Akceleratory dla społeczeństwa TIARA 2012 prof. dr hab. Ryszard S. Romaniuk Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Konsorcjum TIARA i Projekt EU FP7 TIARA-PP TIARA jest Europejskim Konsorcjum Techniki Akceleratorowej, prowadzącym projekty badawcze, techniczne, sieciowe i infrastrukturalne. Celem działania konsorcjum TIARA i prowadzonego przez nie ramowego projektu Europejskiego EU FP7 (Test Infrastructure and Akcelerator Research Area) jest integracja krajowych i międzynarodowych akceleratorowych infrastruktur badawczych i rozwojowych w rodzaj pojedynczego, dobrze skoordynowanego, europejskiego obszaru badawczego. Konsorcjum gromadzi wszystkie ośrodki europejskie posiadające dużą infrastrukturę akceleratorową. Pozostałe ośrodki, jak np. uniwersytety, są afiliowane jako członkowie stowarzyszeni. W Polsce koordynatorem projektu TIARA jest Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, a uczestnikami są laboratoria krajowe zajmujące się różnymi aspektami techniki akceleratorowej np.: IFJ-PAN, AGH, NCBJ w Świerku, Politechnika Warszawska, Politechnika Wrocławska, Politechnika Łódzka. IFJ-PAN jest oficjalnym członkiem konsorcjum TIARA i reprezentuje wszystkie laboratoria zgromadzone w Polskim Konsorcjum TIARA-PL. Członkami TIARA są: CEA-Francja, CERN-Szwajcaria, CIEMAT-Hiszpania, CNRS- Francja, DESY-Niemcy, GSI-Niemcy, IFJ-PAN Kraków (reprezentujący polskie konsorcjum), INFN-Włochy, PSI-Szwajcaria, STFC-Anglia, Uniwersytet Uppsala (reprezentujący konsorcjum nordyckie Dania, Finlandia, Norwegia, Szwecja). TIARA reprezentuje bardzo ciekawe rozwiązanie projektu Europejskiego, określanego mianem Faza Przygotowawcza PP (Preparatory Phase). Głównym celem TIARA jest po prostu, i prawie jedynie INTEGRACJA krajowych i międzynarodowych laboratoriów akceleratorowych reprezentujących znaczne infrastruktury badawcze. Oczekiwanym rezultatem jest stworzenie jednego mocnego, Europejskiego, rozproszonego, ale silnie skoordynowanego ośrodka badawczo-rozwojowego, dysponującego nieporównywalnym potencjałem odkrywczym i rozwojowym (innowacje, kompetencje, konkurencyjność, sprawność, transfer technologii, trwałość postępu) w skali globalnej. Oprócz maksymalizacji korzyści dla beneficjentów projektu, właścicieli infrastruktur akceleratorowych i bezpośrednich użytkowników tych infrastruktur, TIARA ustanawia rodzaj ram dla ustanawiania i wspierania silnych połączonych programów i projektów Europejskich dla badań i rozwoju w obszarze techniki akceleratorowej, edukacji i szkolenia, wzmocnienia innowacji we współpracy z przemysłem. Projekt TIARA-PP realizujący te założenia został ustanowiony w 2011 roku na 3 lata. Obejmuje wymienionych powyżej 11 partnerów z 8 krajów. Podsumowując, cele TIARY to: koordynacja trwałego programu rozwojowego o szerokim zakresie tematycznym, ustanawianie kolaboracyjnych projektów badawczo-rozwojowych. Zapewnienie i rozwój dostępu do szerokiej różnorodności wielkich infrastruktur badawczych, wzmocnienie partnerstwa i transferu technologii do przemysłu w celu rozwoju innowacji, organizowanie trwałych struktur edukacyjnych i szkoleniowych w zakresie nauki i techniki akceleratorowej. TIARA, typowo dla wszystkich projektów EU-FP składa się z kilku Grup Zadaniowych (Work Packages WP). WP Zarządzanie ma stworzyć, pod względem prawnym formalne podstawy działania Ogólnoeuropejskiej Infrastruktury Badawczej Techniki Akceleratorowej. Taki Obszar Badawczy ma rozwijać i wspierać innowacyjność, konkurencyjność i trwałość działań w obszarze techniki akceleratorowej. WP Infrastruktury Akceleratorowe dokonuje przeglądu istniejących infrastruktur, identyfikuje rozbieżności i przyszłe potrzeby rozwojowe, analizuje opcje udostępniania infrastruktur, definiuje 108 ogólną politykę dostępu, wskazuje możliwość budowy infrastruktur wspólnych, definiuje mapę drogową rozwoju, proponuje odpowiednie struktury zapewniające trwałość współpracy i rozwoju, proponuje wspólne metody zarządzania i kosztorysowania, oraz ustanawia kryteria techniczne i procedury ewaluacji dotyczące włączania się na poziomie badawczym w dostępne infrastruktury. WP Badania Akceleratorowe identyfikuje nowe obszary badawcze i ich potencjalną wagę, próbuje ocenić równowagę między obszarami, rozwija wspólną metodologię i procedury inicjowania, oceny i implementowania projektów kolaboracyjnych w trwały sposób, definiuje wspólne projekty badawcze obejmujące komponenty, technologie i koncepcje akceleratorowe. Komponenty obejmują: źródła i iniektory, struktury RF, systemy RF, Magnesy SC, magnesy NC konwencjonalne, diagnostykę i instrumentację, targety, zagadnienia promieniowania. Technologie obejmują: elektronikę i oprogramowanie, UHV, Źródła RF, kriogenikę, adjustację i stabilizację wiązki. Koncepcje obejmują: projekty maszyn, dynamikę wiązki, procesy FEL, chłodzenie wiązki, nowe techniki dla akceleracji wysoko gradientowej, jak laser-pazma i inne, oraz akceleratory medyczne i przemysłowe. WP Edukacja i Kształcenie Ustawiczne związane jest z rozwojem kadry naukowej i technicznej dla nauki i techniki akceleratorowej, rozwija struktury i mechanizmy pozwalające na sprawną edukację i kształcenie adekwatnych zasobów ludzkich, ułatwia wymianę kadry ekspertów pomiędzy infrastrukturami. W dniach 27-28 września w Krakowie na terenie Instytutu Fizyki Jądrowej PAN odbyła się krajowa konferencja TIARA-PL 2012, której celem było podsumowanie krajowego wkładu w działania Europejskiego Konsorcjum i projektu FP7 TIARA. Konferencja miała oficjalny charakter spotkania sprawozdawczego w połowie realizacji projektu Mid-term meeting of the TIARA-PL Group. Koordynatorami prac TIARA-PL są prof. Piotr Malecki i dr M.Bocian z IFJ PAN. Spotkanie TIARA Mid-term Meeting odbyło się w Instytucie CIEMAT w Madrycie w dniach 12-14 czerwca 2012. Akceleratory dla społeczeństwa? Czy na pewno? Akceleratory cząstek są wykorzystywane w różnych dziedzinach życia społecznego [1 4]. Początkowo były rozwijane w celu prowadzenia badań podstawowych. Obecnie są używane także w szeregu aplikacjach, rozciągających się od ochrony zdrowia, poprzez wytwarzanie krzemowych układów scalonych, po redukcję zanieczyszczenia środowiska. Maszyny do badań podstawowych pracują w układzie zderzacza. Przyspieszane są cząstki naładowane do bardzo wielkich energii i przeciwsobnie propagowane pakiety (zgęstki) są doprowadzane do kolizji. Wynikowe cząstki produkowane w takich kolizjach podlegają detekcji i analizie, w celu odkrycia struktury materii. W dzisiejszych czasach akceleratory odgrywają ważną rolę w społeczeństwie i przemyśle. Ten wpływ nowych technologii akceleratorowych na społeczeństwo i jego życie codzienne jest bardzo ważny, choć często jest niewidoczny. Obecnie większość działających akceleratorów nie jest używana w badaniach podstawowych ale w zastosowaniach przemysłowych i w innych nowoczesnych dziedzinach społecznych. Najbardziej znane i korzystne aplikacje obejmują: elektronikę, cięcie i spawanie przy pomocy wiązki elektronowej, utwardzanie materiałów, diagnostyka medyczna, terapia nowotworowa, monitorowanie zanieczyszczenia powietrza oraz zmian klimatu, badanie i datowanie dzieł sztuki oraz obiektów starożytnych, sterylizowanie żywności i przedmiotów medycznych, skanowanie towarów masowych. Inne przyszłościowe zastosowania są rozwijane, np. związane z alternatywnymi źródłami energii, a także
z energetyką jądrową. Możliwość dalszego rozwoju szerokich zastosowań techniki akceleratorowej jest związana z prowadzonymi badaniami nad rozwojem tych, na ogół dużych, maszyn. Są to istotne koszty, gdyż akceleratory wymagają często znacznej infrastruktury towarzyszącej. Koszty te muszą być ponoszone w nowoczesnym społeczeństwie. Wydatki na akceleratory i inne wysokie technologie zwracają się po jakimś czasie z nadmiarem, poprawiając jakość życia jednostek i społeczeństw. W ciągu roku, akceleratory przemysłowe, w skali globalnej całego świata, biorą udział w wytwarzaniu produktów przemysłowych, medycznych, sterylizują obiekty, prześwietlają, badają jakość produktów, diagnozują technicznie, itp., całość o wartości bliskiej 2 biliony zł. W czasie ostatnich 60 lat, kiedy technika akceleratorowa osiągnęła dojrzałość techniczną, wyprodukowano w skali globalnej ok. 25 tysięcy akceleratorów. Akceleratory te, wytwarzające wiązki cząstek naładowanych, znalazły liczne zastosowania przemysłowe. Dodatkowo, oprócz tych 25 tysięcy akceleratorów przemysłowych, wyprodukowano w tym czasie ponad 11 tysięcy akceleratorów elektronowych, jonowych, protonowych i neutronowych, oraz rentgenowskich, wyłącznie do zastosowań medycznych. Do chwili obecnej (koniec 2012), ok. 25 tysięcy pacjentów poddano terapii hadronowej w Europie. W skali świata ta liczba terapii hydronowych wynosi ponad 75 tysięcy. Wyłącznie do badań naukowych używanych jest obecnie około 200 akceleratorów, o szacunkowej zagregowanej wartości ich działań wynoszącej ponad 4 miliardy złotych. Największym akceleratorem świata jest obecnie LHC Wielki Zderzacz Hadronów, podziemny. nadprzewdzący akcelerator kołowy o długości 27 km i docelowej energii wiązki protonowej 7TeV (14 TeV w zderzeniu), oraz wiązki jonów ołowiu o energii ok 600 TeV (w zderzeniu 1,2 PeV). Akcelerator ten odkrył w 2012 r. nową cząstkę o masie ok.126 GeV/c 2, kandydata na bozon Higgsa. Czy można w ogóle myśleć o jakichkolwiek potencjalnych zastosowaniach praktycznych tego odkrycia? Skalarne pole Higgsa przenika cały wszechświat i posiada wszędzie jednakową wartość. Jeśli byłoby kiedykolwiek możliwe ekranowanie tego pola lub kontrola jego lokalnej wielkości to możliwa byłaby kontrola bezwładności, np. przyspieszanie/hamowanie obiektów materialnych do wielkich prędkości w bardzo krótkim czasie bez ich uszkadzania spowodowanego przeciążeniem. Rozpędzanie i hamowanie musiałoby się odbywać w obszarach o minimalnym polu Higgsa. Ruch idealnie jednostajny mógłby się prawdopodobnie odbywać w polu Higgsa, choć chyba nie do końca wiadomo jak by wpłynęło na duży obiekt materialny (np. statek kosmiczny) przejście granicy obszarów zerowego i niezerowego pola Higgsa. Prawdopodobnie byłoby to przejście destrukcyjne. Takie rozpędzane obiekty musiałyby chyba jednak podróżować cały czas w kanale o zerowym/zmniejszonym polu Higgsa. Gdyby znalazły się poza kanałem, natychmiast dopadłaby je bezwładność. Zastosowania akceleratorów o których na ogół mało wiemy W badaniach materiałowych wiązki fotonowe (światło synchrotronowe), neutronowe, elektronowe i mionowe, a także protonowe i jonowe są podstawowymi narzędziami do odkrywania struktury opracowywanych nowych materiałów na poziomie atomowym. Nowe materiały są potrzebne do rozwoju wielu dziedzin przemysłu i techniki. Przy pomocy wiązek nie tylko badana jest struktura materiału, ale także można tworzyć nowe materiały, modyfikować warstwy powierzchniowe i głębsze. Tworzone są warstwy i struktury nanometrowe, w ilościach setek a nawet tysięcy, układane naprzemiennie. Jeśli np. układamy kolejno z użyciem wiązki jonowej warstwy materiału miękkiej osnowy oraz ultra-twarde materiałów które w inny sposób nie mogą być połączone, to tworzony jest zupełnie nowy materiał a w zasadzie meta-materiał o niespotykanych właściwościach łączących elastyczność oraz twardość, ze znaczną redukcją kruchości. W innych przypadkach tworzone są materiały wyjątkowo odporne na oddziaływania termiczne, np. w postaci szoków termo-mechanicznych. Badanie struktury i modelowanie materiałów biologicznych w tym białek jest niemożliwe bez udziału światła synchrotronowego. Synchrotrony i lasery na swobodnych elektronach umożliwiają tworzenie trójwymiarowych modeli złożonych cząstek i struktur biologicznych, takich jak np. DNA wirusów. Niewiele jest alternatywnych metod które tak dokładnie oddawałyby bardzo skomplikowaną strukturę przestrzenną cząstek biologicznych oraz ewolucję tej struktury podczas reakcji biochemicznych. Poznanie mechanizmów takich reakcji pozwala na opracowywanie nowych leków przeciwnowotworowych, immunologicznych oraz genetycznych. Akceleratory są używane w obszarze energii i środowiska np. do czyszczenia gazów spalinowych węglowych elektrowni termicznych. Pilotowe instalacje kominowe używają wiązki elektronowej do kontroli bardzo szkodliwej emisji siarki (odsiarczanie gazów spalinowych) i tenków azotu NO x. Obecnie SO 2 jest usuwany z gazów spalinowych obligatoryjnie różnymi metodami: odpadowymi, półodpadowymi i bezodpadowymi, dodatkowo w odmianach mokrych i suchych. Metoda akceleratorowa, jedna z najnowocześniejszych, jest bezodpadowa, w której sorbenty są regenerowane i zwracane do procesu, a odzyskany dwutlenek siarki jest poddawany konwersji na produkty użyteczne, np. siarkę. Kilka fundamentalnych aplikacji akceleratorów związanych jest ze zdrowiem i medycyną- terapia nowotworów oraz obrazowanie medyczne. Metody terapii hadronowej stosują wiązki protonowe lub jonowe do niszczenia nowotworów usytuowanych głęboko w organizmie człowieka, tam gdzie stosowanie noża gamma jest znacznie mniej skuteczne. Pozytronowa tomografia emisyjna PET-CT jest na ogół połączeniem technik radioizotopowych PET oraz skaningowej tomografii komputerowej rentgenowskiej CT X. Technika PET jest też łączona z techniką MRI (NMRI, MRT) obrazowania metodą rezonansu magnetycznego. Radioizotopy o krótkim czasie życia stosowane w technice PET są wykonywane metodami akceleratorowymi. Grupa zastosowań przemysłowych obejmuje np.: implantację jonów dl elektroniki, utwardzanie powierzchni, utwardzanie materiałów, spawanie i cięcie, przetwarzanie odpadów, przetwarzanie materiałów medycznych, sterylizację, wytwarzanie materiałów z pamięcią kształtu, i wiele innych. Ultraszybkie giga i terahercowe tranzystory, układy scalone i inne elementy elektroniczne i optoelektroniczne są wykonywane technikami implantacji jonów. Implantowane jony zmieniają skład pierwiastkowy bombardowanego materiału. Oprócz tego wprowadzają znaczne zmiany chemiczne, fizyczne i strukturalne poprzez transfer momentu pędu elektronom i jądrom atomowym materiału osnowy. Struktura krystaliczna materiału ulega zmianie, modyfikacji, uszkodzeniu lub zniszczeniu przez generowane kaskady kolizyjne. Jeśli jony implantowane są podobnej masy co jony osnowy, przy energiach jonów padających rzędu dziesiątek MeV, to jony osnowy mogą podlegać translacji we własnej sieci krystalicznej w inne położenia stabilne lub meta-stabilne. Jeśli energia jonów padających jest dostatecznie duża aby pokonać barierę Coulomba, to może dochodzić do transmutacji jądrowej. Akceleratory do implantacji dzielimy na słabo (µa-ma) i silno prądowe (dziesiątki maa), oraz wysokoenergetyczne (energia jonów w zakresie 200 kev 10 MeV) i wysoko dawkowe (powyżej 10 16 jonów/cm 2 ). Dla energii jonów w zakresie pojedynczych kev dochodzi do ich osadzania na powierzchni materiału modyfikowanego podłoża. Najbardziej popularną aplikacją implantacji jonów jest domieszkowanie półprzewodników borem, fosforem,arsenem. Poziomem domieszkowania regulowany jest próg w tranzystorach MOSFET. Implantacja jonów jest używana do produkcji złączy p-n w elementach fotowoltaicznych. Technologia mezotaksji (w odróżnieniu od powierzchniowej epitaksji) wykorzystuje implantacje jonów do budowy struktur zagrzebanych. Inne zastosowania implantacji jonów to: utwardzanie stalowych narzędzi skrawających, wykańczanie powierzchni, mieszanie wiązek jonowych, niszczenie krystalograficzne, morfizacja materiału, napylanie wiązką akceleratorową, kanałowanie jonowe, trawienie jonowe, itp. 109
Utwardzanie i modyfikacja materiałów wiązką jonową lub promieniowaniem rentgenowskim posiada wiele aspektów technologicznych. Blachy stalowe mogą być obecnie zastępowane w wielu zastosowaniach przez wzmacniane/wygrzewane promieniowaniem rentgenowskim kompozyty węglowe. Takie materiały, przy wytrzymałości podobnej lub lepszej od stali, są znacznie lżejsze i zawierają mniejszą objętość. Związane jest to np. z mniejszym zużyciem paliwa przy zastosowani takich materiałów w pojazdach spalinowych. Ocenia się oszczędność na paliwie ponad 50%. Kraty tworzone z takich materiałów wykazują się znaczną sztywnością mogą z nich być budowane z powodzeniem bardzo lekkie i wytrzymałe karoserie nowoczesnych samochodów. Testowanie nieniszczące materiałów z użyciem akceleratorów znajduje zastosowanie w diagnostyce technicznej, kryminalistyce, obszarach kultury i sztuki oraz dziedzictwa kulturowego do autentykacji a także do skanowania towarów wewnątrz kontenerów na statkach, samolotach, samochodach ciężarowych, np. na granicach. Wiązki cząsteczkowe są używane do nieniszczących analiz dzieł sztuki i obiektów kultury starożytnej. Określane są materiału farb, klejów, podłoża, kolejnych warstw, itp. Całkiem bezpieczna energia jądrowa jest pożądana w energetyce przyszłości. W tym obszarze technika akceleratorowa, także w połączeniu z techniką laserową i technologiami plazmowymi (tokamaki i stellaratory) ma wielką przyszłość. Reakcje termojądrowe, podobne do zachodzących w słońcu, inicjowane w hybrydowych urządzeniach akceleratorowych mogą stanowić w przyszłości wydajne i bezpieczne źródła energii. Obecnie prowadzone są prace nad rozwiązaniami prototypowymi takich urządzeń JET w Culham, ITER w Cardarache. Akceleratory są wykorzystywane do bezpiecznego przetwarzania niebezpiecznych i długo żyjących odpadów jądrowych. Akceleratory są stosowane do poprawy bezpieczeństwa reaktorów jądrowych tym bardziej, ze większość tych reaktorów pracujących w Europie posiada wiek zbliżony do 50 lat. Rozwój akceleratorów i diagnostyka wiązek cząsteczkowych Obserwowane trendy rozwojowe akceleratorów są następujące. Maszyny o wielkich energiach są coraz większe. Zderzacz SSC był projektowany na ok. 90 km długości, ale zdaje się wyprzedzał swoją epokę. LHC został zbudowany w poprzednim tunelu LEP o długości 28 km. Będzie modernizowany do postaci początkowo HL-LHC a następnie HE-LHC. Maszyny ILC i/lub CLICK będą miały ok. 50 km długości. Maszyny wysoko-prądowe dysponują coraz większą mocą. Budowane są źródła neutronowe, gdzie źródłem energii jest wiązka protonowa o dużym natężeniu: SNS (US), ESS (Szwecja), CSNS (Chiny), IFMIF (Japonia). Podobne maszyny zmierzają w kierunku fabryki neutrin: T2K (JPARC, Japonia), NuMI/Nova (FNAL, US), CNGS (CERN), Project-X (FNAL, US). Kompleksy akceleratorowe dążą do uzyskania jak największej jasności zarówno wiązki cząsteczkowej jak i fotonowej w laserze na swobodnych elektronach: FLASH/European- XFEL (DESY, Hamburg), LCLS (SLAC, US), a także planowany w Polsce w NCBJ POLFEL, bazujący na technologii TESLA o częstotliwości pola przyspieszającego 1,3 GHz. Maszyny kompaktowe dążą do zmniejszenia rozmiarów do postaci table-top, czyli mieszczącej się na stole laboratoryjnym. Maszyny kompaktowe są używane jako źródła promieniowania gamma a także do produkcji radioizotopów medycznych i przemysłowych. Wyraźną tendencją jest budowa maszyn specjalnych, określanych w literaturze często terminem egzotyczne. Maszyny egzotyczne produkują rzadkie izotopy radioaktywne: FAIR (GSI, Darmstadt), HIE-ISOLDE (CERN). Maszyny egzotyczne są także używane do produkcji anty-materii, a w szczególności anty-protonów i antywodoru ELENA (CERN), FAIR (GSI, Darmstadt). Wiązki cząsteczek naładowanych propagowane w akceleratorach są otoczone aparaturą pomiarową i diagnostyczną. Obserwowane jest ciągle zachowanie wiązki. Wiązka przenosi znaczną energię więc musi być odpowiednio zabezpieczona. Wiązka jest 110 obiektem dynamicznym, więc dla celów badawczych powinna być wysoce stabilna. Badanych i dokumentowanych jest szereg parametrów wiązki akceleratorowej. Pozycja wiązki jest mierzona w celu dokładnego określenia jej pozycji w rurze próżniowej akceleratora. Natężenie wiązki jest mierzone w celu określenia sprawności operacyjnej akceleratora. Straty wiązki podlegają monitoringowi w celu zapewnienia bezpiecznego działania. Mierzone i obserwowane są profile wiązki poprzeczne i podłużne, w celu optymalizacji działania akceleratora. Systemy diagnostyczne akceleratorów i ich wiązek podlegają ciągłemu rozwojowi aby nadążyć za wzrastającą mocą akceleratorów i zwiększonymi wymaganiami dotyczącymi dokładności ich pracy. Jedną z odstawowych metod diagnostyki wiązki cząsteczkowej jest Monitor Prądu Ścianowego WCM (Wall Current Monitor). Prądowi naładowanej wiązki cząsteczkowej rozprzestrzeniającej się w próżniowej rurze akceleratora towarzyszy jego obraz prądowy prąd zwierciadlany, przepływający w przeciwnym kierunku w ściance próżniowej rury metalowej. W celu pomiaru tego prądu obrazu wiązki, w rurze tworzona jest szczelina połączona rezystorami, na których odkłada się napięcie proporcjonalne do prądu wiązki. Szczelina w rurze jest zamknięta pudełkiem metalowym w celu uniknięcia istnienia sekcji rury akceleratora o pływającym potencjale. Pudełko jest wypełnione ferrytem, i pełni rolę filtru. Wypełnienie ferrytowe zmusza prąd zwierciadlany wiązki wysokiej częstotliwości do przepływu przez rezystory. Niskie komponenty częstotliwościowe przepływają przez metalową ściankę pudełka zamykającego szczelinę w rurze akceleratora. Inne czujniki prądu wiązki obejmują: szybki transformator prądu wiązki FBCT, oraz transformator składowej stałej prądu wiązki DCBCT. Oba czujniki pracują w układzie transformatora Faradaya. Ważnym czujnikiem jest monitor pozycji wiązki BPM. BPM posiada w rurze akceleratora cztery elektrody o znacznych powierzchniach odizolowane od ścianek rury. Zmiana pozycji wiązki zmienia rozkład potencjałów pomiędzy elektrodami. Profil poprzeczny wiązki może być mierzony metodami optycznymi. W to wiązki wprowadzane są cienkie przesłony pełniące rolę konwerterów w światło i ekranów. Ekrany te są obserwowane przez kamery CCD. Skośne ustawienie ekranu wobec wiązki powoduje wzmocnienie ewentualnych rozbieżności wiązki od kształtu kołowego. Wiązka cząsteczkowa jest rozbieżna w kierunku poprzecznym do propagacji. Cząstki rozbieżne wiązki powoduję emisję wtórną. Emisja wtórna jest mierzona przy pomocy siatek pomiarowych (siatek emisji wtórnej SEG) obejmujących cały przekrój poprzeczny rury akceleratora. Profil wzdłużny zgęstki cząstek (czasowy) jest mierzony przy pomocy czujnika skanera drutowego WS. Straty wiązki są mierzone przy pomocy komory jonizacyjnej IC. Przyrządy, czujniki i systemy pomiarowe wiązki, tzw. instrumentacja wiązki, wymagają bardzo wysokiej precyzji wykonania i pomiarów. Pozycjonowanie elementów konstrukcyjnych akceleratora i elementów prowadzenia wiązki, przy ich wymiarach od centymetrów do dziesiątków metrów wymaga precyzji poniżej mikrometra. Akceleratory wytwarzają coraz więcej danych. Precyzja wiązki decyduje o jakości tych danych. O precyzji wiązki decyduje możliwość pomiaru i sterowania z rozdzielczością do pojedynczej zgęstki. Mierzone są obecnie wszystkie parametry wiązki dla każdej zgęstki osobno. Wiązka przenosi dużą moc. Z tym związane jest stosowanie odpowiednich metod pomiarowych nie narażających sprzętu na oddziaływanie niszczące. Stosowane techniki pomiarowe powinny mieć charakter nieinwazyjny. Oprócz tego niektóre elementy aparatury pomiarowej powinny być odporne na warunki środowiskowe istniejące w bezpośrednim otoczeniu wiązki. W takich warunkach pracy elementy te powinny wykazywać znaczny i ściśle określony, poziom niezawodności. Dodatkowo, maszyna jest otoczona systemem zabezpieczeń. Aparatura pomiarowa wiązki musi być zdolna do pomiaru zjawisk femtosekundowych w skali czasu, mikro i nanometrowych w skali przestrzeni, nanoamperowych w skali natężenie prądu i od kilowoltowych do mikrowoltowych w skali napięcia.
Akcelerator LHC posiada ponad 1000 urządzeń BPM mierzących pozycję wiązki. Planowany akcelerator liniowy CLIC, do pełnej kontroli wiązki o jednokrotnym przejściu (a nie wielokrotnym jak w akceleratorze kołówym LHC) będzie musiał mieć 40 tysięcy unitów BPM. Wymaga to takiego projektu, który przy bardzo precyzyjnym wykonaniu posiada niski koszt. Cechy wymaganej elektroniki odczytowo-kontrolno-diagnostycznej unitów BPM to prostota, odporność, niezawodność, i bardzo dobre parametry sygnałowe. Sygnały pomiarowe z BPM muszą podlegać cyfryzacji jak najbliżej unitu. Czujniki i stopnie wejściowe elektroniki muszą być odporne na promieniowanie jonizujące. Takie podejście, w porównaniu z rozwiązaniami poprzedniej generacji, minimalizuje okablowanie, ale wymaga stosowania redundancji sprzętowej i programistycznej oraz metod mitygacyjnych. Nowo budowane akceleratory, jak np. maszyna akceleratorowo laserowa, elektronowo-fotonowa E-XFEL wymagają znacznie zwiększonej rozdzielczości pomiaru przestrzennego wiązki i zgęstki, znacznie poniżej 1 mikrometra. Akceleratory następnej generacji wymagają jeszcze dokładniejszych pomiarów i określenia pozycji wiązki. Standardowe rozwiązania czujników BPM dają na wyjściu sygnały natężeniowe. Odejmowanie tych sygnałów parami daje sygnały różnicowe proporcjonalne do położenia wiązki. Gdy wartość różnicowa sygnału jest mała, to dokładność pomiaru jest niewielka. Rozwiązaniem na polepszenie dokładności pomiaru jest zastosowanie zamiast kwadrupolowych elektrod, osobnych wnęk rezonansowych dedykowanych pomiarowi BPM. W ten sposób z rozkładu pola EM można uzyskać rozdzielczość pomiaru submikrometrową, zamiast submilimetrowej. Mierzony jest bezpośrednio sygnał różnicowy, bez mierzenia sygnałów natężeniowych. Mod dipolowy TM 11 w pomiarowej wnęce rezonansowej jest proporcjonalny do pozycji. Jest on przesunięty w dziedzinie częstotliwości względem modu monopolowego, jednobiegunowego. Wymagania na BPM dla maszyny ILC w dziedzinie rozdzielczości pozycjonowania wiązki wynoszą ok. 2 nanometry, przy wymiarach rury akceleratorowej 6 12 mm. W chwili obecnej (koniec 2012) największa uzyskana rozdzielczość pomiaru pozycji wiązki akceleratorowej wynosi ok. 8nm w eksperymencie ATF2 w laboratorium KEK w Japonii. Działania i operacje w warunkach bardzo dużej mocy wiązki wymagają nieinwazyjnych technik pomiarowych. Mierzony jest wymiar wiązki cząsteczkowej o dużej mocy, w takcih maszynach jak akceleratory elektronowe, protonowe i jonowe dużej mocy, jak np. LHC. Pomiar odbywa się poprzez diagnostykę światła synchrotronowego. Światło synchrotronowe jest zbierane na zakrzywieniu wiązki cząsteczkowej, kolimowane i przez optyczną linię opóźniającą podawane jest na szereg detektorów jak AGM (Abort Gap Monitor), LDM (Long Density Monitor) oraz kamery wolną i szybką. Układ pomiarowy jest synchronizowany zegarem akceleratora, synchronicznie ze zgęstkami akcelerowanych cząsteczek. Inną metodą nieinwazyjną jest zastosowanie skanera drutowego. Wiązka elektronowa lub H - jest skanowana ortogonalnie V-H, przechodzi przez deflektor, skaner drutowy i następny deflektor. Deflektory oddzielają e, H -, H o, p. Jeszcze inną metodą nieinwazyjną jest wykorzystanie fluorescencji indukowanej wiązką. W optycznej, odizolowanej od reszty toru, czarnej komorze pomiarowej ułożonej wzdłuż toru wiązki stosuje się N 2 gaz fluorescencyjny, równomiernie rozłożony. Fluorescencyjnie rozświetlony tor wiązki jest obserwowany przez obiektyw, wzmacniacz obrazu i kamerę CCD. Znaczna moc wiązki wymaga stosowania różnych metod monitoringu utraty wiązki. W nowych rozwiązaniach systemów pomiarowych utraty wiązki stosuje się detektory diamentowe. Charakteryzują się one dużą szybkością działania i czułością. W maszynie LHC są stosowane do monitoringu strat dla pojedynczych następujących po sobie zgęstek. Takie detektory powinny mieć zdolność pracy warunkach kriogenicznych. Femtosekundowa skala czasowa zjawisk w wiązce akceleratora wymaga stosowania szybkich układów pomiarowych. Maszyny FEL i LC (lasery na swobodnych elektronach i zderzacze liniowe) stosują bardzo krótkie impulsy (femtosekundowej, i nawet attosekundowe) w celu zwiększenia jasności i poprawienia mocy promieniowania. Obecnie mierzy się impulsy ultrakrótkie stosując wnęki rezonansowe, które pracują jako deflektory poprzeczne. Jest to metoda destrukcyjna dla wiązki. Długość zgęstek (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 częstotliwości (spektralnej). Impuls z lasera femtosenkundowego jest rozciągany optycznie w czasie. W komórce elektrooptycznej ZnTe oddziaływuje z wiązką cząsteczkową, i następnie podawany jest na spektroskop siatkowy (dziedzina częstotliwości). W metodzie czasowej, wiązka lasera femtosekundowego jest rozdzielana na dwie. Jedna podlega stałemu opóźnieniu. Druga jest optycznie czasowo rozciągana i oddziaływuje z wiązką cząsteczkową, jak w metodzie spektralnej. Obie wiązki są podawane na kryształ BBO gdzie podlegają mieszaniu. Obraz jest obserwowany przez kamerę CCD. Instrumentacja wiązki akceleratorowej wymaga pomiarów bardzo małych prądów. Wykorzystywane są techniki pomiarowe z czujnikiem SQUID i konfiguracją zero-przepływową. Jest to metoda podobna do techniki DCCT, gdzie SQUID jest używany do detekcji bardzo małych wartości pola magnetycznego. System pozwala na pomiar prądów wiązki rzędu na. Cewka pomiarowa przez którą przechodzi wiązka jest połączona z cewką wejściową sprzężoną e elementem SQUID. SQUID jest sprzężony z trzema cewkami: pomiarową, sprzężenia zwrotnego oraz modulacyjną. Sygnał wyjściowy ze SQUID jest podawany na detektor synchroniczny, do którego doprowadzony jest także sygnał z generatora modulacyjnego. Europejskie Konsorcjum i projekt TIARA odgrywają bardzo ważną rolę w strukturyzacji i rozwoju obszaru badawczego nauki i techniki akceleratorowej. W szczególności stymulują krajowe wysiłki w pozyskaniu środków na budowę własnej dużej infrastruktury akceleratorowej o skali Europejskiej. Posiadanie takiej infrastruktury może przyczynić się do rozwoju szeregu gałęzi przemysłu o wysoce innowacyjnym charakterze. Akceleratory i maszyny FEL przyczyniają się do rozwoju badań materiałowych, przemysłowych, medycznych, oraz umożliwiają kształcenie własnej kadry dla różnych nowoczesnych dziedzin gospodarki narodowej. W kraju prowadzonych jest szereg prac badawczych nad rozwojem elementów akceleratorów, we współpracy z wieloma ośrodkami zagranicznymi dysponującymi dużą infrastrukturą eksperymentalną [5 56]. Literatura [1] TIARA [www.eu-tiara.eu]; Konferencja krajowa TIARA, Kraków 2012; ESGARD [www.esgard.org]; 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 13 978-981-4307-04-8. [4] PTCOG: Particle Therapy Co-Operative Group [ptcog.web.psi.ch] [5] D. Wiącek, I. Kudła, K. Poźniak, K. Buńkowski, R. Romaniuk, Bazodanowy i interaktywny system monitoringu elektronicznego trygera mionowego RPC w CMS, Elektronika nr 1, 2005, str. 36 40. [6] W. Koprek, P. Kaleta, J. Szewiński, K.T. Poźniak, T. Czarski, R. Romaniuk, Oprogramowanie dla systemu kontrolno-pomiarowego akceleratora TESLA, Elektronika, nr 1, 2005, str. 53 58. [7] K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, W. Jałmużna, K. Ołowski, K. Perkuszewski, J. Zieliński, K. Kierzkowski, Gigabitowy moduł optoelektroniczny dla systemu LLRF TESLA, Elektronika, nr 7, 2005, str 55 60. 111
[8] W. Giergusiewicz, W. Jałmużna, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Ośmiokanałowy system sterowania modułem akcelerator ESLA, Elektronika, nr 7, 2005, str. 51 55. [9] W. Zabołotny, P. Roszkowski, A. Kwiatkowski, K. Poźniak, R. Romaniuk, Wbudowany system komputerowy jako sterownik płyt pomiarowych do sterowania LLRF w akceleratorze, Elektronika, nr 7, 2005, str. 61 64. [10] W. Koprek, P. Pucyk, T. Czarski, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Konfiguracja i pomiary systemu SIMCON ver.2.1.,elektronika, nr 7, 2005, str 40 44. [11] K. Poźniak, R. Romaniuk, K. Kierzkowski: Modularna platforma do systemu sterowania akceleratorem TESLA, Elektronika, 2005. z. 7. ss. 36 39. [12] W. Koprek, T. Czarski, P. Kaleta, P. Pucyk, J. Szewiński, K. Poźniak, R. Romaniuk: Sterowanie oraz akwizycja danych w systemie SIMCON 2.1, Elektronika, 2005. z. 7. ss. 45 50. [11] K.T. Poźniak, T.W. Czarski, R.S. Romaniuk, System pomiarowokontrolny dla nadprzewodzącej, mikrofalowej wnęki rezonansowej akceleratora TESLA i europejskiego laseraxfel, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji PAN, vol. 51, z. 1, str. 175 210, 2005. [14] P. Strzałkowski, W. Koprek, K.T. Poźniak, R.S. Romaniuk, Uniwersalny moduł sterowania LLRF do akceleratora liniowego FLASH, Elektronika, vol.48, nr 7, str. 31 36, 2007. [15] K. Bujnowski, A. Siemionczyk, P. Pucyk, I. Szewiński, K.T. Poźniak, 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. 83 87. [17] R. Romaniuk, EuCARD Technika akceleratorowa w Europie, Elektronika, nr 07, 2010, str. 178 179. [18] R.S. Romaniuk, Rozwój techniki akceleratorowej w Europie EuCARD 2012, Elektronika, vol.53, Nr 9, 2012, str. 147 153. [19] R.S. Romaniuk, Technika akceleratorowa i eksperymenty fizyki wysokich energii, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, Nr 9, 2012, str. 162 169. [20] R.S. Romaniuk, Fizyka fotonu i badania plazmy, Wilga 2012, Elektronika, vol. 53, nr 9, 2012, str. 170 176. [21] A. Zagozdzinska, R.S. Romaniuk, K. Pozniak, P. Zalewski, TRI- DAQ 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.87020 M (2013). [24] R. Romaniuk, EuCARD 2010 accelerator technology in Europe, International Journal of Electronics and Telecommunications 56 (4), pp. 485 488 (2010). [25] R.Romaniuk, Accelerator infrastructure in Europe EuCARD 2011, International Journal of Electronics and Telecommunications 57 (3), pp.413-419 (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.123 138 (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. Fąfara, et al., FPGA-based implementation of a cavity field controller for FLASH and X-FEL, Measurement Science and Technology, 18 (8), pp. 2365 2371 (2008). [29] T. Czarski, et al., Superconducting cavity driving with fpga controller, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 568 (2), pp. 854 862 (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. 565 576 (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. 283 297 (2005). [32] R. Romaniuk, POLFEL A free electron laser in Poland, Photonics Letters of Poland, 1 (3), pp. 103 105 (2009). [33] CMS Collaboration, K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Performance of the CMS drift-tube chamber local trigger with cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03003. [36] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Fine synchronization of the CMS muon drift-tube local trigger using cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03004. [37] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning of the CMS High-Level Trigger with cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03005 [38] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., CMS data processing workflows during an extended cosmic ray run, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03006. [39] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning and performance of the CMS pixel tracker with cosmic ray muons, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03007. [40] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Commissioning and performance of the CMS silicon strip tracker with cosmic ray muons, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03008 [41] K. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Alignment of the CMS silicon tracker during commissioning with cosmic rays, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03009. [42] K. Poźniak, R. Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Performance and operation of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03010. [43] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Measurement of the muon stopping power in lead tungstate, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, P03007 [44] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Time reconstruction and performance of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03011. [45] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Identification and filtering of uncharacteristic noise in the CMS hadron calorimeter, JINST, vol. 5, no. 3, 2010, T03014. [48] K.Poźniak, R.Romaniuk, W.Zabołotny, et al., Identification and filtering of uncharacteristic noise in the CMS hadron calorimeter, JINST, vol.5, no. 3, 2010, T03014. [49] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of the CMS drift tube chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T03015. [50] K.Poźniak, R.Romaniuk, W.Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, et al., Performance of the CMS cathode strip chambers with cosmic rays, Journal of Instrumentation, vol. 5, no. 3, 2010, T03018. [53] K. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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. Poźniak, R. Romaniuk, W. Zabołotny, 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:10.1088/1748-0221/5/03/t03022, arxiv:0911.4994. 112