Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Разрезные микротроны импульсного действия на энергию электронов
50-ЮОМэВ. 9
L. 1. Обзор схем импульсных разрезных микротронов. 10
Обзор импульсных разрезных микротронов на энергию 50 - 100 МэВ. 18
Особенности импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. 27
Глава 2. Численное моделирование динамики пучка импульсного разрезного
микротрона. 31
Параметры разрезного микротрона. 3 1
Система инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона. 33
Фазовое движение в разрезном микротроне. 39
Устройство сдвига фазы пучка на 1-ой орбите. 45
Динамика пучка в фазовращателе. 46
Фазовое движение в разрезном микротроне с фазовращателем пучка на Ь ой орбите. 52
2.5. Поперечное движение частиц в разрезном микротроне. 59
Глава 3. Основные элементы импульсного разрезного микротрона на энергию
электронов 70 МэВ. 79
3.1. Экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения пучка
разрезного микротрона. 79
3-1.1. Электронная пушка и группирователь. 81
Фокусирующие линзы на постоянных магнитах и а-магнит. 83
Ускоряющая структура. 87
СВЧ-система. 90
Система диагностики пучка. 95
Определение коэффициента захвата. 97
Измерение энергетического спектра пучка. 100
Измерение эмиттанса пучка. 102
Поворотные магниты. 109
Квадрупольные триплеты на постоянных магнитах. 114 Глава 4. Сборка и запуск импульсного разрезного микротрона. 116
Вакуумная система и конструкция разрезного микротрона. 116
Высоковольтное питание клистрона и электронной пушки. 122
Методика оптимизации пучка на орбитах разрезного микротрона и основные результаты запуска ускорителя. 124
Заключение 132
Список литературы 135
Введение к работе
Настоящая работа основана на результатах полученных при разработке, создании и запуске импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ [1-3]. Целью данного проекта было создание компактного ускорителя электронов для системы идентификации короткоживущих изотопов с периодом полураспада Г|/2«20 мсек. Для этого необходим пучок электронов для
получения фотонов тормозного излучения в достаточном количестве и с энергией, позволяющей определить, например, концентрацию изотопов ljC, 14N и О, входящих в состав наркотических и взрывчатых веществ. Так энергия электронов для идентификации изотопа С составляет около 30 МэВ, NN - 50 МэВ, 160 - 70 МэВ. Классические ускорители электронов такие, как синхротрон и бетатрон, не подходят для решения данной задачи, так как средний ток пучка на выходе этих ускорителей при коэффициенте заполнения з несколько процентов очень мал. Использование линейного ускорителя также затруднено из-за невозможности достижения требуемой энергии без значительного увеличения габаритных размеров. Для того чтобы получить импульсы электронного пучка, имеющие длительность несколько микросекунд, с током в несколько десятков миллиампер в импульсе и периодом повторения несколько десятков герц с энергией 70 МэВ при использовании обычных ускоряющих структур с градиентом 15 МэВ/м длина ускорителя будет 5 м при подводимой мощности СВЧ более чем 14 МВт. Уменьшение длины линейного ускорителя ведет к увеличению потребления СВЧ мощности и уменьшению
5 КПД. При этом габаритные размеры установки не изменяются, так как системы
СВЧ и высоковольтного питания становятся еще больше. Увеличенное
электрическое поле повышает вероятность пробоев в ускоряющей структуре.
Невозможность быстрого изменения энергии пучка при сохранении требуемых
параметров также является одним из основных ограничений в использовании
линейных ускорителей.
Иная ситуация с разрезным микротроном [33, 34], в котором электронный
пучок увеличивает свою энергию за счет многократного прохождения через
линейный ускоритель. При этом СВЧ мощность, затрачиваемая на создание
ускоряющего поля, уменьшается в N раз по сравнению с линейным
ускорителем, где N — число прохождений пучка через линейный ускоритель
разрезного микротрона. Неизменной остается СВЧ - мощность, идущая на
нагрузку тока пучка. Таким образом, очевидны преимущества использования
разрезных микротронов для создания компактных ускорительных установок. А
именно, за счет применения рециркуляции заряженных частиц удается
получить ускоренный пучок требуемой энергии с высокими параметрами при
заметном уменьшении габаритных размеров, энергопотребления и стоимости
по сравнению с остальными типами ускорителей.
Цель настоящей работы:
численное моделирование динамики пучка импульсного разрезного
микротрона на энергию электронов 70 МэВ,
экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения
разрезного микротрона,
конструирование и сборка разрезного микротрона,
физический пуск и настройка ускорителя. Актуальность работы: заключается в том, что в настоящее время возрос интерес к ускорителям электронов с энергиями частиц до 100-150 МэВ, которые используются как в научных исследованиях, так и в разнообразных технологических процессах, где важны компактность установки и высокий ток пучка.
Научная новизна работы: заключается в том, что создан импульсный разрезной микротрон при использовании ряда новых разработок таких, как поворотные магниты на основе редкоземельных постоянных магнитов, инжекция пучка через компактный а-магнит, также созданный на основе постоянных магнитов. Впервые в системе ускорения разрезных микротронов применяется призматическая бипериодическая ускоряющая структура (ГТБУС) со свойствами СВЧ квадрупольной линзы. Впервые реализована система фазовой коррекции пучка на 1-ой орбите. На защиту выносятся:
результаты численного моделирования динамики пучка
импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70
МэВ,
результаты экспериментального исследования системы инжекции и
ускорения разрезного микротрона,
7 методика экспериментальных исследований, позволившая
осуществить физический пуск импульсного разрезного микротрона
на энергию электронов 70 МэВ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе дан обзор существующих разрезных микротронов импульсного действия на энергию электронов до 100 МэВ. Указано, какое место занимает рассматриваемая работа в данной области ускорительной техники. Изложены основные проблемы, возникающие при создании разрезных микротронов.
Вторая глава посвящена численному моделированию динамики пучка импульсного разрезного микротрона. В ней сформулированы основные требования, предъявляемые к параметрам пучка ускорителя, а также выполнен анализ динамики пучка в разрезном микротроне и его основных системах. Представлены результаты расчетов.
Третья глава диссертации посвящена основным элементам импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ таким, как электронная пушка, соленоид ал ьные линзы на постоянных магнитах, а-магнит, ускоряющая структура, поворотные магниты, квадрупольные триплеты и квадрупольная линза. В данной главе также представлено экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения пучка разрезного микротрона. Приведено описание стенда для испытания ускоряющей секции при высоком уровне вводимой СВЧ мощности. Представлены результаты измерений основных
8 параметров пучка на выходе ускоряющей структуры, таких как коэффициент
захвата линейного ускорителя, энергетический спектр и эмиттанс.
В четвертой главе рассматриваются требования, которые предъявляются к конструкции разрезного микротрона. Приведено описание вакуумной системы ускорителя, фазовращателя пучка на 1-ой орбите, поворотных магнитов. Рассмотрены системы высоковольтного питания электронной пушки и клистрона. Приведены результаты физического пуска импульсного разрезного микротрона. Описана методика оптимизации пучка на орбитах ускорителя и приведены результаты настройки.
В заключении изложены основные результаты диссертации.
Результаты диссертации докладывались на: European Particles Accelerator Conference (Vienna, May'2000), Particles Accelerator Conference (Chicago, June'2001), Ломоносов'2000 (Москва, 2000), Beam Dynamics Optimization (Саратов, 2001), «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2001, 2002, 2003).
