ITEP-TWAC FACILITY PROGRESS REPORT

Содержание доклада
Проект ИТЭФ-ТВН
Достигнутые и планируемые параметры
Модернизация лазерного источника ионов и переход на тяжелые ионы
Перспективы повышения интенсивности ускорителя-накопителя У-10
Эксплуатация комплекса и направления исследований на пучках протонов и ионов
Заключение

Ускорительный комплекс ИТЭФ-ТВН
2) Создание ускорителя ионов с макс. энергией до ~4 ГэВ на нуклон для экспериментов по релятивистской ядерной физике
3) Расширение прикладных исследований на пучках протонов и ионов

Этапы реконструкции

Charge-exchange injection technique
applied for heavy ions
The ion accumulation is based on the charge-exchange injection with using a fast bump system for minimising the stacked beam perturbation over penetrating through the stripping foil material. Schematic layout of the beam trajectory at injection are shown in Fig. The deflection of the beam in the septum magnet SMG at injection is 98 mrad, the maximum field is 1.2 T. This magnet steers the injected beam to the centre of the stripping foil of 5x10 mm size, which is placed in the vacuum chamber of the F505 with a displacement of 20 mm from the ring equilibrium orbit. The fast bump system matching of both injected and circulating beams includes three kicker magnets installed in the short straight sections after of the magnets F411, F511 and F711. The first kicker magnet gives the kick of 3 mrad deflecting the stacked beam to the stripping foil at a moment when the injected beam is passing through the transfer line. The two beams, becoming one after passing through the stripping foil, are set to the ring closed orbit downwards by the kicker magnets in straight sections of F511 and F711. The foil material is mylar with the thickness of 5 mg/cm2, that yields >90% of bare carbon ions with projectile energy of >50 MeV/amu.
Beams trajectories at injection
Injecting beam crosses stripping foil
Accelerated and stacked beams
Two beams meeting in stripping foil
Stripping foil signal
Injected beam
Stacked and injected beams
Beam in booster before ejection
Stripping foil signal
Stacked and injected beams

Accumulation process optimization
The injection efficiency is now limited by the rise time of the pulse in the UK ejection kicker magnet and some particle losses (~10%) in beam transfer line between booster and accumulator rings. The efficiency of beam stacking is near to absolute for particles crossing stripping foil. The process of the beam accumulation is shown on Fig. The efficiency of accumulation process is characterized by lifetime of the stacked beam with fast bump system on (τΣ) and off (τo) [6]. Using equality τo=25⋅Ax,z, we get estimation of the accumulator ring dynamic acceptance as Ax,z ~ 12 π mm⋅mrad. Designating δA as acceptance reduction from the orbit displacement by the fast bump at injection, and considering equality (τoτΣ)/(τo-τΣ)=20(Ax,z-δA), it gets estimation of δA ~ 2 π mm⋅mrad. The factor of stacked beam losses at injection of a new portion of particles is calculated as δ=(τo-τΣ)/(finjτoτΣ)=0.005, and the factor of stacking intensity increase is equal to k∝=(finjτΣ) ~70. The maximum intensity achieved last time in the booster synchrotron has not yet been used in the mode of beam accumulation so we have possibility to increase the stacked beam intensity in the next accumulator run by factor of two.
Stacking of the C4+=>C6+ beam in U-10 Ring
1V/2.5x109
1V/6x109
Stacked beam life time in the U-10 Ring
Kickers on, τΣ=200 s
Kickers off, τo=300 s
Maximal intensity of stacked beam
k∝ =>70
1V/6x109
Level of intensity saturation
Approaching to saturation level
Stacked beam current
1V/25 mA
60 mA
4x1010
40 с
100 с

Longitudinal compression and ejection of stacked beam
The stacked beam longitudinal compression is fulfilled with the 10 kV accelerating resonator which is used also with low voltage (~1 kV) for the beam keeping at the process of its accumulation. Due to the Non-Liouvillian saving of the longitudinal phase space for the stacking beam at multiple charge exchange injection, the particle density seems to be maximal after compression and the grade of compression depends on a beam forming in the booster synchrotron at its acceleration and ejection. Result of beam compression up to the pulse width of 150 ns is illustrated on Fig.
150 ns
1V/50 mA
Fast extraction system of U-10 Ring
Stacked bunch envelope at compression before ejection
Compressed bunch width
Beam stacking and fast ejection
180 mA

Ускорение ядер С6+ до энергии 4 ГэВ/н
по трехступенчатой схеме И-3/УК/У-10
Интенсивность ускоренного пучка
Производная магнитного цикла У-10
3х108
Сброс пучка на внутреннюю мишень
700 мс

Достигнутые параметры комплекса
в режиме накопления ионов

Лазерный ионный источник
Параметры CO2 - лазера
250 мА
100 мА
С5+
С4+
С3+
С2+
хвост
голова
середина
Ток пучка и зарядовый состав
Оптическая схема
Лазер Л5
Мишень
Плазменный факел
Ионный пучок
Луч лазера
Зеркало
Разрывающий промежуток
10 мкс

Модернизация ионного источника
C5+
Повышение энергии лазера для увеличения потенциала ионизации тяжелых элементов.
Модернизация конструкции мишенной камеры для повышения ресурса источника.
Обеспечение оперативной смены типа ускоряемых ионов.
Новая оптическая схема лазерного ионного источника с тремя лазерами
Л100
Л10(20)
Л5
Мишень
Высоковольтная платформа
Плазменный факел
Ионный пучок
Лазерный луч
Зеркала

Проблемы повышение интенсивности накопителя
C5+
Увеличение интенсивности бустера УК :
с инжектором И-3 (1,3МэВ/н) - в 10 раз
с инжектором И-4 (7 МэВ/н) - в 100 раз
Расширение динамической апертуры накопителя - в 5 раза
Уменьшение потерь частиц при выводе из бустера и инжекции в накопитель - в 2 раза
Увеличение частоты циклов накопления для минимизации внутрипучкового рассеяния частиц

Ионный инжектор И-3

Ускорение супертяжелых ионов
Зависимость энергии частицы на выходе И-3 от фазы группирующего напряжения для Ар/Zp≥3.
Ар/Zp=3
4
5
6
7
8
9
10
Ускорение U29+ с наибольшей интенсивностью
Ускорение U29+ до максимальной энергии

Структура пучка ионов С4+ на выходе И-3
Ток пучка на входе (1В/50 мА) и банчевая структура на вых. И-3 (1В/20 мА).
Банчи пучка на выходе И-3 1В/20 мА
Форма банча на выходе И-3, 1В/20 мА
400 мА
18 нс
400 нс

Ускорение пучка в бустерном синхротроне УК при инжекции на растущее поле
Ток пучка ионов С4+ на выходе И-3 и в конце ионопровода.
Циркуляция пучка в УК после инжекции по датчику в конце первого оборота(2В/1 мА)
Осциллограмма захвата пучка в УК в режим ускорения (2В/1 мА)
Осциллограмма ускорения ионов С4+ в УК до энергии 300 МэВ/а.е.м.
Вых. И-3
Вх. УК
2 мА
7 мА
1,5 мА
1 мА
109
2,5х109
Интенсивность
Производная магнитного цикла

Адиабатический захват пучка в режим ускорения в БС УК
Injection – for one turn
Time of beam debunching - 7 ms
Time of RF amplitude ramp – 10 ms
Time of transition to acceleration – 20 ms
Factor of beam capture - >90%
Factor of beam loss at
transition to acceleration – 20%
Longitudinal beam dynamics
Beam debunching, URF=100 V
Beam trapping, U RF=10 kV
Beam acceleration
Oscillograms
Debunching
Injection
Beam trapping,
1V/109
Beam bunches at acceleration with ϕs=10o
Intensity, 1V/109
C4+ beam adiabatic trapping
dB/dt
RF voltage, 10 kV
f RF= 720 kHz, h=10
Ек=1,4 МeV/amu, γ=1,00, β=0,055
Ек=1,3 МeV/amu, γ=1,00, β=0,053
5х109

Состояние накопительного кольца У-10
Коррекции хроматичности
Коррекция равновесной орбиты
Симметрирование структуры магнитного кольца для компенсации нелинейных резонансов
Исследование клетки резонансов для выбора оптимальной рабочей точки
Интенсивность накопленного пучка в зависимости то рабочей точки в клетке бетатронных резонансов
Рабочая точка

Эксплуатация комплекса ИТЭФ-ТВН
Полное время работы комплекса в 2005 году составило 2808 часов, из которых:
1704 ч. - ускорение протонов (1152 ч. с энергией 2,5 ГэВ и 552 ч. с энергией 8 ГэВ), 828 часов – накопление ионов углерода с энергией 200 МэВ/н, 276 часов – ускорение ионов углерода до энергии 4 ГэВ/н.

Использование ускоренных пучков
Большой экспериментальный зал (БЭЗ)
Зона медленного вывода пучка
Мишенный корпус
Корпус биологических исследований
Зона
вторичных пучков
Стенд радиационной обработки материалов
Здание инжектора И-2
Здание
инжектора И-3

релятивистская ядерная физика
физика высокой плотности энергии в веществе
физика и технология тяжелоионного термоядерного синтеза
физика сильноточных ионных пучков
радиобиология и медицинская физика
протонная терапия
ионная терапия
радиационное материаловедение
протонная радиография
испытание радиационной стойкости образцов
Направления исследований
на пучках протонов и ионов комплекса ИТЭФ-ТВН