Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ДИНАМИКА ЧАСТИЦ В РАДЙАЛЬНО-СЕКТОРНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ ИНДУКЦИОННОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ (ИЦУ). 14
1.1. Магнитные системы ИЦУ 14
1.2. Уравнения движения. Бетатронные колебания 20
1.3. Результаты численного расчета. Диаграммы устойчивости 27
1.4. Динамика частиц в измеренном на моделях магнитном поле и допуски на параметры поля 34
1.5. Выводы 42
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДАТЕЛЬНОЙ. ИНЖЕКЦИИ И ВЫБОР ПАРА
МЕТРОВ ИЦУ 43
2.1. Методика экспериментов на ЭКФ по длительной инжекции 43
2.2. Результаты экспериментов и оценка достижимой интенсивности 50
2.3. Параметры ИЦУ 59
2.4. Опытный образец ИЦУ на энергию 1,5 МэВ 67
2.5. Вывода 72
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ИЦУ С ГЛУБОКОЙ АЗИМУТАЛЬНОЙ ВАРИАЦИЕЙ 74
3.1. Методы формирования поля. Расчет намагничивающих ампервитков 74
3.2. Аналитический расчет поля в секторных магнитных системах. Связь геометрических характеристик системы с параметрами поля 78
3.3. Расчет по данным моделирования 90
3.4. Выводы 93
ГЛАВА 4. МАГНИТНАЯ СИСТЕМА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ИЦУ. 95
4.1. Параметры и общее описание ускорителя 95
4.2. Методика магнитных измерений и обработка экспериментальных данных 100
4.3. Результаты измерений и коррекция характеристик магнитного поля 105
4.4. Результаты численных расчетов динамики частиц по измеренным характеристикам магнитной системы 109
4.5. Выводы 117
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ВНЕШНЕЙ ИНЖЕКЦИИ 118
5.1. Требования к системе инжекции ИЦУ. Внутренняя и внешняя инжекция 119
5.2. Методика численных расчетов траекторий частиц... 123
5.3. Аппроксимация магнитного поля по данным измерений 126
5.4. Результаты численных расчетов вариантов внешней инжекции 128
5.5. Выводы 136
Заключение 137
Литература 140
- Магнитные системы ИЦУ
- Методика экспериментов на ЭКФ по длительной инжекции
- Методы формирования поля. Расчет намагничивающих ампервитков
- Параметры и общее описание ускорителя
- Требования к системе инжекции ИЦУ. Внутренняя и внешняя инжекция
Введение к работе
Ускорители заряженных частиц широко используются как в научных исследованиях, так и в прикладных областях: в медицине, биологии, в промышленности и для других целей. Каждая из этих областей предъявляет свои специфические требования как к самой установке, так и к параметрам пучка, что приводит к разнообразию установок и достигаемых в них энергий и интенсивностей.
Особенно широко ускорители начали использоваться в промышленности для дефектоскопии. Необходимость иметь разнообразные источники излучения привела к тому, что в настоящее время у нас в стране налажен серийный выпуск линейных ускорителей, бетатронов '***' и микротронов ' ' для промышленности. Аналогичные работы ведутся рядом зарубежных фирм, которые серийно выпускают для этих целей стационарные бетатроны на энергию от 15 до 50 МэВ.
Интенсивность ускоренных частиц (или вторичных частиц) является одним из основных параметров ускорителей. Что касается бетатрона, его существенным недостатком является невысокая средняя интенсивность, которая находится на уровне ~ 10-10 эл./с. Линейные ускорители и микротроны имеют значительно большую интенсивность (10 -10 эл./с), но они сложнее по конструкции и дороже в изготовлении и эксплуатации. Относительная простота бетатрона обусловила его широкое применение.
Главный недостаток бетатрона - низкая интенсивность пучка -может быть преодолен при сохранении его достоинств в простоте и дешевизне. Это позволит ему стать в ряд или даже иметь преимущества перед линейными ускорителями. Возможны два основных способа повышения интенсивности: I) повышение частоты повторе- - 5 -ния циклов и 2) увеличение заряда в каждом цикле ускорения, то есть увеличение коэффициента заполнения пучка путем использования длительной инжекции. Повышение частоты повторения циклов традиционного бетатрона ограничено тем фактом, что резко возрастают потери в магните, пропорциональные квадрату частоты. Длительная инжекция в бетатрон с переменным полем вообще невозможна и не нужна ввиду того, что время инжекции в бетатрон состав-ляет малую часть ( ~10 -10" ) от всего цикла ускорения, а интенсивность в цикле ограничена пространственным зарядом.
С другой стороны, существует возможность создания установки, в которой оба указанных способа реализуются одновременно. Для этого необходимо перейти к индукционному ускорению в постоянном ведущем поле. В этом случае функции магнитного поля бетатрона разделены: постоянное ведущее поле создается секторами электромагнита, а ускоряющее вихревое электрическое поле - переменным магнитным потоком, сосредоточенным в отдельных сердечниках из материала с малыми потерями. В качестве материала магни-топровода центрального потока можно использовать феррит или пермаллой, которые на частотах в несколько килогерц обладают довольно большой индукцией магнитного поля ( ~2 и ~Ю кГс, соответственно).
Первое сообщение об ускорителе индукционного типа с разделенными магнитными системами появилось в работе ' ' в 1939 году. В качестве ведущего поля предлагалось использовать переменное азимутально-симметричное поле, а ускоряющее поле создавалось железными кольцеобразными сердечниками с индивидуальными обмотками переменного тока. В работе приведена лишь схема установки и не рассматривались вопросы обеспечения устойчивости движения частиц.
В 1955 году в работе ' ' было предложено применить прин- цип ППСФ (постоянное поле сильная фокусировка) к ускорителю типа бетатрона. В ускорителе такого типа длительность инжекции может составлять большую часть (например, 10-20%) цикла ускорения, и за этот счет можно увеличить интенсивность пучка электронов по сравнению с обычным бетатроном на 2-3 порядка при энергиях до 100 МэВ.
Необходимо отметить, что в азимутально-симметричном бетатроне возможен способ повышения интенсивности ускоренного пучка, аналогичный длительной инжекции в постоянное ведущее поле, -так называемое предварительное спиральное накопление объемного заряда ' '. Экспериментальное исследование этого способа было проверено на бетатроне Б2 в 1955 году. Здесь на начальной стадии ускорения поток через камеру поддерживается постоянным ( R=const. ), а поток через центральную область растет. Инжек-ция продолжается до тех пор, пока первые электроны не достигнут наружной стенки вакуумной камеры. После этого начинает расти поток через камеру и электроны стягиваются к некоторому равновесному радиусу ff , для которого выполняется условие 2:1. Максимальное значение циркулирующего тока, полученное в этих экспериментах, составляло 75 А для ТР = 14 см.
Лаборатория проблем новых ускорителей (ЛПНУ) ФИАН длительное время занималась исследованиями сильнофокусирующих ускорителей с постоянным полем. Еще в 1953 году в ФИАНе был предложен новый тип ускорителя ППСФ - кольцевой фазотрон ' '. В созданной в лаборатории ПНУ установке "электронный кольцевой фазотрон" /7/ (ЭКФ) ' ' был успешно использован индукционный метод ускорения при малых энергиях (до 2,5 МэВ). Принцип бетатроиного ускоре- ния использовался также при запуске ряда сильнофокусирующих ускорителей с постоянным полем /y~iJ-/, однако все они в этом режиме работали при малых энергиях и с большой скважностью.
Продолжением работ ЛПНУ ФИАН в этом направлении явилось в /12/ 1968 году предложение ' ' о возможности создания бетатрона с постоянным полем (БПП) на основе секторных магнитных систем типа кольцевого фазотрона, в которых режим индукционного ускорения является основным. Затем в 1973 году в ЛПНУ была предложена более простоая в техническом отношении однополярная магнитная система для индукционного циклического ускорителя с постоянным ведущим полем (ИЦУ) '**'щ Упрощение системы достигается тем, что в отличие от других вариантов /J-*i»i4/> использующих системы с чередующимся направлением магнитного поля, здесь отсутствуют сектора с обратным полем. Достоинством такой системы являются большие свободные от поля азимутальные промежутки между секторами, позволяющие расположить в них магнитопроводы, формирующие ускоряющее вихревое поле. В отличие от секторных изохронных /15/ циклотронов ' , в которых также отсутствуют сектора с обратным полем, в БПП не надо поддерживать изохронизм, и показатель роста магнитного поля может быть достаточно большим, что позволяет значительно сузить рабочую область ускорителя.
Магнитные системы такого типа ранее не создавались и не исследовались, также как и не создано ни одной установки, в которой полностью был бы реализован принцип БПП с большой средней интенсивностью пучка. Это связано, в частности, с тем, что вопрос повышения интенсивности за счет увеличения длительности инжекции довольно сложен и нуждается в детальном экспериментальном исследовании (этот вопрос рассматривается в главе 2). Имеются определенные трудности и при формировании необычного поля БПП, в связи с чем необходимо было, помимо расчетов, использовать результаты измерений поля на моделях и макетах.
В задачи настоящей работы входили расчеты, формирование и исследование магнитных полей для секторных ИЦУ. Расчеты показа- - 8 -ли, что однополярные магнитные системы можно использовать для создания ускорителей бетатронного типа до энергий ~100 МэВ, при этом реализация подобного проекта не должна встретить технических трудностей. Перед выбором окончательного варианта целесообразно провести моделирование отдельных узлов и систем такого ускорителя. С точки зрения формирования магнитного поля представляет интерес моделирование системы малых размеров (диаметр магнитной системы менее І м), в частности, вопрос формирования необходимой азимутальной формы магнитного поля оказывается наиболее сложным при малых начальных радиусах, где наименьшее расстояние между блоками электромагнитов и велико влияние полей рассеяния. В связи с этим было принято решение ограничиться рассмотрением вариантов на энергию до 10 МэВ и разработать магнитную систему опытного образца ускорителя на энергию 1,5 МэВ, которая позволит, с одной стороны, подтвердить правильность положенных в основу расчета методик, а с другой - может служить прототипом варианта ускорителя на большую энергию. Наряду с этим, анализ экспериментальных исследований на кольцевом фазотроне ФИАН, работавшем в бетатронном режиме, позволил провести-расчетные оценки достижимой в ИЦУ интенсивности электронного пучка и эффективности инжекции. Из этих экспериментов были определены требования к ускоряющей системе и системе инжекции для опытного образца ИЦУ. Были исследованы также возможности использования внешней инжекции и предложен вариант ее осуществления для малогабаритного бетатрона.
Диссертация состоит из пяти глав. Основные параметры секторных магнитных систем определяются динамикой частиц, поэтому в первой главе рассмотрены вопросы динамики частиц в радиально-секторных однополярных магнитных системах с растущим по радиусу полем. В качестве основного параметра при расчетах взято число - 9 -секторов (периодов) магнитной системы N . Для каждого из трех рассмотренных характерных случаев приведены области изменения таких характеристик системы как показатель роста поля И >0 и степень глубины азимутальной вариации магнитного поля (флаттер) F , при которых возможно устойчивое движение частиц. Результаты вычисления частот колебаний нанесены на диаграммы устойчивости, по которым можно определить расчетные допуски на "идеальное" магнитное поле. В процессе моделирования были проведены расчеты по реальному измеренному полю, которые позволили уточнить характеристики системы, а также оценить допуски на их величину. Для начальной оценки возможностей однополярных магнитных систем можно воспользоваться аналитическими зависимостями, полученными А.П.Фатеевым для случая #=2-3. Однако, расчеты по этим формулам показали ' ', что ошибка вычисления частоты радиальных колебаний составляет * 10-20%, а вертикальных -~ 5%. Поэтому для точного определения частот бетатронных колебаний и выбора рабочей точки применялась ЭВМ с целью численного интегрирования связанных уравнений движения.
Во второй главе приведены результаты экспериментов на ЭКФ ФИАН по длительной инжекции в бетатронном режиме. Такие эксперименты проводились впервые, поэтому представляло интерес выяснить факторы, ограничивающие значение ускоренного тока. Аппаратура инжекции позволяла увеличить длительность инжекции более чем в 10 раз. Была разработана методика и аппаратура для абсолютных измерений, и с помощью различных зондов проведены измерения тока ускоренных частиц в зависимости от величины ускоряющего напряжения. Полученные результаты показали, что в области исследованных длительностей от 2 до 25 мкс величина ускоренного тока растет линейно. Влияние сил пространственного заряда при этом не проявлялось. Получены также данные о величине коэф- - 10 -фициента захвата, который при удачной настройке ускорителя составлял 40% по отношению к числу частиц, совершивших один оборот. В экспериментах на ЭКФ при частоте повторения импульсов 50 Гц была получена средняя интенсивность пучка в бетатронном режиме т? ускорения — 10 эл./с (средний ток на мишень составлял 0,2 мкА при длительности импульса инжекции V= 25 мкс). Такое значение не является пределом для ЭКФ и могло бы быть повышено, однако, это потребовало бы конструктивных изменений в импульсной системе питания и создания нового инжектора, способного рассеять большую мощность. Поэтому было решено ограничиться длительностями инжекции до 25 мкс. Результаты экспериментов на ЭКФ в пересчёте для ИЦУ дают оценку средней интенсивности на уровне ~Ю13 эл./с.
Вопросы расчета, моделирования и формирования магнитного поля с глубокой азимутальной вариацией рассмотрены в третьей главе. Формирование радиальной зависимости поля осуществляется распределением ампервитков по поверхности полюсов и изменением высоты зазора. Для определения необходимой азимутальной вариации поля рассмотрены две взаимодополняющие методики: аналитический расчет и предложенный автором расчет по данным моделирования. Приведены основные расчетные формулы и описана методика проведения вычислений. Обе методики были использованы при формировании магнитного поля 4-секторной магнитной системы для ИЦУ на 1,5 МэВ. Численные расчеты динамики по реальному измеренному полю показали хорошее соответствие с требуемыми значениями. Использованные методы позволяют рассчитывать магнитные системы таких ускорителей с требуемой точностью.
В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с созданием опытного образца ИЦУ на энергию 1,5 МэВ, который может служить моделью ускорителя и на более высокие энергии. Основное - II - внимание при этом уделяется методике измерений и обработки данных. Проведено исследование магнитной системы 4-секторного ИЦУ, сконструированной и изготовленной на основе рассмотренных методов расчета. На основе этих данных проведен расчет динамики частиц в сформированном магнитном поле и определены частоты бета-тронных колебаний в зависимости от радиуса. Здесь же приведены данные о запуске в г.Томске опытного образца ускорителя.
Пятая глава посвящена внешней инжекции в ИЦУ. Для малогабаритных ИЦУ, ввиду малых размеров центральной области, использование внешней инжекции позволит избежать трудностей размещения высоковольтных вводов, а для ИЦУ на высокие энергии существенно повысит к.п.д. системы инжекции. Рассмотрено несколько вариантов инжекции и обсуждается их целесообразность с точки зрения эффективности использования в ИЦУ. Основное внимание при этом уделяется такому способу, при котором возможно перевести частицы с периферии магнитного поля на орбиту инжекции без использования электростатической инфлекторной системы. На основании проведенных расчетов автором предложен вариант инжекции, основанный на локальном возмущении магнитного поля в ограниченной области одного из секторов магнитной системы. При этом локальное возмущение поля играет роль "магнитного инфлектора". При расчетах траекторий использовались данные магнитных измерений, и получена циркуляция частиц на орбите инжекции в течение четырех оборотов. Кроме того, определен круг вопросов, которые необходимо решить для реализации этого варианта, и определено направление дальнейших работ по внешней инжекции.
Основные выводы работы содержатся в заключении. Коротко они сводятся к следующему:
I. Доказано, что повышение интенсивности ускоренного пучка в установке бетатронного типа возможно при использовании посто- - 12 -янного ведущего поля и длительной инжекции. Эксперименты на ЭКФ ФИАН, в которых длительность инжекции была увеличена в 10 раз (с 2 до 25 мкс), привели к пропорциональному увеличению интенсивности ускоренного пучка. Данные экспериментов позволили определить требования к ускоряющей системе и получить оценки ускоряющего напряжения при различных значениях коэффициента захвата. На основании полученных в экспериментах данных определена дости-жимая в ИЦУ интенсивность - > 10і эл./с.
Предложены и реализованы две взаимодополняющие методики расчета секторных магнитных систем. С их помощью разработана и изготовлена полномасштабная 4-секторная магнитная система для ускорителя на энергию 1,5 МэВ. Результаты проведенных магнитных измерений и расчетов динамики по реальному полю показали, что изменения частот бетатронных колебаний не выходят за допустимые пределы.
Изготовленная магнитная система была использована при создании опытного образца установки типа ИЦУ. Запуск ускорителя был осуществлен совместными усилиями лаборатории ПНУ ФИАН и НИИ ядерной физики при ТЛИ в г.Томске. Экспериментально получе- на интенсивность ускоренного пучка ~ 10х эл./с (средний ток -1,5 мкА, / = 50 Гц, Т = 20 мкс).
4. Численными методами исследованы различные варианты внеш ней инжекции в сформированное поле из области, находящейся за пределами орбиты, соответствующей конечной энергии частиц. Предложен вариант инжекции в ИЦУ без использования электроста тического инфлектора.
Основные результаты диссертационной работы опубликова-?-: ш /24,25,26,43,57/ и докладывались на 1уэ у и УІ Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц в 1974, 1976 и 1978 годах /1о,о4,оо/^ а также на Всесоюзной конференции по - ІЗ -разработке и практическому применению электронных ускорителей (Томск, 1975 г.) /55/.
Магнитные системы ИЦУ
В разное время были разработаны и запущены сильнофокусиру-ющие ускорители с постоянным ведущим полем /-Н»1 /, использующие режим индукционного ускорения. Однако такой режим использовался в этих установках при малых энергиях и больших скважнос-тях, главным образом для перевода электронов через критическую энергию, когда исчезает автофазировка. Дальнейшее ускорение происходило в фазотронном режиме. В 1968 году в лаборатории ПНУ ФИАН было выдвинуто предложение о создании бетатрона с постоянным полем (БПП) на основе радиально-секторной магнитной системы типа кольцевого фазотрона ; в этой работе в основном рассматривались вопросы формирования потока, создающего ускоряющее поле. Существенным недостатком предложенного варианта БПП является большой вес ускоряющей системы, так как ускоряющие магни-топроводы являются разборными и охватывают не только рабочую область бетатрона, но и ярма секторов электромагнита. Это приводит к увеличению длины магнитопроводов, а значит, их размеров, веса и потребляемой ими мощности. Кроме того, поля рассеяния разборных ускоряющих магнитопроводов приводят к возмущениям ведущего поля, борьба с которыми также ведет к увеличению длины магнитопроводов.
Дальнейшим развитием идеи создания индукционного циклического ускорителя с постоянным ведущим полем была магнитная система - % в которой число магнитопроводов, формирующих ускоря - 15 -ющее поле, равно числу секторов, создающих ведущее поле, а сами магнитопроводы размещаются в промежутках между секторами. Это приводит к уменьшению длины средней линии магнитопроводов, а следовательно, к снижению веса и мощности потерь. Уменьшается также возмущающее влияние, которое оказывают на динамику частиц переменные поля рассеяния центральных магнитопроводов, так как основная гармоника возмущения оказывается далекой от частоты бе-татронных колебаний. Кроме того, сами магнитопроводы, формирующие ускоряющее поле, могут быть изготовлены неразъемными (для малогабаритного ускорителя), например, из ленточного материала с малыми потерями (пермаллой). При равномерной намотке возбуждающих цепей такие магнитопроводы обладают незначительными полями рассеяния.
Основное внимание в дальнейшем будет обращено именно на радиально-секторную магнитную систему без секторов с обратным полем и с малым числом секторов ( $ = 4-8). Такие системы ранее не исследовались и не разрабатывались, поэтому представляло интерес выяснить их возможности для использования в ускорителях, так как по сравнению со всеми остальными они наиболее просты по конструкции и в изготовлении.
Вертикальная фокусировка в радиально-секторной системе с растущим по радиусу магнитным полем осуществляется за счет азимутальной вариации поля. Степень азимутальной вариации поля ха-рактеризуется флаттером F , численно равным Р= / Ц г і где # - среднее поле, Н - средний квадрат поля. Известно /10/, что для линеаризованных уравнений движения можно получить аналитические выражения для частот бетатронных колебаний. В выражение для квадрата вертикальной частоты Уг линейно входит значение флаттера f , откуда следует, что для улучшения вертикальной фокусировки флаттер необходимо увеличивать.
Необходимую величину флаттера можно получить, используя различные магнитные системы. Наличие секторов с обратным полем, как в системе типа ЭКФ, о которой говорилось в начале раздела, приводит к тому, что величина азимутального промежутка между секторами становится настолько малой, что не позволяет разместить в нем магнитопровод, формирующий ускоряющее вихревое поле. В силу этого магнитопроводы приходится располагать снаружи от ярем электромагнита, а это влечет за собой увеличение размеров и веса всей конструкции. Если в качестве конкретного примера сравнить модель рассматриваемого ниже 4-секторного ИДУ без секторов обратного поля на энергию 1,5 МэВ с моделью аналогичного дубненского ускорителя на ту же энергию, но с секторами обратного поля 1U/\ преимущества однополярной системы становятся очевидными. Однополярная система имеет в два раза меньшие размеры кольцевой дорожки за счет уменьшения радиуса инжекции. Более существенно то, что наличие секторов обратного поля более чем в 7 раз увеличивает суммарный вес электромагнита и ускоряющей системы. С другой стороны, преимуществом систем с секторами обратного поля является возможность выбора большой величины показателя роста магнитного поля; такие системы целесообразно использовать для ускорителей на большие энергии ( 10 МэВ), когда соображения комактности могут не являться определяющими.
class2 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДАТЕЛЬНОЙ. ИНЖЕКЦИИ И ВЫБОР ПАРА
МЕТРОВ ИЦУ class2
Методика экспериментов на ЭКФ по длительной инжекции
Для получения экспериментальных данных об эффективности инжекции в ИДУ, а также для оценки возможной величины средней интенсивности ускоренного пучка, была проведена серия опытов по ускорению электронов в индукционном режиме на электронном кольцевом фазотроне (ЭКФ) ФИАН .
Общий вид кольцевого фазотрона показан на фотографии (рис.10). Сильнофокусирующая магнитная система с постоянным полем состоит из 40 магнитных секторов (период магнитной системы включает 2 сектора - с прямым и обратным полем), образующих кольцевую ускоряющую дорожку от радиуса 118 см до 160 см. В ЭКФ использовались две системы ускорения: индукционная система ускорения (бетатронные сердечники), ускоряющая электроны до энергии 2,5 МэВ, и фазотронная ускоряющая система (ВЧ резонатор) - до 40 МэВ. Индикация ускоренного пучка осуществлялась с помощью сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сигнального электрода (пикап-электрода) и цилиндра Фарадея. Инжектором служила электронная пушка Пирса на 60-70 кВ с электростатическим инфлектором. Высоковольтные импульсные генераторы вытягивающего и инфлекторного напряжения 2 позволяли регулировать длительность инжекции Т в довольно широких пределах. Индукционное ускоряющее напряжение имело форму двух следующих друг за другом треугольных импульсов с крутыми передними фронтами. Первый (короткий) импульс - длительностью 20 мкс с амплитудой 940 В, Рис. 10. Общий вид ускорителя ЭКФ ФИАН, на котором проводились эксперименты по длительной инжекции. (I - бетатронная ускоряющая система; 2 - мишень с усилителем У1И-2; 3 - ФЭУ; 4 - ВЧ-резонатор). второй - 200 мкс и 470 В. (Форма второго импульса представлена на верхней осциллограмме рис.12).
Схема эксперимента представлена на рис.II. Вылетающие из инфлектора, установленного на Г = 118 см, электроны с энергией 0,06 МэВ ускоряются и достигают мишени, установленной на некотором фиксированном радиусе, соответствующем энергии 0,5-1,5 МэВ (126-133 см). Величина этой энергии зависит от изменения ускоряющего потока и может быть точно определена по известным значениям радиуса орбиты и индукции ведущего поля.
Аппаратура индикации позволяла наблюдать форму и измерять значение тока как инжектируемого, так и ускоренного пучка. Ток инжекции измерялся с помощью цилиндра Фарадея, рассчитанного на полное поглощение пучка и обеспечивающего абсолютные измерения тока. Средний ток ускоренного до мишени пучка измерялся наноам-перметром ФІІ6/2; сигнал с нагрузочного сопротивления предварительно усиливался импульсным широкополосным усилителем УШ-2. Осциллограммы, поясняющие методику измерений, приведены на рис.12. Импульс ускоряющего индукционного напряжения совмещается с импульсом инжекции. Ускоренный пучок регистрируется ФЭУ, радиус расположения которого известен с хорошей точностью ( 0,5 мм), что позволяет также определить энергию пучка. Ток ускоренных электронов измерялся двумя мишенями: штырем и пластиной.
Методы формирования поля. Расчет намагничивающих ампервитков
Для ускорения частиц в кольцевой области от W; до Ек необходимо сформировать растущее с радиусом магнитное поле вида где И0 и Ґ0 - некоторые фиксированные значения магнитного поля и радиуса, п 0 - показатель роста магнитного поля. Создать поле вида (3.1) можно либо с помощью изменения зазора меж - 75 -ду полюсами 2h , либо с помощью распределения намагничивающих ампервитков по поверхности полюсов магнита. Первый способ целесообразно использовать в случае узкой области изменения и при малых значениях показателя поля, в противном случае потребуется резкое изменение зазора, что приведет к неэффективному использованию объема магнитного поля. Распределенные обмотки становятся неэкономичны при протяженных и сильно растущих полях. Поэтому для формирования магнитного поля ИЦУ был использован комбинированный способ: на начальных радиусах поле формировалось с помощью распределенных обмоток, а на конечных - с помощью профилированных полюсов. Подобный способ хорошо зарекомендовал себя при формировании поля в установке ЭКФ.
Чтобы при ускорении в растущем по радиусу поле избежать приближения к опасным резонансам, необходимо обеспечить постоянство частот бетатронных колебаний в зависимости от радиуса. Для выполнения этого условия достаточно геометрического подобия орбит и постоянства показателя поля Z44 , что можно осуществить, сделав все размеры магнита растущими пропорционально радиусу ( h=/f ). Известно 4Й , что условию динамического подобия удовлетворяет довольно широкий класс магнитных полей, не удовлетворяющих условию геометрического подобия. Обеспечить постоянство частот у г можно соответствующим подбором гармонического состава поля. Поэтому целесообразно уменьшить угол раствора полюсов в области распределенных обмоток за счет отдаления центра сходимости полюсов:
Параметры и общее описание ускорителя
Результатом исследовательской работы, проведенной в лаборатории проблем новых ускорителей ФИАН, явилось создание малогабаритной магнитной системы для индукционного циклического ускорителя электронов с постоянным ведущим полем. Основные параметры системы выбирались на основе данных численного расчета динамики (см.гл.1). Эти расчеты позволили взять за основу систему с числом секторов J\f = 4, которая позволяет создать компактную установку для промышленного использования в качестве источника рентгеновского излучения для целей дефектоскопии. Последующее моделирование уточнило необходимое значение показателя роста магнитного поля и дальнейшая работа по созданию системы была направлена на формирование поля с показателем П - 0,75. Азимутальная форма поля также была уточнена на моделях, что привело к необходимому значению флаттера F = 1,15.
Требования к системе инжекции ИЦУ. Внутренняя и внешняя инжекция
Прямым способом увеличения эффективности инжекции является выбор большого ускоряющего напряжения. Эффективность этого способа была количественно оценена в результате экспериментов на ЭКФ ФИАН /24/ ( см.также раздел 2.2). Необходимую величину ускоряющего напряжения можно оценить, исходя из скорости отвода электронов от инжектора по формуле (2.5). Это напряжение определяется амплитудой и частотой изменения потока Фт . Оценки показали, что для выбранной модели ИЦУ (Ж= 4, ti - 0,75, fL = 8 см, ґк = 28 см, VK - 1,5 МэВ) для эффективности инжекции 1% необходимо ускоряющее напряжение порядка 300 В за оборот (для 10% - 600 В).
Возможны два способа инжекции в индукционный циклический ускоритель: внутренняя и внешняя инжекция. Внутренняя инжекция в растущее по радиусу поле осуществляется из точки, расположенной внутри от орбиты. При этом инжектор либо располагается непосредственно рядом с орбитой, либо имеет инфлекторную систему, способную направить пучок на орбиту. В обоих случаях сам инжекторный узел по необходимости располагается в центральной части ускорителя, что представляет довольно серьезные технические трудности, ввиду малости центральной области (внутренний радиус вакуумной камеры около б см), занятой к тому же центральными магнитопроводами, формирующими ускоряющее поле. Кроме того, использование инфлекторной системы приводит к необходимости иметь два высоковольтных ввода, что усложняет конструкцию инжектора. Нехватка места в центральной части делает довольно слож - 120 -ной задачу создания и эффективную транспортировку на орбиту хорошо сфокусированного пучка с жесткими допусками на отклонения и углы. На рис.35 приведены возможные варианты осуществления ин-жекции в ускоритель, поясняющие сказанное выше.
Большие возможности для создания экономичной системы инжек-ции дает внешняя инжекция. Работы, выполненные по инжекции в циклотрон в ФИАНе №/ позволяют надеяться, что в ИЦУ удастся осуществить транспортировку пучка на орбиту вдоль границы магнитного сектора. Существенным отличием настоящей работы является тот факт, что в данном случае поле в секторе не однородно, а растет по радиусу. Определение траекторий подобного типа является, вообще говоря, нетривиальной задачей, так как форма траектории существенно зависит от места расположения инжектора (радиус и азимут относительно центра установки) и от угла вылета самих электронов относительно оси сектора магнита.
В этом случае (рис.Збв) весь инжекторный узел находится снаружи от орбиты максимальной энергии. Конструкция ЙЦУ позволяет свободно разместить здесь устройство любой сложности, и требования в этом случае сводятся к получению хорошо сфокусированного пучка с необходимым током. Транспортировка на орбиту осуществляется за счет дрейфа пучка в неоднородном поле. Траектория пучка представляет собой петлю, при выходе из которой электроны оказываются вблизи орбиты, двигаясь практически параллельно ей. В этом случае, при достаточном ускоряющем напряжении, происходит захват электронов на орбиту и их дальнейшее устойчивое движение.
