Создание импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МЭВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Ермаков, Андрей Николаевич

• Ермаков, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ермаков, Андрей Николаевич

Введение

Глава 1. Разрезные микротроны импульсного действия на энергию электронов 50- 100 МэВ.

1.1. Обзор схем импульсных разрезных микротронов.

1.2. Обзор импульсных разрезных микротронов на энергию 50 - 100 МэВ.

1.3. Особенности импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ.

Глава 2. Численное моделирование динамики пучка импульсного разрезного микротрона.

2.1. Параметры разрезного микротрона.

2.2. Система инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона.

2.3. Фазовое движение в разрезном микротроне.

2.4. Устройство сдвига фазы пучка на 1-ой орбите.

2.4.1. Динамика пучка в фазовращателе.

2.4.2. Фазовое движение в разрезном микротроне с фазовращателем пучка на 1-ой орбите.

2.5. Поперечное движение частиц в разрезном микротроне.

Глава 3. Основные элементы импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. 79 3.1. Экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения пучка разрезного микротрона. 79 3.1.1. Электронная пушка и группирователь.

3.1.2. Фокусирующие линзы на постоянных магнитах и а-магнит.

3.1.3. Ускоряющая структура.

3.1.4. СВЧ-система.

3.1.5. Система диагностики пучка.

3.1.6. Определение коэффициента захвата.

3.1.7. Измерение энергетического спектра пучка.

3.1.8. Измерение эмиттанса пучка.

3.2. Поворотные магниты.

3.3. Квадрупольные триплеты на постоянных магнитах.

Глава 4. Сборка и запуск импульсного разрезного микротрона.

4.1. Вакуумная система и конструкция разрезного микротрона.

4.2. Высоковольтное питание клистрона и электронной пушки.

4.3. Методика оптимизации пучка на орбитах разрезного микротрона и основные результаты запуска ускорителя.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МЭВ»

Настоящая работа основана на результатах полученных при разработке, создании и запуске импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ [1 — 3]. Целью данного проекта было создание компактного ускорителя электронов для системы идентификации короткоживущих изотопов с периодом полураспада Ти2 ~ 20 мсек. Для этого необходим пучок электронов для получения фотонов тормозного излучения в достаточном количестве и с энергией, позволяющей определить, например, концентрацию изотопов ЬС, 1ФЫ и 160, входящих в состав наркотических и взрывчатых веществ. Так энергия электронов для идентификации изотопа С составляет около 30 МэВ, |4Ы - 50 МэВ, 160 - 70 МэВ. Классические ускорители электронов такие, как синхротрон и бетатрон, не подходят для решения данной задачи, так как средний ток пучка на выходе этих ускорителей при коэффициенте заполнения в несколько процентов очень мал. Использование линейного ускорителя также затруднено из-за невозможности достижения требуемой энергии без значительного увеличения габаритных размеров. Для того чтобы получить импульсы электронного пучка, имеющие длительность несколько микросекунд, с током в несколько десятков миллиампер в импульсе и периодом повторения несколько десятков герц с энергией 70 МэВ при использовании обычных ускоряющих структур с градиентом 15 МэВ/м длина ускорителя будет 5 м при подводимой мощности СВЧ более чем 14 МВт. Уменьшение длины линейного ускорителя ведет к увеличению потребления СВЧ мощности и уменьшению

КПД. При этом габаритные размеры установки не изменяются, так как системы СВЧ и высоковольтного питания становятся еще больше. Увеличенное электрическое поле повышает вероятность пробоев в ускоряющей структуре. Невозможность быстрого изменения энергии пучка при сохранении требуемых параметров также является одним из основных ограничений в использовании линейных ускорителей.

Иная ситуация с разрезным микротроном [33, 34], в котором электронный пучок увеличивает свою энергию за счет многократного прохождения через линейный ускоритель. При этом СВЧ мощность, затрачиваемая на создание ускоряющего поля, уменьшается в N раз по сравнению с линейным ускорителем, где N - число прохождений пучка через линейный ускоритель разрезного микротрона. Неизменной остается СВЧ - мощность, идущая на нагрузку тока пучка. Таким образом, очевидны преимущества использования разрезных микротронов для создания компактных ускорительных установок. А именно, за счет применения рециркуляции заряженных частиц удается получить ускоренный пучок требуемой энергии с высокими параметрами при заметном уменьшении габаритных размеров, энергопотребления и стоимости по сравнению с остальными типами ускорителей.

Цель настоящей работы: численное моделирование динамики пучка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ, экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения разрезного микротрона, конструирование и сборка разрезного микротрона, физический пуск и настройка ускорителя.

Актуальность работы: заключается в том, что в настоящее время возрос интерес к ускорителям электронов с энергиями частиц до 100-150 МэВ, которые используются как в научных исследованиях, так и в разнообразных технологических процессах, где важны компактность установки и высокий ток пучка.

Научная новизна работы: заключается в том, что создан импульсный разрезной микротрон при использовании ряда новых разработок таких, как поворотные магниты на основе редкоземельных постоянных магнитов, инжекция пучка через компактный а-магнит, также созданный на основе постоянных магнитов. Впервые в системе ускорения разрезных микротронов применяется призматическая бипериодическая ускоряющая структура (ПБУС) со свойствами СВЧ квадрупольной линзы. Впервые реализована система фазовой коррекции пучка на 1-ой орбите.

На защиту выносятся: результаты численного моделирования динамики пучка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ, результаты экспериментального исследования системы инжекции и ускорения разрезного микротрона, методика экспериментальных исследований, позволившая осуществить физический пуск импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Ермаков, Андрей Николаевич

Заключение

В результате выполнения работы был осуществлен успешный физический пуск первого в Российской Федерации импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. Для этого было сделано следующее:

1. Детально рассмотрено фазовое движение в разрезном микротроне, впервые предложена схема согласования продольного эмиттанса пучка на 1-ой орбите с аксептансем разрезного микротрона посредством введения 5-ти магнитной фазосдвигающей системы с малой продольной дисперсией. Выполнены расчеты динамики пучка в 6-ти мерном фазовом пространстве импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. На основе расчетов сформулированы требования к основным системам ускорителя.

2. Выполнены расчеты динамики пучка электронов в системе инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ, а именно определены оптимальные напряжения питания промежуточного и основного электрода пушки, фокусные расстояния соленоидальных линз на постоянных магнитах, их взаимное расположение по отношению к а-магниту и ускоряющей структуре, найдены условия группирования пучка, обеспечивающие максимально эффективный захват 50 кэВ электронов в процесс ускорения в прямоугольной бипериодической ускоряющей структуре.

3. Выполнено экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения разрезного микротрона. Осуществлено питание ускоряющей структуры импульсного разрезного микротрона в автоколебательном режиме.

Измерены основные параметры пучка на выходе ускоряющей структуры, такие как коэффициент захвата линейного ускорителя, энергетический спектр и эмиттанс.

4. Осуществлена сборка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. Разработана методика настройки ускорителя. Получен пучок электронов со следующими параметрами: энергия пучка может варьироваться в пределах от 14.9 МэВ до 67.7 МэВ, импульсный ток пучка 5 ± 0.2 мА, частота повторения импульсов до 150 Гц при длительности импульса до 20 мксек.

5. Выработаны основные направления дальнейшего увеличения импульсного тока пучка разрезного микротрона за счет изменения параметров системы инжекции.

В заключении автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, заведующему лабораторией электронных пучков ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ, профессору Василию Ивановичу Шведунову, при активной и постоянной поддержке которого была выполнена данная работа. Автор благодарит заведующего кафедрой общей ядерной физики, руководителя ОЭПВАЯ профессора Бориса Саркисовича Ишханова за постоянное внимание и советы в процессе создание ускорителя. Автор признателен сотрудникам ОЭПВАЯ, принимавшим участие в работах, A.C. Алимову, Н.Б. Бабушкину, И.В. Грибову, Д.И. Ермакову, Г.А. Новикову, Н.И. Пахомову, В.Р. Яйлияну. Автор благодарен всем студентам и аспирантам физического факультета, чья работа была связана с созданием ускорителя. Автор благодарит за полезные консультации, помощь и участие на различных этапах работы профессора МИФИ Н.П. Собенина, ведущего научного сотрудника ИТЭФ B.C. Скачкова, старшего научного сотрудника ФИ РАН А.И. Карева, сотрудника МРТИ В.А. Павлова, сотрудника Саратовского госуниверситета В.П. Горбачева, сотрудников ВЭИ С.Ф. Кравцова, И.А. Иванникова, К.С. Александрова.

135

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ермаков, Андрей Николаевич, 2004 год

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

2. V.l. 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.

3. Webers R.W., Design of an electron optical-system for a 75 MeV racetrack microtron, Ph.D. Thesis Eindhoven University of Technology (1994).

4. P. Axel, L.S. Cardman, R.A. Daniel, A.O. Hanson, R.A. Hoffswell, R.M. Laszewsli, W.C. Sellyey, N. Towne, and A.M. Vetter, IEEE Trans. NS-30, No. 2, 1 1 12 (1983).6. http://www.scanditronix.com

5. R.E. Rand, Recirculating electron accelerators (Harwood Academic Publishers, 1984).

6. H. Herminghaus, A. Feder, K.H. Kaiser, W. Manz, H. v. d. Schmitt, Nucl. Instrum. Methods 138 (1976) 1 12.

7. H. Babic and M. Sedlacek, Nucl. Instrum. Methods 56 (1967) 170.

8. S. Rosander, M. Sedlacek, Nucl. Instrum. Methods 204 (1982) 1.

9. M. Eriksson, IEEE Trans. NS-30, No. 4 (1983) 2070.

10. ISA Activity Report, No. 2, November 199813. http://www.frascati.enea.it/accelerators/

11. EGUN, W. B. and G. A. Herrmannsfeldt, 1987

12. K.R. Crandall, PARMELA code

13. Геворкян В.Г., Савицкий А.Б., Сотников М.А., Шведунов В.И., Компьютерные программы моделирования динамики пучка в рециркуляционных ускорителях, ВИНИТИ 183-В89 (1989).

14. А.Н. Ермаков, Расчет динамики пучка в импульсном разрезном микротроне с энергией электронов 70 МэВ, Ломоносов'2000, Москва, МГУ, апрель 2000г.

15. Новиков Г.А., Магнитные системы рециркуляционных ускорителей, дисс. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук, НИИЯФ МГУ, Москва, 2001 г.

16. Enge H.A., Achromatic Magnetic Mirror for Ion Beam, Rev. Sei. Instrum., 34 (1963) 385.

17. Хальбах К., Частное предложение.

18. V.S. Skachkov, A.N. Ermakov, and V.l. Shvedunov, In: J.L. Laclare, W. Mitaroff, Ch. Petit-Jean-Genaz, J. Poole, and M. Regler (Eds.) Proceedings of the 2000 European Particle Accelerator Conference, World Scientific, Singapore, 2000, p. 2125.

19. N.P. Sobenin, V.N. Kandurin, A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.l. 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.

20. D.V. Kostin, V.l. Shvedunov, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, In: A. Luccio and W. MacKay (Eds.) Proceedings of the 1999 European Particle Accelerator Conference Vol. 2, IEEE, Piscataway, 1999, p. 910.

21. Ермаков A.H., Ишханов Б.С., Недеогло Ф.Н., Чепурнов A.C., Шведунов В.И., Измерение параметров пучка электронов с использованием оптического переходного излучения, Приборы и Техника Эксперимента, 2001г., №4, С. 102.

22. Геворкян В.Г., Грибов И.В., Зиновьев C.B., Ишханов Б.С., Пискарев И.М., Савитский А.Б., Шведунов В.И., Шумаков A.B., Метод измерения эмиттанса электронного пучка, Приборы и Техника Эксперимента, 6 (1988) 28.

23. V.l. 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.

24. А.Г. Власов, В.П. Пономарев, М.Т. Шиварталов, П.М. Щанин, Вакуумные системы ускорителей электронов, Известия ТПИ, 1962, т. 122.

25. I. V.l. Shvedunov, A.N. Ermakov, A.I. Karev, E.A. Knapp, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, In: P. Lucas and S. Webber (Eds.) Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference Vol. 4, IEEE, Piscataway, 2001, p. 2595.

26. И.В. Грибов, A.H. Ермаков, Б.С. Ишханов, Г.А. Новиков, B.C. Скачков, Н.П. Собенин, W.P. Trower, В.И. Шведунов, И.В. Шведунов, «Импульсный разрезной микротрон на энергию электронов 70 МэВ», «Вестник Московского Университета» , № 5, 2002 год.

27. Капица С.П., Мелехин В.Н. Микротрон. М. Наука, 1969. - 211 с.

28. Коломенский A.A. Исследование по теории движения частиц в современных циклических ускорителях. Труды ФИАН им. П.Н. Лебедева, т. XIII, 1960, стр. 3- Г29