Линейный ускоритель-инжектор накопительных комплексов Сибирь-2 и ТНК тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

СЕРДОБИНЦЕВ Геннадий Васильевич

ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ - ИНЖЕКТОР НАКОПИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ СИБИРЬ-2 И ТНК

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

Л

Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Острейко - кандидат технических наук,

Геннадий Николаевич Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Аржанников - доктор физ.-мат. наук, профессор,

Андрей Васильевич Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Черноусое - кандидат технических наук,

Юрий Дмитриевич Институт химической кинетики и

горения СО РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ - Курчатовский центр синхротронного

ОРГАНИЗАЦИЯ: излучения и нанотехнологии

РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва.

Защита диссертации состоится «_»_2005 г

в «_» часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01

Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан: «_»_2005 г

Ученый секретарь /

диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук / А.А. Иванов

19Ю0

г т%$

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Специализированный комплекс синхротронного излучения СИБИРЪ-2 в РНЦ «Курчатовский Институт» включает в себя два накопителя электронов: бустер Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. Источником электронов для бустера служит линейный ускоритель на энергию 80 - 100 МэВ. На комплексе бустер-накопитель работает в односгустковом режиме с периодом обращения ~29 не поэтому, длительность импульса ускоренного в ЛУ пучка электронов должна быть -15 не. После ускорения в линаке импульс тока пучка состоит примерно из 40 мшфосгустков сформированных ускоряющим ВЧ полем линейного ускорителя на частоте 2.8 ГГц. Синхронизация этих микросгустков с фазой ВЧ поля резонатора бустера Сибирь-1, работающего на частоте 34.5 МГц, -не требуется. Учитывая эти условия и возможность инжекции пучка в малый накопитель с частотой следования 1 Гц, был принят простой вариант внешней инжекции пучка в ЛУ из диодной пушки без предварительной группировки.

На комплексе ТНК г. Зеленоград, требования к инжектору и энергии пучка - аналогичны. ЛУ работает также на частоте 2.8 ГГц. Эта частота была, в основном предопределена имеющимся отечественным источником импульсной ВЧ мощности на клистроне КИУ-53 (18 - 20 МВт/10мксек). Чтобы ускорить электронный пучок до энергии 80-100 МэВ при этом уровне мощности, было необходимо создать линейный ускоритель работающий на накопленной энергии с ускоряющей структурой имеющей шунтовое сопротивление не менее 90 МОм/м. С этой целью структура ЛУ выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов с шайбами и диафрагмами (УСШД), т.н. структура Андреева. ЛУ имеет длину 6 м и состоит из -112 регулярных ячеек.

При импульсном режиме работы линейные ускорители, работающие на накопленной энергии, имеют определенные преимущества перед обычными ускорителями. Главное их достоинство в том, что запасенная энергия находится в структуре очень короткое время, и значительная её доля снимается электронами сразу после окончания заполнения. В результате заметно уменьшаются тепловые потери в стенках. В ускоряющей структуре УСШД реализуется добротность более 30000 и коэффициент связи >40%, что позволяет получить шунтовое сопротивление -95 Мом/м. Достижение этого шувггового сопротивления сопряжено с исследованием спектра частот и дисперсионных характеристик цепочки связанных резонансных ячеек в которых возбуждается поле на ст " гбаний л/2.

Естественно, разработка макетов ускоряющей структуры, также как и проведение «горячих испытаний» для проверки электрической прочности при напряжённости на поверхности резонаторов >700 кВ/см на уровне мощности несколько МВт в импульсе является актуальной задачей и предметом исследования.

Помимо вопросов, связанных с созданием инжектора на базе ЛУ, параллельно прорабатывалась методология измерения собственных резонансных частот большого количества ячеек ускоряющей структуры с целью оптимизации чистоты спектра вблизи рабочей частоты и получения необходимого шунтового сопротивления. Для этого изменялись размеры дисков, внутренние размеры обечайки и штанг удерживающих диск. В диссертации приводятся конкретные примеры исследования этих вопросов, практическое положительное решение которых, по своему содержанию определили и актуальность темы и цель работы, что позволило нам создать линейный ускоритель - инжектор пучка электронов на энергию до 100 МэВ. В Институте изготовлено два ускорителя.

Целью работы, положенной в основу диссертации, являлось:

1. Создание инжектора релятивистского электронного пучка на энергию 80 - 100 МэВ на основе ЛУ для комплекса СИБИРЬ-2 и ТНК.

2. Разработка и создание ускоряющей структуры линейного ускорителя с высоким шуитовым сопротивлением, работающей на стоячей волне.

3. Разработка и создание резонатора ввода мощности в ЛУ.

4. Создание стенда «холодных» измерений для прецизионных измерений.

5. Проведение «горячих» испытаний части ускоряющей структуры ЛУ на электрическую прочность при напряженности -700 кВ/см.

Научная новизна (Основным научным результатом работы является):

1. Исследование, разработка и создание двух инжекторов импульсного электронного пучка с энергией до 100 МэВ на базе линейного ускорителя со стоячей волной со структурой УСШД.

2. Надёжная работа протяжённой ускоряющей структуры, составленной из 6-ти отпаянных метровых секций, соединенных посредством индиевых уплотнений, образующих единый высокодобротный резонатор со структурой поля на стоячей волне моды колебаний и/2 в 112 регулярных ячейках вида УСШД с уровнем напряжённости поля на поверхности ~80- 100 МВ/м.

3. Получение ускоренного электронного пучка и проводка его в ЛУ при апертуре канала диаметром 8.7 мм без продольного магнитного поля сопровождения, используя лишь ВЧ фокусировку пучка в ячейках ЛУ, согласующую фокусирующую линзу и корректор положения центра пучка на рхшвЛУ.

» ПчГ. а «

» > !

: ео 1

4. Разработка специального ввода СВЧ мощности, расположенного в середине линака.

5. Разработка специальных фланцевых соединений с индиевым уплотнением на газ и на вакуум в волноводе 90x45мм, позволивших избежать вакуумной пайки фланцев, обеспечивающих передачу ВЧ мощности до 20 МВт.

6. Использование длинного волновода, длина -12 м для передачи ВЧ мощности в линейный ускоритель без «циркулятора».

Практическая ценность

Разработан и создан инжектор электронного пучка с энергией частиц 80 - 100 МэВ/бОмА на базе ЛУ, обеспечивающий работу комплекса СИБИРЬ-2, начиная с 1992 года по настоящее время. Произведен запуск подобного линейного ускорителя на комплексе ТНК НИИФП г. Зеленоград в декабре 2002 года.

Эксплуатация ЛУ-инжектора на комплексе выявила практические достоинства ЛУ к которым можно отнести:

1. После тренировки структуры в период запуска в 1992 г, электрические пробои в линейном ускорителе не наблюдаются, как в режиме с пучком, так и без пучка при уровне мощности в пределах до 18 МВт.

2. Вакуум в структуре ЛУ из-за технологии применения индиевых уплотнений не нарушался.

3. Подстройка ускорителя по частоте производится нагревом воды в системе АГТЧ и стабилизации температуры корпуса структуры ЛУ.

4. При необходимости допускается изменение количества соединённых регулярных секций образующих линейный ускоритель, - это не нарушает регулярности распределения ускоряющего поля в ячейках и регулярности сдвига фаз л/2 в них.

5. Обработка внутренних размеров полостей резонаторов структуры УСШД на станках ЧПУ алмазным резцом с последующей высокотемпературной вакуумной пайкой, позволяет в дальнейшем не прогревать секции и собирать узлы ЛУ посредством индиевых уплотнений. Хранение секций ЛУ может осуществляться в среде с инертным газом -10 лет.

Результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать ускоряющую структуру вида УСШД и создать на ее основе единый 6-метровой длины высокодобротный ускоряющий резонатор, а также инженерные и конструкторские решения, технология сборки ЛУ и способ настройки длинных волноводов без циркуляторов - могут быть использованы при разработке высокочастотных ЛУ-инжекторов подобного класса.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Линейный ускоритель - инжектор электронного пучка 80 - 100 МэВ доя специализированного источника СИ комплекса СИБИРЬ-2 в РНЦ «Курчатовский институт», в котором:

а) с целью максимального использования импульсной выходной ВЧ мощности клистрона создан новый линейный ускоритель на стоячей волне длиной 6 метров с высоким рекордным тунговым сопротивлением -95 Мом/м, работающий на частоте 2797.8 МГц в режиме накопленной энергии;

б) с целью получения высокого шунтового сопротивления более 90 Мом/м ускоряющая структура линейного ускорителя выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов (БУС), а регулярные ячейки выполнены в виде УСШД и состоят из обечаек с диафрагмами и шайб, подвешенных на трех металлических штангах;

в) с целью сборки ускорителя из метровых секций в единый резонансный объём применена технология индиевых уплотнений.

2. Разработка и создание метровых секций БУС, спаянных из 18-ти регулярных ячеек вида УСШД, в которых используются для подвески шайб три радиальные штанги, расположенные параллельно вдоль структуры секций.

3. Использование ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами обеспечивает большой коэффициент связи между резонаторами >43% и высокое шунтовое сопротивление, что позволяет решить следующие задачи при заданном уровне высокочастотной мощности от генератора:

• благодаря высокому шунтовому сопротивлению, можно получить максимальную энергию электронов по сравнению с другими структурами;

• благодаря большому запасу энергии, можно ускорить большее число частиц при заданном разбросе энергий ускоренного пучка;

• благодаря сильной резонансной связи между соседними ячейками и большой групповой скорости, имеется возможность выполнить ускоряющую структуру в виде единой резонансной секции с одним вводом мощности и, таким образом, исключить необходимость фазирования отдельных секций, и облегчить требования к точности изготовления и настройки.

4. Результаты экспериментального исследования параметров пучка инжектора на энергии 65 - 85 МэВ на входе в бустер СИБИРЬ-1.

5. Вывод о практической возможности создания надёжных 6-метровых линейных ускорителей, работающих на стоячей волне с накопленной энергией на частоте 2.8 Ггц, с напряженностью поля на поверхности ~80 МВ/м, при коэффициенте перенапряжений относительно среднего ускоряющего поля на оси ~5.

Апробация работы

Основные материалы диссертационной работы докладывались на Европейской ускорительной конференции ЕР AC [Rome, 1988], на XI Всесоюзной конференции по ускорителям заряженных частиц [Дубна, 1989], на Международной конференции IEEE [New York, 1991], на 4-ой Европейской конференции ЕРАС 94 [London, 1994] и опубликованы в работах [1-12].

Структура работы

• Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, двух

приложений и списка литературы. Работа изложена на 1S9 страницах, содержит 69 рисунков и 12 таблиц. Список литературы включает 75 г наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, сформулированы задачи и цель настоящей работы. Приводятся краткое её содержание и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются основные вопросы разработки линейного ускорителя электронов и особенности работы видов линейных ускорителей в качестве инжектора электронного пучка, а также рассматривается необходимость применения ускоряющей структуры ЛУ со стоячей волной, работающей в импульсном режиме на накопленной энергии.

Практически все ядерные лаборатории мира оснащены ускорителями заряженных частиц, в том числе линейными ускорителями электронов. Наибольшее распространение получили ЛУ с бегущей волной и ускоряющей структурой в виде круглых диафрагмированных волноводов (КДВ). Из них наиболее широкое применение получили структуры с постоянным импедансом по следующим причинам:

- доступная технология производства большого количества одинаковых ячеек (чашек) для сборки структуры из них с последующей пайкой;

- достаточно простая система охлаждения корпуса секции ускоряющей структуры ЛУ, обеспечивающая стабильную температуру структуры;

- глубокая теоретическая проработка особенностей работы линейного ускорителя с бегущей волной, где в основном используются структуры КДВ на видах колебаний 2я/3 и я/2 с шунтовым сопротивлением -30 - 50 Мом/м.

Но в ускорителе на бегущей волне для эффективного использования ВЧ мощности на ускорение частиц в заданном интервале энергии, как правило, необходим группирователь пучка, формирующий короткие сгустки на входе в линак, а при интенсивном пучке ~109 частиц и энергии инжекции <200 кэВ

требуется продольное магнитное поле, наложенное на первую секцию. В этом случае протяжённый соленоид, его система охлаждения и силовое питание представляют существенную долю стоимости линейного ускорителя.

Рассматривалось несколько вариантов инжектора для бустера. Лаборатория уже имела опыт создания линейных ускорителей, работающих на накопленной энергии в импульсном режиме на стоячей волне [1,2]. Поэтому по щюекту накопительного комплекса СИ Сибирь-2 [3] в качестве инжектора используется линейный ускоритель с энергией электронов на выходе 80 - 100 МэВ, работающий в импульсном режиме с частотой повторения 1 Гц. Ускорение в линаке осуществляется в структуре УСШД со стоячей волной. Процесс накопления энергии в ЛУ происходит в течении ~8 мксек ВЧ импульса, а энергия на ускорение пучка передается в течении 15-18 нсек в конце этого импульса. В этой же главе проведены оценочные расчёты применения структуры УСШД со стоячей волной для получения энергии 100 МэВ пучка при заданной мощности генератора ~20 МВт и необходимом токе ускоренного пучка -0.1 ампер.

Вторая глава посвящена моделированию ускоряющей структуры УСШД и вопросам реализации линейного ускорителя в соответствии с результатами моделирования.

Положительной особенностью ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами на стоячей волне является большой коэффициент связи >40%. Это практически снимает ограничения на число регулярных ячеек, объединённых в единый резонатор, и снимает ограничения в выборе номера ускоряющего резонатора для организации ввода ВЧ мощности. При наращивании регулярных ячеек и секций в ЛУ не требуется перестройка связи между ячейками, а лишь требуется подбор связи структуры ЛУЭ с генератором. Это основное отличие от структур с бегущей волной. В тоже время, для регулярной части структуры со стоячей волной, практически очень слаба зависимость амплитуды поля от затухания вдоль структуры, что позволяет производить моделирование продольных размеров ускоряющих зазоров с ограниченным числом резонансных ячеек. Этот весьма полезный факт был использован, чтобы проводить моделирование структуры для разного числа ускоряющих ячеек и сравнивать полученные результаты.

Расположение резонансных частот и их плотность зависит от вида колебаний, количества резонаторов N в структуре ЛУ и коэффициента связи ксе. Разница между соседними частотами максимальна вблизи моды те/2, поэтому тг/2-мода выбрана в качестве рабочей. Измерение коэффициента связи ко, также является предметом моделирования. Моделированием регулярной ускоряющей секции ЛУ (включая численное моделирование), был получен ответ на следующие конкретные вопросы:

1. Выбор внутренних размеров ячеек и определение допусков.

2. Измерения частот и добротности резонаторов структуры на стенде.

3. Исследование зависимости Rn, от размеров штанг.

4. Определение и разделение частот Е™,!- и Н^-типов колебаний.

5. Учёт влияния температурных условий на резонансную частоту.

6. Разработка резонатора ввода ВЧ мощности и волноводного тракта.

7. Испытание секции ускоряющей структуры инжектора электронов. Для базовой модели структуры УСШД ЛУ была принята конфигурация

регулярной ячейки показанной на рис.1,2. Разборный макет из подобных ячеек показан на рис.3.

Рис. 1. Четверть резонатора ячейки Рис. 2. Распределение электрического ускоряющей структуры УСШД ЛУ. поля в четверти резонансной ячейки

УСШЛ.

Возникновение проблем, связанных с попаданием поперечных мод в полосу пропускания, ограничило применение УСШД структуры у разработчиков электронных линейных ускорителей. Для того чтобы отделить эти моды от ускоряющей, собиралось несколько вариантов сборок макета с разными диаметрами обечайки и разными опорами для крепления дисков (рис.3). Используя разные ёмкостные и индуктивные зонды для возбуждения структуры и пробные тела, производилась идентификация типов колебаний интересующей ветви дисперсионных характеристик ТН или ТЕ, которые зависят не только от размеров, но и от расположения штанг и дисков.

Наиболее удачным было решение уменьшить диаметр обечайки и осуществить поддержку дисков (шайб) тремя прямыми штангами, расположенными равномерно по окружности дисков. Размеры штанг были оптимизированы с целью минимального влияния на добротность ячейки. Дисперсионная характеристика метровой секции показана на рис.4, а измеренное на стенде распределение ускоряющего электрического поля вдоль оси метровой структуры ЛУ, показано на фото рис.5.

Рис. 3. Макет ускоряющей структуры с диаметром обечайки 166 мм.

УСШД, диаметр обечайки 136 ыы

Сдвиг фазы яа ячейку структуры УСШД в град

Рис. 4. Дисперсионные характеристики секции диаметром 136 мм, расположение ячеек со штангами вдоль структуры параллельно.

Рис. 5. Распределение электрического поля вдоль оси структуры ЛУ.

Сборка секций в единый линейный ускоритель произведена в определённой последовательности. Для настройки частоты структуры был использован «способ настройки за счёт перемешивания ячеек и секций» с целью выравнивания или, точнее, уменьшения дисперсии частот и в секциях и по плечам ускорителя, составленных по три секции относительно середины ЛУ. Для двух линейных ускорителей было произведено более 300 ячеек, которые были отбракованы по частоте, добротности и внешним признакам качества пайки. Несмотря на значительные отклонения по частоте -0.5 МГц при производстве ячеек, благодаря большому коэффициенту связи >40%, удаётся проводить их перестановку с целью максимального использования ячеек для сборки в секции и затем в ЛУ.

В Главе П подробно описывается этап первых «горячих» испытаний 1/10 структуры линейного ускорителя на уровне мощности ~1.8 МВт. На стенде были проверены результаты произведённого макетирования структуры с шайбами и диафрагмами и получена напряжённость ускоряющего поля >220кВ/см на оси. Испытания на высоком уровне мощности показали, что использование структуры УСШД с тремя прямыми радиальными опорами шайб (рис.3), впервые применёнными в нашем институте, позволяет:

- при наличии большой групповой скорости выполнить ускоряющую структуру в виде единой резонансной секции с одним вводом мощности по центру и, таким образом, исключить необходимость фазирования отдельных секций, облегчив требования к точности изготовления; успешно преодолеть вторично-эмиссионный разряд в структуре и стабилизировать амплитуду ускоряющего поля;

- благодаря высокому шунтовому сопротивлению, получить при заданной мощности максимальную энергию электронов.

Решение этих технических вопросов при создании линейных ускорителей и в настоящее время является актуальной задачей. Следует отметить, что успешное проведение горячих испытаний секции линейного ускорителя в 1988-89 году утвердило концепцию применения 100 МэВ электронного линейного ускорителя в качестве инжектора электронного пучка.

В третьей главе описана конструкция линейного ускорителя, приведена функциональная схема инжектора, рассмотрен принцип работы инжектора и рассчитана динамика ускоряемого пучка в ЛУ.

На фото рис. 6. показана структура линейного ускорителя после сборки на стапеле на комплексе ТНК г. Зеленоград. На входе линейного ускорителя расположен источник электронов -40 кВ импульсная 18 не диодная пушка.

Из пушки электронный ток -4 А с энергией 40 кэВ в импульсе -18 не поступает на вход линейного ускорителя. Корректором регулируется положение центра пучка относительно оси. Диаметр сходящегося пучка ~6 мм в центре первого ускоряющего зазора ускорителя устанавливается линзой. Апертура для пучка на протяжении шести метров структуры

9

составляет 8.7 мм, тем не менее, используя свойства высокочастотной фокусировки в зазорах, мы не устанавливаем специальные магнитные линзы вдоль ЛУ для фокусировки пучка. Для компенсации слабых магнитных полей и поля земли, вдоль структуры наложено магнитное поле корректоров Х/У, создаваемое протяжёнными «катушками Гелъмгольца».

Рис. 6. Ускоряющая структура ЛУ после сборки на стапеле комплекса ТНК г. Зеленоград.

Рис. 7. Входной резонатор линейного ускорителя.

Входной ускоряющий резонатор рис.7 образован половиной регулярной ячейки. С целью уменьшения влияния сильного поперечного ВЧ поля начального участка ускоряющего зазора на входе в зазор установлена молибденовая сетка с прозрачностью для пучка -0.75, уменьшающая поперечную компоненту ВЧ поля. На начальном этапе проектирования

линейного ускорителя 1983-5 гг. была необходимость быстро оценивать изменения в продольной динамике сгустков при изменении конструкции структуры в инжекционной части линейного ускорителя. Для этого была создана и применена быстрая программа для оценки динамики частиц и группировки пучка при движении частиц вблизи оси ЛУ. В трубках дрейфа динамика частиц рассчитывалась в собственных полях с учетом кулоновских продольных сил объёмного заряда без сторонних магнитных полей при заданных поперечных размерах сгустков. В ускоряющих зазорах линейного ускорителя на частицы действует электрическое поле -250 кВ/см на частоте 2.8 ГГц и преобладающей будет ускоряющая сила Лоренца, а не кулоновские силы объёмного заряда сгустка.

(М»Ы ■УСшцп.стипоаХСШХ,»»»«»»»«»'»

ф«1 «£«1 иучжа опоскляша попрямей ■ [град]

Рис. 8. Приращение энергии частиц при ускорении в линейном ускорителе.

ржтпенмшЛ'ЖЮкмимтшушЗЯмА

Рис. 9. Энергетический спектр зарядов в первом банче на выходе ЛУ.

В процессе ускорения пучка происходит отбор ВЧ энергии поля из каждого резонатора, приводящий к подсадке ускоряющего потенциала в зазоре, что ведёт к незначительным отличиям в продольной динамике каждого последующего «банча». На графиках рис.8,9. представлены основные результаты расчёта динамики «макрочастиц банча».

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию работы ЛУЭ как инжектора электронного пучка на накопительных комплексах Сибирь-2 и ТНК г. Зеленоград.

В волноводных каналах ЛУ-инжекторов комплекса Сибирь-2 и ТНК, г. Зеленоград, нет циркуляторов, поэтому длину волновода необходимо настроить с целью минимизировать напряжённость поля (рис.10) в области керамических окон, разделяющих газ и вакуум. Расчётный график режимов работы ЛУ показан на рис.11.

, ШЛи»)

ПУ щищй ТПГ

2790 2795 2ВОО 2Я05 2010

рсжнискые частсгт*: ■ валиовоаг от*пром-ЛУ ■ [МГц]

ноЛМВ/и] |МэВ1

15.0 17,5 (МВт)

Рис. 10. Зависимость нормированных амплитуд напряжения падающей и отражённой волны в волноводе от частоты ВЧ генератора.

Рис. 11. Зависимость напряжённости поля на оси, максимальной напряженности электр. поля на поверхности и энергии ускоренных электронов от мощности

Экспериментальный спектр энергии электронного пучка на выходе линака в зависимости от напряжения на аноде клистрона КИУ-53А показан на Рис.12. Видно, что с ростом накопленной в ускоряющей структуре СВЧ энергии (при увеличении напряжения на аноде) растёт средняя энергия в пучке и, что особенно важно, уменьшается энергетический разброс. Этот факт стимулирует дальнейшую работу по увеличению энергии инжекции в Сибири-1 с целью увеличения разового захвата в режим накопления.

Эверпш(№В)

Рис. 12.Спеетр энергии пучка линака.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Созданы два инжектора релятивистского электронного пучка 80-100 МэВ на основе ЛУ для накопительного комплекса СИ СИБИРЬ-2 и комплекса ТНК г. Зеленоград. Получен ускоренный ток 65 мА с энергетическим разбросом ДЕ/Е=1%, обеспечивающий работу комплекса СИ Сибирь-2.

2. Разработана, исследована и создана ускоряющая структура УСШД линейного ускорителя с высоким шунтовым сопротилением -95 Мом/м, работающая на стоячей волне в импульсном режиме.

3. Разработан и создан резонатор ввода мощности в ЛУ.

4. Разработан и создан волноводный тракт с уровнем мощности 20 МВт.

5. Разработана и создана ВЧ система возбуждения клистронной станции, система контроля и измерений.

6. Предложена методика настройки волноводного тракта, позволившая осуществить работу без циркулятора.

7. Создан стенд «холодных» измерений для прецизионных измерений высоких добротностей -30000 и частот ячеек структуры.

8. Достигнута напряженность электрического поля на поверхности резонатора -700 кВ/см при испытании части ускоряющей структуры ЛУ (-1/10) на электрическую прочность, что позволило не проводить дорогостоящую контрольную сборку всего ЛУ перед отправкой на комплексы Сибирь-2 и ТНК г. Зеленоград.

Полученные экспериментальные результаты, как качественно, так и

количественно, хорошо согласуются с теоретическими представлениями.

Таблица 1. (параметры пучка измерены в 1600 мм от выхода ЛУ, комплекс Сибирь-2)

МэВ ДЕ/Е=6% ДЕ/Е=1% т(нс) Поперечный размер (мм) Поперечный эмиттанс Т(Гц)

75 600 м A 65 мА 18 3 0.03 мрад.см 1 Гц

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. М.М. Карлгшер, В.Ф. Клюев,..., Г.В. Сердобинцев. и др. Сильноточный линейный ускоритель комплекса ВЭПП-4. Динамика пучка, Препринт ИЯФ 82-18 (Новосибирск, 1982, Россия).

2. В.Е. Акимов, П.Д. Воблый,..., Г.В. Сердобинцев..и др. Ускоряющая -система разрезного микротрона, Труды XI всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, ОИЯИ, 1989, т.1, с.268, Россия.

3. MM. Karliner, О.А. Nezhevenko,..., G.V. Serdobintsev, et al. 100 MeV Electron Linac with the DAW Structure as an Injector for the Siberia-2

Storage Ring, Proc. of European Particle Accelerators Conference, Rome, 1988, v.l,p.602-604.

4. V.M. Borovikov, O.N. Brezhnev,..., G.V. Serdobintsev, et al. Test of the section of accelerating structure of the electron injector for storage ring SIBERIA-II, Voprosy atomnoy nauki i tehniki, Yaderno-fizicheskie issledovaniya (teoriya i experiment), 5/5/, 1989, p. 13 (in Russian).

5. O.A. Nezhevenko, G.N. Ostreiko,...,G.V. Serdobintsev, et aï. Electron preinjector for SIBERIA-2 SR storage ring, in Conference Record - 1991 ШЕЕ Particle Accelerator Conference, /edited by L.Lizama and J.Chew [IEEE, New York, 1991], v.5,p.3186-3188.

6. В.Г. Вещеревич, M.M. Карлинер,..., Г.В. Сердобинцев,. и др. Инжектор электронов накопительного комплекса "СИБИРЬ-2", Труды XI всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, ОИЯИ, 1989, Т.2, с.26, Россия.

7. V. Korchuganov, G. Kulipanov,..., G. Serdobintsev, et al. Status of the SIBERIA - 2 preinjector, 4 th European Particle Accelerator Conf. (EPAC94), London, 27 June - July, 1994. Proc. /Ed. by Petit - Jean - Genaz Ch., suller V. - Singapore e.a.: World Sei.,1994. - v.l. - p.739-741. -Bibliogr.: 7 ref.

8. A. Kadnikov, V. Korchuganov,..., G. Serdobintsev, et al. Status of the SIBERIA - 2 preinjector, European Particle Accelerator Conf. (EPAC94), London, 27 June - July, 1994, Queen Elizabeth П Conf.: London, 1994. -p.154-155 (THP09W).

9. Levichev E., .., Serdobintsev G., et al. Injection complex of the dedicated synchrotron radiation source SIBERIA - 2, ICSRS - AFS R' 95: 4th Intern. Conf. on Synchrotron Radiation Source; 2nd Asia Forum on Synchrotron Radiation, Oct. 25-27,1995, Kougji, Korea: Abstracts.-s.l., 1995, p.88.

10. V. Korchuganov,..., G. Serdobintsev, et al. Injection complex the dedicated synchrotron radiation SIBERIA - 2, Bulleten of the American Physical Society. - 1995, v. 40, N3, p.1250.

11. B.A. Gudkov, V.N. Korchuganov,..., G.V. Serdobintsev, et al. Status of "Siberia-2" SR source preinjector // XVI International Workshop on Charged Particle Linear Accelerators, September 6-12,1999, Alushta, the Crimea.

12. E.I. Zagorodnikov,...,G.V. Serdobintsev, et al. Commissioning of the Linear Accelarator-Injector at the TNK Facility// Problems of Atomic Science and Technology, 2004, №2. Series-. Nuclear Physics Investigations (43), p.3-5.

СЕРДОБИНЦЕВ Геннадий Васильевич

Линейный ускоритель-инжектор накопительных комплексов Сибирь-2 и ТНК

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 23.04.2005 г. Подписано к печали 26.04.2005 г. Формат 100x90 1/16 Объем 0,9 печл., 0,7 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 20

Обработано на ШМ РС и распечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр Академика Лаврентьева, 11

<

7

*

t

» I

»-9058

РНБ Русский фонд

2006-4 19100

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. РАЗРАБОТКА ИНЖЕКТОРА ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ

§1.1. Основные вопросы разработки линейного ускорителя электронов в качестве инжектора и анализ применения ускоряющих структур.

§1.2. Линейный ускоритель электронов с бегущей волной.

§ 1. 3. Линейный ускоритель электронов со стоячей волной.

§ 1.4. Ускоряющая структура в разрезном микротроне.

§ 1.5. Электродинамические параметры линейного ускорителя - инжектора комплекса СИ Сибирь-2.

§1.6. Сравнительный анализ применения линейных ускоряющих структур в качестве инжектора для бустера Сибирь-1.

ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ УСШД И РЕАЛИЗАЦИЯ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ

§ 2. 1. Собственные частоты и распределение ускоряющего поля в бипериодической структуре линейного ускорителя.

§ 2. 2. Моделирование ускоряющей структуры ЛУЭ.

§ 2. 2. 1 Выбор внутренних геометрических размеров ячеек.

§ 2. 2. 2 Исследование зависимости шунтового сопротивления от размеров штанг.

§ 2. 3. Измерение частот типов полей Eiinwi и Hiim>n в УСШД структуре.

§ 2. 3. 1 Чувствительность ускоряющей структуры УСШД к изменению геометрии ячеек и условиям работы секции.

§ 2. 3. 2 Этапы подготовки секции к вакуумной пайке.

§ 2. 4. Испытание секции ускоряющей структуры.

ГЛАВА III. ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ - ИНЖЕКТОР

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА НА ЭНЕРГИЮ 80 - 100 МэВ

§ 3. 1. Принцип работы инжектора, функциональная схема и конструкция линейного ускорителя.

§ 3. 1. 1 Импульсный модулятор пушки (40 кВ/20 нсек).

§3. 1.2 Электронная пушка.

§ 3. 2. Линейный ускоритель инжектор электронного пучка.

§ 3. 2. 1 Резонатор ввода мощности в структуру ЛУ.

§3.3. Особенности работы инжектора на основе протяжённого линейного ускорителя на стоячей волне.

§3.4. Расчёт динамики пучка в линейном ускорителе.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИНЖЕКТОРА НА КОМПЛЕКСЕ СИБИРЬ-2 и ТНК г. ЗЕЛЕНОГРАД

§ 4. 1. Высокочастотная система линейного ускорителя.

§ 4. 2. Резонансный высокочастотный разряд в волноводе и линейном ускорителе. Режим тренировки.

§ 4. 3. Электрическая прочность ускоряющей структуры, ограничения энергии электронов и тока пучка в инжекторе.

§ 4.4. Работа с пучком на ЛУ- инжекторе комплекса Сибирь-2.

§ 4.5. Обеспечение стабильности работы линейного ускорителя и токопрохождения пучка.

Основными инструментами физики высоких энергий были и остаются ускорители заряженных частиц. Они являются главным и одним из самых мощных средств, позволяющих ученым с наибольшим эффектом детально исследовать структуру строения материи [1, 2]. Практически все ядерные лаборатории мира оснащены ускорителями, которые используются и как инструмент исследования и в технологических процессах для получения различных материалов с необычными свойствами. Собственно линейные ускорители уже давно выделены в отдельный самостоятельный класс ускорителей и широко используются как инжекторы высокоэнергичных заряженных частиц, так и в прикладных целях. Широкое распространение получили накопители электронов как мощные источники синхротронного излучения для научных и прикладных целей [3,4].

В ИЯФ СОРАН развитие ускорительной техники шло по пути значительного увеличения энергии частиц и интенсивности ускоренных пучков. Достижения в этой области, особенно в области электроннных ускорителей, базируется на новейших достижениях СВЧ радиотехники и вакуумной техники. В настоящее время наш Институт располагает разнообразными типами ускорителей, которые позволяют получать заряженные частицы с энергиями от нескольких сот килоэлектронвольт до нескольких миллиардов электрон-вольт.

Интенсивное развитие мощных ВЧ генераторов в сантиметровом диапазоне с уровнями мощности десятки мегаватт в импульсе и несколько мегаватт в непрерывном режиме, в настоящее время еще позволяет реализовать ускорительные накопительные комплексы с энергией частиц десятки Гэв при разумных размерах циклических ускорителей. Естественно, эффективность режима ускорения тока пучка в непрерывном режиме и использование его на комплексе, становятся определяющими при проектировании таких энергоёмких систем. Преимущество импульсного режима работы с пучком, заключается в том, что запасенная энергия находится в структуре очень короткое время, и значительная её доля снимается электронами сразу после окончания заполнения. В результате заметно уменьшаются тепловые потери в стенках. [5, 6]

Физики ИЯФ СО РАН, занимающиеся созданием электронных и позитронных накопителей и постановкой экспериментов на встречных пучках, уже давно плодотворно используют синхротронное, или магнитотормозное излучение, возникающее при движении высокоэнергичных заряженных частиц в магнитном поле. С помощью синхротронного излучения очень удобно измерять характеристики пучков в ускорителях и накопителях. При этом чувствительность этого метода предельно высока. Использование синхротронного излучения для наблюдения за этими светящимися пучками в ядерной физике и физике элементарных частиц не исчерпывает область практического применения СИ. Все большее значение приобретает использование специализированных электронных накопителей в качестве источников электромагнитного излучения в диапазоне от ультрофиолетового до жёсткого рентгеновского с яркостью, на много порядков превышающими характеристики других имеющихся источников. [4, 7, 8] В октябре 1999 года состоялась официальная процедура открытия Источника Синхротронного Излучения в Российском научном центре «Курчатовский институт», г. Москва. Курчатовский Источник Синхротронного Излучения (КИСИ) - первый в России специализированыьш ускорительный комплекс, предназначенный для генерации пучков синхротронпого излучения. Часть накопительного кольца Сибирь-2 в ускорительном зале показана на рис. 1.

Рис. I. Часть кольца накопителя Сибирь-2.

Этот комплекс был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН и предназначен для генерации ярких пучков электромагнитного излучения в инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра в диапазоне длин волн 0.1-2000 А. В состав комплекса входит линейный ускоритель на энергию электронов 80-100 МэВ в качестве инжектора [7] и два накопителя электронов: бустер Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и основной накопитель Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ.

Линейный ускоритель на энергию 80-100 МэВ (Рис. 2), был запущен в Курчатовском Институте в 1992 году, тогда же был получен электронный пучок с энергией частиц 62.5 МэВ. В настоящее время линак инжектирует в накопитель СИБИРЬ-1 электронный пучок с энергией 75-80 МэВ.

Рис 2. Фотография линака со стороны электронной пушки.

Автор диссертации является непосредственным участником работ и разработчиком линейного ускорителя - инжектора электронов на комплексе СИБИРЬ-2, включая разработку узлов волноводной системы высокочастотного питания линейного ускорителя от клистронной станции «ОЛИВИН -20 МВт/10 мксек», а также систем управления, измерений и контроля. На рис. 2 приведена фотография линейного ускорителя расположенного в защищенном зале бустера СИБИРЬ-1 «Курчатовский институт (КИСИ)», г. Москва [8]. Кроме того, автор является участником и разработчиком инжекционной части в проекте Технологического Накопительного Комплекса (ТНК в НИИ Физических Проблем им. Ф.В.Лукина г.Зеленоград, Москва) - специализированного источника СИ для электронной промышленности. Линейный ускоритель для этого комплекса также был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН (Новосибирск). К 1992 году, была произведена его сборка и холодные измерения, но ввиду отсутствия финансирования ЛУ был разобран и законсервирован. В 2001 г. было снова принято решение о монтаже и намечен запуск инжектора в Зеленограде в декабре 2002 г.

Инжекционная часть ТНК (г. Зеленоград) состоит из линейного ускорителя на энергию 80-100 МэВ и малого накопителя-бустера на энергию 450 МэВ, повторяя, в принципе, схему инжекции Сибири-2. Структура большого накопителя ТНК аналогична структуре Сибири-2, но периметр накопителя равен 115.85 м, что на -8.3 м меньше периметра Сибири-2. Диапазон рабочей энергии ТНК 1.6 - 1.9 ГэВ. Он обусловлен оптимальной работой ТНК на СИ из поворотных магнитов. Описываемые в настоящей работе основные решения пригодны как для Сибири-2, так и для ТНК. Поэтому, для краткости, в дальнейшем изложении мы будем упоминать только Сибирь-2 [9].

В инжекторе электронный пучок в линейный ускоритель поступает из низковольтной импульсной диодной пушки без предварительной группировки пучка. Выбор данной простой схемы инжектора был обусловлен уже имеющимся опытом создания и успешной работой линейного ускорителя с подобной схемой инжекции на комплексе ВЭПП-3 ИЯФ [5]. Этот линейный ускоритель («Позитронная программа»), представляет собой бипериодическую структуру-цепочку связанных резонаторов, в которых на частоте 430 МГц, возбуждается стоячая волна моды л/2, ЛУ имеет параметры ускоренного пучка 53 МэВ / 35 А / 30 нсек. [10, 11, 12]. Инжекция электронов в ЛУ производится из импульсной диодной пушки (60—180 кэВ) при длительности 18 нсек.

На комплексе СИ СИБИРЬ-2, в пределах выбранной концепции инжекции электронного пучка в ЛУ, рассматривалось два подобных варианта, вариант с так называемой "внутренней инжекции", когда ламинарный электронный пучок поступает непосредственно в резонатор из пушки, которая отделена от полости резонатора сеткой. И, во втором варианте - "внешняя низковольтная инжекция" - электронный пучок транспортируется на вход ЛУ по электронно-оптическому каналу. Был выбран простейший вариант низковольтной (40 кэВ) "внешней инжекции". В этом варианте используется электронная пушка с микропервеансом -0.5 juA/V , что обеспечивает получение тока в импульсе 4 А.

В 70 - 90 годах общепринятой ускоряющей системой для ЛУ считалась структура с бегущей волной. Основное применение находит в ускорителях круглый диафрагмированный волновод (КДВ) [13, 14]. Привлекательным было прежде всего возможность достижения высокого значение

2 ' шунтового Z=zT сопротивления для видов 0 и я колебаний, а также, технологичность изготовления. Но несмотря на это, КДВ не является эффективной ускоряющей структурой при создании ЛУ электронов с большим числом ускоряющих зазоров в одной секции, т.к. плохое частотное разделение с соседними частотами для видов 0 и п колебаний, приводит к нестабильному режиму ускорения. На всех других видах колебаний шунтовое сопротивление ниже. В большинстве ускорителей на бегущей волне используется вид колебаний 2тг/3, как компромиссный между «высокостабильным» тг/2 видом и «высокошунтовым» тг видом колебаний [13,14,. 18].

Бипериодические ускоряющие структуры (БУС) имеют в своей структуре специальные резонаторы связи и отличаются от КДВ не только конструктивно, но и дают возможность получить высокое шунтовое сопротивление и, присущую виду колебаний тг/2, высокую стабильность фазового сдвига в регулярных ячейках вдоль линейного ускорителя. Для этого вида колебаний характерно то, что в резонаторах связи (ячейки связи) к концу переходного процесса и далее, не запасается ВЧ энергия, т.е. на виде колебаний тг/2 ячейки последовательно возбуждаются через одну. Резонаторы связи при этом могут быть узкими, деформированными или вынесенными на обечайку, позволяя при этом в структуре по отношению к ускоряемому пучку иметь на оси поле с видом колебаний близким к п, сохраняя при этом высокое шунтовое сопротивление и добротность. [15]

Актуальность темы. Увеличение интенсивности пучков заряженных частиц и повышение темпа ускорения являются основными направлениями развития современной ускорительной техники. Решение этих задач непосредственно связано с созданием компактных ускорителей - источников релятивистского электронного пучка. Прогресс в создании линейных ускорителей заряженных частиц позволяет использовать их в качестве инжекторов, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн. Освоение сантиметрового диапазона сопряжено с исследованием свойств различных материалов с ростом частоты и плотности ВЧ энергии, создающей на поверхности напряженность поля более 100 МВ/м, что уже является актуальной научной задачей и имеет самостоятельное значение для техники СВЧ. [21, 22] При импульсном режиме работы линейные ускорители, работающие на накопленной энергии, имеют определенные преимущества перед обычными ускорителями. Главное их достоинство в том, что запасенная энергия находится в структуре очень короткое время, и значительная её доля снимается электронами сразу после окончания заполнения. В результате заметно уменьшаются тепловые потери в стенках [13].

Специализированный комплекс синхротронного излучения СИБИРЬ-2 в РНЦ «Курчатовский Институт» включает в себя два накопителя электронов: бустер Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. Источником электронов для бустера Сибирь-1 служит линейный ускоритель на энергию 80-100 МэВ работающий на частоте 2798 МГц. Эта частота была, в основном, предопределена имеющимся отечественным источником импульсной ВЧ мощности на клистроне КИУ-53 (18-20 МВт/1 Омксек). Чтобы ускорить электронный пучок до энергии 80 - 100 МэВ при этом уровне мощности, было необходимо создать линейный ускоритель работающий на накопленной энергии с ускоряющей структурой имеющей шунтовое сопротивление не менее 90 Мом/м. С этой целью структура ЛУ выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов с шайбами и диафрагмами (УСШД), т.н. структура Андреева [16]. ЛУ имеет длину 6 м и состоит из ~112 регулярных ячеек. Благодаря сильной связи между резонаторами ячеек >40%, они образуют единый высокодобротный резонатор, позволяющий иметь один волноводный ввод мощности.

Помимо вопросов, связанных с созданием инжектора на базе ЛУ, параллельно прорабатывалась методология измерения собственных резонансных частот большого количества ячеек структуры с целью оптимизации чистоты спектра вблизи рабочей частоты и получения необходимого шунтового сопротивления. Для этого изменялись размеры дисков, внутренние размеры обечайки и штанг удерживающих диск. В диссертации приводятся конкретные примеры исследования этих вопросов, практическое положительное решение которых, по своему содержанию определили и актуальность темы и цель работы, что позволило нам создать линейный ускоритель - инжектор пучка электронов на энергию до 100 МэВ. В Институте изготовлено два ускорителя.

Целью работы является:

1. Создание инжектора релятивистского электронного пучка на энергию 80-100 МэВ на основе ЛУ для накопительного комплекса СИБИРЬ-2 и ТНК.

2. Разработка и создание ускоряющей структуры линейного ускорителя с высоким шунтовым сопротилением, работающей на стоячей волне в импульсном режиме и запитываемой от клистрона без циркулятора.

3. Разработка и создание резонатора ввода мощности в ЛУ и элементов волноводного тракта с уровнем ВЧ мощности до 20 МВт.

4. Разработка и создание ВЧ системы возбуждения клистронной станции, системы управления, контроля и измерений.

5. Создание стенда «холодных» измерений для прецизионных измерений высоких добротностей -30000 и частоты ячеек структуры для отбраковки их перед пайкой.

6. Проведение испытаний части ускоряющей структуры ЛУ (1/10) на электрическую прочность при напряжённости электрического поля на поверхности резонатора -700 кВ/см.

Выбор структурной схемы инжектора релятевистского пучка на базе ЛУ - 100 МэВ, проводился с учётом особенностей конкретной схемы электроннооптического канала ЭОК-1 бустера СИБИРЬ-1. Это во многом определило физические и эксплуатационные параметры линейного ускорителя и его практическую ценность.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

Разработан и создан инжектор электронного пучка с энергией частиц 80-100 МэВ/бОмА на базе ЛУ, обеспечивающий работу комплекса СИ СИБИРЬ-2, начиная с 1992 года по настоящее время, а также, произведён запуск подобного линейного ускорителя на комплексе ТНК НИИФП г. Зеленоград в декабре 2002 года. На входах в линейные ускорители применена простая схема низковольтной инжекции пучка из импульсной диодной пушки (40 кВ/18нсек/4А).

Эксплуатация ЛУ - инжектора на комплексе выявила практические достоинства ЛУ к которым можно отнести: 1. После ВЧ тренировки структуры в период запуска в 1992 г, электрические пробои в линейном ускорителе не наблюдаются, как в режиме с пучком, так и без пучка при уровне мощности выходного клистрона КИУ-53 в пределах до 18 МВт.

2. Вакуум в структуре ЛУ из-за технологии применения индиевых уплотнений не нарушался. Вакуумная откачка производится в начале, центре и в конце ускоряющей структуры ЛУ.

3. Подстройка ускорителя по частоте производится нагревом воды в системе стабилизации температуры структуры ЛУ с возможностью включения АПЧ.

4. При необходимости допускается изменение количества соединённых регулярных секций образующих линейный ускоритель, а также, изменение количества регулярных ячеек в секции, - это не нарушает регулярности распределения ускоряющего поля в ячейках и регулярности сдвига фаз п!2 в них.

5. Обработка внутренних размеров полостей резонаторов структуры УСШД на станках ЧПУ алмазным резцом с последующей высокотемпературной вакуумной пайкой, позволяет в дальнейшем не прогревать секции и собирать узлы ЛУ посредством индиевых уплотнений обеспечивая и вакуум и ВЧ контакт. Хранение секций ЛУ может осуществляться в среде с инертным газом -10 лет.

Полученный опыт, результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать ускоряющую структуру вида УСШД и создать на ее основе единый 6 метров длины высокодобротный ускоряющий резонатор, а также, инженерные и конструкторские решения, технология сборки ЛУ и способ настройки длинных волноводов без циркуляторов; -могут быть использованы при разработке высокочастотных ЛУ -инжекторов подобного класса.

Основным научным результатом работы является:

1. Исследование, разработка и создание двух инжекторов импульсного электронного пучка с энергией до 100 МэВ на базе линейного ускорителя со стоячей волной со структурой УСШД, работающих в настоящее время на комплексе СИБИРЬ-2 в ИАЭ им. Курчатова и ТНК г. Зеленоград.

2. Надёжная работа протяжённой ускоряющей структуры, составленной из 6-ти отпаянных метровых секций, соединенных посредством индиевых уплотнений, образующих единый высокодобротный резонатор со структурой поля на стоячей волне моды колебаний л/2 в 112 регулярных ячейках вида УСШД с уровнем напряжённости поля на поверхности ~80-100 МВ/м.

3. Получение ускоренного электронного пучка и проводка его в линейном ускорителе при апертуре канала диаметром 8.7 мм без продольного магнитного поля сопровождения используя лишь ВЧ фокусировку пучка в ячейках ЛУ, согласующую фокусирующую линзу и корректор положения центра пучка на входе ЛУ.

4. Разработка ввода СВЧ мощности через специальный коаксиальный резонатор связи расположенного в середине линака, позволившего увеличить расстояние между соседними частотами дисперсионной характеристики вблизи рабочей частоты.

5. Разработка специальных фланцевых соединений с индиевым уплотнением на газ и на вакуум в волноводе 90x45мм, позволивших избежать вакуумной пайки фланцев, а также, отдельных волноводных узлов: для откачки на вакуум, для контроля за пробоями, волноводного фазовращателя и нагрузки обеспечивающих передачу и измерение ВЧ мощности до 20 МВт.

Использование длинного волновода, длина -12 м для передачи ВЧ мощности в линейный ускоритель без «циркулятора», -0.5 длины заполнено азотом при давлении -6 атм. В волноводе установлено разделительное баночное керамическое окно газ - вакуум.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Линейный ускоритель - инжектор электронного пучка 80-100 МэВ для специализированного источника СИ комплекса СИБИРЬ-2 в РНЦ «Курчатовский институт», в котором: а) с целью максимального использования импульсной выходной ВЧ мощности клистрона создан новый линейный ускоритель на стоячей волне длиной 6 метров с высоким рекордным шунтовым сопротивлением -95 Мом/м, работающий на частоте 2797.8 МГц в режиме накопленной энергии; б) с целью получения высокого шунтового сопротивления более 90 Мом/м ускоряющая структура линейного ускорителя выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов (БУС), а регулярные ячейки выполнены в виде УСШД и состоят из обечаек с диафрагмами и шайб, подвешенных на трёх металлических штангах; в) с целью сборки ускорителя из метровых секций в единый резонансный объём, применена технология индиевых уплотнений.

2. Разработка и создание метровых секций БУС спаянных из 18 регулярных ячеек вида УСШД, в которых используются для подвески шайб три радиальные штанги, расположенные параллельно вдоль структуры секций.

3. Использование ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами, обеспечивает большой коэффициент связи между резонаторами >43% и высокое шунтовое сопротивление, позволяет решить следующие задачи при заданном уровне высокочастотной мощности от генератора: благодаря высокому шунтовому сопротивлению можно получить максимальную энергию электронов по сравнению с другими структурами; благодаря большому запасу энергии можно ускорить большее число частиц при заданном разбросе энергий ускоренного пучка; благодаря сильной резонансной связи между соседними ячейками и большой групповой скорости, имеется возможность выполнить ускоряющую структуру в виде единой резонансной секции с одним вводом мощности, и таким образом, исключить необходимость фазирования отдельных секций и облегчить требования к точности изготовления и настройки.

4. Результаты экспериментального исследования параметров пучка инжектора на энергии 65-85 МэВ на входе в бустер СИБИРЬ-1.

5. Вывод, о практической возможности создания надёжных 6 метровых линейных ускорителей работающих на стоячей волне с накопленной энергией на частоте 2.8 Ггц с напряженностью поля на поверхности -80 МВ/м, при коэффициенте перенапряжений относительно среднего ускоряющего поля на оси ~ 5.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений и списка литературы.

В первой главе рассматриваются основные вопросы разработки линейного ускорителя электронов в качестве инжектора и анализ применения ускоряющих структур. Вторая глава посвящена вопросам макетирования и реализации линейного ускорителя в соответствии с результатами моделирования ускоряющей структуры УСШД ЛУ.

В третьей главе рассмотрены конструкция линейного ускорителя, функциональная схема всей ВЧ системы и работа линейного ускорителя как инжектора электронного пучка в бустер Сибирь-1. Изучены особенности динамики пучка в ЛУ. Четвёртая глава посвящена описанию результатов экспериментального исследования работы инжектора и ВЧ системы линейного ускорителя. Излагаются результаты настройки инжектора и получение ускоренного пучка на комплексе Сибирь-2 в «Курчатовском» институте и ТНК г. Зеленоград. Приведены два приложения.

В заключении кратко сформулированы результаты данной работы.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИНЖЕКТОРА НА НАКОПИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ СИБИРЬ-2 и ТНК г. ЗЕЛЕНОГРАД

Как уже отмечалось, технологический накопительный комплекс (ТНК) для института физических проблем ФГУП НИИФП им Лукина, г. Зеленоград, также был спроектирован и изготовлен в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН. Комплекс включает в себя форинжектор - линейный ускоритель электронов с энергией 80-100 МэВ и два накопителя электронов: малый накопитель - бустер на энергию 450 МэВ и основной накопитель на энергию 1,6-2 ГэВ. ЛУ - инжектор, подобен линаку запущенного нами в ИАЭ им. Курчатова в 1992 году.

Функциональная схема линейного ускорителя - инжектора комплекса ТНК показана на рис. 3.1. Линейный ускоритель также работает с накоплением ВЧ энергии и возбуждением в ускоряющей структуре стоячей волны. Питание ВЧ мощностью обеспечивается клистронной станцией «Оливин» рис. 4.1. ЛУ запитывается посредством волновода

90x45мм ) длиной ~15 метров от клистрона КИУ-53А с выходной импульсной мощностью до 20 МВт на частоте 2798.6 МГц.

§ 4.1. Высокочастотная система линейного ускорителя

Высокочастотная система измерений ЛУ является составной частью ускорительного комплекса, она осуществляет контроль за режимом работы ЛУ и обеспечивает управление. На рис. 4.2. показана структура волновода от выходного окна клистрона до входа в ЛУ. Вдоль волновода расположены, фазовращатель (поз. 19-22), датчики падающей и отражённой волн (поз. 3,17), разделительное, газ-вакуум «баночное» керамическое окно поз. 5). В волноводе осуществляется контроль давления азота. Клистронная станция «Оливин», её модулятор, местный пульт управления, отделены от линейного ускорителя биозащитой, которая на рис. 4.2. не показана. [74]

Рис. 4.1. Клистрон с импульсным в/в трансформатором и биозащитой.

Рис. 4.2. Схема вол но водного тракта ТЫК, Волновод 90x45 мм2.

Для СВЧ ускорительной техники, работающей в импульсном режиме, основные требования предъявляемые к измерительным СВЧ устройствам, -это измерения в большом динамическом диапазоне амплитуд сигналов, охватывающих процесс работы комплекса от момента включения до «штатного» режима, - это возможность регистрации быстропротекающих процессов и, - постоянная «круглосуточная» готовность приборов. На комплексе совокупность таких измерительных СВЧ устройств образует систему ВЧ измерений, её компоненты были разработаны с учётом конструкции ЛУ, вакуумной и газовой части волновода. Линейные ускорители расположены в защищённых радиационноопасных залах, поэтому радиочастотные сигналы с них, мы передаём кабелем к «радиостойке» расположенной вблизи пульта управления. В «крейте радиостойки» сосредоточены блоки измерения амплитуд ВЧ импульсов, частоты, сдвига фаз и т.д, относящиеся к инжектору, находящемуся в защищённом зале и имеющего одну единую шину зануления с крейтом радиостойки. Комплект для радиоизмерений выполнен в стандарте «Вишня» блоками детекторных головок рис. 4.4. шесть каналов и двух фазовых детекторов, связанных с ЭВМ через «крейт КАМАК». В комплект оборудования также входит задающий генератор и специальный умножитель частоты (N=54), на выходе которого частота 2.8 Ггц. Управление комплексом ЛУ осуществляется как через главный пульт, так и с местного пульта управления расположенного в защищённом зале клистронной станции Оливин. При работе ускорительного комплекса импульсные источники и измерения должны стартовать в определённой последовательности. Временная диаграмма на рис. 4.3. показывает последовательность физических процессов в инжекторе при работе ЛУ и ускорении пучка. [70] So

0 5 10 15 20 «sec

- I-1-1-1-H—-

Solivm launching pulse of modulator "COVIN"

LWxk

Smod.ll 1 . . , [ 4-' I klystron

Iwork ^ adjustment

So - Запуск зарядного устройства блока питания модулятора «Оливии».

S0iivin - Старт модулятора "Оливии"

Ua - амплитуда анодного импульса клистрона biysiron - импульс тока катода клистрона КИУ-53А

Sma| - Старт модулятора усилителя ГВЧ радиостойки.

Форма импульса ВЧ возбуждения КИУ-37А "work"-нормальный режим, "adjustment"- сгарт модулятора усилителя ГВЧ сдвинут относительно старта модулятора «Оливина».

Uinc и Uref напряжения падающей и отраженной волны на входе ЛУ. В канале волновода 90X45 мм установлен щелевой НО - 50 дБ (крест). им - форма сдвига фаз между U,nc и Ui^.

Ulinac-огибающая нарастания поля в структуре ЛУ. Индуктивный зонд находится в центральном резонаторе структуры линака (режим без пучка).

StK,ni-CTapT пучка.

Ulinac-огибающая нарастания поля в структуре Л У с подсадкой пучком.

Ожидаемая форма напряжения на ёмкости ЦФ -ЭОК-1, нагруженного на -300 кОм.

Рис.4.3. Временная диаграмма работы ВЧ системы «ЛУ- вволновод- Оливин».

Рис.4.4. Волноводный направленный Рис.4.5. Клок широкополосных детекторных ответвите ль головок и «специальной ДГ» на импульсную мощность до 100 Вт.

Временная диаграмма отображает последовательность работы импульсной 20 МВт ВЧ системы «Линейный ускоритель - волновод -клистронная станция Оливин». Режим работы ЛУ-инжектора в соответствии с этой диаграммой был осуществлён на комплексе Сибирь-2 в 1992 г. и ТНК г. Зеленоград в 2002. Информация о работе инжектора приведёна на рис. 4.6. 0 L V М ОЛИВИН,ВАКУУМ,ТЕМПЕРАТУРА

ПАД.ЛУ 2.200 OTP.ЛУ -.010 ЛУ .5300

1

1Н1 5 1 Н 2 1 1НЗ 0 1 Н 4 0 1 Н 5 1 |

ТЕМПЕРАТУРА 1 б . 8 ± yir т-- »РЛПГ 2 1 0 1 0•8 * 1 • U К У

0 14.6 30.0 ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ 2 1.04т.+ .05 ■тт.Л.1.,. 2 0.95 . - 0 5

1 Я 38.4 Л/МИН ЭКРАН-30 МИН N С D R = 1 3 1 6/55/56

--- ------ '-Зф-^-чд!' ■ ■ ■ 21. .0Б"

20.95.

Рис. 4.6. Информационная карта системы контроля амплитуды ускоряющего напряжения в ЛУ и системы стабилизации температуры корпуса ЛУ.

На информационном экране рис. 4.6. отображён момент режима работы линейного ускорителя - инжектора электронного пучка в Курчатовском институте на комплексе Сибирь-2. В верхней части слева показаны импульсы падающей и отражённой волны в волноводе. Показан синхронный с ними сигнал ускоряющего напряжения из центра линейного ускорителя. В максимуме амплитуды поля в структуре происходит инжекция тока пучка из пушки. Далее, ускоренный в ЛУ электронный пучок проходит канал ЭОК-1 и, затем, проведён на ЦФ. ЦФ установлен в эквивалентной плоскости входа в бустер Сибирь-1. Перед ЦФ стоит магнитный спектрометр с коллиматором для измерения эмиттанса пучка. На осциллограмме показано напряжение на ёмкости ЦФ нагруженного на 300 кОм. Положение старта пучка выставлено в максимуме ускоряющего поля в ЛУ. Длительность тока электронов из пушки 18 нсек.

Измерение высокочастотных импульсных сигналов в устройствах с мегаваттными уровнями мощности является важной и сложной задачей ускорительной техники. Измерительные цепи не должны ухудшать КСВН в трактах передачи мощности или создавать локальные перенапряжения электрических полей. Измерение уровня ВЧ мощности в волноводе в диапазоне 0,1—20 МВт и соответствующей ей напряжённости поля в ускоряющих резонаторах ЛУ, связано с существенными трудностями создания датчиков поля падающей и отражённой волн, при ослаблении уровня на -60—70 дБ. В тоже время, весьма проблематично избежать существенной ошибки при калибровке коэффициента ослабления. Практически на стенде, где доступны уровни СВЧ мощности 1-10 ватт, мы можем измерять с точностью несколько процентов калориметрическим измерителями микроваттной мощности уровни ослабления до -50дБ. На рис. 4.4. показан волноводный направленный ответвитель падающей и отраженной волны (-50дБ). [70, 74]

§ 4.2. Резонансный высочастотный разряд в волноводе и линейном ускорителе. Режим тренировки

Вакуумный объём линейного ускорителя собранный из метровых секций, а также объём пушки и по крайней мере треть волновода, не могут быть прогреты и обезгажены при температурах более100°С. Это было связано с отказом от высокотемпературной вакуумной пайки деталей линака и волновода размером более метра. Поэтому элементы волновода и ускоряющей структуры собраны из отдельных частей посредством индиевых уплотнений при контакте «медь-индий-медь» или «медь-индий-сталь» (температура плавления индия ~157°С) [50]. Если секции ЛУ при высокотемпературной пайке в вакуумной печи были обезгажены, то волноводу, его вакуумной части, необходимы специальные условия хранения и сборки обеспечивая чистоту высокого класса. Мы применяем волноводы из бескислородной меди, тем не менее, требуется специальная высокочастотная тренировка волновода и линака ВЧ разрядом при одновременной вакуумной откачке. Этот процесс обычно приводит к эмиссии вторичных электронов и релаксационному высокочастотному разряду с поглощением ВЧ мощности из волновода или диссипации накопленной энергии из структуры. В этом случае источник ВЧ мощности, выходной резонатор клистрона, испытывает рассогласование в канале, что может привести к перенапряжённости на участке керамического окна клистрона или в волноводе. При пробоях в волноводе или в структуре ЛУ, может выделяться практически вся накопленная энергия длинного волновода, что может приводить к локальному импульсному перегреву участка зоны пробоя.

Рис. 4.7. Начало тренировки: верхний луч - напряжение в центральной части ЛУ; нижний луч - амплитуда напряжения отраженной волны.

На осциллограмме рис. 4.7. отражено начало режима тренировки ускоряющей структуры ЛУ от 21 декабря 2002 г. Наблюдается мультипактор (вторично-эмиссионный электронный резонансный разряд) в центральной части структуры в области отверстия связи центрального резонатора и волноводного ввода мощности. Для этого момента тренировки характерна синхронность реакции возрастания отражённой волны в волноводе и релаксации ВЧ разряда в структуре ЛУ.

Рис. 4.8. Форма амплитуд после 72 часов тренировки: верхний луч - напряжение в центральной части ЛУ ; нижний луч - амплитуда напряжения отраженной волны. Большой уровень отражённой волны - РВР(мультипактор) в структуре ЛУ.

На рис. 4.8. показан результат после трёх суток тренировки, когда в ЛУ был получен устойчивый во времени режим. В этом режиме уровень падающей ВЧ мощности, поступающей из клистрона в волновод, составил -8-8.5 МВт. Этой мощности уже достаточно для проводки пучка по всей длине ускоряющей структуры (рис. 3.12.-3.13.). Ускоренный пучок на выходе линака с энергией -55 МэВ был получен 25 декабря 2002 года на инжекторе ТНК г. Зеленоград. Поставка оборудования ЛУ из Новосибирска в Зеленоград, сборка на стапеле, юстировка, тестирование ВЧ оборудования и магнитного сопровождения пучка, запуск клистронной станции, сборка волновода и его газовой системы, включение ВЧ системы ЛУ, тренировка структуры и получение ускоренного пучка, всё это, было произведено в течении ноября - декабря 2002 года. Можно с уверенностью утверждать, что приобретённый опыт запуска первого подобного линейного ускорителя-инжектора на комплексе Сибирь-2 в ИАЭ им Курчатова в 1992 г, позволил нам преодолеть технические трудности без доработок ВЧ узлов и успешно произвести запуск инжектора в сжатые сроки по плану. Приобретённый опыт запуска и тренировки первой структуры ЛУ и волновода в Курчатовском институте, позволил нам выявить слабые места в ВЧ системе инжектора.

В волноводных каналах ЛУ-инжекторов комплекса Сибирь-2 и ТНК г. Зеленоград, нет циркуляторов, поэтому длину волновода необходимо настроить с целью минимизировать напряжённость поля при больших уровнях отражённой волны в области керамических окон разделяющих газ и вакуум. Для настройки электрической длины волновода используются фиксированные волноводные вставки поз. 19-22 рис. 4.2. В тоже время, следует учитывать, что волновод имеет собственные резонансные частоты определяемые кратностью длин четверть волновых и полуволновых резонансов. В процессе запуска ЛУ была выявлена ненадежная работа волновода из-за пробоев керамического конусного окна, разделяющего газовую и вакуумную участки. «Заводская конструкция» этого окна была в точности такой, как конструкция выходного окна клистрона. Как оказалось, важным техническим условием эксплуатации конусных керамических окон до уровня 16 МВт в импульсе, является обязательное наличие газовой среды и охлаждения со стороны внешней части конуса керамики. Для повышения надежности работы волновода у нас в институте было спроектировано и изготовлено новое высоковольтное керамическое «баночное» окно [75], оно было установлено в волновод, а измерения частот резонансов в системе клистрон-волновод-ЛУ проведены экспериментально рис. 4.9., 4.10.

Рис. 4.9. Зависимость нормированных амплитуд напряжения отражённой волны в волноводе и ЛУ (инжектора ТНК) от частоты ВЧ генератора. 26.12.2002.

U(arb. ип) ЛУ-ннжект . . op ТНК ■ 1 I п * 1 II .1 ( 1

U над. волн, я U ш А я \\ / А f J 1 V ;^ иотр.волн. /

1 1

I ,| г— т-г------1---.-1—

2790 2795 2800 2805 2810 резонансные частоты в волноводе клистрон-ЛУ в [МГц]

Рис. 4. J 0. Зависимость нормированных амплитуд напряжения падающей и отражённой волны в волноводе от частоты ВЧ генератора. 26.12.2002.

Из графиков рис. 4.9.,4.10. видно, что необходимо продолжить удлинение волновода вставками для смещения резонансов волновода, понизив частоты приблизительно на -2 МГц относительно резонанса ЛУ.

§ 4.3. Электрическая прочность ускоряющей структуры, ограничения энергии электронов и тока пучка в инжекторе

Ускорение электронов в линейном ускорителе происходит при однократном прохождении каждым банчем 112 ускоряющих зазоров в линаке. Вследствие этого процесс влияния наведённого пучком тока в резонаторах каждым сгустком и всем пучком, практически не может развиться во всей структуре, т.к. полное время взаимодействия ускоряющей структуры с пучком -30 нсек, и постоянная времени нагруженной структуры -1.8 мксек. Импульс ВЧ -8 мксек, частота повторения 1-5 Гц. Общая длина траектории пучка от пушки до входа в бустер Сибирь-1 более 12 метров, 6 метров ускоряющей структуры ЛУ и -6 метров канал ЭОК-1. Измеренный уровень содержания гармоник на выходе клистрона в режиме работы волновода на эквивалент нагрузки составляет —26 дБ для второй гармоники при мощности -14 МВт. Предельный уровень выходной мощности клистрона -20 МВт.

В разработанном нами ЛУ - инжекторе существуют реальные причины ограничивающие энергию ускоренных электронов. Это электрическая прочность ВЧ структуры, не устойчивая работа генератора на уровне мощности более 17 МВт, токооседание в структуре ЛУ и согласующем канале ЭОК-1. Для импульсного режима работы характерны высокие напряжённости электрических полей в ускоряющих зазорах резонаторов, а стремление максимально использовать ВЧ мощность для получения максимального ускоряющего потенциала в зазоре структуры, неизбежно приводит к использованию структур с предельным шунтовым сопротивлением и большим коэффициентом перенапряжённости 3,8 - 5.6.

Первые результаты испытаний ускоряющих секций на предельный темп ускорения -100 МэВ/м по программе ВЛЭПП были опубликованы в 1978 -1983 г.г. [33]. Высокая электрическая прочность достигалась технологическими решениями: точение алмазными резцами, использование бескилороднй меди с упрочнением ковкой, ультрозвуковая мойка, безмаслянная откачка на вакуум, хранение в среде инертного газа и т.д. Эти технологии в нашем Институте к моменту производства линейного ускорителя были уже развиты и мы их использовали. При работе ЛУ -инжектора в ИАЭ им. Курчатова были достигнуты устойчивые напряжённости электрических полей в структуре ЛУ до 290 кВ/см на оси, что соответствует 80-85 МэВ энергии ускоренных в ЛУ электронов при уровне падающей мощности в волноводе -16.5 МВт. Электрическая прочность непосредственно зависит от состояния вакуума в системе и уровня возникающего при работе «темнового тока». Расчётные значения амплитуды напряжённости ускоряющего поля на оси, максимальной напряжённости на поверхности резонаторов и энергии ускоренных электронов показаны на рис. 4.11.

140-,

Г 120

I 100

80

60

40

20

МВ/м] [МэВ]

Ем на поверхности [МВ/м]

4::::. энергия jVl'.iRj^ .

Ем [МВ/м] на) оси ЛУ

-1—

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0

Вч мощность на выходе клистрона [МВт]

-г Г

I—

17,5 1

Рис. 4.11. Зависимость амплитуды напряжённости ускоряющего поля на оси, максимальной напряжённости поля на поверхности металла резонатора и энергии ускоренных электронов от мощности на выходе клистрона.

Физические явления ВЧ-разряда в вакууме и его происхождение в структуре ЛУ изучено приблизительно. При увеличении напряжённости поля начало разряда обычно проявляется увеличением темпового тока которое можно зафиксировать ухудшением вакуума и увеличением тока ионных вакуумных насосов. Электронный ток с поверхности резонаторов является следствием автоэлектронной эмиссии с острий выступов на которых возникает локальное увеличение электрического поля с образованием зон ионизации с газовым выделением с поверхности. Обычно это сопровождается рентгеновским излучением. Естественно, при больших уровнях мощности обязательным остаётся требование не провоцировать и не затягивать как пробои в ускоряющей структуре, так и пробои по керамической поверхности окна. Из-за пробоев в линаке рис. 4.12. и волноводе в переходном процессе происходит перекачка запасённой энергии и может происходить пробой керамического окна с образованием нагара со стороны газа.

Рис. 4.12. Режим тренировки. (РВОлН=8.5 МВт). Осциллограмма напряжения в ускоряющем зазоре в центре ЛУ и форма отражённой волны в волноводе на входе в ЛУ в согласованном режиме и в момент пробоя в структуре ЛУ. (ТИК г. Зеленоград).

В конусном с большой протяжённостью ~Л/2, керамическим окне происходил пробой который привёл к разрушеию керамики и образовалась сквозная течь с потерей вакуума. После постановки «баночного» керамического окна высокой прочности, задача повышения надёжности волновода в системе JIY на комплексе СИ Сибирь-2, была достаточно успешно выполнена. «ВЧ тренировкой» с одновременной откачкой, получен глубокий вакуум в системе, так что в настоящее время пробои в волноводе отсутствуют и при ускорении пучка в ЛУ до энергий 80-85 МэВ, наблюдался лишь шумовой характер изменения ускоряющего напряжения в максимуме. Темновой ток может быть спровоцирован электронным оседанием в первой и второй ускоряющей секции. Наиболее чувствительным датчиком подгрузки структуры темновым током и РВР является датчик отражённой волны с направленного ответвителя в волноводе.

Рис. 4.13. Экспериментальные зависимости от времени амплитуд падающей волны (1), отражённой волны (2) и амплитуды напряжения на линаке (3). Временная шкала кадра составляет 30 мксек. Амплитуда сигнала (3) с ЛУ в произвольных еденицах относительно (1) и (2).

5Qoe гс.вов .-лева

-.гае :-.i90 :-.4ae :-1.во

На предыдущей осциллограмме (см. рис. 4.12.) виден большой уровень отражённой волны в волноводе, это характерено для режима работы ЛУ с тлеющим РВР. Подобный сигнал можно сравнить для тренированной структуры ЛУ-инжектора на комплексе Сибирь-2, приведённый на рис. 4.13., фрагмент 1992 года после месяца работы комплекса ЛУ.

Передний фронт падающей волны (1) определяется фронтом импульса высоковольтного модулятора клистрона, он специально сделан с плавным нарастанием с целью уменьшения напряжённости поля в волноводе и вводе мощности в резонаторе связи при переходном процессе заполнения энергией структуры ЛУ. Амплитуда на переднем фронте отражённой волны (2) меньше амплитуды на фронте спада ВЧ энергии. Следует отметить, что единого рецепта тренировки ускоряющих структур не существует, все зависят от особенностей конструкции линейного ускорителя.

§ 4.4. Работа с пучком на ЛУ- инжекторе комплекса Сибирь-2

Наблюдение за траекторией и измерение поперечных профилей пучка электронов из линака осуществлялось при помощи двух многопроволочных сеточных вторично-эмиссионных датчиков,

DSB I

0S9Z \ 3 t Г г . 1 г*=- . 8С 1 КК 2« - . в72 ПН C*l . 41& НМ C-2.S29 НН I-S5-.4S 1-4». л XJ 1 \

Н-.17вг НМ К-.50?» им <7-1.224 НМ «7-3.542 ИМ I-8S.33 I- 44 .30

Q Far (Пр. ед.) 1.0

40 50 60 Энергия (МэВ)

Рис.4.14.Профили пучка в ЭОК-1.

Рис.4.15.Спектр энергии пучка линака. расположенных в электронно-оптическом канале (ЭОК-1). Они дают возможность измерить ток (заряд) и положение пучка. Примеры измеренных профилей пучка показаны на рис. 4.14., где одновременно указаны как координаты относительно оси ЭОК-1, так и среднеквадратичные размеры пучка на азимутах двух датчиков (DS01).

Экспериментальный спектр энергии электронного пучка на выходе линака в зависимости от напряжения на аноде клистрона КИУ-53А показан на Рис.4.15 [9, 38, 69]. Видно, что с ростом накопленной в ускоряющей структуре СВЧ энергии (при увеличении напряжения на аноде) растёт средняя энергия в пучке и, что особенно важно, уменьшается энергетический разброс. Этот факт стимулирует дальнейшую работу по увеличению энергии инжекции в Сибири-1 с целью увеличения разового захвата в режим накопления. В конечном итоге это сокращает время накопления в Сибири-2. Измерения энергетического спектра проводились на дисперсионном участке ЭОК-1 с помощью спектрометра, см. Рис 4.16.

Рис 4.16. Измерение параметров электронного пучка линака. 1-вертикальный новоротный магнит, 2 -измерительный канал, 3 - канал инжекции в Сибирь-1, 4 - сеточный датчик для измерения профилей пучка, 5 - цилиндр Фарадея, 6 - сигнальный кабель.

Спектрометр установлен перед впускным магнитом Сибири-1 и образован вертикальным поворотным магнитом электронно-оптического канала (ЭОК-1) с регулируемой горизонтальной щелью и цилиндром Фарадея полного поглощения. Перед цилиндром Фарадея размещается проволочный сеточный вторично-эмиссионный датчик положения и профилей электронного пучка. Меняя направление магнитного поля в вертикальном поворотном магните ЭОКа-1, можно менять знак угла отклонения по вертикали и работать либо в режиме инжекции в Сибирь-1, либо в режиме измерения полного тока или спектральных характеристик пучка линака. Измеренные параметры электронного пучка с энергией 75 МэВ на выходе из линака даны в Таблице 12.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации приведены результаты разработки, создания и исследования линейного ускорителя - инжектора электронного пучка с энергией 80 — 100 МэВ для комплексов СИБИРЬ-2 РНЦ «Курчатовский Институт» г. Москва и ТНК НИИФП им. Лукина г. Зеленоград. Показана возможность устойчивого ускорения электронного пучка в структуре УСШД с напряжённостью поля свыше 300 кВ/см. Получены следующие результаты:

1. Созданы два инжектора релятивистского электронного пучка 80-100 МэВ на основе ЛУ для накопительного комплекса синхротронного излучения СИБИРЬ-2 и для комплекса ТНК г. Зеленоград. Получен ускоренный ток 65 мА с энергетическим разбросом ДЕ/Е=1%, обеспечивающий работу комплекса СИ Сибирь-2.

2. Разработана, создана и исследована ускоряющая структура УСШД линейного ускорителя с высоким шунтовым сопротилением -95 Мом/м, работающая на стоячей волне в импульсном режиме.

3. Разработан и создан резонатор ввода мощности в ЛУ.

4. Разработан и создан волноводный тракт с уровнем ВЧ мощности 20 МВт в импульсе.

5. Разработана и создана ВЧ система возбуждения клистронной станции, система контроля и измерений.

6. Предложена методика настройки волноводного тракта, позволившая осуществить работу без циркулятора.

7. Создан стенд «холодных» измерений для прецизионных измерений высоких добротностей -30000 и частот ячеек структуры для отбраковки их перед пайкой.

8. Достигнута напряжённость электрического поля на поверхности резонатора -700 кВ/см при испытании части ускоряющей структуры Л У (-1/10) на электрическую прочность, что позволило не проводить дорогостоящую контрольную сборку всего ЛУ перед отправкой на комплексы Сибирь-2 и ТНК г. Зеленоград.

Полученные экспериментальные результаты, как качественно, так и количественно, хорошо согласуются с теоретическими представлениями.

Реультаты работы могут быть использованы для проектирования и создания линейных ускорителей релятивистского электронного пучка с энергией 80- 100 МэВ, работающих в импульсном режиме.

Автор благодарен директору института академику А.Н. Скринскому за постоянный интерес и внимание к работе.

Автор благодарен инициаторам указанной работы: академику Г.Н. Кулипанову, профессору М.М. Карлинеру, докторам наук В.М. Корчуганову, О.А. Нежевенко, к.т.н. Г.Н. Острейко.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю к.т.н. Острейко Г.Н. за обсуждение основных вопросов изложенных в диссертации, и руководство работой.

Автор искренне благодарит коллег: Г.И. Кузнецова, Э. А. Купера, Е.В. Козырева, И.Г. Макарова, А.С. Медведко, Б.З. Персова, С.И. Рувинского, Ю.И. Семёнову, М.А. Тиунова, В.Л. Ушакова, А.В. Филипченко, К.Н. Чернова, Е.Н. Шаймерденова, В.П. Яковлева за длительное полезное сотрудничество и непосредственную помощь в работе.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам Института, принимавшим участие в конструировании, создании и запуске описанных линейных ускорителей - инжекторов электронного пучка: Беловой Л.Л., Гудкову Б.Г., Загородникову Е.И., Запрягаеву И.А., Кокину Е.Н., Матвееву Ю.Г., Маяцкому А.С., Матяшу Н.В., Мелеховой Р.В., Степанову В.В., Тарарышкину С.В., Тарнецкому В.В.

1. Дж. Ливингуд., «Принципы работы циклических ускорителей»., Перевод с английского. Под редакцией В.И. Данилова., Изд. иностранной литературы., М., 1963.

2. Скринский А.Н. Встречные пучки - настоящее и будущее. - В кн.;

3. Труды шестого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц

4. Дубна, 1978). Дубна, 1979, т.1, с. 19-25.

5. Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы // Успехи физ. Наук.-1977.-Т.122.-С. 369.

6. Синхротронное излучение в геохимии. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние,1989. -152 с.

7. М.М. Karliner, V.F. Klyuev,., G.V. Serdobintsev, et al., "High Current Linear Accelerator for VEPP-4. Beam Dynamics". Preprint INP 82-18, (Novosibirsk, 1982, in Russian).

8. V.E. Akimov, P.D. Vobly,., G.V. Serdobintsev, V.P.Yakovlev, "Accelerating System of Racetrack Microtron", Proceedings of XI Ail-Union Conference on Particle Accelerators, Dubna, JINR, 1989, v.l, p.268, Russian.

9. M.M. Karliner, O.A. Nezhevenko,., G.V.Serdobintsev, et al., " 100 MeV Electron Linac with the DAW Structure as an Injector for the Siberia-2 Storage Ring", Proc. of European Particle Accelerators Conference, Rome,1988, V.l, pp.602-604.

10. V.G. Vescherevich, M.M. Karliner,., G.V. Serdobintsev, et al., "Electron Injector for storage ring SIBERIA-II", Proceedings of XI All-Union Conference on Particle Accelerators, Dubna, JINR, 1989, v.2, p.26.

11. O.A. Nezhevenko, G.N. Ostreiko,., G.V.Serdobintsev, et al., Electron Preinjector for SIBERIA-2 SR Storage Ring, in Conference Record-1991 IEEE

12. Particle Accelerator Conference, edited by L.Lizama and J.Chew IEEE, New York, 1991., vol. 5, pp. 3186-3188.

13. Вещеревич В.Г. и др. Сильноточный ЛУ комплекса ВЭПП-4. Ускоряющая структура. Препринт ИЯФ 83-140. Новосибирск, 1983.

14. М.М. Карлинер и др. Сильноточный ЛУ комплекса ВЭПП-4. Система высокочастотного питания. Препринт ИЯФ 84-110. Новосибирск, 1984.

15. В.Е. Акимов и др. Ускоряющая система разрезного микротрона. -Препринт ИЯФ 89-162. Новосибирск, 1989.

16. М.М. Карлинер, О.А. Нежевенко, Б.М. Фомель, В.П. Яковлев. К вопросу о сравнении ускоряющих структур, работающих на накопленной энергии. Препринт ИЯФ 86-146. Новосибирск, 1986.

17. Вальднер О. А., Власов А.Д., Шальнов А.В. Линейные ускорители. М., Атомиздат, 1969.

18. Зверев Б.В., Собенин Н.П. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. М.: Энергоатомиздат, 1993. - 240 с. - ISBN 5-28304046-1.

19. Андреев В.Г. Определение геометрии структуры со знакопеременным ускоряющим полем на тг/2 волне. ЖТФ, 1971, т.41, с.788-796.

20. Справочник по диафрагмированным волноводам / О. А. Вальднер, А.Д. Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин. М.: Атомиздат, 1978.

21. Лебедев А.Л., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. Т.З. Линейные ускорители. М., Энергоатомиздат, 1983.

22. Гроссман Ю.С. Теоретические основы радиотехники. Волноводы и резонаторы. МВИРТУ. (Минского высшего инженерного радиотехнического училища войск ПВО страны), 1950.

23. Lapostolle P.M., Septier A.L. Linear Accelerators: Amcterdam: Nors -Holland Publishing Company. 1970.

24. О.А. Nezhevenko, V.P. Yakovlev, J.L. Hirshfield, G.V. Serdobintsev, S.V. Schelkunov, B.Z. Persov, "34.3 GHz Accelerating Structure For High Gradient Tests," PAC2001, Chicago. June 17-22, 2001, pp. 3849-3851

25. O.A. Nezhevenko, V.P. Yakovlev, J.L. Hirshfield, and G.V. Serdobintsev,

26. Pulsed Heating Experiments At 34 GHz," РАС 2003, Portland, May 11-16, 2003, pp. 2881-2883.

27. Жилейко Г.И., Высовольтные электронные пучки. М., «Энергия», 1968.

28. Ускоряющие структуры со стоячей волной / А.А. Завадцев, Н.П. Собенин //ЖТФ. 1984. Т. 54. Вып. 1. С. 82-87.

29. Рамо С. и Уиннери Дж. Поля и волны в современной радиотехники. -2-е изд., перераб. -М.: Гостехиздат, 1950. -268с., илл.

30. Л.А.Арцимович, С.ЮЛукъянов, Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. «Наука». М., 1978.

31. Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. Том И. М., «Высш. школа», 1973.

32. Главатских К.В. и др. Ускоряющие структуры линейных ускорителей электронов с большим коэффициентом полезного действия.// Вопросы Атомной Науки и Техники, серия: Яерно-Физические Исследования (Теория и Экспиримент),1989, вып. 6(6), 1-112.

33. Knapp Е.А. et al. Standing Wave High Energi Linear Accelerator Structures. -Rev. Sci. Instr., 1968, 39, p.979-991.

34. Собенин Н.П., Степнов B.B., Школьников Э.Я. Нагрузка током в периодических структурах в стационарном режиме // Ускорители: Сборник науч. Трудов МИФИ, М.: Атомиздат, 1979. Вып. 17. С. 88-93. .

35. В.Г. Вещеревич и др. Резонансная структура линейного ускорителя электронов на стоячей волне. Вопросы атомной науки и техники. Серия: линейные ускорители, вып. 2(5), с. 17, Харьков, 1977.

36. Plass G. The LEP projekt status and plans. - In: IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol.Ns-30, № 4, Part 1, August 1983, p. 1978-1982.

37. Балакин B.E. и др. Ускоряющая структура ВЛЭППа. Исследование максимально достижимого темпа ускорения. -Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1978, с. 140.

38. V.E. Akimov, .Е. Vecheslavova,., G.V. Serdobintsev, V.P.Yakovlev, "Status of INP microtron", Proceedings of X All-Union Conference on Particle Accelerators, Dubna, JINR, 1986, p.57, (in Russian).

39. Акимов B.E. и др. Состояние работ по созданию разрезного микротрона в ИЯФ СО АН СССР. Труды десятого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна. 1987, т. II, с.113.

40. V.E. Akimov, P.D. Vobly,., G.V. Serdobintsev, V.P.Yakovlev, "Accelerating System of Racetrack Microtron", Proceedings of XI All-Union Conference on Particle Accelerators, Dubna, JINR, 1989, v.l, p.268, Russian.

41. V.E. Akimov, P.D. Vobly,., G.V. Serdobintsev, V.P.Yakovlev, "Accelerating System of Racetrack Microtron", Preprint INP 89-162 (Novosibirsk, 1989.)

42. Акчурин Ю.И., Белоглазов В.И., и др. Ускоритель ЛУЭ-60 как инжектор технологического источника синхротронного излучения.//Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Ядерно-физические исследования. Теория м эксперимент. 1989. Вып. 5(5). С. 3-10.

43. Hayakava К., et al. Conseptual Design for a CW 1-GeV Dauble-Side Microtron. In: IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. Ns - 30, № 4, Part 1, August 1983, p.3224 - 3227.

44. Stiening R. The status of the SLAC linear collider project. In: IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol. Ns - 30, № 4, Part 1, August 1983, p. 1976-1977.

45. Горникер Э.И., Карлинер M.M.,., Сердобинцев Г.В., Шехтман И.А.

46. Гирокон»// Релятивистская высокочастотная электроника. ИПФ АН СССР, Горький, 1979.

47. Карлинер М.М., Макаров И.Г.,., Сердобинцев Г.В., и др. Круговая развёртка пучка в гироконе.//Препринт ИЯФ СО АН СССР, № 147, 1982.

48. I. Kazarezov, Е. Kozyrev, , G. Serdobintsev, et al., "First Experimental Results For X- Band Magnicon", Proceedings of International Workshop on Pulsed RF Power Sources For Linear Colliders (RF'93),July,5-9, 1993, Dubna-Protvino, Russia, pp. 274-277.

49. O.Nezhevenko, I.Kazarezov,., G. Serdobintsev, et al., "First Test of the X-Band Pulsed Magnicon", In Proceedings of the 1993 IEEE Particle Accelerator Conference, Washington, 1993, pp. 2650-2652.

50. I. Zapryagaev, I.Kazarezov,., G. Serdobintsev, et al., "Status of X-Band Pulsed Magnicon", In Proceedings of the 1994 European Particle Accelerator Conference (EPAC94, London, June 1994), pp. 739-741.

51. Калинин В.И., Герштейн Г.М. Введение в радиофизику .//Государственное изд. технико-теоретической литературы. 1957 г.,М.:В-71, Б.Калужская. 15.

52. Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Механика, том I. Серия: «Теоретическая физика», Том I. М.: Наука, 1973 г., 208 стр. с илл.

53. Макаров И.Г., Персов БЗ. О переходном сопротивлении разъёмных контактов с индиевой прокладкой на высокой частоте. -Новосибирск 1979 г. -14 с. (Препринт/ ИЯФ СО РАН; 79-15).

54. Пакет программ MULTIMODE для расчёта спектра частот осесимметричных и продольных однородных электромагнитных резонаторов методом конечных элементов / В.А. Касчиева, М.С. Касчиев и др. Препринт ИФВЭ 82-92. Серпухов, 1982.

55. Расчёт спектров частот электромагнитных резонаторов в пакете программ MULTIMODE / В.А. Касчиева, М.С. Касчиев и др. // Тр. VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1983. Т.1. С. 153.

56. LANS новая программа для расчётов ВЧ резонаторов с аксиальной симметрией / Б.М. Фомель, В.П. Яковлев, М.М. Карлинер и др. // Particle Accelerators. 1981. Vol. 11. P. 172-181.

57. LANS-2 программа для расчёта азимутально-неоднородных колебаний в аксиально-симметричных резонаторах / М.М. Карлинер, Б.М. Фомель, В.П. Яковлев. Препринт ИЯФ 83-114. Новосибирск. 1983.

58. В.В. Парамонов. Методы увеличения коэффициента связи в биперио-дических ускоряющих структурах. XV Workshop, Protvino. 1996. p. 161.

59. Т.Танака, К.Хаякава,.и др. Испытание метровой секции ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами. IEEE Тг. On Nucl. Sci., 1983, NS-30.

60. V.Korchuganov, A. Bulydin,., G. Serdobintsev, e.a. "Injection complex the dedicated synchrotron radiation SIBERIA 2.", Bulleten of the American Physical Society. -1995. -Vol. 40, N3. - P. 1250.

61. B.A. Gudkov, V.N. Korchuganov,., G.V. Serdobintsev, et al., "Status of "Siberia-2"Sr source preinjector "// XVI International Workshop on Charged Particle Linear Accelerators, September 6-12, Alushta, the Crimea.

62. Ворогушин М.Ф., «Труды VII межвузовской конференции по электронным ускорителям», Вып. 1, М., Атомиздат, 1970.

63. М.М. Карлинер, В.Ф. Клюев, .Г.В. Сердобинцев, и др. Сильноточный линейный ускоритель комплекса ВЭПП-4. Динамика пучка. Препринт ИЯФ 82-18. Новосибирск, 1982.

64. Haimson J., IEEE Trans. Nucl. Sci., 1966, NS 12, 3, 966.

65. Молоковский С.И., Сушков А.Д., «Интенсивные электронные и ионные пучки», Д., Энергия, 1972.

66. Клеен В., «Введение в электронику сверхвысоких частот», ч.1,"Советское радио", 1963.

67. Транспортировка пучков заряженных частиц/ Мешков И. Н. -Новосибирск: Наука. Сиб. От-деление, 1991. 222 с. ISBN 5-02-029697-Х.

68. E.I. Zagorodnikov, V.N. Korchuganov,., G.V. Serdobintsev, et al. Comissioning of the Linear Accelarator-Injector at the TNK Facility. // Problems of Atomic Sience and Tehnology. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.3-5.

69. Линейный ускоритель инжектор комплекса специализированного источника синхротронного излучения в РНЦ "Курчатовский институт"/ А.Г. Валентинов, Б.А. Гудков, .Сердобинцев Г.В. и др. Препринт ИЯФ 2002-29. Новосибирск,2002.

70. L.L. Belova, K.N. Chernov, G.N. Ostreiko, G.V. Serdobintsev, V.V. Tarnetsky. RF pulsed measurements at the TNK Linear Accelarator-Injector// Problems of Atomic Sience and Tehnology. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.72-75.

71. Chernov K. N., Logachev P.V.,.,Serdobintsev G.V., et al. I. Buncher of Electron Linac-Injector for a Synchrotron // Problems of Atomic Sience and Tehnology. 1999. № 3. Series: Nuclear Physics Investigations (34), p.44-46.

72. V.L. Auslender, V.G. Cheskidov,.G.V. Serdobintsev, .et al. 5 MeV 300 kW Electron Accelerator Project.// Problems of Atomic Sience and Tehnology. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.6-8.

73. Karliner M.M., Kozyrev E.V.,., Serdobintsev G. V. Stady of Electron Beam Conversion at Girocon-Linear Accselerator Facility// Problems of Atomic Sience and Tehnology. 2004. № 1. Series: Nuclear Physics Investigations (42), p.94-97.

74. Chernov K.N., Makarov I.G,., Serdobintsev G. V. Waveguide Channel for TNK Linear Accselerator Injector// Problems of Atomic Sience and Tehnology. 2004. № 1. Series: Nuclear Physics Investigations (42), p. 111-114.

75. S. Yu. Kazakov et al // S and X- band RF Widows of TWC-type. Proc. of XV Conf. on Charget part. Acc., Protvino. 2000, v.l, p.83.