PUBLICATION. Accelerators for Society - TIARA 2012 Test Infrastructure and Accelerator Research Area (in Polish)

Transkrypt

1 EuCARD-PUB European Coordination for Accelerator Research and Development PUBLICATION Accelerators for Society - TIARA 2012 Test Infrastructure and Accelerator Research Area (in Polish) Romaniuk, R S (Warsaw University of Technology, Poland) 05 June 2013 The research leading to these results has received funding from the European Commission under the FP7 Research Infrastructures project EuCARD, grant agreement no This work is part of EuCARD Work Package 2: DCO: Dissemination, Communication & Outreach. The electronic version of this EuCARD Publication is available via the EuCARD web site < or on the CERN Document Server at the following URL : < EuCARD-PUB

2 Akceleratory dla spo ecze stwa - TIARA 2012 prof. dr hab. in. Ryszard S.Romaniuk Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska Streszczenie TIARA jest Europejskim Konsorcjum Techniki Akceleratorowej, które poprzez prowadzenie projektów badawczych, technicznych, sieciowych i infrastrukturalnych ma doprowadzi do integracji rodowiska naukowo-technicznego oraz zasobów materialnych w skali ca ej Europy. Konsorcjum gromadzi wszystkie o rodki europejskie posiadaj ce du infrastruktur akceleratorow. Pozosta e o rodki, jak np. uniwersytety, s afiliowane jako cz onkowie stowarzyszeni. TIARA-PP (faza przygotowawcza) jest projektem europejskim prowadzonym przez Konsorcjum i wykonywanym w ramach EU FP7. W artykule przedstawiono ogólny zakres dzia a Konsorcjum TIARA, poprzedzaj c to portretem wspó czesnej techniki akceleratorowej oraz przegl dem jej zastosowa w nowoczesnym spo ecze stwie. S owa kluczowe Technika akceleratorowa, akceleratory cz stek, zastosowania akceleratorów, TIARA, EU FP7, wi zki fotonowe, promieniowanie synchrotronowe, wi zki cz steczkowe, wi zki elektronowe, wi zki mionowe, Accelerators for Society TIARA 2012 prof. Ryszard S.Romaniuk Institute of Electronic Systems, Warsaw University of Technology Abstract TIARA is an European Collaboration of Accelerator Technology, which by running research projects, technical, networks and infrastructural has a duty to integrate the research and technical communities and infrastructures in the global scale of Europe. The Collaboration gathers all research centers with large accelerator infrastructures. Other ones, like universities, are affiliated as associate members. TIARA-PP (preparatory phase) is an European infrastructural project run by this Consortium and realized inside EU-FP7. The paper presents a general overview of TIARA activities, with an introduction containing a portrait of contemporary accelerator technology and a digest of its applications in modern society. Key words: Accelerator science, accelerator technology, particle accelerators, applications of accelerators, TIARA, EU FP7, photon beams, synchrotron radiation, particle beams, electron beams, muon beams,

3 Akceleratory dla spo ecze stwa - TIARA 2012 prof. dr hab. in. Ryszard S.Romaniuk Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska Konsorcjum TIARA i Projekt EU FP7 TIARA-PP TIARA jest Europejskim Konsorcjum Techniki Akceleratorowej, prowadz cym projekty badawcze, techniczne, sieciowe i infrastrukturalne. Celem dzia ania konsorcjum TIARA i prowadzonego przez nie ramowego projektu Europejskiego EU FP7 (Test Infrastructure and Akcelerator Research Area) jest integracja krajowych i mi dzynarodowych akceleratorowych infrastruktur badawczych i rozwojowych w rodzaj pojedynczego, dobrze skoordynowanego, europejskiego obszaru badawczego. Konsorcjum gromadzi wszystkie o rodki europejskie posiadaj ce du infrastruktur akceleratorow. Pozosta e o rodki, jak np. uniwersytety, s afiliowane jako cz onkowie stowarzyszeni. W Polsce koordynatorem projektu TIARA jest Instytut Fizyki J drowej PAN w Krakowie, a uczestnikami s laboratoria krajowe zajmuj ce si ró nymi aspektami techniki akceleratorowej np.: IFJ-PAN, AGH, NCBJ w wierku, Politechnika Warszawska, Politechnika Wroc awska, Politechnika ódzka. IFJ-PAN jest oficjalnym cz onkiem konsorcjum TIARA i reprezentuje wszystkie laboratoria zgromadzone w Polskim Konsorcjum TIARA-PL. Cz onkami TIARA s : CEA-Francja, CERN-Szwajcaria, CIEMAT-Hiszpania, CNRS-Francja, DESY-Niemcy, GSI-Niemcy, IFJ-PAN Kraków (reprezentuj cy polskie konsorcjum), INFN-W ochy, PSI-Szwajcaria, STFC-Anglia, Uniwersytet Uppsala (reprezentuj cy konsorcjum nordyckie Dania, Finlandia, Norwegia, Szwecja). TIARA reprezentuje bardzo ciekawe rozwi zanie projektu Europejskiego, okre lanego mianem Faza Przygotowawcza PP (preparatory phase). G ównym celem TIARA jest po prostu, i prawie jedynie INTEGRACJA krajowych i mi dzynarodowych laboratoriów akceleratorowych reprezentuj cych znaczne infrastruktury badawcze. Oczekiwanym rezultatem jest stworzenie jednego mocnego, Europejskiego, rozproszonego, ale silnie skoordynowanego o rodka badawczo rozwojowego, dysponuj cego nieporównywalnym potencja em odkrywczym i rozwojowym (innowacje, kompetencje, konkurencyjno, sprawno, transfer technologii, trwa o post pu) w skali globalnej. Oprócz maksymalizacji korzy ci dla beneficjentów projektu, w a cicieli infrastruktur akceleratorowych i bezpo rednich u ytkowników tych infrastruktur, TIARA ustanawia rodzaj ram dla ustanawiania i wspierania silnych po czonych programów i projektów Europejskich dla bada i rozwoju w obszarze techniki akceleratorowej, edukacji i szkolenia, wzmocnienia innowacji we wspó pracy z przemys em. Projekt TIARA-PP realizuj cy te za o enia zosta ustanowiony w 2011 roku na 3 lata. Obejmuje wymienionych powy ej 11 partnerów z 8 krajów. Podsumowuj c, cele TIARY to: koordynacja trwa ego programu rozwojowego o szerokim zakresie tematycznym, ustanawianie kolaboracyjnych projektów badawczo-rozwojowych. Zapewnienie i rozwój dost pu do szerokiej ró norodno ci wielkich infrastruktur badawczych, wzmocnienie partnerstwa i transferu technologii do przemys u w celu rozwoju innowacji, organizowanie trwa ych struktur edukacyjnych i szkoleniowych w zakresie nauki i techniki akceleratorowej. TIARA, typowo dla wszystkich projektów EU-FP sk ada si z kilku Grup Zadaniowych (Work Packages -WP).

4 WP - Zarz dzanie ma stworzy, pod wzgl dem prawnym formalne podstawy dzia ania Ogólnoeuropejskiej Infrastruktury Badawczej Techniki Akceleratorowej. Taki Obszar Badawczy ma rozwija i wspiera innowacyjno, konkurencyjno i trwa o dzia a w obszarze techniki akceleratorowej. WP Infrastruktury Akceleratorowe dokonuje przegl du istniej cych infrastruktur, identyfikuje rozbie no ci i przysz e potrzeby rozwojowe, analizuje opcje udost pniania infrastruktur, definiuje ogóln polityk dost pu, wskazuje mo liwo budowy infrastruktur wspólnych, definiuje map drogow rozwoju, proponuje odpowiednie struktury zapewniaj ce trwa o wspó pracy i rozwoju, proponuje wspólne metody zarz dzania i kosztorysowania, oraz ustanawia kryteria techniczne i procedury ewaluacji dotycz ce w czania si na poziomie badawczym w dost pne infrastruktury. WP- Badania Akceleratorowe identyfikuje nowe obszary badawcze i ich potencjaln wag, próbuje oceni równowag mi dzy obszarami, rozwija wspóln metodologi i procedury inicjowania, oceny i implementowania projektów kolaboracyjnych w trwa y sposób, definiuje wspólne projekty badawcze obejmuj ce komponenty, technologie i koncepcje akceleratorowe. Komponenty obejmuj : ród a i iniektory, struktury RF, systemy RF, Magnesy SC, magnesy NC konwencjonalne, diagnostyk i instrumentacj, targety, zagadnienia promieniowania. Technologie obejmuj : elektronik i oprogramowanie, UHV, ród a RF, kriogenik, adjustacj i stabilizacj wi zki. Koncepcje obejmuj : projekty maszyn, dynamik wi zki, procesy FEL, ch odzenie wi zki, nowe techniki dla akceleracji wysoko gradientowej, jak laser-pazma i inne, oraz akceleratory medyczne i przemys owe. WP Edukacja i Kszta cenie Ustawiczne zwi zane jest z rozwojem kadry naukowej i technicznej dla nauki i techniki akceleratorowej, rozwija struktury i mechanizmy pozwalaj ce na sprawn edukacj i kszta cenie adekwatnych zasobów ludzkich, u atwia wymian kadry ekspertów pomi dzy infrastrukturami. W dniach wrze nia w Krakowie na terenie Instytutu Fizyki J drowej PAN odby a si krajowa konferencja TIARA-PL 2012, której celem by o podsumowanie krajowego wk adu w dzia ania Europejskiego Konsorcjum i projektu FP7 TIARA. Konferencja mia a oficjalny charakter spotkania sprawozdawczego w po owie realizacji projektu Mid-term meeting of the TIARA-PL Group. Koordynatorami prac TIARA-PL s prof.piotr Malecki i dr M.Bocian z IFJ PAN. Spotkanie TIARA Mid-term Meeting odby o si w Instytucie CIEMAT w Madrycie w dniach czerwca Akceleratory dla spo ecze stwa? Czy na pewno? Akceleratory cz stek s wykorzystywane w ró nych dziedzinach ycia spo ecznego [1-4]. Pocz tkowo by y rozwijane w celu prowadzenia bada podstawowych. Obecnie s u ywane tak e w szeregu aplikacjach, rozci gaj cych si od ochrony zdrowia, poprzez wytwarzanie krzemowych uk adów scalonych, po redukcj zanieczyszczenia rodowiska. Maszyny do bada podstawowych pracuj w uk adzie zderzacza. Przyspieszane s cz stki na adowane do bardzo wielkich energii i przeciwsobnie propagowane pakiety (zg stki) s doprowadzane do kolizji. Wynikowe cz stki produkowane w takich kolizjach podlegaj detekcji i analizie, w celu odkrycia struktury materii. W dzisiejszych czasach akceleratory odgrywaj wa n rol w spo ecze stwie i przemy le. Ten wp yw nowych technologii akceleratorowych na spo ecze stwo i jego ycie codzienne jest bardzo wa ny, cho cz sto jest niewidoczny. Obecnie wi kszo dzia aj cych akceleratorów nie jest u ywana w badaniach podstawowych

5 ale w zastosowaniach przemys owych i w innych nowoczesnych dziedzinach spo ecznych. Najbardziej znane i korzystne aplikacje obejmuj : elektronik, ci cie i spawanie przy pomocy wi zki elektronowej, utwardzanie materia ów, diagnostyka medyczna, terapia nowotworowa, monitorowanie zanieczyszczenia powietrza oraz zmian klimatu, badanie i datowanie dzie sztuki oraz obiektów staro ytnych, sterylizowanie ywno ci i przedmiotów medycznych, skanowanie towarów masowych. Inne przysz o ciowe zastosowania s rozwijane, np. zwi zane z alternatywnymi ród ami energii, a tak e z energetyk j drow. Mo liwo dalszego rozwoju szerokich zastosowa techniki akceleratorowej jest zwi zana z prowadzonymi badaniami nad rozwojem tych, na ogó du ych, maszyn. S to istotne koszty, gdy akceleratory wymagaj cz sto znacznej infrastruktury towarzysz cej. Koszty te musz by ponoszone w nowoczesnym spo ecze stwie. Wydatki na akceleratory i inne wysokie technologie zwracaj si po jakim czasie z nadmiarem, poprawiaj c jako ycia jednostek i spo ecze stw. W ci gu roku, akceleratory przemys owe, w skali globalnej ca ego wiata, bior udzia w wytwarzaniu produktów przemys owych, medycznych, sterylizuj obiekty, prze wietlaj, badaj jako produktów, diagnozuj technicznie, itp., ca o o warto ci bliskiej 2 biliony z. W czasie ostatnich 60 lat, kiedy technika akceleratorowa osi gn a dojrza o techniczn, wyprodukowano w skali globalnej ok. 25 tysi cy akceleratorów. Akceleratory te, wytwarzaj ce wi zki cz stek na adowanych, znalaz y liczne zastosowania przemys owe. Dodatkowo, oprócz tych 25 tysi cy akceleratorów przemys owych, wyprodukowano w tym czasie ponad 11 tysi cy akceleratorów elektronowych, jonowych, protonowych i neutronowych, oraz rentgenowskich, wy cznie do zastosowa medycznych. Do chwili obecnej (koniec 2012), ok. 25 tysi cy pacjentów poddano terapii hadronowej w Europie. W skali wiata ta liczba terapii hydronowych wynosi ponad 75 tysi cy. Wy cznie do bada naukowych u ywanych jest obecnie oko o 200 akceleratorów, o szacunkowej zagregowanej warto ci ich dzia a wynosz cej ponad 4 miliardy z otych. Najwi kszym akceleratorem wiata jest obecnie LHC Wielki Zderzacz Hadronów, podziemny. nadprzewdz cy akcelerator ko owy o d ugo ci 27 km i docelowej energii wi zki protonowej 7TeV (14 TeV w zderzeniu), oraz wi zki jonów o owiu o energii ok 600 TeV (w zderzeniu 1,2 PeV). Akcelerator ten odkry w 2012 r. now cz stk o masie ok.126gev/c 2, kandydata na bozon Higgsa. Czy mo na w ogóle my le o jakichkolwiek potencjalnych zastosowaniach praktycznych tego odkrycia? Skalarne pole Higgsa przenika ca y wszech wiat i posiada wsz dzie jednakow warto. Je li by oby kiedykolwiek mo liwe ekranowanie tego pola lub kontrola jego lokalnej wielko ci to mo liwa by aby kontrola bezw adno ci, np. przyspieszanie/hamowanie obiektów materialnych do wielkich pr dko ci w bardzo krótkim czasie bez ich uszkadzania spowodowanego przeci eniem. Rozp dzanie i hamowanie musia oby si odbywa w obszarach o minimalnym polu Higgsa. Ruch idealnie jednostajny móg by si prawdopodobnie odbywa w polu Higgsa, cho chyba nie do ko ca wiadomo jak by wp yn o na du y obiekt materialny (np. statek kosmiczny) przej cie granicy obszarów zerowego i niezerowego pola Higgsa. Prawdopodobnie by oby to przej cie destrukcyjne. Takie rozp dzane obiekty musia yby chyba jednak podró owa ca y czas w kanale o zerowym/zmniejszonym polu Higgsa. Gdyby znalaz y si poza kana em, natychmiast dopad aby je bezw adno. Zastosowania akceleratorów o których na ogó ma o wiemy W badaniach materia owych wi zki fotonowe ( wiat o synchrotronowe), neutronowe, elektronowe i mionowe, a tak e protonowe i jonowe s podstawowymi narz dziami do

6 odkrywania struktury opracowywanych nowych materia ów na poziomie atomowym. Nowe materia y s potrzebne do rozwoju wielu dziedzin przemys u i techniki. Przy pomocy wi zek nie tylko badana jest struktura materia u, ale tak e mo na tworzy nowe materia y, modyfikowa warstwy powierzchniowe i g bsze. Tworzone s warstwy i struktury nanometrowe, w ilo ciach setek a nawet tysi cy, uk adane naprzemiennie. Je li np. uk adamy kolejno z u yciem wi zki jonowej warstwy materia u mi kkiej osnowy oraz ultra-twarde materia ów które w inny sposób nie mog by po czone, to tworzony jest zupe nie nowy materia a w zasadzie meta-materia o niespotykanych w a ciwo ciach cz cych elastyczno oraz twardo, ze znaczn redukcj krucho ci. W innych przypadkach tworzone s materia y wyj tkowo odporne na oddzia ywania termiczne, np. w postaci szoków termomechanicznych. Badanie struktury i modelowanie materia ów biologicznych w tym bia ek jest niemo liwe bez udzia u wiat a synchrotronowego. Synchrotrony i lasery na swobodnych elektronach umo liwiaj tworzenie trójwymiarowych modeli z o onych cz stek i struktur biologicznych, takich jak np. DNA wirusów. Niewiele jest alternatywnych metod które tak dok adnie oddawa yby bardzo skomplikowan struktur przestrzenn cz stek biologicznych oraz ewolucj tej struktury podczas reakcji biochemicznych. Poznanie mechanizmów takich reakcji pozwala na opracowywanie nowych leków przeciwnowotworowych, immunologicznych oraz genetycznych. Akceleratory s u ywane w obszarze energii i rodowiska np. do czyszczenia gazów spalinowych w glowych elektrowni termicznych. Pilotowe instalacje kominowe u ywaj wi zki elektronowej do kontroli bardzo szkodliwej emisji siarki (odsiarczanie gazów spalinowych) i tenków azotu NO x. Obecnie SO 2 jest usuwany z gazów spalinowych obligatoryjnie ró nymi metodami: odpadowymi, pó odpadowymi i bezodpadowymi, dodatkowo w odmianach mokrych i suchych. Metoda akceleratorowa, jedna z najnowocze niejszych, jest bezodpadowa, w której sorbenty s regenerowane i zwracane do procesu, a odzyskany dwutlenek siarki jest poddawany konwersji na produkty u yteczne, np. siark. Kilka fundamentalnych aplikacji akceleratorów zwi zanych jest ze zdrowiem i medycyn terapia nowotworów oraz obrazowanie medyczne. Metody terapii hadronowej stosuj wi zki protonowe lub jonowe do niszczenia nowotworów usytuowanych g boko w organizmie cz owieka, tam gdzie stosowanie no a gamma jest znacznie mniej skuteczne. Pozytronowa tomografia emisyjna PET-CT jest na ogó po czeniem technik radioizotopowych PET oraz skaningowej tomografii komputerowej rentgenowskiej CT X. Technika PET jest te czona z technik MRI (NMRI, MRT) obrazowania metod rezonansu magnetycznego. Radioizotopy o krótkim czasie ycia stosowane w technice PET s wykonywane metodami akceleratorowymi. Grupa zastosowa przemys owych obejmuje np.: implantacj jonów dl elektroniki, utwardzanie powierzchni, utwardzanie materia ów, spawanie i ci cie, przetwarzanie odpadów, przetwarzanie materia ów medycznych, sterylizacj, wytwarzanie materia ów z pami ci kszta tu, i wiele innych. Ultraszybkie giga i terahercowe tranzystory, uk ady scalone i inne elementy elektroniczne i optoelektroniczne s wykonywane technikami implantacji jonów. Implantowane jony zmieniaj sk ad pierwiastkowy bombardowanego materia u. Oprócz tego wprowadzaj znaczne zmiany chemiczne, fizyczne i strukturalne poprzez transfer momentu p du elektronom i j drom atomowym materia u osnowy. Struktura krystaliczna materia u ulega zmianie, modyfikacji, uszkodzeniu lub zniszczeniu przez

7 generowane kaskady kolizyjne. Je li jony implantowane s podobnej masy co jony osnowy, przy energiach jonów padaj cych rz du dziesi tek MeV, to jony osnowy mog podlega translacji we w asnej sieci krystalicznej w inne po o enia stabilne lub meta-stabilne. Je li energia jonów padaj cych jest dostatecznie du a aby pokona barier Coulomba, to mo e dochodzi do transmutacji j drowej. Akceleratory do implantacji dzielimy na s abo (µa-ma) i silno pr dowe (dziesi tki maa), oraz wysokoenergetyczne (energia jonów w zakresie 200keV 10 MeV) i wysoko dawkowe (powy ej jonów/cm 2 ). Dla energii jonów w zakresie pojedynczych kev dochodzi do ich osadzania na powierzchni materia u modyfikowanego pod o a. Najbardziej popularn aplikacj implantacji jonów jest domieszkowanie pó przewodników borem, fosforem,arsenem. Poziomem domieszkowania regulowany jest próg w tranzystorach MOSFET. Implantacja jonów jest u ywana do produkcji z czy p-n w elementach fotowoltaicznych. Technologia mezotaksji (w odró nieniu od powierzchniowej epitaksji) wykorzystuje implantacje jonów do budowy struktur zagrzebanych. Inne zastosowania implantacji jonów to: utwardzanie stalowych narz dzi skrawaj cych, wyka czanie powierzchni, mieszanie wi zek jonowych, niszczenie krystalograficzne, morfizacja materia u, napylanie wi zk akceleratorow, kana owanie jonowe, trawienie jonowe, itp. Utwardzanie i modyfikacja materia ów wi zk jonow lub promieniowaniem rentgenowskim posiada wiele aspektów technologicznych. Blachy stalowe mog by obecnie zast powane w wielu zastosowaniach przez wzmacniane/wygrzewane promieniowaniem rentgenowskim kompozyty w glowe. Takie materia y, przy wytrzyma o ci podobnej lub lepszej od stali, s znacznie l ejsze i zawieraj mniejsz obj to. Zwi zane jest to np. z mniejszym zu yciem paliwa przy zastosowani takich materia ów w pojazdach spalinowych. Ocenia si oszcz dno na paliwie ponad 50%. Kraty tworzone z takich materia ów wykazuj si znaczn sztywno ci mog z nich by budowane z powodzeniem bardzo lekkie i wytrzyma e karoserie nowoczesnych samochodów. Testowanie nieniszcz ce materia ów z u yciem akceleratorów znajduje zastosowanie w diagnostyce technicznej, kryminalistyce, obszarach kultury i sztuki oraz dziedzictwa kulturowego do autentykacji a tak e do skanowania towarów wewn trz kontenerów na statkach, samolotach, samochodach ci arowych, np. na granicach. Wi zki cz steczkowe s u ywane do nieniszcz cych analiz dzie sztuki i obiektów kultury staro ytnej. Okre lane s materia u farb, klejów, pod o a, kolejnych warstw, itp. Ca kiem bezpieczna energia j drowa jest po dana w energetyce przysz o ci. W tym obszarze technika akceleratorowa, tak e w po czeniu z technik laserow i technologiami plazmowymi (tokamaki i stellaratory) ma wielk przysz o. Reakcje termoj drowe, podobne do zachodz cych w s o cu, inicjowane w hybrydowych urz dzeniach akceleratorowych mog stanowi w przysz o ci wydajne i bezpieczne ród a energii. Obecnie prowadzone s prace nad rozwi zaniami prototypowymi takich urz dze JET w Culham, ITER w Cardarache. Akceleratory s wykorzystywane do bezpiecznego przetwarzania niebezpiecznych i d ugo yj cych odpadów j drowych. Akceleratory s stosowane do poprawy bezpiecze stwa reaktorów j drowych tym bardziej, ze wi kszo tych reaktorów pracuj cych w Europie posiada wiek zbli ony do 50 lat. Rozwój akceleratorów i diagnostyka wi zek cz steczkowych Obserwowane trendy rozwojowe akceleratorów s nast puj ce. Maszyny o wielkich energiach s coraz wi ksze. Zderzacz SSC by projektowany na ok. 90 km d ugo ci, ale zdaje

8 si wyprzedza swoj epok. LHC zosta zbudowany w poprzednim tunelu LEP o d ugo ci 28 km. B dzie modernizowany do postaci pocz tkowo HL-LHC a nast pnie HE-LHC. Maszyny ILC i/lub CLICK b d mia y ok. 50 km d ugo ci. Maszyny wysoko-pr dowe dysponuj coraz wi ksz moc. Budowane s ród a neutronowe, gdzie ród em energii jest wi zka protonowa o du ym nat eniu: SNS (US), ESS (Szwecja), CSNS (Chiny), IFMIF (Japonia). Podobne maszyny zmierzaj w kierunku fabryki neutrin: T2K (JPARC, Japonia), NuMI/Nova (FNAL, US), CNGS (CERN), Project-X (FNAL, US). Kompleksy akceleratorowe d do uzyskania jak najwi kszej jasno ci zarówno wi zki cz steczkowej jak i fotonowej w laserze na swobodnych elektronach: FLASH/European-XFEL (DESY, Hamburg), LCLS (SLAC, US), a tak e planowany w Polsce w NCBJ POLFEL, bazuj cy na technologii TESLA o cz stotliwo ci pola przyspieszaj cego 1,3 GHz. Maszyny kompaktowe d do zmniejszenia rozmiarów do postaci table-top, czyli mieszcz cej si na stole laboratoryjnym. Maszyny kompaktowe s u ywane jako ród a promieniowania gamma a tak e do produkcji radioizotopów medycznych i przemys owych. Wyra n tendencj jest budowa maszyn specjalnych, okre lanych w literaturze cz sto terminem egzotyczne. Maszyny egzotyczne produkuj rzadkie izotopy radioaktywne: FAIR (GSI, Darmstadt), HIE-ISOLDE (CERN). Maszyny egzotyczne s tak e u ywane do produkcji anty-materii, a w szczególno ci antyprotonów i anty-wodoru ELENA (CERN), FAIR (GSI, Darmstadt). Wi zki cz steczek na adowanych propagowane w akceleratorach s otoczone aparatur pomiarow i diagnostyczn. Obserwowane jest ci gle zachowanie wi zki. Wi zka przenosi znaczn energi wi c musi by odpowiednio zabezpieczona. Wi zka jest obiektem dynamicznym, wi c dla celów badawczych powinna by wysoce stabilna. Badanych i dokumentowanych jest szereg parametrów wi zki akceleratorowej. Pozycja wi zki jest mierzona w celu dok adnego okre lenia jej pozycji w rurze pró niowej akceleratora. Nat enie wi zki jest mierzone w celu okre lenia sprawno ci operacyjnej akceleratora. Straty wi zki podlegaj monitoringowi w celu zapewnienia bezpiecznego dzia ania. Mierzone i obserwowane s profile wi zki poprzeczne i pod u ne, w celu optymalizacji dzia ania akceleratora. Systemy diagnostyczne akceleratorów i ich wi zek podlegaj ci g emu rozwojowi aby nad y za wzrastaj c moc akceleratorów i zwi kszonymi wymaganiami dotycz cymi dok adno ci ich pracy. Jedn z odstawowych metod diagnostyki wi zki cz steczkowej jest Monitor Pr du cianowego WCM (wall current monitor). Pr dowi na adowanej wi zki cz steczkowej rozprzestrzeniaj cej si w pró niowej rurze akceleratora towarzyszy jego obraz pr dowy pr d zwierciadlany, przep ywaj cy w przeciwnym kierunku w ciance pró niowej rury metalowej. W celu pomiaru tego pr du obrazu wi zki, w rurze tworzona jest szczelina po czona rezystorami, na których odk ada si napi cie proporcjonalne do pr du wi zki. Szczelina w rurze jest zamkni ta pude kiem metalowym w celu unikni cia istnienia sekcji rury akceleratora o p ywaj cym potencjale. Pude ko jest wype nione ferrytem, i pe ni rol filtru. Wype nienie ferrytowe zmusza pr d zwierciadlany wi zki wysokiej cz stotliwo ci do przep ywu przez rezystory. Niskie komponenty cz stotliwo ciowe przep ywaj przez metalow ciank pude ka zamykaj cego szczelin w rurze akceleratora. Inne czujniki pr du wi zki obejmuj : szybki transformator pr du wi zki FBCT, oraz transformator sk adowej sta ej pr du wi zki DCBCT. Oba czujniki pracuj w uk adzie transformatora Faradaya. Wa nym czujnikiem jest monitor pozycji wi zki BPM. BPM posiada w rurze akceleratora cztery elektrody o znacznych powierzchniach odizolowane od cianek rury. Zmiana pozycji wi zki zmienia rozk ad potencja ów pomi dzy elektrodami. Profil poprzeczny wi zki mo e by mierzony metodami optycznymi. W to wi zki wprowadzane s cienkie przes ony pe ni ce rol konwerterów w wiat o i ekranów. Ekrany te s obserwowane przez kamery

9 CCD. Sko ne ustawienie ekranu wobec wi zki powoduje wzmocnienie ewentualnych rozbie no ci wi zki od kszta tu ko owego. Wi zka cz steczkowa jest rozbie na w kierunku poprzecznym do propagacji. Cz stki rozbie ne wi zki powoduj emisj wtórn. Emisja wtórna jest mierzona przy pomocy siatek pomiarowych (siatek emisji wtórnej SEG) obejmuj cych ca y przekrój poprzeczny rury akceleratora. Profil wzd u ny zg stki cz stek (czasowy) jest mierzony przy pomocy czujnika skanera drutowego WS. Straty wi zki s mierzone przy pomocy komory jonizacyjnej IC. Przyrz dy, czujniki i systemy pomiarowe wi zki, tzw. instrumentacja wi zki, wymagaj bardzo wysokiej precyzji wykonania i pomiarów. Pozycjonowanie elementów konstrukcyjnych akceleratora i elementów prowadzenia wi zki, przy ich wymiarach od centymetrów do dziesi tków metrów wymaga precyzji poni ej mikrometra. Akceleratory wytwarzaj coraz wi cej danych. Precyzja wi zki decyduje o jako ci tych danych. O precyzji wi zki decyduje mo liwo pomiaru i sterowania z rozdzielczo ci do pojedynczej zg stki. Mierzone s obecnie wszystkie parametry wi zki dla ka dej zg stki osobno. Wi zka przenosi du moc. Z tym zwi zane jest stosowanie odpowiednich metod pomiarowych nie nara aj cych sprz tu na oddzia ywanie niszcz ce. Stosowane techniki pomiarowe powinny mie charakter nieinwazyjny. Oprócz tego niektóre elementy aparatury pomiarowej powinny by odporne na warunki rodowiskowe istniej ce w bezpo rednim otoczeniu wi zki. W takich warunkach pracy elementy te powinny wykazywa znaczny, i ci le okre lony, poziom niezawodno ci. Dodatkowo, maszyna jest otoczona systemem zabezpiecze. Aparatura pomiarowa wi zki musi by zdolna do pomiaru zjawisk femtosekundowych w skali czasu, mikro i nanometrowych w skali przestrzeni, nano- amperowych w skali nat enie pr du i od kilowoltowych do mikrowoltowych w skali napi cia. Akcelerator LHC posiada ponad 1000 urz dze BPM mierz cych pozycj wi zki. Planowany akcelerator liniowy CLIC, do pe nej kontroli wi zki o jednokrotnym przej ciu (a nie wielokrotnym jak w akceleratorze ko ówym LHC) b dzie musia mie 40 tysi cy unitów BPM. Wymaga to takiego projektu, który przy bardzo precyzyjnym wykonaniu posiada niski koszt. Cechy wymaganej elektroniki odczytowo-kontrolno-diagnostycznej unitów BPM to prostota, odporno, niezawodno, i bardzo dobre parametry sygna owe. Sygna y pomiarowe z BPM musz podlega cyfryzacji jak najbli ej unitu. Czujniki i stopnie wej ciowe elektroniki musz by odporne na promieniowanie jonizuj ce. Takie podej cie, w porównaniu z rozwi zaniami poprzedniej generacji, minimalizuje okablowanie, ale wymaga stosowania redundancji sprz towej i programistycznej oraz metod mitygacyjnych. Nowo budowane akceleratory, jak np. maszyna akceleratorowo laserowa, elektronowo-fotonowa E-XFEL wymagaj znacznie zwi kszonej rozdzielczo ci pomiaru przestrzennego wi zki i zg stki, znacznie poni ej 1 mikrometra. Akceleratory nast pnej generacji wymagaj jeszcze dok adniejszych pomiarów i okre lenia pozycji wi zki. Standardowe rozwi zania czujników BPM daj na wyj ciu sygna y nat eniowe. Odejmowanie tych sygna ów parami daje sygna y ró nicowe proporcjonalne do po o enia wi zki. Gdy warto ró nicowa sygna u jest ma a, to dok adno pomiaru jest niewielka. Rozwi zaniem na polepszenie dok adno ci pomiaru jest zastosowanie zamiast kwadrupolowych elektrod, osobnych wn k rezonansowych dedykowanych pomiarowi BPM. W ten sposób z rozk adu pola EM mo na uzyska rozdzielczo pomiaru sub-mikrometrow, zamiast sub-milimetrowej. Mierzony jest bezpo rednio sygna ró nicowy, bez mierzenia sygna ów nat eniowych. Mod dipolowy TM 11 w pomiarowej wn ce rezonansowej jest proporcjonalny do pozycji. Jest on przesuni ty w dziedzinie cz stotliwo ci wzgl dem modu monopolowego, jednobiegunowego. Wymagania na BPM dla maszyny ILC w dziedzinie

10 rozdzielczo ci pozycjonowania wi zki wynosz ok. 2 nanometry, przy wymiarach rury akceleratorowej 6x12mm. W chwili obecnej (koniec 2012) najwi ksza uzyskana rozdzielczo pomiaru pozycji wi zki akceleratorowej wynosi ok. 8nm w eksperymencie ATF2 w laboratorium KEK w Japonii. Dzia ania i operacje w warunkach bardzo du ej mocy wi zki wymagaj nieinwazyjnych technik pomiarowych. Mierzony jest wymiar wi zki cz steczkowej o du ej mocy, w takcih maszynach jak akceleratory elektronowe, protonowe i jonowe du ej mocy, jak np. LHC. Pomiar odbywa si poprzez diagnostyk wiat a synchrotronowego. wiat o synchrotronowe jest zbierane na zakrzywieniu wi zki cz steczkowej, kolimowane i przez optyczn lini opó niaj c podawane jest na szereg detektorów jak AGM (abort gap monitor), LDM (long density monitor) oraz kamery woln i szybk. Uk ad pomiarowy jest synchronizowany zegarem akceleratora, synchronicznie ze zg stkami akcelerowanych cz steczek. Inn metod nieinwazyjn jest zastosowanie skanera drutowego. Wi zka elektronowa lub H - jest skanowana ortogonalnie V-H, przechodzi przez deflektor, skaner drutowy i nast pny deflektor. Deflektory oddzielaj e, H -, H o, p. Jeszcze inn metod nieinwazyjn jest wykorzystanie fluorescencji indukowanej wi zk. W optycznej, odizolowanej od reszty toru, czarnej komorze pomiarowej u o onej wzd u toru wi zki stosuje si N 2 gaz fluorescencyjny, równomiernie roz o ony. Fluorescencyjnie roz wietlony tor wi zki jest obserwowany przez obiektyw, wzmacniacz obrazu i kamer CCD. Znaczna moc wi zki wymaga stosowania ró nych metod monitoringu utraty wi zki. W nowych rozwi zaniach systemów pomiarowych utraty wi zki stosuje si detektory diamentowe. Charakteryzuj si one du szybko ci dzia ania i czu o ci. W maszynie LHC s stosowane do monitoringu strat dla pojedynczych nast puj cych po sobie zg stek. Takie detektory powinny mie zdolno pracy warunkach kriogenicznych. Femtosekundowa skala czasowa zjawisk w wi zce akceleratora wymaga stosowania szybkich uk adów pomiarowych. Maszyny FEL i LC (lasery na swobodnych elektronach i zderzacze liniowe) stosuj bardzo krótkie impulsy (femtosekundowej, i nawet attosekundowe) w celu zwi kszenia jasno ci i poprawienia mocy promieniowania. Obecnie mierzy si impulsy ultrakrótkie stosuj c wn ki rezonansowe które pracuj jako deflektory poprzeczne. Jest to metoda destrukcyjna dla wi zki. D ugo zg stek (czas trwania) w niektórych akceleratorach wynosi w fs: LCLS-75, E-XFEl-80, CLIC-130, ILC-500, SNS-100ps, LHC-250ps. Metoda niedestrukcyjna wykorzystuje próbkowanie elektro-optyczne z dekodowaniem informacji pomiarowej w dziedzinie czasu lub w dziedzinie cz stotliwo ci (spektralnej). Impuls z lasera femtosenkundowego jest rozci gany optycznie w czasie. W komórce elektrooptycznej ZnTe oddzia ywuje z wi zk cz steczkow, i nast pnie podawany jest na spektroskop siatkowy (dziedzina cz stotliwo ci). W metodzie czasowej, wi zka lasera femtosekundowego jest rozdzielana na dwie. Jedna podlega sta emu opó nieniu. Druga jest optycznie czasowo rozci gana i oddzia ywuje z wi zk cz steczkow jak w metodzie spektralnej. Obie wi zki s podawane na kryszta BBO gdzie podlegaj mieszaniu. Obraz jest obserwowany przez kamer CCD. Instrumentacja wi zki akceleratorowej wymaga pomiarów bardzo ma ych pr dów. Wykorzystywane s techniki pomiarowe z czujnikiem SQUID i konfiguracj zeroprzep ywow. Jest to metoda podobna do techniki DCCT, gdzie SQUID jest u ywany do detekcji bardzo ma ych warto ci pola magnetycznego. System pozwala na pomiar pr dów wi zki rz du na. Cewka pomiarowa przez któr przechodzi wi zka jest po czona z cewk wej ciow sprz on e elementem SQUID. SQUID jest sprz ony z trzema cewkami:

11 pomiarow, sprz enia zwrotnego oraz modulacyjn. Sygna wyj ciowy ze SQUID jest podawany na detektor synchroniczny, do którego doprowadzony jest tak e sygna z generatora modulacyjnego. * * * Europejskie Konsorcjum i projekt TIARA odgrywaj bardzo wa n rol w strukturyzacji i rozwoju obszaru badawczego nauki i techniki akceleratorowej. W szczególno ci stymuluj krajowe wysi ki w pozyskaniu rodków na budow w asnej du ej infrastruktury akceleratorowej o skali Europejskiej. Posiadanie takiej infrastruktury mo e przyczyni si do rozwoju szeregu ga zi przemys u o wysoce innowacyjnym charakterze. Akceleratory i maszyny FEL przyczyniaj si do rozwoju bada materia owych, przemys owych, medycznych, oraz umo liwiaj kszta cenie w asnej kadry dla ró nych nowoczesnych dziedzin gospodarki narodowej. W kraju prowadzonych jest szereg prac badawczych nad rozwojem elementów akceleratorów, we wspó pracy z wieloma o rodkami zagranicznymi dysponuj cymi du infrastruktur eksperymentaln [5-56]

12 Literatura [1] TIARA [ Konferencja krajowa TIARA, Kraków 2012; ESGARD [ ; EuCARD [cern.ch/eucard] [2] TIARA-PP Accelerating Knowledge and Innovation, EU 7FP Accelerators for Society; Bulletin, CERN Communication Group 2012 [3] R.W.Hamm, M.E.Hamm, Introduction to the beam business: Industrial accelerators and their applications, World Scientific, Singapore 2012, ISBN [4] PTCOG: Particle Therapy Co-Operative Group [ptcog.web.psi.ch] [5] D.Wi cek, I.Kud a, K.Po niak, K.Bu kowski, R.Romaniuk, Bazodanowy i interaktywny system monitoringu elektronicznego trygera mionowego RPC w CMS, Elektronika nr 1, 2005, str ; [6] W.Koprek, P.Kaleta, J.Szewi ski, K.T.Po niak, T.Czarski, R.Romaniuk, Oprogramowanie dla systemu kontrolno-pomiarowego akceleratora TESLA, Elektronika, nr 1, 2005, str ; [7] K.T.Po niak, R.S.Romaniuk, W.Ja mu na, K.O owski, K.Perkuszewski, J.Zieli ski, K.Kierzkowski, Gigabitowy modu optoelektroniczny dla systemu LLRF TESLA, Elektronika, nr 7, 2005, str 55-60; [8] W.Giergusiewicz, W.Ja mu na, K. T.Po niak, R.S.Romaniuk, O miokana owy system sterowania modu em akcelerator TESLA, Elektronika, nr 7, 2005, str ; [9] W. Zabo otny, P.Roszkowski, A.Kwiatkowski, K.Po niak, R.Romaniuk, Wbudowany system komputerowy jako sterownik p yt pomiarowych do sterowania LLRF w akceleratorze, Elektronika, nr 7, 2005, str ; [10] W.Koprek, P.Pucyk, T.Czarski, K.T.Po niak, R.S.Romaniuk, Konfiguracja i pomiary systemu SIMCON ver.2.1.,elektronika, nr 7, 2005, str 40-44; [11] K.Po niak, R.Romaniuk, K.Kierzkowski: Modularna platforma do systemu sterowania akceleratorem TESLA, Elektronika, z. 7. ss [12] W.Koprek, T.Czarski, P.Kaleta, P.Pucyk, J.Szewi ski, K.Po niak, R.Romaniuk: Sterowanie oraz akwizycja danych w systemie SIMCON 2.1, Elektronika, z. 7. ss [11] K.T.Po niak, T.W.Czarski, R.S.Romaniuk, System pomiarowo-kontrolny dla nadprzewodz cej, mikrofalowej wn ki rezonansowej akceleratora TESLA i europejskiego laseraxfel, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji PAN, vol. 51, z. 1, str , 2005; [14] P.Strza kowski, W.Koprek, K.T.Po niak, R.S.Romaniuk, Uniwersalny modu sterowania LLRF do akceleratora liniowego FLASH, Elektronika, vol.48, nr.7, str.31-36, 2007 [15] K.Bujnowski, A.Siemionczyk, P.Pucyk, I.Szewi ski, K.T.Po niak, R.S.Romaniuk, Konwerter skryptu MatLab na kod C do procesorów osadzonych w systemie LLRF akceleratora liniowego FLASH, Elektronika, vol.48, nr.6, str.19-22, 2007 [16] R.Romaniuk, POLFEL laser na swobodnych elektronach w Polsce, Elektronika nr 4, 2010, str [17] R.Romaniuk, EuCARD Technika akceleratorowa w Europie, Elektronika, nr 07, 2010, str [18] R.S.Romaniuk, Rozwój techniki akceleratorowej w Europie EuCARD 2012, Elektronika, vol.53, Nr 9, 2012, str [19] R.S.Romaniuk, Technika akceleratorowa i eksperymenty fizyki wysokich energii, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, Nr 9, 2012, str [20] R.S.Romaniuk, Fizyka fotonu i badania plazmy, Wilga 2012, Elektronika, vol.53, nr 9,2012, str [21] A.Zagozdzinska, R.S.Romaniuk, K.Pozniak, P.Zalewski, TRIDAQ systems in HEP experiments at LHC accelerator, Proc.SPIE 8698, art.no.86980o (2012) [22] R.S.Romaniuk, Review of EuCARD project on accelerator infrastructure in Europe, Proc.SPIE 8698, art.no.86980q (2012) [23] R.S.Romaniuk, Free electron infrastructure in Europe 2012, Proc.SPIE 8702, art.no.87020m (2013) [24] R.Romaniuk, EuCARD 2010 accelerator technology in Europe, International Journal of Electronics and Telecommunications 56 (4), pp (2010) [25] R.Romaniuk, Accelerator infrastructure in Europe EuCARD 2011, International Journal of Electronics and Telecommunications 57 (3), pp (2011) [26] R. Romaniuk, et al., Optical network and fpga/dsp based control system for free electon laser, Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 53 (2), pp (2005) [27] R.Romaniuk, et al., Metrological aspects of accelerator technology and high energy physics experiments, Measurement Science and Technology, 18 (8), art.no.e01 (2008) [28] P.F fara, et al., FPGA-based implementation of a cavity field controller for FLASH and X-FEL, Measurement Science and Technology, 18 (8), pp (2008) [29] T.Czarski, et al., Superconducting cavity driving with fpga controller, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 568 (2), pp (2006) [30] T.Czarski, et al., TESLA cavity modeling and digital implementation in fpga technology for control system development, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 556 (2), pp (2006) [31] T.Czarski, et al., Cavity parameters identification for TESLA control system development, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 548 (3), pp (2005)

13 [32] R.Romaniuk, POLFEL A free electron laser in Poland, Photonics Letters of Poland, 1 (3), pp (2009) [33] CMS Collaboration, K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Commissioning of the CMS experiment and the cosmic run at four tesla, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03001 [34] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of the CMS Level-1 trigger during commissioning with cosmic ray muons and LHC beams, JINST, vol.5, no. 3, T03002, [35] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of the CMS drift-tube chamber local trigger with cosmic rays, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03003 [36] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Fine synchronization of the CMS muon drift-tube local trigger using cosmic rays, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03004 [37] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Commissioning of the CMS High-Level Trigger with cosmic rays, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03005 [38] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., CMS data processing workflows during an extended cosmic ray run, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03006 [39] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Commissioning and performance of the CMS pixel tracker with cosmic ray muons, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03007 [40] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Commissioning and performance of the CMS silicon strip tracker with cosmic ray muons, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03008 [41] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Alignment of the CMS silicon tracker during commissioning with cosmic rays, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03009 [42] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance and operation of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03010 [43] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Measurement of the muon stopping power in lead tungstate, JINST, vol.5, no. 3, 2010, P03007 [44] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Time reconstruction and performance of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03011 [45] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of the CMS hadron calorimeter with cosmic ray muons and LHC beam data CMS Collaboration, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03012 [46] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of CMS hadron calorimeter timing and synchronization using test beam, cosmic ray, and LHC beam data, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03013 [47] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Identification and filtering of uncharacteristic noise in the CMS hadron calorimeter, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03014 [48] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Identification and filtering of uncharacteristic noise in the CMS hadron calorimeter, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03014 [49] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of the CMS drift tube chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03015 [50] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Calibration of the CMS drift tube chambers and measurement of the drift velocity with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03016 [51] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance study of the CMS barrel resistive plate chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03017 [52] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of the CMS cathode strip chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03018 [53] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Aligning the CMS muon chambers with the muon alignment system during an extended cosmic ray run, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03019 [54] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Alignment of the CMS muon system with cosmic-ray and beam-halo muons, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03020 [55] K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Precise mapping of the magnetic field in the CMS barrel yoke using cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, 2010, T03021 [56] CMS Collaboration, K.Po niak, R.Romaniuk, W.Zabo otny, et al., Performance of CMS muon reconstruction in cosmic-ray events, Journal of Instrumentation, vol.5, no. 3, March 2010, paper T03022, 49 pages, doi: / /5/03/t03022, arxiv: