Нормальнопроводящие линейные ускорители электронов непрерывного действия для прикладных целей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Юров Дмитрий Сергеевич

• Юров Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Юров Дмитрий Сергеевич

Введение

1. Особенности работы линейных ускорителей электронов в непрерывном режиме

1.1. Тепловые нагрузки

1.1.1. Сдвиг частоты

1.1.2. Нелинейный эффект

1.2. Системы СВЧ питания

1.2.1. Схема с постоянной частотой задающего генератора

1.2.2. Схема с перестраиваемой частотой задающего генератора

1.2.3. Схема автоколебательного режима работы

1.3. Динамика пучка

1.4. Перспективы создания мощных линейных ускорителей электронов непрерывного действия

2. Линейный ускоритель электронов непрерывного действия на энергию 1 МэВ

2.1. Расчеты систем ускорителя

2.1.1. Электронная пушка

2.1.2. Ускоряющая структура

2.2. Измерения и настройка ускоряющей структуры

2.3. Система СВЧ питания

2.3.1. Расчеты системы СВЧ питания

2.3.2. Измерение характеристик клистрона

2.4. Система высоковольтного питания ускорителя

2.5. Система контроля и управления

2.6. Измерение характеристик пучка ускорителя

3. Система формирования поля облучения

3.1. Принцип формирования поля облучения

3.2. Численное моделирование системы формирования поля облучения

3.3. Экспериментальное изучение системы формирования поля облучения

3.4. Расчеты системы формирования поля облучения для ускорителя с энергией пучка 1 МэВ

4. Узел ввода мощности с регулируемым коэффициентом связи

4.1. Моделирование системы регулировки коэффициента связи

4.1.1. Расчеты системы с 4 плунжерами вблизи диафрагмы

4.1.2. Применение настроечного плунжера для устранения полей в ячейках связи

4.1.3. Расчеты системы с 2 плунжерами по центру широкой стенки волновода

4.2. Измерения на тестовом макете

4.3. Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нормальнопроводящие линейные ускорители электронов непрерывного действия для прикладных целей»

Введение

Разработка методов получения прецизионных непрерывных высокоэнергетичных электронных пучков для исследований в области ядерной физики было одним из ключевых направлений развития ускорительной физики и техники в 70-80-е годы ХХ века. Основная проблема ускорения непрерывных пучков с помощью нормальнопроводящих линейных ускорителей до энергий сотни - тысячи МэВ - низкий темп набора энергии и высокие потери СВЧ мощности на единицу длины ускоряющей структуры, что делает нецелесообразным создание таких ускорителей с энергией пучка больше 10 МэВ. Использование принципа рециркуляции пучка в разрезных и двусторонних микротронах позволило достичь энергии 1.5 ГэВ с помощью нормальнопроводящего линейного ускорителя на установке МАМ1 [1]. Отличный от микротронного принцип рециркуляции используется в мощных промышленных ускорителях типа Rhodotron [2,3].

Быстрый прогресс технологии сверхпроводящих ускоряющих структур, начавшийся в середине 80-х годов, сделал стандартным использование таких структур для получения непрерывных пучков электронов высокой энергии с относительно небольшим средним током [4], а также в ускорителях с рекуперацией энергии [5].

В том случае, если мощность ускоренного пучка заметно превышает потери мощности в стенках ускоряющей структуры, использование нормальнопроводящих структур не только оправдано, но и имеет ряд преимуществ перед сверхпроводящими структурами. В частности, конструкция нормальнопроводящих структур значительно проще, им не нужен криостат и рефрижератор, потери тока пучка в разумных пределах не приводят к серьезным последствиям для ускоряющей структуры. Линейные ускорители электронов непрерывного действия могут обеспечивать пучки электронов с энергией в области от 1 до 10 МэВ с мощностью десятки и сотни киловатт.

Пионерские работы в области разработки линейных ускорителей электронов непрерывного действия на энергию до 10 МэВ и большой мощностью пучка были сделаны в 70-х годах в лаборатории Chalk River [6, 7].

В НИИЯФ МГУ, начиная с 90-х годов, проводятся исследования, направленные на создание мощных линейных ускорителей электронов непрерывного действия S-диапазона (рабочая частота 2450 МГц) для прикладных целей [8, 9], в основе которых лежат результаты, полученные при разработке разрезного микротрона непрерывного действия на энергию 175 МэВ [10]. Важным этапом этих исследований стало создание двухсекционного линейного ускорителя электронов непрерывного с энергией пучка, регулируемой в диапазоне 0,6 - 1,2 МэВ, и мощностью пучка до 60 кВт [11- 13]. Однако указанный ускоритель являлся лабораторным образцом, не приспособленным для широкого использования в промышленности. Создание промышленного образца потребовало проведения ряда исследований, в том числе ускоряющих структур, динамики пучка, системы высокочастотного питания, системы формирования поля облучения, системы управления. Именно проведению таких исследований и посвящена настоящая диссертационная работа.

По величине энергии описанный в настоящей работе ускоритель относится к группе среднеэнергетичных (0.5 кэВ - 5 МэВ) промышленных ускорителей электронов. Ускорители в указанном диапазоне энергии широко используются в промышленности в настоящее время, что определяет актуальность темы диссертации. Они применяются в радиационных технологиях, например, для сшивания полимеров кабельной изоляции, для производства термоусаживающихся изделий и пенополиэтилена, для вулканизации компонентов шин, очистки сточных вод и выбросных газов, стерилизации, для определения радиационной прочности материалов, которые используются в условиях облучения и пр. Активное внедрение радиационных технологий связано также с получением новых материалов с улучшенными потребительскими свойствами.

В настоящее время доминирующее положение в указанной области энергий занимают ускорители электронов прямого действия, имеющие высокий КПД и высокую среднюю мощность пучка [14] и импульсные резонаторные ускорители, работающие в диапазоне частот 100 - 200 МГц, имеющие меньшие габариты, но и меньшую мощность пучка и КПД [15].

Линейный ускоритель непрерывного действия, работающий в диапазоне частоты 2450 МГц, исследуемый в настоящей работе, отличается малыми габаритами при достаточно высоком КПД, возможностью регулирования тока ускоренного пучка на несколько порядков величины за счет использования системы регулирования коэффициента связи ускоряющей структуры с волноводом, низким значением высокого напряжения, не превышающим 15 кВ. Специальная система формирования поля облучения на основе нелинейной квадрупольной линзы в сочетании с непрерывным характером пучка позволяет на 2-4 порядка снизить мгновенную локальную величину потока электронов по сравнению с ускорителями других типов, что принципиально важно для целого ряда применений, в частности, для проведения тестирования на радиационную стойкость электронных компонент космических аппаратов [16], для технологии упрочения твердосплавных инструментов [17].

Основной целью диссертационной работы являлось проведение расчетов систем ускорителя непрерывного действия на энергию 1 МэВ, создание стенда -полномасштабного прототипа ускорителя, разработка методик и измерение характеристик пучка, а также разработка систем формирования поля облучения и регулировки коэффициента связи ускоряющей структуры с питающим волноводом, расширяющих возможности данного ускорителя и повышающих удобство эксплуатации.

Научная новизна полученных результатов заключается в предложении нового типа промышленных ускорителей, основанном на анализе выполненных ранее в данном направлении работ расчетах, создании действующего прототипа ускорителя с энергией 1 МэВ и максимальной мощностью пучка 25 кВт, исследовании его характеристик и его применении для реализации различных

радиационных технологий в космическом материаловедении, промышленности, биологии и медицине. Кроме того, был сформулирован, рассчитан и экспериментально проверен новый принцип формирования поля излучения электронных ускорителей, основанный на использовании нелинейной дефокусирующей линзы. Наконец, впервые для линейных ускорителей со стоячей волной был разработан метод оперативного регулирования коэффициента связи, позволяющий изменять ток ускоренного пучка в широких пределах. Автор выносит на защиту следующие основные положения:

1. Основанное на анализе имеющихся материалов, расчетах и экспериментальных исследованиях автора обоснование того, что линейные ускорители электронов непрерывного действия, работающие в диапазоне длин волн 10 - 20 см, могут использоваться в качестве нового типа промышленных среднеэнергетичных (0.5-5МэВ) ускорителей и составить реальную конкуренцию доминирующим в данной области энергий ускорителям прямого действия, рециркуляционным ускорителям типа «Родотрон» и импульсным резонаторным ускорителям. До выполнения настоящей работы линейные ускорители электронов непрерывного действия рассматривались лишь в качестве экспериментальных установок для лабораторных исследований.

2. Создание действующего прототипа линейного ускорителя электронов непрерывного действия для прикладных целей на энергию 1 МэВ и максимальную мощность пучка 25 кВт, в том числе:

- результаты оптимизация геометрии ускоряющей структуры;

- результаты расчета трехмерной динамики пучка в электронной пушке и ускоряющей структуре, расчета системы высокочастотного питания ускорителя;

- результаты измерения и настройки электродинамических характеристик ускоряющей структуры;

-результаты разработки системы контроля и управления ускорителя, позволяющей использовать его в качестве промышленной установки;

- методика измерения параметров ускоренного пучка;

- результаты измерения параметров пучка ускорителя, демонстрирующие хорошее согласие с расчетными данными.

3. Разработка концепции, расчеты и экспериментальная проверка нового принципа формирования поля излучения для промышленных ускорителей, позволяющего создавать равномерное распределение заряда шириной до 1 м на длине около 1 м с помощью нелинейной квадрупольной линзы, основанной на редкоземельных постоянных магнитах. Разработанный принцип позволяет на порядки снизить пиковую дозовую нагрузку на облучаемую продукцию и значительно упростить процесс планирования облучения и настройки параметров режима облучения для заданных характеристик продукции.

4. Разработка метода оперативного регулирования коэффициента связи питающего волновода с ускоряющей структурой со стоячей волной, который применим как для ускорителей непрерывного действия, так и для импульсных ускорителей. Разработанный метод впервые обеспечивает возможность регулирования в широких пределах тока ускоренного пучка ускорителей со стоячей волной, сохраняя минимальный уровень отраженной СВЧ энергии, что предотвращает опасность разрушения вакуумного СВЧ окна, увеличивает кпд ускорителя и позволяет использовать один и тот же ускоритель для решения разнообразных прикладных задач.

Практическая ценность работы состоит в обосновании возможности создания нового типа промышленных ускорителей электронов, в создании ускорителя непрерывного действия с энергией пучка 1 МэВ, используемого в настоящее время в научных и прикладных исследованиях в НИИЯФ МГУ, в создании нового метода формирования поля излучения для обработки продукции, в разработке метода оперативного регулирования коэффициента связи питающего волновода с ускоряющей структурой со стоячей волной. На основе выполненных исследований планируется создание нового класса промышленных ускорителей

электронов непрерывного действия с энергией до 10 МэВ и мощностью пучка до нескольких сотен кВт. Методики и программы расчета, созданные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке новых проектов ускорителей электронов различного назначения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе описаны особенности работы в непрерывном режиме нормальнопроводящих ускоряющих структур со стоячей волной, особенности динамики пучка электронов в ускорителях непрерывного действия, методы построения систем высокочастотного питания, учитывающие особенности непрерывного режима, определены области энергий и мощности пучка, требования к источникам СВЧ энергии для ускорителей непрерывного действия.

Вторая глава посвящена разработке и испытаниям ускорителя непрерывного действия на энергию 1 МэВ. Приведены результаты расчетов динамики пучка, электродинамических характеристик отдельных ячеек и ускоряющей структуры в целом, СВЧ системы ускорителя, а также методика и результаты экспериментальной настройки ускоряющей структуры. Кратко описаны системы высоковольтного питания и контроля и управления. Показаны методика и результаты пуско-наладочных испытаний.

В третьей главе приведены результаты разработки системы формирования поля облучения на основе постоянных редкоземельных магнитных материалов. Описан принцип, положенный в основу данной системы, приведены результаты численного моделирования, а также результаты экспериментов на импульсном ускорителе электронов с энергией пучка 10 МэВ [18].

Четвертая глава посвящена разработке узла ввода мощности с регулируемым коэффициентом связи. Рассмотрены несколько возможных конфигураций, приведены расчеты электродинамических характеристик, а также результаты измерений макетного образца.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Все результаты, представленные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Научная достоверность результатов работы подтверждается хорошим соответствием измеренных характеристик расчетным данным.

Работа выполнена в Отделе электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова в период с 2011 по 2017 год.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на конференциях:

• 2012 Russian Particle Accelerator Conference, Санкт-Петербург

• 2014 Russian Particle Accelerator Conference, Обнинск

• ПЛИТ-2016, НИЯУ МИФИ, Москва

• 2016 International Particle Accelerator Conference, Busan, Korea

• 2016 Russian Particle Accelerator Conference, Санкт-Петербург

• ЛаПлаз-2017, НИЯУ МИФИ, Москва

Основные результаты диссертации содержатся в 8 опубликованных работах [27, 53-59], из них 3- в журналах Scopus, WoS, RSCI [27, 53, 59], и одном патенте [17]. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В диссертации 131 страница, 78 рисунков, 10 таблиц, список литературы содержит 59 ссылок.

1. Особенности работы линейных ускорителей электронов в непрерывном

режиме.

Особенности работы нормальнопроводящих ускоряющих структур со стоячей волной в непрерывном режиме связаны, прежде всего, с двумя факторами. Во-первых, с высокими тепловыми нагрузками, что приводит к заметному изменению электродинамических характеристик структуры: сдвигу резонансной частоты, появлению или изменению полосы запирания в дисперсионной характеристике, снижению эффективного шунтового сопротивления из-за увеличения сопротивления материала стенок. Во-вторых, с низким уровнем ускоряющего поля, обуславливающим низкий темп набора энергии частицами, в результате чего на значительном участке начальной части структуры электроны остаются нерелятивистскими.

1.1. Тепловые нагрузки 1.1.1. Сдвиг частоты

Тепловые нагрузки ускоряющей структуры вследствие СВЧ потерь в стенках приводят к повышению ее средней температуры, а также к возникновению температурного градиента и связанных с ним деформаций, в результате чего происходит сдвиг частот ускоряющих ячеек и ячеек связи. Типичный уровень потерь СВЧ мощности в стенках ускоряющей структуры в непрерывном режиме составляет около 20 кВт/м в диапазоне длины волны 12 см (2450 МГц), что примерно на порядок больше средних тепловых потерь в импульсном режиме. Такой уровень тепловых потерь обеспечивает темп набора энергии около 1 МэВ/м. Предельный темп набора энергии для нормальнопроводящей ускоряющей структуры ограничен достижением предела текучести материала структуры вследствие температурного градиента или локальным закипанием охлаждающей жидкости. Экспериментально проверенным предельным уровнем тепловых

потерь, является 210 кВт/м [19], соответствующий темпу набора энергии около 3.5 МэВ/м.

Повышение средней температуры зависит от мощности СВЧ потерь в стенках, свойств и расхода охлаждающей жидкости и в типичном случае приводит к сдвигу частоты из-за равномерного увеличения размеров структуры, составляющему 30-40% от ширины резонансной кривой на половине высоты.

Сдвиг частоты, вызванный деформациями структуры, помимо указанных факторов, зависит от конструкции структуры и размещения каналов охлаждения. При периферийном охлаждении структуры, этот сдвиг может в 2-3 раза превышать сдвиг, вызванный повышением средней температуры, в то время как с дополнительными каналами охлаждения в стенках между ускоряющими ячейками и ячейками связи [19] величина сдвига может быть сделана пренебрежимо малой.

Введение каналов охлаждения стенок приводит к значительному усложнению конструкции и технологии изготовления. В этой связи, структуры ускорителей непрерывного действия, разработанные в НИИЯФ МГУ, имеют, главным образом, периферийное охлаждение.

1.1.2. Нелинейный эффект

Зависимость резонансной частоты от уровня высокочастотных потерь в стенках ускоряющей структуры приводит к так называемому нелинейному эффекту, экспериментально обнаруженному и описанному в работе [20]. Суть его заключается в следующем. Если проводить измерение резонансной кривой, давая возможность структуре в каждой измеряемой точке приходить в состояние теплового равновесия, то кривая будет иметь вид, характерный для нелинейного резонанса. На Рис. 1(а) показан вид резонансной кривой, измеренной при быстром (кривая А на Рис. 1) и медленном (кривая В) изменении частоты задающего генератора. Для сравнения приведена также резонансная кривая "холодной" структуры (кривая С).

Рис. 1. Резонансная кривая ускоряющей структуры. А и В, соответственно, кривые, измеренные при быстром и медленном изменение частоты генератора, С - резонансная кривая "холодной" структуры. (б) Измеренные резонансные кривые при различных уровнях мощности клистрона.

Важной особенностью кривой В на Рис. 1(а) является то, что при снижении частоты возбуждающего сигнала ниже резонансной частоты разогретой структуры происходит срыв колебаний с переходом в состояние с существенно меньшим уровнем поля и практически полным отражением возбуждающего сигнала. С другой стороны, при подаче на вход холодной структуры сигнала, с частотой несколько превосходящей частоту разогретой структуры, происходит ее постепенный разогрев с последующим переходом на высокий уровень поля.

На Рис. 1(б) показаны резонансные кривые ускоряющей структуры с периферийным охлаждением, измеренные при различной мощности клистрона [21]. Структура, работающая в диапазоне частоты 2450 МГц, состояла из 7

ускоряющих ячеек и 6 ячеек связи и имела электрическую длину 0.482 м. Коэффициент сдвига частоты структуры при расходе воды около 0.15 л/с составил -65 кГц/кВт/м. Для измерения кривых в области неустойчивости использовалась системы автоподстройки частоты (АПЧ) задающего генератора с постоянной времени много меньшей постоянной времени тепловых процессов -см. Рис. 3. Во время проведения измерений для изменения частоты задающего генератора смещалось положение рабочей точки системы АПЧ с помощью фазовращателя, расположенного на пути падающей волны. Как видно, для структуры с периферийным охлаждением условия для срыва колебаний возникают уже при уровне СВЧ потерь около 5 кВт/м. Такой уровень потерь достаточно часто достигается и у импульсных ускорителей, работающих с высоким коэффициентом заполнения рабочего цикла, и должен учитываться при проектировании систем СВЧ питания.

В некоторых случаях сдвиг частоты при переходе от холодного состояния к состоянию с номинальным уровнем поля составляет несколько ширин резонансной кривой. Данный факт предъявляет дополнительные требования к системе высокочастотного питания: она должна автоматически поддерживать резонансные условия между источником высокочастотной мощности и ускоряющей структурой. Кроме того, у многосекционных ускорителей чувствительность резонансной частоты к уровню высокочастотных потерь может заметно различаться у различных секций, поэтому, если, например, все секции были настроены на одинаковую частоту в холодном состоянии, их резонансные частоты могут быть различны на высоком уровне мощности. В этой связи, не все схемы системы СВЧ питания, используемые в односекционных ускорителях, применимы в многосекционных.

1.2. Системы СВЧпитания

Использование магнетрона в качестве источника высокочастотной мощности для питания ускорителей непрерывного действия затруднительно, поскольку сдвиг резонансной частоты ускоряющей структуры может превышать ширину полосы захвата магнетрона. В этой связи, все известные системы высокочастотного питания таких ускорителей построены на основе клистронов.

В НИИЯФ МГУ были проведены исследования следующих схем автоматического поддержания резонансных условий.

1.2.1. Схема с постоянной частотой задающего генератора

Рис. 2. Упрощенная схема высокочастотного питания с постоянной частотой задающего генератора, (а) с подстройкой частоты температурой, (б) с предварительным разогревом структуры высокочастотным полем в режиме автоколебаний. 1 - задающий генератор, 2 -клистрон, 3 - ускоряющая структура, 4 - циркулятор, 5, 6 - направленные ответвители падающей и отраженной волн, 7 - фазовый детектор, 8 - устройство управления ТЭНами, 9 - ТЭНы, 10 - петля связи, 11 - цепь обратной связи, 12 - переключатель высокочастотных каналов.

Схема с постоянной частотой задающего генератора, показанная на Рис. 2, применима как в односекционных, так и в многосекционных ускорителях. На Рис. 2а показан метод подстройки резонансной частоты, основанный на изменении температуры жидкости, охлаждающей структуру. Перед вводом мощности температура жидкости с помощью теплоэлектронагревательных элементов (ТЭНов) повышается до уровня, обеспечивающего резонанс структуры с задающим генератором. По мере ввода мощности температура снижается системой автоподстройки частоты (АПЧ), включающей фазовый детектор и устройство управления ТЭНами. Диапазон подстройки частоты ограничен допустимым диапазоном изменения температуры жидкости. Метод, основанный на регулировании температуры охлаждающей жидкости, достаточно медленный, что требует большого времени восстановления в случае сбоя. Он требует большого запаса мощности термоэлектрических нагревателей для прогрева ускоряющей структуры перед началом ввода СВЧ мощности.

Для устранения данных недостатков нами был предложен метод ввода высокочастотной мощности в ускоряющую структуру, основанный на переходе в автоколебательный режим работы клистрона с ускоряющей структурой в цепи обратной связи, который был использован в разрезном микротроне непрерывного действия НИИЯФ МГУ [10]. Для разогрева структуры и ввода ее в резонанс с задающим генератором переключателем высокочастотных каналов замыкается цепь обратной связи с заранее подобранными значениями ослабления и сдвига фазы, обеспечивающими возбуждение автоколебаний на уровне высокочастотной мощности, близком к номинальному. По истечении 2-3 постоянных времени теплового процесса в ускоряющей структуре (около 1 мин) цепь обратной связи разрывается, и вход клистрона подключается к задающему генератору. Дальнейшее поддержание резонансных условий обеспечивается системой АПЧ, использующей ТЭНы в качестве исполнительного элемента.

1.2.2. Схема с перестраиваемой частотой задающего генератора

Рис. 3. Схема высокочастотного питания с перестраиваемой частотой задающего генератора. 13 - устройство управления частотой генератора. Остальные обозначения, как и на Рис. 2.

Схема с перестраиваемой частотой задающего генератора, показана на Рис. 3. В данной схеме, сигнал с выхода фазового детектора поступает на вход устройства управление частотой задающего генератора. Частота генератора подстраивается для обеспечения условия резонанса, которое заключается в близком к нулю значении сигнала на выходе фазового детектора. Этот метод может использоваться только в односекционных ускорителях, поскольку при работе в непрерывном режиме резонансные частоты отдельных секций, как правило, ведут себя различным образом.

1.2.3. Схема автоколебательного режима работы.

Схема автоколебательного режима работы клистрона с ускоряющей структурой в цепи обратной связи отличается простотой и надежностью, хорошо подходит для питания ускорителей с большой мощностью пучка и с большими ускоряющими градиентами, у которых возможны изменения частоты рабочего

колебания в широких пределах. При использовании дополнительных цепей стабилизации схема может использоваться и для получения прецизионных электронных пучков.

Рис. 4. Схемы высокочастотного питания с автоколебательным режимом работы клистрона. (а) - Односекционный ускоритель с ферритовым развязывающим устройством. (б) - Односекционный ускоритель без ферритового развязывающего устройства. (с) - Многосекционный ускоритель. 14 - фазовращатель, 15, 16 -направленные ответвители. Остальные обозначения, как и на Рис. 2.

В данной схеме (Рис. 4) маломощный высокочастотный сигнал с петли связи, установленной в одной из ускоряющих ячеек структуры, через цепь обратной связи, включающей регулируемые аттенюатор и фазовращатель и ферритовое развязывающее устройство, подается на вход клистрона. Подбором величины ослабления и сдвига фазы цепи обратной связи обеспечиваются условия автоколебаний на рабочем виде колебания. Частота автоколебаний автоматически следует за резонансной частотой структуры, изменяющейся вследствие тепловых процессов. При возникновении высокочастотных разрядов в ускоряющей структуре или волноводном тракте условия для автоколебаний нарушаются и они прекращаются. Таким образом, при работе в непрерывном автоколебательном режиме величина отраженной от ускоряющей структуры мощности определяется

степенью ее согласования с волноводным трактом, что при хорошем согласовании, допускает работу клистрона на высокодобротную нагрузку без ферритового развязывающего устройства между клистроном и входным окном ускоряющей структуры. Исключение развязывающего устройства удешевляет ускоритель и уменьшает его размеры, позволяя соединять непосредственно фланцы структуры и клистрона, используя вакуумное окно клистрона для вакуумной изоляции ускоряющей структуры.

Проблема согласования ускоряющей структуры для минимизации отраженной волны решается следующим образом. Во-первых, для ускорителя, предназначенного для работы с фиксированной мощностью пучка, коэффициент связи настраивается на значение, оптимальное для данной мощности. Во-вторых, для ускорителя, мощность пучка которого может редко меняться, мы ставим настроечный элемент возле диафрагмы узла ввода мощности, который, в зависимости от положения, позволяет менять коэффициент связи в широких пределах [11]. В-третьих, нами был разработан метод быстрого изменения коэффициента связи с использованием настроечного плунжера, расположенного вблизи диафрагмы (см. Главу 4). В-четвертых, используемые нами клистроны допускают работу с КСВн нагрузки до 1.5. Таким образом, выбирая начальный коэффициент связи 1.2-1.3, мы можем менять мощность ускоренного пучка от почти ноля до нескольких кВт, как это сделано для описанного в данной статье ускорителя на энергию 1 МэВ. Для стабильной работы клистрона важную роль играет фаза отраженной волны. Выбирая длину волновода, мы находим условия, при которых отраженная волна имеет минимальное влияние на работу выходного резонатора клистрона. Автоколебательная схема может использоваться и для питания многосекционного ускорителя, при условии, что требования к стабильности относительных фаз поля невысоки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юров Дмитрий Сергеевич, 2018 год

- \

■ I

•

■

■

•

' 1 1 1 • -,

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

L ,, mm

pp

2,5-,

2,0

1,5

^ 1,0

0,5-

0,0

—■— Measured —•— Calculatec

■

-1- -1- ■ 1 -1- -1-

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

L „ mm

pi'

6)

L „ mm

pi'

Л —■— Меавигес) —•— Са1си^е<3

У-- \\

N

-

■ •—•

-1- -1- -1- -1- -1-

10 15 20 25 30 35

/.,, тт

р1'

В)

Рис. 77. Измеренные и расчетные зависимости коэффициента связи и сдвига резонансной частоты тестового макета от глубины погружения плунжеров для конфигурации а) с плунжерами возле входного окна, б) с двумя плунжерами в середине широкой стенки волновода, в) с одним плунжером. Черные кривые - измеренные зависимости, красные -расчетные.

Point

a)

Рис. 78. Распределения поля на оси макета: а) для конфигурации с 4 плунжерами вблизи окна при глубинах погружения 7 и 14.75 мм, б) для конфигурации с 2 плунжерами при глубине погружения 15 мм.

4.3. Выводы.

Рассмотренные системы различаются направлением изменения коэффициента связи: система с 4 плунжерами увеличивает начальный коэффициент связи, система с 2 и 1 плунжером - наоборот, уменьшает.

В целом, конфигурация с 4 плунжерами вблизи окна позволяет увеличить коэффициент связи более чем в 10 раз, однако при этом происходит сдвиг резонансной частоты более 10 МГц. Такой сдвиг частоты приводит к появлению заметных полей в соседних с узлом ввода мощности ячейках связи, что хорошо видно на Рис. 78а. В случае конфигурации с одним или двумя плунжерами такой проблемы не возникает. Для корректировки сдвига резонансной частоты может быть использован настроечный плунжер в узле ввода мощности.

Другой проблемой конфигурации с 4 плунжерами является наличие электрического поля большой напряженности между противостоящими плунжерами. При глубине погружения плунжеров ЬР1 = 14 мм (зазор между плунжерами 6 мм) напряженность электрического поля между ними достигает 43% от максимальной напряженности ускоряющего поля на оси узла ввода мощности. Данная проблема может быть частично решена увеличением диаметра плунжеров.

Кроме того, конфигурация с 4 плунжерами приводит к большим потерям СВЧ мощности вблизи входного окна, что ведет к необходимости дополнительного охлаждения данной области.

Учитывая эти факторы, а также сложность возможной конструкции, обеспечивающей перемещение 4 плунжеров возле входного окна, конфигурация с одним плунжером является оптимальным выбором, так как обеспечивает изменение коэффициента связи в десятки раз без значительного влияния на резонансную частоту и потери СВЧ мощности в стенках.

Заключение

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано, что ускорители электронов непрерывного действия могут использоваться в качестве нового типа промышленных среднеэнергетичных (0.5-5 МэВ) ускорителей и составлять реальную конкуренцию доминирующим в данной области энергий ускорителям прямого действия и импульсным резонаторным ускорителям.

2. Был создан действующий прототип линейного ускорителя электронов непрерывного действия для прикладных целей на энергию 1 МэВ и максимальную мощность пучка 25 кВт. В процессе создания данного ускорителя:

• была проведена оптимизация геометрии ускоряющей структуры

• выполнены расчеты трехмерной динамики пучка в электронной пушке и ускоряющей структуре, расчеты СВЧ системы ускорителя

• проведена экспериментальная настройка ускоряющей структуры, в результате которой получено требуемое для получения энергии пучка 1 МэВ распределение поля

• разработана система контроля и управления ускорителя, позволяющая использовать его в качестве промышленной установки

• разработана методика и проведены измерения параметров пучка ускорителя, которые показали хорошее согласие с расчетными данными

3. Разработана система формирования поля облучения для промышленных ускорителей на основе редкоземельных постоянных магнитов, позволяющая на порядки снизить пиковую дозовую нагрузку на облучаемую продукцию и значительно упростить процесс планирования облучения и настройки параметров под конкретную продукцию. В процессе разработки было выполнено численное моделирование системы для ускорителя непрерывного действия с энергией пучка 1 МэВ и импульсного ускорителя с энергией пучка 10 МэВ, а также проведены

измерения равномерности поля облучения, полученного с помощью системы, разработанной для импульсного ускорителя с энергией пучка 10 МэВ. 4. Разработан метод оперативной регулировки коэффициента связи питающего волновода с ускоряющей структурой со стоячей волной, применимый как для ускорителей непрерывного действия, так и для импульсных машин. Данная система обеспечивает согласование источника СВЧ мощности и ускоряющей структуры при изменении нагрузки током пучка в широких пределах. При этом были выполнены расчеты нескольких вариантов регулировки коэффициента связи, создан тестовый макет и проведены измерения его электродинамических характеристик, показавшие возможность использования такой методики регулировки коэффициента связи в ускорителях со стоячей волной.

В заключение автор выражает благодарность своему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Шведунову В.И. за критические замечания и всестороннюю помощь при подготовке данной работы. Также автор благодарит сотрудников ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ Н.И. Пахомова, А.С. Алимова, А.Н. Ермакова, А.Н. Каманина, В.В. Ханкина, Л.Ю. Овчинникову, И.Ю. Владимирова, Н.В. Шведунова, Л.Ф. Сопову и Т.Н. Замотину за неоценимую помощь в работе.

Отдельно автор благодарит заведующего ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ проф. Бориса Саркисовича Ишханова за поддержку и искреннее внимание в течение всего срока работы автора в Отделе.

Список литературы

[1] Kaiser K.-H., Aulenbacher K., Chubarov O. et al. The 1.5 GeV harmonic double-sided microtron at Mainz University //Nucl. Instr. and Meth. 2008. Sect. A 593. P. 159170.

[2] Pottier J. A new type of rf electron accelerator: The Rhodotron //Nucl. Instr. and Meth. 1989. B40/41. P. 943-945.

[3] Bassaler J.M., Capdevila J.M., Gal O. et al. Rhodotron: an accelerator for industrial irradiation // Nucl. Instr. and Meth. 1992. B68.P. 92-95.

[4] Grunder H.A., Bisognano J.J., Diamond W.I. et al. The continuous electron beam accelerator facility // Proceedings of the 1987 Particle Accelerator Conference. IEEE, Washington, DC, 1987.P. 13-18.

[5] Hoffstaetter G.H., Gruner S., and Tigner M. Cornell ERL project definition design report. 2011 (unpublished).

[6] McKeown J., Schneider H.R., and Schriber S.O. High power operation of two side-coupled standing wave linac structures // Proceedings of the Proton Linear Accelerator Conference, Los Alamos.Los Alamos Scientific Lab., Los Alamos, 1972.P. 233-241.

[7] Fraser J.S., Kidner S.H., McKeown J. et al. The Chalk River electron test accelerator // Proceedings of the Proton Linear Accelerator Conference, Los Alamos. Los Alamos Scientific Lab., Los Alamos, 1972.P. 226-232.

[8] Alimov A., Chepurnov A., Chubarov O. et al., CW linear accelerator with high beam current // Proceedings ofLINAC-1994, Tsukuba, Japan. KEK, Tsukuba, Japan, 1994.P. 603-605.

[9] Alimov A., Chepurnov A., Chubarov O. et al. Compact low energy cw linac with high beam current // Proceedings of PAC-1995, Dallas, TX. IEEE, New York, 1995. P. 1096-1098.

[10] Alimov A.S., Chepurnov A.S., Chubanov O.V. et al. Performance of the 6 MeV injector for the Moscow racetrack microtron //Nucl. Instr. and Meth. 1993. A326. P. 391-400.

[11] Alimov A.S., Ermakov D.I., Ishkhanov B.S. et al. A continuous-wave linear accelerator with an output electron energy of 600 keV (average beam current of 50 mA) // Instruments Exp. Techniques. 2002.Vol. 45. P. 698-705.

[12] Alimov A., Chepurnov A., Chubarov O. et al. Two sections CW electron linac for industrial application // Proceedings of EPAC'1994, London.World Scientific, River Edge, N.J., 1994.P. 766-768.

[13] Alimov A.S., Ermakov D.I., Ishkhanov B.S. et al. A 1.2-MeV Two-Section Continuous Wave Linear Electron Accelerator with 50-mA Average Beam Current //Instruments Exp. Techniques. 2002. Vol. 45, № 5.P. 691-697.

[14] Veis M.E., Grischenko A.I., Zaitsev V.M. et al. High voltage electron accelerators at a power of up to 90 kW // Radiation Physics and Chemistry. 1990.Vol. 35, Issues 4-6.P. 658-661.

[15] Auslender V.L. ILU-type electron accelerator for industrial technologies //Nucl. Instr. and Meth. 1984. B89. P. 46-48.

[16] Tada H.Y.,Carter J.R., Anspaugh B.E. et al. The Solar Cell Radiation Handbook 3rd edition // JPL Publication, 1982. P. 69-82.

[17] Kovalkov V.K., Belyaev B.N., Sokolov A.V. et al. Patent RU 2564645.

[18] Alimov A.S., Alimov E.A., Kamanin A.N. et al. Beam parameters measurement of technological 10 MeV linac // Proceedings of RuPAC'2008. JINR, Joint Institute for Nuclear Research, 2008.P. 267-269.

[19] Labrie J.-P. and Euteneuer H. Power handling capability of water cooled CW linac structures //Nucl. Instr. and Meth. 1986. A247, P. 281-287.

[20] Алимов А.С., Грибов И.В., Курбатов А.Ф. и др. Нелинейный эффект при работе ЛУЭ в непрерывном режиме // Письма в ЖТФ. 1987.Т.13, вып. 23.С. 1417.

[21] Alimov A.S., Ishkhanov B.S., Piskarev I.M. et al. Operational experience with room temperature continuous wave accelerator structures //Nucl. Instr. and Meth. 1993. A328. P. 385-397.

[22] Alimov A.S., Chubarov O.V., Shvedunov V.I. A high power linac RF power supply system // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1997. Vol. 44, № 3. P. 1033-1036.

[23] Braun H., Herminghaus H. and Streun A. The Gun/Chopper System for the Mainz Microtron // Proceedings of EPAC'1988. World Scientific Pub., Teaneck, NJ, 1988. P. 997-999.

[24] Alimov A.S., Gevorkyan V.G., Gorbatov Yu.I. et al. Beam emittance forming line of the CW race-track microtron of the institute of nuclear physics of Moscow State University (INP MSU) //Nucl. Instr. and Meth. 1989. A278. P. 379-388.

[25] Alimov A.S., Ishkhanov B.S., Sakharov V.P. et al. Method for accelerating electrons in a linear accelerator and an accelerating structure for carrying out said method // U.S. Patent Application No. 2010/0207,553, 2010.

[26] Alimov A.S., Ishkhanov B.S., Sakharov V.P. et al. Low-injection energy continuous linear electron accelerator // U.S. Patent Application No. 2010/0289,436, 2010.

[27] Yurov D.S., Alimov A.S., Ishkhanov B.S. et al. Continuous-wave electron linear accelerators for industrial applications // Phys. Rev. AB. 2017.Vol. 20, 044702.P. 1-11.

[28] Hamilton D.R. Klystrons and Microwave Triodes. McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1948.P. 533.

[29] Knapp E.A., Knapp B.C. and Potter J.M. Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures // Review of Scientific Instruments. 1968. Vol. 39. P. 979-991.

[30] Perry B. Wilson. High Energy Electron Linacs: Applications to Storage Ring RF Systems and Linear Colliders // SLAC-PUB-2884 (Rev.). November 1991.

[31] Musfeldt H., Kumpfert H., Dr. W. Schmidt. A New Generation of High Power CW-Klystrons for Accelerator and Storage Ring, Practical Experience and Aspects for Future Developments //IEEE Trans. Nucl. Sci.1981. Vol. NS-28. P. 2833-2835.

[32] Hirano K., Wang Y.L., Emoto T. et.al. Development of a 1.2MW CW L-band klystron //Proceedings of PAC-1995, Dallas, Texas. IEEE, New York, 1995. P. 15391541.

[33] Lenci S., Bohlen H., Stockwell B. et al. Recent Progress in CW Klystrons at CPI // Proceedings of EPAC'2002, Paris.EPS-IGA and CERN, 2002. P. 2326-2328.

[34] George Caryotakis. High Power Klystrons: Theory and Practice at the Stanford Linear Accelerator Center // SLAC-PUB 10620. 2004.

[35] Schriber S.O. Accelerator Structure Development for Room-Temperature Linacs //IEEE Trans. Nucl. Sci. 1981. Vol. NS-28, No. 3. P. 3439-3444.

[36] Halbach K., Holsinger R.F. SUPERFISH - a computer program for evaluation of RF cavities with cylindrical symmetry // Particle Accelerators. 1976. Vol. 7. P. 213-222.

[37] Billen J.H., Young L.M. PARMELA // Los Alamos National Laboratory Report, LA-UR-96-1835, 1996.

[38] https://www.cst.com/.

[39] Stanley Humphries, Jr. Principles of charged particle acceleration. Dover Publications, New York, 1999. P. 127.

[40] Herrmannsfeldt W.B. EGUN, An Electron Optics and Gun Design Program // SLAC-331, 1988.

[41] L.C. Maier, Jr. and Slater J.C. Field strength measurements in resonant cavities // J. Appl. Phys. 1952. Vol. 23. P.68-77.

[42] Frejdovich I.A., Nevsky P.V., Sakharov V.P. et al. Multy-beam klystrons with reverse permanent magnet focusing system as the universal rf power sources for the compact electron accelerators // Proceedings of RuPAC'2006. BINP, Novosibirsk, 2006. P.100-102.

[43] Meads P.F. A nonlinear lens system to smooth the intensity distribution of a Gaussian beam // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983. Vol. NS-30. P. 2838-2840.

[44] Kashy E. and Sherrill B. A method for the uniform charged particle irradiation of large targets //Nucl. Instr. and Meth. 1987. B26. P. 610-613.

[45] Sherrill B., Bailey J., Kashy E.et al. Use of multipole magnetic fields for making uniform irradiations //Nucl. Instr. and Meth. 1989. B40.P. 1004-1007.

[46] Batygin Y.K. Beam intensity redistribution in a nonlinear optics channel //Nucl. Instr. and Meth. 1993. B79.P. 770-772.

[47] Meot F. and Aniel T. Principles of the non-linear tuning of beam expanders //Nucl. Instr. and Meth. 1996. A379. P. 196-205.

[48] Barlow D., Shafer R., Martinez R. et al.Magnetic design and measurement of nonlinearmultipole magnets for the APT beam expander system // Proceedings of PAC'97. IEEE, 1998.P. 3309-3311.

[49] Ji-ho Jang, Hyeok Jung Kwon and Yong Sub Cho. Uniform irradiation in a PEFP 100-MeV beam line with octupole magnets // Journal of the Korean Physical Society. 2011. Vol. 59, No. 2.P. 604-609.

[50] Шведунов В. И., Геворкян Г. В., Савицкий А. Б. и др. Программа RTMTRACE //М. ВИНИТИ. 1989. Депозит, номер 183. 12 с.

[51] GEANT4 Toolkit, Available at: (http://geant4.web.cern.ch/geant4/).

[52] de Jong M.S., Adams F.P., Burton R.J.et al. Design of a Tuner and Adjustable RF Coupler for a CW 2856 MHz RF Cavity // Proceedings of PAC'93.IEEE, 1993.P. 829831.

[53] Radiation field forming for industrial electron accelerators using rare-earth magnetic materials. Ermakov A.N., Khankin V.V., Shvedunov N.V., Shvedunov V.I., Yurov D.S.// Journal of Phys.: Conference Series. 2016. Vol. 747,012087. P. 1-6.

[54] Yurov D.S., Alimov A.S., Ishkhanov B.S. et al. Status of 1 MeV 25 kW CW Electron Accelerator // Proceedings of RUPAC'2012. JACoW, Switzerland, 2012.P. 541-543.

[55] Yurov D.S., Alimov A.S., Ishkhanov B.S. et al. Industrial Prototype of Compact CW LINAC // Proceedings of RUPAC'2014. JACoW, Switzerland, 2014.P. 248-250.

[56] Compact rare-earth permanent magnet material system for industrial electron accelerators irradiation field formation.ErmakovA.N., KhankinV.V., ShvedunovN.V., ShvedunovV.I., YurovD.S. // Proceedings of IPAC'16. JACoW, Switzerland, 2016.P. 1139-1141.

[57] Continuous-wave electron linear accelerators for industrial applications. Alimov A.S., Ishkhanov B.S., Shvedunov V.I., Yurov D.S. //Proceedings of IPAC'16. JACoW, Switzerland, 2016. P. 1142-1144.

[58] Shvedunov V.I., Yurov D.S. Regulation of the waveguide coupling factor of standing wave linear accelerator // Proceedings of RuPAC'16. JACoW, Switzerland, 2017.P. 279-281.

[59] Применение пучков ускоренных электронов для радиационной обработки продуктов питания и биоматериалов. Алимов А.С., Близнюк У.А., Борщеговская П.Ю., Варзарь С.М., Еланский С.Н., Ишханов Б.С., Литвинов Ю.Ю., Матвейчук

И.В., Николаева А.А.,Розанов В.В., Студеникин Ф.Р., Черняев А.П., Шведунов В.И., Юров Д.С. // Известия РАН, серия физическая. 2017. Т. 81, №6.С. 819-823.