Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Перед современной ускорительной техникой сравнительно давно поставлена задача разработки таких методов и средств ускорения заряженных частиц, которые позволили бы с достаточной эффективностью использовать потоки частиц для решения задач.в околоземном космическом пространстве, в частности, при экологическом мониторинге атмосферы Земли, подвергающейся все большему загрязнению, грозящему экологической катастрофой.
Экологический мониторинг атмосферы Земли из космоса представляется в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений развития мировой п. отечественной космической техники, предполагающим, в частности, сотрудничество на межгосударственном уровне. Одновременно с этим не прекращается поиск путей исследования планет Солнечной системы с орбитальных станций, содержащих ускорители.
Важным прикладным применением ускоренных пучков заряженных частиц является зон
даж верхней атмосферы Земли для измерения концентрации галогенов, влияющих на динамику
озонного слоя планеты. .
Однако необходимость удовлетворения совокупности специфических требований, предъ
являемых к лучкам заряженных частиц и выводимым на орбиту ускорительным комплексам, не
разрывно связана с развитием и совершенствованием принципиально новых методов нсследоват
пня и систем ускорителей. ' '
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. В настоящее время в плане практической реализации наибольшее развитие получило военное направление, связанное с разработкой пучкового оружия. Достаточно в этой связи отметить запуск станции с линейным ускорителем отрицательных ионов водорода, проведенный в США несколько лет назад. Однако, широкомасштабная реализация различных проектов была ограничена отмеченной совокупностью предъявляемых к пучкам требований, которые в значительной степени,определяют облик раднационно-ускорнтелыюго комплекса космического базирования в целом, а также необходимостью детального исследования и отработки в наземных условиях ряда принципиально новых систем. Это в первую очередь - системы формирования прецизионных параметров пучка, обеспечивающие минимальную угловую расходимость и минимальный энергетический разброс, а также возможность детектирования отраженного сигнала от удаленной мишени, облучаемой потоком ускоренных частиц, как правило, перезаряженных до нейтрального состояния отрицательных ионов водорода. Эффективность применения ускорителя может быть также существенно повышена при использовании внутри-импульсной модуляции энергии ионов на его выходе, что обеспечивает получение на удаленной
міішсиіі более короткого по длительности, но увеличенного по интенсивности импульса тока частиц, достаточного для однозначной идентификации отраженного сигнала на фоне шумов, связатшх с потерями *гастнц в самом ускорительном тракте.
К настоящему времени имеется большое количество результатов наземны.х и космических наблюдении аврорадьных и солнечных протонных высыланий в верхних слоях атмосферы с энергией протопоп от единиц кэВ для авроральных до сотен МэВ.для солнечных. Моделирование происходящих при прохождении протонов через вещество процессов весьма сложно из-за многообразия возможных реакций " широкого энергетического, спектра протонов. В этом плане, безусловно, интерес представляет прямой эксперимент по." инжекцци протонов на высотах 200-:300 км в высоких широтах, где ендоные линии.Земли позволяют прогонам войт'м и верхние слои атмосферы. По форме распространения пучка и спектру интенсивности, свечения можно определить топологию магнитного поля Земли и анализировать процессы в а гмосфере,
Весьма перепективнкм представляется американский проект сотрудничества с Россией.п плане зондирования поверхности Луны пучками ускоренных 'протонов и дептонов или перезаряженными до нейтрального состояния отрицательными попами, предполагающий выведении па орбиту Луны космической станции с борт оным ускорительным комплексом (БУК), снабженным, детектором вторичного .излучения, образуемого при облучении поверхности ускоренными частицами. Рассматривается также вариант виведення одновременно с .ЕУК на более низкую орбиту самостоятельного детектора, позволяющего существенно повысить чувствительность детектора if умсньшгггь влияние фонового излучения самого ускорителя с высотой орбиты комплекса -(50-5-200) км, а орбиты детектора - (10-5-50) км при энергии ионов- (5-Н5)\-ЬВ. .
Дчя решения задач по созданию пучкового оружия в плане перечисленных выше направле
ний необходимо проведение физико-технического' обоснования и проработка вариантов практи
ческой реализации ускорительного комплекса космического базирования, использующего режим
внутриимпульснон модуляции энергии отрицательных ионов водорода с последующей нсіігра-'
лнзацней. . .".:..
ЦЕЛЬ ГАБОТЫ. Определение оптимального варианта конструктивного исполнения н компоновки элементов ускорительного комплекса космического базирования; исследование системы нейтрализации ионного пучка и ионного инжектора с ленточным пучком; проектирование систем поворота и уменьшения угловой расходимости, ті энергетического разброса энергии ускоренного пучка; разработка системы цаиедения и скапнрдвания ионного пучка; определение требований к энергетическим параметрам пучка, системе иысокочастотцого, питания и системе формирования пучка на выходе ускорительного комплекса космического базирования,, исследование возможности внутриимпульснон модуляции энергии ионов,,обеспечивающей нрострзнст-
ііснно-iipCMCKHvio модуляцию пучка нейтральных атомов, образованных из ионов при перезарядке. .
ПЛУЧПЛЯ ПОВИ'ША. Ипериые п полном'объеме проведена концептуальная проработка структурной схемы ускорителя ионов космического базирования. Определены совокупность требовании к системам ускорительного комплекса космического базирования с изменяемой энергией и возможность использования в комплексе систем известного типа. Даны рекомендации по проектированию новых систем. Определены параметры системы поворота модулированного по энергии пучка. Определены технические характеристики н дано расчетное обоснование устройства наведення пучка на мишень, содержащего систему отклонения ионного пучка как на большие, так и на малые углы, обеспечивающую необходимое изменение параметров-за счет внутри-импульсной модуляции Энергии пучка. Разработаны физическая модель и алгоритм-расчета ускоряющей структуры па основе одноэазорных фазируемых резонаторов в режиме внутрним-пульсиой модуляции энергии с высоким электронным КПД.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в работе, использовались при выполнении хоздоговорных работ в МИФИ в период с 1987 по 1999 годы и в KG "Салют" ГКНПЦ им. Хруннчева.
ЛПРОЙЛЦІШ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1<594г., 2 доклада).» 6-й Европейской конференция но УЗЧ EPAC-9S (Стокгольм, 1993г., 2 доклада).
ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения,-трех глав, заключения, списка литературы л приложения.