Инжектор комплекса специализированного источника синхротронного излучения в НИЦ "Курчатовский институт" - линейный ускоритель с двойным прохождением электронного пучка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Фомин, Евгений Александрович

• Фомин, Евгений Александрович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Фомин, Евгений Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НОВАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИНЖЕКТОРА

§1.1. Функциональная схема действующего инжектора накопителя Сибирь-2

§1.2. Техническое перевооружение линейного ускорителя

§1.3. Электромагнитные поля в ускоряющей структуре линейного ускорителя

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА С КОЛЬЦЕВЫМ КАТОДОМ

§2.1. Общие требования к электронной пушке

§2.2. Выбор и описание программного обеспечения

§2.3. Математическая модель электронной пушкис кольцевым катодом

ГЛАВА 3. МАГНИТНОЕ ЗЕРКАЛО

§3.1. Общие требования к магнитному зеркалу

§3.2. Магнитооптическая структура

ГЛАВА 4. ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

§4.1. Динамика электронного пучка в ускоряющей структуре линейного ускорителя

§4.2. Динамика электронного пучка в магнитном зеркале

§4.3. Динамика электронного пучка при втором прохождении ускоряющей структуры

линейного ускорителя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ДЕЙСТВУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инжектор комплекса специализированного источника синхротронного излучения в НИЦ "Курчатовский институт" - линейный ускоритель с двойным прохождением электронного пучка»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ускорители заряженных частиц и, в частности, специализированные источники синхротронного излучения, являются мощным инструментом в науке и в создании передовых технологий. Разработка, создание и запуск новых ускорителей приводит как к технологическому прогрессу в промышленности (при создании новых высоко технологических установок), так и к разработке принципиально новых методов исследований в области фундаментальных наук и технологий в производстве (при использовании новых источников синхротронного излучения).

В октябре 1999 года состоялась официальная процедура открытия Источника Синхротронного Излучения в Российском научном центре «Курчатовский институт», г. Москва. Курчатовский источник синхротронного излучения - первый в России специализированный ускорительный комплекс, предназначенный для генерации пучков синхротронного излучения [1].

Этот комплекс был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск). Комплекс включает в себя линейный ускоритель на энергию электронов 80— 100 МэВ в качестве форинжектора и два накопителя электронов: Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. Общий вид накопителя Сибирь-2 в ускорительном зале показан на фото, Рисунок 1.

Рисунок 1. Общий вид накопителя Сибирь-2.

Накопитель Сибирь-1 работает в качестве бустера для накопителя Сибирь-2, а так же как самостоятельный источник синхротронного излучения в спектре мягкого рентгена и вакуумного ультрафиолета [2, 3, 4].

Большой накопитель Сибирь-2 является основным источником синхротронного излучения, позволяющим работать как в мягком, так и в жестком рентгеновском диапазоне с энергией фотонов 10 эВ - 100 кэВ с характеристической энергией фотонов из поворотных магнитов 7.2 кэВ.

Магнитная структура Сибири-2 состоит из шести зеркально-симметричных суперпериодов, каждый из которых содержит по два 3 м промежутка для ондуляторов, сильнополевых сверхпроводящих вигглеров, инжекции и резонаторов ВЧ-питания [1,5, 6, 7].

Компоновка комплекса позволяет выводить синхротронное излучение равномерно по периметру накопителя Сибирь-2. Имеется два типа пучковых линий: один из них для жесткого рентгеновского излучения из поворотных магнитов и вигглеров, а другой для ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения из ондуляторов. Работа на эксперимент проводится на энергии электронов 2.5 ГэВ и с током электронов 100-200 мА. При этом время жизни электронов в накопителе достигает 20 - 30 часов.

Улучшение потребительских качеств пучков синхротронного излучения связано с увеличением их интенсивности и яркости. Для этой цели в последние годы были разработаны новые оптические структуры для основного кольца Сибири-2 с малыми эмиттансами (66 нм-рад и 18 нм-рад на энергии 2.5 ГэВ) [8].

Однако структуры с малым эмиттансом обладают большим натуральным хроматизмом и, как следствие, меньшими динамическими апертурами. Кроме того, в процессе наращивания спектральных возможностей источника синхротронного излучения, планируется постановка вставных устройств (многополюсных вигглеров и ондуляторов) в прямолинейные промежутки основного накопителя с малыми вертикальными апертурами. При сохранении существующей схемы инжекции на низкой энергии 450 МэВ следует ожидать два эффекта:

1) из-за относительно большого эмиттанса выпускаемого из Сибири-1 пучка (~ 800 нм-рад) эффективность инжекции в Сибирь-2 существенно уменьшится (малые эмиттансы-малые акцептансы);

2) из-за возникновения многосгустковых неустойчивостей на низкой энергии инжекции, инкременты которых резко возрастают с уменьшением апертур вакуумных камер на азимутах сильнополевых вигглеров, процесс накопления может значительно осложниться.

С другой стороны, с точки зрения проведения экспериментов на выведенном синхротронном излучении накопителя Сибирь-2, основным требованием к пучкам синхротронного излучения является долговременная высокая стабильность пространственного положения (координаты и углы падения) фотонных пучков на исследуемых образцах при неизменной интенсивности синхротронного излучения. Поскольку основные системы комплекса были изготовлены не менее 20 лет назад, это требование приводит к необходимости модернизации всех выработавших ресурс и морально устаревших элементов и систем всего комплекса, включая инжекционный комплекс - линейный ускоритель и накопитель Сибирь-1, и накопитель Сибирь-2.

Эти проблемы могут быть одновременно решены посредством установки бустерного синхротрона (БС) для работы в интервале энергий электронов от 80 — 160 МэВ до 2.5 ГэВ. Более детальная информация по бустерному синхротрону может быть найдена в [9, 10, 11].

Действительно, для обеспечения долговременной пространственной стабильности фотонных пучков необходимо иметь температурную стабилизацию основного оборудования кольца Сибири-2 с точностью —0.1 °С. Такая стабильность температуры элементов магнито-вакуумной структуры, опор и фундаментов достигается в настоящее время при неизменных токах в магнитных элементах и других потребителях мощности спустя около трех суток после их включения. Инжекция в Сибирь-2 из бустреного синхротрона на полной энергии автоматически решает проблему температурной стабилизации кольца большого накопителя.

В тоже время существенно повышается надежность работы основного силового оборудования благодаря исключению переменных нагрузок и многочисленных переходных процессов.

А за счет периодического «подкопления» пучка в накопителе Сибирь-2, инжектируемого из бустерного синхротрона на рабочей (номинальной) энергии частиц, проведение экспериментов на синхротронном излучении станет возможным без перерывов на повторное накопление пучка и подъема энергии, достигая эффекта «бесконечного времени жизни».

Кроме того, что особенно привлекательно, бустерный синхротрон, инжектирующий электроны на рабочей энергии, позволяет перестроить магнитную оптику кольца Сибири-2 с целью уменьшения натурального горизонтального эмиттанса пучка электронов до уровня 4-6 нм-рад на энергии 1.3 ГэВ, что уже соответствует параметрам (интенсивности и яркости) т.н. источников синхротронного излучения 3-его поколения.

С «ускорительной» точки зрения, инжекция из бустера на полной энергии (2.5 ГэВ) исключает, за счет сильного радиационного затухания, развитие неустойчивостей в большом кольце. Вдобавок, малый натуральный эмиттанс электронного пучка из бустера позволит восстановить высокую эффективность инжекции в «яркую» магнито-оптическую структуру Сибирь-2 с малыми динамическими апертурами.

Для линейного ускорителя в Проекте модернизации [12] предложена новая схема работы, использующая существующий принцип работы ускоряющей структуры линейного ускорителя на стоячей волне фундаментальной моды [13], позволяющей ускорение электронов в противоположных направлениях и обеспечивающая увеличение энергии электронов на выходе в 2 раза — с80до!60МэВ. Эта схема требует создания т.н. магнитного зеркала, устанавливаемого на выходном конце линейного ускорителя и новой сильноточной электронной пушки с кольцевым катодом. Магнитное зеркало будет обеспечивать разворот электронного пучка для повторного

прохождения через ускоряющую структуру линейного ускорителя. После второго прохождения ускоряющей структуры линейного ускорителя такие важные параметры электронного пучка, как эмиттанс и энергетический разброс - не увеличиваются, а ток пучка в заданном энергетическом интервале - не уменьшается. После повторного прохождения ускоряющей структуры линейного ускорителя электронный пучок будет беспрепятственно выпускаться из линейного ускорителя сквозь новую электронную пушку с кольцевым катодом.

Целью данной работы является разработка детальной функциональной схемы фор-инжектора, которая позволила бы увеличить энергию электронного пучка на выходе имеющегося линейного ускорителя в 2 раза, не уменьшив, при этом, ток и не увеличив эмиттанс электронного пучка.

Основными задачами диссертации являются:

1. Разработка новой функциональной схемы линейного ускорителя.

2. Разработка математической модели высокопервеансной электронной пушки с кольцевым катодом.

3. Разработка магнито-оптической структуры магнитного зеркала, обеспечивающей разворот электронного пучка с большим энергетическим разбросом (7 %) без потерь, а также с сохранением его пространственных и угловых размеров.

4. Расчет динамики пучка в ускоряющей структуре линейного ускорителя и в магнитном зеркале.

Таким образом, проделанные в настоящей работе расчеты охватывают все этапы движения электронного пучка в инжекторе.

Основными научными результатами являются:

1. Исследована и оптимизирована функциональная схема установки, состоящей из линейного ускорителя электронов и магнито-оптической структуры (обеспечивающей ахроматический и изохронный разворот релятивистского электронного пучка) и позволяющей увеличить энергию электронов на выходе линейного ускорителя в 2 раза по сравнению со стандартным режимом работы без потери интенсивности.

2. Разработана оригинальная нелинейная магнито-оптическая структура (магнитное зеркало), позволяющая развернуть релятивистский электронный пучок с большим энергетическим разбросом (до 7 %) без потерь и с минимальным возмущением поперечного и продольного фазовых объемов и инжектировать его в линейный ускоритель для повторного прохождения в ускоряющей фазе.

3. Разработан алгоритм математической оптимизации параметров линейных и нелинейных магнито-оптических структур каналов транспортировки заряженных частиц с большим энергетическим разбросом и при наличии ошибок в распределении магнитных полей и выставке магнитных элементов.

4. Разработана математическая модель электронно-оптической структуры

-у l'y

высокопервеансной (0,5мкА/В ) сильноточной электронной пушки с кольцевым катодом, которая обеспечивает беспрепятственное прохождение пучка (сквозь кольцевой катод) после двукратного прохождения ускоряющей структуры линейного ускорителя.

5. Создана математическая модель линейного ускорителя — фор-инжектора специализированного источника синхротронного излучения в НИЦ «Курчатовский институт».

Практическая ценность. Для специализированного источника синхротронного излучения Сибирь-2 разработана новая схема работы линейного ускорителя с магнитным зеркалом, позволяющая получить на выходе инжектора электронный пучок с удвоенной энергией 160 МэВ без потери интенсивности в рабочем интервале энергий (7 %) электронов. С целью увеличения энергии выходного пучка и сохранения компактности инжекционной части подобная схема может применяться в существующих или проектируемых линейных ускорителях, работающих в режиме стоячей волны при минимальных финансовых затратах. Кроме того, регулируя фазу влета электронных сгустков при повторном прохождении ускоряющей структуры линейного ускорителя, можно проводить эксперименты (например, спектрометрические — ядерно-физические, излучение каналированных электронов в периодических структурах, диагностические) на выведенных пучках электронов с плавно изменяемой энергией в диапазоне от 20 МэВ до 160 МэВ.

Создано программное обеспечение, позволяющее моделировать линейную и нелинейную динамику пучка с учетом наличия ошибок в распределении магнитных полей и выставки магнитных элементов, проводить оптимизацию магнито-оптических структур каналов транспортировки пучка с большим энергетическим разбросом. Также, имеется возможность моделировать динамику пучка в линейных ускоряющих структурах с учетом пространственного заряда.

Разработанный программный модуль оптимизации, основанный на методе дифференциальной эволюции, позволяет оптимизировать одновременно несколько параметров магнито-оптических структур каналов транспортировки заряженных частиц (например, силы секступольных и квадрупольных линз или корректоров, их местоположение и др.), используя различные целевые функции (например, распределение оптических функций, положение равновесной орбиты, распределение

пучка в фазовом пространстве и др.). Алгоритм оптимизации позволяет быстро найти решение задачи даже при отсутствии начального приближения, а количество оптимизируемых параметров слабо влияет на скорость оптимизации.

При моделировании динамики пучка для представления магнитных элементов используется стандартное кусочно-постоянное приближение, либо 2Б или ЗЭ распределение магнитных полей, полученное из результатов математического моделирования или магнитных измерений.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Результаты исследования и оптимизации функциональной схемы установки на базе линейного ускорителя и магнито-оптической структуры, позволяющей создать компактный источник релятивистских электронов с перестройкой выходной энергии от 0,25 до 2-х (по сравнению с номинальной энергией).

2. Результаты расчетов магнито-оптической структуры (магнитного зеркала), обеспечивающей разворот электронного пучка с большим энергетическим разбросом (до 7 %) с минимальным возмущением поперечного и продольного фазовых объемов.

3. Результаты моделирования нелинейной продольной и поперечной динамики электронного пучка в линейном ускорителе — инжекторе специализированного источника синхротронного излучения Сибирь-2.

4. Алгоритм математической оптимизации параметров линейных и нелинейных магнито-оптических структур каналов транспортировки заряженных частиц, обеспечивающий:

- быструю оптимизацию нескольких параметров магнито-оптических структур с

использованием различных целевых функций (распределение пучка в фазовом

пространстве, оптических функций, положение орбиты и др.) без использования специальных начальных условий; - учет большого энергетического разброса в пучке;

- использование произвольных распределений магнитных полей, учет наличия ошибок в распределении магнитных полей, учет ошибок выставки магнитных элементов.

5. Математическая модель электронно-оптической системы электронной пушки с кольцевым катодом, формирующей сильноточный электронный пучок с большим первеансом (0,5 мкА/В ").

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 142 страницы, включая 67 рисунков и 8 таблиц.

Во Введении обсуждаются современные тенденции развития ускорителей заряженных частиц и актуальность темы диссертации. Приведено описание специализированного источника синхротронного излучения «Сибирь» в НИЦ «Курчатовский институт», описана возможность улучшения потребительских свойств источника, возникающие при этом проблемы и возможные пути их решения. Кратко описана предложенная в настоящей работе схема модернизации инжектора, цель этой модернизации и получаемые от этого преимущества. В конце сформулированы цели и задачи диссертации, изложена практическая ценность работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена функциональная схема действующего инжектора, описаны основные характеристики электронной пушки и ускоряющей структуры линейного ускорителя.

Отличительной особенностью используемого линейного ускорителя является то, что он работает в импульсном режиме на стоячей волне напряжения. Работа ускорителя в таком режиме позволяет осуществлять ускорение электронного пучка как при прохождении ускоряющей структуры в прямом направлении, так и в обратном. Ускоряющая структура выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов и обладает сильной резонансной связью между соседними ячейками, что, в целом, представляет собой один резонансный объем с высокой добротностью. Ускорение электронного пучка осуществляется за счет энергии, накопленной в структуре. В процессе ускорения пучок производит просадку ускоряющего поля, которая соответствует съему запасенной энергии в ускоряющей структуре до ~ 10 % от первоначальной величины.

Предложена, исследована и оптимизирована новая функциональная схема инжектора, позволяющая увеличить энергию электронного пучка на выходе инжектора в 2 раза. Увеличение энергии пучка возможно осуществить, если после прохождения ускоряющей структуры электронный пучок развернуть на 180° и инжектировать его в линейный ускоритель для повторного прохождения (см. Рис.2).

Электронная ш~шка

шка Г

Л

160 МэВ в

Магнитная

линза

Линейный ускоритель

Магнитное

зеркало

Рисунок 2. Функциональная схема линейного ускорителя, работающего в режиме двойного ускорения электронного пучка.

В конце главы изложены основные достоинства предложенной функциональной схемы и требования к ней. Рассматриваются, так же, вопросы, связанные с моделированием электромагнитных полей в ускоряющей структуре линейного ускорителя.

Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с созданием математической модели сильноточной высокопервеансной электронной пушки с кольцевым катодом, которая является источником электронов в модернизированном инжекторе. Новая электронная пушка по своим параметрам (ток 3 - 4 А, длительность импульса тока 5,5-18 не, энергия электронов ~ 40 кэВ, первеанс ~ 0,5 мкА/В3/2) должна быть, по крайней мере, не хуже пушки, действующей в настоящее время на комплексе, но обеспечивающей прохождение сквозь нее электронного пучка без потерь интенсивности после двукратного ускорения в линейном ускорителе. По результатам проделанного моделирования даны предложения относительно конструкции электронной пушки с кольцевым катодом, удовлетворяющей указанным требованиям.

Третья глава посвящена основному элементу в новой функциональной схеме фор-инжектора - магнитному зеркалу, обеспечивающему разворот электронного пучка на 180°. Для осуществления качественного разворота электронного пучка, а именно без потери интенсивности при инжекции в линейный ускоритель, магнитное зеркало должно обеспечивать одновременно бездисперсионный и изохронный разворот с сохранением пространственных и угловых размеров пучка.

Представлен базовый вариант линейной зеркально-симметричной магнитооптической структуры, которая в линейном приближении удовлетворяет всем перечисленным требованиям. На Рис.3 представлена полная структура магнитного зеркала, которая отличается от базовой только наличием секступольных полей. Основными элементами в этой оптической структуре являются два 110° поворотных

магнита с совмещенными функциями. Наиболее важным фокусирующим свойством этих магнитов является достижение на их длине смены знака дисперсионной функции, что, в свою очередь, позволило на их основе создать компактный ахроматичный и изохронный поворот.

„.. 5 Ь - 6Х) Т м в!.--310 Ты С-98Ты „ . <ЛЛТ„ О - -9 8 Т ы 5 ^ ~ -540Т ы

С - 9 8 Ты

$ Ь -» 85 Т м В1 -031 ^ -

1 С - -9 8 Т ы

[.________________Г.*.7« * « Б I.--554) Ты

О 9 8 Т ы О - 9 8 Т ы Б I - ОбО Ты Б I - 540 Т ы

Рисунок 3. Полная манито-оптическая структура магнитного зеркала.

Кроме перечисленных свойств, при помощи прецизионного перемещения вдоль оси линейного ускорителя всей магнито-вакуумной конструкции зеркала, имеется возможность контроля фазы влета в линейный ускоритель при обратном проходе электронных сгустков. Это позволяет регулировать энергию электронов на выходе линейного ускорителя от начального значения 20 МэВ до максимального значения 160 МэВ. Благодаря этому, модернизированный инжектор можно будет использовать не только в качестве источника релятивистских электронов для бустерного синхротрона, но и проводить с его помощью эксперименты (например, спектрометрические - ядерно-физические, излучение каналированных электронов в

периодических структурах, диагностические) на выведенных пучках электронов с плавно изменяемой энергией.

В четвертой главе приводятся результаты моделирования динамики электронного пучка в линейном ускорителе с учетом влияния пространственного заряда при первом и втором проходах, а также динамики пучка в магнитном зеркале. Предложена нелинейная магнито-оптическая структура магнитного зеркала, обеспечивающая разворот пучка с требуемым энергетическим разбросом (7 % — определяется энергетическим разбросом в электронном пучке на выходе линейного ускорителя) с минимальными искажениями размеров и формы электронного пучка в фазовом пространстве. За ее основу была взята линейная структура, полученная в предыдущей главе, но добавлены секступольные компоненты магнитного поля в 110° поворотные магниты и введены три сосредоточенные секступольные линзы. Численные значения для всех секступольных полей были получены в результате применения алгоритма оптимизации, основанного на методе дифференциальной эволюции, где в качестве целевой функции являлось получение электронного пучка с энергетическим разбросом 7 % на выходе магнитного зеркала с минимально возможными искажениями в фазовом пространстве. В конце главы сделана оценка влияния эффекта встречи движущихся навстречу друг другу электронных сгустков находящихся на участке взаимного перекрытия в начале и в конце цуга в магнитном зеркале.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

В Приложении 1 приводится описание действующей на ускорительно-накопительном комплексе «Сибирь» электронной пушки и результаты расчета некоторых ее параметров.

В Приложении 2 приводится описание метода дифференциальной эволюции, который был использован при реализации программного модуля многомерной

оптимизации параметров магнито-оптических структур однопролетных каналов транспортировки заряженных частиц или циклических ускорителей.

ГЛАВА 1

НОВАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИНЖЕКТОРА

§1.1. Функциональная схема действующего инжектора накопителя

Сибирь-2

Специализированный источник синхротронного излучения в НИЦ «Курчатовский институт» включает в себя два накопителя электронов: малый накопитель Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и большой накопитель Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. Источником электронов для накопителя Сибирь-1 служит линейный ускоритель на энергию 75-100 МэВ [13].

Электронная

Магнитная линза

Линейный

ускоритель

80 МэВ

^ Хй корректор

Квадрунольная линза

Клнстронная станции

Оливин

\ } Поворотный магнит I дм I Цилиндр Фарад ея Ламельнын пробник

Рисунок 1.1. Функциональная схема линейного ускорителя — инжектора электронов.

На Рис. 1.1. приведена функциональная схема линейного ускорителя. В его состав входят: электронная пушка, канал инжекции пучка в линейный ускоритель с системой фокусировки и коррекции положения пучка электронов, ускоряющая

структура, источник ВЧ мощности, волноводный тракт, канал транспортировки ускоренного пучка из линейного ускорителя к малому накопителю.

В качестве инжектора для линейного ускорителя служит импульсная диодная пушка с энергией электронов 40 кэВ и током ~ 4 А в импульсе длительностью 18 не. В настоящее время энергетический акцептанс накопителя Сибирь-1 составляет 1 %, в то время как разброс энергии электронов на выходе линейного ускорителя при средней энергии 78 — 80 МэВ — 10%. Такой большой разброс является следствием отсутствия предварительной группировки и низкой начальной энергии электронов, инжектируемых из пушки. Что, в свою очередь, отразило стремление к простоте исполнения инжекционной части линейного ускорителя на стадии его разработки. С другой стороны, оптическая структура разработанного нового бустерного синхротрона специально рассчитана с большим энергетическим акцептансом ~ 7 %, что позволяет иметь эффективный захват в процесс ускорения с большим током в отдельных сгустках.

Из пушки электронный пучок поступает на вход линейного ускорителя. Общий вид линейного ускорителя со стороны малого накопителя представлен на Рис. 1.2. Между пушкой и входом в ускоряющую структуру находятся магнитный корректор и фокусирующая линза. Магнитный корректор служит для регулировки положения центра пучка относительно оси линейного ускорителя. Фокусирующая линза устанавливает кроссовер электронного пучка в центре первого ускоряющего зазора.

Рисунок 1.2. Вид на линейный ускоритель со стороны электронной пушки в направлении малого накопителя Сибирь-1.

Ускоряющая структура линейного ускорителя имеет 112 регулярных ускоряющих зазоров. Апертура для пучка на протяжении шести метров структуры мала - диаметр диафрагмы составляет 8.7 мм. Несмотря на малую апертуру, для удержания поперечных размеров электронного пучка в пределах размеров диафрагм оказалось вполне достаточно высокочастотной фокусировки в зазорах ускоряющих ячеек. Поэтому устанавливать специальные магнитные линзы вдоль структуры линейного ускорителя не потребовалось. Однако, для компенсации слабых рассеянных магнитных

полей и магнитного поля Земли, вдоль структуры наложено магнитное поле корректоров Х/У, создаваемое протяжёнными катушками Гельмгольца.

Ускоряющая структура линейного ускорителя выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов. Это т.н. структура Андреева с шайбами и диафрагмами [14] (DAW accelerating structure). Она состоит из обечайки с диафрагмами и шайб, подвешенных на металлических штангах [59]. Каждая шайба снабжена тремя радиальными опорами с длиной близкой к А/4. Фрагмент структуры показан на Рис.1.3. Поперечный размер структуры порядка 200 мм, длина регулярной ячейки — 53.6 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фомин, Евгений Александрович, 2015 год

ЛИТЕРАТУРА

[1] В.Н. Корчуганов, Разработка и создание специализированных источников СИ, Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Новосибирск, 2001.

[2] В.В. Анашин, В.Н. Корчуганов и др. Труды 7 Всесоюзного совещания по физике заряженных частиц. Дубна, 1980, т.1, с. 306.

[3] В.Н. Корчуганов, Специализированный источник синхротронного излучения накопитель Сибирь, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1986 г.

[4] В. В. Анашин, Н. А. Винокуров, В. Н. Корчуганов и др., Специализированный источник СИ Сибирь-1, Девятое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1984.

[5] В.В. Анашин, А.Г. Валентинов, В.Н. Корчуганов и др., Сибирь-2 -специализированный источник синхротронного излучения, Труды 11 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна 1989, стр. 277-280.

[6] А. Г. Валентинов, В. Н. Корчуганов и др. Магнитная система накопителя Сибирь-2 — специализированного источника СИ. Препринт ИЯФ 89-174, 1989.

[7] П.Ю. Абрамский и др. Труды 11 Всесоюзного совещания по физике зараженных частиц. Дубна, 19886 т.1, стр. 227-229.

[8] A. Anoshin et al., Possibility to reach the diffraction limited x-ray source in Kurchatov ccntcr of synchrotron radiation, Proc. of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, pp. 145-147.

[9] В.Н. Корчуганов, E.A. Фомин и др., Проект технического перевооружения специализированного источника синхротронного излучения в РНЦ КИ. Научно-техническая часть. Бустерный синхротрон, Москва, 2007.

[10] V. Korchuganov, E. Fomin et al., Modernization Project of Synchrotron Source in Kurchatov Institut: Booster Synchrotirn, Proc. of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia, pp. 270272.

[11] V. Korchuganov, E. Fomin et al., A New Injection System for Kurchatov Source of SR, Proc. of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, pp. 238-240.

[12] B.H. Корчуганов, E.A. Фомин и др., Аван-проект технического перевооружения специализированного источника синхротронного излучения в РНЦ КИ. Научно-техническая часть. Линейный ускоритель, Москва, 2007.

[13] А.Г. Валентинов, Б.А. Гудков и др., Линейный ускоритель — инжектор комплекса специализированного источника синхротронного излучения в РНЦ «Курчатовский институг», ИЯФ 2002-29, Новосибирск 2002.

[14] В.Г. Андреев, ЖТФ, 1971, т.41, стр. 788-796.

[15] O.A. Nezhevenko е.а., Proc. of РАС, San Francisco, 1991, v.5, p.3186.

[16] Г.В. Сердобинцев, Линейный ускоритель - инжектор накопительных комплексов Сибирь-2 и ТНК, Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 2005.

[17] V. Korchuganov, E. Fomin et al., Electron Beam Dynamics in Linac of Kurchatov Source of Synchrotron Radiation with Energy Doubling, Proc. of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia.

[18] CST Microwave Studio. Workflow & Solver Overview.

[19] T. Weiland, A Discretization Method for the Solution of Maxwell's Equations for Six-Component Fields, Electronics and Communications AEUE, vol. 31, no. 3, pp. 116-120, 1977.

[20] CST Studio Suite 2006. Advanced topics.

[21] CST Particle Studio. Workflow & Solver Overview.

[22] С.И. Молоковский, А.Д. Сушков, Интенсивные электронные и ионные пучки, Москва, 1991.

[23] И.В. Алямовский, Электронные пучки и электронные пушки, Москва, 1966.

[24] JI.H. Добрецов, М.В. Гомоюнова, Эмиссионная электроника, Москва, 1966.

[25] A.B. Иванов, Динамика заряженных частиц и интенсивных пучков в стационарных полях, Новосибирск, 2010.

[26] В.В. Вечеславов, Электродинамика заряженных частиц в стационарных полях, Новосибирск, 2002.

[27] A.B. Иванов, Расчет электронно-оптических систем новых поколений электронных охладителей, Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, Новосибирск, 2008.

[28] A.B. Иванов, Трекинг частиц в электронной пушке с кольцевым катодом, Внутренний отчет КИСИ, 2008.

[29] OPTICK Documentation, Andreas Streun, ОВЕА/8, PSI Villigen, Switzerland.

[30] Mathcad User's Guide, MathSoft Inc, USA.

[31] A. Chao, M. Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1998.

[32] Б. Страуструп, Язык программирования С++, специальное издание, AT&T Labs, Florham Park, New Jersey.

[33] C.B. Глушаков и др., Язык программирования С++. Учебный курс, Фолио, 2001.

[34] К. Су Гэтлин, П. Айсенси, ОрепМР и С++, 2010.

[35] К. Хьюз, Т. Хьюз, Параллельное и распределенное программирование с использованием С++, Вильяме, 2004.

[36] B.C. Сынах, Курс лекций по вычислительным методам.

[37] К. Штеффен, Оптика пучков высокой энергии, Москва, 1969.

[38] И.А. Шехтман, Теория электромагнитного поля. Учебное пособие, Новосибирск, ИЯФ, 1998.

[39] Р. Хокни, Дж. Иствуд, Численное моделирование методом частиц, Москва, 1987.

[40] R. Hockney, J. Eastwood, Computer Simulation Using Particles, IOP Publishing, 1988.

[41] M.B. Скачков, О проблеме шумов и сохранении заряда в методе крупных частиц, Математическое моделирование, том 12 номер 9 год 2000.

[42] Birdsal, С.К., and D. Fuss, Clouds-in-Clouds, Clouds-in-Cells Physics for Many-Body Plasma Simulation, J. Comput. Phys., vol. 3, pp. 494-511, 1969.

[43] Buneman, O., The Advance from 2D Electrostatic to 3D Electromagnetic Particle Simulation, Comput. Phys. Commun., vol. 12, pp. 21-31, 1976.

[44] Е.Б. Левичев, Лекции по нелинейной динамике частиц в циклическом ускорителе, Новосибирск, 2009.

[45] W. Herr, Mathematical and numerical methods for non-linear beam dynamics, CERN-2014-009, Advanced accelerator physics.

[46] J. Rossbach, P. Schmuser, Basic course on accelerator optics, CERN Accelerator School 94-01, 5th General accelerator physics course.

[47] W. Hardt and al, A general analytical expression for the chromaticity of accelerator rings. CERN, PS/LEA/Note 82-5.

[48] K. Steffen, High energy beam optics, Interscience Publishers, New York, 1965.

[49] K. Steffen, Fundaments of accelerator optics, CERN Accelerator School, Synchrotron Radiation and Free Electron Lasers, 1989.

[50] R. Storn, K. Price, Differential evolution — a simple and efficient adaptive scheme for global optimization over continuous spaces. TechnicalReportTR-95-012, ICSI, March 1995.

[51] Ye. Fomin, V. Korchuganov, Differential Evolution Algorithm for Charge Particle Beam Transfer Line Optic Optimization, Proceedings of IVESC-ICEE-ICCTPEA-BDO'2014, Saint-Petersburg, Russia, pp. 56-57.

[52] B.H. Корчуганов, E.A. Фомин, Магнитное зеркало для модернизированнного линейного ускорителя - инжектора источника синхротронного излучения в НИЦ "Курчатовский институт", Ядерная физика и инжиниринг, 2014 г., том 5, №7-8, стр.630-637.

[53] V. Korchuganov, Е. Fomin et al., Electron Beam Dynamics in Linac of Kurchatov Source of Synchrotron Radiation with Energy Doubling, Proc. of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, pp. 396-398.

[54] V. Korchuganov, E. Fomin, Nonlinear Electron Beam Dynamics with Large Energy Spread in the Magnetic Mirror, Proc. of RuPAC 2010, Protvino, Russia, pp. 212-214.

[55] A.A. Самарский, A.B. Гулин, Численные методы, Москва, 1989.

[56] H.H. Калиткин, Численные методы, Москва, 1978.

[57] A.A. Самарский, Е.С. Николаев, Методы решения сеточных уравнений, Москва, 1978.

[58] A.A. Самарский, Введение в теорию разностных схем, Москва, 1971.

[59] S.O. Schriber, IEEE Trans, on Nuci. Sei., NS-30, N4, p.3542-3544, 1983.

[60] V.N. Korchuganov e.a., Commissioning of the SIBERIA-2 Preinjector and First Beam Results, Proc of РАС, Washington, 1993, v.l, pp. 564-566.

[61] A.A. Коломенский, Кратный линейный ускоритель - Линотрон, Письма в ЖЭТФ, 1967, т. 5, в. 6, стр. 204-207.

[62] A.A. Завадцев, Б.В. Зверев, Н.П. Собенин, А.Н. Филатов, Разработка ЛУЭ со стоячей волной и циркуляцией пучка на энергию 10 МэВ, Сборник «Теория, расчет и

экспериментальные работы на ускорителях заряженных частиц», Атомиздат, 1982 г., стр. 87-91.

[63] Д.И. Ермаков, Ускоритель электронов с магнитным зеркалом, Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, Москва, 2003 г.

[64] В.И. Мунтян, В.В. Румянцев, А.В. Рябцов, В Л. Смирнов, Компактный линейный ускоритель электронов с циркуляцией пучка, Вопросы атомной науки и техники, Серия линейные ускорители, выпуск 1(2), Харьков, 1976 г., стр. 9-11.

[65] В.М. Кельман, С.Я. Явор, Т.Я. Фишкова, Ахроматические магнитные зеркала, ЖТФ, том 30, выпуск 2, стр. 129-137, 1960 г.

[66] А.А. Брязгин, В.Е. Нехаев и др., Способ поворота немонохроматичных пучков магнитными зеркалами со спадающим полем, ИЯФ 2014-15, Новосибирск, 2014 г.

[67] F. Krienen, W.B. Herrmannsfeldt, Proposal for hollow cathode electron gun for electron cooling, SLAC-PUB-3445, 1984.

[68] G. Ciullo et al., "Hollow" cathode gun for electron cooling purpose, Proceedings of EPAC96.

[69] V. Variale ey al., Hollow cathode e-gun for EBIS in charge breeding experiment, Proceedings of HIAT09, Veniece, Italy, pp. 350-353.