Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY

Брызгунов, Максим Игоревич

Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Брызгунов, Максим Игоревич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY»

Автореферат диссертации на тему "Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY"

На правах рукописи

БРЫЗГУНОВ Максим Игоревич

ЭЛЕКТРОННЫЙ КОЛЛЕКТОР ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ COSY

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

НОВОСИБИРСК - 2013

005540815

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

РЕВА - кандидат физико-математических наук,

Владимир Борисович Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

САЛИМОВ - доктор технических наук, профессор,

Рустам Абельевич Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск, главный научный сотрудник. СМИРНОВ - кандидат физико-математических наук,

Александр Валентинович Объединенный институт ядерных исследований,

г. Дубна, начальник сектора.

ВЕДУЩАЯ - Федеральное государственное бюджетное

ОРГАНИЗАЦИЯ учреждение «Государственный научный центр

Российской Федерации - Институт физики высоких энергий», г. Протвино.

Защита диссертации состоится « » n^xaSpJ1— 2013 г.

в « -/6 ■ 3 0 » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан « 2.2- » 2013 г.

Ученый секретарь /

диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук ' A.A. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Метод электронного охлаждения, предложенный Г.И. Будкером в 1966 г, в настоящее время является одним из основных способов повышения качества пучков тяжелых заряженных частиц в ускорителях. Охлаждение уменьшает разброс по импульсам, подавляет рассеяние на мишени и внутрипучковое рассеяние, позволяет обеспечить накопление пучков за счет освобождения апертуры ускорителя для новых порций инжекции.

Максимальная энергия электронов, в большинстве электронных охладителей, составляет величину от нескольких десятков до нескольких сотен кэВ. Создание высоковольтных систем электронного охлаждения (с энергией в несколько МэВ) связано с большими техническими трудностями, поэтому в мире пока применялась только одна такая система: охладитель антипротонов с энергией электронного пучка 4.3 МэВ, произведенный и используемый в FNAL (США) на комплексе Теватрон.

В ИЯФ им. Г.И. Будкера была разработана система электронного охлаждения для установки COSY (Юлих, Германия) с возможностью перестройки энергии электронов в диапазоне от 25 кэВ до 2 МэВ.

Специфика электронного охлаждения такова, что после взаимодействия с ионами полная энергия электронного пучка практически не меняется, поэтому все системы электронного охлаждения используют метод рекуперации энергии электронного пучка, позволяющий значительно снизить мощность системы высоковольтного питания и энерговыделение внутри вакуумной камеры накопителя. Идея метода состоит в том, чтобы ускоренный в электростатической трубке пучок, после взаимодействия с ионным пучком, сперва замедлить и, лишь затем, направить в специальный коллектор, где пучок поглотится его стенками. При этом важным параметром коллекторов является его эффективность, т.е. отношение тока отраженных от коллектора электронов к току основного пучка.

Покинувшие коллектор вторичные электроны могут снова попасть в ускорительную трубку, где они ускорятся до полной энергии и погибнут на стенках вакуумной камеры, создавая нагрузку на систему питания. Энергия электронов в системах электронного охлаждения задается высоковольтным генератором, управляющим напряжением катода относительно земли. Для охладителей на низкую и среднюю энергии высоковольтные генераторы, как правило, ограничены по току величиной в несколько миллиампер, т.к. создание высоковольтных источников с

большим током при относительной стабильности напряжения на уровне 1СГ4 является намного более сложной технической задачей. В системах с напряжением порядка 1 MB максимальный ток еще меньше и соответствует нескольким сотням микроампер.

Помимо нагрузки на высоковольтный генератор, высокий ток потерь приводит и к другим проблемам. Например, ускоренные до полной энергии электроны, попадая на стенку вакуумной камеры, вызывают сильное газоотделение, что ухудшает вакуумные условия в системе. Кроме того, такие электроны являются источником радиации.

Однако максимальный ток потерь в высоковольтных охладителях имеет более жесткие ограничения, связанные с электрической прочностью ускоряющих трубок. В соответствии с опытом, полученным разработчиками электронного охладителя для комплекса Тэватрон, ток потерь непосредственно на ускоряющую трубку в размере НЗ мкА значительно повышает частоту пробоев на полное напряжение. При этом напрямую связать ток потерь с током, попадающим на трубку затруднительно, т.к. во-первых, данное соотношение связанно с геометрией как самого коллектора, так и трубок; а во-вторых, замагниченность движения в трубке (которое отсутствует в охладителе Тэватрона) значительно уменьшает поток электронов в поперечном направлении (на трубку).

Самым очевидным способом повышения эффективности рекуперации является повышение эффективности поглощения пучка в электронном коллекторе. Поэтому разработка высокоэффективного электронного коллектора, рассчитанного на ток в несколько ампер, является актуальной задачей при разработке систем электронного охлаждения, особенно при разработке высоковольтных охладителей.

Цель диссертационной работы

Изучение методов повышения эффективности рекуперации электронного пучка в системах электронного охлаждения.

Расчет и конструирование высокоэффективного коллектора с фильтром Вина для высоковольтной системы электронного охлаждения для синхротрона COSY.

Испытание коллектора с фильтром Вина на специальном испытательном стенде.

Наладка и исследование работы коллектора с фильтром Вина непосредственно в системе электронного охлаждения для COSY.

Личный вклад автора

Личное участие автора в получении научных результатов, лежащих в основе диссертации, является определяющим. Автором был разработан коллектор с фильтром Вина для высоковольтной системы электронного охлаждения синхротрона COSY, и проведены расчеты магнитных и электрических полей, а также движения электронного пучка в нем. При его активном участии разрабатывались как сама высоковольтная система электронного охлаждения для COSY, так и испытательный стенд «пушка-коллектор», а также проводились исследования коллектора с фильтром Вина на обеих установках. Отдельно автором были теоретически исследованы основные эффекты, способные ухудшить эффективность рекуперации в системе, связанные с рассеянием электронов пучка друг на друге и на остаточном газе, а также с ионизацией остаточного газа.

Научная новизна

Впервые разработан и испытан высокоэффективный коллектор для высоковольтных систем электронного охлаждения, эффективность которого повышается за счет установки перед основным аксиально-симметричным коллектором промежутка со скрещенными поперечными магнитным и электрическим полями (фильтр Вина). По результатам испытаний его измеренная эффективность составляет величину порядка 10~5, что сопоставимо с параметрами, достигнутыми на охладителе для комплекса Тэватрон, однако отличительной особенностью коллектора охладителя для синхротрона COSY является возможность работы в штатном режиме с током пучка до 3 А.

Научная и практическая ценность

Разработанный высокоэффективный коллектор для систем электронного охлаждения позволяет снизить требования на мощность источников высоковольтного питания и, как следствие, уменьшить стоимость всей системы. Кроме того, снижение тока потерь электронов высокой энергии на стенки вакуумной камеры позволяет повысить качество вакуума в системе. Снижение тока потерь на ускорительную трубку повышает электрическую прочность системы. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что такой коллектор подходит для использования в высоковольтных системах с высокими требованиями на эффективность рекуперации.

Основные положения, выносимые на защиту

Конструкция коллектора для высоковольтных систем электронного охлаждения с подавлением потока отраженных электронов в скрещенных поперечных магнитном и электрическом полях (фильтр Вина).

Результаты расчетов полей и движения электронного пучка в фильтре Вина для систем высоковольтного электронного охлаждения.

Физический анализ основных эффектов, связанных с внутрипучковым рассеянием в электронном пучке и с рассеянием на остаточном газе, которые могут ухудшить эффективность рекуперации в высоковольтной системе электронного охлаждения для COSY.

Результаты испытаний коллектора с фильтром Вина на специальном испытательном стенде. В ходе испытаний было показана возможность рекуперации энергии электронного пучка с эффективностью лучше, чем 10" при токе порядка 1 А.

Результаты испытаний коллектора с фильтром Вина непосредственно в высоковольтной системе электронного охлаждения для синхротрона COSY. В ходе испытаний, при различных энергиях электронного пучка в секции охлаждения, значение эффективности рекуперации составляла величину порядка 1(Г5.

Апробация работы

Результаты работы представлялись на семинаре в ИЯФ СО РАН, а также на Международных конференциях: Международная конференция «XXII Russian Particle Acceleration Conference (RuPAC-2010)», международная конференция «1st International Particle Conference (IPAC-2012)», Международная конференция «Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL'11)», Международная конференция «XXIII Russian Particle Acceleration Conference (RuPAC-2012)», Международная конференция «Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL'13)».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 58 наименований, изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 98 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны основные особенности высоковольтной системы электронного охлаждения для синхротрона COSY на энергию электронного пучка от 25 кэВ до 2 МэВ. Описана принципиальная схема рекуперации энергии электронного пучка в системах электронного

охлаждения. Определены основные параметры коллекторов электронного пучка для систем электронного охлаждения, а именно: первеанс, максимальная рассеиваемая мощность, эффективность (отношение тока вторичных электронов, покинувших коллектор, к току основного пучка).

В первой главе сформулированы основные требования на основные параметры коллектора для высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY.

Максимальный ток электронного пучка в системах электронного охлаждения определяется из соображений максимальной эффективности охлаждения. Типичное значение рабочего тока для установок на низкую и среднюю (до нескольких сотен кэВ) энергию составляет величину порядка сотни мА. Основным ограничением на величину тока является возникновение дрейфового движения в скрещенных полях собственного пространственного заряда электронного пучка и продольного магнитного поля. Однако, при охлаждении электронами высокой энергии (несколько МэВ) расталкивание электрическим полем пучка компенсируется магнитным сжатием, и эффективное поле уменьшается как 1/у (где у -релятивистский фактор). Для условий, соответствующих секции охлаждения синхротрона COSY предельная плотность тока составляет примерно 74 А/см2, что соответствует полному току 5 А. Однако рекуперация при таких больших токах является очень сложной технической задачей, поэтому ток пучка в охладителе для COSY ограничивается возможностями электронной пушки, чья конструкция основана на прежних разработках и максимальный ток которой составляет 3 А.

При разработке коллектора для охладителя COSY за основу была взята конструкция, разработанная для установок ЭХ-35, ЭХ-40 и ЭХ-300. Первеанс коллектора в них варьировался в зависимости от различных факторов в диапазоне 14-18 мкА/В1'5. Для достижения проектного тока 3 А необходимо напряжение на коллекторе примерно 5 кВ, что соответствует мощности источника питания 15 кВт.

Исходя из соображений нагрузки на высоковольтный генератор, вакуумных условий и электрической прочности системы, было принято, что ток потерь в охладителе для COSY не должен превышать нескольких десятков микроампер, что соответствует эффективности рекуперации примерно 10" .

Описана принципиальная схема классического аксиально-симметричного коллектора систем электронного охлаждения, основанная на использовании цилиндра фарадея, где электростатическое удержание дополнено запиранием магнитной пробкой на входе. В качестве примеров приведены схемы коллекторов некоторых систем, построенных как в

нашей стране, так и за рубежом. Из литературных источников дана оценка их предельной эффективности, чей уровень составляет величину порядка 10 . Описаны способы повышения эффективности рекуперации как за счет повышения эффективности самого коллектора, так и за счет использования дополнительных элементов вне коллектора. В частности, описан метод электростатической компенсации центробежного дрейфа в тороидах, показавший хорошие результаты в охладителях на низкую энергию (ЭХ-35, ЭХ-40, ЭХ~300).С>днако в высоковольтных охладителях использовать данный метод очень сложно с технической точки зрения, поэтому единственным способом повышения эффективности рекуперации является повышение эффективности самого коллектора. Далее описаны некоторые схемы коллекторов, позволяющие достичь эффективности поглощения выше, чем 1СГ4.

Во второй главе описан принцип работы коллектора с фильтром Вина (рис. 1). Для основного пучка действие поперечных сил компенсируется, и пучок движется без отклонения, для отраженных электронов сила Лоренца направлена в противоположную сторону и не компенсирует, а, наоборот, усиливает действие электрического поля, за счет чего обратный поток электронов отклоняется в сторону, где затем может быть поглощен специальной приемной пластиной. Наличие продольного магнитного поля в фильтре Вина позволяет избежать попадания отраженных от коллектора электронов на электростатические пластины, создающие электрическое поле, поскольку смещение вторичного пучка происходит за счет дрейфа, который направлен параллельно пластинам.

Приводятся расчеты поперечного градиента поперечного магнитного поля в фильтре, который позволяет сохранить профиль электронного пучка при прохождении его через фильтр.

Описана конструкция коллектора и фильтра Вина (рис. 2), а именно: вакуумной камеры, магнитной и электростатической систем. Для

создания поперечного магнитного поля было решено использовать постоянные магниты, позволившие отказаться от дополнительных источников питания. Приведены результаты расчетов основных параметров самого коллектора, а также магнитных и электрических полей в фильтре и движения электронов, как в одночастичном приближении, так и с учетом собственного пространственного заряда пучка.

Рисунок 2. Коллекторный узел. 1 -коллектор с супрессором и при-коллекторным электродом, 2 - узел фильтра Вина, 3 - ускорительная трубка, 4 - катушки продольного поля, 5 — магнитный экран, 6 — фланец для дополнительной вакуумной откачки.

В третьей главе приведены оценки влияния различных эффектов рассеяния электронов пучка (таких как поперечно продольная релаксация за счет внутрипучкового рассеяния, продольно-продольная релаксация, однократное взаимное рассеяние на большие углы, многократное и однократное рассеяние на остаточном газе) и ионизацию остаточного газа электронами на эффективность рекуперации. Оценки показали, что влияние этих эффектов мало, за исключением однократного взаимного рассеяния электронов.

В четвертой главе приводятся результаты испытаний коллектора с фильтром Вина на испытательном стенде «пушка-коллектор». Описана

схема самого стенда «пушка-коллектор» (рис. 3), предназначенного для испытаний как самих пушки и коллектора с фильтром Вина, так и их электроники.

Рисунок 3. Испытательный стенд «пушка — коллектор». 1 -магнитный концентратор пушки, 2 - электронная пушка, 3 -дрейфовый промежуток, 4 -вакуумный насос, 5 — катушки пушки и дрейфового промежутка, 6 - магнитный экран, 7 -коллектор с фильтром Вина в соленоиде с магнитным экраном, 8 - штатные катушки пушки в охладителе (на стенде не используются), 9 - насос вакуумной дополнительной откачки,

10- коллектор с фильтром Вина,

11- опорные изоляторы, 12 -керамическая вставка с анализирующим электродом.

Приведены результаты измерения зависимости эффективности коллектора от напряжения супрессорного электрода при убранных постоянных магнитах с фильтра («прямая система») при различных режимах работы коллектора. Описана проблема, связанная с возникновением разряда Пеннинга в фильтре при первых штатных включениях фильтра. Приведены результаты измерений зависимости эффективности коллектора от напряжения супрессорного электрода и от тока в последней катушке коллекторного соленоида в системе с фильтром Вина при различных режимах работы коллектора. Приведены результаты исследований работы фильтра Вина при различных потенциалах его вакуумной камеры. Исследована зависимость эффективности рекуперации на стенде от качества вакуума. Исследован режим работы коллектора в не аксиально-симметричном случае, а именно когда в магнитном экране возле коллектора была намеренно убрана одна пластина, с целью внести асимметрию в распределение магнитного поля. Показана зависимость эффективности как самого коллектора, так и коллектора с фильтром от тока электронного пучка (рис. 4).

В целом, исследования показали, что фильтр Вина улучшает эффективность рекуперации примерно в 100 раз до величин порядка 10~б при токе основного пучка более 1 А.

- Г ==

===

=----- — ..... ===== ===

ххххх, SSS

~ ~ ...

о 500 1000

Ibearri! ГПА

Рисунок 4. Зависимости относительных токов потерь от тока пучка: 1 - из самого коллектора, 2 - из коллектора с фильтром Вина.

В пятой главе приводятся результаты испытаний коллектора с фильтром Вина непосредственно на высоковольтной системе электронного охлаждения для синхротрона COSY. Приведена схема высоковольтной системы электронного охлаждения для синхротрона COSY (рис. 5).

Рисунок 5. Трехмерная модель 2 МэВ системы электронного охлаждения для COSY. 1 - бак с элегазом высокого давления, содержащий электронную пушку, коллектор, ускорительные трубки и систему высоковольтного питания, 2 - прямолинейные соленоиды транспортного канала, 3 -поворотные соленоиды транспортного канала, 4 - секция охлаждения, 5 -тороиды.

Основная часть исследований проводилась при полной энергии электронов в охладителе 30 кэВ, т.к. в таком случае на эффективность коллектора не влияет качество проводки пучка. Приведены результаты исследования эффективности рекуперации энергии электронного пучка при различных величинах напряжения накала катода пушки в системе с убранными постоянными магнитами в фильтре Вина. Описаны результаты исследования зависимости эффективности коллектора от напряжения супрессорного электрода в системе без магнитов поперечного поля («прямая система») и результаты сравнения апертуры коллектора с магнитами и без, проведенные за счет сканирования напряжением на пластинах фильтра. Приведены результаты измерений эффективности коллектора с фильтром Вина от напряжения на супрессороном электроде и от тока в последней катушке коллекторного соленоида при различных режимах работы коллектора при энергии электронного пучка 30 кэВ. Показаны результаты исследования эффективности коллектора с фильтром Вина при различных величинах поперечного магнитного поля в фильтре. Показана зависимость эффективности коллектора от профиля электронного пучка.

Показаны результаты измерений зависимости эффективности коллектора от тока пучка при различных Значениях полной энергии электронов в системе электронного охлаждения (30 кэВ, 150 кэВ, 200 кэВ, 1 МэВ, 1.25 МэВ, 1.5 МэВ). В каждом режиме была достигнута эффективность рекуперации на уровне (НЗ)-10~5.

В целом, испытания коллектора с фильтром Вина непосредственно на высоковольтной установке электронного охлаждения для COSY показали, что в рабочем режиме достижима величина тока основного электронного пучка в 1 А. При этом, как на эффективность рекуперации, так и на стабильность работы всей высоковольтной системы сильно влияет качество проводки пучка. Достигнутое значение коэффициента рекуперации порядка 10'5 вполне достаточно с точки зрения нагрузки на высоковольтный генератор и вакуумных условий в системе.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. М.И. Брызгунов, А.В. Иванов, В.М. Панасюк, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева, «Повышение эффективности электронного коллектора для систем электронного охлаждения при помощи фильтра Вина». // Журнал технической физики, 2013, Том 83, Вып. 6, с. 139-146.

2. М.И. Брызгунов, А.В. Иванов, В.М. Панасюк, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева, «Высокоэффективный коллектор для высоковольтной установки электронного охлаждения». // Приборы и техника эксперимента, 2013, № 3, с. 12-20.

3. A.V. Ivanov, M.I. Bryzgunov, A.V. Bubley, V.M. Panasyuk, V. V. Parkhomchuk, V.B. Reva, "Electron Gun and collector for 2 Mev electron cooler for COSY". // Proceedings of XXII Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC'10), p. 233-235.

4. J. Dietrich, V. Kamerdzhiev, M.I. Bryzgunov et al., "Development of electron cooler components for COSY". // Proceedings of XXII Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC' 10), p. 151 -155.

5. J. Dietrich, V. Kamerdzhiev, M.I. Bryzgunov, A.D. Goncharov, V.V. Parkhomchuk, V.B. Reva, D.N. Skorobogatov, "Status of the 2 MeV electron cooler for COSY-Juelich". // Proceedings of 1st Internationl Particle Accelerator Conference (IPAC'10), p. 843-845.

6. N. Alinovsky, A.M. Batrakov, T.V. Bedareva, E.A. Bekhtenev, O.V. Belikov, V. N. Bocharov, V.V. Borodich, M.I. Bryzgunov et al., "The first comission results of the high voltage magnetized cooler for COSY". // Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL'11), p. 37-42.

7. M.I. Bryzgunov, A.V. Bubley, V.A. Chekavinskiy et al, "Electron collector for 2 MeV electron cooler for COSY". // Proceedings of Workshop on Beam Cooling and Related Topics (COOL' 11), p. 103-106.

8. M. Bryzgunov, A. Bubley, A. Goncharov, V. Panasyuk, V. Parkhomchuk, V. Reva, D. Skorobogatov, J. Dietrich, V. Kamerdzhiev, "High voltage electron cooler". // Proceedings of XXII Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC'12), p. 38-42.

БРЫЗГУНОВ Максим Игоревич

Электронный коллектор высоковольтной системы электронного охлаждения для COSY

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 18.11.2013 г. Сдано в набор 19.11.2013 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.8 печ.л., 0.7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 29_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Брызгунов, Максим Игоревич, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМ. Г.И. БУДКЕРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201455230

БРЫЗГУНОВ МАКСИМ ИГОРЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЙ КОЛЛЕКТОР ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ COSY

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Рева Владимир Борисович кандидат физико-математических наук

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................................................4

Глава 1. Рекуперация энергии электронного пучка в системах электронного охлаждения.......................................................................................8

1.1. Требования на параметры коллектора 2 МэВ охладителя COSY..........8

1.2. Аксиально-симметричные коллекторы для систем электронного

охлаждения........................................................................................................12

1.3. Методы повышения эффективности рекуперации................................21

Глава 2. Коллектор с фильтром Вина................................................................30

2.1. Конструкция коллектора с фильтром Вина............................................34

2.1.1. Коллектор........................................................................................35

2.1.2. Магнитная система фильтра Вина................................................44

2.1.3. Электростатическая система фильтра Вина.................................49

2.2. Расчет движения электронного пучка в фильтре Вина.........................51

2.3. Влияние пространственного заряда пучка..............................................54

2.4. Дисперсия в фильтре Вина.......................................................................59

Глава 3. Влияние эффектов рассеяния и ионизации на эффективность рекуперации в системах электронного охлаяедения.......................................61

3.1. Поперечно-продольная релаксация.........................................................66

3.2. Продольно-продольная релаксация.........................................................71

3.3. Однократное рассеяние на большие углы (эффект Тушека)................72

3.4. Многократное рассеяние на остаточном газе.........................................78

3.5. Рассеяние на остаточном газе на большие углы....................................81

3.6. Потери на ионизацию остаточного газа..................................................84

Глава 4. Испытания коллектора с фильтром Вина на стенде......................87

4.1. Эффективность коллектора в прямой системе.......................................92

4.2. Разряд Пеннинга в фильтре Вина............................................................94

4.3. Эффективность составного коллектора..................................................96

4.4. Работа фильтра Вина при различных потенциалах вакуумной камеры................................................................................................................99

4.5. Эффективность коллектора в зависимости от вакуума.......................101

4.6. Составной коллектор. Аксиально-несимметричный случай..............103

4.7. Зависимость эффективность коллектора от тока пучка......................105

Глава 5. Исследование работы коллектора с фильтром Вина на высоковольтной системе электронного охлаждения для синхротрона COSY.......................................................................................................................107

5.1. Испытания в «прямой» системе.............................................................110

5.1.1. Зависимость эффективности рекуперации от величины накала катода.......................................................................................................111

5.1.2. Зависимость эффективности рекуперации от напряжения супрессора................................................................................................117

5.1.3. Сканирование пластинами фильтра Вина..................................119

5.2. Испытания с фильтром Вина..................................................................121

5.2.1. Испытания на 30 кэВ....................................................................122

5.2.1.1. Исследования спектра отраженных электронов.............122

5.2.1.2. Исследование эффективности коллектора при различных способах подключения приколлекторного электрода.................125

5.2.1.3. Зависимость тока потерь от величины поперечного магнитного поля в фильтре............................................................127

5.2.1.4. Зависимость эффективности коллектора от профиля пучка.................................................................................................129

5.2.2. Исследование эффективности рекуперации при различных энергиях электронного пучка................................................................130

Заключение............................................................................................................133

Литература.............................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Метод электронного охлаждения, предложенный Г. И. Будкером в 1966 г [1], в настоящее время является одним из основных способов повышения качества пучков тяжелых заряженных частиц в ускорителях [1,2]. Охлаждение, повышает качество пучков, уменьшая разброс по импульсам, подавляет рассеяние на мишени и внутрипучковое рассеяние, позволяет обеспечить накопление пучков за счет освобождения апертуры ускорителя для новых порций инжекции.

ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера (г. Новосибирск) имеет большой опыт в области электронного охлаждения и является признанным лидером в производстве электронных охладителей [1,3,4]. В частности, в ИЯФ СО РАН были разработаны две системы электронного охлаждения ЭХ-35 [5] и ЭХ-300 [6] (с энергией электронов до 35 кэВ и до 300 кэВ соответственно) для установки HIRF-CSR (IMP, г. Ланджоу, Китай), где с их помощь происходит накопление ядер атомов редких тяжелых изотопов для последующего использования в экспериментах с внутренней мишенью. Так же была разработана система электронного охлаждения ЭХ-40 [7] (с энергией электронов до 40 кэВ) для накопителя LEIR, которая обеспечивает накопление тяжелых ионов (в основном свинца), для использования в Большом адроном коллайдере (ЦЕРН), в экспериментах со встречными пучками по изучению кварк-глюонной плазмы.

Максимальная энергия электронов, в большинстве электронных охладителей, составляет величину от нескольких десятков до нескольких сотен кэВ. Создание высоковольтных систем электронного охлаждения (с энергией в нескольких МэВ) связано с большими техническими трудностями, поэтому в мире пока применялась только одна такая система: охладитель антипротонов с энергией электронного пучка 4.3 МэВ, произведенный и используемый в FNAL (США) на комплексе Теватрон [8].

В ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера была разработана система электронного охлаждения для установки COSY (г. Юлих, Германия) с возможностью перестройки энергии электронов в диапазоне от 25 кэВ до 2 МэВ. В планируемых экспериментах требуется, чтобы время охлаждения составляло порядка нескольких десятков секунд, что значительно меньше времени охлаждения на Тэватроне, где оно составляет несколько десятков минут [8]. Поэтому важным отличием охладителя для COSY является наличие сильного (до 2 кГс) продольного магнитного поля в секции охлаждения, которое обеспечивает так называемое «быстрое охлаждение» замагниченым электронным пучком [1]. В данной системе продольное магнитное поле существует вдоль всей траектории электронов от пушки до коллектора, что позволяет обеспечить фокусировку пучка, а так же избежать проблем, связанных с вводом и выводом пучка из магнитного поля.

Специфика электронного охлаждения такова, что после взаимодействия с ионами полная энергия электронного пучка практически не меняется, поэтому все системы электронного охлаждения используют метод рекуперации энергии электронного пучка. Идея метода состоит в том, чтобы ускоренный в электростатической трубке пучок, после взаимодействия с ионным пучком, сперва замедлить и лишь затем направить в специальный коллектор, где пучок поглотится его стенками. Такая схема позволяет значительно снизить мощность системы высоковольтного питания и энерговыделение внутри вакуумной камеры накопителя. При этом желание получить минимальную нагрузку на высоковольтные выпрямители и минимальный радиационный фон требует высокой степени эффективности рекуперации (т. е. поток вторичных электронов на находящиеся под потенциалом земли стенки вакуумной камеры должен быть минимальным). Одно из наиболее полных исследований рекуперации в системах электронного охлаждения было проведено в работе [9].

Самым очевидным способом повышения эффективности рекуперации является повышение эффективности поглощения пучка в электронном коллекторе. Основными параметрами коллекторов для систем электронного охлаждения являются их первеанс, максимальная рассеиваемая мощность и эффективность.

Первеанс Р является коэффициентом пропорциональности в законе Чайльда - Ленгмюра между напряжением коллектора U в степени 3/2 и максимальным током I, который данный коллектор может принять при заданном напряжении (P=I/U3/2). В охладителях первеанс, в первую очередь, определяет максимальный ток, который может поглотить коллектор при имеющемся коллекторном источнике питания. Максимальное напряжение источника питания ограничено как конструктивными особенностями коллекторного узла и его окружения, так и тепловой мощностью, выделяемой в коллекторе при поглощении пучка, поскольку для имеющейся конструкции коллектора и его системы охлаждения существует предел по максимальной рассеиваемой мощности.

Эффективность коллектора определяется как отношение тока отраженных от коллектора электронов к току основного пучка и, в первую очередь, определяет мощность высоковольтного генератора, питающего ускоряющую трубку.

В диссертации описывается конструкция и результаты исследований работы коллектора с подавлением обратного потока электронов с помощью фильтра Вина, обеспечивающий высокую эффективность поглощения электронов, а, следовательно, и высокий коэффициент рекуперации.

При выполнении работы по диссертации был разработан высокоэффективный коллектор с фильтром Вина, где поперечное магнитное поле создается с помощью постоянных магнитов. Перед установкой коллектора непосредственно на высоковольтный охладитель для COSY он

был испытан на специальном испытательном стенде. После испытаний он был установлен на охладитель, где была проверена его работа в штатном режиме.

На защиту выносятся следующие положения:

ГЛАВА 1

РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

1.1. Требования на параметры коллектора 2 МэВ охладителя

COSY

Как правило, ток электронного пучка в системах электронного охлаждения определяется из соображений максимальной эффективности охлаждения. Типичное значение рабочего тока для установок на низкую и среднюю (до нескольких сотен кэВ) энергию составляет величину порядка сотни мА. Основным ограничением на величину тока является возникновение дрейфового движения в скрещенных полях собственного пространственного заряда электронного пучка и продольного магнитного поля [10]. Однако, при охлаждении электронами высокой энергии (несколько МэВ) расталкивание электрическим полем пучка компенсируется магнитным сжатием, и эффективное поле уменьшается как 1/у (где у - релятивистский фактор).

В работе [10] предложена формула для расчета предельной плотности электронного тока в секции охлаждения:

j[A/cM2] = 16(Py)2№i (1Л)

L J Р±М

где (3 - отношение скорости пучка к скорости света в вакууме, у — релятивистский фактор, р± - бета-функция в секции охлаждения. Для пучка с энергией 2 МэВ в поле 2 кГс, при значении бета-функции равном 10 м, предельная плотность тока составляет примерно 74 А/см . При ускорении,

размер ионного пучка уменьшается как a = a0^/y0(30/yP, и можно

предполагать, что его диаметр на полной энергии будет равен примерно 3 мм. Такие плотность и размер соответствуют полному току 5 А. Однако

рекуперация при таких больших токах является очень сложной технической задачей, поэтому ток пучка в охладителе для COSY ограничивается возможностями электронной пушки, чья конструкции основана на прежних разработках и максимальный ток которой составляет 3 А.

При разработке коллектора для охладителя COSY за основу была взята конструкция, разработанная для установок ЭХ-35, ЭХ-40 и ЭХ-300. Первеанс коллектора в них варьировался в зависимости от различных факторов в диапазоне 14-18 мкА/В1'5 [11]. Для достижения проектного тока 3 А необходимо напряжение на коллекторе примерно 5 кВ, что соответствует мощности источника питания 15 кВт.

Энергия электронов в системах электронного охлаждения задается высоковольтным генератором, управляющим напряжением катода относительно земли (рисунок 1). Для охладителей на низкую и среднюю энергии высоковольтные генераторы, как правило, ограничены по току величиной в несколько миллиампер, т.к. создание высоковольтных источников с большим током при относительной стабильности напряжения на уровне 10"4 является намного более сложной технической задачей. В системах с напряжением порядка 1 MB максимальный ток еще меньше и соответствует нескольким сотням микроампер. Так, например, в проектируемом для накопителя HESR (проект FAIR, GSI, Германия) охладителе на энергию до 8 МэВ максимальный ток выбранного разработчиками источника питания типа пеллетрон ограничен 300 мкА [12]. В таком случае, при максимальном токе 1 А, эффективность коллектора не должна быть хуже чем 3-10"4.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема системы электронного

охлаждения.

Однако максимальный ток потерь в высоковольтных охладителях имеет более жесткие ограничения, связанные с электрической прочностью ускоряющих трубок. В соответствии с опытом, полученным разработчиками электронного охладителя для комплекса Тэватрон, ток потерь непосредственно на ускоряющую трубку в размере 1-КЗ мкА значительно повышает частоту пробоев на полное напряжение [8,12,13]. При этом напрямую связать ток потерь с током, попадающим на трубку затруднительно, т.к. во-первых, данное соотношение связанно с геометрией, как самого коллектора, так и трубок; а во-вторых, замагниченность движения в трубке (которое отсутствует в охладителе Тэватрона) значительно уменьшает поток электронов в поперечном направлении (на трубку).

В ускорительной трубке от компании NEC, которые используются в охладителе Тэватрона, электроды не одинаковые, а имеют специальный профиль (внутренний радиус у электродов разный), что обеспечивает

создание неоднородностей ускоряющего поля (или, другими словами, электростатические линзы), которые позволяют перехватывать вторичные частицы (ионы и электроны), и, тем самым, предотвращать обменные процессы, которые приводят к токовой связи между высоким потенциалом и землей, и, как следствие, к пробою на полное напряжение [14-16]. Такой подход позволяет снизить вероятность пробоя, однако, его обратной стороной является тот факт, что замагниченность движения сильно ухудшает его эффективность, т.к. продольное магнитное поле уменьшает вероятность перехвата вторичных частиц неоднородностями ускоряющего поля и, тем самым, может увеличить вероятность пробоя. Именно поэтому в ускоряющих трубках охладителя Тэватрона отсутствует продольное магнитное поле, а фокусировка пучка в них обеспечивается отдельными магнитными линзами. При этом низкое (примерно 200 Гс) поле в секции охлаждения позволяет обеспечить ввод пучка в продольное поле без существенного ухудшения его качества.

Как уже говорилось, в отличие от охладителя Тэватрона, в охладителе для COSY продольное поле в секции охлаждения на порядок выше (до 2 кГс). Кроме того, данный охладитель должен обеспечить охлаждение в широкой области энергий электронов 25 кэВ 2 МэВ, поэтому продольное поле сопровождает пучок на всей траектории от пушки до коллектора, в том числе и в ускорительных трубках. Такой подход не позволяет перехватывать вторичные частицы, однако продольное поле сильно уменьшает вероятность