного вывода • Нет зависимости г.у. задачи диффузии от ax. Нет “развертки” по ax: вывод частиц со всеми axсразу • Перемешивание (случайная фаза пересечения сепаратрисы + нелинейность). Ловушка вблизи 3Qx=29 • Эффективное использование несущего колебания 200 МГц. Резкий локальный рост скорости наведения вблизи 3Qx=29 (циклическое финитное движение, м.- а. период 1.3 мсек, время развития резонанса 1--5 мсек) СМВ

11. Реализуемый: ФНЧ Баттерворта 6-го порядка Решение уравнения диффузии Спектр j-шума D(J) и пучок в t =0 Естественный сброс ZOOM Эволюция пучка “chimney” • однонаправленная диффузия = стохастическое (до)ускорение • рольпрочих шумов около линии 200 МГц (ЗГ Г4-107) • “стирание памяти пучка” о предыстории ускорения СМВ

12. Прямоугольные импульсы сброса ОСОБЕННОСТИ СМВ из У70: Отказ от управления граничной частотой спектра шума,изменять только его уровень. Причины 4: • Относительно короткие времена вывода • Техническая простота (схемы АМ, модуляция мощности) • Фоновое кондиционирование ожидающего пучка шумом наведения • Существование идеального закона наведения G(t); расчетные характеристики импульсов сброса Характеристики импульсов сброса Вывод 100% пучка (как под плоской вершиной импульса, так и вообще) только за счет СМВ невозможен технически СМВ

13. Статические регулировочные характеристики Расчет < 10 Гц (-3 дБ) Эксперимент мгновенный 32 цикла Сеанс У70 2004 г. Аппаратура 10-6рад2/Гц 0-4.2 кГц (-3 дБ) +/- 2 кГц (pp) 10 мВ (pp) ГФ не справится с наведением, только цепь ОС СМВ

14. коррекция Цепь обратной связи Пучок при СМВ Схемотехническая модель Элементарная мало-сигнальная теория пропорциональной ОС в t-области (плоская вершина, пульсации) СМВ

15. Цепь обратной связи (2) Схемотехническое моделирование в реализуемых компонентах (PSPICE) Модель Теория ОС DCFBk DC+AC FBk СМВ

16. Цепь обратной связи (3) аналоговая электроника: аппаратура прецизионная, с малым собственным шумом, хорошо защищенная от сетевых наводок, полоса регулирования тракта АМ не хуже 0--500 Гц, стандарт “Вишня-140” СМВ

17. Шум наведения Интенсивность пучка Сигнал ОС Сброс Сеанс У70 2005 г. ОС разомкнута Переход в насыщение tS = 2.2 сек CERN LEAR СМВ

18. Сеанс У70 2005 г. (2) Стохастический МВ Обычный МВ tS = 1.4сек (80% за 2.9 сек, экстраполяция) -40 дБ Спектр пульсаций непрерывный, нет (когерентных) сетевых гармоник, плоский до 500 Гц. Почти белый гауссов шум СМВ

19. Сеанс У70 2005 г. (3) Наведение на ВМ-27, канал 4 (с участием А.Г. Афонина и А.Д. Ермолаева) стохастическое обычное (бампы ЗО) диффузия, МКР снос, ИП tS = 2.8 сек Возможность создания 2-канальной системы стохастического наведения на “положительные” и “отрицательные” радиусы СМВ

20. Выводы и заключения • СМВ из У70 проверен экспериментально в макетном варианте, понятен, работоспособен и прост в управлении. Это весьма наукоемкая разработка • Имеются существенные элементы новизны в принципиальных решениях • Вид диаграммы Стейнбаха с ВЧ сепаратрисами • Способ управления шумом наведения • Открываются новые возможности при настройке МВ • Стационарность токов возбуждения магнитной оптики (линза Q38, наклон H не нужны) • Отсутствие “развертки” по p(стационарность f(p) выведенного пучка, неизменность трассы пучка в каналах) • Отсутствие “развертки” по ax(стационарность f(DX) по забросу в ЭД106 при Ф = const) • Свобода выбора направления перемещения р.т. по клетке бетатронных частот СМВ

21. Выводы и заключения (2) • Большие растяжки вывода: от 0.5 до 3--5 сек и более. Длительность сброса ограничена ЭД106 и/или ОМ24, 26 (3.5 сек для 50 ГэВ) • Качество временной структуры вывода: малые пульсации, нет отсечек, нет сетевых (когерентных) гармоник • Повторяемость импульсов вывода в циклах У70: сильная стабилизирующая ОС + кондиционирование пучка шумом наведения • Возможность увеличения интенсивности МВ: порог самопроизвольной группировки пропорционален (Dp/p0)2/Nи растет в ходе СМВ(+шум наведения) • Возможность одновременной (параллельной) работы СМВ и ВМ, фоновый отбор (<10%), “отрицательные” радиусы СМВ = новая по функциональным возможностям система вывода пучка из У70 Благодарность участникам работ: 5/4, ВЧ, ГПУ, ОВ и СОУ СВ СМВ