Высокочастотные системы микротрона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Горбачев, Валерий Петрович

• Горбачев, Валерий Петрович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Горбачев, Валерий Петрович

Введение

1 СВЧ системы микротронов

2 Модельные представления элементов СВЧ систем

2.1 Ускоряющий резонатор

2.2 Модель пучка ускоренных электронов микротропа.

2.2 Источники СВЧ мощности.

2.2.1 Магнетронный генератор.

2.2.2 Клистрон.

2.3 Передача сигнала в тракте.

Выводы.

3 Система с самосинхронизацией магнетрона частью мощности прошедшей через ускоряющий резонатор

3.1 Схема СВЧ системы, ее эквивалентная схема и система уравнений, описывающая колебательные процессы в ней

3.1 Стационарный режим.

3.2 Переходные процессы.

3.3 Экспериментальное исследование СВЧ системы с самосинхронизацией магнетрона частью мощности, прошедшей через ускоряющий резонатор.

3.3.1 Экспериментальная установка .G

3.3.2 Результаты экспериментов.

Выводы.

4 Автогенераторная СВЧ система разрезного микротрона на энергию 70 МэВ

4.1 Тракт обратной связи.

4.1.1 Конструкция элементов тракта обратной связи.

4.1.2 Конструкция тракта обратной связи.

4.1.3 Измерение параметров тракта обратной связи.

4.2 Система долговременной стабилизации амплитуды поля в ускоряющей структуре.

4.2.1 Аппаратный модуль преобразования.

4.2.2 Алгоритм долговременной стабилизации

4.2.3 Практическое использование системы стабилизации . . .111 Выводы.

5 СВЧ система разрезного микротрона с высокой яркостью пучка на энергию до 35 МэВ

5.1 Ускоряющие структуры и источник СВЧ мощности.

5.2 Возбудитель клистрона и СВЧ тракты

5.2.1 Тракт высокого уровня мощности.

5.2.2 Возбудитель клистрона.

5.2.3 Блок низкого уровня мощности.

5.3 Результаты экспериментов

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокочастотные системы микротрона»

Микротрон был предложен В.И.Векслером в 1944 году [1]. После того как были предложены и реализованы эффективные способы инжскции электронов в микротрон [2] и эффективные режимы ускорения [3] началось применение этих машин для решения фундаментальных и прикладных задач. Они используются в ядерно-физических экспериментах [4, 5], в 7-активационном анализе [б], дефектоскопии [7, 8, 9] и медицине [10]. В ОИЯИ, например, периодически проводятся международные рабочие совещания по использованию микротронов в ядерной физике. К настоящему времени СВЧ системы классического микротрона исследованы достаточно хорошо. В ряде работ определены области параметров СВЧ тракта и его элементов обеспечивающие, при использовании магнетрона эффективную передачу мощности в ускоряющий резонатор и устойчивость режима ускорения [11, 12, 13, 14]. На пути повышения энергии пучка в классическом микротроне стоит ряд трудностей. Это, во первых, особенности фазового движения частиц в микротропе [15, 16], которые затрудняют прохождение пучка далее ~ 40 орбиты. Во вторых -отсутствие режимов ускорения с приростом энергии более 1,9 энергии покоя электрона. Рассчитанные в [17] режимы с приростом 3 и 4 энергии покоя электрона не были реализованы. Максимальная энергия, полученная в классическом микротропе 40 МэВ [16], при этом резко снижается импульсное значение тока. Там же показано, что энергия около 60 МэВ может считаться предельной для классического микротропа. Для ряда фундаментальных и прикладных задач требуется эиергия пучка 50 -f- 70 МэВ. Возможность оперативного обнаружения взрывчатых и наркотических веществ с помощью 7-активациопного анализа была показана в [18]. Один из проектов создания мобильного комплекса для решения подобных задач, разработанный па основе результатов [18], описан в [19].

Дальнейшее повышение энергии электронного пучка и его тока возможно в разрезных микротронах, предложенных Ю.С.Швипгером (J.S.Shchwinger) еще в 1945 году. В таких машинах ускоряющая структура расположена между двумя поворотными магнитами, в области без магнитного ноля. Здесь может применяться секция линейного ускорителя, что позволяет получить больший прирост энергии (и большую конечную энергию пучка при разумном числе орбит). Например, созданный в ФИАН разрезной микротроп [20], был рассчитан на максимальную энергию 30 МэВ с приростом энергии за оборот G МэВ. В нем используется ускоряющая структура с бегущей волной. Работы по созданию лазера па свободных электронах на основе пучка этого микротропа при работе ускорителя в однопроходном режиме с энергией 6-4-8 МэВ описаны в [21].

Проект ускорителя с энергией пучка до 70 МэВ [22, 23] был разработан для оперативного обнаружения взрывчатых и наркотических веществ. Дальнейшие работы в этом направлении привели к кооперации ряда организаций и созданию в НИИЯФ МГУ ускорителей нового поколения: двух разрезных микротропов с рециркуляторами на постоянных магнитах [24, 25], а также проекта малогабаритного микротропа для иптраоперационной терапии [26|.

В связи с уникальностью разрезных микротропов с рециркуляторами на постоянных магнитах исследовательские работы, направленные па создание их элементов и систем представляют как научный так и практический интерес. Одной из основных систем разрезного микротропа является СВЧ система. Она определяет параметры полей в ускоряющих структурах, стабильность их амплитуды, частоты, фазы. Это во многом определяет параметры пучка ускоренных электронов.

Целью работы является разработка, создание и экспериментальное исследование систем высокочастотного питания микротронов, в том числе:

СВЧ системы с самосинхронизацией магнетрона сигналом, прошедшим через ускоряющий резонатор (ускоряющую структуру), предложенной нами в [27], включая оценку возможности ее применения в малогабаритном разрез-пом микротроне с энергией пучка до 12 МэВ [26]; автогеператорной СВЧ системы разрезного микротрона с энергией пучка до 70 МэВ [24], включая разработку и исследование тракта обратной связи и системы долговременной стабилизации амплитуды поля в ускоряющей структуре [28];

СВЧ системы разрезного микротрона с высокой яркостью пучка на энергию до 35 МэВ с внешней инжекцией от линейного ускорителя с СВЧ пушкой [25].

Научная новизна работы заключаются в том, что впервые были созданы и исследованы СВЧ система с самосинхронизацией магнетрона сигналом, прошедшим через ускоряющий резонатор (ускоряющую структуру), автоге-ператорная СВЧ система разрезного микротрона, включая тракт обратной связи и систему долговременной стабилизации амплитуды поля в ускоряющей структуре, СВЧ система разрезного микротрона с высокой яркостью пучка на энергию до 35 МэВ с внешней инжекцией от линейного ускорителя с СВЧ пушкой.

Практическая ценность работы заключается в том,что созданные СВЧ системы установлены на действующих ускорителях, использующихся для прикладных и фундаментальных исследований, и могут быть применены па вновь разрабатываемых ускорителях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались па междупарод-ном рабочем совещании "Beam Dynamics & Optimization"-(BDO) в 2002 и 200С гг. ([29, 30]), на Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц -(RUPAC) в 1992, 2002, 2004 гг. ([31, 26, 28]), на Международной конференции по ускорителям заряженных частиц США-(РАС) в 2001 г. ([32]).

Объем работы. Работа содержит 136-листов основного текста с иллюстрациями, 77-рисупков, 8-таблиц, список использованных источников из 106 наименований.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Горбачев, Валерий Петрович

Результаты работы получены в основном в 1999-2005 годах. Они докладывались на международном совещании "Beam Dynamics к Optimization" -BDO ([29, 30]), на Всероссийском совещании по ускорителям заряженных частиц -RUPAC ([26, 28]), па Конференции по ускорителям заряженных частиц -РАС ([32]) и опубликованы в сборниках трудов этих совещаний, а так же опубликованы в печати [25, 53, 106].

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были получены следующие основные результаты:

1. Предложена и разработана СВЧ система микротрона с самосинхронизацией магнетрона через ускоряющий резопатор[27], рассчитаны стационарные и переходные процессы в ней, проведено ее экспериментальное исследование на существующем в СГУ микротроис. Оценена возможность ее использования в разрезном микротропе с энергией пучка до 12 МэВ, проект которого описан в [26]

2. Разработана структура тракта обратной связи автогенераторной СВЧ системы разрезного микротрона с энергией пучка до 70 МэВ, созданного в НИИЯФ МГУ. Разработан тракт обратной связи. Проведено экспериментальное исследование элементов тракта и тракта в сборе, на низком уровне мощности, проведены исследования работы тракта в составе микротрона

3. Разработана система долговременной стабилизации амплитуды поля в ускоряющей структуре и элементы, входящие в нее. Проведено экспериментальное исследование аппаратного модуля преобразования импульсного значения СВЧ мощности в пропорциональное ей постоянное напряжение. Проведено экспериментальное исследование системы стабилизации в составе микротрона.

4. Разработана структура СВЧ системы разрезного микротропа с высокой яркостью пучка и энергией до 35 МэВ, созданного в НИИЯФ МГУ. Разработаны и исследованы элементы системы, создана СВЧ система с помощью которой были получены проектные параметры пучка ускоренных электронов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Горбачев, Валерий Петрович, 2007 год

1. Cameras / Trower W.P., Karev A.I., Melekhin V.N. et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. — 1995. — Vol. B99. — Pp. 736-738.23 . Improved Design of the Mobile 70 MeV Race-Track Microtron / Shvedunov

2. V.I., Karev A.I., Melekhin V.N. et al. // Proceedings of 1995 Particle Accelerator Conferens / Ed. by L.Gennary. — Vol. 2. — IEEE, Piscataway, 1996.- P. 807.24 . A 70 MeV Race-Track Microtron / Shvedunov V.I., Ermakov A.N.,

3. Степанчук В.П. // Труды двеннадцатого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.— Т. 2.— Дубна: ОИЯИ., 1992.— С. 228-232.32 . High Brightness Race-Track Microtron Injector / Barclay R.A.,

4. ЖТФ. 1972. - Т. LXII, № 10. - С. 2239-2247.69 . Косарев Е.Л. Фазовые колебания в микротроне с большим током //

5. Сосунов В.А., Шибаев А.А. Направленные ответвители и их применение.— Саратов: Прив. кн. изд-во., 1969.— 88 с.

6. Будурис ЖШеневъе П. Цепи сверхвысоких частот. Теория и применение,- М: Сон. радио, 1979.- 288 с.

7. Линии передачи сантиметровых волн / Под ред.Ремеза. -- М:

8. Сов. радио, 1951. Т. 2. - 343 с.

9. Сосунов В.А., Шибаев А.А. Направленные ответвители сверхвысоких частот. — Саратов: Прив. кп. изд-во., 1964.— 134 с.

10. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М: Радио и связь, 1991. 264 с.

11. Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсио-фазовой автоподстройки. — М: Радио и связь, 1989. — 232 с.

12. Источник электронов с большой яркостью пучка и его применения / Горбачев В.П., Ишхапов B.C., Полиектов В.В. и др. // Вестник СГТУ. 2007. - № 1. - С. 95-99.