01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: теория поля, электродинамика сплошных сред, теоретические основы электротехники и радиотехники, вакуумная техника, приборы и техника СВЧ-электроники, физика пучков заряженных частиц и ускорители заряженных частиц. Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии ГНЦ ИТЭФ и Института ядерных исследований РАН.
Общие вопросыИстория развития ускорительной техники. Вклад отечественной научной школы. Применение пучков заряженных частиц в различных областях науки, техники и народного хозяйства. Ускорительные центры России и мира.
I. Физика пучков заряженных частиц 1. Основные понятия и теоремы1.1. Общее определение пучка частиц. Основные свойства пучков, характеристики орбит в ускорителях.1.2. Фазовое пространство и понятие ансамбля частиц в приложении к описанию пучков. Теорема Лиувилля. Адиабатические инварианты.1.3. Уравнение движения заряженных частиц в электромагнитных полях. Система уравнений Максвелла. Собственные поля пучков. Уравнения Власова.1.4. Модели пучков. Ламинарные пучки и гидродинамическое приближение. Неламинарные пучки без столкновений. Пучки со столкновениями и диссипацией.1.5. Математические модели пучков. Метод крупных частиц. Методы решения уравнений Пуассона и Максвелла.1.6. Линейные дифференциальные уравнения с периодическими коэффициентами. Теорема Флоке. Анализ устойчивости.1.7. Основные свойства электромагнитных волноводов и резонаторов. Дисперсионные характеристики.
2. Источники пучков заряженных частиц2.1. Электронная эмиссия: термоэмиссия, автоэмиссия, плазменная (в том числе взрывная) эмиссия, фотоэмиссия. Основные характеристики катодов на основе каждого из видов эмиссии.2.2. Электронные пушки. Формирование пучков. Первеанс, эмиттанс, яркость пучков. Формирование электронных пучков с малым эмиттансом. Типы электронных пушек.2.3. Ионные источники. Механизмы генерации положительных, отрицательных, поляризованных ионов. Формирование пучков. Первеанс, эмиттанс и яркость пучков. Типы ионных источников.
3. Транспортировка пучков заряженных частиц3.1. Магнитные и электростатические линзы с продольными и поперечными полями: аксиально-симметричные, цилиндрические, квадрупольные, мультипольные. Фокусное расстояние линзы, матрица преобразования пучка.3.2. Магнитные линзы с азимутальным полем: параболические, "литиевые", магнитные горны, плазменные линзы.3.3. Поворотные магниты, их фокусирующие и диспергирующие свойства. Градиентная и краевая фокусировка. Матрица преобразования пучка.3.4. Электростатические отклоняющие устройства. Фокусирующие свойства, матрица преобразования.3.5. Анализаторы заряженных частиц. Разрешение по импульсу-энергии.3.6. Матричный анализ движения частиц в канале. Описание пучков в фазовом пространстве. Фазовые эллипсы. Уравнение моментов и огибающие пучки частиц. Аксептанс канала.3.7. Транспортировка пучков в продольном магнитном поле. Теорема Буша. Источник, погруженный в магнитное поле; источник полностью или частично экранированный. Аксептанс канала.3.8. Системы из квадрупольных линз (дублет, триплет, симметричные и периодические системы).3.9. Оптические системы из квадрупольных линз и отклоняющих магнитов. Симметричные бездисперсные и изохронные системы, ахроматические каналы.3.10. Аберрационные эффекты. Хроматические аберрации, нелинейности, нестабильности питания элементов магнитной оптики, ошибки в установке (юстировке) квадрупольных линз и магнитов.
4. Способы формирования пучков частиц различного сорта на современных ускорителях4.1. Методы вывода ускоренных пучков из циклических ускорителей. Деление выведенных пучков на части.4.2. Взаимодействие выведенных пучков с мишенью. Выходы вторичных частиц. Радиационный разогрев мишеней.4.3. Способы формирования мюонных и нейтронных пучков.4.4. Методы сепарации заряженных частиц по массам. Электростатические и высокочастотные сепараторы и их возможности.
5. Ускорение заряженных частиц5.1. Динамика частиц в циклических ускорителях. Ускорители с мягкой и жесткой фокусировкой. Поперечные колебания частиц, уравнения огибающей, условие устойчивости. Матричный анализ движения частиц. Бетатронная и дисперсионная функции. Адиабатическое изменение параметров поперечных колебаний. Поперечные колебания при наличии возмущений, резонансы.5.2. Ускорение в статических и квазистатических электрических полях. Ускорители прямого действия. Динамика пучка при ускорении в постоянном электрическом поле, действие пространственного заряда.5.3. Импульсное ускорение ионов в вакуумных диодах с магнитной изоляцией; пинч-диоды, отражательные триоды и тетроды, обращенный отражательный тетрод. "Газодинамический" метод ускорения ионов.5.4. Ускорение частиц в вихревом электрическом поле. Бетатрон .5.5. Линейные ускорители. Особенности ускорителей электронов, протонов и тяжелых ионов. Автофазировка. Инжекция частиц в линейный ускоритель. Динамика частиц в линейных ускорителях. Особенности транспортировки частиц в линейных ускорителях, влияние пространственного заряда и излучения пучка.5.6. Высокочастотная фокусировка. Фазопеременная фокусировка. Квадрупольная высокочастотная фокусировка. Динамика пучка в канале с ПОКФ - пространственно-однородной квадрупольной высокочастотной фокусировкой.5.7. Циклические ускорители. Автофазировка, критическая энергия. Фазовое движение частиц, продольный фазовый объем пучка. Адиабатическое затухание фазовых колебаний. Синхротрон, синхрофазотрон (протонный синхротрон). Циклотрон. Фазотрон. Микротрон. Изохронный циклотрон. Каскадные схемы ускорения частиц до высоких энергий, бустерные синхротроны.5.8. Методы генерации ускоряющего электромагнитного поля: сгустками электронов, плазменными колебаниями, движущимися электронными пучками. Методы создания ЛСЭ - лазеров на свободных электронах.
6. Интенсивные пучки заряженных частиц6.1. Пучок заряженных частиц в вакууме. Виртуальный катод; облако осциллирующих электронов; предельный "вакуумный" ток пучка. Поперечное движение под действием собственных полей.6.2. Транспортировка интенсивных пучков. Предельный ток пучка в вакуумном канале с разделенными функциями, в канале с продольным магнитным полем. Брюллюэновский поток.6.3. Транспортировка интенсивных пучков в газе и плазме. Обратный ток. Неустойчивости пучков, влияние продольного магнитного поля на устойчивость пучков. Коллективные потери энергии пучка в плазме. Компенсация пространственного заряда и тока электронного пучка. Релятивистский стабилизированный пучок.6.4. Пространственный заряд пучка в циклических ускорителях. Кулоновский сдвиг частот поперечных колебаний.6.5. Взаимодействие интенсивных пучков со структурой канала транспортировки и ускоряющей системой (циклические и однопролетные системы). Затухание когерентных колебаний. Неустойчивость пучков.6.6. Внутрипучковое рассеяние.
7. Синхротронное излучение и охлаждение пучков заряженных частиц7.1. Синхротронное излучение и радиационное трение. Основные характеристики синхротронного излучения, его применение. Движение частиц в ускорителе (канале транспортировки) в присутствии синхротронного излучения. Декременты затухания колебаний частиц. Установившийся размер пучка. Генераторы синхротронного излучения.7.2. Ионизационное трение. Основные характеристики метода, области его применения.7.3. Электронное охлаждение. Основные характеристики метода, области его применения.7.4. Стохастическое охлаждение. Шоттки-шум. Основные характеристики метода. Области применения.
8. Метод встречных пучков8.1. Основные характеристики метода: энергия реакции, светимость. Циклические и линейные пучки.8.2. Накопление заряженных частиц. Методы конверсии, многократное накопление в заданный фазовый объем, охлаждение.8.3. Ограничения светимости установки со встречными пучками. Эффекты встречи.8.4. Время жизни пучка в накопителе. Взаимодействие пучка с остаточным газом и встречным пучком. Влияние охлаждения.
9. Поляризованные пучки9.1. Источники поляризованных пучков протонов и ядер. Метод Штерна-Герлаха.9.2. Радиационная поляризация электронных пучков в накопителях.9.3. Поляризация циркулирующих пучков тяжелых частиц в накопителе на поляризованной тонкой мишени. Роль охлаждения пучков.9.4. Динамика поляризованных пучков в циклических ускорителях (накопителях), спиновые траектории и спиновые резонансы, управление поляризацией.
II. Ускорительная техника 10. Техника ускорения и формирования пучков заряженных частиц10.1. Ускорители прямого действия: каскадные ускорители с умножением напряжения Кокрофт-Уолтона, электростатические ускорители (ЭСУ) Ван-де-Граафа, тандемы ускоритель-трансформатор. Генераторы импульсного напряжения (ГИНы). Формирующие линии, конденсаторы-накопители. Рабочий диапазон ускорителей прямого действия, их параметры. Способы стабилизации энергии частиц. Коммутация импульсных напряжений. Прикладные применения ускорителей прямого действия .10.2. Линейные ускорители. Общие характеристики принципа их действия и конструкции, преимущества и недостатки по сравнению с кольцевыми ускорителями. Основные системы линейных ускорителей в комплексе.Линейные ускорители электронов. Типы ускоряющих систем, варианты со стоячей и бегущей волной. Особенности конструкции и основные параметры машин для прикладных применений, для физики.Линейные ускорители протонов и ионов. Ионные источники. Особенности резонаторов и ускоряющих структур для ионов различных энергий, сверхпроводящие резонаторы. Импульсные инжекторы протонных синхротронов. Сверхмощные ускорители для мезонных фабрик, нейтронных и нейтринных генераторов, импульсный и непрерывный режим, предельные энергии и токи.10.3. Индукционные ускорители. Бетатрон. Линейный бетатрон. Особенности конструкции, параметры.10.4. Магнитные системы циклических ускорителей. Конструктивные особенности элементов магнитной системы (соленоиды, диполи, квадруполи, линзы высших порядков). Железные и безжелезные магнитные системы. Сверхпроводящие магнитные системы, их параметры. Системы питания и требования к ним. Применение постоянных магнитов.10.5. Ускоряющие резонаторы и системы ВЧ-питания циклических ускорителей. "Теплые" и сверхпроводящие ускоряющие резонаторы, источники ВЧ-мощности. ВЧ-системы электрон-позитронных накопителей встречных пучков и источников синхротронного излучения. Особенности ускоряющих структур и источников ВЧ-мощности. Обеспечение устойчивого движения сгустка частиц.10.6. Вакуумные системы ускорителей. Методы получения высокого и сверхвысокого вакуума, измерение давления остаточного газа, анализ его состава.10.7. Системы инжекции и вывода пучка. Инжекция в циклические ускорители, многооборотная инжекция, перезарядная инжекция. Быстрый и медленный выводы пучка.10.8. Устройства для управления ускорителями и контроля их параметров, применение ЭВМ.
11. Диагностика пучков заряженных частиц11.1. Измерение тока пучка. Импульсные пучки, циркулирующие сгруппированные пучки - пояс Роговского, емкостные датчики тока. Непрерывные пучки - измеритель магнитного поля пучка. Мониторы выведенных (сброшенных) пучков, цилиндр Фарадея.11.2. Измерение эмиттанса пучка.11.3. Контроль положения и профиля пучка. Емкостные и магнитно-индукционные датчики. Вторично-эмиссионные детекторы, методы тонкой мишени. Контроль пучка по свечению остаточного газа.11.4. Контроль параметров электронных, позитронных пучков в накопителях по синхротронному излучению.
12. Радиационная безопасность при работе на ускорителях заряженных частиц12.1. Взаимодействие излучения с веществом. 12.2. Радиационная активность ускорителей различных типов. 12.3. Обеспечение безопасной работы обслуживающего персонала.12.4. Влияние излучения на материалы и радиоэлектронное оборудование.
13. Прикладные применения ускорителей в медицине и промышленности 14. Основные особенности и характеристики крупных действующих ускорительных установок и ускорительно-накопительных комплексовУстановки и комплексы: ВЭПП-4, FAKEL, И-100, ММФ (MЕГАН), У-70, AGS, APS, BEPC, CEBAF (TJNAF), CESR, DA?NE, ELETTRA, HERA, KEKB, LAMPF (MLNSCE), LEP-II, LUE-2000, NUCLOTRON, PEP-II, PLS, RHIC, RIKEN, SINQ (PSI), SIS, SLC, SPS, TEVATRON, TRIUMF, SLAC:
Перспективы развития отрасли Основная литература Дополнительная литература к разделу I Дополнительная литература к разделу II Дополнительная литература к разделу III Дополнительная литература к разделу IVПримечание. Специалистам как в области физико-математических, так и технических наук. Различие в специализации состоит в том, что для первых требуется проявить более глубокие знания раздела II программы, а для вторых - соответственно раздела III, разделы I и IV одинаково важны в обоих случаях.