Динамика пучков с высокой яркостью в линейных ускорителях электронов, предназначенных для генерации излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Ключевская Юлия Денисовна

• Ключевская Юлия Денисовна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Ключевская Юлия Денисовна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 БИПЕРИОДИЧЕСКАЯ УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С 23 РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ 27 ГГЦ

1.1 Общий подход к оценке электродинамических характеристик

1.2 Моделирование и оптимизация структуры с рабочей частотой 2 5 27 ГГц

1.3 Анализ дисперсионных характеристик для различных

резонансных моделей

1.4 Моделирование структуры с вводом мощности

1.5 Расчет вариационных характеристик

1.6 Требования к допускам на изготовление структуры

1.7 Призматическая ускоряющая структура с рабочей частотой 4 4 27 ГГц

1.8 Динамика частиц для ускорителя с рабочей частотой 27 ГГц

1.8.1 Электронная пушка

1.8.2 Динамика пучка электронов на группирующем участке

1.8.3 Динамика пучка частиц в основной части ускорителя

1.9 Выводы по главе 1 51 2 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУРАХ

2.1 Тепловые процессы в линейном ускорителе электронов на 53 энергию 10 МэВ и мощность пучка до 20 кВт

2.1.1 Система охлаждения со сквозными цилиндрическими 53 каналами в обечайке структуры

2.1.2 Система охлаждения с двойным коаксиальным кожухом

2.1.3 Конструкция с трубками и кожухом

2.2 Тепловые процессы в ЛУЭ на энергию 2 МэВ и мощность пучка 65 около 2 кВт

2.3 Система охлаждения БУС с рабочей частотой 27 ГГц

2.4 Выводы по главе

3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭМИТТАНСА ПУЧКА ВЫСОКОЙ ЯРКОСТИ И 74 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НАГРУЗКИ ТОКОМ ДЛЯ УСКОРИТЕЛЯ LUCX

3.1 ЭДХ 3,5-ячеечной ускоряющей структуры пушки

3.2 Моделирование динамики пучка ВЧ-пушки LUCX

3.3 Измерение поперечного эмиттанса

3.4 Влияние нагрузки током и собственного кулоновского поля

3.5 Выводы по главе

4 ОСОБЕННОСТИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 94 ДИНАМИКИ ПУЧКА В ВЧ-ПУШКАХ

4.1 Моделирование динамики пучка в RF-gun-v2 с фотокатодом для 95 сгустков с зарядом 250-300 нКл

4.2 Моделирование динамики пучка в RF-gun-v3 с термокатодом

4.3 Моделирование динамики пучка в оптимизированной версии 108 RF-gun-v4 с термокатодом

4.4 Основные результаты численного моделирования динамики 115 пучка в фотопушки ускорителя-инжектора на 6-7 ГэВ

4.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика пучков с высокой яркостью в линейных ускорителях электронов, предназначенных для генерации излучения»

Актуальность и степень проработанности работы

На сегодняшний день линейные резонансные ускорители электронов ЛУЭ популярны, на энергиях порядка МэВ занимают второе место, уступая лишь ускорителям прямого действия. Среди преимуществ линейных резонансных ускорителей электронов можно отметить возможность получения высоких значений энергии и яркости пучка, особенно при коротких импульсах; компактность конструкции и надежность работы установки. Эффективность процесса ускорения в линейном ускорителе позволила рассматривать его как источник мощного потока ионизирующего излучения. Это обусловлено возможностью простыми средствами преобразовать быстрые электроны в поток гамма -квантов или нейтронов. В этом качестве линейные ускорители имеют существенные преимущества перед изотопными установками.

Область применения ЛУЭ весьма широка и все время расширяется как в связи с совершенствованием конструкции ускорителей, улучшением параметров ускоренного пучка, так и с появлением новых задач, которые могут быть решены только на базе таких установок. Традиционные области использования ЛУЭ в прикладных целях - лучевая терапия злокачественных новообразований, неразрушающий контроль толстостенных металлических материалов, активационный анализ, радиационные технологии и стерилизация [1].

Идея использования лучевой терапии в рамках операции появилась в

начале 19 века, когда в 1909 году с целью был впервые был использован

рентгеновский аппарат [2]. Данная технология оказалась эффективной при

лечении поверхностных новообразований. Ввиду невысокой проникающей

способности, рентгеновское излучение теряет эффективность при

увеличении глубины расположения опухоли; в противном случае,

возможно серьезное лучевое поражение здоровых тканей, лежащих между

5

новообразованием и источником излучения. Поток гамма-квантов с энергией 100-180 кэВ, который может генерироваться электронно-лучевой трубкой, не позволяет решит одну из важных задач интраоперационной лучевой терапии - облучение крупных опухолей размером более 3 см. В 1967 году в работе [3] было впервые предложено использовать ускоритель электронов для этой цели. Использование электронных пучков МЭВ-ной энергии, имеющих небольшой энергетический разброс, позволяет за короткие времена подвести к тканям гомогенную дозу. Электроны быстро замедляются в тканях, что дает возможность сконцентровать максимальную дозу облучения в опухоли при существенном уменьшении дозы за опухолью по сравнению с рентгеновской трубкой. Снизить воздействие на здоровые ткани, расположенные глубже ложа опухоли, можно уменьшить, подбирая энергию электронного пучка, соответствующую необходимой глубине облучения. Для ИОЛТ используют ЛУЭ на энергию до 15 МэВ [4].

Изначально для ИОЛТ и дистанционной лучевой терапии одни и те же установки. По мере эволюции ускорителей для лучевой терапии применялись как ЛУЭ, так и микротроны и бетатроны. Например, в МНОИ им. П.А. Герцена использовался микротрон. В настоящее время для ИОЛТ используют в основном специально разработанные компактные ЛУЭ, габариты которых позволяют установить их непосредственно в операционной [5-7]. Также ЛУЭ имеют значительно меньший фон тормозного излучения по сравнению с другими типами ускорителей (например, бетатронами или микротронами).

В мире специализированные ЛУЭ для ИОЛТ производит несколько небольших компаний, таких, как «Olimpus» (Италия) и IntraOp (США), также подобный ускоритель присутствует в линейке компании Siemens. Ускоритель NOVAC-11 фирмы «Olimpus» представляет собой напольный ЛУЭ на энергию электронов до 9 МэВ, который монтируется непосредственно в операционной [8].

Ускоритель ШгаОр МОББТЯОК [9] представляет собой первый мобильный ЛУЭ для ИОЛТ на энергию до 12 МэВ. , Он оснащается встроенной биологической защитой и может использоваться для проведения ИОЛТ в условиях обычной операционной [10].

В мире сегодня эксплуатируется более 250 установок, которые позволяют облучать опухоли даже в труднодоступных местах, а также проводить рентгенохирургические операции по дистанционному удалению опухолей с использованием узконаправленного потока излучения. Такие установки получили название «кибер-нож». Основные производители таких установок - это компании Лссигау и Уапап. Фирма Уапап производит ускорители типа СНпас 2100, СНпас 2400, СНпас 2600, СНпас 6ЕХ, СНпас 2900 [11] на основе бипериодических ускоряющих структур на энергии 4, 6, 12, 18 МэВ. Наибольшее распространение такие установки получили в операционных комнатах больничных учреждениях Соединённых Штатов, Японии, и стран Евросоюза.

Общий вид установки «кибер-нож» компании «Лссигау» в операционном кабинете представлен на рисунке В.1.

Технология «кибер-нож» состоит в облучении опухоли тонким сфокусированным лучом под разными углами. Этот метод называется «стереотаксическая радиохирургия».

Таким образом, - здоровые ткани обучаются лишь часть времени, и успевают регенерировать, в то время как опухоль - постоянно, и находятся в ситуации «накопления эффекта облучения».

В радиохирургии решающее значение имеет точность облучения. Существует проблема смещения пациента во время лечения, которую разработчики «кибер-ножа» смогли решить. Результаты экспериментов показали, что точность позиционирования «кибер-ножа» составляет около 0,5 мм, причем облучение оказывается конформным (т.е. облучение, при котором достигается совпадение края опухоли с облучаемой областью с заданной точностью).

Рисунок В.1 - Установка «кибер-нож» компании Accuray в операционном кабинете, 1 - источник рентгеновских лучей, 2 - камера SYNCHRONY, 3 -линейный ускоритель LINAC, 4 - робот манипулятор, 5 - детектор

изображения [12]

Движения пациента, включая дыхание, не мешают установке «кибер-нож» точно доставлять пучки излучения к движущейся цели - опухоли, так как они отслеживаются специальной системой коррекции движения. Высокая точность «кибер-ножа» даёт возможность воздействовать на опухоль излучением большой дозы и при этом минимизировать воздействие на здоровые ткани вокруг неё [13]. Для реализации технологии «кибер-нож» необходимо воздействовать потоками излучения на опухоль, расположение которой и форма установлены максимально

точно [14]. При этом требуется онлайн мониторинг, осуществляемый посредством КТ или МРТ. Для минимизации облучения здоровых клеток, траектории, по которым проходит кибер-нож в ходе операции, уникальны.

Объем и доза облучения зависят от размера и сложности опухоли. Обычно длительность облучения составляет 45-90 минут воздействия. Пучки частиц приводят к разрушению клеток за счет высокой дозы радиации. Происходит разрушение ДНК опухолевых клеток без вреда для соседних здоровых тканей. Этот метод лечения не является экспериментальным и в некоторых странах оплачивается крупными представителями рынка медицинского страхования [15].

Увеличивая рабочую частоту резонатора возможно уменьшить габариты установки «кибер-ножа» до размеров, приемлемых для операционной комнаты. Обычно используются частотные диапазоны от 6 до 10 ГГц, но возможны также 17 и даже 30 ГГц [16]. Более 90 % всех работающих ускорителей для лучевой терапии работают в традиционном 3 ГГц диапазона, они работают как на бегущей, так и на стояче волне и применяются для 2D, 3D, конформной лучевой терапии. Используются также и установки, работающие в 6 и 10 ГГц диапазонах, 17 ГГц линейный ускоритель был предложен в [17-18]. Коротковолновый диапазон частот уже не нов и используется в ускорителях на несколько МэВ, например, в начальной версии проекта CLIC [19-21]. В CERN была разработана ускоряющая секция для «компактного линейного коллайдера» CLIC -структура с рабочей частотой 12 ГГц, вид колебаний 2п/3, имеющая 24 регулярные ячейки и две ячейки ввода мощности. Данная структура -шестая часть проекта исследования структур, работающих при 100 МВ/м градиенте при низкой частоте пробоев [22]. Методика настройки структуры, работающей в режиме бегущей волны с использованием распределения поля, полученного измерениями методом малых возмущений, представлена в работе [23]. Структуры 3 см диапазона

используются и в ускорителях для «кибер-ножа» компании Accuray и интраоперационном ускорителе фирмы Сименс.

В диссертации рассматривается возможность создания ЛУЭ медицинского назначения с рабочей частотой 30 ГГц диапазона [16]. Увеличение значения рабочей частоты позволит заметно уменьшить размеры и, соответственно, вес установки. Предлагается рассмотреть бипериодическую ускоряющую структуру, представляющую собой цепочку связанных ячеек, состоящих из периодически повторяющихся пар, содержащих ячейки с различными параметрами [24]. Бипериодические структуры на стоячей волне, работающие на виде колебаний я/2, были изучены многими авторами для прикладных линейных ускорителей электронов [25-28]. Именно на виде колебаний я/2 достигаются максимальные значения коэффициента связи и шунтового сопротивления. Для получения пучков электронов с нужными характеристиками можно использовать как установки, работающие на бегущей волне, так и резонансные системы на стоячей волне. Последние имеют ряд преимуществ: увеличенная амплитуда ускоряющего поля, соответственно, меньшие габариты установки и т.д. и используются как для ускорителей электронов, так и для ускорителей ионов. Все чаще используются сверхпроводящие ускоряющие структуры [28].

Можно оптимизировать форму ячейки классического круглого

диафрагмированного волновода с целью повышения шунтового

сопротивления. Обычный диафрагмированный волновод не является

эффективной ускоряющей структурой, если он работает в режиме стоячей

волны. Стоячую волну в ЛУЭ можно рассматривать как суперпозицию

двух волн, бегущих навстречу друг другу, причем в процессе ускорения

принимает участие та волна, фазовая скорость которой по значению и

направлению совпадает со скоростью частицы. Недостатками видов

колебаний ^=0 или ^=я являются равенство нулю групповой скорости и

вытекающее отсюда плохое частотное разделение этих видов колебаний с

10

соседними и, следовательно, нестабильность распределения ускоряющего поля по отношению к погрешностям изготовления и настройки, к нагрузке током, к нестабильности ВЧ-генератора.

Желательно иметь ускоряющую структуру, значение шунтового сопротивления которой было бы таким же высоким, как на виде колебаний п, а стабильность к возмущениям такой же высокой, как на виде колебаний п/2. Таким свойством обладает бипериодическая ускоряющая структура, работающая на стоячей волне и представляет собой диафрагмированный резонатор с двумя типами ячеек, половина из которых является ускоряющими, а половина - ячейками связи по магнитному полю. Ячейки связи обычно укорачиваются, а ускоряющие ячейки удлиняются при неизменной длине периода для увеличения темпа набора энергии. Так как электрическое поле в ячейках связи отсутствует, уменьшение длины не может привести к повышению вероятности возникновения пробоя. Развитием БУС является структура Нэпа [29], в которой ячейки связи на оси структуры перенесены на боковую поверхность обечайки.

Ускоряющие структуры для ЛУЭ традиционно изготавливают из бескислородной меди. Внутренние поверхности ячеек требуется обрабатывать с высокой точностью [27]. Ячейки (полуячейки) структуры изготавливаются отдельно, а затем собираются в структуру с помощью механического сжатия, пайки или сварки. Для обеспечения измерений и настройки на низком уровне мощности вполне достаточно соединить их с помощью механического сжатия. Для серийных промышленных ускорителей с большой мощностью ячейки спаиваются под давлением или свариваются. Ускоряющие ячейки для уменьшения коэффициента перенапряжения по электрическому полю и предотвращения возникновения мультипакторного разряда О - образную форму [30]. В БУС обеспечиваются хорошее разделение от соседних видов колебаний, типичное для вида колебаний п/2

Разработка бипериодических ускоряющих структур для электронных ускорителей была начата в 1970-х годах. Первые разработки ЛУЭ на стоячей волне в СССР были выполнены в МИФИ [30]. Ускорители серии РЭЛУС представляли собой классическую БУС со связью на оси структуры. Ускоряющая система РЭЛУС-1 включала в себя три секции с индивидуальным СВЧ питанием для каждой: группирователь с нарастающей фазовой скоростью и две идентичные ускоряющие секции с фазовой скоростью, равной скорости света. Система СВЧ питания ускорителя РЭЛУС-1 распределяла СВЧ мощность от одного магнетрона для питания трех.

В разрабатываемом ускорителе на энергию 6 МЭВ медицинского назначения предлагается использовать БУС на рабочей частоте 27 ГГц. Средний ток пучка в установках ИОЛТ и «кибер-ножах», составляет 20-40 мкА. Соответственно, при скважности около 0,4 %, которая может быть реализована в существующих СВЧ генераторов 30 ГГц диапазона, импульсный ток будет составлять 8-10 мА.

Важным вопросом при создании ЛУЭ в новом частотном диапазоне является выбор источника СВЧ питания. В Российской Федерации приборы на частоту около 30 ГГц разрабатываются, например, в ИПФ РАН [31]. Гиротроны ИПФ РАН достаточно сложны для применения в ЛУЭ, так как работают при длительности импульса сотни мкс, что существенно отличается от традиционного режима питания ЛУЭ [16]. Более традиционный режим работы имеют магнетроны разработки АО НПК «Плутон», однако на данный момент они дают примерно вдвое меньшую мощность, чем необходимо для ускорителя на 6 МэВ.

Важной задачей при разработке и создании ускоряющих структур

ЛУЭ является их термостабилизация. В противном случае могут

происходить существенные изменения геометрических размеров и, как

следствие, уход резонансной частоты секции. В ходе работы над

диссертацией были исследованы тепловые процессы в ЛУЭ, рассчитанных

12

на энергию и среднюю мощность пучка 10 МэВ и до 20 кВт соответственно, ускорителе на 2 МэВ и мощность пучка около 2 кВт, разработанных в НИЯУ МИФИ для НПП «Корад», а также в новой ускоряющей структуре для медицинского ускорителя, разработанной на частоту 27 ГГц [16].

В связи с растущим интересом к излучению ТГц и суб-мм диапазонов в КЕК (Япония) [32] был разработан и введен в эксплуатацию источник ТГц излучения на основе компактного ускорителя - ЬИСХ (Компактный Ондуляторный Лазерный источник рентгеновского излучения). Высокоградиентная СВЧ-пушка с фотокатодом и лазерная система дают возможность сгенерировать электронный сгусток длительностью несколько и даже десятки сотен фемтосекунд. В КЕК был предложен новый подход к получению интенсивных пучков в диапазоне 0,1-5 ТГц, основанного на когерентном излучения Смита-Парселла в «суперизлучающем» режиме электронного пучка с энергией 8 МэВ на ускорителе ЬИСХ [33]. Когерентное рентгеновское излучение Смита-Парселла генерируется, когда заряженные частицы движутся вблизи периодической сетки или решетки. Тип решетки и период можно выбрать для получения квазимонохроматического спектра. Излучение будет являться когерентным, когда его длина волны сравнима или больше чем длина сгустка [34-36]. Это активирует суперизлучающий режим, если интервал между микросгустками становится сравнимым с длиной волны излучения, которая, в свою очередь, сравнима с периодом решетки. Чтобы получить такой пакет микросгустков электронов, для СВЧ пушки ЬИСХ была разработана новая титан-сапфировая (Т1:Ба) лазерная система [37]. Другими перспективными способами являются нелинейные оптические процессы, возникающие, когда интенсивный лазерный луч взаимодействует с материальной средой и генерация коротких импульсов когерентного ТГц-излучения высокой яркости с использованием

ультракоротких электронных сгустков в компактном ускорителе -когерентное обратное комптоновское или томсоновское излучение.

Аналогичные установки, получившие в англоязычной литературе название Compact-XFEL (компактный рентгеновский лазер на свободных электронах) создаются и проектируются также в России, США, Италии, Индии, Германии и других странах [38-40].

В ходе работы над диссертацией был проведен анализ и представлены результаты численного моделирования динамики пучка высокой яркости для фотоинжектора LUCX с учетом нагрузки током, определен предельный заряд в сгустке, при котором не наблюдается влияние нагрузки током на динамику ярких сгустков. Также с помощью численного моделирования проверены результаты измерения эмиттанса фемтосекундного пучка высокой яркости.

В настоящий момент в CERN принято решение о дальнейшей проработке проекта будущего циклического коллайдера (Future Circular Collider, FCC) [41-43]. Цель FCC состоит в том, чтобы значительно увеличить значения энергии и интенсивности частиц с целью достижения энергии столкновения в системе центра масс по протонам 100 ТэВ и лептонам 350 ГэВ в поисках новых физических процессов. Проект CERN FCC представляет собой международную коллабоарцию более чем 70 институтов со всего мира, одним из которых является НИЯУ МИФИ. На разных этапах проекта планируется запуск нескольких режимов работы коллайдера. Сотрудники кафедры Электрофизических установок НИЯУ МИФИ принимают участие в проектировании линейного ускорителя-инжектора для лептонной версии CERN FCC-ee, а также в проведении численного моделирования динамики пучка. В ходе работы над диссертацией была рассмотрена возможность создания эффективного фотоинжектора для международной коллаборации Будущего циклического коллайдера.

В настоящее время в России «Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы» [44] идет разработка нескольких новых вариантов. В рамках данной ФНТП в НИЦ «Курчатовский институт» разрабатывается проект Специализированного источника синхротронного излучения (СИ) 4-го поколения (ИССИ-4, новое название «СИЛА»: «Синхротрон+Линак») Предполагается, что в состав источника СИ войдут два крупных ускорителя: накопительный синхротрон на 6 ГэВ и лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Предложено использовать один ЛУЭ на полную (top-up) энергию ~6 ГэВ. Проектное значение поперечного эмиттанса в накопительном кольце должно составлять 70-100 пм-рад. Для достижения такого рекордно малого поперечного эмиттанса предложено использовать магнитную структуру типа multiple-band-achromat (MBA). Данная структура (MBA) была предложена П. Раймонди для реконструкции European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Гренобль, Франция) для четвертого поколения (ESRF-EBS). ESRF является основным международным партнером проекта «СИЛА». Так как новый синхротрон, в отличие от ESRF-EBS, не ограничен длиной имеющегося тоннеля, для снижения величины поперечного эмиттанса длина орбиты основного накопителя проекта «СИЛА» составит около 1300 м, что позволит примерно вдвое снизить эмиттанс по сравнению с EBS. Так как для инжекции пучка электронов в накопительное кольцо «СИЛА» и в качестве драйвера сгустков высокой яркости для ЛСЭ предлагается использовать один ЛУЭ, то его необходимо оснастить двумя высокочастотными пушками, которые рассмотрены в диссертации. Для инжекции в основной накопитель предложено использовать форинжектор с термокатодом, для генерации драйверного пучка для ЛСЭ - фотопушку.

Целями данной работы являлись разработка компактной ускоряющей системы линейного ускорителя электронов 30 ГГц диапазона для комплекса лучевой терапии, оптимизация фотопушек для новых инжекторов комплекса Future Circular Collider и источника синхротронного излучения ИССИ-4 (СИЛА) НИЦ «Курчатовский институт», разработка систем термостабилизации ускоряющих структур.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка литературы, включающего 91 наименование. Общий объем диссертации составляет 131 страницу, включая 95 рисунка и 33 таблицы.

Во введении обсуждается актуальность выбора темы и состояние исследуемой научной области в настоящий момент времени, а также формулируются основные цели и задачи диссертации. Описываются научная новизна и практическая ценность результатов и приводятся положения, выносимые на защиту.

В первом разделе обсуждается электронная пушка, позволяющая сформировать пучок с малым первеансом, который может быть согласован с каналом малого диаметра такого ЛУЭ. Представлены результаты расчета и оптимизации электродинамических характеристик бипериодической ускоряющей структуры для аксиально-симметричного и призматического вариантов.

Второй раздел посвящен тепловым процессам в прикладных линейных ускорителях электронов на малую энергию, разработанных в НИЯУ МИФИ совместно с НПП «Корад» (Санкт-Петербург). Рассмотрены различные варианты системы охлаждения структур и влияние нагрева на ЭДХ ускоряющих секций, проводится выбор оптимальной конструкции. Представлены результаты расчета системы термостабилизации структуры с рабочей частотой 27 ГГц и вариационные характеристики.

Третий раздел посвящен моделированию динамики пучка высокой яркости и пикосекундной длительности в фотоинжекторе KEK LUCX. Представлены результаты измерения методом квадрупольного сканирования поперечного эмиттанса фемтосекундного электронного пучка, недавно созданного на установке KEK LUCX. Проведена оценка влияния нагрузки током для данного компактного XFEL.

В четвертом разделе представлены результаты моделирования динамики пучка в фотоинжекторе для CERN FCC-ее. Проведена оценка нагрузки током. Исследована динамика пучка в ВЧ-пушках («СИЛА»).

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Научная новизна

1. Разработаны два варианта ускоряющей структуры для компактного ускорителя электронов с высокой яркостью пучка с рабочей частотой 27 ГГц, предназначенного для использования в составе медицинского терапевтического комплекса, для данных структур разработаны и оптимизированы электродинамические модели.

2. Разработаны и оптимизированы системы термостабилизации для ускорителей с рабочими частотами 3 и 27 ГГц, системы на основе двойных коаксиальных кожухов внедрены в НПП «Корад» для серии линейных ускорителей электронов технологического назначения.

3. Для фотоинжектора LUCX (KEK, Япония) в ходе проведения прецизионного измерения поперечного эмиттанса проведено исследование динамики электронного пучка высокой яркости и пикосекундной длительности в ускоряющей структуре с учетом пространственного заряда пучка и эффекта нагрузки током, результаты моделирования совпали с экспериментальными данными.

4. Проведено исследование динамики электронного пучка высокой

яркости и пикосекундной длительности в ускоряющей структуре с учетом

пространственного заряда пучка и эффекта нагрузки током при

17

пониженной напряженности поля для разрабатываемого фотоинжектора FCC CERN.

5. Проведено исследование динамики электронных сгустков высокой яркости в линейном ускорителе-инжекторе на энергию 6 ГэВ для источника синхротронного излучения ИССИ-4 (СИЛА).

Публикации результатов, полученных в ходе работы над диссертацией

Основные результаты по теме диссертации изложены в 17 печатных работах, из них - 12 в научных изданиях, индексируемых в международных базах данных Web of Science, Scopus, 1 - в рецензируемом издании, включенном в перечень, сформированный Минобрнауки России, 4 - в изданиях, индексируемых РИНЦ.

Апробация работы

Результаты диссертации представлены на конференциях:

20-й Международный симпозиум по оптимизации динамики пучка (Санкт-Петербург, 2014);

Международная конференция по ускорителям заряженных частиц IPAC'14, (Дрезден, Германия, 2014);

Международная конференция по линейным ускорителям заряженных частиц LINAC'14 (Женева, Швейцария, 2014);

Российская конференция по ускорителям заряженных частиц RuPAC'14, (Санкт-Петербург, 2014);

XIX Международная научная конференция молодых ученых и специалистов (0МУС-2015) к 100-летию Ф.Л. Шапиро, (Дубна, 2015);

X Международный симпозиум «Излучение релятивистских электронов в периодических структурах» (Санкт-Петербург, 2015);

Международная конференция по ускорителям заряженных частиц 1РАС'14, (Дрезден, Германия, 2014);

Научная конференция молодых специалистов и ученых, проводимая мероприятий посвященных 55-летию ФГУП «НПП «Торий», 2014;

Международная конференция по ускорителям заряженных частиц 1РАС'16, (Пусан, Корея, 2016);

Международная конференция по ускорителям заряженных частиц 1РАС'17, (Копенгаген, Дания, 2017);

«Научная сессия НИЯУ МИФИ», Москва, 2013-2017;

Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии - ЛаПлаз-2018».

Наличие призов и премий:

Премия «Лучший студент НИЯУ МИФИ» 2014 г;

Диплом об участии в «Научной сессии НИЯУ МИФИ 2014»;

Диплом об участии в «Научной конференции молодых специалистов и ученых, проводимой в рамках мероприятий, посвященных 55-летию ФГУП «НПП «Торий», 2014.

Научная и практическая ценность

1. На основе полученных результатов предложен вариант компактного ускорителя электронов с высокой яркостью пучка для прикладных целей в области медицины. Проведено моделирование динамики пучка и исследование электродинамических характеристик ускоряющих структур. Предложен вариант призматической ускоряющей структуры с рабочей частотой 27 ГГц, размеры которой могут позволить значительно уменьшить существующие в настоящее время медицинские комплексы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ключевская Юлия Денисовна, 2021 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. R. Hamm. «Industrial Accelerators and Their Application» , 2010

2. Б.Г. Ершов. Радиационные технологии: возможности, состояние и перспективы применения, Вестник Российской Академии Наук, 83(10):885-895, 2013

3. В.А. Новиков, Р. В. Васильев, Е. Л. Чойнзонов и др. Интраоперационная лучевая терапия: реальность и перспектива, Злокачественные опухоли. 2017;(3s1):35-40

4. M. Abe, M. Takahashi, E. Yabumoto et al. Techniques, indication and results of advanced cancers. // Radiobiology, 1975. pp. 693-702

5. В.А. Лисин. Оценка предельно допустимой однократной дозы при интраоперационной лучевой терапии.// Мед. физика, № 4, 2006. - 18-23 с.

6. В.И. Чиссов , А.В. Бойко , А. В. Черниненко и др. «Интраоперационная лучевая терапия в комбинированном лечении больных со злокачественными опухолями. Методические указания. / М., 2003. - 12 с.

7. Е.Л. Чойнзонов, Л.И. Мусабаева, В.А. Лисин и др. Новая технология интраоперационной лучевой терапии в сочетании с дистанционной гамматерапией при комбинированном лечении онкологических больных //Онкохирургия, № 2, 2010. - 26-37 с.

8. http://www.gammamed.ru/novac

9. https://intraop.com/mobetron-iort/

10. В.А. Лисин. Сравнение эффективности дистанционной фракционированной и интраоперационной лучевой терапии. // Мед. физика, № 8, 2008. - 14-18 с.

11. http://www.varian.com/euru/oncology/radiosurgery/

12. http://www.rusmedserv.com/cyberknife/

13. М.В. Федоров. «Центр КиберНож»//ЦКЬ: http://www.cyber-knife.net/

14. http://kliniken-koeln.ru

15. http://medvernal.ru/kiber-nozh-ciber-knife/

16. Ключевская Ю.Д. Компактный ускоритель электронов с рабочей частотой 27 ГГц, Электровакуумные приборы СВЧ: проблемы и перспективы, 2015, вып. 3 (526), стр 111-118

17. S.M. Hanna. Applications of X-band of technology in medical accelerators, Proc. of PAC'99, p. 2516

18. N.H. Quyet, M. Uesaka, H. Iijima et al. Overall quality comparison of C-band and X-band medical linacs Proc. of EPAC'04, p. 2670

19. M. Becker, J. Arrington,W. Wuensc. Tuning of CLIC accelerator structure prototype at CERN, Proc. of LINAC2010

20. H.H. Braun and et al. CIC - a Compact and Efficient High Energy Linear Collider, Proc. of the Part. Acc. Conf., Dallas 1995

21. A. Grudiev, W. Wuensch. Design of the CLIC main linac accelerating structure for CLIC conceptual design report / Proc. of Linear Accelerator Conference LINAC2010, Tsukuba, Japan, M0P068, pp. 211-213

22. G. Riddone et al. Technical Specification for the CLIC Two-Beam Module// Proceedings of EPAC08, Genoa, Italy. M0PP028, pp. 607-609

23. T. Weis. Interaction between RF-System, RF-Cavity and Beam, Lecture, 2005

24. B. Bogdanovich, V. Kaminsky. Research of the accelerator RF System with biperiodic accelerating structure, MEPhi, Moscow, Russia, 1996, - 10 с.

25. О.С. Милованов, Н.П. Собенин. Техника сверхвысоких частот. Учебное пособие для вузов. // М.: Атомиздат, 1980. - 464 с

26. Б.В. Зверев, Н. П. Собенин. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. // М.: Энергоатомиздат, 1993. - 240 с.

27. А.Н. Лебедев, А. В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Учебное пособие для вузов. / М.: Энергоатомиздат, 1991. - 528 с.

28. E.A. Knapp. Design construction and testing of the RF structure for a proton accelerator / University of California Los Alamos Scientific Laboratory.

29. http://www.relus.ru

30. Б.В. Зверев, Н. П. Собенин. Электродинамические характеристики

ускоряющих резонаторов. // М.: Энергоатомиздат, 1993. - 240 с.

123

31. S.A. Zapevalov, E.V. Ilyakov, S.Yu. Kornishin et al.. Proc. of RuPAC'08, p. 339-441

32. A.S. Aryshev, S. Araki, M. Fukuda. Development of advanced THz generation schemes at the KEK LUCX Facility, http://www.kek.jp

33. M. Fukuda, S. Araki, A. Deshpande et al..Upgrade of the accelerator for the laser undulator compact X-ray source (LUCX) / // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 2011. — may. — Vol. 637, no. 1. — Pp. S67-S71

34. А.С. Арышев, Е.А. Богомазова, Б.Н. Калинин и др. Стимулированное излучение Смита-Парселла, Письма в ЖЭТФ, 2004, том 79, выпуск 7, стр. 396-399

35. K. Lekomtsev, A. Aryshev, M. Shevelev et al. Experimental inestigation of the THz Smith-Pursel radiation from composite corrugated capillary, Proc. of IPAC2016, pp. 1861-1863, ISBN 978-3-95450-147-2

36. M. Fukuda, S. Araki, A. Aryshev et al. Status and future plan of the accelerator for laser undulator X-ray source (LUCX), Proceedings of IP AC'10, p. 2111-2113

37. E.A. Schneidmiller, M.V. Yurkov. Baseline parameters of the European XFEL, Proc. FEL2013 Conference, New York, USA, 2013, WEPSO78

38. Bacci et al. The STAR Project, Proc. IPAC-2014, ISBN 978-3-95450-132-8, p. 2238

39. G. Fallone et al. First MR images obtained during megavoltage photon irradiation from a prototype integrated linac-MR system, Med. Phys. 36, 2084-2088, 2009

40. Future Circular Collider Study Kickoff Meeting, University of Geneva, 12-15 February 2014, http://indico.cern.ch/e/fcc-kickoff

41. R. Calaga et al. SRF for Future Circular Colliders,Proc. SRF2015 Whistler (2015) p. 1474

42. M. Aiba et al. Top-up injection schemes for future circular lepton collider, Nucl. Instr. Meth. A vol. 880 (2018) 98-106

124

43. Постановление Правительства Российской Федерации от 16 марта 2020 г. № 287 «Об утверждении Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы»

44. И.А. Ашанин, Ю.Д. Ключевская, А.А. Махоро и др. Динамика пучка в линейном ускорителе-инжекторе Специализированного источника синхротронного излучения 4го поколения ИССИ-4 // Вестник Санкт-Петербургского Университета Прикладная математика. Информатика, 2019 т.15, выпуск 1, ст-126-136

45. Е. А. Савин, Н. П. Собенин. Бипериодическая ускоряющая структура с внутренними ячейками связи с повышенным коэффициентом связи, Журнал технической физики, 2013, том 83, выпуск 5. - 141-146 с

46. https://www.cst.com/

47. Yu.D. Kliuchevskaia, T.V. Bondarenko, S.M. Polozov. Simulation of the electron beam dynamics ln the biperiodical structure, Proc. LINAC-2014, pp. 1096-1098, ISBN 978-3-95450-142-7

48. «Разработка и проектирование ЛУЭ на энергию 10 МэВ и мощность пучка до 20 кВт», Научно-технический отчет, МИФИ, 2014

49. Ю.Д. Ключевская. Компактный ускоритель электронов с рабочей частотой 27 ГГц // Электронная техника, серия1: СВЧ-Техника, научно-технческий сборник, 2015, вып. 3, 111-118 с

50. N.P. Sobenin, S.V. Kutsaev, M.A. Gusarova et al. Magnetic coupled disk-loaded waveguide / Proceedings of RUPAC'10, 2010, p. 319 - 321

51. S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin, A.Yu. Smirnov et al. Design of hybrid electron linac with standing wave buncher and travelling wave structure // NIM A, V. 636,Issue 1, 2011, p. 13-30

52. О.А. Вальдер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин. Диафрагмированные волноводы. Справочник. Энергоатомиздат, 1991

53. Б.И. Ставицкий. Из истории электроискровой обработки материалов // Оборудование и инструмент для профессионалов. Металлообработка. — 2006. — № 2. — ISSN 1999-8953

54. Yu.D. Kliuchevskaia, S.M. Polozov. Comparison of prismatic and circular of the biperiodical structure on 27 GHz operating frequency // Proc. of IPAC 2017, 1330-1332, ISBN 978-3-95450-182-3

55. R. Agustsson et al. Normal conducting radio frequency X-band deflecting cavity fabrication and validation / Proc. of IPAC-2012, pp 3389-3391

56. V.I. Rachichikov. Problems of atomic science and technology, Series Nuclear Physics Investigation, 10 (18), 50 (1990)

57. N. Didenko, V. I. Rashchikov, V. E. Fortov. Technical Physics 56 (10), 1535 (2011), DOI 10.1134/S1063734211100069.

58. T.V. Bondarenko, Yu.D. Kliuchevskaia, S.M. Polozov et al. The base parameters of the compact of 27 GHz electron linac for medial application, Proc. of IPAC 2014, pp 2189-2191

59. T.V. Bondarenko, E.S. Masunov, S.M. Polozov. BEAMDULAC-BL code for 3D simulation of electron beam dynamics taking into account beam loading and coulomb field // Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear Physics Investigations, 2013. №6 (88), p. 114-118. ISSN 1562-6016

60. E.S. Masunov, S.M. Polozov // NIM A, 558 (2006), pp. 184-187

61. E.S. Masunov, S.M. Polozov // Phys. Rev. ST AB, 11, 074201 (2008)

62. D.A. Zavadtsev. Calculation of Thermal Transient Condition in Biperiodic Accelerating Structure // Problems of Atomic Science and Technology. Series "Nuclear Physics Investigations" (43). 2004, №2, p.87-89.

63. D.S. Basyl, T.V. Bondarenko et al. New 10 МэВ High-power Electron Linac For Industrial Application / Proc. of IPAC 2016, pp. 1864-1866, ISBN 978-395450-147-2

64. A.I. Pronikov, S.M. Polozov. Influence of the Frequency Detuning to Electrodynamics Parameters of an Electron Linac // Journal of Physics: Conference

Series 1238:012076 (2019). IV Conference on Plasma & Laser Research and Technologies

65. D.S. Basyl, T.V. Bondarenko et al. Commissioning and First Tests of the New Standing Wave 10 МэВ Electron Accelerator, Proc. Of RuPac 2016, pp. 173-175, ISBN 978-3-95450-181-6

66. D. Bazyl, T. Bondarenko, Y. Kliuchevskaia et al. New 10 МэВ High-power Electron Linac for Industrial Application / Proceedings of IPAC2016, Busan, Korea, TUP0W023, pp.1794-1796

67. M.I. Demsky, S.M. Polozov, V.I. Rashchikov. Beam Dynamics in New 10 МэВ High-Power Electron Linac for Industrial Application / Proceedings of RuPAC2016- St. Petersburg, Russia, 2016, WEPSB057, pp. 493-495

68. «Разработка и проектирование ЛУЭ на энергию 2 МэВ и мощность пучка около 2 кВт», Научно-технический отчет, МИФИ, 2016

69. D.A. Zavadtsev. Calculation of Thermal Transient Condition in Biperiodic Accelerating Structure // Problems of Atomic Science and Technology. Series "Nuclear Physics Investigations" (43). 2004, №2, p.87-89

70. M.A. Gusarova, I.V. Isaev, R.A. Kostin // Journal of Applied Physics, 2013, Vol. 83, no. 4, pp. 134-140

71. Yu.D. Kliuchevskaia, S.M. Polozov. Simulation of variation characteristics at termostabilisation of 27 GHz biperiodical accelerating structure, Journal of Physics: Conference Series 732 (2016) 012041. XI International Symposium on Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS2015).

72. Yu.D. Kliuchevskaia, S.M. Polozov. Thermal Simulations of the Biperiodical Accelerating Structure with the Operating Frequency 27 GHz / Proc. of XXIV Russian Particle Accelerators Conference, RuPAC-2012, pp. 237-239

73. M. Fukuda, S. Araki, A. Aryshev et al. Status and future plan of the accelerator for laser undulator compact X-ray source (LUCX) / Proc. of IPAC'10, 2111-2113

74. Zh. Huang et al. // Phys. Rev. Lett. 80 (5) (1998), 976

75. T. Aoki et al. Study on energy compensation by RF amplitude modulation for high intense electron beam generated by a photocathode RF-gun / Proc. IPAC'11, pp. 1132-1135

76. K. Sakaue et al. Development of Laser-Compton X-Ray Source Using Optical Storage Cavity / Proc. IPAC'13, pp. 2165-2168

77. T. Aoki et al. Development of an S-band Multi-cell Accelerating Cavity for RF Gun and Booster Linac / Proc. IPAC'11, pp. 110-113

78. P. Abhay. Multi bunch beam generation using a mode separated photocathode RF gun, Deshpande (PhD work)

79. A.S. Aryshev et al. CS2Te photocathode response time measurement and femtosecond comb electron beam generation as a milestone toward pre-bunched THz fel realization / Proc. IPAC-2016, pp.3941-3943

80. A.S. Aryshev et al, Femtosecond response time measurements of Cs2Te photocathode, arXiv:1507.03302v1 (physics.accph), 2015

81. Yu.D. Kliuchevskaia, S.M. Polozov et al, Pre-bunched electron beam emittance simulation and measurement, Proc. IPAC-2016, pp. 1864-1866, ISBN 978-3-95450-147-2

82. A.S. Aryshev et al, Noninvasive Micrometer-Scale Particle-Beam Size Measurement Using Optical Diffraction Radiation in the Ultraviolet Wavelength Range, Physical Review Applied, Vol. 13, No. 1, 014041, 23.01.2020, pp. 1-13

83. A.S. Aryshev, S. Boogert, D. Howell, et al, A novel method for submicrometer transverse electron beam size measurements using optical transition radiation // J. Phys. Conf. Ser. 236, 012008 (2010)

84. Y. Papaphilippou, F. Zimmermann, M. Aiba et al., Design Guidelines for the Injector Complex of the FCC-ee / Proc. of the IPAC'16, 2016, 3488-3490

85. K. Oide et al. FCC-ee Machine Layout and Beam Optics, FCC Meeting 2016, Rome, 11-15 Apr. 2016

86. M. Benedikt, F. Zimmermann. Status of the Future Circular Collider Study / Proc. of RuPAC'16, 34-38 (2016)

87. И. А. Ашанин, Ю. Д. Ключевская и др. Разработка концепции Российского Специализированного Источника Синхротронного излучения 4-го поколения ИССИ-4 НИЦ «Курчатовский Институт» // Ядерная Физика и Инжиниринг, 2018, том 9, № 2, с. 192-199

88. Beam Dynamics in RF-guns Report 24.10.16

89. T.V. Bondarenko, S.M. Polozov. Beam Dynamics Simulation in Two Versions of New Photogun for FCC-ee Electron Injector Linac / Proc. of IPAC'2017, pp. 1326-1329, 2017

90. Yu.D. Kliuchevskaia, S.M. Polozov. Beam dynamics simulation in a linear accelerator for CERN Future Circular Collider // Cybernetic and physics, Vol. 9, No. 2. 2020, 98-102

91. I.A. Ashanin, Yu.D. Kliuchevskaia, M.V. Lalayan et al., Beam Dynamics Simulation Results in the 6 GeV Top-Up Injection Linac of the 4th Generation Light Source USSR, Proc. of XXVI Russian Particle Accelerators Conference, RuPAC-2018, Protvino, Russia, pp. 285-288.

Приложение 1

диссертацией, являлась разработка систем термостабилизации ускоряющих структур. В ходе выполнения работы было рассмотрено три варианта систем охлаждения (с двойным коаксиальным кожухом, трубками в обечайке, а также комбинированный вариант с трубками и кожухом) для бипериодических ускоряющих структур на энергию 2-10 МэВ. В дальнейшем система с двойным коаксиальным кожухом была внедрена при изготовлении в общей сложности восьми ускорителей: шести на энергию 10 МэВ (два для компании EB-Tech, Тэджон, Республика Корея, один для ООО «Акцентр», г. Родники, Ивановская область, один для НЛП «Корад», один для АО «Золоторудная Компания ПАВЛИК», один для Тоап Phaî Irradiation Limited Company, г. Хошимин, Вьетнам), одной секции на 8 МэВ для Навоийского горно-металлургического комбината (Узбекистан) и одной на 2 МэВ для НПП «Корад». Внедренные результаты включают в себя, в частности:

- результаты численного моделирования тепловых процессов в ускоряющих секциях;

- результаты исследования влияния нагрева на рабочую частоту.

По сравнению с другими вариантами выбранный вариант с двойным коаксиальным кожухом имеет ряд преимуществ, а именно:

- Простота изготовления и монтажа;

- Высокая однородность теплосъема с поверхности структуры;

- Становится невозможным прорыв воды из контура охлаждения внутрь вакуумного объема секции, что возможно при нарушении герметичности в процессе сверления сквозных отверстий в обечайке структуры.

Использование результатов работы Ю.Д. Ключевской позволяет эффективно решить проблему термостабилизации ускоряющих структур на стоячей волне.

Председатель комиссии

Члены комиссии

В.В. Кротов

А.Г. Пестерев