Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительный прогресс в последние два десятилетия достигнут в создании линейных и рециркуляционных ускорителей электронов непрерывного действия, основанных как на технологии нормальнопроводящих, так и сверхпроводящих ускоряющих структур. Ускорители электронов непрерывного действия находят широкое применение в ядерно-физических исследованиях и весьма перспективны для применения в промышленности, медицине, экологии.
В области ядерной физики эти ускорители позволяют выйти на качественно новый уровень исследований благодаря следующим основным качествам пучка: 100% коэффициенту заполнения рабочего цикла, малому энергетическому разбросу пучка, достигающему 10'4 отн.ед., малому поперечному эмитгансу, возможности получения поляризованных пучков электронов.
При использовании ускорителей для технологических целей важную роль играют такие параметры, как экономичность, компактность, простота управления. Именно поэтому, электронные ускорители из общего числа используемых для технологических целей составляют около 70%. Их широкое применение связано с удобством их эксплуатации, надежностью, относительно небольшой стоимостью и высокой интенсивностью электронных пучков. Мощные линейные ускорители электронов непрерывного действия (ЛУЭНД) являются новым типом ускорителей для технологических целей. Они позволяют достичь соотношений энергии и мощности пучка, недоступных для ускорителей других типов. В перспективе именно ЛУЭНД могут быть использованы для решения задачи трансмутации элементов и переработки отходов ядерного топлива.
Рассмотрим основные проблемы, возникающие при создании нормальнопроводящего ЛУЭНД с большой мощностью пучка.
Во-первых, ввиду относительно низких напряженностей ускоряющего поля при работе в непрерывном режиме и из-за высокой средней мощности электронного пучка серьезную проблему представляет обеспечение эффективного захвата частиц в режим ускорения на начальном этапе и дальнейшего ускорения пучка с минимальными потерями.
Во-вторых, мощные ускорители требуют применения источников СВЧ-колебаний с высоким уровнем средней мощности и, как правило, могут быть реализованы только по схеме многосекционного ускорителя, каждая секция, которого питается от отдельного СВЧ-источника. Это требует создания сложной системы СВЧ-питания, учитывающей специфику непрерывного режима работы.
Таким образом, решение этих проблем, чему и посвящена данная работа, является основой для разработки линейного ускорителя электронов непрерывного действия с большим током пучка, который может быть предназначен как для научных исследований, так и для применения в разнообразных технологических процессах, требующих высокой мощности электронного пучка.
Целью работы является исследование и решение проблем, возникающих при создании мощного линейного ускорителя электронов непрерывного действия. Для этого было сделано следующее:
- проведено численное моделирование и экспериментальное
исследование процесса захвата электронов при ускорении в
многосекционном нормальнопроводящем ЛУЭНД;
создан и испытан двухсекционный ЛУЭНД на энергию 1.2 МэВ и мощность пучка 10 квт, являющийся экспериментальным прототипом более мощных установок;
проведено теоретическое обоснование и экспериментальное исследование нового метода фазирования секций мощного многосекционного ускорителя за счет взаимодействия пучка с ускоряющей структурой.
Научная новизна работы. Новизна работы заключается в том, что на основании предварительных расчетов и экспериментальных исследований впервые в нашей стране был разработан и создан двухсекционный линейный ускоритель электронов непрерывного действия с высокой средней мощностью пучка.
В процессе решения данной проблемы было проведено всестороннее экспериментальное исследование процесса ускорения непрерывного электронного пучка в секции с переменной длиной ячеек. Были получены экспериментальные
характеристики пучка на выходе ускорителя в зависимости от параметров установки. На основании этих данных и в результате сравнения их с расчетными были выбраны оптимальная геометрия и оптимальные параметры установки, обеспечивающие максимальный коэффициент захвата электронов в режим ускорения.
Новизна работы заключается также в том, что теоретически обоснован и экспериментально проверен новый принцип построения системы СВЧ питания многосекционных ускорителей, основанный на фазировании ускоряющих секций, работающих в автоколебательном режиме, за счет взаимодействия пучка с ускоряющей структурой.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что ее результатом стало создание двухсекционного ускорителя электронов на энергию 1.2 МэВ и мощностью пучка до 10 кВт. Этот ускоритель может быть использован для различных радиационных технологий, таких как дезинсекция, стерилизация, модификация полимеров и др. Еще большую значимость имеет тот факт, что на основе проделанной работы имеется возможность создания линейных ускорителей непрерывного действия с энергией пучка 10 МэВ и выше и мощностью пучка в единицы МВт.
Кроме того, в рамках данной работы был предложен и экспериментально проверен новый принцип построения системы СВЧ питания многосекционного ускорителя электронов с большим током пучка. Этот вариант системы СВЧ питания может быть использован не только для ЛУЭНД, но и для импульсных ускорителей с длиной импульса превышающей десятки микросекунд. Однако наиболее перспективно применение данного варианта для сверхмощного ускорителя непрерывного действия.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации получены либо самим автором, либо при непосредственном его участии.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:
Particle Accelerator Conference (Вашингтон, 1993).
14-ом Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных
частиц (Серпухов, 1994),
4-th European Particle Accelerator Conference (London, 1994),
International Linac Conference (Tsukuba, Japan, 1994),
Particle Accelerator Conference and International Conference on
High-Energy Accelerators (Dallas, Texas, 1995).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 128 страниц, она включает в себя 47 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 58 наименований.
