Введение к работе
Актуальность проблемы. Успехи в развитии фундаментальных исследований быстропротекающих процессов в области радиационной физики и химии неразрывно связаны с прогрессом в создании систем получения сильноточных импульсов ускоренных электронов в пикосекундном временном диапазоне на линейных сверхвысокочастотных ускорителях.
Пикосскундные импульсы тока электронов находят применение во времяпролетной нейтронной спектроскопии, в физике пучковой плазмы, в физике полупроводников, в области радиационной химии, в метрологии быстропротекающих радиационных процессов, в радиобиологии быстропротекающих реакций. Пакеты пикосекундных импульсов используются для повышения эффективности иижекции в накопительные кольца, в установках на встречных электрон-позитронных пучках, при создании лазеров на свободных электронах, для создания токопроводящих каналов в атмосфере и транспортировке пучков на большие расстояния, в разрушении горных пород. Для повышения эффективности исследования сверхбыстрых процессов, например, таких, как временная дисперсия вторичной эмиссии, для калибровки рентгеновских сверхбыстродействующих детекторов. От качества параметров экспериментальных пикосекундных установок зависит получение новых фундаментальных знаний в области радиационно-химических превращений материалов и нанотехнологий.
Для развития радиационной физики и химии требуются детекторы нового поколения: позволяющие получать сигналы для запуска экспериментальных устройств и анализа экспериментальных данных без возмущения мощных электронных пучков. Детекторы должны быть сверхбыстродействующими, помехозащищенными и обладать высокой чувствительностью. Все ранее созданные детекторы по совокупности параметров не обладают сформулированным требованиям. При этом пучок теряет часть энергии в детекторе и, следовательно, рассеивается. Такая схема неразумна по самой своей сути. Известные оптические способы измерения параметров тока пучка основаны на получении и регистрации черепковского, флуоресцентного, переходного, тормозного, спонтанного и других видов излучений светового и рентгеновского диапазонов, возникающих при движении заряженных частиц в различных средах, и являются "непрозрачными" или "полупрозрачными" для исследуемого пучка и значительная часть пучка тратится на создание анализирующего излучения. Способы, связанные с анализом синхротронного и ондуляторного излучений требуют установки специальных магнитных устройств изменяющих траекторию пучка, что приводит к "возмущению" и потерям тока исследуемого пучка.
Современные мощные электронные пучки требуют создания принципиально новых подходов в методологии построения измерительных схем. Анализирующие сигналы следует получать путем преобразования электромагнитных полей связанных с пучком в оптические сигналы. Это перспективное направление предложено и развито в представляемой работе.
Таким образом, применение систем формирования и диагностики пикосекундных пучков является чрезвычайно перспективным направлением в радиационной физике и химии.
Работа выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ, проводимых по шести Решениям Государственной комиссии по военно-промышленным вопросам, по семи договорам с предприятиями оборонно-промышленного комплекса Минпромэнерго РФ, по приоритетным научным направлениям Российской Академии Наук.
Цель работы и задачи исследований:
разработка, создание и экспериментальные исследования новых систем формирования и диагностики пикосекундных электронных пучков.
внедрение систем формирования на действующих ускорителях с питанием от магнетронов и клистронов, построение схем синхронизации делением и умножением частоты высокочастотных генераторов.
оснащение ускорителей электрооптическими системами измерения параметров пучка для проведения радиационных исследований в пикосекундном диапазоне.
Научная новизна.
Впервые созданы и экспериментально исследованы системы формирования пикосекундных импульсов на электронных ускорителях с питанием от магнетронов на частотах 1886 и 3200 МГц и от клистронов на частотах 1818 и 2450 МГц. На шести линейных ускорителях электронов на энергии 1+13 МэВ получены пикосекундные импульсы длительностью 30+50 пс с током 50+250 А.
Впервые получены пикосекундные импульсы электронов методом субгармонической группировки на ускорителях с питанием от магнетронов.
Впервые получены пикосекундные импульсы методом магнитного формирования на выходе наносекундного ускорителя работающего в режиме запасенной энергии.
Впервые разработаны субгармонические группирователи на субкратных частотах 113, 227, 454, 909 МГц к основным ускоряющим частотам 1818, 2450, 3200 МГц. Определены геометрические и электрические параметры резонаторов {QH, Яш, UVCK). Резонаторы внедрены в системы формирования для ускорителей, работающих в пикосекундном диапазоне.
Впервые разработаны схемы синхронизации работы магнитоламповых наносекундных модуляторов электронных пушек и дефлекторов с заданной фазой высокочастотных полей в резонаторах на субгармонических и ускоряющих частотах.
Впервые разработаны кинетические спектрофотометры и высокочувствительные спиральные световодные кюветы для оптикоэлектронной диагностики со спектральным разрешением не хуже 6 им в диапазоне 300-=-1200 нм, при временном разрешении 6,5 пс.
Впервые предложен, разработан и изучен новый класс измерительных приборов - электрооптические детекторы параметров тока пучка заряженных частиц. Новые приборы обладают рекордной чувствительностью и помехозащищенностью при измерении параметров пучка заряженных частиц (формы, амплитуды и положения импульсов тока пучка) и не имеют отечественных и зарубежных аналогов.
Основные результаты и положения, выносимые па защиту:
Результаты разработки, создания и исследования систем формирования пикосекундных импульсов на электронных ускорителях с питанием от магнетронов на частоте 1886 и 3200 МГц и от клистронов на частоте 1818 и 2450 МГц для получения пикосекундных импульсов длительностью 30-5-50 пс с энергией 1*13 МэВ и током 50-5-250 А в режиме одиночных посылок и в виде пакетов пикосекундных импульсов тока пучка. Результаты внедрения систем формирования и диагностики пикосекундных импульсов тока пучка на ускорителях: У-28 (Московский инженерно-физический институт), "Мальва", "С-31", "Левкой" (Московский радиотехнический институт РАН), "Мальва-2" (Научно-исследовательский институт импульсной техники), У-003М (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской Академии Наук). Результаты исследований, предложения по технической реализации и рекомендации для использования субгармонических и магнитных систем формирования одиночных импульсов и пакетных пучков для решения важнейших прикладных задач: обеспечения исследовательских работ по времяпролетной нейтронной спектроскопии; изучения быстропротекающих электрооптических процессов, возбуждаемых пучками заряженных частиц; создания систем транспортировки пучков в разреженных газах и изучения пучковой плазмы, аппаратуры для проведения исследований флуоресцентных сцинтилляторов, устройств калибровки сверхбыстродействующих детекторов ионизирующих излучений.
Результаты разработки, создания и исследования синхронной работы наносекундной двухэлектродной электронной пушки и двухпластинчатого наносекундного дефлектора. Для получения импульсов тока пучка использовались фронтальные участки модулирующих напряжений. При этом длительность выходного импульса определялась крутизной фронта и получалась равной 1*2 не. Впервые для инжектора пикосекундиого ускорителя разработан уникальный магнитный импульсный модулятор, работающий на основе метода однополярного намагничивания без изменения знака индукции. Частота следования импульсов равна 250 кГц в пакетном режиме при амплитуде напряжения 50 кВ и мощности 16 МВт.
Длительность импульсов равна 15 не, длительность фронта - 2 не. Число импульсов в пакете 1+30. Результаты разработки и создания и фотоэлектронной 50 кВ диодной пушки с пирсовской геометрией с арсенид-галиевым катодом диаметром 1 см2. Для облучения полупроводникового катода используется твердотельный импульсный лазер с модуляцией добротности на алюмоиттриевом гранате с неодимом (AHr:Nd3+) на основе модернизированного лазера ЛТИ-502. С фотокатода в импульсе 10 не получена эмиссия до 30 А/см2. Результаты разработки, создания и исследования на инжекторном стенде перспективной схемы работы автоэмиссионного катода непосредственно в СВЧ-резонаторе. Фазовая протяженность сгустка электронов сформированного в резонаторе, составляет примерно 60, величина тока эмиссии в> сгустке равна 30 А, а соответственно плотность эмиссии около 10 А/см2.
Результаты разработки, создания резонаторов на субкратных частотах (ИЗ, 200, 227, 454, 909 МГц) и испытания резонаторов с волной ТЕМ типа коаксиальной линии нагруженной на емкость с напряжениями на зазоре до 50 кВ. Результаты разработки формирующих цилиндрических Е0ю резонаторов различных видов на основных ускоряющих частотах (1818, 2450, 3200 МГц) с мощностью питания до 2 МВт; определение их геометрических и электрических параметров (QH, Rm UycK) для использования в системах формирования для ускорителей, работающих в пикосекундном диапазоне. Результаты разработки и испытаний схем СВЧ-питания резонаторов на основной (1818, 2450, 3200 МГц) и субкратных частотах (113, 227, 454, 909 МГц). Результаты изучения фазовой нестабильности между усилительными каскадами на субкратных группирующих частотах и основной ускоряющей частоте. Результаты создания фокусирующих систем субгармонических резонаторов, которые состоят из катушек Геймгольца надетых на субгармонический группирователь через определенные промежутки. Результаты разработки и экспериментальных исследований магнитных группирователей для выделения и компрессии одного сгустка из пакета сгустков общей длительностью 2,5 не на полувысоте импульса тока.
Результаты разработки и экспериментальных исследований различных вариантов схем синхронизации работы магнитоламповых наносекундных модуляторов электронных пушек и дефлекторов с заданной фазой высокочастотных полей в резонаторах на субгармонических и основной частотах. Результаты разработки транзисторного делителя частоты 3200 МГц в 16 раз, работающего по принципу синхронизации автогенератора на субгармонике входного сигнала с полосой деления 1,6 МГц и максимальной импульсной мощностью 100 мВт. Результаты разработки быстродействующих схем синхронизации пусковых импульсов модулятора дефлектора ускорителя с заданной фазой ВЧ-напряжения с частотой
200 МГц при временной нестабильности между выходным пусковым импульсом схемы и входным ВЧ-напряжением <±0,05 не. Результаты разработки, создания и испытаний аппаратуры для оптикоэяектрошшй диагностики с временным разрешении 6,5 пс и со спектральным разрешением не хуже 6 нм в диапазоне 300-5-1200 нм с использованием двух сменных решеток с N = 600 штрихов/мм. Результаты разработки спиральных световодных кювет с использованием эффекта полного внутреннего отражения света для повышения чувствительности и точности радиационно-оптических измерений. Результаты создания и внедрения нового класса электрооптических детекторов с рекордной чувствительностью и помехозащищенностью для измерений параметров электронных пучков с пикосекундным разрешением.
Практическая ценность.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволили решить крупную научно-техническую проблему, имеющую фундаментальное важнейшее значение: разработку, внедрение на ускорителях и использование в прикладных исследованиях систем формирования и диагностики пикосекундных электронных пучков.
Реализованы и внедрены системы формирования и диагностики пикосекундных импульсов тока пучка на ускорителях: У-28 (МИФИ), "С-31", "Левкой", "Мальва" (МРТИ РАИ), "Мальва-2" (НИИИТ), У-003М (ИФХЭ РАН). Результаты работы использованы при создании узлов ускорителя ЛУ-50 (РФЯЦ ВНИИЭФ).
Созданы и изучены детекторы тока пучка нового типа электрооптические детекторы заряженных частіш. Впервые разработаны, внедрены и исследованы детекторы параметров электронных пучков на эффектах Франца-Келдыша, Поккельса и Фарадея.
Разработанные пикосекундные системы формирования использовались для проведения комплексных прикладных исследований: У-28 - для разработки оптических методов измерений параметров электронных пучков; С-31 - для изучения возможностей транспортировки короткоимпульсных пакетных пучков в разреженных газах; "Левкой" - для испытания субгармонических систем формирования пикосекундных пучков; "Мальва" -для исследования узлов установок для времяпролетной нейтронной спектроскопии; "Мальва-2" - для калибровки полупроводниковых и других специальных сверхбыстродействующих детекторов ионизирующих излучений; У-ООЗМ - для испытания электрооптических и флуоресцентных сцинтилляционных детекторов.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзном симпозиуме по радиационной химии (Тбилиси, 1978), Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям (Харьков, 1981, 1983, 1989), Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1982,
1988), Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1982), Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной радиационной химии (Обнинск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1991), Международной конференции по радиационно-технологическим процессам (Пекин, 1992), Межотраслевом научно-техническом семинаре "Радиационные технологии и оборудование" (Москва, 2004), Международной конференции "Физико-химические основы новейших технологий XXI века" (Москва, 2005), Всероссийской Баховской конференции по радиационной химии (Москва, 2005). На семинарах в ВНИИТФА, РФЯЦ "ВНИИЭФ", РНЦ "Курчатовский институт", МРТИ, МИФИ, ИЯИ РАН, НИИЭФА, ФЦДТ "Союз", НИИИТ, ВНИИЭМ, НИИПФП (Беларусь), ТГУ (Грузия), ХФТИ (Украина), ПГУ (Китай), ИЯХТ (Польша), ЛПИ (Польша).
Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа, включая 11 авторских свидетельств и патентов и 17 работ в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций.
Личный вклад автора явился основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в постановке задач, определении целей разработок, в предложении и реализации новых методов формирования и диагностики электронных пучков, проведении расчетных, конструкторских и экспериментальных этапов работ, внедрении результатов на действующих ускорителях и в метрологическом обеспечении прикладных радиационно-химических и физических исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 303 страницы, включая 113 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 176 наименований.
