Applied Physics Researches Division (APRD)

Accelerator Diagnostics Methods Development Group (240/2) Researches

Posted on Dec 15, 2015

План работ группы «Разработка методов ускорительной диагностики» 240-2 на 2018 г.

 

Состав группы:

Арутюнян С.Г., рук гр., д.ф.-м.н.

Маргарян А.В., к.т.н.

Лазарева Э.Г.

Лазарев Л.М.

Шагинян Л.А.

Егиазарян С.Л.

 

Предполагаемые работы:

Основная тема «Разработка новых методов диагностики тонких пучков на базе мониторов вибрирующих струн»

  1. Тема актуальна для ускорителей нового поколения с малыми эмиттансами, где поперечные размеры пучков достигают размеров в несколько микрометров. Сюда входят новые и строящиеся проекты коллайдеров для физики высоких энергий, повышение светимости которых упирается в разработку новых прецизионных диагностических методов с большим динамическим диапазоном. С учетом прорыва в разработке новых методов фокусировки пучков (multi-bend achromat cells, bending magnets with longitudinal gradient etc) появилась возможность проектирования источников излучения синхротронного типа, конкурирующих с проектами с лазерами на свободных электронах. Здесь также предполагается оперирование пучками с размерами в несколько микрометров, а по вертикальному направлению и меньше микрометра. Получение, а, следовательно, и измерение пучков с малыми эмиттансами и малыми поперечными размерами актуально также для прикладных ускорителей с малыми энергиями (например, установки электронной дифракции типа REGAE (DESY)).
  2. Для диагностики пучков с малыми поперечными размерами предполагается использовать вибрирующую струну с большой амплитудой колебаний. Движение струны в процессе колебаний при этом представляет естественный сканер с большой скоростью перемещения струны (несколько м/с). Информацию о профиле можно получить за один период колебаний струны, т.е. за время в несколько сот микросекунд измеряя отраженные/рассеянные от струны частицы/фотоны. Более надежным представляется измерения в течение нескольких периодов, позволяющих применять математические методы, устраняющих помехи схемы измерения.
  3. Для измерения рассеянных/отраженных от струны частиц/частиц будет разработана электронная схема с возможностью микросекундных измерений. Разработка потребует использование микроконтроллеров с соответствующим программным обеспечением, быстрых аналого-цифровых преобразователей, а также встроенных в измерительную схему статических запоминающих устройств с произвольной выборкой (SRAM) до 512 кбит памяти.
  4. Специального исследования потребует выбор приемника частиц/фотонов. Основное требование при этом – достаточное быстродействие. Как кандидаты детекторов рассматриваются быстрые фотодиоды и быстрые фотоэлектрические усилители. Планируется использование фотодиодов с расширенным диапазоном регистрируемых фотонов в сторону рентгеновского излучения (так называемых PIN-фотодиодов). Использование таких специальных фотодиодов, а также резонансное поведение генерируемого за счет взаимодействия с вибрирующей струной сигнала позволит существенно упростить традиционную схему струнных сканеров, в которых применяются требующие высокого напряжения блоки ФЭУ.
  5. Планируется проведение тестовых измерений с целью паспортизации измерительной схемы и приемников частиц/фотонов с использованием модельных эквивалентов пучка.
  6. Далее предполагается исследовать полный процесс измерения на сфокусированных лазерных пучках.
  7. Предполагается также провести измерения на электронных пучках линейного ускорителя ЕрФИ (Арутюнян Х.), а также ускорителя AREAL (Candle). Предварительная договоренность по этому предложению имеется.
  8. Кроме того, после запуска протонного циклотрона С18 предполагается начать проект инсталляции сканера профиля пучка на базе вибрирующей струны на экспериментальном выводе циклотрона. Будет проработан также вариант датчика положения пучка, также использующий датчик вибрирующей струны.
  9. Предполагается продолжить работы по изучению когерентного синхротронного излучения. Работа очень важна для источников синхротронного излучения 4 поколения, где доля когерентного излучения составляет несколько десятков процентов.
  10. Будет разработано предложение по использованию мониторов вибрирующей струны для измерения области гало сильноточного пучка установки International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF, Rokkasho, Japan). Проект IFMIF нацелен на создание потока нейтронов с энергией воколо 14 МэВ, эквивалентного дейтерий-тритиевой термоядерной реакции в промышленных установках термоядерного синтеза. Для этого строится ускоритель D+ ионов (Linear IFMIF Prototype Accelerator – LIPAc) с энергией 9-40 МэВ и беспрецедентным значением среднего тока до 2х125 мА. Проект IFMIF нацелен разработку специальных материалов, которые можно будет использовать в установках термоядерного синтеза. Оперирование ускорителем LIPAc требует разработки новых диагностических методов с расширенным динамическим диапазоном и повышенной точностью. Для целей измерения поперечного профиля пучка и области гало пучка предусматривается создание тестовой вакуумной камеры с пятью портами. В настоящее время разрабатывается схема инсталляции монитора вибрирующей струны теплового типа действия в данную камеру.

 

Планируется также:

  1. Разработка и изготовление высокотемпературных лабораторных печей, а также прецизионных термостатов по техническим требованиям заказчиков. В частности, будет разработана новая модификация вакуумной печи с чистой камерой.
  2. Поддержание инфраструктуры зд. 30 в работоспособном состоянии.

 

Командировки:

Планируется командировка Арутюняна С.Г. в Берлин (HTM Reetz) в соответствии с договором о взаимном сотрудничестве (за счет приглашающей стороны). Возможно состоится командировка в Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) по приглашению проф. М.Чунга для обсуждения проекта использования мониторов вибрирующей струны для инсталляции в ускорительный комплекс IFMIF ()/

 

Конференции:

Планируется участие на международной конференции по ускорителям (зависит от условий возможного спонсирования).

 

Публикации:

Планируется две публикации в рецензируемых журналах и два доклада на конференцию.

 

Коллабарации:

  1. Сотрудничество с фирмой HTM Reetz, Берлин в области программирования микроконтроллеров и теплофизических расчетов на базе методов конечных элементов (программа ANSYS), а также в области электрохимического осаждения гадолиния на струны из различных материалов (совместно с проф. Т.Реетцом).
  2. Сотрудничество с проф. М.Чунгом (Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)) в области разработки мониторов на базе вибрирующей струны для использования в установке IFMIF.
  3. Сотрудничество с фирмой Bergoz Instrumentation в области разработки электроники и мониторов нейтронных пучков на базе вибрирующей струны и методов регистрации рентгеновского и гамма-излучения с помощью PIN-фотодиодов.
  4. Сотрудничество с Candle в области новых методов ускорения и ускорительной диагностики.

 

Необходимое оборудование и материалы:

Для измерения резонансных с частотой вибрирующей струны составляющих в сигнале приемника частиц/излучения требуется приобретение

Stanford Research Systems SR830 DSP Lock-in Amplifier 100kHz                        $4000

Специальные фотодиоды для регистрирования рентгеновского излучения фирмы HAMAMATSU:

S12859-122, S12362-121, S8559, S11299-121                                                         $1000

 

 

 

Рук. гр. 240-2, д.ф.-м.н., С.Г.Арутюнян

 

–Old version––Old version––Old version––Old version––Old version–

Developments of methods of beam diagnostics and instrumentation for accelerators Beam diagnostics and instrumentation is a typical component of any accelerators based facility aimed to measure and characterize beam parameters (beam intensity, orbit, profiles/emittance, phase/timing, halo, etc.). Progress in accelerator technique requires upgrade of a list of beam parameters – particle energy increase, beam sizes and emittance decrease, specific beam timing, e.g. production of ultrashot bunches, beam halo and electron clouds cleaning, reduction of secondary particle and ions background etc. Commonly upgrade of only one desired parameter lead to necessity to improve of many others. For example the increasing of particles energy requires corresponding decreasing of beam emittance because of most physical processes cross-sections reduction. As a result each upgrade in accelerator needs corresponding development of new concepts in beam diagnostics and instrumentation. The new ideas here claimed from all world accelerator centers. On the other hand area of beam diagnostics and instrumentation does not need catastrophic investments and expenditures. Activity here stipulates by novelty and validity of new ideas and possibility to found the proof-of-principle developed proposals.             Accumulations of YerPhI During the years a lot of concepts were developed aimed to apply in accelerators diagnostics. Some projects were be developed for high energy usage by in principle can be used also for beam diagnostics and instrumentation

  1. YerPhI leading experts (M. Ter-Mikaelian, G.Garibian, A.Amatuni et el) have an significant contribution in development of physical state of transition radiation (TR), especially in the hard part of the TR. A lot of proposals of TR detectors for high energy physics and beam diagnostics were suggested. In fact the one of the resulting usage of transition radiation is OTR (optical TR) monitors widely used in beam 2D visualization. Optical transition radiation detectors serve as a standard tool in most accelerators worldwide. Today is very actual R&D of TR monitors in wavelength range to ultraviolet and soft roentgen.
  2. Ultrashot bunches measurement

2.1. Measuring of femtosecond electron bunches longitudinal profile was proposed on the basis of bunch self electromagnetic field. An electrooptical method was offered to modulate a signal laser beam by coherent part of the bunch electric field (S.Arutunian,  E.Laziev, et al). 2.2. Device for bunch temporal  structure measurement, based on RF deflector (RF streak camera) is proposed (A.Margaryan et al.).

  1. The method of the measurements of angular spread parameters of the electrons and positrons bunches, based on orientation dependence of the passage of the charged particles along the crystal channels and accompanied channeling radiation was pointed out (A.Amatuni, S.Arutunian). Suggestion remain actual for Project of ILC (FNAL).
  2. Precise measurement of absolute energy of the electron beam by using resonant absorption of laser photons in the magnetic field (R. Melikyan)
  3. Vibrating wire technology for beam diagnostics and instrumentation is in progress at last ten years (S.Arutunian, N.Dobrovolsky, M.Mailian, I.Vasiniuk). The operating principle of Vibrating Wire Monitors (VWM) is based on the measurement of the change in the frequency of a heated by measured beam vibrating wire. Because of VWM unprecedented temperature sensitivity such device can be used in very wide range of applications. By this time vibrating wire sensors are successfully applied for electron (YerPhI), proton (PETRA DESY) and ion beams (YerPhI) measurements. VWM can be used for photon beam monitoring with very wide spectral range from deep infrared till to hundreds of keV. Weak laser beams were measured by VWM. First experiments were done in APS ANL for hard X-ray monitoring both in vacuum and in the air. It was proposed also VWM usage for inhomogeneous magnetic field measurement. In 2008 S.Arutunian was recognized as winner of the 2008 Faraday Cup Award in accelerators diagnostics for the development, publication and successful testing of the diagnostic system “Vibrating wire scanner”.
  4. As a beam instrumentation topic can be mentioned the femtosecond transversal deflection of electron beams with help of laser beam (E. Gazazyan, K. Ispirian).
  5. ALICE/YerPhI group has developed Geometry Monitoring System for elements of Muon Spectrometer with accuracy better than 50 micrometers (A.Grigoryan, V.Hovhannisyan, H.Gulkanyan). Developed two-wavelength laser system correct laser path in air and can be successfully used also for accelerators elements alignment.
  6. During last ten years a new polystyrol scintiator system on the basis of new luminofors were developed in YerPhI (V.Gavalyan). Because of larger wave length these scintillators become more radiation stable and can be used in beam visualization with better contrast characteristics. 120 mkm film with inorganic additiuon was successfully used for 20 MeV linear accelerator YerPhI. It is shown that such systems can be useful also for neutron beam diagnostics.
  7. Accelerator diagnostics topic attracts attention of other scientific workers of YerPhI to apply their knowledge in beam diagnostics and instrumentation. For example Gevorkian Zh. proposed a new concept of usage of radiation at particles grazing on rough metal surfaces for beam loss monitor development. K.Ispirian proposed to use carbon nanotubes for beam particle monitoring.

            Perspectives of beam diagnostics and instrumentation in YerPhI Advantages:

  1. Accumulated developments and specialists in wide area of corresponding physics (see above).
  2. Possibility of proof-of-principle experiments on accelerators and other facilities of YerPhI.
  3. Well established communication structure with principle accelerators centers in the world (DESY, JLAB, CERN, APS ANL, …, CANDLE). All these centers can be potentials users of beam diagnostics developments. Some developments are tested and collaboration is continued.
  4. Investments need mostly at state of physical concept and test experiments holding.
  5. Prepared experiments at YerPhI can make a base for concomitant experiments for high energy physics and related topics.