Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Глава 1. Многосекционный ускоритель
с рециркуляцией пучка электронов 13
1.1 Блок-схема и функционирование
основных элементов ускорителя 13
1.2 Система с.в.ч.-питания 24
Глава 2. Магнитное зеркало, оптика
и динамика пучка ускорителя 33
Выбор конфигурации магнитного зеркала 33
Описание магнитного зеркала 35
Расчеты динамики пучка ускор ителя 41
Система юстировки магнитного зеркала 51
Глава 3. Синхронизация систем с.в.ч.-питания
многосекционного ускорителя 53
Обоснование исследования системы синхронизации 53
Принцип синхронизации автоколебательной системы 55
Система синхронизации секции ускорителя 56
Качественный анализ функционирования
ускоряющей системы 64
Глава 4. Настройка и экспериментальные исследования
систем ускорителя 71
Настройки инжектора ускорителя 71
Настройка рециркуляционного
ускорителя с магнитным зеркалом 73
4.3 Экспериментальное исследование
синхронизации автоколебаний 76
4.4 Измерение параметров магнитного
зеркала на пучке электронов 82
Заключение 85
Список литературы 87
Введение к работе
Ускорители электронов стали создаваться в Советском Союзе в конце сороковых годов и применялись главным образом в области фундаментальных исследований. Одновременно тогда же была показана возможность эффективного применения ускорителей электронов для решения целого ряда прикладных задач [1]. Это дало толчок для бурного развития ускорителей специального назначения, применяемых в промышленности и медицине, работающих в диапазоне энергий от единиц до десятков МэВ. Такие приложения потребовали большого спектра токов/мощностей электронного пучка (см. рис. 1) [2].
Рис. 1. Требуемые параметры электронного пучка для ряда промышленных технологий.
1- закалка стали, 2 - стерилизация и дезинфекция, 3 - плавление металлов, 4 - очистка сточных вод и промышленных газов.
Однако до настоящего времени существует значительный разрыв в ряду ускорителей, не позволяющий в полной мере охватить весь диапазон энергий
и мощностей, востребованных в науке и технике. С одной стороны, импульсные ускорители электронов, позволяющие достигать энергий десятки МэВ, имеют существенные ограничения по максимальному среднему току и, следовательно, мощности пучка [3, 4]. С другой стороны, ускорители прямого действия с большими значениями токов/мощностей имеют технические и конструкционные ограничения по максимальной энергии пучка электронов, определяемые величиной порядка 1-3 МэВ (см. рис. 2) [5, 6].
Мощность пучка, «Вт
*
Рис. 2. Соотношение энергии и мощности для существующих и проектируемых
ускорителей электронов. 1 - высоковольтные трансформаторы, 2 - динамитроны, 3 - импульсные ускорители.
Поэтому в последние десятилетия активно предпринимаются шаги для создания ускорителей электронов в интервале энергий 5-10 МэВ с высоким средним током пучка. Одной из удачных попыток решения вышеназванной проблемы является родотрон - ускоритель, созданный в сотрудничестве учёных Франции и Бельгии. Они применили оригинальный подход к реализации известной идеи [7], создав ускоритель на отрезке коаксиальной линии и многократно проведя через неё с помощью поворотных магнитов пучок заряженных частиц [8, 9]. Однако данная машина по своим
конструкционным характеристикам не перекрывает весь требуемый диапазон энергий/мощностей и к тому же имея значительные размеры.
Между указанными выше классами ускорителей удачно вписывается линейный ускоритель электронов непрерывного действия. Ему доступен диапазон энергий до 10 МэВ при высоком среднем токе пучка до десятков или даже сотен мА. Единственным препятствием на пути применения линейных ускорителей непрерывного действия является их большая длина: примерно 1.5 - 2 м на 1 МэВ прироста энергии, учитывая систему ввода, фокусировки и коррекции траектории пучка электронов [10 - 12]. При этом следует учесть, что данные ускорители должны размещаться компактно и желательно должны быть рассчитаны на монтаж в заранее неприспособленных помещениях. Такие повышенные требования предъявляются не только к габаритным размерам ускорителей с указанными выше параметрами, но и к их экономичности.
Вышеприведённые требования практически исключают возможность применения классического линейного нормально проводящего ускорителя непрерывного действия для достижения энергий порядка 10 МэВ со средним током пучка до десятков миллиампер. При стандартном темпе набора энергии около 1 МэВ/м длина ускорителя будет колебаться от 15 до 20 метров, а затраты энергии только для функционирования его различных систем превысят соответственно 0.5 МВт.
Увеличение темп прироста энергии пучка заряженных частиц на величину более чем 1 МэВ/м и, как следствие, сокращение длины самого линейного ускорителя сопряжено с квадратичным ростом с.в.ч.-мощности, затрачиваемой на создание ускоряющего поля. Определенная экспериментально предельная величина потерь с.в.ч.-мощности в стенках ускоряющих структур на единицу длины линейного ускорителя, ограниченная, в основном, пределом прочности материалов, из которых изготовляются секции имеет значение порядка 200 кВт/м [3]. Максимальной прирост энергии (в нормально проводящем линейном ускорителе электронов
непрерывного действия) может достигать значения порядка 4 МэВ/м. [13], что целесообразно только при создании ускорителей с мощностью пучка в сотни киловатт (рис. 3).
О 100 200 300 400
С.ач. - моцрссть, потребляемая ускорителем, кВт
Рис.3. Диапазон возможных соотношений энергии электронного пучка и суммарной С.В.Ч.-МОЩНОСТИ потребляемой линейным ускорителем непрерывного действия при
различных темпах набора энергии. 1 - с.в.ч.-мощность, рассеиваемая в стенках ускоряющих секций, соответствующая различным темпам набора энергии пучком электронов, 2 - суммарная с.в.ч.-мощность, потребляемая ускорителем, включая мощность электронного пучка.
С учётом вышеизложенного были выбраны другие пути решения проблемы уменьшения габаритов ускорителей. Одним из них является увеличение энергии пучка в ускорителях электронов непрерывного действия и повышение его эффективности за счет многократной рециркуляции пучка через линейный ускоритель. Наиболее простой схемой является разрезной микротрон, где число повторных прохождений пучка через ускоряющую структуру в одном направлении может составлять несколько десятков [14, 15]. Однако создание рециркуляционного ускорителя электронов по принципу разрезного микротрона на энергии до 10 МэВ сталкивается с рядом
трудно разрешимых проблем, главными из которых являются обход ускоряющей структуры пучком электронов на первой орбите (проблема первой орбиты) и создание сложной системы инжекции пучка. Следует отметить, что хотя микротроны и бетатроны имеют меньшие габариты и стоимость, чем линейные ускорители, рассчитанные на ту же энергию, мощность получаемого пучка, как правило, на порядки меньше, чем у промышленных линейных ускорителей [1].
Поэтому, для ускорителей на энергию до 10 МэВ оптимальной является схема, предложенная А.А. Коломенским в 1967 году. В работе [16] указана возможность создания ускорительных систем, которые позволяли бы получать на линейных ускорителях электронов энергию, в несколько раз большую той, на которую они номинально рассчитаны, при сохранении высокой средней мощности электронного пучка. Возможность реализации таких систем, которые им были названы линотронами, основана на особенностях динамики пучка частиц в линейных ускорителях на стоячей волне, представляющей собой суперпозицию волн, бегущих в противоположных направлениях. В случае ускорения частиц, обладающих релятивистскими энергиями, резонансная ' ускоряющая волна распространяется в данной структуре со скоростью, равной скорости света, а структура линейного ускорителя по всей длине неизменна (р=1). Это приводит к двум важным свойствам релятивистского линейного ускорителя, на которые долгое время не обращали должного внимания: во-первых, можно одновременно ускорять частицы, имеющие различные релятивистские энергии (ахроматичность линейного ускорителя); во-вторых, можно ускорять частицы в обоих направлениях как поочередно, так и одновременно (симметрия линейного ускорителя). Свойства ахроматизма и симметрии позволили расширить применение линейных ускорителей в различных вариантах, один из которых так называемый «возвратный линотрон» и рассматривается в данной работе.
Возвратный линотрон представляет собой линейный ускоритель, с одной стороны которого устанавливается магнитное зеркало, состоящее из поворотного магнита с постоянным во времени полем и системы фокусировки. Этот магнит невелик по сравнению с размерами самого ускорителя, но существенно сокращает длину последнего, сохраняя при этом его основные характеристики. Предложенная схема, позволяет сократить длину линейного ускорителя приблизительно в 1.5-2 раза. Следует отметить, что при этом можно получить заметное снижение затрат мощности, потребляемой ускорителем, на величину ~ 30 - 50%, существенно увеличить к.п.д. и значительно снизить его стоимость.
Одной из основных особенностей ускорителей электронов непрерывного действия является относительно малый пространственный заряд сгустков электронов при большом среднем токе пучка. Данное обстоятельство позволяет использовать протяженные системы формирования эмиттанса без существенного роста его величины, вызываемого нелинейными эффектами пространственного заряда сгустка пучка. Это дает возможность получить пучок большой средней мощности, что недостижимо для импульсных ускорителей при энергиях до десятков МэВ. Следует также отметить, что в ускорителях непрерывного действия отсутствует ряд проблем, связанных с переходными процессами, которые существуют в импульсных ускорителях при вводе мощности, этот факт является основным для достижения большей стабильности ускоряющего поля и, следовательно, монохроматичности пучка.
Решение проблемы ввода высокочастотной мощности и одновременное упрощение схемы высокочастотного питания для односекционного ускорителя стало возможным за счет использования режима автоколебаний [17, 18]. Для многосекционного ускорителя реализация автоколебательной схемы потребовала ещё и решения проблемы - создание простой и надежной системы синхронизации и фазирования с.в.ч.-полей в ускоряющих структурах.
Ранее в НИИЯФ МГУ был проведён ряд исследований, позволивших смоделировать один из возможных способов фазирования ускоряющих автоколебательных систем пучком с высоким средним током (десятки мА) [19-23].
В настоящей работе описан компактный и простой в эксплуатации многосекционный ускоритель с магнитным зеркалом, имеющий три окна для вывода пучков различной энергии. На нём апробированы все основные узлы и элементы, позволяющие создать компактный ускоритель непрерывного действия с высоким средним током пучка электронов [24].
Разработка и реализация данного проекта были выполнены в НИИЯФ МГУ в рамках работ по созданию компактного ускорителя электронов непрерывного действия и поддержана грантом РФФИ № 98-02-17038 1998/99 год.
ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ: разработка, создание и физический пуск многосекционного ускорителя с магнитным зеркалом и рециркуляцией пучка электронов, являющегося источником прецизионного пучка с набором энергий от 0.6 до 2.3 МэВ для экспериментов в области ядерной физики и прикладных исследований, а также апробирование нового метода с.в.ч.-питания и фазирования секций ускорителя.
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ связана с возрастающей потребностью в создании компактных и надежных ускорителей электронов непрерывного действия высокой интенсивности. Создание таких ускорителей позволит реализовать качественно новые эксперименты в области ядерной физики, расширит область применения ускорителей электронов, позволит увеличить число потенциальных пользователей в области промышленных радиационных технологий, ввиду простоты управления, повышенной надежности и относительной компактности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в разработке и реализации новой схемы с.в.ч.-питания и системы синхронизации с.в.ч.-полей в ускорителях. Создании компактного магнитного зеркала простой конструкции.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ: создан компактный ускоритель электронов, - прототип сильноточного ускорителя, апробирована система синхронизации нескольких ускоряющих структур, испытан новый тип магнитного зеркала.
Полученный пучок электронов используется для проведения экспериментов в области ядерной физики и прикладных исследований.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:
Результаты численного моделирования динамики пучка электронов в рециркуляционном ускорителе с магнитным зеркалом и системой развязки встречных пучков.
Конструкцию, методику экспериментальных исследований и результаты настройки магнитного зеркала.
Методику настройки линейного ускорителя, позволившую осуществить его физический пуск и получить на выходе пучок электронов с заданными параметрами.
Принцип фазирования автоколебательных с.в.ч.-систем многосекционных ускорителей и результаты экспериментального исследования нового метода фазирования.
Модель расчёта автоколебательных систем при подмешивании синхронизирующего сигнала малой мощности.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения.
В первой главе рассмотрена конструкция трехсекционного ускорителя электронов с рециркуляцией пучка, а также функционирование его основных элементов и систем. Описана система высокочастотного питания многосекционного ускорителя.
Вторая глава посвящена выбору конфигурации магнитного зеркала и разработке систем его контроля и юстировки. Описана методика отладки функционирования магнитного зеркала. В ней также рассматривается моделирование динамики пучка (с учетом дисперсии) и требуемой оптики магнитного зеркала. Приведён расчет динамики пучка и оптики ускорителя.
В третей главе рассмотрен принцип построения системы с.в.ч.-питания многосекционных ускорителей электронов, основанный на фазирование секций ускорителя, работающих в автоколебательном режиме, за счет синхронизации внешним сигналом. Построена модель фазирования секций ускорителя, работающих в автоколебательном режиме. Показано, что данный метод заметно упрощает процесс эксплуатации систем с.в.ч.-питания ускорителей. Определены критерии и условия наиболее эффективного использования данного метода синхронизации.
В четвёртой главе описана методика настройки ускорителя и выбора оптимальной ускоряющей фазы, как для прямого, так и для обратного пучка. Приведены результаты экспериментальных исследований системы с.в.ч.-питания и подтверждена правильность основных положений модели. Приведены результаты экспериментальных исследований магнитного зеркала, подтвердившие правильность сделанного выбора.
В заключении сформулирован основной результат диссертации, которым явилось создание ускорителя электронов с магнитным зеркалом и оригинальной системой с.в.ч.-питания.
