Генерация мощных пучков синхротронного излучения для исследовательских и технологических целей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И..Будкера

На правах рукописи КУЛИЦАНОВ Геннадий Николаевич

ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНЫХ ПУЧКОВ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ДЛЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

НОВОСИБИРСК—1994

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской Академии наук.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Капица Сергей Петрович

Багаев Сергей Николаевич

Мешков Игорь Николаевич

— доктор физико-математических наук, профессор, Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН, г.Москва.

— член-корреспондент РАН, Институт лазерной физики СО РАН, г. Новосибирск.

— член-корреспондент РАН, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

Ведущая организация:

Физический институт

им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва.

Защита диссертации состоится 1994 г. в

" // (.-,- " часов на заседании специализированной совета Д.002.24.02 при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера.

Адрес: 630090, г. Новоснбнрск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ. Диссертация разослана 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета ^ - "с-

академик / * ¿и'сГ • Б.В. Чириков

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Часть I. Часть II.

Часть III.

Часть IV.

Часть V.

Часть VI.

Часть VII.

Часть VIII.

Часть IX.

Часть X. Часть XI. Заключение. Список литературы

Общая харктеристика работы.

Анализ возможностей и пределов совершенствования источников синхротронного излучения (СИ).

Модернизация электрон-позитронных накопителей ВЭПП-2М, ВЭПП-3, ВЭПП-4 для использования в качестве источников СИ.

Разработка и создание "змеек" и ондуляторов -специальных генераторов СИ.

Разработка экспериментальных методов диагностики электронного пучка в накопителе, основанных на регистрации СИ.

Использование синхротронного излучения накопителей ИЯФ СО РАН для обеспечения различных исследовательских и технологических программ. Разработка метода рентгенофлуоресцентного элементного анализа (РФА) с использованием СИ. Разработка и реализация проекта "Сибирь" - специализированного источника СИ для Московского региона.

Разработка и создание источников СИ для технологических центров. Новые возможности источников СИ. Основные результаты

ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы . Синхротронное, или магнитоторнозное излучение, возникающее при движении высокоэнергичных заряженных частиц ( электронов и позитронов ) в магнитном поле, уже давно и плодотворно используется физиками, занимающимися созданием электронных и позитронных накопителей и постановкой экспериментов на + —

е е пучках. Радиационное трение, вызываемое синхротронным излучением, позволяет сжимать пучки до очень малых размеров и многократно накапливать всё новые порции частиц, что принципиально важно при получении интенсивных позитронных пучков. Синхротронное излучение приводит к возникновению поляризации электронов и позитронов, движущихся в накопителе, что позволяет получать встречные поляризованные пучки электронов и позитронов. На всех существующих накопителях широко применяются различные методы наблюдения за пучком, использующие синхротронное излучение.

Большое самостоятельное значение приобрело использование пучков синхротронного излучения для проведения широкого класса исследований в различных областях науки, для разработки новых технологий, решения прикладных задач.

Повышенный интерес к использованию синхротронного излучения определяется уникальностью его свойств. Во-первых, синхротронное излучение в шкале электромагнитых волн занимает громадный спектральный диапазон, перекрывая инфракрасную, видимую, ультрафиолетовую, рентгеновскую области. Во-вторых, интенсивность синхротронного излучения во всех областях спектра, за исключением лазерной, примерно в (10-100) тысяч раз больше, чем у традиционно используемых источников. В-третьих, малая угловая расходимость и малые размеры источника делают чрезвычайно высокой яркость источника, являющейся основной потребительсой характеристикой источника излучения. Естественная поляризованность излучения, точно рассчитываемые абсолютная интенсивность и спектральное распределение, временная модуляция (короткий импульс наносекундной и субнаносе-кундной длительности с известным распределением и высокой повторяемостью прихода импульса), высокая стабильность интенсивности излучения во времени, химическая чистота, сверхвысоковакуумные условия в источнике дополняют уникальность характеристик синхротронного излучения.

На рис. 1 представлены практически все созданные за 30 лет

электрон-позитронные накопители. Передний фронт определяют накопители, создаваемые для проведения экспериментов по физике высоких энергий на встречных е е+ пучках, от первых накопителей ADA, ВЭП-1 и PS до самых современных TRISTAN, НЕБА и LEP. Практически все накопители, созданные для физики высоких энергий, .используются сейчас как источники СИ: PEP, PETRA,-TRISTAN и LEP - лучшие кандидаты для следующего шага такого преобразования. Второй фронт образуют специализированные исследовательские источники СИ от TANTALUS, SOR и SRS до ESRF, APS и SPring. Это семейство накопителей является яркой иллюстрацией целенаправленного процесса повышения качества источников СИ.

В последние годы видно зарождение мощного третьего фронта технологических источников СИ (COSY, SORTEC, AURORA, HELIOS). Эти источники СИ сейчас создаются для технологии рентгенолитографии в микроэлектронике (ес - 1 кэВ), однако, уже сейчас активно проектируются технологические источники СИ для микромеханики (ес -6 кэВ), для ангиографии (ес - 33 кэВ). Обсуждаются различные предложения о технологическом использовании интенсивных пучков СИ с энергией фотонов 1-10 МэВ в промышленной производстве. Масштаб задач вполне допускает для генерации таких пучков фотонов создание специальных технологических накопителей на энергию 50 - 100 ГэВ.

Помимо создания источников СИ с предельно высокой яркостью и предельно жёстким излучением, разработки технологических источников СИ, проявляется и новая, пока не очень заметная на рис. 1, тенденция к созданию накопителей - исследовательских источников СИ не на предельные параметры, но относительно дешёвые и относительно компактные, ориентированные на использование в университетах и небольших лабораториях.

В шестидесятых годах первые эксперименты на старых синхротронах пробудили научный интерес к использованию СИ. В семидесятые годы на базе электрон-позитронных накопителей были организованы лаборатории синхротронного излучения, в которых проводились эксперименты параллельно с экспериментами по физике элементарных частиц. Эти эксперименты продемонстрировали реальные возможности источников СИ, были созданы новые, либо качественно изменены старые экспериментальные методы для различного рода исследований и технологических применений.

Е, СеУ 100

'■10 -

0.1

РЕК (А / 1 Р£Р ЬЕР у т ^ЮА

V! Г ЪРЪ-ку г Л0С1 с! АООЫЕ Ь1 ДАР У ЕРР-4 Р*7 / ^ о/о^--) / АЬАООт 5ирЕ, —0 БРп'пд ЕБЯЕ Б1ВЕР?1А—2 ОБЯЯС АСО

УЕРР;/2 Д/ УЕР1 РБД >АСО / ТАЫТАЦ Д АОА 0 ДУЕР-1 „КНАЯК >-2МД'Ж51( /О^БОР? / 0 5иГ1Г ОУ Ч 0ВЕ55У-10 > 0 5!ВЕЯ1 А— 1 0 Ы1Л- НЕБУ^ 0 АЭТРЮ 0 1Ы0иБ—1 1

у,е* п

НХ.Р НВХР

БХР? VI) V

uv

1960

1970

1980

1990

2000 Уеог

Рис. 1-1. История создания электрон-позитронных накопителей для физики элементарных частиц и синхротронного излучения

б

В восьмидесятые годы проведение исследовательских работ с использованием СИ начинает сосредотачиваться в специальных исследовательских Центрах синхротронного излучения, организуемых, как правило, на базе второго поколения источников СИ. Использование синхротронного излучения в этих Центрах показало, что подобно тому, как эксперименты на электрон-позитронных встречных пучках поставляют сейчас значительную часть всей информации в физике элементарных частиц, эксперименты с синхротронным излучением в существенной мере уже определяют развитие многих областей атомной и молекулярной физики, физики твёрдого тела, катализа, материаловедения, биофизики.

В последние годы во многих странах мира создаются новые Исследовательские центры СИ на базе третьего поколения источников синхротронного излучения, кроме того, начали создаваться Технологические центры СИ для решения прикладных задач в микроэлектронике, микромеханике, обсуждаются проекты Медицинских центров синхротронного излучения.

Широкий фронт проведения работ с использованием СИ требует создания следующего поколения источников, которые можно было бы разделить на три класса:

1) Накопители электронов (позитронов) на энергию 4-10 ГэВ для получения пучков рентгеновского ондуляторного излучения, величина яркости которых ограничивалась бы только дифракционными эффектами. В этом случае весь поток квантов из ондулятора обладает пространственной когерентностью. Это откроет новые возможности для рентгеновской микроскопии и голографии, мёссбауэровской диф-рактометрии, элементной томографии, рентгенодифракционного "кино".

2) Накопители электронов (позитронов) на энергию 10 - 50 ГэВ для получения сверхжёстких пучков синхротронного излучения (Еу -1-20 МэВ). Такие жёсткие фотоны могут быть использованы для генерации импульсных пучков медленных позитронов высокой яркости за счёт образования электрон-позитронных пар в поле ядра, для генерации импульсного потока нейтронов длительностью г < 1 нсек за счёт фотоядерных реакций (порог у-п реакции для дВе4 1,66 МэВ), для расширения работ по ядерной и мёссбауэровской спектроскопии, возможно, для промышленного производства типа радиационно-химиче-ского, возможно, для решения технологической задачи дезактивации долгоживущих изотопов - продуктов атомных электростанций.

3) Компактные, относительно дешёвые накопители электронов, которые будут выпускаться небольшой серией ( 10 - 100 шт.) для Технологических центров (микроэлектроника, микромеханика, медицина, горнодобывающая промышленность), а также ориентированные на универсальное использование в университетах и небольших лабораториях.

В связи с этим дальнейшее развитие и создание новых источников мощных пучков синхротронного излучения для различных исследований и технологий является одной из актуальных задач современной физики.

В данной работе подводятся итоги большого цикла исследований, проводимых в ИЯФ СО РАН по генерации мощных пучков синхротронного излучения и его использованию в различных исследованиях и технологиях.

Цель работы. В России основным местом проведения работ по генераци!; ксполъзованию синхротронного излучения является

Институт ядерной физики СО РАН, на базе лабораторий которого и накопителей ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4 создан Сибирский центр синхротронного излучения. Программа проведения работ с использованием синхротронного излучения, начатая в 1973 году, предусматривалала:

проведение анализа требований к источникам СИ для различного рода исследований и технологий;

модернизацию электрон-позитронных накопителей ВЭПП-3, ВЭПП-2М и ВЭПП-4 для обеспечения исследований и разработки новых технологий с помощью СИ;

повышение яркости и жёсткости пучков синхротронного излучения, создании, постановку на накопители и исследование характеристик специальных генераторов излучения (виггллеры, ондуляторы) , изучение их влияния на движение электронов в накопителях;

создание новых экспериментальных методов, использующих специфические особенности синхротронного излучения; создание необходимого экспериментального оборудования, адекватного источнику излучения;

разработку и создание накопителей электронов - специализированных источников СИ для исследовательских центров других регионов страны;

разработку и создание накопителя электронов - специализированного источника синхротронного излучения для Технологического центра микроэлектроники;

разработку компактных источников синхротронного излучения, которые можно будет выпускать небольшой серией для разнообразных технологических центров (микроэлектроника, микромеханика и др. )

Научная новизна работы.

1. Проведен анализ требований к источникам СИ для различного рода [12,13] экспериментов; показано, что основной "потребительской" характеристикой является спектральная яркость источника.

2. Предложены и экспериментально реализованы способы повышения яркости и жёсткости пучков СИ. Впервые в мире в 1979 г. создана и установлена на накопителе ВЭПП-з многополюсная сверхпроводящая "змейка", позволяющая увеличить яркость СИ в области длин волн - 1 А более чем в 100 раз и получить узконаправленный пучок рентгеновского излучения со средней мощностью - 1 квт [26].

3. Впервые в мире проведено экспериментальное исследование угловых и спектральных характеристик излучения в широком диапазоне полей ( К»О, 1 - 20 ) в сверхпроводящей змейке на накопителе ВЭПП-З [43,44,43].

4. Теоретически исследовано и экспериментально изучено влияние сильнонелинейных магнитных полей "змеек" и ондуляторов на движение электронов в накопителях ВЭПП-З и "Сибирь-1" [40, 42, 45, 47, 83].

5. Предложены и реализованы экспериментальные методы наблюдения за электронным пучком в накопителе, основанные на регистрации СИ, позволяющие измерять характеристики магнитной системы накопителя и исследовать динамику электронного пучка в накопителе [53,57,58,62].

6. Предложены и экспериментально проверены схемы постановки ряда экспериментов ( ядерно-брэгговская монохроматизация пучка СИ

[14], рентгеновская микроскопия [15а], медицинская диагностика

[15], рентгеновская голография [12,46] ), использующие специфические особенности СИ.

7. Разработан метод рентгенофлуоресцентного анализа с

- 9

использованием СИ, предел обнаружения до 2-10 г/г, минимальное

-13

количество детектируемого вещества - 10 г. в микрообразцах с

простой матрицей. По ряду элементов (иттрий, группа лёгких платиноидов, редкоземельные элементы) данный метод превосходит любые другие инструментальные методы [16,79,80,70].

8. Предложен и экспериментально проверен метод прецизионного измерения абсолютной энергии электронов в накопителе с точ-

-4

ностыо ДЕ/Е - 5-10 , основанный на использовании спектральных особенностей СИ [64].

9. Предложен эффективный метод генерации импульсных пучков медленных позитронов высокой яркости за счёт образования е е+ пар пучком у-квантов (Еу - 1.2 + 1.5 МэВ) синхротронного излучения [93, 95].

10. Создан первый в нашей стране специализированный источник синхротронного излучения - накопитель электронов "Сибирь -1" на энергию 450 МэВ со сверхпроводящей "змейкой" на поле 43 Кэ [82, 83].

11. Проведена оптимизация параметров магнитной структуры создаваемых специализированных источников СИ - накопителей электронов "Зеленоград" (ТНК) и "Сибирь-2" с целью получения минимального эмиттанса электронного пучка, обеспечения максимальной яркости излучения из поворотных магнитов, возможности постновки ондуляторов и сильнополевых "змеек" [17,50].

12. Разработан и реализуется проект накопителя электронов "Зеленоград" (ТНК) - источника СИ, позволяющего комплексно решать задачи субмикронной технологии производства приборов микроэлектроники следующего поколения (рентгеновская литография, сухие низкотемпературные фотохимические технологии, субмикронное материаловедение, экспресс-анализ и экспресс-дефектоскопия материалов) [51].

13. Исследован вопрос [61] максимально возможной энергии электронов в накопителях при использовании сильного ведущего магнитного поля, получено ограничение

В Е <10+40 (Т • ГэВ)

14. Предложен модульный принцип при создании технологических накопителей на различные энергии на базе одного типа короткого сверхпроводящего магнита с параллельными краями [89,90].

Практическая ценность работы

1. На базе электрон- поз итронных накопителей ИЯФ СО РАН (ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4) создан Сибирский центр синхротронного излучения, где ежегодно проводят исследования от 70 до 140 групп из различных институтов СО РАН , других городов нашей страны, зарубежных стран (Германия, США, Венгрия, Индия, Франция, Великобритания, Китай, Корея).

2. Широкий фронт исследований с использованием синхротронного излучения позволил отраслевым организациям решать прикладные задачи для микроэлектроники, медицины, геологии.

3. Создание специализированного накопителя "Сибирь-1" дало возможность проводить в Московском регионе регулярные эксперименты с синхротронным излучением в диапазоне вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.

4. Создание специализированного накопителя "Сибирь-2" резко расширит работы с синхротронным излучением в Московском регионе за счёт проведения работ в диапазоне энергий фотонов вплоть до 150 -200 КэВ, а также за счёт получения ярких пучков фотонов с энергией 1 - 20 КэВ.

5. Создание специализированного накопителя "Зеленоград" позволит в Технологическом центре синхротронного излучения НПО "Субмикрон" комплексно решать важнейшие проблемы фундаментальной науки и современной технологии, направленные на дальнейшее развитие микроэлектроники.

6. Метод прецизионного измерения абсолютной энергии электронов применим при использовании накопителей - источников СИ в качестве радиометрического стандарта.

7. Результаты оптимизации магнитных структур накопителе^, схемы постановки "змеек" и ондуляторов могут быть рекомендованы к использованию при проектировании новых накопителей - источников синхротронного излучения.

Апробация работы. Результаты работы, были представлены ранее на Международные конференции по ускорителям заряженных частиц (Женева 1971г., Серпухов 1977г., Рим 1988г.), Всесоюзные совещания по ускорителям заряженных частиц (Москва 1972 г., Дубна 1976, 1978, 1980, 1984 гг.. Москва 1990 г.), Международные конференции

по разработке аппаратуры для синхротронного излучения (Париж 1977г. , Гамбург 1982 г. , Стэнфорд 1985 г. , Тцукуба 1988 г. , Честер 1991), Всесоюзные конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск 1975, 1977, 1978, 1980, 1982, 1984, 1986, 1988 гг., Москва 1990 г.), Советско-английские семинары по синхротронному излучению (Москва 1978, 1981 гг. , Дарсбери 1982, 1985 гг.), Японско-американский семинар по синхротронному излучению (Гонолулу 1979 г.), Международный симпозиум по синтезу и свойствам новых элементов (Дубна 1980 г.), Международные симпозиумы по рентгеновской микроскопии (Гёттинген 1983 г. , Москва 1993), советско-индийские семинары по источникам синхротронного излучения (Индор 1989 г., Дубна 1990 г.), Международный симпозиум в Кобе (Япония 1990 г.), Международной школе по источникам синхротронного излучения (Триест 1990 г.), Советско-японском семинаре по синхротронному излучению (Тцукуба 1991 г.). Международном совещании по источникам синхротронного излучения четвёртого поколения (Стэнфорд 1992).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в Трудах указанных выше Международных и Всесоюзных конференций, совещаний, семинаров и симпозиумов, а также в журналах и препринтах. Всего непосредственно по теме диссертации автором опубликовано более 150 работ, 61 из них приведены в списке литературы, ссылки на эти работы в тексте доклада обозначены индексом «А».

ЧАСТЬ II.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ПРЕДЕЛОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ СИ

1. Требования к источникам СИ для различного рода исследований и технологий.

Развитие теории синхротронного излучения было в своё время стимулировано изучением различных моделей атомов [1], физикой космических лучей [2], созданием ускорителей заряженных частиц [3,4]. Подробные исследования по теории синхротронного излучения [5-8] были завершены к шестидесятым годам, когда теория синхротронного излучения была уже хорошо развита и довольно полно описана в учебниках [9-11].

Широкое использование синхротронного излучения в различных экспериментах в семидесятых годах стимулировало написание обзора [А12 ], где были определены «потребительские» характеристики источников СИ, раскрыт их исследовательский и технологический потенциал, рассмотрены основные области применения этого класса источников, пути их дальнейшего совершенствования. На основе использования специфических особенностей СИ в этом обзоре были предложены и проанализированны схемы постановки некоторых экспериментов, в которых применение СИ открыло принципиально новые возможности (различного рода рентгеновские микроскопии [§ 4], рентгенофлуоресцентный элементный анализ [§ 7], ядерно-брэггов-ская монохроматизация для мёссбауэровских экспериментов [§ 8], разностная ангиография [§ 9].

Анализ схем различных экспериментов показал [А12], что эффективность использования СИ в различных случаях зависит не только от интенсивности синхротронного излучения, определяемой количеством излучающих частиц, их энергией и величиной магнитного поля в точке излучения. Весьма существенное влияние оказывают поперечные размеры электронного пучка в точке излучения, угловой разброс электронов в пучке, длина сгустка, минимально допустимое расстояние от точки излучения до места проведения эксперимента. Эти параметры во многом и определяют «потребительские» качества источника излучения.

Основной потребительской характеристикой источника излучения является спектральная яркость, определяемая числом фотонов (N0), излучаемых в единицу времени с единицы площади источника (Б) в единицу телесного угла (П) в данной спектральной полосе: (ДА/А)

в = а4 к»_

выражаемая обычно в единицах

_число фотонов

В

( сек) ( мм2)-(трэд2)-(0, 1 У. А А )

Яркость определяет максимально достижимое разрешение по длине волн, >пространственное или временное ' разрешение, которые могут быть получены в самых разнообразных экспериментах. Характерно, что и при использовании синхротронного излучения в технологии

рентгенолитографии время экспонирования определяется также яркостью источника [А13]. в связи с этим, получение максимальной яркости - основная задача при создании источников синхротронного излучения.

Важной потребительской характеристикой является временная модуляция синхротронного излучения, повторяющая временную структуру сгруппированных в сгустки электронов в накопителе. Высокая

-9 - 11

скважность СИ (длительность электронных сгустков 10 + 10 сек

-5 -7

при времени между последовательными импульсами - 10 + 10 сек), известное распределение светового импульса, высокая стабильность прихода импульса позволяют:

исследовать временные характеристики различных процессов, возбуждаемых импульсами СИ (например, ядерно-брэгговскую дифракцию рентгеновского излучения [А14]) ;

создавать различную быстродействующую аппаратуру, разрабатываемую специально для экспериментов с СИ.

Естественная либо нужным образом получаемая в специальных "змейках" и ондуляторах поляризация СИ позволяет,с одной стороны, изучать пространственную анизотропию объектов (кристаллы, ориентированные молекулы), с другой - при правильно выбранной геометрии проведения различных экспериментов [А14.А16] существенно улучшать фоновые условия. Так, используя линейно-поляризованное излучение для возбуждения при рентгенофлуоресцентном элементном анализе, размещая детектор вдоль направления электрического поля падающей волны и уменьшая телесный угол регистрации, можно резко уменьшить фон, определяемый томсоновским и комптоновским рассеянием [А16].

Важным требованием является возможность также независимого изменения параметров излучения (спектр, поляризация), положения источника излучения на одной из экспериментальных станций при сохранении стабильной ситуации на большом числе других одновременно проводимых исследований.

Кроме того, разнообразные исследования, проводимые с помощью пучков СИ и планы использования СИ для различных технологий, как правило, требуют нескольких часов стабильной работы источника, что может быть обеспечено хорошим временем жизни пучка (больше 10 часов), стабильностью положения электронного пучка в накопителе и Хорошей воспроизводимостью режимов работы.

§ 2. Пути повышения яркости источников СИ. Вопросы повышения яркости источников некогерентного синхро-тронного излучения обсуждались автором в нескольких работах [А12, А17,А18]. В обзоре [А12] рассмотрено влияние размеров электронных пучков и дифракционных ограничений на яркость источников СИ, обсуждались несколько различных способов уменьшения эмиттанса электронного пучка и повышения яркости:

повышение жёсткости фокусирующей системы в радиальном направлении ( увеличение v^);

- уменьшение связи между вертикальными и радиальными колебаниями;

- использование многополюсных (магнитных) змеек - вигглеров и ондуляторов ;

использование магнитной структуры с оптимальными значениями бетатронных функций #ma3p в местах постановки поворотных

магнитов и змеек.

В этом же обзоре была получена формула, выражающая полное число взаимно когерентных фотонов через яркость источника (Nv 2

В-Л ДХ/Х), из которой следует, что уменьшение эмиттанса электронного пучка имеет смысл до значений с - Л и что фундаментальный предел повышения яркости источника определяется дифракцией.

Проблемы оптимизации магнитной структуры накопителей - специализированных источников СИ были рассмотрены в докладе на конференции SRI-82 [А 17], в котором были сформулированы требования к магнитной структуре с точки зрения оптимальных значений бетатронных и дисперсионных функций в поворотных магнитах и прямолинейных промежутках для постановки длинных ондуляторов и сильнополевых вигглеров. Была получена популярная сейчас формула, показывающая, что независимо от магнитной структуры эмиттанс электронного пучка определяется энергией и одной геометрической характеристикой -углом поворота (0 ) в дипольных магнитах суперпериодов

с . - Е2 е3 . х min н

Обзор различных способов повышения яркости источников СИ был сделан в работе [А 18], представленной в виде приглашённого доклада на конференции SRI-91.

На рис. 2-1 приведена диаграмма, показывающая историю, современное состояние и планы увеличения яркости рентгеновских источников. Начиная со времени открытия рентгеновских трубок, их

яркость эволюционным образом была повышена примерно лишь в 100 раз за 60 лет. Использование электронных синхротронов, а затем электрон-позитроннных накопителей в качестве источников рентгеновского синхротронного излучения позволило мировому сообществу, начиная с 70-х годов, проводить целенаправленную работу по

революционному повышению яркости рентгеновских источников. Переход.

2 3

с синхротронов на накопители повысил яркость примерно в 10-10 раз за счёт того, что в накопителях больше средний ток и, благодаря радиационному затуханию, меньше поперечные размеры электронного пучка. Дальнейшее повышение яркости осуществлялось за счёт использования для генерации рентгеновского излучения многополюсных вигглеров, создающих на достаточно длинном участке орбиты знакопеременное магнитное поле, позволяющее собрать излучение с большой

длины в один пучок, увеличив его интенсивность в п раз (п - 10 + 2

10 число полюсов). Создание специализированных накопителей -источников СИ второго поколения, позволило уменьшить экиттанс электронных (позитронных) пучков, а следовательно уменьшить площадь источника излучения и повысить яркость ещё приблизительно на порядок. Источники СИ третьего поколения, имеющие ещё меньший эмиттанс и большую энергию, позволяют использовать в качестве источников рентгеновского излучения ондуляторы, дающие, благодаря интерференции излучения из всех полюсов ондулятора, квазимонохроматическое излучение со спектральной яркостью, большей по

2

сравнению с излучением из поворотных магнитов в п раз.

Таким образом видно, что для повышения яркости источников СИ в данном спектральном диапазоне используется четыре фактора:

повышение тока, обеспечивающее пропорциональное увеличение потока квантов СИ;

уменьшение змиттанса электронного (позитронного) пучка, дающее пропорциональное уменьшение площади источника, а также углового разброса в пучке, что важно для реализации возможности использования ондуляторов; - увеличение энергии электронов (позитронов), пропорционально увеличивающее поток квантов и уменьшающее телесный угол излучения, а также дающее возможность использовать ондуляторы для генерации коротковолнового излучения;

в Л 10

10

10

10

21

18

15

12

10

10

3- rd gene ration ч

SF source s \

2-n d gener ation ///u

SR sources \w V

1-st g sneratic n L

SR sou rces

Old synchrc tron

X-ray tubes

SPring APS ESRF

SIBERIA-HB

SIBERIA—2

VEPP-3 (WIGGL)

VEPP-3

1900 1920 1940 1960 1980 2000

Рис. 2-1. История повышения яркости рентгеновских источников излучения

использование ондуляторов, позволяющих повысить поток квантов

по сравнению с излучением из магнитов в п раз и дополнительно уменьшить телесный угол излучения в п раз. Реально все эти факторы взаимосвязаны, каждый из них имеет свои ограничения. Поэтому задача увеличения яркости решается благодаря взаимосогласованному использованию всех этих факторов.

Максимальное значение величины тока в накопителе практически остаётся постоянным ( I _„ - 1 А ) в течении длительного времени.

Шал

Повышение тока, особенно с одновременным ростом энергии, порождает

большое количество проблем физических (поперечные и продольные

неустойчивости, увеличение эмиттанса и энергетического разброса),

технологических (необходимость поглощения мощных пучков СИ внутри

вакуумной камеры при сохранении сверхвысокого вакуума),

технических (создание мощных ВЧ-генераторов с непрерывной

мощностью десятки мегаватт) и экономических. Учитывая всё это, не

приходится надеяться на повышение яркости синхротронного излучения

за счёт увеличения тока в накопителях.

Уменьшение эмиттанса пучка с одновременным увеличением его

энергии, позволяющие использовать ондуляторы для генерации

коротковолнового излучения - основной путь, используемый в

последние годы для повышения яркости источников СИ.

В накопителях при малом токе эмиттанс ех устанавливается

благодаря равновесию между квантовым возбуждением и радиационным

затуханием [19-21]. Качественно очевидно [22], что эмиттанс должен

определяться числом квантов, излучённых за время затухания (И = Е ,,

-—), квадратом энергии характеристического кванта, нормированной

Сс 2 Сс

на энергию электрона (—) и некой величиной < Н >Лад. определяе-

Е

<

в поворотных магнитах

мой поведением бетатроной и дисперсионной функций (Рх> т) 17^)

с „ _Е_ <н>

х ее £.2 Мад

Для накопителя с одним типом магнитов, имеющих радиус поворота Ио:

<н>мап" —- Смап---[1)2(3) +(Э„(3)7)'(Б) 4р'|г1'181)2] <55

Мад 2711*0 з) Х 2

Для классической ФСШО структуры [22]

<Н>Мад ' -I- Ех ~ соп^ Т^ (2'1)

"х

(R - средний радиус, v - частота горизонтальных бетатронных колебаний).

Для всех остальных структур выражения для эмиттанса, с точностью до постоянной величины, отличающейся в 2-3 раза, выглядят одинаково. Так формула для магнитных структур, состоящих из N ячеек, каждая из которых осуществляет ахроматический поворот на угол в - :

- 2

е - const -Щ— в3 (2-2)

X Ro

легко приводится к виду (2-1), учитывая, что для таких структур

Основной способ уменьшения эмиттанса, реализуемый в настоящее время, состоит в оптимизации магнитных структур и увеличении жёсткости фокусировки - повышении v .

Однако такой способ имеет физические ограничения, связанные с тем, что увеличение v требует использования большого числа сильных квадрупольных линз, которые вносят сильный хроматизм. Его компенсация, в свою очередь, требует большого числа сильных секс-туполей. Большое количество секступолей, кроме компенсации хроматизма, во втором порядке даёт сильную зависисмость частот бетатронных колебаний от амплитуды, что приводит, в свою очередь, к уменьшению динамической апертуры из-за сильных резонансов третьего порядка. Существует несколько способов увеличения динамической апертуры. Однако, все они позволяют как-то улучшить ситуацию, не решая её кардинальным образом. Поэтому проблема увеличения динамической апертуры является важной ускорительной задачей будущего развития источников СИ.

Дополнительные возможности для получения малого эмиттанса возникают при использовании специальных длинных вигглеров-затуха-телей [23], уменьшающих в несколько раз время радиационного затухания. Если в месте постановки вигглеров дисперсионные функции т; = т)' = 0, то при малых полях в вигглере дополнительное радиационное затухание ведет к уменьшению эмиттанса. Однако, с увеличением поля вигглер, подобно обычным дипольным магнитам, возбуждает собственные дисперсионные функции (7) , т) ) , что ведет к появлению дополнительного квантового возбуждения. Поэтому период вигглера (Ли) и

величина магнитного поля (Bw) не могут быть очень большими. В связи с этим, кроме очевидных проблем, связанных с выводом мощных пучков СИ из вигглеров, этот метод имеет принципиальные ограничения, связанные с большой кубической нелинейностью, вносимой такими вигглерами [А18].

Часть III.

Модернизация электрон-позитронных накопителей ВЭПП-2М, ВЭПП-3 И ВЭПП-4 для использования в качестве источников СИ

Накопители ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4 разрабатывались прежде всего как установки со встречными электрон-позитронными пучками. Поэт.ому для использования их в качестве источников СИ была реализована программа модернизации накопителей, которая на разных этапах включала следующие работы:

- создание каналов вывода СИ и оборудование рабочих мест (экспериментальных станций) для одновременного проведения различных экспериментов;

- изменение магнитной структуры и постановку на накопители специальных генераторов излучения (вигглеров, ондуляторов);

- строительство специальных радиационно защищенных помещений для размещения экспериментальных станций.

На накопителе ВЭПП-3 первые исследования с СИ начались в 1973 году непосредственно в зале накопителя, где были размещены три экспериментальные станции [А24.А25]. В 1979 году был построен защищенный бункер площадью - 120 м2 и специальные лабораторные помещения. В бункере в 1979 - 1983 гг. работы велись на восьми экспериментальных станциях: четыре на пучках СИ из поворотного магнита и четыре станции на пучках си из сверхпроводящей змейки. Эта змейка - первый в мировой практике сверхпроводящий двадцатипо-люсный вигглер с полем 3,3 т , установленный на ВЭПП-з в 1979 г. , позволила увеличить яркость рентгеновского пучка СИ в области А -1Á в 200 раз [А26].

Накопитель ВЭПП-3 использовался и для работы с оптическим клистроном - модификацией лазера на свободных электронах [27]. Последовательно в 1979 - 1985 гг. на накопителе были установлены

различные модификации ондуляторов на основе постоянных магнитов ОК-1, ок-2 и ОК-3 (см. табл. 4-2). В 1986 году для работы с оптическим клистроном был создан специализированный прямолинейный промежуток - байпасс, проходящий параллельно основному прямолинейному промежутку (см. рис. 3-1). Еайпасс используется для работы с электронным пучком только до энергии 500 МэВ. В связи с этим магнитные элементы байпасса существенно короче элементов, основного промежутка ВЭПП-3, рассчитанного для работы на энергию 2.2 ГэВ. Это позволило на байпассе получить свободное пространство порядка 8 метров для установки магнитной системы оптического клистрона -двух электромагнитных ондуляторов длиной 3.5м каждый и группиро-вателя. В 1988 году на оптическом клистроне байпасса ВЭПП-3 была получена генерация в диапазоне 6900 & - 2400 А. Это первый ЛСЭ, работающий в ультрафиолетовой области [А28].

С 1986 года после создания на ВЭПП-3 байпасса и постановки на основном промежутке трёхполюсного электромагнитного вигглера работы с СИ ведутся в бункере на тринадцати экспериментальных станциях, расположенных на восьми каналах вывода СИ. Основные параметры ВЭПП-3, каналов и пучков СИ приведены в табл. 3-1 .

Таблица 3-1. Основные параметры накопителя ВЭПП-3.

1. Максимальная энергия,ГэВ 2.0

2. Длина окружности,м 74.4

3. Режим работы одно- или двухсгустковый

4. Эмиттанс,см-рад 2.7-10

5. Ток,мА: 100(250 тах)

6. Время жизни,ч 2*10

7. Число полюсов змейки 3

8. Магнитное поле в змейке,т 2.0

8. Магнитное поле в поворотном магните,Т 1.7

9. Размеры электронного пучка,мм:

по вертикали 0.06

по горизонтали 0.9

10. Критическая длина волны,А:

из змейки при Е=2.0 ГэВ 2.3

из поворотного магнита при Е=2 . 0 ГЭВ 2.7

из поворотного магнита при Е=1.2 ГЭВ 10.8

11. Число каналов СИ:

из змейки 8

из поворотного магнита 1

Рис. 3-1. Схема накопителя ВЭПП-3

Синхротронное излучение выводится из специального трёхполю-сного вигглера с полем на орбите 2 Т, установленного в прямолинейном промежутке накопителя. Вывод СИ из' вакуумной камеры накопителя производится через бериллиевые фольги общей толщиной 0.8 мм, отсекающие вакуум накопителя от вакуума каналов экспериментальных станций. Горизонтальный угол, в который выводится излучение из вигглера, составляет 120 мрад. До экспериментальных станций излучение доходит по 8 каналам, 6 из которых по 3 мрад излучения и два - 8 мрад. Один канал выводит излучение из поворотного магнита накопителя, через бериллиевую фольгу толщиной 30 мкм в сверхвысо-ковакуумный канал с дифференциальной откачкой для станции рент-генолитографии.

Работа на ВЭПП-3 ведётся при энергии 2 ГэВ и токе -100 мА (максимальный ток 250 мА). Время жизни пучка составляет 2-10 час. и существенно зависит от величины тока и режима работы ВЭПП-3. Кроме работ с рентгеновским синхротронным излучением, в настоящее время ВЭПП-3 используется одновременно для экспериментов по ядерной спектроскопии на внутренней газовой мишени [29], определяющей средний вакуум в накопителе и, соответственно, время жизни пучка.

Кроме работы на 2 ГэВ имеется специальный режим при энергии 1,2 Гэв, используемый для работ на станции рентгенолитографии.

На накопителе ВЭПП-2М исследования с СИ начали проводить с 1974 года в специальном бункере площадью - 30 м2 , где были установлены первые пять экспериментальных станций, использующих излучение из поворотного магнита [25,30]. Для генерации ондуляторного излучения с Л - (300-100)А на накопителе в 1980 году был установлен спиральный электромагнитный ондулятор с периодом 2, 4 см. [31], затем в 1983 г. он был заменён на сверхпроводящий [32]. В течении долгого времени это был единственный в мире источник ондуляторного излучения, имеющий круговую поляризацию. С 1984 года на накопителе успешно работает пятиполюсный сверхпроводящий вигг-лер с рекордным полем а т [33, А34], позволивший вести работы с синхротронным излучением в области Л - 3 - 10 А. В 1983 году был построен второй бункер СИ площадью - 80 м2 , в котором был размещён участок рентгенолитографии с полным набором необходимого технологического оборудования, а также ещё четыре экспериментальные станции, использующие излучение из сверхпроводящей змейки и поворотного магнита. После проведенной модернизации ВЭПП-2М с 1992

вышел на новый рабочий режим. Основные параметры ВЭПП-2М как источника СИ приведены в табл. 3-2.

Таблица 3-2. Основные параметры накопителя ВЭПП-2М.

1. Энергия, МэВ

2. Периметр, к

3. Вид частиц

4. Режим работы

5. Эмиттанс, см-рад

6. Максимальный ток, мА:

суммарный

односгустковый

многосгустковый

7. Время жизни, час

8. Магнитное поле в поворотных магнитах, Т

9. Период обращения, не

10. Длина сгустка 2о- , см

700 17. 88

одно-/многосгустковый 4. 6-Ю"5

300 (150 е" и 150 в*) 200 ( е~ или е' ) 500 ( е" или е* )

1. 91

59. 6 8

11. Специальные устройства:

число полюсов

длина полюса, см

магнитное поле Н на

о

орбите, Т

12. Полная мощность СИ, кВт

13. Критическая длина волны излучения,

из поворотного магнита из «змейки>

14. Число каналов вывода СИ:

из поворотного магнита из змейки

сверхпроводящая змейка 5 - 3(Но) + 2(Но/2)

12

7. 5

7.5 (со змейкой)

19. 9 5. 1

9 6 3

е

е

'old' special rooms (80 m2)

storage ^ ring ^

VEPP-2M ¡Й

1

У////////Л vy,

* I

new special room (48 m2)

Рис. 3-2. Схема накопителя ВЭПП-2М

Рис. 3-3. схема расположения бункера для работы с СИ на ВЭПП-4М

Для работ с СИ в настоящее время используются два специализированных помещения. Их расположение и направления каналов выводов

СИ схематично показаны на рис. 3-2. В одно из помещений, общей 2

площадью 80 м , выводится излучение в электронном направлении из

сверхпроводящего вигглера (каналы 1Е и 2Е) и из поворотного магни-

р

та (каналы ЗЕ и 4У). Во второе, общей площадью 48 м , выводится излучение в позитронном направлении из поворотного магнита (каналы 1Р - 4Р). Исключением является станция измерения параметров позит-ронного пучка (канал 5Р), которая располагается в отдельном помещении.

На накопителе ВЭПП-4 исследования с СИ проводились в 19831985 годах в специальном бункере площадью 35 м2, где были установлены шесть экспериментальных станций, расположенных на четырёх каналах вывода СИ [А35]. Работа велась при энергии 4,6 - 5, 1 ГэВ и токе в накопителе до 30 мА.

В течение последних лет осуществлён проект модернизации -создание накопителя ВЭПП-4М, предусматривающий, в частности, замену двух элементов периодичности в середине каждого полукольца на эквивалентные вставки, состоящие из С-образных поворотных магнитов и линз. Конструкция С-образных магнитов позволила легко организовать вывод излучения из магнитов через специальные вакуумные камеры. За счёт увеличения магнитного поля в С-образных магнитах сокращена их длина, что позволило организовать прямолинейные промежутки по 1,8 метра для постановки специальных генераторов -виггперов и ондуляторов. В один из промежутков планируется постановка электромагнитного семиполюсного вигглера с максимальным полем 1, 5 Т.

Рядом с тоннелем северного полукольца ВЭПП-4 заканчивается

2

строительство защищенного бункера общей площадью - 1200 м , куда будут выведены пучки синхротронного излучения, установлено порядка двадцати экспериментальных станций, организованы специальные лабораторные помещения для экспериментальных групп (см. рис. 3-3). Основные параметры ВЭПП-4М, каналов и пучков СИ приведены в табл. 3-3. Работа в новом бункере начнётся в конце 1994 года. Основная часть работ с синхротронным излучением будет проводиться параллельно с экспериментами по физике высоких энергий. Часть работ, которая нуждается в специальных режимах, будет проводиться в специальные смены, отводимые для работы с синхротронным излучением.

Энергия, ГэВ 6

Периметр, м 366 М

Вид частиц - + е е

Режим работы одно/многосгустковый

Эмиттанс, см-рад 4- ю"5

Максимальный ток, мА односгустковый 50

многосгустковый 100

Время жизни, час 6-20

Магнитное поле в поворотных магнитах 1 Т

Период обращения

Длина сгустка, 2<тз см 4 см

Критическая длина волны излучения, & из поворотного магнита 0, 51

из семиполюсного вигглера 0, 4

Число каналов вывода СИ 14

Часть IV.

Разработка и создание вигглеров и ондуляторов специальных генераторов синхротронного излучения

История использования периодических магнитных структур для генерации излучения, по-видимому, начинается с работ В.Гинзбурга [36] и H.Motz [37]. Первое применение таких структур на электрон-позитронном накопителе в Кэмбрпвже в конце 60-х годов связано с предложением К.Robinson использовать «вигглер» • для перераспределения декрементов радиационного затухания. В ИЯФ'е периодические магнитные структуры традиционно называют «змейками» после доклада Г.И.Будкера на Международной конференции по ускорителям в Ереване в 1969 году, где он обсуждал возможность реализации фотон-фотонных встречных пучков. Следует особо отметить, что интерес к применению ондуляторов - периодических магнитных структур для генерации излучения сильно возрос после публикации в 1972 году работ В.Н.Байера и др. [38] и Д.Ф.Алфёрова и др. [39].

В ИЯФ СО РАН, начиная с 1976 г., было разработано и создано достаточно большое число змеек - вигглеров и ондуляторов, развиты различные технологии для создания этих устройств:

на основе сверхпроводящих магнитов [табл. 4-1]; на основе постоянных магнитов [табл. 4-2]; на основе обычных электромагнитов [табл. 4-3]. Выбор типа магнитных структур, конструкции вигглеров и ондуляторов, их схем постановки на накопители зависят, с одной стороны, от потребительских требований к вигглерам и ондуляторам как оптическим источникам, а с другой стороны, от ускорительных требований как к элементам магнитной структуры накопителя.

Характеристики излучения из вигглеров и ондуляторов зависят от их параметров (BQ - амплитуда магнитного поля, - период

изменения магнитного поля, N - число периодов, L = А N -

и у и и и

полная длина), а также и от параметров электронного пучка (энергия, ток, эмиттанс, энергетический разброс, время жизни). В свою очередь на параметры электронного пучка существенно влияют как магнитные поля вигглеров и ондуляторов (искажение орбиты, сдвиг частот бетатронных колебаний, появление зависимости частот бета-тронных колебаний от амплитуды, разрушение симметрии, уменьшение динамической апертуры), так и эффекты, связанные с излучением из вигглеров и ондуляторов (увеличение потерь энергии на излучение, изменение декрементов затухания, изменение энергетического разброса и эмиттанса электронного пучка).

Анализ свойств «змеек» и области их адекватного применения как оптических источников был проведен автором в разные годы в нескольких работах [А12; А26; А40; А41; А42; А42а].

В настоящее время слово вигглер используется для описания «змейки» с сильным магнитным полем и большим периодом, отклоняющей траекторию электронов на большой угол aQ » 1/7, предназначенной для генерации излучения со спектром типичным для синхротронного излучения. Использование вигглеров позволяет:

- получать излучение с фотонами более высокой энергии за счёт использования в вигглере сильных магнитных полей;

- увеличить поток фотонов в л раз (п - число полюсов) по сравнению с излучением из поворотных магнитов за счет суммирования излучения из всех полюсов вигглера;

- иметь возможность независимо изменять спектр на различных экспериментальных станциях, использующих излучение из разных вигглеров.

Superconducting insertion devices IMP

Year E (Sev) ®max (kGs) А о (cm) NP L (cm) 8 (cm) Az (cm)

higgler VEPP-3 1979 2.1 34 9 20 90

Helical undulator VEPP-2M 1984 0.65 4.7 2.4 IS 25 1.8

higgler VEPP-2M J 984 0.65 80 5 60

Higgler Siberia-1 1985 0.15 58 3 35

Wiggler TNK (2) 1993 1.6 80 3 35 2.0

Wiggler PLS (Pohang) 1994 2 75 3 4.8 2,4

Permanent magnet insertion devices

INP

( ! j Parameters Off-1 SmCo OK-2 SmCo OK-3 SmCo U—4 SmCo 1У-4 SmCo

j period (cm) i 10 6.5 6.9 1.28 4.6

total length (cm) 60 60 160 too 100

number of periods 6 9 22 78 22

field amplitude (kOs) 3+0 7 6.4 4.3+ 2 + 0 16+0

gap (cm) 1.1+2 1.1 t—» CO 0.50.8 + 3.5 0.5+ 3.5

years 1979 1980 1981 1982 1984 1985 1994 1994

ТАБЛИЦА 4-3

Electromagnetic insertion devices

INP

Year E (Gev) Smax-(lcGs) л (A) Au (cm) g (cm) Nu Lu (cm)

Helical undulator VEPP—2M 1980 0.7 2.1 100 2.5 1.8 10 25

Wiggler VEPP-4M 1985 5.5 16 0.4 22 2.2 5 ito

Wiggler VEPP-3 i 1986 2.0 22 2.1 15+30 3 3 70

Undulator OK VEPP-3 1907 0.3 4 5.6 2400 7200 10 2.2 68 680

Wiggler VEPP-4 1993 36.5 15 20 38 7 128

Undulator TNK(2) 1992 1.6 6.5 1001500 11 3.2 12 130

Wiggler TNK(4) 1992 1.6 10 840 24 3.2 8 210

Рис. 4-1. След от пучка СИ из сверхпроводящей «змейки» ВЭПП-3 в пластине оргстекла. Отверстие 3 мм х 30мм х 100 мм пучок проплавил за 1-2 минуты

Первый сверхпроводящий вигглер был создан в нашей Институте в 1978 г. [А26] и установлен на накопитель ВЭПП-3 для увеличения яркости источника в области А - 1Á. Параметры вигглера приведены в табл. 4-1, Магнитное поле было выбрано В - 3. 2 Т, чтобы при энергии 2 ГэВ иметь максимум интенсивности в области А - 1 Á. Период был выбран ■ 9 см, чтобы амплитуда горизонтального отклонения пучка в вигглере была меньше размера электронного пучка, а также, чтобы иметь максимально возможное число полюсов на заданной длине.

Благодаря увеличению поля в вигглере по сравнению с поворотными магнитами интенсивность в области А - 1 Ä увеличилась в 11 раз, благодаря двадцати полюсам поток увеличился ещё в 20 раз. Поскольку размер источника не изменился, его яркость увеличилась в 200 раз. Это был первый в мировой практике вигглер со сверхпроводящими магнитами. Полная мощность излучения из вигглера была около 1 квт (см. рис. 4-1). Экспериментально измеренные спектрально-угловые характеристики СИ из вигглера находились в хорошем согласии с расчётом [А43].

Интересной особенностью конструкции являлось применение вакуумной камеры в форме «замочной скважины» : накопление электронов велось в широкой части вакуумной камеры вне вигглера, после чего они ускорялись до энергии 2 ГэВ и при помощи корректирующих магнитов вводились в вигглер с узкой вакуумной камерой. Затем включалось поле в вигглере. Малая вертикальная апертура в вигглере была необходима для обеспечения требуемого магнитного поля в вигглере при малом периоде.

Примером вигглеров, созданных для получения жёстких фотонов, является вигглер с полем 4,3 Т , установленный в 1985 году на накопителе «Сибирь-1» [А48] и создаваемый в ИЯФ трёхполюсный вигглер с полем 7, 5 Т для PLS (Университет Поханг).

Ондулятором обычно называется «змейка» с большим числом полюсов, с малым магнитным полек, малым периодом, отклоняющая траекторию электронов на угол oíq з 1/?. Основное условие работы «змейки» в ондуляторном режиме - обеспечение интерференции излучения из всех полюсов ондулятора., что определяет, с одной стороны, все его спектрально-угловые характеристики, а с другой, накладывает жёсткие ограничения на угловой разброс в электронном пучке.

Первые цветные фотографии ондуляторного излучения были получены в 1979 году при работе сверхпроводящей «змейки» в

ондуляторном режиме при as = о. 1 - 7 на ВЭПП-3 при энергии электронов 180 - 400 МэВ. Было проведено экспериментальное исследование угловых и спектральных характеристик ондуляторного излучения в области от 6000 Ä до 2000 Ä, получено хорошее согласие с расчётом, учитывающим конечную длину ондулятора [А44, А45].

Абсолютные измерения яркости, спектрально-угловых характеристик, пространственной когерентности и монохроматичности ондуляторного излучения в области \ - 150 к из спирального ондулятора, установленного на накопителе ВЭПП-2М были проведены в работе [А46], где также было получено хорошее согласие с расчётами характеристик ондуляторного излучения, учитывающими параметры электронного пучка. Это была первая работа, продемонстрировавшая возмож-. ность использования для рентгеновской голографии не требующих предварительной монохроматизации пучков мягкого рентгеновского излучения из ондуляторов.

Постановка сильнополевых вигглеров и длинных ондуляторов оказывает существенное влияние на движение частиц в накопителе. Эти эффекты впервые подробно были рассмотрены и экспериментально изучены при создании сверхпроводящего вигглера ВЭПП-3 [А40]. Существенными эти эффекты оказались при постановке сверхпроводящего вигглера на ВЭПП-2М [33], на «Сибирь-1» [А47, А48], а также при постановке длинных ондуляторов на байпасе ВЭПП-3 [А49]. Подробно рассмотрение всех этих эффектов и результаты экспериментов приведены автором в лекции [А42], прочитанной в Международной школе в Триесте в 1990 году.

Наиболее заметными эффектами являются сдвиг частот вертикальных бетатронных колебаний из-за краевой фокусировки и сдвиг частот горизонтальных бетатронных колебаний из-за развала магнитного поля змейки в горизонтальном направлении и появления градиентного поля на орбите пучка в змейке:

ß L I К2 ч

Д V = у " [ 1 + - ÜX ■ р к2 I

871 р2 I К2 "" 0 * I

гО и

ß L , К

IV = - -i-— —- "А* р К'

8TT р2 I К2 0 '

„г [ 2П |г „г I 2П 1г

где Кц = —^— ; К^ - —ь— ■ > " эффективная длина

V и ) V х )

развала поля в горизонтальном направлении, в - значения бета-

у, *

тронных функций в месте постановки змейки, ро - радиус поворота в магнитном поле змейки. ЛХ - горизонтальное смешение центров

шах

соседних полюсов змейки, используемое для перераспределения величин сдвигов частот бетатронных колебаний.

Сдвиг частот вертикальных бетатронных колебаний из-за краевой фокусировки составлял: ДУ2 - 0.08 для вигглера на «Сибири-1», ЛУг - О. 12 для вигглера ВЭПП-2М, ДУ2 - О. 23 для ондуляторов на байпасе ВЭПП-3.

Для кинимизации влияния змеек на движение частиц в накопителях необходимо рассматривать их как обычные элементы магнитной структуры, требующие стандартной ускорительной процедуры согласования. Для этого в каждой из квадрупольных линз элемента периодичности необходимо закладывать либо индивидуальное питание ( как на байпассе ВЭПП-3), либо использовать независимые сильноточные корректирующие градиентные катушки (как на ВЭПП-2М и на "Сибири-2).

Кроме того, для постановки сильнополевых змеек, как правило,

необходимо использовать промежутки с малой р-функцией (для ВЭПП-2М

/3 - 5 см, для "Сибири-2" р - 25 см), что существенно уменьшает 2 2

их вклад в сдвиг частот.

Для перераспределения величин сдвигов частот бетатронных колебаний ДУ2 и , как например на накопителе «Сибирь-1», либо для зануления ДУ^ на предельных полях, как на ВЭПП-2М, в конструкциях вигглеров используется горизонтальное смещение центров соседних полюсов вигглера.

Весьма существенным эффектом является также появление зависимости частот бетатронных колебаний от амплитуды 3 V „ рь ,

г л у и 1

.г 4 г .. г

э а Ро Аи

Для ондуляторов байпасса ВЭПП-3 появляющаяся кубическая

ач _2

нелинейность достигает величины -— - 5,4-10 2 - даже при

аа см

том, что подбором продольного профиля полюсов ондулятора была

подавлена третья гармоника поля до величины менее 3 У. ■ Поэтому

для компенсации зависимости частот бетатронных колебаний от

амплитуды используются семейства октупольных линз. Без такой

компенсации на байпассе ВЭПП-3 работать было невозможно, т. к. в

широком диапазоне частот бетатронных колебаний наблюдались сильные

резонансы третьего и четвёртого порядков.

INSERTION DEVICES FDR TNK (1.6 GEV)

SUPERCON VIGGLER VIGGLER -UNDUL. LITHOGR. VIGGLER LITHOGR. VIGGLER

PERIOD, CM 31 11 24 24

TOTAL LENGTH, CM ~100 130,8 133.3 181.6

NUMBER OF PERIOD 1 11 5 7

FIELD AMPL. KGS 80 5 6.5 10 10

GAP, CM 3,0 3.2 3.2 3,2

V/AVE LENGTH 0 AtFUNB CA) 11.2 56-1305 7.28 7,28

UNDULATOR FACTOR, K 230 6.68 22.4 22.4

MAX.HOR. ANGLE SPREAD C2K/7), MRAD 2x74 4.27 14.3 14.3

Долголетний опыт создания и эксплуатации различного рода вигглеров и ондуляторов в ИЯФ СО РАН позволил заложить в проекты создаваемых специализированных источников СИ "Сибирь-2" и "Зеленоград" широкое использование различных змеек [А50, А51], параметры которых приведены в табл. 4-4 [А52].

Вигглеры и ондуляторы, созданные и разработанные в Институте безусловно отличаются друг от друга как по параметрам, так и по конструктивному исполнению. Однако, имеются некоторые общие решения, которые их объединяют. Рассмотрим эти особенности.

Как правило , во всех конструкциях сверхпроводящих устройств используются магнитные сердечники и магнитное ярмо из железа. Это позволяет увеличить поле в зазоре на Д В = ( 1. 5 - 1.8)т, уменьшить рассеяные магнитные поля, уменьшить величину запасенной энергии. В сильнополевых вигглерах используются секционированные последовательно соединенные катушки . При этом для внутренней катушки используется провод большего диаметра, что позволяет уменьшить плотность тока в витках, находящихся в максимальном магнитном поле.

В вигглерах используются вакуумные камеры, охлаждаемые до азотной температуры. Благодаря этому части вигглера, находящиеся при гелиевой температуре, закрыты от пучка и устраняется возможность их разогрева за счёт попадания СИ, либо за счёт когерентных потерь энергии пучка. С другой стороны по сравнению со случаем тёплой вакуумной камеры уменьшается требуемый межполюсный зазор из-за отсутствия дополнительных азотных экранов. Для охлаждения поглотителей СИ, расположенных внутри таких вакуумных камер применяется специальный хладоагент, имеющий более низкую температуру замерзания по сравнению с водой.

Излучение из вигглеров, как правило, используется одновременно большим числом экспериментальных станций (например, девять станций на вигглере ВЭПП-3). Для этого у сильнополевых вигглеров (shifters), предназначенных для повышения жёсткости излучения (ВЭПП-2М, «Сибирь-!.», «Зеленоград») необходимо было решить проблему «второго» источника, т. е. устранить возможность попадания излучения на какую-либо экспериментальную станцию одновременно с двух участков вигглера. На ВЭПП-2М для этого используется коллимация с помощью дополнительных приёмников излучения, что, правда, ограничивает число экспериментальных станций. Для накопителя «Зеленоград» создаётся специальная конструкция с длинными краевыми

полюсами, создающими магнитное поле порядка 1/4 от поля в центральном полюсе. В этом случае излучение из «второго» источника существенно мягче по спектру и легко устраняется поглощением в бериллиевых-разделительных фольгах.

Все конструкции ондуляторов на основе постоянных магнитов ОК-1, ОК-2 и ОК-3 используют железо для замыкания обратного потока и уменьшения рассеяных магнитных полей. В конструкции ОК-2 впервые был использован принцип продольной концентрации магнитного потока с помощью железных полюсов. Известные как «гибридные», они нашли широкое применение не только для генерации ондуляторного излучения, но и в магнитных системах ЛСЭ. В отличие от конструкции ОК-2 «гибридные» ондуляторы, создаваемые позднее в других центрах, не содержат неподвижных тонких полюсов, находящихся под нулевым потенциалом. Наличие таких полюсов в ОК-2 позволяет независимо изменять зазор между основными полюсами на любом участке ондулятора, не изменяя поле в других частях.

В конструкции ОК-3 использована клиноподобная форма основных и нейтральных полюсов, позволяющая уменьшить рассеянные поля по сравнению с конструкцией ОК-2 и более оптимально использовать магнитный материал.

В длинных ондуляторах байпасса ВЭПП-3 и ондуляторов для «Зеленограда» подборок продольного профиля полюсов ондулятора подавлена третья гармоника поля до величины менее 37.. Это сделано для минимизации вклада магнитного поля ондуляторов в кубическую нелинейность.

Для возбуждения поля в этих ондуляторах используется дешёвая в изготовлении и простая в эксплуатации конструкция, состоящая из восьми периодически изогнутых медных шин с отверстием для воды. Коммутация осуществляется по торцам, используется сильноточное питание.

Часть V.

- Разработка экспериментальных методов диагностики электронного пучка в накопителе, основанных на регистрации СИ.

Получение интенсивных долгоживущих пучков в накопителях с малым эмиттансом, изучение эффектов , связанных с ограничением динамической апертуры, нелинейными резонансами, требуют измерения не только размеров пучка, частот бетатронных колебаний и

/3-функций, но и нелинейных членов, определяющих зависимость частот

бетатронных колебаний от энергии и амплитуд бетатронных колебаний

(хроматизма аярХ'г и кубической нелинейности Sux>z

За

xz

Ещё на накопителе ВЭП-1 при участии автора были разработаны методы измерения основных параметров пучков в накопителе [А53] и методы измерения основных характеристик магнитной системы накопителя [А54], базирующиеся на использовании синхротронного излучения. В частности, благодаря этим методам автору удалось провести экспериментальное исследование нелинейных резонансов и стохастической неустойчивости [А55]. Были изучены характиристики отдельно стоящих нелинейных резонансов, получена полная картина разрушения пары резонансов во всём диапазоне их взаимного расстояния и отношения амплитуд, подтверждён для реальной механической системы критерий стохастичности Чирикова [А56]. Впервые было изучено взаимодействие резонансов при периодическом прохождении нелинейного резонанса [А56а] (см. рис. 5-1 и 5-2).

Методы измерения характеристик магнитной системы с помощью резонансной раскачки, использованные на ВЭП-1 и ВЭПП-3 [А53, А57], обладают хорошей точностью, но трудоёмки. Более оперативным и более информативным является разработанный нами на ВЭПП-3 метод [А58] изучения когерентного бетатронного движения частиц, возбуждаемого импульсной раскачкой и наблюдаемого по регистрации видимой части СИ при помощи диафрагмированного ФЭУ.

Рассмотрение кинематики когерентных бетатронных колебаний - временной эволюции моментов функции распределения невзаимодействующих частиц в бетатронном фазовом пространстве, - позволило Получить простые формулы для экспериментально наблюдаемых величин и предложить простой способ оперативного измерения не только

нелинейностей ( -gg-и ) , но и поперечных размеров электронного За

пучка, что принципиально для измерения размеров < О, 1 мм и энергетического разброса. Метод был экспериментально проверен на накопителе ВЭПП-3 [А59], использовался при запуске накопителей ВЭПП-4, "Сибирь-1", байпаса ВЭПП-3.

Рис. 5-1. Исследование периодического прохождения нелинейного резонанса с помощью диссектора, а) резонанса нет;

б) резонанс без периодического прохождения; в), г), д) - переход от медленного прохождения к стохастическойнеустойчивости; е) стохастика; ж), з) модуляционные резонансы.

Рис. 5-2. Результаты экспериментального исследования устойчивости движения при периодическом прохождении нелинейного резонанса. I - область медленного «адиабатического» прохождения; II - стохастическая область; III - область модуляционных резонансов.

Метод изучения когерентного бетатронного движения частиц по регистрации видимой части СИ при помощи диафрагмированного ФЭУ весьма эффективен для исследования и подавления когерентных неустойчивостей. Рассмотрение устойчивости когерентных бетатронных колебаний при наличии когерентного или некогерентного сдвига частот бетатронных колебаний за счёт сил пространственного заряда [А60] показало, что в этом случае устойчивость когерентного движения определяется существенно нелинейным эффектом, аналогичным эффекту "отрицательной массы" для продольного движения. В работе [60] были получены условия устойчивости: а) определяемые соотношением между знаком кубической нелинейности и знаком силы пространственного заряда; б) зависящие от величины сдвига частоты бетатронных колебаний и от разброса по частотам бетатронных колебаний в пучке. При накоплении больших токов в накопителях ВЭПП-3, "Сибирь-1", байпасе ВЭПП-3 для подавления неустойчивости когерентных колебаний не только корректируется величина хроматизма и кубической нелинейности, но и задаются их правильные знаки [А59,А61]. На накопителе "Сибирь-1" эффект "отрицательной массы" используется для получения быстрого затухания когерентных вертикальных бетатронных колебаний при инжекции, что позволяет вести накопление частиц с частотой 0.5 гц при времени радиационного затухания 2-5 сек.

Для наблюдения кинематики когерентных синхротронных колебаний и эффектов, наблюдаемых в продольном фазовом пространстве при накоплении большого тока , был разработан метод, использующий регистрацию видимой части СИ с помощью быстрого диссектора [А62]. Разработанные методы позволяют измерять распределение частиц по амплитудам синхротронных колебаний, плотность частиц в любой фазе, частоты, амплитуды, времена затухания синхротронных колебаний. Эти методы используются для изучения и подавления различных эффектов взаимодействия пучка с резонаторами и паразитными модами [А63]: искажение потенциальной ямы за счёт наведенных напряжений, смещение равновесной фазы за счёт когерентных потерь энергии пучка, возбуждение когерентных синхротронных колебаний, "некогерентного" удлинения сгустка.

Возможность использования накопителей электронов для различных экспериментов существенно определяется знанием абсолютной энергии частиц в накопителе. Одним из простых методов оперативного измерения абсолютной энергии электронов, предложенный и

реализованный с участиен автора, стал метод, использующий спектральные особенности СИ [А64]. В области длин волн Лс/А >> 1 имеется резко выраженная зависимость интенсивности СИ от энергии. Допуская, что энергия частиц в накопителе пропорциональна магнитному полю в точке излучения, при Ас/Л » 1 легко получить

где А - длина волны СИ на которой ведётся измерение

1Л - интенсивность СИ на длине волны Л

Н - величина магнитного поля в точке излучения.

При экспериментальной проверке метода, полученные значения энергий

сравнивались со значениями энергии, измеренными другим методом,

использующим измерение частоты прецессии спина электрона в

- 5

магнитном поле и обладающим рекордной точностью (ДЕ/Е- 1-10 ) , но требующем поляризованных пучков. Точность измерения с помощью СИ при сравнении с другим методам была не хуже ДЕ/Е- 3-10

Часть VI.

Использование синхротронного излучения накопителей ИЯФ СО РАН для обеспечения различных исследовательских и технологических программ.

Сибирский центр синхротронного излучения , организованный на базе лабораторий Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, в настоящее время является основным местом проведения исследований с синхротронным излучением в России.

Если в первых экспериментах использовались лишь наиболее очевидные преимущества СИ перед обычными источниками: большая интенсивность, широкий спектральный диапазон, малая угловая расходимость, - то в ' последние годы реализованы практически все специфические характеристики СИ, на основе которых разработаны интересные экспериментальные методы. Полный список девятнадцати экспериментальных станций, работающих в настоящее время на накопителях ВЭПП-2М и ВЭПП-3, приведен в таблицах 6-1 и 6-2.

( 1 <31; 1А с!Н

Таблица 6-1. Список экспериментальных станций ВЭПП-2М

Канал (вид излучающих частиц) Точка излучения Экспериментальная станция

1Е С е") змейка не используется

2Е (е~) змейка Рентгеновская литография

ЗЕ (е ) поворотный магнит Фотоэлектронная спектроскопия для химического анализа

4Е (е~) поворотный магнит резерв

1Р+ (е ) поворотный магнит Фотоэлектронная спектроскопия II

е ) поворотный магнит Люминесценция с временным разрешением

ЗР+ (е ) поворотный магнит Метрология в мягком рентгене

4Р+ (е ) поворотный магнит Стимулированная фотодесорбция

5Р+ ( е ) змейка Измерение параметров позитронного пучка

Таблица 6-2. Список экспериментальных станций ВЭПП-3

Канал Точка излучения Экспериментальная станция

2 змейка - a) Лауэ дифрактомегрия b) Аномальное рассеяние

3 змейка Рентгенофлуоресцентный элементный анализ

4 змейка Разностная ангиография

. 5 змейка a) Рентгеновская микроскопия и микротомография b) Дифракционное кино c) Макромолекулярная кристаллография й) Малоугловая дифрактометрия

6 змейка Рентгеновская спектроскопия с временным разрешением

7 змейка Топография и дифрактометрия

8 змейка ЕХАРЭ-спектроскопия

10 поворотный магнит Рентгеновская литография

Основное количество экспериментальных групп, работающих в Центре, составляют институты Сибирского отделения РАН из Новосибирска. Кроме этих групп, являющихся, как правило, хозяевами экспериментальных станций, в работе принимают участие группы из институтов РАН других городов, из университетов и учебных институтов, из отраслевых исследовательских и технологических институтов, из зарубежных стран. На рис. 6-1 приведена диаграмма, показывающая изменение числа работающих экспериментальных групп за 20 лет работы. Уменьшение числа групп в 1986 - 1987 гг. было связано с пожаром в Институте в августе 1985 года. Уменьшение числа групп после 1990 года объясняется изменением политической и экономической ситуации в республиках бывшего Советского Союза и в странах Восточной Европы. В результате полностью перестали работать группы из бывшей Восточной Германии (10 групп), из бывшей Чехословакии (6 групп), из Венгрии (3 группы), из Эстонии, Латвии, Армении, Азербайджана, Украины. Из-за резкого сокращения финансирования науки в России уменьшилось число групп из городов Европейской

части России. В течение последнего года в SSRC работало лишь 64 группы, из них 12 из зарубежных стран ( Англия - 2, Германия - 3, США - 3, Корея - 3, Индия -1).

Работы, выполненные в Центре, опубликованы более чем в 1100 статьях в российских и зарубежных журналах [65]. На рис. 6-2 приведены данные по количеству работ, публикуемых ежегодно в Центре СИ.

Наиболее полно результаты работ, выполненных в Центре, представлены в трудах Всесоюзных конференций по использованию синхро-тронного излучения (СИ-82, СИ-84, СИ-86, СИ-88 и СИ-90), вышедших либо отдельными сборниками [66, 67, 68], либо в виде специальных выпусков журнала "Nuclear instruments and methods in physics research, Section A" [69]. По ряду направлений итоги работы обобщены в монографиях [70,71, А72], а в последние годы публикуются годовые отчёты о работе Сибирского Центра СИ [73,74].

Работы, проводимые в Сибирском центре синхротронного излучения перекрывают широкий спектр научных и технологических задач (см. рис. 6-3).

Тематика работ очень разнообразна, имеется много интересных работ в различных отраслях науки. Для атомной и ядерной физики в качестве примеров можно привести работы по получению интенсивных узконаправленных пучков мёссбауэровских квантов с помощью ядерно-брэгговской монохроматизации и исследование спектров комбинационного рентгеновского резонансного рамановского рассеяния с энергией возбуждения ниже K-края. Для физики твёрдого тела интересная информация получается при исследовании фазовых переходов в кристаллах при сверхвысоких давлениях, исследовании

низкотемпературных и высокотемпературных фазовых переходов. Для геологии - элементный анализ метеоритов, частиц пород из разных районов Луны дал дополнительную информацию для решения фундаментальных проблем происхождения лунных и земных пород. Для биологии проблема изменения структуры при реализации биологической функции изучалась на примере исследования структуры мышцы в процессе сокращения. Синхротронное излучение применялось для рент-геноструктурного анализа сильнопоглощающих волокон цезиевой соли ДНК, рентгеноструктурного анализа ряда белков. Для химии чрезвычайно важной оказалась возможность изучения кинетики химических реакций, исследования промежуточных продуктов реакции. Благодаря EXAFS-спектроскопии изучается структура различных типов катализаторов.

Рис. 6-1. Диаграмма изменения числа экспериментальных групп, работающих в Сибирском центре СИ

Annual number of SSRC publications

Years

Рис. 6-2. Количество работ, ежегодно публикуемых Сибирским центром

СИ

ПРИМЕНЕНИЕ СИ

Рис. 6-3. Области использования синхротронного излучения в Сибирскон центре СИ

В работах, использующих рентгенодифракционные методы, изучают процессы плавления и кристализации различных материалов, структурные изменения в процессе их разрушения, структуру поверхностных слоев субмикронной толщины различных металлов, имплантированных ионами.

Синхротронное излучение использовалось для изучения структуры материалов ВТСП, изучения подвижности ионов кислорода в структуре ВТСП, исследования бромзамещённых ВТСП, изучения процесса синтеза керамики ВТСП в режиме "in situ", отработки технологии получения плёночных материалов ВТСП.

Различные экспериментальные станции использовались для отработки золь-гель технологии получения новых конструкционных керамик, технологии изготовления многослойных рентгеновских зеркал, технологии очистки при получении новых экзотических материалов -фуллеренов C6Q и C7Q, технологии получения новых материалов с помощью процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Разрабатывается LIGA-процесс с использованием рентгенолито-графии на синхротронном излучении (Х.-2&) для планарной технологии массового производства элементов микромеханики. Отработана технология рентгенолитографии для изготовления полевых транзисторов с длиной канала 0,25 мкм, изготовлены регулярные микропористые фильтры с высокой - до 50% - прозрачностью, с заданным расположением и размерами пор диаметром 0, 4 мкм на лавсановой плёнке толщиной 2-6 мкм.

Анализ деятельности Сибирского центра синхротронного излучения показывает, что такая форма организации работы позволяет: эффективно использовать уникальные дорогостоящие установки -источники синхротронного излучения;

- объединять усилия многих институтов и организаций в создании необходимого экспериментального оборудования;

- осуществлять эффективный обмен экспериментальной культурой между исследовательскими группами из различных институтов и организаций;

- организовать подготовку и обучение не только отдельных студентов и аспирантов, но и целых команд для других Центров синхротронного излучения;

реализовать плодотворное сотрудничество между наукой и промышленностью;

- эффективно использовать международное сотрудничество.

Часть VII.

Разработка метода рентгенофлуоресцентного элементного анализа (РФА) с использованием синхротронного излучения.

Начало работ по использованию синхротронного излучения для рентгенофлуоресцентного элементного анализа (РФА-СИ) в ИЯФ было связано с предложениями по поиску природных сверхтяжёлых элементов и с проектом постановки сверхпроводящего вигглера на ВЭПП-3. Анализ, проведенный нами в работе [А12], показал, что использование синхротронного излучения радикально улучшает возможности РФА. В этом случае:

- малая угловая расходимость и непрерывный спектр СИ позволяют с высокой эффективностью осуществить перестраиваемое в широком диапазоне энергий монохроматическое возбуждение с применением фокусирующей рентгеновской оптики; при этом становится возможным избирательное возбуждение элементов в образцах сложного состава и выбор оптимальных условий для регистрации заданного элемента;

естественная поляризация СИ создаёт возможность на один-два порядка уменьшить фон за счёт упругого и комптоновского рассеяния от возбуждающего излучения на образце при оптимальном выборе угла детектирования;

- высокая интенсивность пучков СИ позволяет проводить локальный анализ с высоким пространственным разрешением, а также работать с очень тонкими образцами, что во многих случаях дополнительно улучшает фоновые условия.

В 1976 году на пучке СИ из поворотного магнита накопителя ВЭПП-3 в диапазоне энергий до 15 кэВ был проведен эксперимент по определению минимальных детектируемых концентраций (МДК) солей металлов (йп, Аи) в водных растворах методом РФА-СИ. Полученные

значения МДК. составляла 17 ррв (1,7 ■ 10 г/г) для линии гпК и

3 а

70 ррв для Ь серии Аи при измерении 10 с [А75].

В последующие годы были созданы экспериментальные станции РФА-СИ, использующие излучение из сверхпроводящей <змейки» ВЭПП-3

[А76], из накопителя ВЭПП-4 [А77], из тёплого вигглера ВЭПП-3 [А78]. Создание станций потребовало разработки зеркал для фокусировки немонохроматизированного пучка СИ, светосильных широкополосных фокусирующих монохроматоров, узкополосных фокусирующих моно-хронаторов, необходимых для реализации различных схем возбуждения рентгеновской флуоресценции. Были использованы различные схемы регистрации рентгеновского характеристического излучения, позволяющие проводить бездисперсионный многоэлементный панорамный анализ с полупроводниковым детектором, анализ на один-пять элементов с повышенной чувствительностью при использовании цилиндрического дисперсионного фильтра из пиролитического графита и полупроводникового детектора; дисперсионный анализ с высоким энергетическим разрешением (см. рис. 7-1).

Анализ преимуществ и недостатков различных схем возбуждения и регистрации флуоресцентного излучения приведен в работах [А79, А80], а наиболее подробно - в обзоре [А81].

В последнем обзоре [А81] подробно рассмотрены фоновые факторы, ограничивающие пределы обнаружения элементов в различных схемах РФА-СИ: упругое рассеяние возбуждающего излучения, однократное и многократное комптоновское рассеяние, пики вылета флуоресценции, отстоящие от реальных интенсивных линий на энергию характеристического кванта материала детектора (9,9 кэВ для GeK^), пики вылета регистрируемых квантов, испытавших в детекторе комптоновское рассеяние на угол около 180° и вылетевших из него по кратчайшему пути; плато, образуемое тормозным излучением фотоэлектронов в образце, «крыльями» кривой пропускания монохроматора, а также неполным сбором заряда в детекторе и вылетом части вторичных квантов за его пределы.

В обзоре [А81] рассмотрены также способы уменьшения фона за счёт использования специфических свойств пучков СИ (естественная поляризация СИ, избирательное возбуждение, избирательная регистрация, использование тонких образцов), даны оценки предельно достижимых величин коэффициента подавления фона.

Рис. 7-1. Схемы регистрации РФА-СИ на ВЭПП-3: А - многоэлементный анализ, использующий ППД; В - высокочувствительный анализ на один-пять элементов с использованием аксиального дисперсионного фильтра; С- дисперсионный анализ с высоким энергетическим разрешением.

I - пучок СИ; 2 - коробка; 3 - кристалл-монохроматор; 4 - шаговыйдвигатель; 5 - монохроматор; 6 - труба;

7 - поляриметр;8 - камера для образца; 9 - поглотитель пучка СИ; 10 - коллиматор;

II - полупроводниковый детектор;12 - поворотный стол; 13 - дисперсионный фильтр; 14 - кристалл-анализатор;

15 - счётчик.

Работающая сейчас станция РФА-СИ на ВЭПП-3 позволяет проводить следующие режимы измерения:

_ д

- общий анализ элементного состава (масса образца от 10 до 1

2 3

грамма, экспозиция 10 -10 с, характерные значения предела

- 7

обнаружения - 10 г/г);

анализ следовых количеств заданных элементов ( 1-4 элемента

одновременно) с применением дисперсионного полосового фильтра из

- 9

пиролитического графита (предел обнаружения 2-10 г/г для

3

группы ии-Ад, экспозиция (1-3) 10 с);

- сканирование участков образцов с построением двухкоординатной карты содержания заданных элементов (до 7 элементов одновременно, пространственное разрешение 40 мкм, время измерения 1-5 секунд на точку, предел обнаружения 10 ^ - 10 6 г/г, поле сканирования до 20 х 20 мм).

Характерный вид спектров РФА-СИ показан на рис. 7-2 и 7-3. Станция РФА-СИ на ВЭПП-3 широко используется различными экспериментальными группами для решения различных задач в геологии и геохимии, биологии и медицине, экологии, промышленности [А70].

Развитие метода РФА-СИ показало следующие его достоинства: высокую чувствительность, малые объём и массу изучаемого образца; панорамность измерения (от Са и до конца периодической таблицы элементов могут быть измерены концентрации всех элементов без исключения); процедура измерения неразрушающая; экспрессность получения результата; возможность измерения поверхностного и объёмного распределения элементов; возможность организации массового автоматизированного элементного анализа для прикладных целей.

Рис. 7-2а. Характерный спектр К и Ь рентгеновской флуоресценции некоторых элементов, полученный при возбуждении монохроматическим пучком СИ СЕ -томсоновское рассеяние;

Ес -

комптоновское рассеяние)

В^Рг

Рис. 7-2б. Иллюстрация РФА-СИ спектра для редкоземельных элементов с концентрацией - 100 ррм

Рис. 7-3. Распределение железа и стронция в образце горной породы.

Область с высокой концентрацией железа - кристаллы граната.

(100 х 60 точек, время измерения 1.5 сек/точку:

?

шаг сканирования 80 х 80 мкм )

Часть VIII. Разработка и реализация проекта «Сибирь» -специализированного источника СИ для Московского региона

Последние пятнадцать лет в ИЯФ проводятся работы по проектированию и созданию накопителей «Сибирь-1» и «Сибирь-2» -специализированных источников СИ для Института атомной энергии им. И.В.Курчатова. Малый накопитель «Сибирь-1» предназначен для проведения работ в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения, большой накопитель «Сибирь-2» - для исследований в жёсткой рентгеновской области. При этом малый накопитель служит инжектором для большого накопителя.

Накопитель электронов "Сибирь-1" [А82, А83] начал работать в ИАЭ им. И. В. Курчатова в 1983 г. Накопитель имеет энергию 450 МэВ. Энергия инжекции 45 + 60 МэВ. Магнитная структура накопителя выбрана слабофокусирующей. В диапазоне энергий - 500 МэВ, где время жизни определяется эффектом Тушека, средняя яркость за время проведения эксперимента практически не зависит от типа фокусировки. Однако, с точки зрения работы в качестве бустера с энергией инжекции 45 - 60 МэВ слабофокусирующий накопитель является более предпочтительным не только из-за своей простоты, но и благодаря меньшему времени радиационного затухания из-за того, что периметр жёсткофокусирующей машины при прочих равных условиях должен быть больше в 2 - 3 раза.

Несмотря на относительно малую энергию инжекции, на накопителе "Сибирь-1" осуществлено многократное накопление электронов до тока 360 шА при разовой инжекции не более 20mA. Подъём энергии в накопителе с энергии инжекции до максимальной энергии 450 МэВ осуществляется за несколько секунд.

С целью расширения возможностей "Сибирь-1", как источника СИ, был разработан, изготовлен и установлен трёхполюсный сверхпроводящий вигглер. Подъём поля в вигглере осуществлялся на энергии 450 МэВ практически без потерь тока электронов до значения магнитного поля 4,3 т. [А47, А48].

Накопитель "Сибирь-1" был выведен на рабочие параметры ( см. табл. 8-1), обеспечивая генерацию пучков СИ из поворотных магнитов с \с - 61Á и из сверхпроводящей "змейки" с Ас » 21 Á.

Таблица 8-1. Параметры накопителя «Сибирь-1»

Максимальная энергия Энергия инжекции Радиус поворота

Бетатронные частоты

Ток пучка

Эмиттанс

Размер пучка

Длина сгустка Частота обращения

Кратность ВЧ

Напряжение на резонаторе

Максимально допустимый энергетический разброс

Магнитное поле в вигглере

Характеристическая длина волны СИ

из магнитов

из вигглера

сх

^х * 'z

2 а

s

fo

q v

í —1 l р lmi

450 МэВ 45-60 МэВ 100 см

V =0, 793 ; V =0, 895 х z

100 мА (проект) 360 мА (получено)

8, 8 • 10~5см рад

1, 62 х 0.13 мм2

60 см 34, 5 Мгц 2

1

15 кВ

2,9-10 4, 3 Г

61 А

21 А (см. рис. 8-1)

Синхротронное излучение выводится из вакуумной камеры накопи-

2

теля через восемь раструбов с проходным сечением 240 х 15 мм . Далее, в зависимости от задач, пучок СИ делится на две - три части и по своим каналам попадает на экспериментальные станции. Начиная с 1985 по 1991 гг. на накопителе «Сибирь-1» проводились систематические эксперименты с использованием СИ на восьми экспериментальных станциях [84].

В 1992 году накопитель «Сибирь-1» был перемещён в новое здание, где сооружается большой накопитель «Сибирь-2».

Накопитель «Сибирь-2» оптимизирован [А50] с целью получения ярких пучков СИ с X - 1 А из поворотных магнитов. Кроме того, магнитная структура (см. рис. 8-2) накопителя обеспечивает:

возможность постановки сильнополевых сверхпроводящих "змеек" для получения жёстких пучков рентгеновского излучения;

возможность постановки ондуляторов для получения ярких пучков ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения;

В

ТНЕ СЕН ПГ ТНЕ 5УМ(Ж0ТШ РАШАПШ 5ПУРСЕ

Т1 и

',ч 'и-

ю гз к

-оол сМ&Ьо у гвл^Ь ЛььЫси.

'К*°

t

-со^Д-1"' ■ ^Ххолф'Х^ 'Л- —-О

о и

(//ПСЬлЫхг- ^Ьгси^Ц^

Рис. 8-2. Элемент периодичности магнитной структуры накопителя

«Сибирь-2»

Рис. 8-3. Накопитель «Сибирь-2» в ИАЭ им. И. В. Курчатова в декабре 1993 года.

- возможность изменять параметры СИ из "змеек" и ондуляторов и делать их оптимальными для эксперимента, не влияя существенно на работу накопителя.

Синхротронное излучение выводится из двадцати четырёх поворотных магнитов, а также из различных вигглеров и ондуляторов, которые могут быть установлены в девяти прямолинейных промежутках, имеющих длину - 3 метра. Другие три промежутка предназначены для инжекции электронов и размещения ВЧ-резонаторов.

В таблице 8-2 приведены основные параметры накопителя «Сибирь- 2».

Магнитная система включает в себя 24 поворотных магнита О-типа, выполненных из магнитомягкого железа типа АРМКО и запитан-ных последовательно, обмотка возбуждения магнита размещена так, что на краю, примыкающем к длинному прямолинейному промежутку, имеется участок с полем, равным 1/4 от максимального. Это обеспечивает возможность пространственного разделения излучения из магнита, «змеек» и ондуляторов, а также уменьшения теплового потока излучения с участков орбиты на краях магнита в прямолинейный промежуток, в котором будут установлены сверхпроводящие системы, требующие глубокого охлаждения.

В структуре «Сибири-2» имеется 72 квадрупольные линзы, объединённые в Б семейств по 12 линз, запитанных последовательно. На каждом полюсе линзы размещены 3 обмотки: основная, обмотки коррекции градиента и дипольной коррекции. Конструктивно каждые две или три расположенные рядом линзы объединяются в единый блок («дублет» или «триплет»).

В отличие от линз «дублета» или «триплета», одиночные линзы, расположенные между поворотными магнитами, имеют С-образную конструкцию, что необходимо для вывода излучения из сверхпроводящих «змеек».

Кроме элементов основной структуры, на кольце имеются также секступольные, октупольные к эке^-квадрупольные линзы. Имеется 4 семейства по 6 секступольных линз. В каждом семействе линзы соединены последовательно. Два семейства, размещённые в местах с ненулевой т)-функцией, служат для компенсации естественного хроматизма накопителя. Остальные предназначены для увеличения динамической апертуры. Для компенсации кубической нелинейности на кольце имеется два семейства по 6 октупольных линз, запитанных последовательно. На одном ярме с октупольными обмотками находятся

skew-квадрупольные обмотки, предназначенные для контроля вертик чьного размера пучка.

Таблица 8-2. Основные параметры накопителя «Сибирь-2»

Энергия Периметр

Количество суперпериодов

Магнитное поле в поворотных магнитах

Радиусы поворота

Бетатронные числа

Коэффициент пространст-веного уплотнения орбит

Хроматизм

Горизонтальный эмиттанс

Времена затухания

Среднеквадратичный разброс энергии в пучке

Потери энергии на оборот (без "змеек" и ондуляторов)

Частота обращения Кратность ВЧ Напряжение ВЧ Частота ВЧ

Максимальный ток

а) односгустковый режим

б) многосгустковый

режим

Энергетическая апертура

Время жизни (односгустковый режим с током 100 ма и коэф. связи х - 0,2), обусловленное эффектом Тушека

Длина сгустка(ивч- 1800 кВ)

Е, ГэВ Р , м

В Т 1.2,

1,2'

см. рад. ,т мсек

стЕ/Е

кэВ МГц

К

вч I , МА

ДЕ/Е

час 2, 350s

кВ МГЦ

2, 5

124,13 6

0.425; 1.7 1962, 16; 490,54

7,731; 7,745

7, 6-10~3 -25,3; -22,2

7,65•10~6

3, 04 ; 3, 14 ; 1,5

О, 955-Ю"3

681. 1

2, 4152 75

1500-1800 181, 14

100

300

± 2-Ю"2

10 4, 4

X

Z

с

X

ВЧ-система «Сибири-2> обеспечивает напряжение 1. 8 МВ на двух ускоряющих резонаторах (ускоряющее напряжение с учётом коэффициента пролёта около 1.5 МВ) на частоте 181 МГц. При максимальном накопленном токе О. 3 А и энергии 2. 5 ГэВ необходимая для компенсации

радиационных потерь мощность составляет 300 кВт. Мощность потерь в стенках резонаторов около 90 кВт. Выходная мощность высокочастотного генератора составляет 400 кВт.

Синхротронное излучение накопителя «Сибирь-2» выводится одинаковым образом в каждом суперпериоде с азимутов, соответствующих ондуляторному промежутку, поворотным магнитам и промежутку «змейки».

Параметры пучков СИ «Сибири-2» приведены в таблице 8-3..

Таблица 8-3. Параметры пучков накопителя «Сибирь-2»

1. Спектральный диапазон синхротрон-ного излучения

2. Характеристическая длина волны синхротронного излучения

- из поворотных магнитов

- из сверхпроводящих 3-хполюсных "змеек"

- из ондуляторов

3. Длительность импульса синхротронного излучения

4. Временной интервал между импульсами синхротронного излучения

5. Число каналов вывода синхротронного излучения

- из поворотных магнитов в угле ± 5 мрад

- из двух сверхпроводящих 3-хполюсных «змеек» в угле + 1 40' + - 1°20'

- из многополюсных вигглербв

- из ондуляторов_

- 2-Ю3 А+0. 1 А

- 1, 75 А и 7 А

- 0,25 4 < 0,4 А

- 20 А

- О, 14 нсек.

- 5,5 + 414 нсек

- 24

- 10 - 2

- до 5

На накопителе «Сибирь-2» имеются два типа каналов для вывода синхротронного излучения: рентгеновские каналы для жёсткого диапазона и так называемые вакуумные каналы, позволяющие выводить излучение в длинноволновом диапазоне. Накопитель «Сибирь-2» в настоящее время полностью собран в ИАЭ им. И. В.Курчатова. Сложности с финансированием в последние два года замедлили ход работ по монтажу и запуску, однако есть шансы в конце 1994 года получить пучок электронов в накопителе «Сибирь-2» (см. рис. 8-3).

Часть IX.

Разработка и создание источников синхротронного излучения для технологических центров.

Анализ возможностей использования СИ для микроэлектроники, проведенный в Институте в 1979-1981 годах показал, что с помощью СИ можно решать многие проблемы субмикронной технологии:

- массовое дешёвое тиражирование приборов с субмикронными структурами (0,7 + 0,1 мкм) с помощью рентгенолитографии, требующей ярких пучков мягкого рентгеновского излучения в области X - (4 -40)À ;

сухие низкотемпературные процессы нанесения и травления различных оксидных и металлических плёнок с помощью фотоиндуциро-ванных процессов в газовой фазе, требующих мощных пучков излучения в области X - (2500+100)Â;

- экспрессные методы анализа и дефектоскопии самой технологии создания приборов субмикронной электроники и используемых материалов с помощью ярких пучков рентгеновского излучения X - (0, 5-4)Â.

В Институте была принята программа реализации возможностей использования СИ для субмикронной технологии, которая включала:

1) использование существующих накопителей ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4 для создания установок и участков рентгенолитографии и фотохимии, различных экспериментальных станций для исследования материалов микроэлектроники [А13, А85, А8В, А87];

2) разработку проекта накопителя электронов - специализированного источника СИ для центра микроэлектроники , обеспечивающего комплексное решение всех вопросов субмикронных технологий и субмикронного материаловедения [А17, А51, А88];

3) разработку проектов компактных источников синхротронного излучения для массового внедрения технологии рентгенолитографии на заводах [AS9, А90].

Проект накопителя электронов - специализированного источника синхротронного излучения для центра микроэлектроники был предложен нами на конференции SRI-82 [А17]. В проекте были использованы магнитная структура и основные элементы магнитной системы накопителя "Сибирь-2" (См. рис. 9-1). При энергии электронов Е = (1,2 + 1,5 ) Гэв такой накопитель позволяет получать:

- пучки мягкого рентгеновского излучения из поворотных магнитов с А « (10 -5- 20) А, и специальных литографичекских "змеек" с X - ( 4 + 40) А для тридцати рентгенолитографических станций- пучки ультрафиолетового излучения с X = (2500 + 100) А из

ондуляторов для четырёх станций фотохимии ;

- пучки жёсткого рентгеновского излучения с X = (0,5 - 4) А из двух сверхпроводящих "змеек" с полем 7, О Т для десяти экспериментальных станций.

Параметры накопителя приведены в таблице 9-1, параметры вигглеров и ондуляторов в таблице 4-4.

Реализация проекта была начата в 1986 году. Местом размещения был выбран г. Зеленоград, расположенный в тридцати километрах от Москвы, являющийся русским аналогом "кремниевой долины". Строительство здания должно было быть закончено в 1991 году, в конце 1991 г. предполагалось начать монтаж оборудования, и в середине 1992 года - работы по запуску линейного ускорителя -инжектора, бустера и основного накопителя.

Таблица 9-1 Параметры специализированного источника СИ «Зеленоград»

Энергия, ГэВ 1. 6

Эмиттанс, пт. гас! 27

Длина сгустка, 2<тз ( см) 4

Накопленный ток, мА

во многих сгустках 300

в одном с густке 100

Время жизни, час 10

Количество каналов вывода СИ 39

Количество «змеек» 9

Однако в 1992 г. все работы по созданию Технологического центра микроэлектроники были практически остановлены из-за отсутствия финансирования. Элементы накопителя и системы питания находятся на хранении в Новосибирске.

pre-inflector

6T superconducting magnet

RF-cavity

SR-extraction port

inflector

0

quadrupole lens

2m

Рис. 9-2. Схема компактного накопителя «Сибирь-СМ» на основе сверхпроводящих «магнитов Воблого»

Отсутствие финансирования остановило также программу работ по созданию компактных источников СИ на основе сверхпроводящих магнитов [А89]. Эта программа предполагала использовать модульный принцип в создании различных технологических накопителей на основе одного типа магнитов, именно короткого магнита с плоско-параллельными краями, однородным магнитным полем величиной 6 Т («магнит Воблого»).

Главной особенностью этого магнита, отличающей его от известных конструкций, является применение клиновидной сверхпроводящей обмотки, позволяющей максимально использовать магнитные свойства железа для получения однородного поля в рабочем зазоре, формирования хорошего краевого поля и замыкания обратного магнитного потока. Такой магнит имеет малую энергоёмкость, отсутствие рассеяных полей, качественное поле на энергии инжекции (на уровне 0.6 Т). Использование клиновидной обмотки в сочетании с железом позволяет простыми средствами получить поле в зазоре 6 Т, благодаря низкому уровню поля на сверхпроводящих обмотках ( не более 4. 5 Т) и невысокой величине сил действующих на обмотки. Первые испытания магнита проводились в 1990 году в специальном испытательном криостате погружного типа. Уже при первом подъёме тока было достигнуто значение магнитного поля В = 6.25 Т. После двадцати циклов тренировки максимальное поле в зазоре составило 6. 74 Т.

Проект накопителя на энергию 600 МэВ «Сибирь-СМ» (см. рис. 9-2) предполагает [А90] использование восьми таких сверхпроводящих магнитов. Остальные элементы накопителей (ВЧ-резонатор, квадрупольные линзы и тд, ) выполняются тёплыми. Параметры накопителя «Сибирь-СМ» приведены в таблице 9-2.

Конструкция сверхпроводящих магнитов с плоско-параллельными краями позволяет использовать их для создания накопителей на большую энергию. Если из восьми магнитов получается компактный накопитель на энергию 600 МэВ для субмикронной рентгенолитографии (Ас - 8 А) в производстве микроэлектроники, то из шестнадцати магнитов получается накопитель на энергию 1200 МэВ для рентгенолитографии в производстве элементов микромеханики (Ас - 2 А), а из двадцати четырёх магнитов - накопитель на энергию 1,8 ГэВ для ангиографии (А -0.5 А).

Таблица 9-2.

Тип накопителя «Сибирь-СМ»

Энергия, МэВ 600

Периметр, м 10

Магнитное поле, Т 6

Бетатронные частоты-. 1>х 2. 6

vz 1. 12

Горизонтальный эмиттанс

см-рад-10 6 8. 5

Горизонтальный размер

пучка ах , мм 0. 4

Потери на оборот, кэВ 31. 6

Частота обращения, МГц 30

Ток, мА 300

Время жизни при токе

пучка 300 мА, час 4. 4

Критическая длина

волны, Л 8. 6

Дополнительные возможности открываются при использовании комбинированной магнитной структуры, состоящей из обычных магнитов с полем 1, 6 Т и сверхпроводящих с полем 6 Т, помещённых в минимум бетатронных функций. Такая структура обеспечивает малый эмиттанс пучка, высокую яркость и широкий спектральный диапазон, удобный для использования в различных экспериментах.

Примером использования комбинированной магнитной структуры является проект накопителя «Сибирь-МР» [А89] (см. рис. 9-3), в котором из сверхпроводящих магнитов выводится излучение с Хс ~ 2&, а из тёплых магнитов - излучение с X - 8 А. В качестве инжектора служит компактный синхротрон с энергией 200 МэВ, который располагается внутри кольца. Проект накопителя типа «Сибирь-МР» предназначался для использования в технологических центрах микроэлектроники и микромеханики и для работы.в отдельных университетах.

Рис. 9-3. Схема накопителя «Сибирь-МР» с комбинированной магнитной структурой

Часть X.

Новые возможности источников синхротронного излучения.

История развития работ с синхротрониым излучением (см. рис. 1-1) показывает, что создание источников СИ всегда преследовало решение двух основных задач:

повышение спектральной яркости источника в интересующем спектральном диапазоне;

расширение используемого спектрального диапазона.

Разработка и создание нового поколения накопителей (ESRF, APS, SPring), планы использования накопителя HERA как источника СИ открывают новые экспериментальные и технологические возможности, ранее недоступные на накопителях с малой энергией, которые обсуждались уже раньше в нескольких работах [А12, А18, 91, 92, А93-А95]:

а) Генерация фотонов (поляризованных) с рекордной интенсивностью и яркостью в широком спектральном интервале:

- от 100 эВ до 100 КэВ с помощью ондуляторов;

- от 100 КэВ до 3 КэВ с помощью сверхпроводящих вигглеров;

- от 3 МэВ до 30 Мэв с помощью обратного комптоновского рассеяния на далёких инфракрасных лазерных внутрирезонаторных фотонах (без выбывания электронов из пучка);

- от 30 МэВ до 3 ГэВ с помощью обратного комптоновского рассеяния на лазерных фотонах с измерением энергии вторичных фотонов по энергии выбывающего электрона;

- от 3 ГэВ до полной энергии накопителя с помощью обратного комптоновского рассеяния на фотонах зеркально отражённого ондулятор-ного излучения (Е = 5 - 50 эВ) от предыдущего сгустка, с измерением энергии вторичных фотонов по энергии выбывающего электрона; особенно интересны пучки фотонов полной энергии, имеющие монохроматичность — - 10 2 при использовании первичных фотонов ондуляторного излучения с Е - 50 эВ.

б) Использование пучков гамма-квантов ( Е =1,7-2 МэВ) из

о

сверхпроводящего вигглера для получения мощных импульсных потоков нейтронов с помощью фотоядерных реакций [91,92, А18, А93]. При использовании в качестве мишени бериллия, имеющего самый низкий порог для фотоядерных реакций ( 1, Б6 МэВ ), можно получать без

использования замедлителей интенсивный импульсный поток нейтронов

3 5 Q

(диапазон энергии 10 - 10 эВ, число нейтронов в импульсе - 10 ,

5 - Э

частота повторения - 2 10 гц, длительность импульса - Ю сек).

Для экспериментов с монохроматизацией по времени пролёта уже на

базах - Юм. при энергии нейтронов 100 КэВ можно получить

энергетическое разрешение лучше 10

в) Генерация импульсных пучков медленных позитронов высокой яркости за счёт образования электрон-позитронных пар пучком гамма-квантов = 1. 2 - 1.5 Мэв) из сверхпроводящего вигглера [А18,

А93, А95]. Сейчас на линейных ускорителях электронов лучшая достигнутая эффективность производства медленных позитронов составляет величину

К е~-> е+ slow - ю"6 e+slow

е(Ее ~ 200 Мэв)

Это обеспечивает поток медленных позитронов - 106 в импульсе длительностью от 10 нсек. до 3 мксек. с частотой повторения 300 гц.

Использование пучков гамма-квантов синхротронного излучения позволит иметь эффективность производства медленных позитронов

Кг-» е+зЮ* - З.Ю"5 е+ з1сж

7 (Ет - 1,5 Мэв)

При одной и той же мощности первичных пучков электронов и

л

гамма-квантов 10 квт) поток позитронов будет в 10 раз больше

при использовании гамма-квантов синхротронного излучения. Соответ-

7 +

ственно в этом случае обеспечивается - 10 ев импульсе

5

длительностью 1 нсек. с частотой повторения 2 10 гц. г) Использование пучков СИ с энергией фотонов 1-20 МэВ для технологических целей.

Одно из возможных применений - использование СИ с энергией фотонов 1-2 МэВ в промышленном производстве типа радиационно-хими-ческого [А12]. Дело в том, что глубина проникновения в легкое вещество квантов с энергией порядка 1-2 МэВ (около 10-20 см конденсированного вещества с Ъ - 15) такая же, как у электронов с энергией на порядок больше. А при такой энергии электроны производят уже сильную активацию облучаемых объектов. Неактивирующее излучение с такой проникающей способностью понадобится при желании проводить радиационно-химические процессы сразу в крупных готовых объектах, либо при переходе к крупнотоннажным масштабам, когда также потребуются возможно большие глубины проникновения.

В последние годы активно обсуждается очень важная технологи-

ческая задача - дезактивация долгоживущих изотопов - продуктов атомных электростанций с помощью интенсивных пучков протонов и электронов. В принципе можно предлагать и применение пучков фотонов, т. к. сечение фотоядерных реакций в районе гигантского резонанса того же порядка, что и для электронов и протонов. В этом случае потребовались бы мегаваттные пучки фотонов с энергией -5-20 МэВ).

Для генерации у-квантов с энергией 1-20 МэВ можно использовать имеющиеся и создаваемые накопители электронов и позитронов с энергией 6-50 ГэВ: ESRF, APS, SPring-8, PEP, PETRA, TRISTAN, LEP, при постановке на них сверхпроводящих вигглеров с полем Вн - (12-6)Т. Масштаб технологических задач вполне допускает для генерации мегаватных пучков r-квантов и создание специального накопителя электронов (позитронов) на энергию 50 - 100 ГэВ с периметром в несколько километров. В связи с этим возникают вопросы о принципиальных ограничениях получения высокого к. п. д. преобразования.

Характерная энергия квантов синхротронного излучения однозначно определяется энергией электрона (Е) и величиной магнитного поля в точке излучения (В)

2

сс - Е2в

СС(КЭВ) ■ °'666 Efr3B) В(т)-Поэтому в накопителях - специализированных источниках синхротронного излучения естественным является стремление использовать сильные ведущие магнитные поля с В ~ 6 - 12 Т. При этом увеличивается энергия квантов СИ и одновременно уменьшаются размеры накопителя. Однако этот путь имеет свои пределы, т. к. при использовании сильных магнитных полей ( В > 6 Т ) в поворотных магнитах накопителей электронов на большую энергию ( Е > 2 ГэВ) растёт энергетический разброс в электронном пучке. Благодаря этому уменьшается время жизни пучка электронов, т. к. хвосты гауссовского

распределения по энергии попадают за предельно допустимую величину ДЕ

(-£—)тах' определяемую размером ВЧ-сепаратрисы или

динамической апертурой (типичная величина для накопителей

(-гЧах~ 1 * 2 *

Хорошо известно, что для обеспечения времени жизни больше 10

часов необходимо иметь

(ЛЕ/Е)

Шах— i 6 . (10-1)

1 Е о

Учитывая всё вышесказанное, было показано [А61], что

/т в л / i АЕ лг 4, 6 • 106 (10-2)

1 ГэВ т* max w Е ; max R2

На рис. 10-1 в координатах Е - В представлено семейство кривых ес» const и граница (Е в'тах» определяющая предельную величину ведущего магнитного поля, которое может быть использовано в накопителях. Очевидно, что генерация СИ с энергией у-квантов 1-20 МэВ из поворотных магнитов практически невозможна и единственным выходом является использование относительно коротких сверхпроводящих вигглеров на накопителях с энергией 10-100 ГэВ.

В работе [А 18] была оценена эффективность генерации фотонов с энергией 1-20 МэВ на накопителе, где установлен вигглер с полем Ву, значительно превышающим поле в поворотных магнитах BQ, и длиной Lw, выбранной так, чтобы мощность синхротронного излучения

из вигглера составляла малую часть от полной мощности излучения.

Bw

При этих условиях энергия квантов из вигглера в Вр раз превышает энергию квантов из поворотных магнитов, а время радиационного затухания определяется излучением в поворотных магнитах.

В этом случае, учитывая увеличение энергетического разброса за счёт вигглера и рассмотренный выше эффект уменьшения жизни, легко получить простое выражение для максимально возможного «электронного к. п. д. » , равного отношению мощности СИ из вигглера к полной мощности СИ из поворотных магнитов

3'6 Е . _3л_ „ Во

К2 ecw Е тах 8 Bw

При нашем определении £ условие (10-2) есть граница области генерации с к. п. д. - 1. За этой границей к. п. д. всегда меньше 1 и определяется формулой (10-3).

Реальный к. п. д. , конечно, всегда меньше, так как необходимо учесть энергопотребление накопителя. Однако, при использовании сверхпроводящих катушек в магнитах основного поля, сверхпроводящих ВЧ^резонаторов эти энергозатраты можно минимизировать и получить реальный технический к. п. д. - 10 '/..

Е, веУ

В, Т

Рис. 10-1. Номограмма для определения предельных величин Е и Впри генерации фотонов с энергией ес с учётом

ограничений на увеличение энергетического разброса

в пучке для (-М- )тах « 1 ♦ 2 %

Часть XI.

Основные результаты.

Научная новизна работы.

1. Проведен анализ требований к источникам СИ для различного рода [12,13] экспериментов; показано, что основной "потребительской" характеристикой является спектральная яркость источника.

2. Предложены и экспериментально реализованы способы повышения яркости и жёсткости пучков СИ. Впервые в мире в 1979 г. создана и установлена на накопителе ВЭПП-3 многополюсная сверхпроводящая "змейка", позволяющая увеличить яркость СИ в области длин волн - 1 к более чем в 100 раз и получить узконаправленный пучок рентгеновского излучения со средней мощностью -1 квт [26].

3. Впервые в мире проведено экспериментальное исследование угловых и спектральных характеристик излучения в широком диапазоне полей ( К-О,1 - 20 ) в сверхпроводящей змейке на накопителе ВЭПП-3 [43,44,45].

4. Теоретически исследовано и экспериментально изучено влияние сильнонелинейных магнитных полей "змеек" и ондуляторов на движение электронов в накопителях ВЭПП-3 и "Сибирь-1" [40,45, 47, 83].

5. Предложены и реализованы экспериментальные методы наблюдения за электронным пучком в накопителе, основанные на регистрации СИ, позволяющие измерять характеристики магнитной системы накопителя и исследовать динамику электронного пучка в накопителе [53,57,58,62].

6. Предложены и экспериментально проверены схемы постановки ряда экспериментов ( ядерно-брэгговская монохроматизация пучка СИ [14], рентгеновская микроскопия [15а], медицинская диагностика [15], рентгеновская голография [12,31] ), использующие специфические особенности СИ.

7. Разработан метод рентгенофлуоресцентного анализа с

- 9

использованием СИ, предел обнаружения до 2-10 г/г, минимальное

-13

количество детектируемого вещества -10 г. в микрообразцах с простой матрицей. По ряду элементов (иттрий, группа легких платиноидов, редкоземельные элементы) данный метод превосходит любые другие инструментальные методы [16,79,80,70].

8. Предложен и экспериментально проверен метод прецизионного измерения абсолютной энергии электронов в накопителе с точ-

- 4

ностью ДЕ/Е - 5-10 , основанный на использовании спектральных особенностей СИ [64].

9. Предложен эффективный метод генерации импульсных пучков

медленных позитронов высокой яркости за счёт образования е е+

пар пучком г-квантов (Е - 1. 2 + 1. 5 МэВ) синхротронного

я

излучения [93,95].

10. Создан первый в нашей стране специализированный источник синхротронного излучения - накопитель электронов "Сибирь -1" на энергию 450 МэВ со сверхпроводящей "змейкой" на поле 43 Кэ [82, 83].

11. Проведена оптимизация параметров магнитной структуры создаваемых специализированных источников СИ - накопителей электронов "Зеленоград" (ТНК) и "Сибирь-2" с целью получения минимального эмиттанса электронного пучка, обеспечения максимальной яркости излучения из поворотных магнитов, возможности постановки ондуляторов и сильнополевых "змеек" [17,50].

12.Разработан и реализуется проект накопителя электронов "Зеленоград" (ТНК) - источника СИ, позволяющего комплексно решать задачи субмикронной технологии производства приборов микроэлектроники следующего поколения (рентгеновская литография, сухие низкотемпературные фотохимические технологии, субмикронное материаловедение, экспресс-анализ и экспресс-дефектоскопия материалов) [51].

13. Исследован вопрос [61] максимально возможной энергии электронов в накопителях при использовании сильного ведущего магнитного поля, получено ограничение

В Е <10 + 40 (Т-ГэВ)

14. Предложен модульный принцип при создании технологических накопителей на различные энергии на базе одного типа короткого сверхпроводящего магнита с параллельными краями [89,90].

Практическая ценность работы

1. На базе электрон-поз итронных накопителей ИЯФ СО РАН (ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4) создан Сибирский центр синхротронного излучения, где ежегодно проводят исследования от 70 до 140 групп из различных институтов СО РАН , других городов нашей страны, зарубежных стран (Германия, США, Венгрия, Индия, Франция, Великобритания, Китай, Корея).

2. Широкий фронт исследований с использованием синхротрон-ного излучения позволил отраслевым организациям решать прикладные задачи для микроэлектроники, медицины, геологии.

3. Создание специализированного накопителя "Сибирь-1" дало возможность проводить в Московском регионе регулярные эксперименты с синхротронным излучением в диапазоне вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения.

4. Создание специализированного накопителя "Сибирь-2" резко расширит работы с синхротронным излучением в Московском регионе за счёт проведения работ в диапазоне энергий фотонов вплоть до 150 - 200 КэВ, а также за счёт получения ярких пучков фотонов с энергией 1-20 КэВ.

5. Создание специализированного накопителя "Зеленоград" позволит в Технологическом центре синхротронного излучения НПО "Субмикрон" комплексно решать важнейшие проблемы фундаментальной науки и современной технологии, направленные на дальнейшее развитие микроэлектроники.

6. Метод прецизионного измерения абсолютной энергии электронов применим при использовании накопителей - источников СИ в качестве радиометрического стандарта.

7. Результаты оптимизации магнитных структур накопителей, схемы постановки "змеек" и ондуляторов могут быть рекомендованы к использованию при проектировании новых накопителей

источников синхротронного излучения.

Заключение.

Работы по генерации и использованию синхротронного излучения были начаты в Институте ядерной физики при активной поддержке Г.И.Будкера, дискуссии с ним навсегда остались в моей памяти. Выражаю особую признательность А.Н.Скринскому, по инициативе которого были начаты эти работы, за многолетнее сотрудничество, постановку многих задач и стимулирующие обсуждения.

Благодарю также моих основных соавторов В.Б.Барышева, Н.А.Винокурова, П. Д. Воблого, Е. С. Глускина, Э.И.Зинина, В. Н. Корчу-ганова, Н. А. Мезенцева, В. Д. Панченко, В. Ф. Пиндюрина, Э. М. Трахтен-берга, . М. А. Щеромова за совместную работу, большой вклад в создание специальных генераторов синхротронного излучения и самоотверженный труд по созданию Сибирского центра СИ.

За помощь и полезные обсуждения на разных этапах совместных работ на накопителях ВЭП-1, ВЭПП-2М, ВЭПП-3 и ВЭПП-4 благодарю В. В. Анашина, с.И.Мишнева, С.Г.Попова, Е. А. Переведенцева, И.Я.Протопопова, Г. М. Тумайкина и Ю. М. Шатунова.

Свою благодарность выражаю также всем сотрудникам нашего Института, сотрудникам других институтов, работающих в Сибирском центре СИ, с которыми довелось вместе трудиться в течение многих лет.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Schott G. Electromagnetic radiation.- Cambridge:Univ. press, 1912.

2. Понеранчук И. Я. // ЖЭТФ. - 1939. -Т. 9.- С. 915.

3. Иваненко Д. Д. , Понеранчук И. Я. // ДАН СССР. -1944. -Т. 44. -С. 343.

4. Schwinger J. // Phys. Rev.-1946.- Vol. 70.- P. 798.

5. Арцимович Л. А., Понеранчук И. Я. // ЖЭТФ.- 1946.- Т. 16.-С. 379.

6. Иваненко Д. Д. , Соколов A.A. // ДАН СССР,- 1948. - Т. 59. -С. 1551.

7. Schwinger J. // Phys. Rev.-1949.- Vol. 75.- P. 1912.

8. Соколов A.A., Тернов И. M. // ЖЭТФ. -1956.- Т. 31.- С. 473.

9. Ландау Л. Д. , Лифшиц Е.М. Теория поля. - М. : Гостехиздат, 1961. - 460 с.

10. Джексон Дж. Классическая электродинамика. - М. : Мир, 1965. 702 с.

11. Sokolov A.A., Ternov I.M. Synchrotron radiation.- Oxford: Pergamon press, 1968.

12. Кулипанов Г.H., Скринский A. H. Использование синхротронно-го излучения:Состояние и перспективы // УФН. - 1977. - Т. 122, вып. 3. - С. 369-418.

13. Gluskin E.S., Krasnoperova A.A., Kulipanov G.N. et al. Experiments on X-ray lithography using synchrotron radiation from the VEPP-2M storage ring // Nucl. Instrum. and Meth.-1983.- Vol. 208, No 1/3.- P.393-398.

14. Artemyev A.N., Kabannik V.A., Kazakov Yu.N., Kulipanov G.N. et al. Utilization of the specific characteristics of the

57

synchrotron radiation in experiments of the Fe Mössbauer level excitation // Nucl. Instrum. and Meth.- 1978,- Vol. 142, No 1.-P.235-241.

15. Dementyev E.N., Dovga E.Ya., Kulipanov G.N. et al. First results of experiments with a medical one-coordinate X-ray detector on synchrotron radiation of VEPP-4 // Nucl. Instrum. and Meth. - 1986. - Vol. A246, No 1/3.-P. 726-730.

15a. Borodin Yu.I., Dementyev E.N., Dragun G.N.,Kulipanov G.N. et al. Scanning X-ray difference microscopy and microtomography using synchrotron radiation of the storage ring VEPP-4 // Nucl. Instrum. and Meth.- 1986. -Vol. A246, No 1/3.- P. 649-654.

16. Барышев В. Б. , Колмогоров Ю. П. , Кулипанов Т.Н., Скринский А. Н. Рентгенофлуоресцентный элементный анализ с использованием синхротронного излучения // Журн. анапит. химии. - 1986. - Т. 41, вып. 3.- С. 389-401.

17. Korchuganov V.N., Kulipanov G.N., Mezentsev N. A. et al. Optimization of parameters of the dedicated synchrotron radiation source for technology // Nucl. Instrum. and Meth.- 1983.- Vol. 208, No 1/3. - P. 11-18.

18. Kulipanov G.N., Mezentsev N.A., Skrinsky A.N. Physics and technology of brightness sources - the future // Rev. of Sci. Instrum.- 1992.- Vol. 63, No 1,- P. 289-294.

19. Sands M. // Phys. Rev.- 1955.- Vol. 97.- P. 470.

20. Коломенский A. A. , Лебедев A. H. // ЖЭТФ. -1956.- T. 30. -C. 207, 1161.

21. Орлов Ю. Ф. , Тарасов E. К. // ЖЭТФ. - 1958. -Т. 34. -С. 651.

22. Sands М. Physics of electron storage rings: An introduction.- Stanford:SLAC,1970.- 172 p.- (SLAC report No 121).

23. Le Duff J. // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys.Res. Sec. A.- 1985. Vol. A239, No 1.- P. 83-101.

24. Мокульская Т.Д., Мокульский M. A. , Никитин A. A. , ... Кулипанов Г. H. и др. Использование синхротронного излучения накопителя ВЭПП-3 для рентгеноструктурных исследований // ДАН СССР.

- 1974.- Т. 218, No 4.- С. 824-827.

25. Анашин В. В., Корнюхин Г. А. , Кулипанов Г.Н. и др. Накопители ВЭПП-2М и ВЭПП-3 - источники синхротронного излучения // Труды Всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц, (Дубна, 1976 г.) -Н. : Наука, 1977. - Т. 2. - С. 160-164.

26. Barkov L.M., Baryshev V.B., Kulipanov G.N. et al. A proposal to install a superconducting wiggler magnet on the storage ring VEPP-3 for generation of the synchrotron radiation // Nucl. Instrum. and Meth. - 1978. - Vol. 152, No 1. - P. 23-29.

27. Винокуров H. A. , Скринский A. H. Генераторный клистрон оптического диапазона на ультрарелятивистских электронах. -Новосибирск, 1977. - 10 с. (Препринт Ин-та ядер, физики; 77-59).

28. Vinokurov N.A., Drobyazko I.В., Kulipanov G.N. et al. basing in visible and ultraviolet regions in an optical klystron installe on the VEPP-3 storage ring: Invited // Rev. Sci.Instrum.

- 1989. - Vol. 60, No 7, pt 2A. - P. 1435-1438.

29. Popov S.G. Physics and technology superthin internal target in storage ring // Proc. of the Topical conf. on electro-nuclear physics with internal targets, 1989.-Singapore:World sci., 1990. - P. 37-47.

30. Анашин В. В., Барышев В. Б. , Винокуров Н. А..... Кулипанов

Г. Н. и др. Работы по генерации и использованию синхротронного излучения в Новосибирске // Всесоюз. совещ. по использованию синхротронного излучения: СИ-82. - Новосибирск: ИЯФ, 1982. - С. 3-37.

31. Кезерашвили Г. Я. , Лысенко А. П. , Хорев В. И. и др. Спиральный ондулятор на ВЭПП-2М для измерения радиационной поляризации встречных пучков // Всесоюз. совещ. по использованию синхротронного излучения: СИ-82. - Новосибирск: ИЯФ, 1982. - С. 109-115.

32. Анашин В. В. , Кезерашвили Г. Я. , Лысенко А. п. и др. Сверхпроводящий спиральный ондулятор для измерения радиационной поляризации встречных пучков на ВЭПП-2М. - Новосибирск, 1984. - 15 с.-(Препринт Ин-та ядер, физики; 84-111).

33. Анашин В. В. , Вассерман И. Б. , Власов А. М. и др. Сверхпроводящая «змейка» с полем 75 кГс для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М // Труды 6-го Всесоюз. совещ. по использованию синхротронного излучения: СИ-84. - Новосибирск:ИЯФ, 1984. - С. 55-62.

34. Gluskin E.S., Ivanov P.M., Kulipanov G.N. et al. First experiments with SR from the 75 kG superconducting wiggler on VEPP-2M storage ring // Nucl. Instrum. and Meth.- 1986.- Vol. A246, No 1/3.- P. 41-44.

35. Кулипанов Г. H. Состояние работ по использованию синхротронного излучения в Сибирском центре СИ // Труды 6-го Всесоюз. совещ. по использованию синхротронного излучения: СИ-84.-Новосибирск: ИЯФ, 1984. - С. 4-7.

36. Гинзбург В. И. // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1947.- Т. 11. -С. 165.

37. Motz Н. // J. Appl. Phys.- 1953.- Vol. 24, No 7.- P.826-

833.

38. Байер B.H. , Катков В. М. , Страховенко В. М. // ЖЭТФ. - 1972. -Т. 63. - С. 2121.

39. Алфёров Д. Ф. , Башмаков Ю. А. , Бессонов Е. Г. // ЖТФ. - 1972. Т. 42.- С. 1921. - Труды ФИАН СССР.- 1975.-Т. 80.- С. 100.

40. Барков Л. М. , Барышев В. Б. , Кулипанов Г.Н. Проект использования «змейки» из сверхпроводящих магнитов для генерирования синхротронного излучения на накопителе ВЭПП-3.-Новосибирск, 1978.-25 с. (Препринт Ин-та ядер, физики; 78-13).

41. Kulipanov G.N., Skrinsky A.N. Synchrotron radiation sources // Indo-USSR seminar on synchrotron radiation source: (SRS): Physics, technology and utilization, Indore,1989.- Indore,1989.-P. 1-28.

42. Kulipanov G.N. Insertion devices // First ICFA school on beam dynamics and engineering of synchrotron light sources.-Trieste,1990.- Part 1.- P. 1-32. - Part 2. - P. 31-76.

42a. Kulipanov G.N. Future trends in ID design for fourth generation light sources // Workshop on fourth generr light sources, Feb. 1992. -Stanford,1992.- P. 440-445.

43. Барков Л. И. , Барышев В. Б. , Кулипанов Г. Н. и др. Получение мощного синхротронного излучения из сверхпроводящей «змейки» на накопителе ВЭПП-3 // Отчёт о работах по использованию синхротронного излучения в Институте ядерной физики СО АН СССР.-Новосибирск, 1981. - С. 9-11.

44. Artamonov A.S., Barkov L.M., Kulipanov G.N. et al. First results on the work with a superconducting "snake" at the VEPP-3 storage ring // Nucl. Instrum. and Meth. -1980. - Vol. 177, No 1.-P. 239-246.

45. Мезенцев H.А. Использование накопителя ВЭПП-3 для генерации мощного синхротронного излучения/ Науч. руководители Г. Н.Кулипанов, И.Я.Протопопов : Дисс. ... канд. физ. - мат. наук.- Новосибирск, 1981. - 136 с.

46. Gluskin E.S., Kezerashvili G.Ya., Kulipanov G.N. et al. The study the helical undulator parameters installed in the storage ring VEPP-2M as a source of X-ray microscopy and holography // X-ray microscopy: (Proc. of the Intern, syrop., Gottingen, FRG, Sept. 1983). - Berlin et al.:Springer,1984.- P. 336-343.-(Springer ser. in opt.Sci.; Vol. 43).

47. Анашин В. В. , Воблый П. Д. , Кулипанов Г. Н. и др. Сверхпроводящая «змейка» для специализированного источника синхротронного излучения «Сибирь-l». - Новосибирск, 1985. -21 с. -(Препринт Ин-та ядер, физики; 85-128).

48. Anashin V.V., Vobly P.D., Kulipanov G.N. et al. Superconducting "snake" for the dedicated SR source Siberia-1 // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. Sec.A.-1986.-Vol. A246, No 1/3.-P. 99-104.

49. Anashin V.V., Brovin M.M., Kulipanov G.N. et al. VEPP-3 dedicated straight section for OK operation.- Novosibirsk, 1989.10 p.- (Inst, of nucl. physics preprint; No 89-126).

50. Anashin V.V., Valentinov A.G., Kulipanov G.N. et al. The dedicated synchrotron radiation source "Siberia-2" // European particle accelerator conf.: EPAC, Rome, 1988. - Singapore et al.: World sci.,1989. - Vol. 1.- P. 380-382.

51. Anashin V.V., Gorniker E.I., Kulipanov G.N. et al. TNK -synchrotron radiation source for submicron technology applications // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys.Res.Sec.A.- 1991.- Vol. A308, No 1/2. - P. 45-49.

52. Erg G.I., Korchuganov V.N., Kulipanov G.N. et al. Multipole wiggler and undulator for TNK SR source // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. Sec.A.- 1991.- Vol. A308, No 1/2. - P. 57-60.

53. Зинин Э.И., Коробейников Л. С. , Кулипанов Г. Н. и др. Система управления и контроля параметров электроннных пучков в электрон-электронном -накопителе ВЭП-1 // Атом, энергия.-1966. - Т. 20, NO 3. - С. 220-223.

54. Кулипанов Г. Н. , Мишнев С. И. и др. Влияние нелинейностей на бетатронные колебания в накопителе // Труды Всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц, (Москва, 19Б8 г.) - М. , 1970. - Т. 2.

- С. 379-385.

55. Кулипанов Г.Н. Экспериментальное исследование нелинейных резонансов: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Новосибирск, 1969. -80 с.

56. Кулипанов Г. Н. , Мишнев С. И. , Скринский А. Н. Поведение пучка в накопителе при совместном действии двух резонансов бетатронных колебаний // Труды 7-ой Междунар. конф. по ускорителям заряженных частиц, Ереван, 1969. -Ереван: АН Арм. ССР, 1970. - Т. 2.

- С. 353-361.

56а. Кулипанов Г. Н. , Мишнев С. И. , Скринский А. Н. Изучение стохастической неустойчивости бетатронных колебаний электронного пучка в накопителе. - Новосибирск, 1969. - 51 с. - (Препринт/ Ин-т ядер, физики; 323).

57. Кулипанов Г.Н. , Медведко A.C., Мезенцев H.A. и др. Измерение магнитных характеристик накопителя ВЭПП-3 с помощью пучка // Труды третьего всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц. -М. , 1973. - Т. 1. - С. 393-396.

58. Винокуров Н. А. , Корчуганов в. Н. , Кулипанов Г. Н. и др. Влияние хрокатичности и кубической нелинейности на кинематику бетатронных колебаний. - Новосибирск, 1976. - 10 с. -(Препринт Ин-та ядер, физики; No 76-87).

59. Винокуров Н. А. , Корчуганов В. Н. , Кулипанов Г. Н. и др. Экспериментальное исследование динамики пучка при накоплении большого тока в накопителе ВЭПП-3 // Труды пятого Всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1976 г. - М. : наука, 1977. Т. 2. - С. 16-19.

60. Винокуров Н. А. , Кулипанов Г. Н. , Переведенцев Е. А. и др. Эффект отрицательной массы для нелинейной колебательной системы и его влияние на устойчивость когерентных бетатронных колебаний. -Новосибирск, 1976.-9 с.-(Препринт Ин-та ядер, физики; No 76-88).

61. Kulipanov G.N. Project of SR sources including research and development for insertion devices in the USSR // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res.Sec. A. - 1991,- Vol. A303,No 3.-P. 435-447.

62. Воблый П. Д. , Зинин Э.И., Кулипанов Г. И. и др. Методы измерения параметров пучков в накопителе ВЭПП-3 // Труды третьего Всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц. - М. , 1973. -Т. 1.

- С. 390-392.

63. Вещеревич В. Г. , Карлинер м. М. , Кулипанов Г. Н. и др. Продольные эффекты накопления электронов в ВЭПП-3 // Труды третьего всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц. - М. , 1973. - Т. 1.

- С. 397-402.

64. Корчуганов В;Н. , Кулипанов Н. А. , Мезенцев Н. А. и др. Метод оперативного измерения абсолютной энергия частиц в накопителе с использованием спектральных особенностей схнхротронного излучения // Труды пятого Всесоюз. совещ. по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1976) . - М. : Наука, 1977. - Т. 1. - С. 266-269.

65. Синхротронное излучение в ИЯФ СО АН СССР: (Библиогр. указатель) / Ин-т ядер, физики СО АН СССР. - Новосибирск, 1986- Ч. [1]. - 1986. - 68 с. - Ч. 2. - 1988. - 88 С. - Ч. 3.- 1990. -31 С.

66. Отчёт о работах по использованию синхротронного излучения в Институте ядерной физики СО АН СССР /Составитель: Л.А.Мезенцева.

- Новосибирск, 1981. - 198 С.

67. Всесоюзное совещание по использованию синхротронного излучения: СИ-82: (Доклады)/ Под ред. Г. Н. Кулипанова.-Новосибирск: ИЯФ СО АН СССР, 1982. - 472 с.

68. Труды VI Всесоюзного совещания по использованию синхротронного излучения: СИ 84. (Новосибирск, июль 1984 года) /Под ред. Г. Н. Кулипанова. - Новосибирск: ИЯФ СО АН СССР, 1984. - 356 с.

69а. Synchrotron radiation utilizationrProceedings of the seventh USSR National conference on syncrotron radiation utilization (SR'86)(Novosibirsk,USSR,June 1986/ Ed. G.N.Kulipanov. // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys.Res. Sec. A.- 1987.-Vol. A261, No 1/2. - 338 p.

69b. Synchrotron radiation utilization: Proceedings of the eighth USSR National conference on syncrotron radiation utilization (SR'88),Novosibirsk,USSR,Aug. 1986/ Ed. G.N.Kulipanov, E.S.Gluskin // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys.Res. Sec. A.-1989. - Vol. A282, No 2/3. - P. 369-768.

69c. Synchrotron radiation utilization:Proceedings of the ninth USSR National conference on syncrotron radiation utilization (SR'90) , Moscow, USSR, June 1990 /Ed. V.V.Mikhailin // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys.Res. Sec. A.- 1991.-Vol. A308, No 1/2.

- 470 p.

70. Синхротронное излучение в геохимии:Сб. науч. тр. / Отв. редакторы Г. Н. Аношин, Г. н. Кулипанов. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1989. - 151 с.

71. Дифрактометрия с использованием синхротронного излучения/ В.В.Болдырев, Н.З.Ляхов, Б. П. Толочко и др. ; Отв. ред. Г. Н. Кулипанов. - Новосибирск:Наука, Сиб. отд-ние, 1989. - 144 с.

72. Рентгеноспектральный метод изучения структуры аморфных тел: EXAFS-спектроскопия/ Кочубей Д.И., Бабанов Ю.А., Замараев К. И., Ведринский Р. В. , Крайзман В. Л. , Кулипанов Г. Н. и др. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1988. - 302 с.

73. Отчёт о работе Сибирского центра синхротронного излучения за 1990 год/ Ин-т.ядер. физики СО АН СССР. - Новосибирск, 1991. -159 с.

74. Отчёт Сибирского международного центра синхротронного излучения за 1991-1992 г. / Ин-т ядер, физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

- Новосибирск, 1993. - 308 с.

75. Ильин В. Е. , Казакевич Г. и., Кулипанов Г. Н. и др. Рентгено-флуоресцвнткый элементный анализ с использованием синхротронного излучения. - Новосибирск, 1977. - 9 с. (Препринт Ин-та ядер, физики; 77-57).

76. Барышев В. Б. , Кулипанов Г. Н. , Скринский А. Н. Рентгенофлуо-ресцентный элементный анализ с использованием синхротронного излучения сверхпроводящей «змейки» ВЭПП-3 // Всесоюз. совещ. по использованию синхротронного излучения: си-82. - Новосибирск,1982.

- С. 278-292.

, 77. Барышев В.Б., Колмогоров Ю.П., Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Рентгенофлуоресцентный элементный анализ с использованием жёсткого рентгеновского излучения ВЭПП-4 // Труды VI Всесоюз. совещ. по использованию синхротронного излучения: си-84. - Новосибирск, 1984. - С. 323-331.

78. Baryshev V.B., Gavrilov N.G. , Kulipanov G.N. et al. Status of X-ray fluorescence elemental analysis'- at VEPP-3 // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res.-Sec.A.- 1989.-Vol. A282, No 2/3.

- P. 570-575.

79. Baryshev V.B., Kulipanov G.N., Skrinsky A.N. Review on X-ray fluorescent, analysis using synchrotron radiation // Nucl. Instrum. and Meth.- 1986.- Vol. A246, No 1/3.- P. 739-750.

80. Барышев В. Б. Рентгенофлуоресцентный элементный анализ на пучках синхротронного излучения: Дис. ... канд. физ.-мат наук / На уч. руководители: Л.М.Барков, Г. Н. Кулипанов. - Новосибирск, 1984.

- 109 с.

81. Baryshev V.B., Kulipanov G.N., Skrinsky A.N. X-ray fluorescent elemental analysis // Handbook on synchrotron radiation.

- Amsterdam et al.: Elsevier,1991.- Vol. 3. - P. 639-688.

82. Анашин В. В. , Бакланов Б. А. , ...Кулипанов Г. Н. и др. Проект накопителя электронов на энергию 450 НэВ - специализированного источника СИ // Отчёт о работах по использованию синхротронного излучения в Институте ядерной физики СО АН СССР. - Новосибирск, 1981. - С. 15-19.

82а. Анашин В. В., Винокуров Н. А.....Кулипанов Г. Н. и др.

Специализированный источник синхротронного излучения «Сибирь-1» // Девятое Всесоюз. совещ. по ускорителям заряж. частиц: Аннотации докладов, Дубна, 1984.- Дубна, 1984. - С. 21.

83.. Корчуганов В. Н. Специализированный источник синхротронного излучения - накопитель «Сибирь»: Дис. . . . канд. техн. наук/ Науч. руководитель Г. Н. Кулипанов. - Новосибирск, 1986. - 177 с.

84. Курчатовский источник синхротронного излучения: Отчёт (1992 г.)/ Российский науч. центр «Курчатовский ин-т», Ин-т общей и ядер, физики. - М. , 1993. - 47 с.

85. Кулипанов Г. Н. , Скринский А. Н. , Шелюхин Ю. Г. и др. применение синхротронного рентгеновского излученияв микроэлектронике // Электрон, пром-сть. - 1983. - No 1. - С. 43-45.

86. Artamonova L.D., Gentselev A.N.,... Kulipanov G.N. et al. X-ray lithography at the VEPP-3 storage ring // Rev. of Sci. Instrum. - 1992.- Vol. 63, No 1.- P. 764-766.

87. Васенков A. A. , Кулипанов Г. H. , Литвинов ю. M. и др. Контроль деффектов и рентгенотопографические исследования материалов микроэлектроники с использованием синхротронного излучения // Электрон, пром-сть.- 1986. - Вып. 3(151). - С. 64-68.

88. Anashin V.V., Isaeva L.G., Kollerov Е.Р., Kulipanov G.N. et al. Beam lines at the TNK SR source // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res.Sec.A.- 1991.- Vol. A308, No 1/2. - P. 50-53.

89. Kulipanov G.N., Mezentsev N.A., Morgunov L.G. et al. Development of superconducting compact storage rings for technical purposes in the USSR // Rev. of Sci. Instrum.-1992.-Vol. 63, No 1. - P. 731-736.

90. Анашин В. В. , Арбузов В. С..... Кулипанов Г. Н. и др. Проект

накопителя «Сибирь-СМ». - Новосибирск, 1989. - 34 с.' - (Препринт Ин-та ядер, физики; No 88-96).

91. Еремеев и. П. Нейтронный фокус в бериллии в поле синхротронного излучения // Письма в ЖЭТФ. - 1978. - Т. 27, No 1. -С. 13-17.

92. Hofman A. Synchrotron radiation from the large electron-positron storage ring // Physics Reports.- 1981.- Vol. 64, No 5. -P. 253-281.

93. Кулипанов Г. H. Скринский Г. H. Синхротронное излучение и его применение // Воспоминания о И. Я. Померанчуке. - Н. -.Наука, 1988. -С. 246-266.

94. Kulipanov G.N. New possibilities and some construction problems of low emittance rings at an energy of 8-10 GeV: Invited: Abstract // Rev. of Sci. Instrum.-1989. - Vol. 60, No 7,pt 2A.-P. 1406.

95. Беляев В. H. , Ворончев И. С. , Кулипанов Г. Н. и др. Интенсивный источник медленных моноэнергетических позитронов на основе синхротронного излучения. - М. : МИФИ, 1992. - 20 с. - (Препринт Моск. инж.-физ. ин-та; No 026-92).

КУЛИПАНОВ Геннадий Николаевич

Генерация мощных пучков синхротронного излучения для исследовательских и технологических целей

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Сдано в набор 7 февраля 1994 г. Подписано к печати 7.04. 1994 г. Формат 60x90 1/16 Объем 5,6 печ.л., 4,5 уч.-тд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ N 11_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.