Содержание к диссертации
Введение 6
Глава I. Выбор и анализ работы многоканальных
ускоряющих структур 15
-
Анал из ускоряющих структур 15
-
Особенности многолучевых ускоряющих структур 30
-
Постановка задачи 30
-
Инжекция и фокусировка 31
-
Длина волны 34
-
Длина ускоряющей секции 37
-
Идентичность условий ускорения параллельных пучков 38
-
Эффективность ускоряющей структуры 42 Выводы 44 Глава II. Методы расчета многоканальной ускоряющей структуры 46
-
Макеты многоканальных ускоряющих структур 46 2.1.1 Ток ускоренных ионов в МУС и ММУС 48
-
Расчет ускоряющих систем 50
-
Электротехнический расчет 51
-
Электродинамические и радиотехнические характеристики 68 Выводы 75 Глава III. Расчет многоканальной ускоряющей структуры 76
3.1. Выбор пакета программ для имитации высокочастотных
свойств и моделирования ускоряющей структуры 76
3.2. Результаты расчета многоканальной ускоряющей
структуры 78
Выводы 83
Глава IV. Экспериментальные исследования макета
многоканальной ускоряющей структуры 84
-
Методика измерений высокочастотных характеристик многоканального резонатора 84
-
Оценка погрешности измерений 89
4.3. Автоматизированный комплекс для измерения
электродинамических характеристик УС 90
-
Подготовка экспериментальных исследований 93
-
Результаты измерений высокочастотных характеристик,
их анализ и сравнение с численными расчетами 95
Выводы 100
Заключение 101
Литература 105
^
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АФПФ- асимметричная фазопеременная фокусировка
ВЧ- высокочастотный
ВЧКППФ- высокочастотная квадрупольная пространственная периодическая
фокусировка
ВЧПОФ- высокочастотная пространственная однородная фокусировка
ЛРУ - линейный резонансный ускоритель
ММВ- метод малых возмущений
ММУС ~ модифицированная многоканальная ускоряющая структура
МНВ- метод нерезонансных возмущений
МПВ- метод поглощающего возмущения
МРВ- метод резонансных возмущений
МУС - многоканальная ускоряющая структура
ПОКФ- пространственно-однородная квадрупольная фокусировка
ПОКФУП- пространственно-однородная квадрупольная фокусировка
ускоряющим полем
ТД - трубки дрейфа
ТК - токопроводящие кольца
ТОЭ- теоретические основы электротехники
УС - ускоряющая структура
ФАСУП- фокусировка аксиально-симметричным ускоряющим полем
ФПБВ- фокусировка полем быстрой волны
ФПФ- фазопеременная фокусировка
ФУП- фокусировка ускоряющим полем
ЭДС- электродвижущая сила
ЭМВ - электормагнитная волна
ЭМП- электромагнитное поле
ЭП- электрическое поле
Введение к работе
Развитие современной ядерной физики немыслимо без использования ускорителей заряженных частиц. По принципу своего действия и размерам ускорители отличаются большим многообразием, определяемым различиями в выходной энергии, токах ускоренных пучков и типе ускоряемых частиц. Большие ускорители представляют собой уникальные сооружения, проектирование и строительство которых занимают многие годы и требуют участия больших коллективов научных работников и инженеров различных специальностей.
В течение последних десятилетий внимание целого ряда ученых в области ускорительной техники привлекают линейные резонансные ускорители (ЛРУ) заряженных частиц на малые энергии, в основном до 10-20 МэВ. В частности [2], если ускоритель используется в качестве инжектора для более мощных ускорительных установок, то в этом случае на передний план выходит получение заданных характеристик пучка. При самостоятельном использовании к ускорителю на малые энергии предъявляются иные требования, а именно: простота конструкции, относительно невысокая стоимость, малый занимаемый объем и невысокие эксплуатационные расходы. Это внимание обусловлено прежде всего тем, что такие ускорители могут служить для решения многих задач в различных областях науки, техники и промышленности.
Из основных использований ускоренных пучков легких и тяжелых ионов для широкого диапазона энергий можно отметить следующие применения [2]:
1. Получение расщепляющихся материалов и мощных потоков нейтронов (электроядерный бридинг) при энергии ионов около 1 ГэВ.
2. Мезонные фабрики, работающие при тех же энергиях ионов. Эти фабрики предназначены для получения расщепляющихся материалов, ти- и ц- мезонов, нейтрино.
3- Работа в качестве инжекторов для протонных синхротронов.
Получение сверхтяжелых элементов.
Использование пучка ускоренных тяжелых ионов в качестве катализатора в реакциях синтеза.
Разнообразное использование технологического характера, например, определение толщины материалов и моделирование насыщения гелием оболочек твелов в реакторостроении, ионная имплантация [153-159].
Получение радиоактивных изотопов.
Активационный анализ.
В промышленной дефектоскопии.
Потребность в пучках ускоренных тяжелых ионов стимулировала заметное развитие техники и их получения с помощью ЛРУ. Главным преимуществом ЛРУ по сравнению с ускорителями прямого дейтствия (электростатическим, каскадным и трансформаторным) является возможность получения высокой интенсивности пучка. Отличительными особенностями ЛРУ являются небольшие габариты, надежность, а также то, что ЛРУ не требуют особых условий эксплуатации, связанных с высокими напряжениями. Собственно ускоряющая система (УС) (в ионных ускорителях это обычно резонатор) может быть сделана компактной и относительно дешевой [10], что дает возможность использовать ее в условиях ограниченных объемов и при необходимости перемещения, т.е. там, где применение других типов ускорителей затруднено.
Высокая стоимость и сложность обслуживания существующих ускорителей тяжелых ионов препятствует их практическому внедрению в промышленность. В связи с этим возникает необходимость в разработке малогабаритных, относительно дешевых и простых конструкций ионных линейных ускорителей. За последние годы теория многоканальных ускоряющих структур (МУС) значительно расширена и уточнена. Появились новые интересные идеи, апробированные в лабораториях, а также построены и запущены в эксплуатацию малогабаритные сильноточные ЛРУ ионов нового поколения на основе Н-структур [11,12,13]. Необходимо заметить, что при разработке и конструировании новой УС к ней предъявляется ряд требований:
УС должна иметь высокую эффективность - наиболее полно
УС должна быть удобна при реализации мер по фокусировке пучка -применение различных методов фокусировки является одним из определяющих факторов, оказывающих непосредственное влияние на выбор УС.
3. Возможность получения больших токов ускоренных частиц. Технико-экономические параметры ЛРУ ионов в значительной степени определяются параметрами используемой УС. Одним из путей улучшения этих параметров является переход к кольцевым или многоканальным УС, поскольку последние позволяют формировать пучок ускоренных ионов с бо'лыпим током, чем в одноканальных структурах, а также использование электронного пучка для генерации ускоряющего ВЧ-поля в УС, позволит отказаться от использования громоздких, дорогостоящих и энергоемких узлов: ВЧ-генератора, подводящего ВЧ-тракта [14]. Так, напрмер, использование электронного пучка для генерации ВЧ-поля, взамен использования ВЧ-генератора, позволило сократить площадь, занимаемую ускорителем почти в 2 раза, энергопотребление- в 1.5 раза, стоимость установки - в 2 раза [14].
Создание многоканальных ЛУ ионов позволяют решить следующие проблемы [182]: формирование больших полей облучения с высокой степенью равномерности распределения плотности зарядов; повышение интенсивности потока ускоренных частиц на выходе ЛРУ; формирование интенсивных пучков заряженных частиц с высоким значением фазовой плотности и яркости.
Первую проблему можно решить путем создания УС с несколькими параллельно расположенными ускоряюще-фокусирующими каналами.
Вторая проблема, возникающая в ЛРУ из-за того, что увеличивается эффективный эмиттанс пучка, который сильно зависит от величины его фазовой плотности на входе, и может быть решена в одноканальных структурах путем ограничения фазовой плотности пучка на входе. Однако это требование накладывает существенное ограничение на величину ускоряемого тока, и преодолеть его традиционными средствами в одноканальных ускорителях невозможно без уменьшения эффективности ускорения. Переход же к многоканальным УС позволяет обойти это ограничение.
Третья проблема решается путем достижения величины предельного тока в каждом отдельном канале с дальнейшим их сложением и получением высокого значения величины фазовой плотности пучка и увеличением яркости пучка по сравнению с одноканальными структурами. Так, например, для увеличения тока в одноканальном варианте в "п" раз, необходимо увеличить в -Jn радиус пучка, однако при этом фазовая плотность пучка не изменится, а яркость уменьшиться в "п" раз [182]. Для многоканального ускорителя увеличение тока происходит не с увеличением радиуса пучка, а обеспечивается сложением пучков [182].
Первый метод сложения пучков состоит в том, что при возрастании энергии ограничения по пространственному заряду ослабевают, и при достижении определенной энергии сильноточные пучки можно сложить [9].
Другой метод сложения заключается в использовании сильной поперечной фокусировки. Так можно применить квадруполи из постоянных магнитов, диполи и некоторые элементы с совмещенными функциями для сведения пучков, а также RFQ систему [3].
Решение этих трех проблем делает предпочтительными многоканальные по сравнению с одноканальними УС.
Возникает существенный и принципиальный вопрос об инжекции пучков и их фокусировке в начальной части ЛРУ ионов, т.к. проблемы инжекции и фокусировки в многоканальных ускорителях являются сложными, которые и сдерживали прогресс в создании многоканальных ускорителей. Однако развитие методов фокусировки с использованием ускоряющего ВЧ поля, таких как фазопеременная фокусировка (ФПФ) [4], пространственно однородная ВЧ фокусировка (ПОВЧФ) [5], высокочастотная квадрупольная фокусировка [5] и фокусировка полем быстрой волны [6], позволяет успешно решить проблему радиальной устойчивости при переходе к многоканальному режиму ускорения.
Например, в ряде уже разработанных конструкций УС показана возможность использования ВЧ полей для обеспечения одновременной радиальной и фазовой устойчивости нескольких параллельно ускоряемых пучков. В частности, при создании ускорителя MEQALAC, с фокусировкой электростатическим полем, было предложено [7] ускорение всех пучков осуществлять в общих полях, а их транспортировку — в индивидуальных каналах, образованных многоапертурными электростатическими квадруполями, а также для того, чтобы получить увеличение яркости пучка [8], необходимо заполнять соответствующую апертуру при наименьших начальных скоростях и наибольших возможных частотах при использовании малых апертур.
Отличительной особенностью многоканальных ускорителей по сравнению с одноканальными вариантами ускорителей является обеспечение идентичных условий взаимодействия ускоряемых пучков с ВЧ полем в пространственно разнесенных каналах. Выбор длины волны X и размеров ускоряющих электродов позволяет добиться необходимо допустимой степени однородности распределения ускоряющего поля.
При конструировании многоканальных ускоряющих структур (МУС) необходимо учитывать не только влияние ВЧ компонент поля, требуемую степень равномерности которых можно обеспечить, например, выбором длины волны X, но и искажения, вносимые конструктивными элементами, а также взаимное влияние пучков друг на друга [182].
В заключении можно сформулировать ряд необходимых требований, которые предъявляются к ЛРУ тяжелых ионов на энергию до 10-20 МэВ и к ускорительным комплексам, построенным на их основе [2]:
Повышение эффективности ускоряющих структур.
Повышение темпа набора энергии в УС.
Возможность совмещения фокусирующих и ускоряющих функций в одной структуре.
Снижение потребляемой ВЧ мощности.
Обеспечение минимальной площади, занимаемой ускорителем.
Использование низковольтной энергии инжекции (не более 50-100 кэВ).
Создание ускоряющих и транспортирующих систем с коэффициентом прозрачности, близким или равным единице.
В связи с вышеуказанными требованиями к многоканальным и одноканалъным ускорителям, в диссертации по данной теме были исследованы УС многоканального типа на основе резонансной системы с использованием токопроводящих колец (ТК) работающая в диапазоне частот от 50-160 МГц.
Диссертация содержит результаты многолетних работ по созданию, исследованию многоканальных ускоряющих структур на малые энергии с использованием электромагнитного поля (ЭМП) типа Н2ц.
Предложена новая УС для ускорения ионов, защищенная патентом [15].
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Первая глава посвящена выбору и анализу работы многоканальных ускоряющих структур. Рассмотрены одноканальные, многоканальные ЛРУ ионов на энергии до 20 МэВ и обоснован выбор электромагнитного поля для МУС и ММУС. Представлены различные виды фокусировки пучков ускоренных частиц, которые используются в приведенных типах ускорителей. Показаны достоинства и ограничения при создании ЛРУ инов с использованием ускоряющих Н-структур. Приведены особенности многоканальных ускоряющих структур, такие как: инжекция и фокусировка, выбор длины волны, определение длины ускоряющей секции, идентичность условий ускорения параллельных пучков, эффективность УС.
Вторая глава посвящена разработке и методу расчета МУС и ММУС. Описана конструкция УС и приведен принцип ее действия. Проведен аналитический расчет, в результате которого была предложена методика расчета многоканальных структур, используя предложенную эквивалентную схему были получены основные электротехнические параметры УС, нагруженной токопроводящими кольцами (ТК) с одним, двумя кольцами трубок дрейфа (ТД), и построены основные дисперсионные характеристики структуры.
Третья глава относится к численному моделированию предложенных УС с заданной геометрией индуктивных элементов для определения структуры электромагнитного поля. Расчет проведен с использованием пакета программ MICROWAVE STUDI04.2. Приведены картины распределения поля и поверхностных токов в нагруженном емкостными и индуктивными элементами резонаторе.
Четвертая глава посвящена методике измерений ВЧ характеристик и оценке их погрешностей. Приведены результаты измерений ВЧ параметров, таких, как распределение электрического поля вдоль оси структуры, шунтовое сопротивление, добротность и резонансная частота структуры.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработанную конструкцию модифицированной МУС с АФПФ на основе резонатора штыревого типа с рабочей модой колебаний Н2п, для ускорения нескольких интенсивных пучков тяжелых ионов. Патент № 2183390 Р.Ф. г. Москва, 2001 г.
Результаты аналитического расчета ВЧ параметров МУС и ММУС с использованием ЭМП Н-типа таких, как шунтовой импеданс, резонансные частоты, добротность Q, время заполнения резонатора ВЧ мощностью То.
Результаты расчета суммарного тока в МУС и ММУС при заданном диаметре резонатора 40 см.
4. Результаты электромагнитного моделирования ускоряющих структур. В частности, получены зависимости распределения напряженности электрического поля Ez по ускоряющему зазору на оси канала и по радиусу в ускоряющем зазоре, собственные резонансные частоты УС, распределения поверхностных токов в структуре.
Результаты и данные экспериментальных работ по исследованию МУС и ММУС.
Результаты экспериментов и их сравнение с расчетными данными.
Предложенный вариант конструкции для юстировки МУС и ММУС.
В заключении подведены итоги работ.
Предложенную модель резонатора непосредственно можно применить в ускорителях тяжелых ионов при использовании их для производства фильтров, а также в активационном анализе [29,54,59]. Основные результаты перечисленных работ опубликованы в научных журналах как отечественной, так и в зарубежной литературе [17-28], представлены на научных сессиях МИФИ, на секциях по физике пучков и ускорительной технике, представлены в работах и защищены патентом [15].