Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Брызгунов, Максим Игоревич

• Брызгунов, Максим Игоревич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Брызгунов, Максим Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Рекуперация энергии электронного пучка в системах электронного охлаждения

1.1. Требования на параметры коллектора 2 МэВ охладителя COSY

1.2. Аксиально-симметричные коллекторы для систем электронного

охлаждения

1.3. Методы повышения эффективности рекуперации

Глава 2. Коллектор с фильтром Вина

2.1. Конструкция коллектора с фильтром Вина

2.1.1. Коллектор

2.1.2. Магнитная система фильтра Вина

2.1.3. Электростатическая система фильтра Вина

2.2. Расчет движения электронного пучка в фильтре Вина

2.3. Влияние пространственного заряда пучка

2.4. Дисперсия в фильтре Вина

Глава 3. Влияние эффектов рассеяния и ионизации на эффективность рекуперации в системах электронного охлаяедения

3.1. Поперечно-продольная релаксация

3.2. Продольно-продольная релаксация

3.3. Однократное рассеяние на большие углы (эффект Тушека)

3.4. Многократное рассеяние на остаточном газе

3.5. Рассеяние на остаточном газе на большие углы

3.6. Потери на ионизацию остаточного газа

Глава 4. Испытания коллектора с фильтром Вина на стенде

4.1. Эффективность коллектора в прямой системе

4.2. Разряд Пеннинга в фильтре Вина

4.3. Эффективность составного коллектора

4.4. Работа фильтра Вина при различных потенциалах вакуумной камеры

4.5. Эффективность коллектора в зависимости от вакуума

4.6. Составной коллектор. Аксиально-несимметричный случай

4.7. Зависимость эффективность коллектора от тока пучка

Глава 5. Исследование работы коллектора с фильтром Вина на высоковольтной системе электронного охлаждения для синхротрона COSY

5.1. Испытания в «прямой» системе

5.1.1. Зависимость эффективности рекуперации от величины накала катода

5.1.2. Зависимость эффективности рекуперации от напряжения супрессора

5.1.3. Сканирование пластинами фильтра Вина

5.2. Испытания с фильтром Вина

5.2.1. Испытания на 30 кэВ

5.2.1.1. Исследования спектра отраженных электронов

5.2.1.2. Исследование эффективности коллектора при различных способах подключения приколлекторного электрода

5.2.1.3. Зависимость тока потерь от величины поперечного магнитного поля в фильтре

5.2.1.4. Зависимость эффективности коллектора от профиля пучка

5.2.2. Исследование эффективности рекуперации при различных энергиях электронного пучка

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY»

ВВЕДЕНИЕ

Метод электронного охлаждения, предложенный Г. И. Будкером в 1966 г [1], в настоящее время является одним из основных способов повышения качества пучков тяжелых заряженных частиц в ускорителях [1,2]. Охлаждение, повышает качество пучков, уменьшая разброс по импульсам, подавляет рассеяние на мишени и внутрипучковое рассеяние, позволяет обеспечить накопление пучков за счет освобождения апертуры ускорителя для новых порций инжекции.

ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера (г. Новосибирск) имеет большой опыт в области электронного охлаждения и является признанным лидером в производстве электронных охладителей [1,3,4]. В частности, в ИЯФ СО РАН были разработаны две системы электронного охлаждения ЭХ-35 [5] и ЭХ-300 [6] (с энергией электронов до 35 кэВ и до 300 кэВ соответственно) для установки HIRF-CSR (IMP, г. Ланджоу, Китай), где с их помощь происходит накопление ядер атомов редких тяжелых изотопов для последующего использования в экспериментах с внутренней мишенью. Так же была разработана система электронного охлаждения ЭХ-40 [7] (с энергией электронов до 40 кэВ) для накопителя LEIR, которая обеспечивает накопление тяжелых ионов (в основном свинца), для использования в Большом адроном коллайдере (ЦЕРН), в экспериментах со встречными пучками по изучению кварк-глюонной плазмы.

Максимальная энергия электронов, в большинстве электронных охладителей, составляет величину от нескольких десятков до нескольких сотен кэВ. Создание высоковольтных систем электронного охлаждения (с энергией в нескольких МэВ) связано с большими техническими трудностями, поэтому в мире пока применялась только одна такая система: охладитель антипротонов с энергией электронного пучка 4.3 МэВ, произведенный и используемый в FNAL (США) на комплексе Теватрон [8].

В ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера была разработана система электронного охлаждения для установки COSY (г. Юлих, Германия) с возможностью перестройки энергии электронов в диапазоне от 25 кэВ до 2 МэВ. В планируемых экспериментах требуется, чтобы время охлаждения составляло порядка нескольких десятков секунд, что значительно меньше времени охлаждения на Тэватроне, где оно составляет несколько десятков минут [8]. Поэтому важным отличием охладителя для COSY является наличие сильного (до 2 кГс) продольного магнитного поля в секции охлаждения, которое обеспечивает так называемое «быстрое охлаждение» замагниченым электронным пучком [1]. В данной системе продольное магнитное поле существует вдоль всей траектории электронов от пушки до коллектора, что позволяет обеспечить фокусировку пучка, а так же избежать проблем, связанных с вводом и выводом пучка из магнитного поля.

Специфика электронного охлаждения такова, что после взаимодействия с ионами полная энергия электронного пучка практически не меняется, поэтому все системы электронного охлаждения используют метод рекуперации энергии электронного пучка. Идея метода состоит в том, чтобы ускоренный в электростатической трубке пучок, после взаимодействия с ионным пучком, сперва замедлить и лишь затем направить в специальный коллектор, где пучок поглотится его стенками. Такая схема позволяет значительно снизить мощность системы высоковольтного питания и энерговыделение внутри вакуумной камеры накопителя. При этом желание получить минимальную нагрузку на высоковольтные выпрямители и минимальный радиационный фон требует высокой степени эффективности рекуперации (т. е. поток вторичных электронов на находящиеся под потенциалом земли стенки вакуумной камеры должен быть минимальным). Одно из наиболее полных исследований рекуперации в системах электронного охлаждения было проведено в работе [9].

Самым очевидным способом повышения эффективности рекуперации является повышение эффективности поглощения пучка в электронном коллекторе. Основными параметрами коллекторов для систем электронного охлаждения являются их первеанс, максимальная рассеиваемая мощность и эффективность.

Первеанс Р является коэффициентом пропорциональности в законе Чайльда - Ленгмюра между напряжением коллектора U в степени 3/2 и максимальным током I, который данный коллектор может принять при заданном напряжении (P=I/U3/2). В охладителях первеанс, в первую очередь, определяет максимальный ток, который может поглотить коллектор при имеющемся коллекторном источнике питания. Максимальное напряжение источника питания ограничено как конструктивными особенностями коллекторного узла и его окружения, так и тепловой мощностью, выделяемой в коллекторе при поглощении пучка, поскольку для имеющейся конструкции коллектора и его системы охлаждения существует предел по максимальной рассеиваемой мощности.

Эффективность коллектора определяется как отношение тока отраженных от коллектора электронов к току основного пучка и, в первую очередь, определяет мощность высоковольтного генератора, питающего ускоряющую трубку.

В диссертации описывается конструкция и результаты исследований работы коллектора с подавлением обратного потока электронов с помощью фильтра Вина, обеспечивающий высокую эффективность поглощения электронов, а, следовательно, и высокий коэффициент рекуперации.

При выполнении работы по диссертации был разработан высокоэффективный коллектор с фильтром Вина, где поперечное магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов. Перед установкой коллектора непосредственно на высоковольтный охладитель для COSY он

был испытан на специальном испытательном стенде. После испытаний он был установлен на охладитель, где была проверена его работа в штатном режиме.

На защиту выносятся следующие положения:

Конструкция коллектора для высоковольтных систем электронного охлаждения с подавлением потока отраженных электронов в скрещенных поперечных магнитном и электрическом полях (фильтр Вина).

Результаты расчетов полей и движения электронного пучка в фильтре Вина для систем высоковольтного электронного охлаждения.

Физический анализ основных эффектов, связанных с внутрипучковым рассеянием в электронном пучке и с рассеянием на остаточном газе, которые могут ухудшить эффективность рекуперации в высоковольтной системе электронного охлаждения для COSY.

Результаты испытаний коллектора с фильтром Вина на специальном испытательном стенде. В ходе испытаний было показана возможность рекуперации энергии электронного пучка с эффективностью лучше чем 10"5 при токе порядка 1 А.

Результаты испытаний коллектора с фильтром Вина непосредственно в высоковольтной системе электронного охлаждения для синхротрона COSY. В ходе испытаний, при различных энергиях электронного пучка в секции охлаждения, значение эффективности рекуперации составляла величину порядка 10"5.

ГЛАВА 1

РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Требования на параметры коллектора 2 МэВ охладителя

COSY

Как правило, ток электронного пучка в системах электронного охлаждения определяется из соображений максимальной эффективности охлаждения. Типичное значение рабочего тока для установок на низкую и среднюю (до нескольких сотен кэВ) энергию составляет величину порядка сотни мА. Основным ограничением на величину тока является возникновение дрейфового движения в скрещенных полях собственного пространственного заряда электронного пучка и продольного магнитного поля [10]. Однако, при охлаждении электронами высокой энергии (несколько МэВ) расталкивание электрическим полем пучка компенсируется магнитным сжатием, и эффективное поле уменьшается как 1/у (где у - релятивистский фактор).

В работе [10] предложена формула для расчета предельной плотности электронного тока в секции охлаждения:

j[A/cM2] = 16(Py)2№i (1Л)

L J Р±М

где (3 - отношение скорости пучка к скорости света в вакууме, у — релятивистский фактор, р± - бета-функция в секции охлаждения. Для пучка с энергией 2 МэВ в поле 2 кГс, при значении бета-функции равном 10 м, предельная плотность тока составляет примерно 74 А/см . При ускорении,

размер ионного пучка уменьшается как a = a0^/y0(30/yP, и можно

предполагать, что его диаметр на полной энергии будет равен примерно 3 мм. Такие плотность и размер соответствуют полному току 5 А. Однако

рекуперация при таких больших токах является очень сложной технической задачей, поэтому ток пучка в охладителе для COSY ограничивается возможностями электронной пушки, чья конструкции основана на прежних разработках и максимальный ток которой составляет 3 А.

При разработке коллектора для охладителя COSY за основу была взята конструкция, разработанная для установок ЭХ-35, ЭХ-40 и ЭХ-300. Первеанс коллектора в них варьировался в зависимости от различных факторов в диапазоне 14-18 мкА/В1'5 [11]. Для достижения проектного тока 3 А необходимо напряжение на коллекторе примерно 5 кВ, что соответствует мощности источника питания 15 кВт.

Энергия электронов в системах электронного охлаждения задается высоковольтным генератором, управляющим напряжением катода относительно земли (рисунок 1). Для охладителей на низкую и среднюю энергии высоковольтные генераторы, как правило, ограничены по току величиной в несколько миллиампер, т.к. создание высоковольтных источников с большим током при относительной стабильности напряжения на уровне 10"4 является намного более сложной технической задачей. В системах с напряжением порядка 1 MB максимальный ток еще меньше и соответствует нескольким сотням микроампер. Так, например, в проектируемом для накопителя HESR (проект FAIR, GSI, Германия) охладителе на энергию до 8 МэВ максимальный ток выбранного разработчиками источника питания типа пеллетрон ограничен 300 мкА [12]. В таком случае, при максимальном токе 1 А, эффективность коллектора не должна быть хуже чем 3-10"4.

Помимо нагрузки на высоковольтный генератор, высокий ток потерь приводит и к другим проблемам. Например, ускоренные до полной энергии электроны, попадая на стенку вакуумной камеры, вызывают сильное газоотделение, что ухудшает вакуумные условия в системе. Кроме того, такие электроны являются источником радиации.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема системы электронного

охлаждения.

Однако максимальный ток потерь в высоковольтных охладителях имеет более жесткие ограничения, связанные с электрической прочностью ускоряющих трубок. В соответствии с опытом, полученным разработчиками электронного охладителя для комплекса Тэватрон, ток потерь непосредственно на ускоряющую трубку в размере 1-КЗ мкА значительно повышает частоту пробоев на полное напряжение [8,12,13]. При этом напрямую связать ток потерь с током, попадающим на трубку затруднительно, т.к. во-первых, данное соотношение связанно с геометрией, как самого коллектора, так и трубок; а во-вторых, замагниченность движения в трубке (которое отсутствует в охладителе Тэватрона) значительно уменьшает поток электронов в поперечном направлении (на трубку).

В ускорительной трубке от компании NEC, которые используются в охладителе Тэватрона, электроды не одинаковые, а имеют специальный профиль (внутренний радиус у электродов разный), что обеспечивает

создание неоднородностей ускоряющего поля (или, другими словами, электростатические линзы), которые позволяют перехватывать вторичные частицы (ионы и электроны), и, тем самым, предотвращать обменные процессы, которые приводят к токовой связи между высоким потенциалом и землей, и, как следствие, к пробою на полное напряжение [14-16]. Такой подход позволяет снизить вероятность пробоя, однако, его обратной стороной является тот факт, что замагниченность движения сильно ухудшает его эффективность, т.к. продольное магнитное поле уменьшает вероятность перехвата вторичных частиц неоднородностями ускоряющего поля и, тем самым, может увеличить вероятность пробоя. Именно поэтому в ускоряющих трубках охладителя Тэватрона отсутствует продольное магнитное поле, а фокусировка пучка в них обеспечивается отдельными магнитными линзами. При этом низкое (примерно 200 Гс) поле в секции охлаждения позволяет обеспечить ввод пучка в продольное поле без существенного ухудшения его качества.

Как уже говорилось, в отличие от охладителя Тэватрона, в охладителе для COSY продольное поле в секции охлаждения на порядок выше (до 2 кГс). Кроме того, данный охладитель должен обеспечить охлаждение в широкой области энергий электронов 25 кэВ 2 МэВ, поэтому продольное поле сопровождает пучок на всей траектории от пушки до коллектора, в том числе и в ускорительных трубках. Такой подход не позволяет перехватывать вторичные частицы, однако продольное поле сильно уменьшает вероятность их образования за счет снижения вероятности электронам пучка достичь поверхности электродов.

Исходя из всех вышеперечисленных соображений, было принято, что ток потерь в охладителе для COSY не должен превышать нескольких десятков микроампер, что соответствует эффективности рекуперации примерно 10"5.

1.2. Аксиально-симметричные коллекторы для систем электронного охлаждения

Большинство коллекторов в системах электронного охлаждения представляют собой цилиндр Фарадея с дополнительными электродами, создающими запирающий потенциал, препятствующий выходу отраженных от поверхности коллектора вторичных электронов. Удержание в коллекторе дополнено магнитной пробкой, удерживающей вторичные электроны, движущиеся с большими углами относительно магнитной силовой линии. При этом, сформировав необходимый вид магнитных силовых линий с помощью катушек и магнитного железа, можно не только создать магнитную пробку, но и распределить поток электронов по внутренней поверхности коллектора для более эффективного его охлаждения.

В качестве примера, на рисунке 2 показан коллектор для первой в мире системы электронного охлаждения, работавшей на накопителе НАП-М [17].

«

1

см

Рисунок 2. Схема коллектора системы электронного охлаждения накопителя НАП-М. 1 - анод, 2 - электростатический и магнитный экраны, 3 - приемная

поверхность.

Конструкция данного коллектора включала два экрана: электростатический (супрессор), обеспечивающий электростатическое удержание вторичных электронов, и магнитный, отвечающий за ослабление поля в коллекторе. Электростатический экран выполнен в форме электрода Пирса, с целью сделать оптику в коллекторе максимально похожей на оптику пушки. Приемная поверхность охлаждалась водой.

В экспериментах на испытательном стенде была достигнута эффективность коллектора на уровне lO^lO"3 при токе пучка до 1 А.

В качестве другого примера, на рисунке 3 показан коллектор для охладителя, работавшего на установке CELSIUS (TSL, Uppsala University, Швеция) [18]. Диапазон рабочих энергий электронного пучка в данной системе электронного охлаждения равен 5-КЗОО кэВ. Диаметр катода электронной пушки 2 см.

Коллектор имеет аксиально-симметричную форму с охлаждаемой приемной частью («collector»). Электростатическое удержание обеспечивается за счет специального электрода - коллекторного анода («collector anode»). Сам коллектор помещен в специальный соленоид («collector solenoid 1, 2»), где создается конфигурация поля, обеспечивающая магнитное удержание.

К особенностям данного коллектора можно отнести большую длину коллекторного анода, что позволяет создавать однородный по радиусу потенциальный барьер для пучка малого тока, когда его собственный пространственный заряд еще не сильно влияет на распределении потенциала. Однако, для пучков с большим током, такой подход может ухудшить эффективность рекуперации, поскольку потенциал собственного пространственного заряда пучка вносит сильную неоднородность в распределение потенциала в области коллекторного анода. В таком случае в пучке может возникнуть область, где электроны основного пучка будут отражаться от потенциального барьера. Чтобы не допустить этого,

необходимо повышать потенциал коллекторного анода, что приведет к ухудшению эффективности электростатического удержания в других областях.

Рисунок 3. Схема коллектора для системы электронного охлаждения CELSIUS. Слева - схема самого коллектора, справа - расположение коллектора в магнитном соленоиде.

При работе с электронным охладителем для CELSIUS было обнаружено, что на эффективность охлаждения сильно влияет эффект «электронного нагрева» [19]. Одно из возможных объяснений данного эффекта было связанно с вторичными электронами, отраженными от коллектора. С целью уменьшения их потока был спроектирован новый коллектор (рисунок 4), в котором коллекторный анод был сделан тонким, что позволяет сформировать

более однородное распределение потенциала при большом токе пучка [20].

Рисунок 4. Схема модернизированного коллектора для системы электронного охлаждения CELSIUS. 1 - диафрагма, 2 - изолятор, 3 - коллектор, 4 и 5 - ввод

и вывод воды для охлаждения.

Проведенные на специальном испытательном стенде сравнительные испытания прототипов коллекторов с длинным и плоским коллекторными анодами показали, что эффективность поглощения у коллектора с плоским анодом значительно лучше.

Еще одним примером аксиально-симметричного коллектора для систем электронного охлаждения является коллектор охладителя для LEAR (рисунок 5) [21]. Диапазон рабочей энергии электронов в данном охладителе 3+40 кэВ при токе пучка до 4 А.

Электростатическое удержание обеспечивается двумя электродами: сеткой («mesh») и репеллером («repeller»). За магнитное удержание отвечают входная катушка коллектора и набор корректирующих катушек на самом

коллекторе. Кроме того, на задней стенке коллектора имеется специальный электрод - шип («spike»). Подбором магнитного поля и напряжений на трех электродах (сетка, репеллер и шип) можно распределить поток электронов на водоохлаждаемую поверхность коллектора.

| Collector 5 Collector со* ©

2 Mean в Collector ogrrvcUon Сой*

3 Я*р*П«г 1 MEG griter pump

4 Spin*

Рисунок 5. Схема коллектора для системы электронного охлаждения LEAR.

1 - коллектор, 2 - сетка, 3 - репеллер, 4 - шип, 5 - входная катушка коллектора, 6 - корректирующие катушки коллектора, 7 - абсорбционный

насос.

Достигнутая величина эффективности поглощения порядка 10" оказалось недостаточной, и была одной из причин нестабильной работы системы электронного охлаждения [22]. Кроме того, поток вторичных электронов из коллектора сильно ухудшал вакуумные условия в системе. Вследствие этого возникла необходимость в создании нового коллектора для охладителя LEAR (рисунок 6) [22].

Важной особенностью данного коллектора является специальный шибер, через который он присоединяется к вакуумной камере охладителя. Это позволяет проводить работы с коллектором, не нарушая вакуумные условия в остальных частях системы. Удлинение вакуумной камеры коллектора за счет

добавления шибера привело к удалению коллектора от края коллекторного соленоида и, соответственно, к изменению конфигурации магнитного поля в самом коллекторе. Поэтому магнитная система коллектора так же была изменена: после шибера добавлена катушка, перехватывающая магнитный поток соленоида и создающая магнитную пробку на входе в коллектор. На задней стенке коллектора установлена катушка встречного поля, которая позволяет снизить ток потерь из коллектора на 1(Н15 %. Магнитный экран обеспечивает необходимую конфигурацию поля в коллекторе, чтобы равномерно распределить поток электронов на водоохлаждаемую поверхность. Электростатическое удержание обеспечивается за счет специального электрода - репеллера.

Рисунок 6. Схема модернизированного коллектора для системы электронного охлаждения LEAR. 1 - соленоид, 2 - вакуумный шибер, 3 - коллекторная

катушка, 4 - магнитный экран, 5 - вакуумная камера, 6 - репеллер, 7 -поддерживающий изолятор, 8 - коллектор, 9 - вакуумный изолятор, 10 -система водяного охлаждения, 11 - катушка встречного поля.

Величина эффективности рекуперации, которую обычно достигали при работе с данным коллектором непосредственно на охладителе для LEAR, имела величину порядка 5-Ю"4 при токе примерно 2.5 А [23].

Еще один пример - коллектор для системы электронного охлаждения IUCF (Indiana University, США) (рисунок 7). Коллектор рассчитан на пучок с током до 4 А и диаметром 2.54 см при рабочем напряжении коллекторного источника питания до 5 кВ. Диапазон рабочих энергий электронов в охладителе 10-270 кэВ [24].

Рисунок 7. Схема коллектора для системы электронного охлаждения ШСБ. 1 -изолирующие стяжки, 2 - алюминиевые защитные кольца, 3 - разрядники, 4 -соленоиды для независимой регулировки магнитного поля, 5 - плексигласовая крышка, 6 - сильфон, 7 - абсорбционные насосы, 8 - коллекторный электрод, 9 - второй коллекторный анод, 10 - первый коллекторный анод.

Особенностью данного коллектора является использование для электростатического удержания вторичных электронов сразу двух

коллекторных анодов. Эффективность рекуперации при штатной работе охладителя составляла величину порядка 10~4. Для повышения эффективности рекуперации был впервые применен метод электростатической компенсации центробежного дрейфа, который позволяет повысить эффективность рекуперации, не повышая эффективности коллектора. Об этом методе подробнее будет рассказано ниже.

На рисунке 8 показан коллектор системы электронного охлаждения установки S-LSR (Kyoto University, Япония) [25]. Коллектор состоит из водоохлаждаемого медного цилиндра радиуса 60 мм и длиной 150 мм и коллекторного анода. Специальная короткая катушка с полем, направленным в противоположную, относительно коллекторного соленоида, сторону позволяет снизить поле на задней стенке коллектора, обеспечивая магнитное удержание вторичных электронов.

Рисунок 8. Коллектор 8-Ь8Я.

Сама система электронного охлаждения рассчитана на энергию электронов до 5 кэВ и ток пучка до 300 мА.

Коллектор старой системы электронного охлаждения для синхротрона COSY (рисунок 9) рассчитан на пучок с током до 4 А [26]. Электростатическое удержание обеспечивается одним коллекторным анодом. За магнитное удержание отвечает специальная катушка в конце коллекторного соленоида.

Рисунок 9. Коллектор старого охладителя COSY. Слева - схема коллектора, справа - схема размещения коллектора в коллекторном соленоиде.

Сам охладитель рассчитан на энергию электронов 20-100 кэВ. Рабочее значение эффективности рекуперации при штатной работе равно примерно 5-Ю-4.

Однако эффективность аксиально-симметричных коллекторов, даже при самых оптимальных условиях, не лучше чем 10~4. Это связанно с тем, что в таком симметричном коллекторе у частицы есть возможность, отразившись от внутренней поверхности коллектора, вылететь из него (особенно у частиц в центре пучка). Предельные возможности таких коллекторов были оценены в работе [27] по формуле

i Ги

loss ' u

^bcam

min

v Ucoll J

V °'2)

где исоц - напряжение коллектора, и,шП - напряжение на входе в коллектор, Вс и В0 - магнитные поля на поверхности коллектора и на входе соответственно, к - коэффициент отражения от поверхности коллектора. Множитель (ит;п/исо„)2 определяет вклад в эффективность поглощения электронов за счет электростатического удержания. При оптимальной работе коллектора, когда происходит дополнительное запирание за счет собственного пространственного заряда пучка, данное соотношение определяется пространственным зарядом. Для оценки было взято ЦшП/исО11=0.3 (для тока порядка 1 А и исоц=2.5 кВ). Множитель Вс/Во определяет вклад в эффективность поглощения за счет магнитной пробки. При оптимальном режиме работы, когда пучок распределяется по всей внутренней поверхности коллектора, данное соотношение примерно равно отношению площади пучка на входе в коллектор к площади внутренней поверхности коллектора и обычно оно не меньше чем 0.01. Коэффициент к взят равным 0.1. Полученное значение предельной эффективности имеет величину порядка 10"4.

Следовательно, для повышения эффективности коллектора, устроенному по принципу цилиндра Фарадея, необходимо нарушать его симметрию с тем, чтобы уменьшить вероятность вторичным электронам покинуть коллектор.

1.3. Методы повышения эффективности рекуперации

Для достижения высокого коэффициента рекуперации (Ю'^Ю"6) при эффективности коллектора lO'MO-4 можно использовать метод компенсации центробежного дрейфа электрическим полем, впервые опробованный на установке IUCF (Indiana University) [28]. В секции охлаждения данной установки создавалось поперечное электрическое поле, которое

компенсировало смещение пучка в поворотах (рисунок 10). В таком случае можно сделать движение электронов полностью обратимым, т.е. вторичные электроны, покинувшие коллектор, могут пролететь весь охладитель, до пушки, и затем снова попасть в коллектор.

Однако тот факт, что электрическое поле создается в самой секции охлаждения, делает такой способ непригодным для использования при охлаждении ионного пучка, поскольку пластины своими краевыми полями доускоряют либо тормозят электроны. Причем величина и знак добавки скорости зависит от положения электрона относительно пластин. Таким образом, в электронном пучке появляется большой разброс продольных скоростей, который приводит к сильному снижению эффективности охлаждения.

w

GUN SOLEtlOiO TOKOID —** MAIN SOLENOID ton от COLLECTOR SOLENOID

Рисунок 10. Схема, иллюстрирующая метод компенсации центробежного дрейфа поперечным электрическим полем в секции охлаждения («main solenoid»), использованный на установке IUCF.

Дальнейшее развитие метод компенсации центробежного дрейфа электрическим полем получил на охладителях, разработанных в ИЯФ СО РАН для ЬЕЖ, СЗЯ-Е и СЗЯ-М [29], где электростатические пластины были установлены непосредственно в повороты (рисунок 11).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Брызгунов, Максим Игоревич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

[1] Пархомчук В. В., Скринский А. Н., Электронное охлаждение 35 лет развития // УФЫ, 2000, Т. 180, No. 5., С. 473-493.

[2] Мешков И.Н., Сидорин А.О., Состояние и перспективы развития метода электронного охлаждения // Письма в ЭЧАЯ, 2004, Т. 1, No. 3., С. 22-31.

[3] Parkhomchuk V. V., Development of a new generation of coolers with a hollow electron beam and electrostatic bending // Proceedings of COOL 2005, Galena, USA, P. 249-258.

[4] Parkhomchuk V.V., Development of electron coolers in Novosibirsk BINP // Proceedings of IPAC 2012, New Orleans, Louisiana, USA, P. 2068-2072.

[5] Bocharov V., Bubley A., Boimelstein Yu. et al., HIRFL-CSR electron cooler commissioning // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section A, 2004, Vol. 532, P. 144-149.

[6] Behtenev E., Bocharov V., Bubley V. et al., Commission of electron cooler EC-300 for HIRFL-CSR // Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland, P. 1419-1421.

[7] Tranquille G., Chanel M., Carly Ch., Prieto V., Sautier R., Bubley A., Parkhomchuk V., Reva V., Brizgunov M., Vedenev M., Panasyuk V., Commissioning of the LEIR electron cooler with Pb+54 IONS // Proceedings of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia, P. 25-27.

[8] Shemyakin A., Prost L., Ultimate performance of relativistic electron cooling at Fermilab // Proceedings of COOL 2011, Alushta, Ukraine, P. 31-36.

[9] Шарапа A.H., Экспериментальное исследование рекуперации энергии интенсивного электронного пучка // Дисс. к.ф-м.н, ИЯФ СО АН СССР, Новосибирск, 1982.

[10] Parkhomchuk V.V., New insights in the theory of electron cooling // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section A, 2000, Vol. 441, P. 9-17.

[11] Бочаров B.H., Бублей A.B., Веденев M.B. и др., Запуск установки электронного охлаждения ЭХ-300 // препринт ИЯФ 2004-4, 2004, Новосибирск.

[12] HESR electron cooler. Design study. The Svedberg laboratory Uppsala University, Uppsala, 2009.

[13] Prost L., Shemyakin A., Full Discharges in Fermilab's Electron Cooler // AIP Conference Proceedings, 2006, Vol. 821, P. 391-396.

[14] Raatz J., Rathmell R., Stelson P., Ziegler N., Tests of compressed geometry NEC acceleration tubes, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section A, 1986, Vol. 244, P. 104-106.

[15] Sundquist M. L., Rathmell R. D., Raatz J. E., A new accelerator tube and column for a horizontal 8 MV tandem // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section A, 1990, Vol. 287, P. 87-89.

[16] Assmann W., Korschinek G., Munzer H., Test of NEC tubes in compressed geometry // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1986, Vol. 220, P. 86-89.

[17] Куделайнен В. И., Мешков И. Н., Пархомчук В. В„ Салимов Р.А., Скринский А.Н., Файнштейн В.Г., Глубокое торможение электронного пучка в системе с продольным магнитным полем // Журнал технической физики, 1976, Т. 46, No. 8, С. 1678-1686.

[18] Sedlacelc М., Bergmark Т., Gajewski К., Hermansson L., Johansson О., Johnsson Т., Reistad D., Wedberg R., Westerberg L., Design and construction of the Celsius electron cooler // Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics, Montreux, Switzerland, 1993, P. 235-239.

[19] Reistad D., Hermansson L., . Bergmark T, Johansson O., Simonsson A., Burov A., Measurements of electron cooling and "electron heating" at CELSIUS // Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics, Montreux, Switzerland, 1993, P. 183-187.

[20] Shemyakin A. V., Sharapa A. N., Hermansson L., Reistad D., New Collector for the CELSIUS Electron Cooling System // Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics, Montreux, Switzerland, 1993, P. 249-253.

[21] Habfast C., Poth H., Schwab W., Seligmann В., Wortge M., Wolf A., The LEAR Electron Cooler: Recent Improvements and Tests // Physica Scripta, 1988, Vol. 22, P. 277-281.

[22] Боссер Ж., Быковский В.Ф., Лей Р., Мешков И.Н., Рогозин А.И., Поляков В.Н., Селезнев И.А., Синицкий В.Б., Смирнов А.В., Сыресин Е.М., Транквиль Ж., Фунтиков В.П., Новый коллектор для электронного охлаждения ЛИР // Препринт ИЯФ СО АН СССР 91-25, Новосибирск, 1991.

[23] Bosser J., Chanel М., Ley R., Tranquille G., Variable energy electron cooling at LEAR // Proceedings of 3rd European Particle Accelerator Conference, Berlin, Germany, 1992, P. 845-847.

[24] Ellison Т., Brown R., Devries В., The IUCF electron cooling system collector performance // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section B, 1989, Vol. 40, P. 864-869.

[25] Shirai Т., Fujimoto S., Ikegami M., Tongu H., Tanabe M., Souda H., Noda A., Noda K., Fujimoto Т., Iwata S., Shibuya S., Syresin E., Smimov A., Meshlcov I., Fadil H., Grieser M., Electron Cooling Experiments at S-LSR // Proceedings of COOL 2007, Bad Kreuznach, Germany, P. 139-143.

[26] Derissen W., Maier R., Pfister U., Prasuhn D., Sauer M., Schwab W., Schwarz U., Sedlacek M., Stein H. J., Wimmer J., Witt J.-D., Zumloh A.,

Status of the COSY electron cooler // Proceedings of 3rd European Particle Accelerator Conference, Berlin, Germany, 1992, P. 839-841.

[27] Sharapa A. N., Shemyakin A. V., Secondary electron current loss in electron cooling devices // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section A, 1994. Vol. 351, P. 295-299.

[28] Ellison Т., Friesel D., Brown R., Status and performance of the IUCF 270 electron cooling system // Proceedings of РАС 1989, Chicago, IL, P. 633635.

[29] Bryzgunov M., Panasyuk V., Parkhomchuk V., Reva V., Vedenev M., Recuperation of Electron Beam in the Coolers with Electrostatic Bending // Proceedings of COOL 2005, Galena, USA, P. 341-345.

[30] Prost L., Shemyakin A., Efficiency of the Fermilab electron cooler's collector // Proceedings of РАС 2005, Knoxville, Tennessee, P. 2387-2389.

[31] Shemyakin A., Electron beam collector with a transverse magnetic field // Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, P. 1268-1270.

[32] Sharapa A. N., Shemyakin A.V., Secondary electron flow from the axially symmetric collector without magnetic field // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research: Section A, 1997, Vol. 396, P. 110-114.

[33] Мешков И. H., Салимов Р. А., Файнштейн В. Г., Многократная рекуперация энергии электронов // ЖТФ, 1973, Т. 43, Вып. 8, С. 17821784.

[34] Mermaid for Windows ХР. User's Guide, ed. by A.N. Dubrovin, 2005, Novosibirsk.

[35] Рошаль А.С., Моделирование заряженных пучков // М.: Атомиздат, 1979, 224 с.

[36] Мешков И.Н., Введение в физику пучков заряженных частиц // Учебное пособие, НГУ, Новосибирск, 1988, 92 с.

[37] Bryzgunov M. I., Panasyuk V. M., Reva V. В., Calculations of electron beam motion in electron cooling system for COSY // Proceedings of COOL 2009, Lanzhou, China, P. 134-137.

[38] Budker G. I., Dikansky N. S., Kudelainen V. I., Meshkov I. N., Parkhomchuk V. V., Pestrikov D. V., Skrinskii A. N., Sukhina B. N., Experimental study of electron cooling, Particle Accelerators, 1976, Vol. 7, P. 197-211.

[39] Коган В. И., О скорости выравнивания температур заряженных частиц в плазме // Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций, Т. 1, М.: Издательство АН СССР, 1958, С. 130-137.

[40] Диканский Н. С., Кокоулин В. И., Кот Н. X. и др., Быстрое электронное охлаждение в диапазоне малых относительных скоростей // Труды XIII Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск: Наука, 1987, С. 330-333.

[41] Куделайнен В. И., Лебедев В. А., Мешков И. Н., Пархомчук В. В., Сухина Б. Н., Температурная релаксация в замагниченном электронном потоке //ЖЭТФ, 1982, Т.83, Вып.6, С. 2056-2064.

[42] Диканский Н. С., Куделайнен В. И., Лебедев В. А., Предельные возможности электронного охлаждения // Препринт ИЯФ 88-61, Новосибирск, 1988.

[43] Логачев П. В., Получение ультрахолодных пучков и коротких интенсивных сгустков элекронов с GaAs фотокатода // Дисс. к.ф-м.н., ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1996.

[44] Wrulich A F, Single-beam lifetime // Proceedings of CAS - CERN Accelerator School: 5th General Accelerator Physics Course, Jyvaskyla, Finland (report CERN-94-01), 1994, Vol.1, P. 409-435.

[45] Групен К., Детекторы элементарных частиц // пер. с англ. Н. Ю. Эйдельман и Ю. И. Эйдельмана под ред. Л. М. Курдадзе и С. И. Эйдельмана, Новосибирск: «Сибирский хронограф», 1999.

[46] Guerra M., Parente F., Indelicato PSantos J. P., Modified binary encounter Bethe model for electron-impact ionization // International Journal of Mass Spectrometry, 2012, Vol. 313, P. 1-7.

[47] Santos J. P., Guerra M., Electron Impact Ionization Cross-Sections Database (version 1.0). [Online], Доступно: http://sites.fct.unl.pt/eliixs [06.09.2013].

[48] Burov A., Gusachenko I., Nagaitsev S., Shemyakin A., IBS in a CAMDominated Electron Beam // Proceedings of COOL 2005, Galena, USA, P. 159-161.

[49] Burov A., Kroc Т., Lebedev V., Nagaitsev S., Shemyakin A., Warner A., Seletskiy S., Optics of the Fermilab electron cooler // Proceedings of APAC 2004, Gyeongju, Korea, P. 646-648.

[50] Dietrich J., Parkhomchuk V., Reva V., Vedenev M., The proposed 2 MeV electron cooler for COSY // Proceedings of COOL 2005, Galena, USA, P. 299-307.

[51] Derissen W., Maier R., Pfister U., Prasuhn D., Sauer M., Schwab W., Schwrz U., Sedlacek M., Stein H. J., Wimmer J., Witt J. D., Zumloh A., Status of the COSY Electron Cooler // Proceedings of EPAC 1992, Berlin, Germany, P. 839-841.

[52] Stein H., Prasuhn D., Stockhorst H., Dietrich J., Phan K., Kamerdzhiev V., Maier R., Meshkov I. N., Sidorin A. O., Parkhomchuk V. V., Current Status of the COSY Electron Cooler (Jülich, Germany) // Atomic Energy, 2003, Vol. 94, No. 1,P. 24-26.

[53] Skorobogatov D., Bryzgunov M., Goncharov A., Gusev I., Kondaurov M., Kozak V., Medvedko A., Parkhomchuk V., Pureskin D., Putmakov A., Reva V., Senlcov D., The power supply system for the accelerating column of the 2 MeV electron cooler for COSY // Proceedings of RuPAC 2012, Saint-Petersburg, Russia, P. 512-514.

[54] Ivanov A.V., Bryzgunov M.I., Bubley A.V. et al., Electron Gun and collector for 2 Mev electron cooler for COSY // Proceedings of RuPAC 2010, Protvino, Russia. P. 233-235.

[55] Bubley A. V., Panasyuk V. M., Parkhomchuk V. V., Reva V. В., Measurements of the profile of an intense electron beam // Instruments and Experimental Techniques, 2006, Vol. 49, No. 1, P. 83-91.

[56] Bubley A. V., Parkhomchuk V. V., Reva V. В., Advantages of electron cooling with radially varying electron beam density // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Secton A, 2004, Vol. 532, P. 303-306.

[57] Parkhomchuk V., Comparison of hollow electron devices and electron heating // Proceedings of COOL 2007, Bad Kreuznach, Germany, P. 64-67.

[58] Добрецов JI. H., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника // М.: «Наука», 1966.