Генератор синхронного излучения с магнитным полем 10 ТЛ для источника медленных позитронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

0 Введение

1 Для чего нужны медленные позитроны

1.1 Введение

1.2 Дефектоскопия

1.3 Позитроний

1.4 Позитронная микроскопия

1.5 Сравнение методики медленных позитронов с другими способами анализа дефектов

2 Обзор современных источников медленных позитронов

2.1 Активированные радиоизотопы.

2.2 Линейные ускорители.

2.3 Тепловые нейтроны

2.4 Сильнополевой шифтер как ключевой элемент источника медленных позитронов

3 Расчет магнитной системы высокополевого шифтера

3.1 Сверхпроводящие материалы

3.2 Нахождение оптимальной конструкции обмотки

3.2.1 Геометрия сердечника катушки центрального полюса

3.2.2 Разбиение катушки на секции

3.3 Подбор ярма

3.4 Шиммирование

4 Общее устройство шифтера. Основные элементы конструкции.

4.1 Магнитная система

4.2 Питание шифтера

4.3 Защита от срыва сверхпроводимости

4.4 Криостат

5 Испытания и магнитные измерения

5.1 Испытания в погружном криостате

5.2 Срыв сверхпроводимости

5.3 Анализ срывов

5.4 Тренировка. Достижение максимума поля

5.5 Нахождение соотношения токов для нулевого интеграла проволочкой с током

5.6 Измерение проволочкой интеграла фокусировки

5.7 Измерение кареткой с пятью датчиками Холла

5.8 Измерения профиля максимума поля одним датчиком

6 Синхротронное излучение из 10 Тл сверхпроводящего шифтера 102 6.1 Основные свойства излучения из 10 Тл шифтера.

В настоящее время применяется много различных методов изучения твердого тела, поверхности вещества. Четверть века тому назад эти исследования расширились еще одним инструментом - медленными позитронами, вернее, применением свойств взаимодействия позитронов с веществом. Для этого позитроны замедляются до тепловых скоростей и фокусируются на образец вещества. Из полученных энергетических и временных характеристик реакции взаимодействия позитронов с веществом можно судить о структуре или состоянии как поверхности, так и более глубоких слоев кристаллической решетки материала образца. Одной из проблем применения этого метода является получение интенсивного моноэнергетического пучка позитронов, наиболее часто требуемого в используемых методах исследований. Существует много традиционных способов получения позитронов, главным общим недостатком которых является наведенная радиоактивность вещества, используемого как источник позитронов. В работах [1],[2],[3],[4],[5] было предложено использование синхротронного излучения для генерации позитронов, что при большой интенсивности позитронного пучка значительно уменьшает опасность радиоактивности. Целью этой работы является описание 10 Тл сверхпроводящего шифтера, созданного в Институте Ядерной Физики им.Будкера СО РАН, который при постановке на накопитель электронов 8Рппд-8 (Япония) будет являться ключевым элементом в международном проекте источника медленных позитронов. В первой главе дается краткое описание истории развития метода медленных позитронв в исследованиях вещества, а также сделан обзор различных областей применения и различных методов применения позитронов в исследованиях в настоящее время.

Во второй главе говорится о различных существующих источниках медленных позитронов на базе радиоизотопов, ядерных реакторов и линейных ускорителей. Дается краткое описание предлагаемого метода на основе синхротронного излучения из высокополевого шифтера при установке последнего на электронный накопитель.

В третей главе подробно описывается проведенный расчет создания магнитной системы шифтера. Приводится анализ используемых сверхпроводящих материалов. Изложены разработанный алгоритм нахождения оптимальной конструкции обмотки основного, центрального, полюса и подбор магнитопровода шифтера. Описывается решение для получения однородности магнитного поля в области прохождения электронного пучка накопителя. Полученная формула нахождения геометрии шиммирующих пласти может быть использована для создания высокополевых шифтеров, вигглеров, или дипольных магнитов в технике ускорителей.

В четвертой главе рассказывается об основных элементах конструкции, о устройстве шифтера как совокупности магнитной системы, криогенной системы, системы питания и стабилизации поля. Приводятся краткие описания этих систем и системы защиты от срыва сверхпроводимости. В пятой главе приводятся описания испытаний и магнитных измерений шифтера. Подробно описываются процесс срыва сверхпроводимости и его влияние на токонесущие части магнитной системы. Приводятся история срывов сверхпроводимости во время испытаний шифтера, эффект тренировки и достижения рекордной величины магнитного поля 10.3 Тл. Описываются методы проведенных измерений карты магнитного поля шифтера, нахождения соотношений токов питания шифтера для получения нулевого интеграла магнитного поля при разных уровнях поля шифтера методом натянутой проволоки с током, а также измерение фокусирующих свойств шифтера этим же методом. Приводятся результаты измерений профиля магнитного поля (или однородности) в месте максимума поля. В шестой главе на основе проведенных измерении поля приводятся оценки мощности и спектрального потока фотонов синхротронного излучения из шифтера, оценки выхода позитронов при этом излучении. В приложении приводится вывод формулы для получения однородности магнитного поля при использовании шиммирующих пластин в высокополевых шифтерах.

И, наконец, в заключении перечислены основные результаты работы.

Основные результаты работы докладывались на конференциях SRI-97, СИ-98, СИ-2000, SRI-2000.

Пользуясь возможностью, автор выражает благодарность Мезенцеву H.A. за руководство работой, за беседы, полезные советы и опыт, необходимые при создании такого уникального устройства; Шкарубе В.А. за участие и помощь в этой большой работе при создании шифтера, при проведении испытаний и измерений, за многочисленные дискуссии в поиске подходящего и удобного решения; Хлестову В.Б. за своевременную помощь в работе, за тот заряд бодрости и энергии, который был так нужен в трудные моменты; Демину С.П., Бобылеву Б.В., Дизендорфу Э.А.,

Поздееву А.И., Гургуце И.Б., Тойкичеву Ю. А. за огромный труд и изобретательность проявленные в изготовлении шифтера; Кузину М.В., Мамкину В.Р. за создание программ управления шифтером и контролем при измерениях; Журбе В.К., Ли O.A. за проявленное искусство в разработках и конструировании. Боровикову В.М., Коршунову Д.А., Батракову A.M., Карпову Г.В. за изготовление систем питания и управления шифтером, за большой опыт и знания, так необходимые в нужную минуту; большая благодарность Бехтеневу Е.А. за разработку системы измерений методом натянутой проволочки с током, за программное обеспечение необходимое в этих измерениях; Переведенцеву Е.А., Воблому П.Д. за дискуссии и предоставленные материалы предыдущего опыта создания сверхпроводящих устройств; Дубровину А.Н., коллективу НГТУ - Шуриной Э.П., Соловейчику Ю.Г., Рояку М.Э. за предоставленные программы моделирования магнитных устройств, так необходимые в расчетах сверхпроводящего шифтера; Панченко В.Е., Киселеву A.B., Плохому В.В. за опыт, знания, и дискуссии в обсуждении проекта «Медленные позитроны».

Особую благодарность хочется выразить Кулипанову Г.Н. вдохновителю проекта создания сильнополевого шифтера для генерации медленных позитронов, за опыт, за кругозор и энтузиазм внедрения новых научных разработок в области синхротронного излучения в другие области науки.

7 Заключение

Перечислим основные результаты работы:

• Проведен расчет оптимальной конструкции обмотки, и магнитной системы сверхпроводящего шифтера.

• Проведены расчеты геометрии шиммирующих пластинок для повышения однородности поля.

• Проведены испытания шифтера в результате которых получена получена рекордная величина магнитного поля 10 Тл.

• Проведены измерения профилей магнитного поля шифтера на разных уровнях ПОЛЯ.

1. Г.Н.Кулипанов, А.Н.Скринский Воспоминания о И.Я.Померанчуке,стр.246-266. (1988) «Наука», Москва.

2. G.N.Kulipanov, N.A.Mezentsev and A.N.Skrinsky. Rev. Sei. Instrum. 63 (1992), 289-294.

3. G.N.Kulipanov. Proceedings of the Workshop on Fourth Generation Light Sources. (1992) pp.440-445. Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, USA.

4. В.Н.Беляев, И.С.Ворончев, Г.Н.Кулипанов, А.Н.Михеев, А.Н.Скринский Препринт 026-92 (1992). Московский Инженерно-физический Институт, Москва, Россия.

5. Peter J. Schultz, K.G.Lynn. Interaction of positron beams with surfaces, thin films, and interfaces. Review of Modern Physics, Vol.60, No. 3, July 1988.

6. Richard H. Howell, Thomas E. Cowan, Jay Hartley, Philip Sterne, Ben Brown.

7. Positron beam lifetime spectroscopy of atomic scale defect distributions in bulk and microscopic volumes. Applied Surface Science 116 (1997) 7-12.

8. В.И. Голъданский. Физическая химия позитрона и позитрония. «Наука», Москва. 1968 г.

9. V.N. Belyaev, V. V. Metelitsin. Using of slow positrons in various investigations- state of the art and perspectives. NIM A 448 (2000) 89-93

10. J. Van House, A. Rich. Phys. Rev.Lett. 60 (1988) 169.11./. Van House, A. Rich. Phys. Rev.Lett. 61 (1988) 488.

11. G. Brandes, K.F. Canter, A.P. Mills. Phys. Rev.Lett. 61 (1988) 492.

12. S.Okada H.Sunaga. Design of an intense slow positron beam production system using a lOOkW electron linac for the Positron Factory. NIM B56/57 (1991)604-609.

13. Y.Itoh, Z.L.Peng, K.H.Lee, M.Ishii, A.Goto, N.Nakanishi, M.Kase, Y.Ito Slow positron beam production by irradiation of p+, d+, and He2+ on various targets. Applied Surface Science 116 (1997) 68-72.

14. G. Gr äff R.Ley, A.Osipowicz, G.Werth. Intense Source of Slow Positrons from Pulsed Electron Accelerators. Appl. Phys. A 33, 59-62, 1984

15. G. Triftshauser, G. Kogel, W. Triftshauser, M. Springer, B. Strasser, K. Schreckenbach. A high intense reactor based positron source. Applied Surface Science 116 (1997) 45-48.

16. A.Ando, S.Daté, M.G.Fedurin, M.Hara, H.Kamitsubo, A.V.Kiselev,

17. G.N.Kulipanov, N.Kumagai, N.A.Mezentsev, Y.Miyahara, T.Nakamura,

18. H.Ohkuma, V.A.Shkaruba, A.N.Skrinsky, K.Soutome, M.Takao, H.Tanaka. Proposal of a high-field superconducting wiggler for a slow positron source at SPring-8. J. Synchrotron Radiation (1998). 5, 360-362.

19. V.V.Plokhoi, Ya.Z.Kandiev, S.I.Samarin, G.N.Malyshkin, G.V.Baidin,

20. A.Litvinenko, V.P.Nikitin. High-efficiency multi-wire tungsten moderator for slow positron source on SPring-8 hard synchrotron radiation. NIM A448 (2000) 94-101.

21. V.V.Plokhoi, Ya.Z.Kandiev, E.A.Kashaeva, G.N.Malyshkin. Computation of scattered radiation yield from target-moderator system for slow positron source on SPring-8 hard synchrotron radiation. NIM A 448 (2000) 102-105.

22. A.V.Kiselev. Preliminary results of simulating interaction of 0.01-3.0 MeV positrons with tungsten targets. NIM A 448 (2000) 109-111.

23. James B. Murphy. «Synchrotron Light Source Data Book» NSLS 725C Upton NY 11973-5000, May 1996.

24. С.Фоннер, Б.Шварц. Металловедение и технология сверхпроводящих материалов. «Металлургия», М., 1987г.

25. Ч.Киттелъ. Введение в физику твердого тела. «Наука», М., 1978г.

26. A.Devred. Review of superconducting storage-ring dipole and quadrupole magnets. CEA, Saclay, France.

27. L.T. Summers, M.W. Guinan, J.R. Miller and P.A. Hahn. A model for the prediction of Nb3Sn critical current as a function of field, temperature, strain and radiation damage. IEEE Trans. Magn., 27(2): 2041-2044, 1991.

28. R. Aymar. Overview of the ITER project. In Т. Haruyama, T. Mitsui and K. Yamafujifeds.J, Proceedings of the 16th International Cryogenic Engineering Conference /International Cryogenic Materials Conference, London: Elsevier, 53-59 (1997).

29. M.M. Филоненко-Бородич, С.М. Изюмов, Б.А.Олисов, И.Н. Кудрявцев, Л.И. Малъгинов. Курс сопротивления материалов. 4.2. Главное издательство технико-теоретической литературы, Москва, 1949

30. В.Б. Зенкевич, В.В. Сычев. Магнитные системы на сверхпроводниках. «Наука», Москва, 1972г.

31. В.В.Анашин, И.Б.Вассерман, А.М.Власов, П.В.Воробьев, П.М.Иванов, П.А.Климин, И.А.Кооп, Е.А. Переведенцев, А.Н.Скринский,

32. Ю.М.Шатунов. Сверхпроводящая «змейка» с полем 75 кГс для электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М. Труды шестого всесоюзного совещания по использованию синхротронного излучения СИ-84, Новосибирск, 1985.

33. М. Rojak, Е. Shurina, Yu. Soloveichik, A. Grudiev, М. Tiunov & P.Vobly. Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, pp. 2291-2293. (1995) Dallas, USA.

34. A. Dubrovin & E. Simonov. Computer code for Magnetic Field Computation.) Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia (1993).

35. M.G.Fedurin, N.A.Mezentsev. Achievement of one-coordinate cross uniformity of magnetic field in central pole of strong field superconducting wiggler. NIM A 448 (2000) 59-61.

36. A.V.Grudiev, V.K.Djurba, G.N.Kulipanov, V.B.Khlestov, N.A.Mezentsev, S.I.Ruvinsky, V.A.Shkaruba, S.V.Sukhanov, P.D.Vobly, Y.M.Koo, D.E.Kim, Y.U.Sohn, Superconducting 7.5 Tesla wiggler for PLS. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A359 (1995) 101-106.

37. Borovikov V.M., Djiirba V.K., Fedurin M.G., Kulipanov G.N., Lee O.A., Mezentsev N.A., Shkaruba V.A., B. Craft, V.Saile. Proposal of superconducting 7 Tesla wiggler for LSU-CAMD. NIM, Vol.A405, No.2,3 (1998), p.208-213.

38. V.M. Borovikov, В.Craft, M.G.Fedurin, V.Jurba, V.Khlestov, G.N.Kulipanov, O.Li, N.A.Mezentsev, V.Saile and V.A.Shkaruba. Superconducting 7T wiggler for LSU CAMD. Journal of Synchrotron Radiation (1998), Vol.5, Part 3, p.440-442

39. M.Fedurin, G.Kulipanov, N.Mezentsev, V.Shkaruba. Superconducting high-field three-pole wigglers at Budker INP. NIM A 448 (2000) 51- 58.

40. Borovikov V.M., Fedurin M.G., Mezentsev N.A., Shkaruba VA., Sukhanov S.V. and Vobly P.D. Power supply and quench protection system for a superconducting 7.5 Tesla wiggler. NIM Vol. A359, No. 1-2 (1995), p. 107109.

41. Финальный отчет проекта МНТЦ №767 «RIKEN/ИЯФ источник позитронов низкой энергии.» Институт Ядерной Физики им.Г.Будкера, Новосибирск; Всероссийский Научно Исследовательский Институт Технической Физики, Снежинск.

42. М.Уилсон. Сверхпроводящие магниты. «Мир», Москва, 1985.

43. Bekhtenev E.t Dementiev E., Fedurin M.G., Mezentsev N.A., Shkaruba V.A., Vobly P.D. Measurement of magnetic field characteristics of wigglers with the current strained wire method. NIM, Vol.A405, No.2,3 (1998), p.214-219.

44. И.М. Тернов, В.В. Михайлин, В.Р. Халнлов. Синхротронное излучение и его применения. Издательство Московского ун-та, Москва, 1980.российекля1. ГОСУДАРСТСШ!ЛЯ1. БИБЛИОТЕКА1. QiM⥠-5-0/