Высокочастотный ускорительный комплекс синхроциклотрона ПИЯФ РАН на энергию протонов 1ГэВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, доктор технических наук Чернов, Николай Николаевич

• Чернов, Николай Николаевич
• доктор технических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор технических наук Чернов, Николай Николаевич

Список иллюстраций

Введение

Глава 1 Некоторые особенности высокочастотной системы синхроциклотрона на энергию 1 ГэВ

1.1. Оценка параметров высокочастотной системы

1.2. Паразитные типы колебаний

1.3. Вариатор частоты

Глава 2 Экспериментальное измерение основных параметров резонансной системы синхроциклотрона

2.1. Электрические характеристики рабочего типа колебаний системы дуант-камера

2.2. Паразитные электрические колебания в системе дуант-камера

2.3. Электрические измерения параметров вариаторов

2.4. Паразитные электрические резонансы вариаторов

2.5. Результаты измерений электрических параметров резонансной системы

Глава 3. Изменение конструкции вариатора с целью получения необходимых параметров

3.1. Изменение формы дуантных пакетов

3.2. Получение рабочего диапазона частот, необходимого для ускорения протонов до энергии 1 ГэВ

3.3. Изменение формы частотной зависимости от угла поворота ротора вариатора

3.4. Устранение разрывов частотной программы

3.4.1. Разрыв программы, обусловленный объемным резонансом камеры

3.4.2. Разрывы программы, обусловленные паразитными резонансами вариаторов

3.4.3. Симметрирование резонансной системы синхроциклотрона

3.5. О возможности ускорения других частиц

Глава 4. Возбунедение ВЧ колебаний в резонансной системе синхроциклотрона

4.1. Основные требования к ламповому блоку и системе связи его с резонансной системой синхроциклотрона

4.2. Асимметричная система возбуждения в.ч. колебаний с индуктивной обратной связью

4.3. Асимметричная система возбуждения в.ч. колебаний с емкостным делителем напряжения обратной связи в ламповом блоке

4.4. Симметричная система прямой связи

4.5. Симметричная система обратной связи

4.6. Ламповый блок генератора

4.7. Рассмотрение возможности использования внутренней обратной связи

Глава 5. Система увеличения длительности (временная растяжка) пучка протонов синхроциклотрона на 1 ГэВ

5.1. Конструкция Си-элекгрода

5.2. Принципиальная схема генератора растяжки совм. со схемой сброса протонов на нейтральную мишень

5.3. Работа синхроциклотрона в режиме растяжки пучка

5.4. Параметры растянутого пучка

5.5. О временной структуре и энергетическом разбросе по энергии протонного пучка

Глава 6. Работа Си-электрода в режиме вертикального сброса протонов на мишень 65 Заключение 68 Список цитируемых работ 70 Приложение:

1. Акт о внедрении изобретений

2. Копии авторских свидетельств с описанием изобретений

СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Рис. la, б Эквивалентные схемы резонансных контуров 12 Таблица 1 Энергия и частота обращения ускоренных частиц p,d,a,He3)

Рис.2 Резонансные частоты системы

Рис.3 Эквивалентная схема вариатора частоты

Рис.4 Конструктивная схема вариатора частоты

Рис.5 Резонансная система синхроциклотрона 18 Рис.б Зависимость резонансных частот дуанта от величины подключаемой ёмкости 19 Рис.7 Зависимость реактивного сопротивления дуанта от частоты 20 Рис.8 Зависимость коэффициента передачи напряжения от частоты

Таблица 2 Параметры элементов вариаторов 22 Рис.9 Определение начальной и конечной резонансных частот системы 23 Рис. 10 Распределение амплитуды напряжения паразитных резонансов вариаторов

Рис.11 Резонансные частоты ускоряющей системы 26 Рис. 12 Влияние емкости индуктивного и дуантного пакетов на частотную программу 28 Рис. 13 Изменение конструкции дуантного пакета вариатора частоты

Рис.14 Измененная конструкция вариатора

Рис. 15 Зависимость частоты от угла поворота ротора вариатора

Таблица 3. f(a) - расчет

Таблица 4. f (a) - измерения 34 Рис. 16 Изменение напряжения на конце дуанта от угла поворота ротора 36 Рис. 17 Зависимость равновесной фазы от угла поворота вариатора (проектный вариант)

Рис. 18 Cos (ps при измененной форме индуктивных пакетов 36 Рис. 19 Асимметричная система возбуждения генератора с индуктивной обратной связью

Рис.20 Зависимость коэффициента трансформации от частоты 44 Рис.21 Эквивалентное сопротивление системы приведенное к аноду генераторной лампы

Рис.22 Асимметричная система возбуждения с емкостным делителем напряжения обратной связи генератора

Рис.23 Зависимость коэффициента трансформации напряжения от емкости

Рис.24 Эквивалентное сопротивление симметричной системы, приведенное к аноду генераторной лампы

Рис.25 Симметричная система связи

Рис.26 Коэффициент трансформации напряжения от анода генераторной лампы к дуанту, в зависимости от частоты и емкости, подключаемой к аноду

Рис.27 Ламповый блок генератора

Рис.28 Размещение элементов в вакуумной камере

Рис.29 Принципиальная схема генератора Си-электрода, схема совмещения с импульсным генератором

Рис.30 Частотная программа: £ц - основная, fc - Си-электрода,

U- форма напряжения, задающего частотную программу Си-электрода

Рис.31 Формирование тока управления частотой генератора

Си-электрода

Рис.32 Зависимость интенсивности растянутого пучка от синхронизации с основной программой ускорения

Рис.33 Осциллограммы: огибающей ВЧ напряжения на дуанте, тока управления частотной модуляцией генератора, макроимпульса растянутого пучка

Рис.34 Временное распределение у-квантов из мишени нейтронного источника при вертикальном сбросе протонов 66 Рис.35 Времяпролетные спектрометры (сравнительные потоки нейтронов)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокочастотный ускорительный комплекс синхроциклотрона ПИЯФ РАН на энергию протонов 1ГэВ»

Вопросы выбора проектирования и создания высокочастотной системы синхроциклотрона на энергию протонов 1 ГэВ представлены коллективом сотрудников НИИ ЭФА им. Д.В. Ефремова в работах [1.2.3]. Не вдаваясь глубоко в обсуждение этих вопросов, следует отметить, что в результате был предложен наиболее оптимальный выбор формы дуанта, обеспечивший перекрытие необходимого диапазона, была предложена принципиально новая схема вариатора частоты и предложен способ разделения вариатора на две части (два вариатора) с целью дополнительного расширения перекрытия по частоте.

Однако возникшие дополнительные трудности, связанные с конструкцией вариаторов частоты не позволили получить максимальную энергию протонов при физическом пуске ускорителя в 1967 г., протоны были ускорены лишь до энергии 750 МэВ [4]. В течение трех лет проводились работы по доведению энергии протонов до проектной величины путем введения ряда изменений в конструкцию вариатора частоты, что подтвердило на практике сложность создания такой системы и заставило изменить конструкцию вариаторов частоты в дальнейшем [8,11].

При осуществлении физического пуска ускорителя были обнаружены также серьезные недостатки проектного варианта системы связи с генератором, что также вызвало необходимость разработки новой схемы системы связи [17].

Пучок ускоренных протонов в синхроциклотроне без специальных устройств временной растяжки имеет неудобную временную структуру (длительность импульса около 100 микросекунд). Введение устройства растяжки известными способами создает дополнительные потери пучка при переходе от основного режима ускорения в режим медленного ускорения, при этом на Си-электроде необходимо обеспечить высокое напряжение - до 100 кВ (эти потери достигают 50% от ускоренного пучка). Нами была разработана и осуществлена временная синхронизация генератора растяжки с основным генератором, позволившая существенно уменьшить потери частиц в процессе перехода от основного режима ускорения в режим растяжки [22]. При этом требуемое напряжение на Си-электроде существенно снижается, что, в свою очередь, позволило осуществить резонансную схему питания Си-электрода, снизить мощность генератора растяжки и одновременно использовать Си-электрод для осуществления сброса протонов на нейтронную мишень [21].

Все эти работы позволили надежно получить энергию протонов 1 ГэВ с хорошими параметрами выведенного пучка [23] и ввести ускоритель в эксплуатацию, длительный срок которой подтвердил правильность выбранных решений. В процессе эксплуатации были сделаны усовершенствования, которые поставили ускоритель в ряд уникальных установок. Исследования в области ядерной физики, благодаря оптимальной энергии протонов, относительно высокой монохроматичности пучка и хорошей временной структуре, позволили получить на ускорителе ряд ценных научных результатов в области физики ядра и физики элементарных частиц [28].

Синхроциклотрон ПИЯФ РАН начал регулярно работать на физический эксперимент с апреля 1970 года. История его проектирования, строительства и усовершенствования описана детально в сборнике трудов Петербургского института Ядерной физики, посвященном 25-летию образования института [30]. Там же приведены и результаты основных исследований, проведенных на С.Ц. в течение этого периода. Ускоритель успешно работал, выдавая около 6000 часов пучкового времени ежегодно.

Необходимо подчеркнуть актуальность проделанной работы, имеющей большое значение и в настоящее время. Следует отметить, что энергия протонов 1ГэВ оказалась весьма полезной и для прикладных исследований в области ядерной физики, т.к. она практически совпала с энергией протонов радиационного пояса Земли, что позволило использовать пучок протонов синхроциклотрона для испытания элементов электроники и материалов космической техники на радиационную устойчивость, эти работы ведутся и сейчас. Особенно актуальна сейчас экономия электроэнергии, что успешно осуществлено применением резонансной схемы в системе растяжки пучка и позволяет сократить потребление элекгроэнергии в.ч. комплексом до 3 МГ Вт час в сутки.

После успешной многолетней работы Гатчинский синхроциклотрон остаётся весьма нужным и полезным прибором для исследований в области ядерной физики. Энергия протонов 1 ГэВ идеальна для исследований в области структуры ядра. Успешно продолжаются эксперименты и получены важные результаты при взаимодействии протонов с ядрами. В этих работах принимают участие в Гатчине и японские физики Центра ядерных исследований (Osaka, Japan).

Основная часть работ ведётся сейчас на установке IRIS (подобно ISOLDA, CERN), где изучаются ядра не находящиеся в области полосы стабильности. Эти работы проводятся совместно с учеными из Германии, университет Marburg. Интенсивно проводятся эксперименты на 7Г-мезонных пучках. На ц-мезонном канале ведутся MSR эксперименты.

Специальный протонный пучок используется в медицинских целях для протонной терапии.

Проводится испытание на пучках С.Ц. различных методик перед использованием их на других ускорителях высоких энергий (CERN, SACLAY, FNAL, PSI, GSI, DESY, BNL), что весьма важно для международного сотрудничества в области Ядерной физики.

Содержание диссертации изложено в шести главах:

В первой главе описаны основные особенности высокочастотной системы синхроциклотрона. Приводится оценка параметров системы, рассматриваются возможные типы паразитных колебаний резонансной системы и основные принципы построения вариатора частоты в соответствии с предложенной НИИЭФА им. Ефремова конструкцией вариатора частоты. Формулируются требования к диапазону изменения частоты системы.

Вторая глава содержит экспериментальные результаты измерения основных параметров В.Ч. системы, полученные непосредственно на изготовленной резонансной системе по проекту НИИЭФА.

Измерение резонансной частоты при минимальной и максимальной емкости вариатора показали, что необходимое перекрытие по частоте для получения энергии протонов 1 ГэВ не может быть достигнуто. Для выяснения причины этого необходимо было провести измерения характеристик как системы дуант-камеры, так и вариатора частоты раздельно. Все эти исследования проводились непосредственно на месте монтажа ускорителя после того, как были смонтированы дуант и вакуумная камера, а вариатор частоты установлен на специальном стенде в сборе с дуантным пакетом.

Глава 3 содержит обоснование и описание изменений внесенных в конструкцию вариатора частоты с целью получения необходимых характеристик.

Исследования, проведенные на резонансной системе, и выполненные конструктивные изменения вариаторов частоты позволили:

1. Получить необходимый диапазон рабочих частот ускоряющей системы,

2. Устранить разрывы программы на собственных резонансных частотах вариаторов в рабочем диапазоне.

3. Выяснить поведение поперечных типов колебаний и определить путь устранения влияния их на возбуждение колебаний основной программы.

4. Выяснить влияние асимметрии вариаторов на распределение напряжения в системе.

5. Исправить форму частотной кривой f (а) путем изготовления новых индуктивных пластин сложного профиля, что позволило увеличить частоту циклов ускорения и соответственно интенсивность ускорения более чем в 1,5 раза.

В главе 4 рассмотрены методы возбуждения В.Ч. колебаний в резонансной системе синхроциклотрона и приведена схема, реализованная на синхроциклотроне 1 ГэВ.

При использовании симметричной прямой связи была также применена симметричная обратная связь — Т- образный симметричный фидер. На симметричное устройство связи генераторных ламп с резонансной системой синхроциклотрона получено авторское свидетельство № 270131.

В главе 5 описана осуществленная на с.ц. 1 ГэВ система увеличения длительности (временная растяжка) пучка протонов синхроциклотрона на 1 ГэВ.

Следует отметить, что Си-электрод, изготовленный в виде 2-х отдельных пластин впервые был использован и для быстрого вертикального сброса протонов на мишень. При этом была разработана и реализована схема совмещения, позволяющая использовать оба режима одновременно для разных физических экспериментов (авт. свид. № 370901, № 497934).

В главе 6 рассмотрена работа Си-электрода в режиме вертикального сброса протонов на мишень.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносится научная разработка и создание в.ч. ускорительного комплекса синхроциклотрона на энергию 1ГэВ, включая:

1. Конструктивные изменения вариатора частоты, внесенные в процессе наладки высокочастотной системы, обеспечившие получение необходимого частотного диапазона и выведение частот паразитных резонансных контуров вариатора за границы рабочего диапазона.

2. Устройство связи генераторной лампы с резонансной системой ускорителя.

3. Устройство системы временной растяжки выведенного пучка протонов и способ уменьшения потерь частиц при переходе в режим растяжки пучка протонов.

4. Метод повышения стабильности и энергетического распределения во времени выведенного пучка протонов осуществлением синхронизации генератора Си-электрода с фазой циркулирующего сгустка протонов.

5. Способ совмещения работы Си- электрода в режимах временной растяжки и однооборотного вертикального сброса протонов на нейтронную мишень.

В результате проведенных исследований и внедрения разработок, подтвержденных авторскими свидетельствами, получена практически предельная для синхроциклотрона энергия протонов 1 ГэВ, что позволило выполнить ряд ценных физических исследований в области физики элементарных частиц и особенно ядерной физики. Достигнутая энергия 1 Гэв совпадающая с энергией протонов радиационного пояса земли обеспечила постановку опытов на радиационную стойкость ряда материалов и изделий электронной техники для космических исследований. Применение резонансной схемы в генераторе временной растяжки пучка дало значительную экономию электроэнергии. Таким образом в диссертации изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в расширение экспериментальных возможностей в области исследований по ядерной физике.

Основные результаты диссертации опубликованы в журнале "Техническая физика" том 40, 41, 1970, 1971 г.г. и докладывались на VII Международной конференции по ускорителям высоких энергий (Ереван), 1970 г.; на Национальной конференции США (Сан-Франциско), 1973г; на И, 1970г.; III, 1973г.; IV, 1976г. и VII, 1980г. Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц; на III Всесоюзной конференции по нейтронной физике, 1975 г. (Киев, ЦНИИ атоминформ, 1976 г., т.6 стр.221) изданы в сборнике «Методические и прикладные работы ЛИЯФ», 1988 г., стр.171. На новые технические решения получены авторские свидетельства на изобретения (№ 270131, 1970г., № 370901, 1972 г., № 497934, 1975г.), которые внедрены в полном объёме. Всего по диссертации опубликовано 15 научных работ и получены 3 авторских свидетельства на изобретения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Чернов, Николай Николаевич

Сформулируем основные результаты диссертационной работы:

1. Внесение существенных конструктивных изменений в проектную схему вариатора частоты позволило осуществить возможность оперативной регулировки границ частотного диапазона и очистить рабочий диапазон от паразитных контуров. Изменение формы дуантного и индуктивных пакетов максимально приблизило к оптимальной зависимость частотной программы от угла поворота ротора.Вместо предусмотренной проектом системы связи высокочастотного генератора с резонансной системой синхроциклотрона была разработана и осуществлена симметричная система прямой и обратной связи, обеспечившая надежное возбуждение Б.ч. колебаний в рабочем диапазоне с подавлением поперечных колебаний системы и незначительные изменения от частоты коэффициента трансформации напряжения от анода генераторной лампы к ускоряющей щели дуанта.Все это вместе обеспечило получение практически предельной энергии синхроциклотрона 1 ГэВ и приемлемого 1 мкА тока внутреннего протонного пучка (авт.свидетельство № 270131, 1970 г.)

2. Впервые предложена система частотной и фазовой синхронизации высокочастотного генератора растяжки с основным генератором, что обеспечило 100% эффективность перехода протонов из основного режима ускорения в режим временной растяжки пучка при относительно низком в.ч. напряжении на Си-электроде (— 2 кВ.), что дало возможность резко снизить мощность генератора Си-электрода.3. Осуществление синхронизации генератора Си-электрода относительно фазы сгустка ускоренного пучка протонов позволило стабилизировать распределение протонов по времени вывода от цикла к циклу и получить путем вьщеления временного интервала в выведенном пучке повышение его монохроматичности в заданном интервале времени до

0,3 МэВ (авт. свидетельство[№ 497934, Г9У5 г.).4. Впервые предложена и выполнена совмещенная система временной растяжки пучка с однооборотным вертикальным сбросом пучка на мишень при возможности их независимой и одновременной работы, что позволило существенно повысить эффективность использования ускорителя и создать нейтронно-пролетный спектрометр «ГНЕЙС» с параметрами, не уступающими лучшим мировым приборам этого типа (авт.свидетельство № /З 70901,1972 г.) Таким образом, впервые бьш разработан, создан и реально применен на синхроциклотроне ПИЯФ РАН высокочастотный ускорительный комплекс, обеспечивший получение энергии ускоренных протонов 1 ГэВ, позволивший исключить потери ускоряемых частиц при переходе частиц в режим временной растяжки, обеспечить равномерное распределение по времени выведенных протонов, улучшить стабильность энергетического спектра выведенного пучка и повысить эффективность использования ускорителя созданием совмещенной с вертикальным сбросом на мишень системы временной растяжки с помощью Си-электродов.Заканчивая изложение материалов диссертационной работы, хочу выразить глубокую благодарность: Н.К.Абросимову - за разработку программы усовершенствования синхроциклотрона, выбор параметров и непосредственное участие в компоновке, разработке и создании ряда узлов ускоряющего в.ч. комплекса; |С.П.Дмитриеву - за участие в выборе основных параметров системы связи и в разработке симметричной системы связи резонансного контура с генераторной лампой; А.В.Куликову - за совместную разработку системы синхронизации генератора Си электрода и совмещенного с ним устройства вертикального сброса протонов на мишень; Г.Ф.Михееву - за совместную разработку автоматизированной системы измерения распределения в.ч. напряжения в резонансной системе при низких напряжениях, узлов управления генератором Си-электрода и непосредственное участие в проведении наладочных работ системы в целом; А.Г.Котову - за участие в разработке и наладке генератора Си-электрода; Особо хотел бы отметить сотрудников НИИЭФА им. Д. В. Ефремова \И.М.Ройфе Е.В.Середенко. внесших большой вклад в наладку основной резонансной системы ускорителя, поблагодарить их за ряд весьма ценных советов и участие в проведении физического пуска ускорителя.