Физико-техническое обоснование ускорительного комплекса космического базирования с модуляцией энергии пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Для служебного пользования Экз."

Ни прштх рукописи

ЛЕНЬ Николай Афанасьевич

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНА УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ С МОДУЛЯЦИЕЙ ЭНЕРГИИ ПУЧКА

01.04.20 - физика пучков чаряженных частиц » ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание учено» степени кандидата технических наук

Автор:

Москва 1999

Работа выполнена в Московском государственном ииженерно-физическом инстигуте

(техническом университете) .

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Нестерцвич А.В а

доктор ф!иико-магемагичсскч1х наук, профессор Петренко В В., РНЦ" Курчатовский институт" камли.таг технических паук, Громов Р..!),, зав. отделом ¡ШИШИГ

Ш1ИЭФЛ им. Д.В. Нфремова

Защита состоится 20 декабря 1099 г. п 15 час. 00 мни » конференц-зале на заседании диссертационного совета К053.03.07 по адресу: 1)5-400, Москва. Каширское июссе, .И, тел.: 324-84-98. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Просим принять участие в рабозе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

,,оябРя 1999 г.

-Му-* И.С.Щедрин

ог;щля ХЛ РА КТЕТ'ИСПИСЛ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ, Перед современном ускорительной техникой сравнительно давно поставлена палача разработки таких методов и средств ускорения заряженных частиц, которые позволили бы с достаточной эффективностью использовать потоки частиц для решения задач.и околоземном космическом пространстве, в частности, при экологическом мониторинге атмосферы Земли, подвергающейся все большему загрязнению, грозящему экологической катастрофой.

Экологический мониторинг атмосферы Земли из космоса представляется в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений развития мировой » отечественной космической техники, предполагающим, в частности, сотрудничество на межгосударственном уровне. Одновременно с этим не прекращается поиск путей исследования планет Солнечной системы с орбитальных станций, содержащих ускорители.

Важным прикладным применением ускоренных пучков заряженных частиц является зондаж верхней атмосферы Земли для измерения концентрации галогенов, влияющих на динамику озонного слоя планеты. .

Однако необходимость удовлетворения совокупности специфических требований, предъявляемых к пучкам заряженных частиц н выводимым на орбиту ускорительным комплексам, неразрывно связана с развитием и совершенствованием принципиально новых методов нсследова-: пня и систем ускорителен. ' '

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. В настоящее время в плане практической реализации наибольшее развитие получило военное направление, связанное с разработкой пучкового оружия. Достаточно в этой связи отмстить запуск станции с линейным ускорителем отрицательных ионов водорода, проведенный в США несколько лет назад. Однако, широкомасштабная реализация различных проектов была ограничена отмеченной совокупностью предъявляемых к пучкам требований. которые в значительной степени,определяют облик радиационно-ускорнтелыюго комплекса космического базирования в целом, а также необходимостью детального исследования и отработки в наземных условиях ряда принципиально новых систем. Это в первую очередь - системы формирования прецизионных параметров пучка, обеспечивающие минимальную угловую расходимость п минимальный энергетический разброс, а также возможность детектирования отраженного сигнала от удаленной мишени, облучаемой потоком ускоренных частиц, как правило, перезаряженных до нейтрального состояния отрицательных ионов водорода. Эффективность применения ускорителя может быть также существенно повышена при использовании внутри-импульсной модуляции энергии ионов на его выходе, что обеспечивает получение на удаленной

мишени Солее короткого по дшггслыюсти, но увеличенного но интенсивности импульса тока частиц, достаточного для однозначной идентификации отраженного сигнала на фоне шумов, ейязатшх с потерями частиц в самом ускорительном тракте.

К настоящему времени имеется большое количество результатов наземны.х и космических наблюдении аврорадьных и солнечных протонных высыланий в верхних слоях атмосферы с энергией протопоп от единиц кэВ для авроральных до сотен МэВ.для солнечны^. Моделирование происходящих при прохождении протопоп через вещество процессов весьма сложно из-за многообразия возможных реакций и широкого энергетического спекггра протоио'и. 13 этом плане, безусловно, интерес представляет прямой эксперимент по. инжекцци протонов на высотах 200-.300 км в высоких широтах, где ендоные линии.Земли позволяют прогонам вопт'и и верхние слон атмосферы. По форме распространения пучка и спектру интенсивности, свечения можно определить топологию магнитного поля Земли и анализировать процессы в а гмосфере,

Весьма псрспективнкм представляется американский проект сотрудничества с Россией.в плане зондирования поверхности Луны пучками ускоренных 'протонов и дейтонов или перезаряженными до нейтрального состояния отрицательными ионами, предполагающий выведение на орбиту Луны космической станции с борюкым ускорительным комплексом (ЕУК), снабженным, детектором вторичного .излучения, образуемого при облучении поверхности ускоренными частицами. Рассматривается также вариант выведения одновременно с.ПУК на более низкую орбиту самостоятельного детектора, позволяющего существенно повысить чувствительность детектора и уменьшить влияние фонового излучения самого ускорителя с высотой орбиты комплекса -(5<к-200) км, а орбиты детектора - (10^50) км при энергии иоиов - (5-Н 5)\ЬВ.

Дчя решения задач по созданию пучкового оружия в плане перечисленных выше направлений необходимо проведение физико-технического обоснования и проработка вариантов практической реализации ускорительного комплекса космического базирования, использующего режим внугриимпульснон модуляции энергии отрицательных ионов водорода с последующей нейгра-' лнзацней. . , .

ЦЕЛЬ ГАБОТЫ. Определение оптимального варианта конструктивного исполнения и компоновки элементов ускорительного комплекса космического базирования; исследование системы нейтрализации ионного пучка и ионного инжектора с ленточным пучком; проектирование систем поворота и уменьшения угловой расходимости н энергетического разброса энергии ускоренного пучка; разработка системы наведения и сканирования ионного пучка; определение тре-' совании к энергетическим параметрам пучка, системе высокочаст'07119га питания и системе формирования пучка на выходе ускорительного комплекса космического базировании,, исследование возможности внутринмнульсноп модуляции энергии ионов,,обсспс'щуак'шей пространст-

кенпо-иременную модуляцию пучка нейтральных атомов, образованных из ионов при перезарядке. .

ПЛУЧПЛЯ НОВИЗНА. Инериые и полном объеме проведена концептуальная проработка структурной схемы ускорителя ионов космического базирования. Определены совокупность требований к системам ускорительного комплекса космического базирования с изменяемой энергией и вочможноегь использования к комплексе систем известного типа. Даны рекомендации по проектированию новых систем. Определены параметры системы поворота модулированного по энергии пучка. Определены технические характеристики и дано расчетное обоснование устройства наведений пучка на мишень, содержащего систему отклонения ионного пучки как на большие, тик и на малые углы, обеспечивающую необходимое изменение параметров-за счет внутри-импульсной модуляции энергии пучка. Разработаны физическая .модель п алгоритм-расчета ускоряющей структуры па основе однозазорных фазируемых резонаторов в режиме внутрним-пульспой модуляции энергии с высоким электронным КПД.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в работе, использовались при выполнении хоздоговорных работ в МИФИ в период с 1987 по 1999 годы и в КП "Салют" ГКНПЦ им. Хруннчева.

ЛПРОЙАЦ1Ш РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на Совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1404г., 2 доклада).» 6-й Европейской конференция . но УЗЧ ЕРАС-98 (Стокгольм, 1993г., 2 доклада).

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения,-трех глав, заключения, списка литературы л приложения.

Во введении дано описание состояния решаемой проблемы, сформулированы.цель и задачи ■ исследовании.

В персон главе рассматриваются вопросы, связанные с общей компоновкой и определением основных элементов ускорительного комплекса космического, базирования, а также требования к параметрам лучка ускоренных частиц. Теоретически и экспериментально, исследуются ускоряющая структура и система нейтрализации пучка отрицательных ионов водорода.

Вторая глава посвящена исследованию системы формирования пучков, включающей в себя систему поворота пучка, систему уменьшения угловой расходимости пучка на основе фазового преобразования, систему уменьшения энергетического разброса пучка, систему наведения и сканирования ионного пучк^.

Третья глава включает в себя результаты исследования внутринмп'ульсной модуляции энергии ионного пучка и трансформации его параметров после нейтрализации. Определены требова-

ния к системе ВЧ-пнтання ускорителя с простраистиешю-вре.меннон модуляцией энергии пучка нейтральных частиц. Приведено описание электростатической системы формирования пучка о режиме внутриимпульсной модуляции энергии пучка. Представлены результаты оптимизации-параметров системы формирования. .

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации,

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит 151 страницу основного текста, 5 таблиц, 66 рисунков и'список литературы из 49 наименований.'

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРЕДСТАВЛЯЕМЫЕ К "ШЦИТЕ. Амор защищает результаты работ.по физико-техническому обоснованию и разработке вариантов, практической реализации ускорительного комплекса космического базирования, .а именно:

- физико-техническое обоснование общей схемы раднационно-ускорпзельиого комплекса космического базирования с внутрнимпульсным изменением энергии отрицательных пошт водорода и результаты концептуальной проработки совокупности его элементов;

- результаты математического моделирования динамики частиц, расчета параметре» пучка и систем ускорительного тракта в ускорителе с модуляцией энергии; .

- технический облик системы прецизионного папе/юаня пучка, результаты расчета и рекомендации ло выбору ее параметров; . ' ' .

' - результаты экспериментального исследования инжектора отрицательных поной водорода для ускорителя космического базирования, рекомендации по его использованию и вубору пара. метров; . . •

- результаты математического моделирования динамики частик в системе момолро.магизз-ции на основе однозазорных резонаторов, рекомендации по выбору их параметров и общем ком-поковке в ускорителях космического базирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В качестве вариантов технической реализации БУК в пределах поперечного диаметра 4-s-5 м и продольного размера 10-И2 м могут быть рассмотрены два случая. В нервом из них ускорение осуществляется в циклотронах, установленных веерообразно: Мапштопровод является общим для всех ускоряющих структур, каждая из которых может быть выполнена в виде четвертьволновых вибраторов, являющихся аналогом дуаитов классического циклотрона, но имеющих мень-' шую азимутальную протяженность. Такое исполнение позволяет не только сократить габариты, но н обеспечить высокий градиент потенциала на каждом обороте без высоких напряжет ¡остей ускоряющего поля, поскольку имеется несколько ускоряющих зазоров. Это является важным, поскольку ускорение отрицательных' ионов чревато отрывом от них электронов при сильных

ПЧ-пол.чх. Уменьшать же прирост потенциала за один оборот нецелесообразно щ:за потерь при - выводе пучка (уменьшается разделение орбит).

После ускорения в циклотронном ускорителе ионы водорода поступают в монохроматор, а затем а .систему телескопического преобразования, после чего о дефлектор (или скаиатор). На выходе дефлектор« может быть установлен фольговый нейтрализатор.

Во втором варианте ускорение дважды осуществляется линейным образом. Сначала в на' чальной части ускорителя (МЧУ), выполненном из установленных параллельно нескольких ускоряющих структур, например, с пространственно-однородной квадрупольиой фокусировкой (ПОКФ), а затем, после поворота магнитным зеркалом, в системе с более высоким темпом ускорения, например, в ускорителе типа Альвареца.

Первый вариант является предпочтительным при выходной энергии ионов не более -40*50 • М.)В, а второй - при величине энергии ионов вдвое больше ~8(Н1р0 МэВ. Однако, во втором случае длина всей системы ускорительного комплекса должна быть больше, чем в первом случае, на -50%. При этом значение тока на выходе каждого из ц|Гклотронов может составлять до ] мА при непрерывном режиме, тогда как во втором случае-до 100 мА в импульсе при скважности ~10'\ Число пучков может быть выбрано исхода из геометрических и энергетических соображений в диапазоне от 15 до 30. Общий КПД в первом случае в несколько раз выше, а его реализация предпочтительна при использовании,пучка на меиыиих расстояниях, поскольку в этом случае меньше энергия, меньше влияние фоновых частиц при регистрации отраженного сигнала и большая угловая расходимость. При общности остальных элементов выбор того или иного типа ускоряющей системы может быть сделан поел? анализа условий конкретного эксперимента.

Основными исходными данными для разработки выходных устройств, обеспечивающих уменьшение разброса частиц по скоростям и именуемых, как правило, монохроматором и телескопом, могут быть следующие;

I. Поперечные и продольные габариты выходного устройства ограничены габаритами полезной нагрузки, устанавливаемой на ракетоноситель или БУТС.

2 Масса н энергопотребление выходного устройства должны быть минимальными.

3. Оптимальные интегральные параметры выходного устройства (монохроматичность и угловой разброс пучка) определяются конкретной задачей.

4. Поскольку поперечное и продольное движения связаны друг с другом, проектирование элементов выходного устройства должно быть самосогласованным.

Основными элементами выходных устройств являются дебанчер и резонатор монохрома-тора - система уменьшения энергетического разброса; окуляр и объектив телескопа - система преобразования фазового объема пучка (ПФО); сканатор.

Проведенная оценка основных зависимостей интегральных параметров пучка от параметров.выходного устройства для типичных значений следующих переменных: относительной скорости частицы (3=0,34; эмпттаиса пучка Еп^Ю"6 м-рад; длины телескопа ¿=10 м; разброса частиц пучка по импульсам на выходе монохроматора а,.=5-10"*', показала, что теоретически минимальный угол расходимости пучка равен 3,1-10*5 рад при оптимальном радиусе пучка на выходе

ч 9

/?=14,6 см. В отсутствие монохроматора (при 10"') предельный угол расходимости составит

8,7-10'5 рад при оптимальном радиусе пучка Н-5,2см Без телескопического Г1ФО пучка угод рас' ходимости равен 1,5-10"' рад Возможности практической реализации оцененных фазовых параметров выходного пучка рассмотрены ип;ке.

В результате проведенного аналитического.оценочного расчета оптического тракта ионного пучка для генератора заряженных частиц га СУК были определена его структурная схема, на основе участков линейного ускорения состоящая из следующих элементов:..!)'высоковольтный инжектор (ВИ), 2) НЧУ с пространственно-однородной квадруполыюй фокусировкой ПОКФ, 3) основная часть ускорителя (ОЧУ). Данный вариант реализации ускорителя является оптимальным для минимизации продольных габаритов установки в целом при сохранении тока ускоренных частиц. Применение ПОКФ в НЧУ позволяет иметь низкую энергию на выходе ВИ (менее 100 кзВ) при большом значении импульсного.тока пучка (более 150 мА) и высоком коэффициенте захвата частиц в режим ускорения (до 90%). НЧУ с ПОКФ преобразует непрерывный пучок ВИ в сгруппированный, состоящий из последовательности ускоренных сгустков.

В НЧУ с ПОКФ можно выделить четыре основных участка: поперечный согласователь в виде входного раструба, на длине которого происходит уменьшение среднего расстояния от электрода до ос« Лц с АО до 10 мм; продольный формирователь сгустков, с небольшим изменением равновесной фазы ф5 с 50° до 85"; адиабатический группирователь, в котором синхронная фаза плавно изменяется от 85° до 35°; регулярный ускоритель, в котором поддерживается постоянное значение ^5=35°.

На первом участке осуществляется четырехмерное согласование непрерывного моноэнер-гетичного входного пучка с изменяющимся во времени поперечным акссптансом структуры с ГЮКФ за счет постепенного возрастания жесткости фокусировки от очень малого значения до максимального значения, которое остается приблизительно постоянным на последующих участках НЧУ. Далее с продольном формирователе сгустков непрерывный пучок распадается па сгустки, которые следуют на малом расстоянии один от другого. Последующая группировка частиц осуществляется в адиабатическом грушшрователе, работающем в режиме ускорения квазпета-цлттрных сгустков (сохраняется плотность пространственного,заряда).

. В регулярном ускорителе в результате последовательного прохождения четырех участков при энергии ннжекшш кэВ и длине волны ВЧ-поля Х=2 м протоны ускоряются до энер-

гии JF-1 МзВ на длине //=2,3 м, причем амплитудная разность потенциалов между смежными электродами равна (/---135 кВ, а максимальная напряженность поля на поверхности электродов составляет Esirax~250 кВ/см.

Проведенный анализ движения частиц в НЧУ с ПОКФ позволил определить основные параметры i 1ЧУ 41 установить требования к эмпттансу пучка ВИ на входе ИЧУ (сходящийся непрерывный пучок с энергией 89 ± 9 кэВ, радиусом 9 мм и нормализованным эмиттансом 1'п<0,8 см-мрад) и аксептансу ^'скоряюще-фокусирующего канала ОЧУ на выходе НЧУ (последовательность сгустков, следующих друг за другом с частотой 148,5 МГц, с фазовой протяженностью 90° н энергией 1,0 + 0,1 МэВ при радиусе пучка 9 мм, расходящегося в плоскости Х02 и сходящегося в плоскости VOZ, причем нормализованный омитганс составляет lrn~2,S см-мрад).

Полученные значения параметров НЧУ удовлетворительно согласовывались с результатами аналитического оценочного расчета рассматриваемого варианта ускорительного комплекса и использовались в качестве начальных данных при проектировании оптических трактов ВИ и ОЧУ.

В результате выбора системы нейтрализации пучка отрицательных ионов водорода предпочтение было отдано плазменным нейтрализаторам, в которых могут быть получены более высокие коэффициенты нейтрализации С При стопроцентной ионизации я плазме величина Стах достигает 85% при оптимальной толщине мишени Ю^-НО^см'" (в зависимости от степени ионизации и компонентного состава). Однако, плазменные нейтрализаторы требуют существенных гшсргегнческнх затрат для поддержания необходимой степени концентрации плазмы (порядка нескольких десятков кВт).

Наиболее перспективным для использования в составе ускорительного комплекса космического базирования с высокой эффективностью преобразования мощности питания в мощность пучка представляется применение инжектора с ленточным пучком, как наиболее сильноточного. Для введения в ускоряющую структуру ленточный пучок может быть пропущен через магнитное по.че, перпендикулярное плоскости эмиссии пучка. Это вполне оправдано, поскольку удельная плотность эмиссионного тока относительно невысока для всех типов инжекторов отрицательных понос, так что достижение больших значений тока возможно лишь за счет увеличения площади эмиссионного отверстия В то же время в разрядных камерах инжекторов с аксналыю-симметрнчнымн отверстиями эмиссии достаточно больших размеров проявляется существенная неоднородность пучка по ссчснию, в частности, за счет провисания потенциала, различного ча-_ рактера влияния стенок камеры по объему разряда и т.д.

Испытания плазменно-пучкового инжектора отрицательных ионов водорода Н" проводились на экспериментальном стенде электронно-ионного инжектора. Основу стенда составляет электронная пушка с катодом из гексаборида лантана. Подогрев катода осуществляется с помощью вспомогательного катода с косвенным подогревом. Электронный пучок, зажигающий плазменно-пучковый разряд в газоразрядной камере, фокусируется однородным магнитным полем. Общие характеристики стенда следующие энергия электронов - 10-50 кэВ; ток электронов -0+10 Л; энергия ионов - 10+50 кэВ, пределы изменения индукции магнитного поля в области газоразрядной камеры - 0,3-5-1,6 кГс; длительность импульса - 100 мке; частота повторения импульсов - 1+2 Гц. Таким образом, при изменении мощности электронного пучка в диапазоне 1 + 10 кВт ток ленточного пучка отрицательных ионов водорода И" изменялся, соответственно, ог 0,8 до 2,0 мА.

При извлечении ленточного пучка ионов 1Г в поперечном магнитном поле примесных частиц в яем обнаружено не было. Вдоль шттчого поля отрицательные ноны водорода извлекались вместе с электронами. Величина тока аксиально-симметричного пучка попов 1Г не превышала 5 мкА на все.х режимах работы инжектора. Величина сопутствующего ему тока элдаронов достигала 5 А. " . .

Система поворота ¡¡учка, обеспечивающее компактность установки, предназначена для поворота пучка протонов с энергией 50+150 МэВ на 180". Для достижения одинакового положения пучка на выходе системы для любого значения энергии в указанном диапазоне необходимо использовать поворотную систему, свободную от хроматической дисперсии. Таким свойством обладает симметричная система типа "магнитного зеркала", состоящая из пары диполей с дрейфовым промежутком между ними. В этом случае дисперсия, возникающая в первом диполе, компенсируется вторым диполем. Для магнитного зеркала протонного пучка целесообразно использовать два секторных магнита, обеспечивающих поворот на 90°.

Раднус полюсных наконечников поворотных магнитов определяется величиной индукции магнитного поля В и максимальной энергией протонов 1У,,ых, а протяженность дрейфового промежутка при фиксированном значении В.определяется только Э1)сргиен протонов.

Наибольшее дефокусирующее воздействие испытывает швкоэпергетпчный пучок с энергией 50 МэВ для рассматриваемого диапазона 50+150 МэВ. Для успешного осуществления транспортировки пучка на входе в магнитное зеркало необходимо сформировать сходящийся пучок, определенным образом ориентированный в вертикальной плоскости. При апертуре поворотных магнитов 1 см и при энергии протонов 50 МэВ можно обеспечить транспортировку пучка'с эмиттансом 0,1-л сы мрад (здесь имеется в виду абсолютный эмиттанс)

И)

Для формирования требуемого фазоцого портрета и нужного радиуса пучка, поступающего как с выхода ускорителя, так и выхода поворотов системы, следует использовать киадруполь-ные линзы. Кстестиенно желание ограничился минимальным количеством квадруиольныч линз на входе :> выходе магнитного зеркала, поэтому лик формирования пучка в вертикалы Го и и горизонтальной плоскос тях достаточно использовать две киадрупольные линзы

В результате численных расчетов были определены параметры фокусирующей системы для энергии 50 и 150 МэВ. Для последовательности дрейфовых промежутков с длинами У см, 8,3 см, 5 см, 12,4 см, 5 см соответственно, и длины магнитных линз 20 см значение градиента индукции магнитного поля составило кГс/см, а максимальное значение индукции магнитного поля у полюсного наконечника составило ~Ю кГс. Обеспечить величину кГс/см при радиусе апертуры см не представляет серьезной технической проблемы, в то время как'эквивалентный э+ому значению градиент электрического поля -¡;с соответствует разности потенциалов между смежными электроламп (J-'Ю кВ. Обеспечить, такую величину потенциала в электростатической кваарупольной линзе технически сложно из-за опасности электрического пробоя Однако, электростатическая кпадруполыыя линза позволяет достаточно просто nit сравнению с магнитной кмадрупольной линзой регулировать возбуждение линзы к течение ВЧ-нмпульсов. Регулировка осуществляется за.счет изменения иотщпала электродов. В связи с этим предполагается использовать в тракте формирующей системы комбинированные магпитно-элекгросгатнческнС квадрупдльНои лшпы с посгояниымградпентом индукции магнитного поля £м н регулируемым градиентом электрического ноля ge.

Радиус апертуры квадрупольных линз, как показали расчеты динамики, можно взять равным 8мм. Таким образом, для абсолютного значения вкссптанса пучка 0,!-ж см иряя полно использовать в формирующей системе радиус апертуры кьадрупольпмх линз 6 мм и ограничиться значением высоты апертуры поворотного магнита -1 см. .

Для пучка протонов с энергией 1К=150 МэВ значение эмитганса пучка можно уменьшить пропорцпопально (!у (у - средняя энергия пучка) по сравнению с II-50 МэВ. Отметим также, что при снижении величины эмнттанса пучка молено уменьшить радиус апертуры квадрупольных линз н высоту апертуры поворотного магнита.

Монохроматизацня пучка ускоренных частиц но продольным скоростям происходит в результате разгруппнровкн и последующей группировки пучка в системе, состоящей нз фазируемых резонаторов и участков дрейфа В линейных ускорителях ионов наиболее широкое применение нашел клистронныи или резонансный группнровагель. Наиболее перспективным представляется способ монохроматизацин ускоренного пучка, заключающийся в вол но под и он груи-

пнровкс с переменной фазой. Характерная особенность такого дебанчера заключается и том, что обращенный волноподный групинроиатель состоит из двух секции, в первой из которых продольное движение косит неустойчивым характер за счет соответствующего выбора синхронной фазы, что способствует более быстрому дсбанчиромнию, а во второй происходи! компенсация разброса импульсов частиц. Основным преимуществом данного дебанчера янляетсн принципиальная возможность обеспечения поперечной устойчивости пучка без дополнительной внешней фокусирующей системы..

В общем случае задача о движении ионов в электромагнитных полях элект рофизических установок, в нашем случае - дебанчера, не решается строго аналитически, поэтому при решении этой проблемы применяют методы численного моделирования, которые сводятся к совместному решению кинетического уравнения Власова и уравнений Максвелла.

Конструкция разрабатываемого устройства состоит из /Уц одиночных ре шнаторов, представляющих дебанчер; пространства дрейфа; Лв одиночных резонаторов, выравнимюших разброс частиц пучка по продольным скоростям. Предполагается, что одиночные резонаторы конструктивно идентичны, с длиной волны рабочего вида колебании 70,6 см, максимальной средней напряженностью ВЧ-поля 10 МВ/м и продольной длиной 10см. Задача нахождения конфигурации монохроматора, при которой разброс по импульсам на выходе минимален, является многопараметрической и однокритериалыюй, причем число независимых переменных равно Л-ЗЛ'и+НЗЛ'в , так как оптимизируется напряженность электрического поля, фаза и длина каждого резонатора, длина пространства дрейфа. В качестве критерия оптимизации задавался среднеквадратичный разброс частиц пучка по продольным скоростям Оу, который должен Сыть минимален. •

Результаты расчетов зависимости среднеквадратичного разброса частиц пучка но продольным скоростям от конкретной реализации монохроматора при двух типах фазового распределения исходного пучка показали, что для достижения требуемой величины а,- необходимо использовать выравнивающие резонаторы, возбуждаемые на рабочей и удвоенной частого для обеспечения требуемой линейности ВЧ-поля, Значение степени нелинейности ВЧ-поля при оптимальных амплитудах ВЧ-пояеп и выравнивающих резонаторах, возбул.-дасмых на рабочей, удвоенной и утроенной изменялось от 0,031 до 0,103 соответственно.

При увеличении поперечного размера пучка в соответствии с теоремой Лиушиыя неупорядоченные составляющие поперечных скоростей уменьшаются, что приводит к уменьшению и угла расходимости частиц пучка. Подобное преобразование можно совершить в иоино-оптическ'ой системе, состоящей из короткофокусной линзы - окуляра, участкл дрейфа и фокуси-

рующей длиннофокусной литы - обьсктнЕа.. Короткофокусная линза служит для уменьшения требуемой длины участка дрейфа.

Телескопическое ПФО пучка может осуществляться с помощью соленондальных и кпадрупольиых магнитных линз. При применении солепоидз в качестве объектива требуемая индукция магнитного поля на оси И препышаег 5'Тл, Данная схема оправдана лишь » том случае, когда ускоряющая система имеет криогенное или криорезнепшное охлаждение и когда короткофокусная линза нз основе глубоко охлаждаемого соленоида имеет общую с ускоряющей системой охлаждающую магистраль и органично вписывается в облик 1>У1С. Мощность тепловых потерь в теплых соленоидах составляет несколько сотен кВт. Учитывая, что пз-за высокой индуктивности соленоида ч относительно малой скважности генерации пучка в ускорительном комплексе система должна работать а непрерывном режиме, средняя мощность питания теоретически может превышать предельную мощность, отбираемую от источника питания.

'Более перспективным представляется использование комбинаций квадруиольных линз, образующих аксиально-симметричные или квазисимметричные электронно-оптические системы. Так например, кварты кпадрупольиых линз могут иметь ъчектронйо-оптичсскис свойства, аналогичные аксиально-симметричном линзе. Необходимым условием для л ого является чередование линз второго дублега обратно первому, то есть поля должны быть повернуты в одинаковых линзах на 90°. Квартеты кпадрупольиых линз используются с окуляре и объективе телескопа. Однако, при относительно малйх (до ~20) коэффициентах расширения пучка наиболее рацно-нально использовать в качестве окуляра одиночную кнадрупольную линзу и объектив на основе триплета квадрупольних линз. В этом случае значительно улучшаются массогабарнт'ные параметры системы при близких в обоих случаях уровнях хроматических аберраций.

Проведенный расчет телескопической системы на основе одиночной квадрупольной линзы показал, что существует оптимальное значение выходного радиуса пучка, при котором угол расходимости мпнимал&н п равен

(О

Величина а в последнем выражении для наиболее характерных значений параметров пучка на выходе ускорительного тракта и характеристик выходного устройства сп=Ю*й мрад; /,=4 м;. /•>-">0 МэВ; оч.---5-10-3 равна 1,7-Ш"4 рад. А поскольку влиянием хроматических аберраций окуляра можно пренебречь, то увеличение расходимости пучка определяется хроматическими аберрациями объектива. Поскольку требуемые градиенты электрического пли магнитного полей в объективе малы и составляют 0,7:1,0 м"', это дает возможность при определенных условиях

сконструировать практически ахроматичный телескоп с использованием лхромапцшыч лннз только в объективе, где требуемые напряженности электромагнитных полей о гноситсльио малы: В результате нроведеиных.исследоваиий системы формирования на оспозе анектростатиче-ских квадруполышх линз было установлено, что затруднительно досгиженуть.условий, при которых значения потенциала на электродах лиш приближаются к технически реализуемым.'Из простого соотношения ф ~ ¿W / cfl. при подстановке характерных значений частоты1+2 м, длины телескопа м, радиуса пучка i-O.I м и энергии частиц )f~3Q МэВ следует, что ноген-цналы на электродах <,> должны находиться в диапазоне 200+300 кВ, а разность потенциалов в диапазоне 400+600 к В, Даже опуская проблемы электрической прочности, отметим, что для генерации таких напряжений потребуется размещение на КУК дополнительной системы питания с габаритами до нескольких кубических метров. Аналогичные проблемы могут возникнуть и при использовании ахроматичных' комбинированных электрических и магнитных, линз, поскольку требуемые потенциалы на электродах в ахроматичной линзе те же, что и в электростатической.

'Система магнитного сканирования на большие углы представляет собой две дипольные катушки, разворачивающие пучок во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для уменьшения габаритов одна из катушек вставлена в другую .Совмещенные таким образом диполи состоят из четырех седлообразных катушек, расположенных одна над другой и развернутых друг относительно друга на одном жестком сборочном каркасе. Каркас выполняется нз материала, lie обладающего свойством экранировать импульсные магнитные поля. Седлообразная форма катушек используется для облегчения горловины корпуса. Края катушек отгибаются нару-жу для уменьшения полей рассеяния за пределами отклоняющей системы, '

Идеально однородное'магнитное поле получается при форме обмотки, образованной npi пересечен«!! двух цилиндров одинакового сечения радиуса Я, по каждому из'которых течет rot одинаковой величины, но противоположного знака. Мощность энергопотребления /' в этом слу час и в первом приближении масса намоточного провода Wопределяются как:

Р~ 2fi\fJi'[(A-(Д/Л)3 + arcsinfA/К)]; (2

М = 2рЛЯ:[(А ' Юл/' - (А / Rf + arcsin(A / «)], . (3

где чир- удельное сопротивление и физическая плотность намоточного провода, j - плотность тока в проводнике, Д - расстояние между центрами цилиндров. "Оценки параметров системы сканирования пучка с энергией IV-30 МэВ на максимальны угол 10° дают следующие результаты: ¿=1 м; A=1,S см; = Л/см2 (£,-коэффициен

заполнения обмотки); 3=1,3 кГс; Л7™ 1,73-105 А-внтков;Л/ =201 кг, Я=4,4кВт.

Оптимальное сечение намоточного провода определяется имеющимися на БУК источниками электропитания н требуемым быстродействием сканагора, обеспечение заданных режимов работы которого осуществляется блоком управления. Блок управления состоит из двух управляющих модулей, учла параллельного управления, узло» контроля н вторичного электропитания, каскадов связи дефлектора с другими системами комплекса. Требуемое быстродействие наиболее эффективно реализуется при питании обмотки напряжением специальной формы. Конкретная аппаратная рсалжицня системы питания сканатора зависит от его вольтамперных и динамических характеристик. Следует отмстить также, что при прецизионном сканировании нестабильность и неоднородность магинпюго поля не должна превышать величину разброса частиц пучка по импульсам, то есть-должна быть па уровне - Ю'\ Создание поля такой однородности п большом объеме является дост атотно трудной задачей.

С ногицни электронной ошлкн наиболее нод\од«шей*сисгсмоп отклонения электростатического типа является конструкция типа "беличье колесо", поскольку данная конструкция обладает наименьшими аберрациями, вносимыми в пучок при отклонении. Пыли рассчитаны сисю-мы с различным количеством электродов: <1, 8, 12 и IГ>. Поперечный диаметр систем выбирался равным 20 см, диаметр электродов - 1 см, длина - 1,5 м. Характеристики пучка на входе дефлектора выбирались следующие: разброс частиц по умам - 3- К/"1, средняя энергия пучкд на входе -30 Мэ0, разброс частиц по энергиям - 100 кэВ, диаметр входного пучка - 5 см и 10 см для сравнения аберраций. • i»

Проведенные расчеты показали, что схема дефлектора типа "беличье колесо" с косинусои-дальным распределением потенциала па электродах позволяет осуществи>ь отклонение на заданный угол при заданных технических ограничениях. Увеличение количества электродов при этом не приводит к существенному уменьшению аберраций, а снижение хроматического разброса обесиечнбаст уменьшение аберраций, в том числе п виеосевых.

Необходимо отметить, что представленные выше результаты исследований, связанные с поиском оптимальной электронно-оптической конструкции телескопа, показали принципиальную возможность построения конструкции, отвечающей техническим требованиям. Она должна содержать либо дна к'иадрупольиых триплета, либо дна квадрупольных дублета и для окончательного выбора конструкции телескопа требуется провести дополнительные исследования. -Возможно,.что для уменьшения внеосевых п хроматических аберраций в системе потребуется использовать не кпадрупольние лшпы, а октуполи. Кроме того, аберрации телескопа и дефлектора могут формироваться в пучке по разному, и возможно, что формирование конструкции телескопа и дефлектора, « частности, выбор расстояния между ними, позволит уменьшить суммар-. ные аберрации. . .

Рассмотрим теперь «опросы технической реализации режима пнугрнимпульснои модуляции энергии попов, обеспечивающей пространственно-временную модуляцию пучка нейтральных атомоо. • ■ -

Уравнение, описывающее изменение средней энергии спектра ускоряемых частиц с течением премсни / внутри импульса тока п;,чка/б(.'«. /„) , имеет следующий вид:

1 {[у^&Л-^фЛУЯ-У ('1)

Видно, что изменение.-/* может быть получено изменением амплитуды напряженности электрической компоненты ускоряющего поля и (или) изменением фазы влсга частиц в каждый резонатор. Изменение амплитуды -поля связано с изменением .мощности -ни выходе СИЧ-Генераторов системы питания БУК, что приведет к уменьшению КПД ускорителя. 13 связи с этим предпочтительным является обеспечение изменения фазы частиц. ,

Суммарный заряд и сечении /. на мишени оиредсляегся суммой отдельных сгустков тока и в случае точного себлюдсния закона (4), а также с учетом нестабильноегн амплитуды и фазы записывается как: •

-1 /

(5)

I а-^Ъткср^

«

Здссь.у = [1-(1-!/(7;)2Хг2//^)Г1'2; У Л^Е^. «V

"мгновенные" изменения относительной амплитуды и ([¡азы ускоряющего поля соответственно, а - дисперсия распределения, [(!)- импульсный ток пучка.

Для7'иах=1,107, начальной зиерпш.у* >=1,043, начальной фазе <рР(гб6,45'>, шнриис энергетического спектра ДIV / IV (/=/«) = 0,22 %, фазовой протяженности снетка Фи -0,015рад, /.=500 км, /„-/о =2 мс, г/(/,)=8380-/о , радиуса пятна на мишени, равного 500 м, и тока пучка /о—I Л. будем иметь плотность потока прогонов/'(¿)-6,67-|012 частиц/см2-с. При этом расходимость пучка

.3 4

оценивается величиной 10 рад, в то время, как при расходимости 10 рад плотное! ь потока час-

15 2 '

тиц составит 10 частиц/см-с.

При определении требовании к параметрам пучка дли получения значительных иотомш тастпц на Miniieini при ее удалении более чем на 500 км от ускорителя предполагалось, что ускоритель имеет максимальную'»нергню ускоренных частиц'100 NbB при.токе пучка I Л. Углогая расходимость пучка состанит -10""' радиан. Конструкция ускорителя нозко.чяег изменят ь энергию ¡аряженных частиц внутри импульса. Распределение частиц по энергии определяется функцией "эусса. .

Как показывает расчет, ширина энергетического спектра пучка- на потунысоте Л1К/1(' уменьшается с увеличением фокусного расстояния !■'. Так например, для значений фокусного расстояния ог 1000 до 3000 км .необходимо иметь ускоритель с ншрлнон '«юргстичеекого сиек-

грл порядка 0. N0,5 %. .

Особо следует рассмотреть' допрос о пространственном расположении мишени относп-гелыю точки фокуса пучка Если нспользоиать пучок частиц с узким энергошчеекнм спектром, го в фокусе реализуется импульс тока значительной амплитуды,,однако величина тока пучка па "рапнцпх интерната времени о/ существенно снижается, где о/ - длительное!!. импульса тока на иишенн. .

Нестабильность jiieprmt пучка сопровождается увеличением значения плотлоеы импульсного тока на мишени в границах интервала б/. Эю происходит и рс!ул<.тлк* распределения сгустков частиц н нроср ранет ие.от ноентельно фокуса. Другим возможным способом решения данной троблем.и является перенос фокуса за мишень. !) уюм случае сгустки пучка будут распределены р пространстве на некотором расстоянии. В результате амплшудчое.шачгние импульса тока на и|(|пенн уменыишея Ti 1,5 :-2,0 раза, однако значение./ и границах интервала Й/ увеличится на 2(HÎ0%. Смещение фокуса относительно мпшетш следует считать «приданным при эффектив-юсти использования частиц пучка А'ч>50%, а коррекцию положения фокуса » пространстве от-юсительно положения мишени для />100 км следует осуществлять при ширине энсргегнчсско-"О спектра пучка ускорителя не более 0,2+0,3 %.

Как показали проведенные расчеты, при положении мишени на расстоянии -1000 км мо;к-ю достичь значения плотности тока 0,25 :0,35 мкЛ/см2, что соответствует плотности потока iiicinu.~(l-î-2)-1012 частиц/см2-с.

Приведенные результаты необходимы для определения потенциальных возможностей метода пространственно-временной группировки применительно к существующим и просктпруе-иым ускорителям с учетом трансформации параметров пучка в пространстве до удаленной ми-пени. '.',.,'.,

Оптимальное воздействие на мншепь достигается формированием импульса тока прямоугольной формы длительностью й(. Такой импульс может быть сформирован в виде последовательности сгустков пучка ускорителя при фокусировке их за плоскостью мишени. (3 реальны? условиях создание пучка с энергетическим.спектром менее 0,01% представляется весьма сложной технической задачей. Положим, что технически осуществимо создание ускорителя с энергетическим спектром пучка 0,05-^1,00 %. В этом случае выбранное Гауссово распределение частш пучка по энергиям позволяет использовать не более 70% частиц пучка. Оптимизация параметре) ускорителя проводилась с целью получения максимального значения плотности потока частш 7(5/) на границах временного интервала 5/ импульса тока на мишени.

Как показали расчеты, необходимая ширина.энергетнческого спектра АН1'/!!' зависит от ве личин ИЫ и IV и для энергии пучка ускорителя 1^=40 МэВ, расстояния до мишени /.--2000км I длительности импульса тока на мишени 5/-2 икс будем имегь АИ'/1Р(6/)=0,02%.

Минимальное значение тока пучка ускорителя/о,„ш, для заданного значения плотности по тока частиц /и длительности импульса тока пучка 5/ определим, положив , следующш

образом:

1 У(1'х0 + г)731

0,69 Кч(1и-10) • . (7

Если у= 1 мкА/смг, длительность импульса тока (/„-/о)=2000 мке н расходимость 010"1 то необходимый ток пучка ускорителя составит /отга=2,б Л.

Для создания требуемой согласно выражению (4) модуляции энергии ускоряемою нучк целесообразно использовать изменение амплитуды ускоряющего ноля н/илн фазы частиц в ускс ряющем поле. Выбор конкретного способа изменения энергии можно осуществить, иеиольчу расчет продольной и поперечной динамики частиц в ускорителе, поскольку, кроме еоблюдс ння закона изменения энергии (4), необходимо наличие устойчивости продольного движч ния и радиальной фокусировки пучка. Наиболее общим случаем является, соответственно, одш временное изменение амплитуды и фазы ускоряющей волны. Этого можно добиться введение амплитудно-фазовой модуляции поступающей в резонатор волны.

Аналитическое выражение для определения напряжения на зазоре резонатора, возбужда< мого генератором и сгруппированным, пучком в произвольный момент времени, можно пол; чить, используя эквивалентную схему резонатора.

Изучение переходных процессов, происходящих в резонаторе, показало, что, если измсн< ние мощности не превышают 1+2 %, т.е. усилитель мощности работает в режиме максимально! КПД, то при нагруженное добротности резонатора ~1000 и собственной частоте 300 МГц поел

янная переходного процесса равна Г Е I икс. Следовательно, практически не изменяя режима усилителя мощности, возможно изменение скорости нарастания фазы до ]0° в одну мнкросекуп-ду.

Приведенные выше результаты показали, чго использование в качестве системы формирования одной квадрулольнон линзы (триплета) не позволяет, к сожалению, получить приемлемые размеры конструкции системы фокусировки. Для получения нужного фокусного расстояния системы формирования следует воспользоваться двумя линзами. При этом конструкцию длиннофокусной линзы следует выбрать в виде линзового дублега, состоящего из первой дефокусирующей и второй фокусирующей линз. .В нашем случае каждая из этих линз является трип летом. Подобная конструкция обеспечивает малые габариты с истемы.

Для поиска конструкции кпадруиолыюго секстета, состоящего из двух триплетов и обеспечивающих фокусировку пучка при минимальных размерах" системы, используется приближение тонких линз для нрносевых пучков. Получаемая в результате такого приближения конструкция оптимизируется по потенциалам квадрупольныч линз Прямым траекторным расчетом секстета не только для прпосевых частик. При этом учитываются форма электродов гвадрупольных линз, краевые ноля-и энергетический разброс входного пучка, который приводит к аберрациям, ухудшающим характ еристики пучка на выходе.

Проведенный расчет конструкций секстетов для различных значений радиуса пучка г, максимального наклона траекторий пучка к оси системы im ее входе а н выходе А для двух таких ■i * конструкций, представляющих собой состоящие из электродов круглого сечения квадрупольных

линз со следующими параметрами: 7 В, o=I0'J, А-КУ4, г=МО"' и 2I0"J, показал, что

их габариты оказались меньше габаритов триплетов, предназначенных для фокусировки таких же пучков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые в полном объеме проанализирована и концептуально проработана структурная схема ускорителя ионов космического базирования, обеспечивающего усиленный, до двух порядков по сравнению с исходным, сигнал на удаленной на сотни километров мишени за счет пространственно-временной модуляции пучка в ускорителе с изменяемой энергией.

2. На основе анализа динамики частиц от инжектора до удаленной мншепн определена совокупность требований к каждой из систем ускорительного комплекса космического базирования с изменяемой энергией. Оценены возможности использования в комплексе систем известного типа к даны рекомендации но проектированию новых систем.

3. Определен технический облик системы попорота модулированного по энергии пучка, содержащей "машнтные зеркала'" и комбинированные магнитно-электростатические линзы, в

• которых изменяемыми в течение импульса величинами являются электрические ноля.

4. Определен технический облик и дано расчетное обоснование устройства наведения пучка на мишень, содержащего систему отклонения ионного пучка на большие углы на основе магнитного дефлектора и систему отклонения на малые углы на основе электростатического дефлектора типа "беличье колесо", обеспечивающую необходимое одновременное изменение параметров при внутриимпульсноц модуляции энергии пучка. -

5. Разработаны физическая модель и алгоритм расчета ускоряющей структуры на основе однозазорных фазируемых резонаторов в режиме внутрнимпульсной модуляции энергии с высоким электронным КПД то естьпрн значительной нагрузке током пучка.

Основные результаты, полученные е диссертации, опубликованы в работах:

1. Богданович Б.Ю., Лень H.A., Нестерович A.B. Перспективы и возможности зондирования земной атмосферы и поверхности Луны с помощью ускоршелей попов с модуляцией энергии космического базирования. М.:,Препринт/МИФИ, 014-95, 1995.

2. Богданович Б.Ю., Игнатьев А.П., Лень H.A., Нестеров!« A.B. Формирование модулированного пучка в ускорителе ионов для экологического мониторинга Земли и зондировання лунной поверхности. M.: Препринт/МИФИ, 07-96, 1996.

3. Абраменко Н И., Богданович Б.Ю., Лень H.A., Нестерович A.B. Инициация ВЧ-разряда низкого давления ионизирующими излучениями в ускоряющих структурах метрового диапазона длин волн И Сборник докладов 14-го совещания по ускорителям заряженных частиц Протвино, ИФВЭ, 1994. Т.1, с. 167-172.

4. Абраменко НИ., Богданович Б.10., Каретников М.Д, Лень H.A., Нестерович A.B., Тшбаев М.А. Реализация принципа магнитной изоляции в ускоряющих структурах на основе однозазорных резонаторов (Теория и эксперимент). И Сборник докладов 14-го совещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино, ИФВЭ, 1994. Т.1, с.173-178.

5. В. Bogdanovitch, N. Len, A. Nesterovilch "A Space Accelerator Station for Planets Substance Analysis". Ггос. EPAC-93, Stocholm, June 22-26, 199«, pp. 797-799.

6. B. Bogdanovitch, V. Kalyushnuy, N. Len, A. Nesterovitch, V. Ostanin "Space-time Compression of Atom Beam in the Distance Analysis of Planets Surfaces" Ргос. EPAC-98, Stocholm, June 22-26, 1998, pp. 815-817.

7. Аристов Л.И., Владимиров А.И., Лень H.A., Новиков Л.С., Романовский Ю.А. "Эксперименты в околоземном космическом пространстве с использованием пучков заряженных и нейтральных частиц". "Инженерная экология", №3, 1999г., с. 22-26.

Подписано в печать &.11 9lJ Формат 60x84 1/16 Печ.л. 1,25 Уч.-изд.л. 1,25 Тираж Î00 экз.

Московский государственный инженерно-физический институт (Технический университет) Типография МИФИ. 1155409, Москва, Каширское шоссе, 31.