Магнитные системы рециркуляционных ускорителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Новиков, Глеб Анатольевич

• Новиков, Глеб Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Новиков, Глеб Анатольевич

Введение.

Глава I. Теоретическая модель для оценки поворотного магнита.

1.1. Аналитический подход к расчету поворотного магнита разрезного микротрона.

1.2. Расчет прямого потока.

1.3. Расчет непрямого потока.

1.4. Оценка параметров магнитной системы.

Глава II. Параметры поворотных .магнитов.

11.1. Расположение обратного полюса.

11.2. Оценка параметров геометрии обратного полюса.

11.3. Основные размеры поворотного магнита.

11.4. Подстройка уровня обратного поля.

11.5. Подстройка уровня основного поля.

11.6. Магнитное экранирование области окна для ввода/вывода пучка.

11.7. Расчет поворотного магнита с учетом технологических требований.

11.8. Измерения характеристик распределения магнитного поля поворотных магнитов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитные системы рециркуляционных ускорителей»

Развитие научно-технического прогресса невозможно без использования ускорителей заряженных частиц - устройств, предназначенных для ускорения электронов, протонов и более тяжелых частиц до энергий порядка 106 4-1012 электронвольт. Являясь приборами для фундаментальных исследований структуры микромира, подобные установки нашли также важное применение в прикладных исследованиях, медицине, промышленности.

Настоящая работа выполнена в рамках проекта импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ [1-3]. Изначально целью данного проекта было создание ускорителя электронов, являющегося главной составной частью системы детектирования углерода, азота и кислорода. Требования к основным параметрам электронного пучка, необходимого для реализации устройства обнаружения интересующих элементов, вытекают из физических принципов, лежащих в основе разрабатываемой установки. Так, энергия заряженных частиц для идентификации примесей веществ, аномально высокая концентрация которых свидетельствует о возможном наличии интересующих особенностей у исследуемых образцов, должна составлять: для углерода около 30 МэВ, азота - 50 МэВ, кислорода - 70 МэВ. Импульсы электронов длительностью несколько микросекунд должны следовать с частотой десятки герц при величине тока в импульсе десятки мА. Необходимо иметь возможность перехода от одного значения энергии к другому с частотой следования импульсов пучка. Требования к монохроматичности пучка и величине поперечного эмиттанса умерены: величина энергетического разброса должна лежать в пределах 1%, величина нормализованного поперечного эмиттанса - десятки ммхмрад.

Жесткими являются требования к габаритам, весу, стоимости и экономичности ускорителя для получения электронного пучка с указанными параметрами, поскольку установка при ее использовании должна размещаться в неподготовленных помещениях, не увеличивая заметно затраты на обработку материала, а в ряде возможных применений система должна быть транспортабельной и работать в полевых условиях. Данное обстоятельство практически полностью исключает возможность использования обычного линейного ускорителя для достижения энергии 70 МэВ. При умеренном темпе набора энергии около 15 МэВ/м длина ускорителя превысит 5 м, а затраты импульсной СВЧ мощности на создание ускоряющего поля составят более 14 МВт. Сокращение длины линейного ускорителя сопряжено с пропорциональным возрастанием потребляемой СВЧ мощности, уменьшением КПД и, как результат, общий объем, занимаемый установкой, фактически не меняется из-за роста габаритов СВЧ источника и модулятора. Помимо этого, с увеличением темпа набора энергии резко возрастают трудности, обусловленные высокой напряженностью электрического поля на поверхности ускоряющей структуры. Существенную проблему для линейного ускорителя представляет необходимость изменения энергии электронного пучка в широких пределах при переходе от одного импульса излучения к другому.

Разрезной микротрон, сочетающий преимущества линейного и циклического ускорителей и основанный на многократной рециркуляции пучка через линейный ускоритель, позволяет получить пучок с требуемыми параметрами при малых габаритах и высокой эффективности установки. Разработка проекта компактного разрезного микротрона для системы детектирования углерода, азота и кислорода была инициирована в 1993 г. и поддержана автором методики, профессором У.П. Трауэром (университет штата Вирджиния) и выполнялась в России специалистами из НИИЯФ МГУ, МИФИ, ФИ РАН и ИФП РАН, имеющими опыт создания линейных ускорителей, разрезных и классических микротронов. В 1996 году к работам были подключены также крупнейший специалист по магнитным системам К. Хальбах (LBL/SLAC/ANL, США) и один из создателей мезонной фабрики в Лос-Аламосе, США Э. Нэпп.

Разработка проекта разрезного микротрона прошла несколько этапов. На первом этапе в основу рассмотрения были положены хорошо изученные принципы. Проведенная оптимизация позволила создать более компактную, по сравнению с существующими прототипами, схему установки. На следующем этапе в проект был введен ряд новшеств, ранее не применявшихся в строительстве разрезных микротронов - линейный ускоритель на основе узкой прямоугольной ускоряющей структуры и постоянные магниты взамен электромагнитов. Применение узкой ускоряющей структуры позволило простым способом решить проблему обхода пучком линейного ускорителя на первой орбите и, таким образом, облегчить настройку и эксплуатацию установки. Использование постоянных магнитов, не требующих источников питания, дает возможность вдвое сократить мощность, потребляемую разрезным микротроном, существенно упрощает систему охлаждения и систему контроля и управления ускорителем [4]. В течение 1996 г. была проведена дальнейшая оптимизация проекта - для упрощения оптики ускорителя были использованы свойства высокочастотной квадрупольной фокусировки, которыми обладает прямоугольная ускоряющая структура [5], а также была изменена конструкция постоянных магнитов, что позволило при сокращении их размеров достичь больших величин магнитной индукции в межполюсном зазоре [6, 7]. Вследствие этого произошло дальнейшее сокращение размеров и упрощение конструкции установки. Общий вид разрезного микротрона показан на Рис. 1. Основные параметры ускорителя приведены в Таблице 1.

70 МэВ разрезной микротрон состоит из следующих основных систем: системы инжекции, линейного ускорителя, поворотных магнитов, фокусирующей системы, системы вывода пучка, системы СВЧ питания и модулятора, системы охлаждения, вакуумной системы, системы крепления и юстировки, системы блокировок, контроля и управления.

МЕ2

Рисунок 1. Общий вид импульсного разрезного микротрона.

Таблица 1. Основные параметры импульсного разрезного микротрона.

Энергия на выходе ускорителя 10-70 МэВ

Прирост энергии за оборот 5 МэВ

Максимальный ток пучка при энергии 70 МэВ ■ Вариант с магнетроном ■ Вариант с клистроном 10 мА 35 мА

Рабочая частота 2856 МГц

Увеличение длины орбиты за оборот 1 X

Индукция поля в поворотных магнитах 1 Тл

Мощность СВЧ источника ■ Магнетрон МИ-456 ■ Клистрон "Буран - М" 2.5 МВт 4-6 МВт

Габариты разрезного микротрона (часть, показанная на Рис. 1) 0.6x0.5x1.3 mj

Принцип действия разрезного микротрона заключается в следующем. Низкоэнергетичный пучок электронов от пушки (EG, Рис. 1), сгруппированный с помощью предгруппирователя (В), после прохождения сквозь апертуру первой фокусирующей линзы (L1) инжектируется посредством а-магнита (МС1) и второй фокусирующей линзы (L2) в линейный ускоритель (AS). Ускоренный пучок поворачивается на 180° магнитом (Ml) и, пройдя пространство дрейфа, вторым магнитом (М2) возвращается на ось линейного ускорителя, после чего цикл ускорения повторяется. Устойчивый режим ускорения достигается выбором определенного соотношения величины прироста энергии в линейном ускорителе, индукции поля в поворотных магнитах и выбором расстояния между магнитами. Вывод пучка с какой-либо орбиты осуществляется с помощью магнитов системы вывода пучка (МЕ1, МЕ2). Рассмотрим кратко некоторые из систем разрезного микротрона.

Система инжекции.

Система инжекции включает в себя импульсную электронную пушку (EG), предгруппирователь (В), ос-магнит ввода пучка (МС1), соленоидальные фокусирующие линзы (L1 и L2), корректирующие магниты (МС2, МСЗ).

Электронная пушка обеспечивает создание пучка электронов с энергией около 50 КэВ, током до 300 мА и поперечным эмиттансом около 20ммхмрад. Высоковольтное питание пушки осуществляется от модулятора СВЧ источника, чем и определяется точное значение энергии инжектируемого пучка.

Предгруппирователь модулирует пучок по энергии таким образом, чтобы в конце пространства дрейфа с эффективной длиной около 0.2м, на входе линейного ускорителя, обеспечить максимальную амплитуду первой гармоники переменной составляющей тока пучка.

Соленоидальная фокусирующая линза (L1) обеспечивает необходимые условия для входа электронов в а-магнит ввода пучка.

Ввод пучка на ось линейного ускорителя производится с помощью а-магнита [8], поворачивающего пучок на ~ 270°, не создающего пространственной и угловой дисперсии, обладающего приемлемой оптикой и мало влияющим на процесс группирования слаборелятивистского пучка.

Соленоидальная линза (L2) фокусирует низкоэнергетичный пучок в центр первой ячейки линейного ускорителя, не оказывая практически влияния на пучок с последующих орбит.

Магниты МС2, МСЗ корректируют слабое влияние а-магнита на поперечное движение пучка.

Линейный ускоритель.

Линейный ускоритель основан на прямоугольной бипериодической ускоряющей структуре с внутренними ячейками связи [9, 10]. Секция линейного ускорителя состоит из семи ускоряющих ячеек и шести ячеек связи. Длина первой ускоряющей ячейки, в которую инжектируется электроны, и относительная амплитуда поля в ней выбраны из условия максимального захвата пучка в режиме ускорения низкоэнергетичных заряженных частиц при учете особенностей динамики пучка в разрезном микротроне на последующих орбитах. Для обеспечения высокочастотной фокусировки в горизонтальной плоскости в области устойчивых фазовых колебаний разрезного микротрона пролетные отверстия линейного ускорителя сделаны вытянутыми в вертикальной плоскости. Ввод высокочастотной мощности производится через окно связи центральной ячейки. Еще одна важная особенность ускоряющей структуры - в ее боковой стенке предусмотрено сквозное отверстие для дрейфа электронов после первого цикла ускорения, тем самым проблему обхода пучком линейного ускорителя на первой орбите удается решить без введения дополнительных специальных отклоняющих систем.

Анализ зависимости стоимости оборудования и эксплуатации установки, размеров разрезного микротрона показывает, что оптимальным частотным диапазоном является диапазон 2856 МГц. Длина линейного ускорителя на этой частоте составляет около 0.35 м, а высокочастотная мощность, затрачиваемая на создание ускоряющего поля, 1.5 МВт при значении индукции поля поворотных магнитов около 1 Тл. Прирост энергии релятивистского пучка в линейном ускорителе составит при этом 5 МэВ. Таким образом, число орбит при заданной максимальной энергии равно 14.

Поворотные магниты.

В силу специфики работы 70 МэВ разрезного микротрона особое значение придается снижению потребляемой мощности установки. Уменьшить расход электроэнергии удалось за счет внедрения новой разработки, а именно поворотных магнитов на основе использования постоянных магнитов из самарий-кобальта (Sm-Co). Это дало возможность сократить вдвое мощность, потребляемую разрезным микротроном, существенно упростить в целом конструкцию ускорителя. а) (б)

Рисунок 2. Кривые размагничивания для ТПМ: (а) кривая размагничивания по намагниченности, (б) кривая размагничивания по индукции.

Самарий-кобальт относится к классу Редко-Земельных Материалов, созданных на основе интерметаллических соединений редкоземельных металлов с кобальтом. Чтобы понять причину выбора данного источника магнитного поля остановимся кратко на свойствах постоянных магнитов. Разделим условно все постоянные магниты на Традиционные Постоянные Магниты (сплавы и некоторые ферриты) и на РЗМ. Кривые размагничивания по намагниченности и индукции для ТПМ изображены на Рис. 2 [11, 12]. ТПМ характеризуются тем, что будучи намагниченными в магнитном поле, они теряют значительную часть своего потока после их вынесения из намагничивающего поля. Видно, что в области положительных величин /и0Н намагниченность /л^М с уменьшением напряженности магнитного поля также уменьшается от максимального значения /и0Мтях до своего значения Вг, когда напряженность поля равна нулю, где Вг - остаточная индукция, причем разница между Вг и ju0Mmax составляет десятки процентов. Более того, намагниченность в ТПМ существенно неоднородна как по величине, так и по направлению. Из-за такой неоднородности не удается в достаточной степени контролировать свойства ТПМ. Поскольку в ускорительной технике к магнитным полям предъявляются повышенные требования, то использовать ТПМ в этой области не представляется возможным. а) (б)

Рисунок 3. Кривые размагничивания для РЗМ: (а) кривая размагничивания по намагниченности, (б) кривая размагничивания по индукции.

Ситуация резко изменилась, когда в 70-х годах на смену ТПМ пришли РЗМ. Замечательным свойством РЗМ является то, что их кривые размагничивания по намагниченности и индукции имеют прямолинейные участки (см Рис. 3). Для кривой размагничивания по индукции прямолинейный участок располагается между точками (~ju0Hk, 0) и (0, Вг). При этом в пределах широкого диапазона изменения напряженности магнитного поля и(] Н намагниченность остается практически постоянной, равной остаточной индукции Вг. Иными словами, будучи намагниченными в магнитном поле, РЗМ полностью сохраняют свой поток после их вынесения из намагничивающего поля. Кроме того, неоднородность намагниченности по абсолютному значению и направлению в таких материалах значительно ниже, чем в ТПМ. Эти преимущества дают возможность использовать РЗМ для создания высокопрецизионных магнитных полей. Остаточная индукция Вг и коэрцитивная сила ju0Hc/j в РЗМ оказываются порядка 1 Тл. Поэтому они могут обеспечивать высокий уровень удельной энергии магнитного поля. Данное обстоятельство позволяет строить магнитные системы, целиком состоящие только из одних РЗМ [13-15]. В связи с этим РЗМ с самого начала преимущественно стали применяться в конструировании различного рода компактных приборов для транспортировки пучков [16-21]. Вместе с тем достигнут определенный успех в создании больших гибридных магнитных систем - систем, состоящих из РЗМ и стальных элементов [22-25]. Однако использовать подобные магниты для разрезного микротрона не представляется возможным по ряду причин, обусловленных спецификой ускорителя.

Поворотные магниты должны создавать индукцию магнитного поля на уровне 1 Тл в рабочей области размером около 0.5x0.25м . Помимо функции рециркуляции пучка, поворотные магниты обеспечивают также фокусировку пучка в вертикальной плоскости. Требуемая фокусировка достигается специальным образом сформированным краевым полем.

Известным недостатком РЗМ является сильная зависимость их магнитных свойств от температуры. Однако требования к параметрам электронного пучка таковы, что возможные вариации величины намагниченности вполне допустимы, так что нет острой необходимости использовать термостабилизацию поворотных магнитов.

Краевое поле с требуемой конфигурацией может быть создано с помощью постоянных магнитов, специальным образом расположенных на входе/выходе магнита, или путем введения дополнительных "обратных" полюсов, имеющих потенциалы обратного знака по отношению к потенциалам основных полюсов. Так как свойства РЗМ не удается контролировать с достаточно высокой точностью, был выбран второй путь.

Для тонкой подстройки величины индукции полей в рабочем зазоре, обеспечивающей нужный уровень полей и идентичность обоих магнитов, используются юстирующие постоянные магниты и шиммы.

Фокусирующая система.

Фокусировка пучка в горизонтальной плоскости, как отмечалось выше, достигается высокочастотным полем линейного ускорителя. Вертикальная фокусировка обеспечивается квадруполем (Q) и краевым полем поворотных магнитов. Для корректировки положения электронов в пространстве дрейфа необходима установка на индивидуальных орбитах корректоров смещения пучка (С) в вертикальной и горизонтальной плоскостях (на Рис. 1 размещение корректоров показано на последней орбите).

Система вывода пучка.

Вывод пучка из разрезного микротрона может производиться, начиная со второй орбиты (10 МэВ) с шагом 5 МэВ. На орбитах, с которых предусмотрен вывод пучка, устанавливаются магниты вывода МЕ1. Данные магнитные системы относятся к классу гибридных магнитов. Их основные отклоняющие поля создаются полюсами, возбуждаемыми РЗМ, а небольшая подстройка величины индукции поля в рабочей области осуществляется корректирующими обмотками. Магнит отклоняет пучок на небольшой угол (-5°) так, что заряженные частицы входят в поворотный магнит М2 с некоторым смещением. С таким же смещением и под этим же углом пучок выходит из поворотного магнита, дополнительно отклоняется магнитом МЕ2 и направляется в линию транспортировки пучка.

Основная часть настоящей диссертации посвящена разработке поворотных магнитов принципиально нового типа для 70 МэВ разрезного микротрона. Кроме того, в работе рассматривается проблема создания более компактных магнитных систем ускорителя, а именно соленоидальных фокусирующих линз, корректоров смещений траекторий движения заряженных частиц и магнитов вывода пучка. В одном из параграфов проводится предварительный расчет поворотного магнита для разрезного микротрона на энергию 35 МэВ.

К 180° поворотным магнитам разрезного микротрона предъявляются ряд жестких требований [26]:

• высокая, порядка 0.1%—0.01% (в зависимости от типа разрезного микротрона), однородность магнитного поля в рабочем объеме с характерными размерами 0.6мх0.3мх0.02м,

• долговременная стабильность поля (не ниже 0.1%),

• равенство полей двух поворотных магнитов (с точностью выше 0.1%),

• специальным образом сформированное краевое поле, обеспечивающее вертикальную фокусировку пучка и обход им линейного ускорителя на первой орбите. а) (б)

Рисунок 4. (а) Силовые линии магнитного поля и (б) распределение поля вдоль медианной плоскости на краю диполя.

Обратимся к важному для поворотного магнита требованию формирования краевого магнитного поля. На Рис. 4(a) показаны силовые линии магнитного поля, созданного между двумя плоскими полюсами (так называемое поле диполя). Распределение поля вдоль медианной плоскости магнита представлено на Рис. 4(6), где точка z = 0 указывает границу полюсов. На краю магнита существует магнитное поле, отличное от нуля, причем помимо вертикальной составляющей присутствует и его горизонтальная составляющая. Поэтому заряженная частица, входящая в магнит, в краевом магнитном поле будет испытывать влияние всех трех компонент силы Лоренца. Это приводит к вертикальной дефокусировке пучка с фокусным расстоянием, близким к радиусу поворота, который на первой орбите составляет около 15мм. d б)

Линейный ускоритель

Обратный полюс

Рисунок 5. (а) Конфигурации краевого поля, обеспечивающие вертикальную фокусировку пучка, (б) траектории движения заряженных частиц в присутствии и без обратного поля.

Вертикальная фокусировка пучка будет иметь место для конфигураций краевого поля, показанных на Рис. 5(a) [27]. Магнитное поле диполя будем называть основным, а магнитное поле обратной по отношению к направлению основного поля полярности - обратным. Соответствующие названия сохраним и для полюсов, создающих эти два поля. Итак, при наличии обратного поля траектория движения заряженных частиц выглядит так, как изображено на Рис. 5(6) сплошной линией. Для сравнения штриховой линией представлена траектория движения заряженной частицы без обратного поля. Видно, что за счет обеспечения вертикальной фокусировки пучка эффективный диаметр d орбиты уменьшился. Поэтому возможно возникновение ситуации, когда из-за малости d по сравнению с поперечным размером линейного ускорителя пучок на первой орбите не может обойти ускоряющую структуру и, как следствие, теряется (именно данный случай рассмотрен на Рис. 5(6)). Чтобы решить проблему обхода электронами линейного ускорителя, необходимо обеспечить создание определенной формы кривой распределения обратного поля. На Рис. 5(a) представлены зависимости В (z) для двух вариантов краевых полей.

Различие кривых состоит в том, что обратное поле 1 характеризуется большим выбросом, более узким минимумом и располагается ближе к основному полю по сравнению с полем варианта 2. Оба распределения краевых полей оказывают одинаковое фокусирующее действие на пучок электронов. Однако в первом случае эффективный диаметр орбиты больше чем во втором. Поэтому для обеспечения требуемых фокусировки и d нужно оценить величину и ширину минимума обратного поля, а также близость его расположения к основному полю. v=o v=o

Медианная плоскость

V=0 X

Рисунок 6. Силовые линии магнитного поля в воздушном зазоре при несимметричном возбуждении полюсов.

Рассмотрим проблему получения однородного магнитного поля. Из-за разной намагниченности (как по величине, так и по направлению) блоков РЗМ происходит отклонение уровня поля в рабочей области от его требуемого значения. Кроме того, появляются возмущения, нарушающие картину распределения поля в межполюсном зазоре. Поясним влияние различия магнитных свойств РЗМ на поведение магнитного поля в рабочей области с помощью магнитной системы, состоящей из двух полюсов (разность потенциалов между которыми создается посредством постоянных магнитов), воздушного зазора, и ярма с нулевым скалярным потенциалом (см Рис. 6). В случае идеальных РЗМ в воздушном зазоре существует магнитное поле диполя V напряженности — (в центре зазора, 2h0 К высота воздушного зазора) с одной лишь вертикальной составляющей в медианной плоскости. Использование постоянных магнитов с реальными характеристиками приводит к неодинаковому возбуждению полюсов. Как следствие, в рабочей области появляются горизонтальные компоненты магнитного поля, так называемые асимметричные компоненты поля, спадающие до нуля на поверхности полюсов (здесь, конечно, мы ограничиваемся рассмотрением полюсов, выполненных из стали с бесконечно большой магнитной проницаемостью). Рисунок 6 соответствует случаю, когда V0 <V0+AV0. На нем изображены только те силовые линии, которые идут от одного полюсного наконечника к другому. При движении внутрь воздушного зазора кривизна линий становится меньше, т.е. однородность поля повышается. Асимметричные компоненты поля V

-кспадают экспоненциально. Доминирующий член ряда пропорцонален е 2,% . Отметим, что спад асимметричных компонент поля в два раза медленнее убывания симметричных компонент поля. В связи с указанными несовершенствами в конструкцию магнитной системы, имеющей элементами

РЗМ, закладывают возможности подстройки уровня магнитного поля в рабочей области и компенсации его асимметричных компонент. Отметим, что асимметричные компоненты магнитного поля не вызывают существенных трудностей в электромагнитах в силу высокой точности изготовления возбуждающих обмоток и стабильности их электропитания.

Главной целью диссертации является разработка принципиально нового 180° поворотного магнита разрезного микротрона, а именно магнита на основе РЗМ, обладающего следующими важными достоинствами:

• уровень основного поля 1 Тл в рабочей области 50x25x2cmj,

• однородность основного поля 0.3%,

• краевое поле, обеспечивающее вертикальную фокусировку 5 МэВ пучка с фокусным расстоянием ~1м и эффективный диаметр первой орбиты d > 32 мм,

• однородность обратного поля вдоль окна для ввода/вывода пучка 1%,

• подстройка уровней основного (на ±2%) и обратного (±5%) полей и возможность компенсации их асимметричных компонент в рабочей области.

Магнитное поле поворотного магнита, состоящего из РЗМ, стальных ярма и полюсов, в данной работе рассматривается как линейная суперпозиция двух типов полей - прямого и непрямого полей [28-31]. Для оценки характеристик непрямого поля используется концепция добавочных коэффициентов. Этот метод является чрезвычайно мощным инструментом для многих практических применений, позволяющим производить расчет сложных магнитных систем, подобных поворотному магниту для разрезного микротрона, с помощью простых уравнений. Наряду с добавочными коэффициентами для оценки высоты обратного полюса, возможностей подстройки основного и обратного полей используется представление магнитной системы ее эквивалентными электрическими аналогами. Кратко изложим содержание диссертации.

В главе I проводится обоснование аналитических моделей и вывод основных соотношений, используемых в расчете поворотного магнита.

В параграфе 1-1 доказывается возможность описания свойств постоянных магнитов с помощью моделей эквивалентных магнитных зарядов и токов.

Вывод необходимых формул для расчета прямого и непрямого магнитных потоков представлен в 1-2 и 1-3, здесь же поясняется конценция добавочных коэффициентов и удобство сведения магнитной системы к эквивалентной электрической схеме.

Параграф 1-4 посвящен предварительным анализу базовой конструкции поворотного магнита и расчету основных ее параметров.

В главе II исследуется проблема обеспечения требуемой фокусировки электронного пучка на первой орбите с учетом поперечных размеров линейного ускорителя, оцениваются возможности подстройки уровней основного и обратного полей, выполняется полуаналитический расчет полной геометрии поворотного магнита. Далее, опираясь на полученные данные, проводится оптимизация магнитной системы с учетом реальных свойств стали. Выясняется необходимость введения устройства пассивной магнитной защиты (экрана). Затем, учитывая рекомендации специалистов фирмы-изготовителя магнитных систем, выполняется расчет окончательной модели поворотного магнита. В конце главы приведена характеристика основных параметров изготовленных поворотных магнитов, представлены результаты измерения распределений полей и настройки устройств.

Взаимное расположение полюсов (основного и обратного) и ярма, обеспечивающее возможность создания требуемого распределение поля на медианной плоскости, в тех их частях, которые непосредственно обращены к рабочей области, определяется в II-1. Все оценки продятся численно с помощью программ POISSON [32-34] и RTMTRACE [35].

В II-2 определяются параметры геометрии обратного полюса с учетом проблем, связанных с эффектом насыщения стали в полюсах.

Параграф II-3 посвящен полуаналитическому расчету базовых характеристик поворотного магнита для разрезного микротрона.

В II-4 и II-5 рассматриваются решения проблем подстройки уровней обратного и основного полей, компенсации их асимметричных компонент в рабочей области. Выводятся формулы для определения величин механических сил и момента сил, действующих на корректирующие элементы (тюнеры) поворотного магнита. Исследуются возможности уменьшения усилий, прилагаемых при вращении тюнеров.

В параграфах II-6, II-7 приведены результаты расчетов поворотного магнита, выполненных с помощью 3-х мерных кодов магнитостатики -TOSCA, MERMAID и ANSYS. Сначала на основе данных, полученных в II-3, проводится оптимизация модели магнитной системы, разрабатывается базовая схема экрана и способ его расположения на входе/выходе магнита (см II-6). В параграфе II-7 перечислены основные технологические требования к конструкции поворотного магнита, вносятся соответствующие изменения в проект устройства и производится расчет варианта магнитной системы, готового к передаче для рассмотрения специалистами на производстве.

В параграфе II-8 собраны экспериментальные данные об основных параметрах изготовленных поворотных магнитов и результатах измерения распределений полей и настройки устройств.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Новиков, Глеб Анатольевич

Заключение,

Основными результатами, полученными в данной работе, являются:

1. Выбрана базовая геометрия поворотного магнита для разрезного микротрона на энергию 70 МэВ, дающая возможность создать уровень магнитного поля 1 Тл в рабочем обьеме, проведена оценка приблизительных пространственных размеров и веса рассматриваемого устройства.

2. Численным моделированием найдено взаимное расположение полюсов (основного и обратного) и ярма вблизи воздушного зазора, обеспечивающих необходимую фокусировку пучка и обход им линейного ускорителя на первой орбите.

3. Рассчитана полная геометрия обратного полюса, принимая во внимание эффект насыщения стали в полюсах.

4. Оценены базовые характеристики конфигурации поворотного магнита с учетом требований, предъявляемых к распределениям краевых полей.

5. Проанализированы возможности подстройки уровней основного и обратного полей, исследованы влияния действий сил и моментов сил на юстирующие элементы основного поля.

6. Выполнены 3-х мерные численные расчеты геометрии поворотного магнита, показана необходимость введения магнитного экранирования области окна для ввода/вывода пучка.

7. Проведены численные расчеты окончательной геометрии поворотного магнита с учетом технологических требований.

8. Выполнены измерения характеристик распределения магнитных полей двух изготовленных поворотных магнитов и настройка устройств.

9. Выполнены расчет, разработка конструкции соленоидальных фокусирующих линз, корректоров смещения пучка и измерения величин индукций их полей.

10. Выполнены расчет и разработка конструкции магнита вывода 70 МэВ пучка.

11. Выполнены предварительные расчеты поворотных магнитов для разрезного микротрона на энергию 35 МэВ.

Таким образом, проведенные исследования показали принципиальную возможность создания поворотных магнитов для разрезных микротронов на основе использования РЗМ. В результате были изготовлены два поворотных магнита для 70 МэВ разрезного микротрона. Измерения полевых характеристик устройств показали соответствие параметров их расчетным значениям.

В заключении хотелось бы выразить искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю ведущему научному сотруднику ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ В.И. Шведунову за критические замечания и конструктивные предложения при обсуждении данной диссертационной работы, заведующему кафедры Общей Ядерной Физики физического факультета МГУ профессору Б.С. Ишханову, американскому профессору К. Хальбаху, П. Трауэру, оказавшему финансовую поддержку проектов импульсных разрезных микротронов на энергии 70 и 35 МэВ, а также коллективам кафедры и ОЭПВАЯ за оказанную помощь и поддержку при написании диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Новиков, Глеб Анатольевич, 2001 год

1. N.P. Sobenin, A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.I. Shvedunov, and W.P.Trower, Design of a Compact 70 MeV Multi-Purpose Pulsed Race-Track Microtron,

2. Proceedings of 1994 European Particle Accelerator Conference, Y. Suller and Ch. Petit-Jean-Gernaz, eds. (World Sci., Singapore, 1994), 512-514.

3. W.P. Trower, A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.I. Shvedunov, and N.P. Sobenin, Design of a Mobile 70 MeV Race-Track Microtron for the Carbon/Nitrogen Cameras, Nucl. Instrum. Meth. В 99 (1995) 736.

4. V.I. Shvedunov, A.I. Karev, V.N. Melekhin, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, Improved Mobile 70 MeV Race-Track Microtron Design, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, L. Gennari, ed. (IEEE, Piscataway, 1995) Vol. 2, 807-809.

5. A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.I. Shvedunov, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, A Permanent Race-Track Microtron End Magnet, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, L. Gennari, ed. (IEEE, Piscataway, 1995) Vol. 2, 1375-1377.

6. N.P. Sobenin, V.N. Kandurin, A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.I. Shvedunov, and W.P. Trower, Rectangular Microtron Accelerating Structure, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, L. Gennari, ed. (IEEE, Piscataway, 1995) Vol.3, 1827-1829.

7. K. Halbach, O.V. Chubarov, A.I. Karev, G.A. Novikov, V.I., Shvedunov, and W.P. Trower, Hybrid Race-Track Microtron End Magnets, IEEE Nucl. Symp. Conf. Rec. 15(1997) 637-638.

8. G.A. Novikov, O.V. Chubarov, K. Halbach, A.I. Karev, V.I. Shvedunov, W.P. Trower, Novel Race-Track Microtron End Magnets, Nucl. Instrum. Meth. В 139 (1998) 527-530.

9. V.S. Schachkov, A.N. Ermakov, V.I. Shvedunov, A Fixed Gradient Rare Earth Permanent Alpha-Magnet, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, 21252127.

10. V.I. Shvedunov, A.N. Ermakov, D.I. Ermakov, F.D. Nedeoglo, G.A. Novikov, N.P. Sobenin, W.P.Trower, Rectangular Accelerating-Focusing Structure High Power Tests, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, 889-891.

11. Ю.М. Пятин, Постоянные магниты. Справочник, Москва, "Энергия", 1980, с. 486

12. К. Halbach, Physical and Optical Properties of Rare Earth Cobalt Magnet,

13. Nucl. Instrum. Meth. 187 (1981) 109-117.

14. К. Halbach, Specialty Magnet, LBL-21945, July 1986.

15. R.F. Holsinger, The Drift Tube and Beam Line Quadrupole Permanent Magnets for the NEN Proton Linac, Proceedings of the 1979 Proton Linac Conference, Montauk, New York, 1979, p. 373.

16. N.V. Lazarev, V S. Skachkov, Tipless Permanent Magnet Quadrupole Lenses,

17. Proceedings of the 1979 Proton Linac Conference, Montauk, New York, 1979, p. 380.

18. Y.I.E. Wintraecken, A.T.A.M. Derksen, J.I.M. Botman, L.W.A.M. Gossens, H.L. Hagedoorn, C.J. Timmermans, Design and Performance of a Permanent Magnetic Quadrupole for a Low Energy Liner accelerator Beam Line,

19. Proceedings of the 1996 European Particle Accelerator Conference, edited by S. Maier, A. Pacheco, R. Pascual, Ch. Petit- Jean-Genaz and J. Pool (Institute of Physics, Bristol, 1996), 2173-2175.

20. R.F. Holsinger, N. Billerica, Permanent Magnet Beam Transport, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, edited by L. Gennary (IEEE Piscataway, 1995), 1305-1309.

21. K. Halbach, Use of permanent magnets in accelerator technology: present and future, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 96, 1987, 259-277.

22. K. Halbach, Magnet Innovation for Linacs, 1986 Linear Accelereting Conference Proceedings, June 1986, SLAC-Report-303,(1986) 407-410.

23. J. Chavanne, P. Elleaume, P. Van Vaerenbergh, Segmented High Quality Undulater, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, edited by L. Gennary (IEEE Piscataway, 1995), 1319-1321.

24. R.P. Walker, R. Bracco, A. Codutti, B. Diviacco, D. Millo, D. Zangrando, Status of ELETTRA Insertion Devices, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, edited by L. Gennary (IEEE Piscataway, 1995), 1432-1434.

25. S. Caspi, R. Schlueter, R. Tatchyn, High-Field Strong-Focusing Undulator Dsigns for X-RayLinac Coherent Light Sourse (LCLS) Application, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, edited by L. Gennary (IEEE Piscataway, 1995), 1441-1443.

26. Roy E.Rand, Recirculating Electron Accelerators, Harwood Academic Pulishers, New York, 1984.

27. H. Babic and M. Sedlacek, Nucl. Instrum. Meth. 56 (1967) 170.

28. The Art and Science of Magnet Design, Vol. 1, PUB-754, February 1995, p. 55.

29. K. Halbach, Summary of Jiilich Lectures, 1985-1986, LBID-1547, September 1986.

30. K. Halbach, Insertion Device Design, Sixteen Lectures Presented from October 1988 to March 1989, V-8811-1.1-16, March 1989.

31. K. Halbach, 1990 Magnet Technology Lectures at LBL, V-902-2.1-6, April 1990.

32. Reference Manual for the POISSON/SUPERFISH Group of Code, Los

33. Alamos Accelerating Code Group LA-UR-87-126.

34. K. Halbach, Application of conformal mapping to evaluation and design of magnets containing iron with nonlinear B(H) characteristics, Nucl. Instrum. Meth. 64(1968) 278-284.

35. K. Halbach, A Program for Inversion of System Analysis and Its Application to the Design of Magnets, UCRL-17436, July 1967.

36. RTMTRACE, V.G. Gevorkyan, A.B. Savitsky, M.A. Sotnikov, and V.I. Shvedunov, VINITI deposit number 183-B89 (1989) (in Russian).

37. K. Halbach, Design of permanent multypole magnets with oriented rare earth cobalt material, Nucl. Instrum. Meth. 169 (1980) 1-10.

38. Г. Корн, Т. Корн, Справочник по математикедля научных работников и инженеров, Москва, "Наука", 1968, с. 171.

39. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, Москва, "Наука", 1992, с. 169.

40. The Art and Science otMagnet Design, Vol. 2, PUB-755, February 1995, p. 5.

41. Б.А. Фукс, Б. В. Шабат, Функции комплексного переменного и некоторые их приложения, М.-Л., Гос. изд. техн.-теорет. лит., 1949, с. 343.

42. К. Halbach, Understanding Modern Magnets through Conformal Mapping, International Journal of Modern Physics B, Vol. 4, No. 6 (1990) 1201-1222.

43. K. Halbach, Design considerations for a lumped solenoid, LBL-4270, Augest 1975.

44. M.A. Лаврентьев, Б.В. Шабат, Методы теории функции комплексного переменного, Москва, Физматгиз, 1958.

45. А.Г. Свешников, А.Н. Боголюбов, В.В. Кравцов, Лекции по математической физике, Изд. МГУ, 1993, с. 159.

46. А.Н. Тихонов, А.А. Самарский, Уравнения математической физики, Москва,"Наука",1972, с. 327.

47. Г.Б. Двайт, Таблицы интегралов и другие математические формулы, Москва, "Наука",178, с. 9.

48. В.Ф. Миткевич, Магнитный поток и его преобразования, M.-JL, Изд. АНСССР, 1946, с. 117.

49. Л.Э. Эльсгольц, Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление, Москва, УРСС, 1998, с. 208.

50. JI.A. Арцимович, С.Ю. Лукьянов, Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях, Москва, "Наука", 1972, с. 13.

51. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теория поля, Москва, "Наука", 1988, с. 186.

52. В.В. Батыгин, И.Н. Топтыгин, Сборник задач по электродинамике, Москва, Физматгиз, 1962, с. 243.

53. И.С. Градштейн, И.М. Рыжик, Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений, Москва, Физматгиз, 1962.

54. P.F. Byrd and М.Р. Friedman, Handbook of elliptic integrals for engineers and physicists, Berlin Gottingen - Heidelberg, 1954, p. 146.

55. A.M. Журавский, Справочник по эллиптическим функциям, М.-Л., Изд. АНСССР, 1941, с. 56.

56. U. Czok, G. Moritz and H. Wollik, Surface Coils to Improve the Homogeneity of a Given Magnet, Nucl. Instrum. Meth. 140 (1977) 39-45.

57. H. Herminghaus, K.H. Kaiser and U. Ludwig, Beam Optics and Magnet Technology of the Micritron in Mainz, Nucl. Instrum. Meth. 187 (1981) 103-107.

58. H. Herminghaus, P. Jennewein, U. Ludwig-Mertin, G. Meyer, P. Zinnecker, The reversing Magnets of the 850 MeV stage of MAMI, Proceedings of EPAC 1988, 1151-1153.

59. K. Halbach, Field correction windings for iron magnets, Nucl. Instrum. Meth. 107(1973) 515-528.

60. B.C. Скачков (научный сотрудник ИТЭФ), Личное сообщение.