Устройство для линейного и углового перемещения кристаллического дефлектора протонного пучка
Для увеличения светимости Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе и ускорителя Тэватрон в Фермилабе на сверхвысокие энергии более 1000 ГэВ предполагается использование изогнутых кристаллов в системе коллимации протонного пучка. С увеличением энергии как ~Е-1/2 уменьшается значение критического угла каналирования 
с. Поэтому возникла необходимость разработки новых механических устройств для управления кристаллами с высокими значениями углового разрешения ~0,5 мкрад по сравнению с применяемыми на ускорителе У-70. В данной заявке описывается такое устройство на основе высоковакуумных промышленных механизмов линейных перемещений ZLTM75. Применение двух таких механизмов расположенных внутри вакуумной камеры ускорителя и жесткой связи между ними позволило разработать устройство управления углового положения изогнутого кристалла с требуемыми параметрами.
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам управления пучками заряженных частиц с помощью изогнутых кристаллов и может быть применена в физических экспериментах и для систем коллимации протонного пучка при защите сверхпроводящих магнитов современных ускорителей от радиационного разогрева.
В ускорителях для вывода частиц высоких энергий в настоящее время широко распространен метод управления пучками частиц высоких энергий, основанный на применении изогнутых монокристаллов. Изогнутые кристаллы используются для отклонения протонов за счет явления каналирования в качестве дефлекторов пучков заряженных частиц. В современных ускорителях требуется высокое пространственное и угловое разрешение координат кристалла внутри вакуумной камеры ускорителей. Общим элементом кристаллических дефлекторов пучка является устройство управления положением кристалла. Такое устройство обеспечивает настройку изогнутого кристалла в режим каналирования, при котором и происходит оптимальный вывод пучка в заданном направлении. В явлении каналирования могут участвовать только частицы, влетающие в кристалл под малыми углами, в пределах критического угла каналирования с. Значение этого угла обратно пропорционально энергии частиц (~Е-1/2) и для протонов с энергией Е=100 ГэВ критический угол с=0.02 мрад, а при Е=10000 ГэВ. с=2 мкрад. Поэтому для ускорителей с энергией более 1000 ГэВ актуальным становится разработка новых устройств управления положением кристаллов с разрешением менее ~1 мкрад.
Аналогом предлагаемой полезной модели являются промышленные изделия компании Standa. Промышленность выпускает высокоточные прецизионные гониометры с точностью ~100 мкрад /Motorized goniometers 8MG00-50, 8MG00-80, STANDA, Литва, - www.standa.lt.com/, но они не рассчитаны на ультравысокий вакуум современных ускорителей.
Наиболее близким прототипом данной полезной модели является устройства, применяемые в Институте физики высоких энергий. В ИФВЭ изогнутые кристаллы используются для вывода протонных пучков в регулярных сеансах и накоплен большой опыт работы с ними с точностью установки по углу ~10 мкрад при давлении 10 -7 тор на основе приводов мишенных станций / А.А.Архипенко, А.Г.Афонин, В.Т.Баранов и др., "Деление пучка протонов с энергией 50 ГэВ слабо возмущающим изогнутым кристаллом", ПТЭ, 2009, 
2, с.1-4. Однако такие мишенные станции также не пригодны для применения при сверхвысоком вакууме, так как электродвигатели для управления кристаллом расположены внутри вакуумной камеры ускорителя. В данной заявке предлагается новое устройство управления положением кристалла, которое может использоваться с более высокими значениями углового разрешения в условиях сверхвысокого вакуума в современных ускорителях с давлением ~10-10 тор.
Диапазон линейных перемещений кристалла должен предоставить возможность его полного вывода и держателя из апертуры вакуумной камеры. Угловые перемещения должны быть соизмеримы по точности с критическим углом каналирования при высоких энергиях и составлять не менее 0,5 мкрад. В основе предлагаемого устройства предполагается использование двух высокоточных механизмов линейного перемещения, разделенных на базе L и соединенных внутри вакуумного бокса жестким штоком с гибкими вставками. На каждом из концов штока располагается по одному кристаллу. Координаты кристаллов X1 и Х 2 задаются положением ходовой части соответствующих механизмов линейного перемещения 1 и 2. Угловое положение каждого кристалла равно разности координат, деленных на длину штока L:
=(X1-X2)/L
Таким образом, регулируя положение механизмов, можно подводить в пучок поочередно один или другой кристалл с нужной угловой ориентацией. Обычно при работе с кристаллом диапазон угловых перемещений составляет ±20 мрад от рабочей точки. При этом разность координат X 1-Х2 изменяется в пределах ±10 мм. С учетом заданной точности углового перемещения (~0,5 мкрад) при L=500 мм точность линейных перемещений по координате каждого механизма должна составлять не менее 0,25 мкм.
На рис.1 показан принцип управления положением двух различных кристаллов внутри вакуумной камеры ускорителя.
Заявленный технический результат был выполнен путем разработки конструкторской документации для изготовления и установки кристаллического дефлектора на ускорителе Тэватрон по заключенному договору между ГНЦ ИФВЭ и Фермилаб (США). В качестве прецизионных устройств линейных перемещений кристаллов использовались высоковакуумные изделия ZLTM75 с встроенными приводами компании VG SCIENTA (www.vgscienta.com) и разрешением 0,25 мкм. Перемещение кристаллов осуществляется шаговыми двигателями с программным управлением через сильфонные развязки. По команде оператора выставляются нужные координаты и угол рабочего кристалла. Общий вид описанного устройства показан на рис.2.
В целом для конструкции использована нержавеющая сталь и не применяются органические материалы. Вакуумные фланцы сделаны в соответствии со стандартом CONFLAT. Фотография изготовленного вакуумного бокса с встроенными устройствами управления кристаллическим дефлектором для установки на ускорителе Тэватрон показана на рис.3.
Устройство для управления линейным и угловым перемещением изогнутого кристалла для отклонения протонного пучка, состоящее из двух механизмов линейного перемещения, расположенных внутри вакуумной камеры ускорителя, отличающееся тем, что угловая ориентация одного из кристаллов осуществляется за счет линейного перемещения второго кристалла и установки жесткой связи между держателями этих кристаллов.
