Основные системы и элементы форинжектора ВЭПП-5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ШИЯНКОВ Сергей Владимирович

ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ФОРИНЖЕКТОРА ВЭПП-5

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Логачев - кандидат физико-математических наук,

Павел Владимирович Институт ядерной физики

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: _ ,

Ковалев - кандидат технических даук,_,

Вячеслав Павлович Всероссийский научно-исследовательский

институт технической физики им. Е.И. Забабахина, г. Снежинск. Салимов - доктор технических наук, профессор,

Рустам Абельевич Институт ядерной физики

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

ВЕДУЩАЯ - ГНЦ РФ "Институт теоретической и

ОРГАНИЗАЦИЯ: экспериментальной физики", г. Москва.

Защита диссертации состоится «2-^ » ^Я-УССа©^^ 2005 г. в « Л \ часов на заседании диссертационного совета Д.ООЗ .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: «

2 » УЧОЯ^/р ^ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

Jcoizi Ш06П

IffJZis

Общая характеристика работы Актуальность темы

Для проведения экспериментов по физике высоких энергий на современном уровне требуется высокая производительность, или светимость ускорительных комплексов на встречных электрон-позитронных пучках. Получение высокой светимости возможно лишь при наличии интенсивного источника позитронов с производительностью не менее Ю10 позитронов в секунду. Максимальная производительность действующих в ИЯФ СО РАН позитронных источников на комплексах ВЭПП-2М, ВЭПП-З и ВЭПП-4 не превышает 1.8-108 позитронов в секунду. Такой производительности, к примеру, недостаточно, чтобы обеспечить проектную светимость строящегося в ИЯФ комплекса ВЭПП-2000. Дефицит позитронов наблюдался на всех работавших в ИЯФ установках со встречными электрон-позитронными пучками. Именно поэтому в 1990 году были начаты работы по созданию современного Инжекционного комплекса с интенсивным источником позитронов (более Ю10 позитронов в секунду) на основе линейных ускорителей S-диапазона (2856 МГц).

Диссертация посвящена разработке, проектированию и изготовлению основных систем и элементов форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5.

Цель работы

Решение задач, связанных с разработкой, проектированием и изготовлением основных систем и элементов форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5.

Научная новизна

1. Впервые в России создан и успешно ипытан линейный ускоритель на частоту 2856 МГц с параметрами на уровне лучших мировых установок такого типа.

2. Разработана и изготовлена ускоряющая структура на частоту 2856 МГц, отличающаяся от аналогичных структур, имеющихся в других научных центрах, конструкцией основных элементов (рубашка охлаждения, трансформатор типа волны и т.д.). Особенности конструкции позволяют изготавливать структуры любой длины, облегчают изготовление и обслуживание. Отлажена технология мелкосерийного производства ускоряющих

структур. j рос. НАЦИОНАЛЬНАЯ ,

\ I БИБЛИОТЕКА I

ч| illij» т

3. Разработано и изготовлено три варианта СВЧ нагрузок на основе нержавеющей стали 20X13, перекрывающих весь необходимый диапазон поглощаемой мощности от 5 МВт до 120 МВт. Конструкция нагрузок оригинальна и не имеет аналогов в мире.

4. Разработана конструкция, изготовлен и успешно испытан импульсный конверсионный магнит. Получены рекордные результаты по выходу позитронов. Конструкция магнита оригинальна и не имеет аналогов в мире.

5. Разработан и изготовлен пучковый датчик, позволяющий контролировать и измерять параметры интенсивного пучка не разрушающим методом. Конструкция и физический принцип действия датчика оригинальны и не имеют аналогов в мире.

Основные результаты работы, выносимые на защиту

1. Разработка, изготовление и запуск в работу, как основных систем и элементов форинжектора ВЭПП-5, так и ускорительного комплекса в целом.

2. Разработка конструкции и технологии изготовления ускоряющей структуры на рабочую частоту 2856 МГц. При создании изделия наряду с известными методами и подходами было использовано и большое число оригинальных разработок. Например: трансформатор типа волны, который сочетает в себе несколько функций, конструкция соединительного узла и сама технология соединения полуструктур.

3. Разработка конструкции и технологии изготовления волноводных вакуумных СВЧ нагрузок, перекрывающих весь диапазон поглощаемой импульсной мощности от 5 МВт до 120МВт.

4. Разработка конструкции и .технологии изготовления импульсного конверсионного магнита.

5. Разработка элементов конструкции пучкового датчика.

Практическая ценность результатов работы

1. Разработан и испытан линейный ускоритель 8-диапазона (2856 МГц) для получения интенсивного электронного пучка.

2. На разработанных ускоряющих структурах получен рекордный темп ускорения электронного пучка (50 МэВ/м).

3. Разработана и испытана компактная и эффективная нагрузка на большую импульсную и среднюю мощность в 8-диапазоне.

4. Разработанный и ипытанный конверсионный магнит продемонстрировал рекордные характеристики.

5. Разработанные пучковые датчики успешно функционируют в

системе диагностики пучков форинжектора инжекционного

комплекса.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы были опубликованы в работах [1-13]. Результаты докладывались на научных семинарах Института Ядерной Физики им. Будкера, CERN (Швейцария), SLAC (США), КЕК (Япония), на российских и международных конференциях.

Объем работы

Диссертация выполнена на 147 страницах машинописного текста и состоит из введения, семи глав, содержащих 75 рисунков и 1 таблицу, заключения, списка литературы из 23 наименований и приложения из 10 фотографий.

Содержание работы

Во введении дано пояснение необходимости строительства в ИЯФ СО РАН современного инжекционного комплекса с интенсивным источником позитронов. Здесь же приведены параметры источника позитронов в сравнении с параметрами аналогичных зарубежных комплексов. Далее приведено описание форинжектора ВЭГГП-5 (Рис. 1) и краткое содержание всех глав диссертации.

Первая глава работы посвящена конструкции, особенностям и основным этапам изготовления ускоряющей структуры. Ускоряющая структура форинжектора ВЭПГТ-5 (Рис. 2) представляет собой отрезок круглого диафрагмированного волновода с постоянным импедансом (постоянной геометрией ячеек вдоль структуры) с двумя трансформаторами типа волны по краям. Ускорение частиц в структуре происходит под воздействием продольной составляющей электрического поля бегущей волны. Трансформатор типа волны преобразует основную моду прямоугольного волноводного тракта НЮ в ускоряющую моду Е01 круглого диафрагмированного волновода.

Ускоряющая структура собирается из двух полуструктур, ее общая длина составляет 3040 мм. Полуструктуры свариваются друг с другом через переходные ускоряющие ячейки и соединительную диафрагму Для снятия избыточного тепла и термостабилизации

3

структуры существует водяной канал между основным телом структуры и рубашкой охлаждения. Рубашка охлаждения выполняет еще и функцию защиты медного тела структуры от механических повреждений и так же служит для придания жесткости структуре.

Рис. 1. Схема форинжектораВЭПП-5. 1 - электронная пушка, 2 - субгармонические резонаторы, 3 - магнитная система группирователя, 4 - группирователь на основной частоте, 5 -соленоид 2,5 кГс, 6 - квадрупольная линза, 7 - первая электронная ускоряющая структура (76 МэВ), 8 - регулярная ускоряющая структура (54 МэВ), 9 - корректор (датчик положения пучка), 10 - шибер, 11 -проволочный датчик, 12 - магнитный спектрометр, 13 - пучковый датчик, 14 - люминофорный датчик, 15 - квадрупольная линза поворота, 16 -поворотный магнит, 17 - триплет, 18 - конверсионная система, 19 - катушка конвертора, 20 - согласующая катушка, 21 - соленоид 5 кГс, 22 - первая позитронная структура.

Рис. 2. Ускоряющая структура. 1 - регулярная ускоряющая ячейка, 2 - трансформатор типа волны, 3 -переходная (соединительная) ускоряющая ячейка, 4 - соединительная диафрагма, 5 - рубашка охлаждения.

Далее в первом, втором и третьем пунктах описаны три наиболее важных элемента структуры ускоряющая ячейка, трансформатор типа волны и переходной узел, позволяющий наращивать длину структуры. В каждом пункте даны описание конструкции и основные этапы изготовления элементов. Так, например, для ускоряющей ячейки важным является вопрос о сохранении внутренних размеров на всех этапах изготовления и в конечном изделии. Незначительное изменение размеров ячейки приводит к существенному изменению частоты. Уход размера на 0.01 мм приводит к изменению частоты на 0.36 МГц. Размеры ячейки сохраняются благодаря ряду рекристал-лизационных отжигов, проводимых на всех этапах изготовления. В четвертом пункте первой главы описана окончательная сборка ускоряющей структуры.

Во второй главе освещены аналогичные вопросы, относящиеся к СВЧ нагрузке (Рис. 3). Волноводная, вакуумная СВЧ нагрузка является элементом СВЧ тракта линейного ускорителя и предназначена для поглощения выходящей из ускоряющей структуры СВЧ мощности, а так же для тестирования отдельных СВЧ элементов на этапе наладки ускорителя.

Рис. 3. СВЧ нагрузка. 1 - корпус нагрузки, 2 - резонансная ячейка, 3 - крышка, 4 - рубашка охлаждения, 5 - плунжер, 6 - зажим для плунжера, 7 - волноводный фланец.

К СВЧ нагрузке для форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5 предъявляются следующие основные требования:

1. Рассеиваемая в нагрузке импульсная СВЧ мощность до 120 МВт.

2. Средняя рассеиваемая мощность до 12 КВт.

3. Уровень согласования в полосе частот ±5 МГц относительно рабочей частоты, КСВН <1,2.

4. Низкое газоотделение, в том числе при повышенных температурах.

5. Низкая стоимость.

6. Высокая надежность.

7. Возможность дальнейшего совершенствования без изменения основной конструкции изделия.

СВЧ нагрузка представляет собой набор резонансных ячеек, соединенных с волноводом 34x72 мм по широкой стороне волновода. Для подстройки нагрузки служит плунжер, перемещением которого меняется расстояние до отверстий связи. Изменение положения плунжера меняет положение максимума магнитного поля вдоль волновода, что позволяет регулировать коэффициент связи волновода с резонансными сборками. После окончательной выставки плунжера, посредством зажима, устанавливается электрический контакт между стенкой волновода и плунжером. Далее шток плунжера и фланец свариваются, и выступающая часть штока отрезается. Соединение СВЧ нагрузки с волноводным трактом осуществляется через волноводный фланец (conflate).

При работе форинжектора ВЭПП-5 необходимо принимать разные уровни СВЧ мощности. На основе данной конструкции СВЧ нагрузки разработаны и изготовлены три типа нагрузок.

1. Мощная СВЧ нагрузка (до 120 МВт импульсной мощности). Данная нагрузка предназначена для тестирования ускоряющих структур и для установки после первой электронной и первой позитронной ускоряющими структурами, т.к. в эти структуры подводится половина СВЧ мощности от клистрона. (Зтличие от базового изделия в количестве резонансных ячеек (по 10 с каждой стороны) и в конструкции резонансной ячейки.

2. Средняя СВЧ нагрузка (до 64 МВт импульсной мощности). Это базовый вариант. Данные нагрузки предназначены для установки на выходе регулярных ускоряющих структур, в которые подводится четверть мощности от одной клистронной станции.

3. Слабая СВЧ нагрузка (до 5 МВт импульсной мощности)- Данная нагрузка устанавливается на волноводные мосты для приема отраженной от различных элементов волноводного тракта СВЧ мощности. Слабая нагрузка состоит всего из двух резонаторов образованных корпусом нагрузки и крышкой, т.е. резонансные ячейки отсутствуют. Нагрузка изготавливается в двух вариантах с рубашкой охлаждения и без рубашки охлаждения. Вторая часть главы рассказывает о корпусе нагрузки, его конструкции и изготовлении. Третья часть посвящена резонансным ячейкам. Так как для нагрузок разной мощности потребовались разные резонансные ячейки, то в первый и второй подпункты третьей части главы рассказывают о резонансной ячейке нагрузки средней мощности и резонансной ячейке мощной нагрузки. Здесь указаны требования к ячейкам, представлены конструкции и особенности изготовления. В третьем подпункте приведены температурные режимы ячеек. Четвертая часть посвящена окончательной сборке СВЧ нагрузки.

В третьей главе данной работы дано описание разработанных измерительных приспособлений. Изготовление СВЧ элементов требует постоянного радиочастотного контроля в течение всего процесса изготовления. Первые два пункта описывают измерения регулярных ускоряющих ячеек и трансформаторов типа волны на универсальном приспособлении. Здесь дана конструкция приспособления, приведены требования, предъявляемые к проведению измерений и способы их реализации. Во второй части также представлены схема и конструкция приспособления для измерения трансформатора типа волны, полуструктуры и ускоряющей

> структуры при помощи подвижного плунжера. Третья часть посвящена настройке полуструктуры перед пайкой, а четвертая измерениям уже спаянной полуструктуры. Здесь приведены два

> метода измерений и способы их реализации. Метод короткозамкнутого поршня и метод малых возмущений. После пайки двух полуструктур производится установка соединительной диафрагмы и сварка их друг с другом. Сварка проводится на специальном приспособлении при постоянном радиочастотном контроле. Разработанная конструкция приспособления и этапы окончательной сварки ускоряющей структуры даны в пятой части третьей главы.

Четвертая глава посвящена магнитной системе форинжектора. Магнитная система форинжектора предназначена для обеспечения поперечной фокусировки пучка в процессе ускорения в электронном и позитронном линейном ускорителе и во время транспортировки в 180°-ом изохронном повороте. Магнитная система состоит из следующих элементов:

• Магнитная система группирователя (кольцевые катушки).

• Соленоиды.

• Квадрупольные линзы.

• Корректора.

• Поворотные магниты и фокусирующий триплет.

В первой части главы представлена магнитная система группирователя, даются требования к системе и ее конструкция. Во второй части описаны соленоиды. На ускорителе установлены два соленоида с полем 2.5 и 5 кГс на первой электронной и первой позитронной ускоряющих структурах соответственно. Кроме того, перед позитронным соленоидом располагаются согласующая катушка и катушка конвертора. В этой части приведены конструкции, способы изготовления и параметры вышеуказанных элементов. В линейном ускорителе энергия пучка постоянно увеличивается и для квадру-польной фокусировки требуются линзы с постоянно увеличивающимся градиентом поля. Третья часть рассказывает о квадрупольных линзах прямолинейных участков форинжектора. Здесь приведены формулы для расчета каждой квадрупольной линзы, а также особенности изготовления и расположения. В четвертой части главы показана разработанная конструкция корректоров положения пучка, устанавливаемых в промежутках между ускоряющими структурами, их типы и параметры. В пятой части даны конструкции и параметры элементов изохронного поворота и фокусирующего триплета. В изохронный поворот входят три поворотных магнита, пять квадрупольных линз и триплет.

Пятая глава работы посвящена конверсионной системе форинжектора. Основной частью системы является импульсный конверсионный магнит (Рис. 4), который представлен в первом пункте главы.

Конверсионный магнит монтируется на фланце вакуумной камеры на кронштейнах. Выводы первичной обмотки импульсного трансформатора выходят в атмосферу через проходной коаксиальный вакуумный ввод, три трубки двух параллельных контуров водяного

охлаждения проходят через фланец вакуумной камеры, а потенциальная трубка охлаждения проходит через ввод обмотки трансформатора. В конструкции предусмотрена возможность юстировки магнита, а также возможность изменения положения мишени.

Рис. 4. Конверсионный магнит форинжектора ВЭПП-5 в сборе с конверсионной мишенью и вакуумным фланцем.

Основные параметры магнита: • Максимальное значение магнитного поля

• Общий ток конической полости магнита

• Максимальное напряжение накопителя

• Энергоемкость накопителя

• Длительность импульса тока

• Частота работы

• Средняя потребляемая мощность

При разработке конверсионного магнита приходится решать три основные проблемы в отношении механики, энергетики и оптики таких импульсных устройств. Описание и возможные пути решения этих проблем освещены в первом и втором подпунктах. Далее показан выбор и обоснование принятого варианта импульсного

9

В= 10 Тл. 1= 120 кА. и= 1.2 кВ. \¥ = 90 Дж. х ~ 26 мкс. Г = 50 Гц. Р я 4 кВт.

магнита. В четвертом и пятом подпунктах приведены описания прототипа и рабочего варианта магнита. Разработанная конструкция и особенности изготовления рабочего варианта импульсного магнита даны во втором пункте пятой главы. Более подробно здесь выделены корпус и обмотка, как основные элементы магнита. Следующий пункт посвящен конверсионной мишени. Здесь присутствует описание

5,0

4,5

4,0

3,5

п 3,0 О

"х 2,5 +0>

1,5 1,0 0,5 0,0

■ ■ ' 1

■ ■

■ а^1 1

/ г

1*

" --- — — ----

[ " '

1 |

265 МэВ 250 МэВ 240 МэВ

220 МэВ

10 20 30 40 50 60 70

В^кС)

Рис. 5. Экспериментальная зависимость числа ускоренных позитронов от величины импульсного магнитного поля для разных энергий электронного пучка (при этом темп ускорения в позитронной секции тоже меняется), ю-

40 60 Е(МеУ)

Рис. 6. Энергетический спектр позитронов.

энергетики и механики мишени, ее конструкция, а также описание возможности инжекции в ускоритель электронного пучка в обход мишени. В четвертом пункте приводятся экспериментальные результаты, полученные при испытаниях магнита на стенде и при штатной работе системы на форинжекторе. На рис. 5 показаны зависимости числа частиц в позитронном сгустке от величины импульсного магнитного поля для разных энергий электронного пучка. Энергетический спектр позитронов после ускорения в первой позитронной ускоряющей структуре показан на рис. 6.

Шестая глава посвящена системе диагностики пучка при работе форинжектора в номинальном режиме и в режиме отладки. В пяти подпунктах главы описываются датчик положения пучка и заряда сгустка, вторично-эмиссионный профильный монитор, люмино-форный датчик, магнитный спектрометр и пучковый датчик. Акцент сделан на конструкциях, особенностях изготовления и параметрах элементов.

Развитие коллайдеров, как линейных, так и циклических, идет не только по пути увеличения энергии сталкиваемых пучков, но и в направлении увеличения светимости. Созданы и уже включаются на эксперименты коллайдеры нового поколения с рекордной светимостью, так называемые фабрики. Увеличение же светимости требует уменьшения размеров пучков и увеличения их плотности. При этом растет до предельных значений как число частиц в отдельном сгустке, так и число сгустков на орбите. В таких условиях динамика коллективного движения частиц при их взаимодействиях с остаточными электромагнитными полями в элементах вакуумной камеры определяет параметры сгустков и светимость установки. Исследование динамики пучков в установке со сверхвысокой светимостью требует новых методов неразрушающей диагностики интенсивных пучков. Для реализации одного из таких новых методов был спроектирован, изготовлен и испытан пучковый датчик.

Метод основывается на отклонении (развертке) тонкого электронного пучка низкой энергии (20-И ООкэВ) в полях релятивистского сгустка заряженных частиц. Тестирующий пучок пролетает перпендикулярно направлению движения релятивистского сгустка с прицельным параметром р и, попадая на экран, расположенный перпендикулярно оси X на расстоянии Ь от него, прорисовывает замкнутую кривую (Рис. 7).

Анализ получаемого изображения позволяет восстановить продольное распределение заряда в релятивистском сгустке в следующих приближениях:

• исследуемый сгусток должен быть ультрарелятивистским, т.к. в этом случае его поля записываются наиболее просто и линейно связаны с продольной плотностью заряда;

• углы поперечного отклонения частицы тестового пучка должны быть малы, что равносильно малости изменения продольной скорости во время пролета области взаимодействия;

• продольный размер исследуемого сгустка не должен быть существенно меньше поперечного размера и прицельного параметра р.

Седьмая глава посвящена системе термостабилизации СВЧ элементов форинжектора, необходимость в которой обусловлена тем, что незначительное изменение температуры элементов приводит к существенному изменению их параметров, что, соответственно, приводит к увеличению энергетического разброса в пучке. С другой стороны, изменяя температуру элементов, можно скорректировать погрешности их изготовления. Здесь даны требования к системе, описан макет системы, проверенный на прототипе ускоряющей структуры, сформулированы зависимости температуры структуры от

мощности тепловыделения и расхода воды. Приведена схема, принцип работы и элементный состав системы термостабилизации.

В заключении изложены основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Разработана, изготовлена и успешно испытана ускоряющая структура. На текущий момент в ИЯФ изготовлено девять ускоряющих секций. Шесть ускоряющих секций обеспечивают работу форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5. С их помощью получен электронный пучок с энергией 285 МэВ на выходе ускорителя. Во время испытаний была достигнута устойчивая работа структур при среднем темпе ускорения электронов 40 МэВ/м. После проведения этих испытаний две ускоряющие секции были отправлены в г. Дубну для реализации проекта ЛУЭ-200 (ИРЕН, ОИЯИ). В экспериментальном производстве ИЯФ сейчас продолжается изготовление недостающих для полного завершения форинжектора ускоряющих структур. Из недостающих для полного завершения ускорителя восьми структур полностью изготовлена одна.

2. Впервые разработана, изготовлена и испытана мощная СВЧ нагрузка. На сегодняшний день изготовлено девять волноводных вакуумных СВЧ нагрузок. Максимальный уровень импульсной мощности, рассеиваемой в нагрузке, составил 120 МВт. Это позволило провести тестовые испытания СВЧ элементов инжекционного комплекса ВЭПП-5 в процессе строительства установки и обеспечивает возможность нормальной работы СВЧ тракта ускорителя при его эксплуатации. В настоящее время продолжается производство СВЧ нагрузок всех трех разновидностей для использования на форинжекторе, также изготавливаются две мощных нагрузки для отправки в г. Дубну для реализации проекта ЛУЭ-200 (ИРЕН, ОИЯИ)

3. Создание ускоряющей секции и мощной СВЧ нагрузки явилось стимулом для развития производственных, измерительных и вычислительных технологий в ИЯФ. Специально для изготовления ускоряющих структур на базе экспериментального производства ИЯФ был создан новый технологический участок сборки и вакуумной пайки. Для проведения необходимых измерений в процессе изготовления СВЧ изделий был создан отдельный измерительный комплекс, оснащенный необходимым оборудованием. Разработан и изготовлен набор необходимых приспособлений охватывающих всю

совокупность измерений, осуществляемых в процессе изготовления СВЧ элементов.

4. Сконструированы и изготовлены элементы магнитной системы форинжектора: соленоиды, квадрупольные линзы, корректора и поворотные магниты. Все магнитные элементы сейчас успешно работают на ускорителе.

5. Разработана и изготовлена конверсионная система форинжектора. Впервые спроектирован, изготовлен и успешно испытан импульсный конверсионный магнит, являющийся основой конверсионной системы. Позитронная система форинжектора ВЭПП-5 по своей эффективности превосходит все действующие в мире аналогичные системы. Количественной характеристикой этой эффективности является выход позитронов, равный отношению числа ускоренных линейным ускорителем позитронов к числу падающих на мишень электронов, выраженному в процентах и делённому на энергию первичного электронного пучка исчисляемую в Гигаэлектрон-вольтах. У конверсионной системы форинжектора данный показатель равен 9%/ГэВ, что на данный момент в полтора раза выше, чем показатели лучших в мире установок. Такой результат был достигнут благодаря оригинальной конструкции импульсного согласующего магнита, создающего качественное магнитное поле, фокусирующее позитроны после мишени.

6. Для системы диагностики были разработаны и изготовлены датчик положения пучка и заряда сгустка, вторично-эмиссионный профильный монитор, люминофорный датчик, магнитный спектрометр. Впервые разработан, спроектирован и изготовлен так называемый пучковый датчик, который осуществляет контроль за продольным распределением заряда в сгустке. Принцип действия пучковсго датчика основан на отклонении тонкого электронного пучка низкой энергии в электромагнитных полях интенсивного релятивистского сгустка. Датчик позволяет измерять продольное распределение заряда в каждом сгустке, а также контролировать относительное расположение и размеры сгустков. Этот же прибор способен точно измерять поперечное положение центра масс сгустка.

7. Для стабильной работы СВЧ оборудования линейного ускорителя разработаны и изготовлены элементы системы термостабилизации, которая позволяет поддерживать температуру СВЧ элементов с точностью 0,1 °С в рабочем диапазоне температуры 25—35 °С.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Косарев А.Н., Куклин Д.Е., Новохатский А.В., Подлевских В.В., Шиянков С.В. Ускоряющая структура форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5 // ВАНТ, серия ядерно-физических исследований, -1997,-№2/3.-с.122-124.

2. Авилов М.С., Александров А.В., Шиянков С.В. и др. Форинжектор для электрон-позитронных фабрик // XIV Совещание по ускорителям заряженных частиц, ИФВЭ. Протвино, 25-27 октября, 1994: Сборник докладов - Протвино: ИФВЭ, 1994. - Т.З. - с.23-28.

3. Александров А.В., Авилов М.С., Шиянков С.В. и др. Прототип форинжектора ВЭПП-5 // ВАНТ, серия ядерно-физических исследований, - 1997. - №2/3. - с.125-127.

4. Kosarev A.N, Kuklin D.E., Novohatski A.V., Podlevskih V..V..Shiyankov S.V. The accelerating structure for VEPP-5 preinjector, International workshop on linear collider, Protvino, 1998, c.73-77.

5. Александров A.B., Авилов M.C., Шиянков С.В.и др. Испытание ускоряющей секции форинжектора ВЭПП-5. - Препринт 2000-26, ИЯФ. Новосибирск, 2000,28с.

6. Avilov M.S., Akimov V.E., Shiyankov S.V. et. al. Test of accelerating structure for VEPP-5 preinjector, LINAC2000, XX International Linac Conference, August 21-25,2000, Monterey, California 2000, p.169-171.

7. Avilov M.S., Podlevskih V.V., Shiaynkov S.V. et. al. Status of VEPP-5 Preinjector. Proc. of LINAC2002, Gyenju, Korea 2002, p.92-96.

8. Avilov M.S., Akimov V.E., Shiyankov S.V. et. al. Test of electron linac for VEPP-5 preinjector. EPAC2000, Jun 26-30, Vienna. Austria. XX International Linac Conference, August 21-25, 2000, Monterey, California 2000, p.47-50.

9. Podlevskih V.V., Shiyankov S.V. RF load for VEPP-5 preinjector. Proc. of HEAC 98, Dubna, 1998, - p.203-206.

10. Kazarezov I.V., Podlevskih V.V., Shiyankov S.V. et. al. Test of accelerating structure for VEPP-5 preinjector. Budker INP 2000-50, Novosibirsk 2000, 47p.

11. Александров A.B., Авилов M.C., Шиянков С.В.и др Форинжектор комплекса ВЭПП-5 // ВАНТ, серия ядерно-физических исследований, -1997,-№2/3.-с.36-38.

12. Avilov M.S., Podlevskih V.V., Shiaynkov S.V. et. al. Status of VEPP-5 Preinjector. Proc. of LINAC2002, Gyenju, Korea 2002, p.92-96.

13. M С. Авилов, A.B. Акимов, A.B. Антошин, П.А. Бак, С.В. Шиянков и др. Инжекционный комплекс ВЭПП-5, состояние работ // Атомная энергия -2003.-№1.-С.82-87.

ШИЯНКОВ Сергей Влпдимирович

Основные системы и элементы форинжектора ВЭПП-5

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 20 10 2005 г Подписано к печати 24 10 2005 г Формат 60x90 1/16 Объем 1,0 печ л, 0,8 уч -изд л

_Тираж 100 экз. Бесплатно Заказ № 45_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им Г И Будксра СО РАН, Новосибирск, 630090, пр Академика Лаврентьева, 11

?

м 2 4 8 2 1

РЫБ Русский фонд

2006-4 25322

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Ускоряющая структура форинжектора ВЭПП-5.

1.1 Регулярная ускоряющая ячейка.

1.2 Трансформатор типа волны.

1.3 Переходные ускоряющие ячейки и соединительная диафрагма.

1.4 Окончательная сборка ускоряющей структуры.

ГЛАВА 2. СВЧ нагрузка.

2.1 Введение

2.2 Корпус СВЧ нагрузки.

2.3 Резонансная ячейка.

2.3.1 Резонансная ячейка нагрузки средней мощности.

2.3.2 Резонансная ячейка мощной нагрузки.

2.3.3 Температурные режимы резонансных ячеек.

2.4 Окончательная сборка СВЧ нагрузки.

ГЛАВА 3. Приспособления для радиочастотных измерений ускоряющей структуры и СВЧ нагрузки.

3.1 Измерения регулярных ячеек ускоряющей структуры.

3.2 Измерения трансформатора типа волны.

3.3 Настройка полуструктуры.

3.4 Измерения полуструктуры после пайки.

3.5 Приспособление для сварки двух полуструктур.

ГЛАВА 4. Магнитная система форинжектора ВЭПП-5.

4.1 Магнитная система группирователя.

4.2 Соленоиды.

4.3 Квадрупольные линзы.

4.4 Корректоры положения пучка.

4.5 Поворотные магниты и фокусирующий триплет.

ГЛАВА 5. Конверсионная система форинжектора ВЭПП-5.

5.1 Импульсный конверсионный магнит.

5.1.1 Проблемы разработки конверсионного магнита.

5.1.2 Возможные варианты построения требуемого магнита.

5.1.3 Выбор и обоснование принятого варианта.

5.1.4 Прототип конверсионного магнита.

5.1.5 Рабочий вариант конверсионного магнита.

5.2 Конструкция конверсионного магнита.

5.2.1 Корпус конверсионного магнита.

5.2.2 Обмотка конверсионного магнита.

5.3 Конверсионная мишень.

5.3.1 Энергетика и механика мишени.

5.3.2 Конструкция мишени.

5.3.3 Система «by-pass».

5.4 Экспериментальные результаты

5.4.1 Стендовые испытания конверсионной системы.

5.4.2 Запуск конверсионной системы.

ГЛАВА 6. Система диагностики пучка форинжектора ВЭПП-5.

6.1 Датчик положения пучка и заряда сгустка.

6.2 Проволочный датчик (Вторично-эмиссионный профильный монитор).

6.3 Люминофорный датчик.

6.4 Магнитный спектрометр.

6.5 Пучковый датчик.

6.5.1 Принцип работы пучкового датчика.

6.5.2 Конструкция пучкового датчика.

6.5.3 Экспериментальные результаты работы пучкового датчика.

ГЛАВА 7. Система термостабилизации форинжектора ВЭПП-5.

Для проведения экспериментов по физике высоких энергий на современном уровне требуется высокая производительность, или светимость ускорительных комплексов на встречных электрон-позитронных пучках. Получение высокой светимости возможно лишь при наличии интенсивного источника позитронов с производительностью не менее Ю10 позитронов в секунду. Максимальная производительность действующих в ИЯФ СО РАН позитронных источников на комплексах ВЭПП-2М и ВЭПП-3, ВЭПП-4 не о превышает 1.8-10 позитронов в секунду. Такой производительности, к примеру, недостаточно, чтобы обеспечить проектную светимость строящегося в ИЯФ комплекса ВЭПП-2000. Дефицит позитронов наблюдался на всех работавших в ИЯФ установках со встречными электрон-позитронными пучками. Именно поэтому в 1990 году были начаты работы по созданию современного Инжекционного комплекса с интенсивным источником позитронов (более Ю10 позитронов в секунду) на основе линейных ускорителей S-диапазона (2856 МГц).

Освоение новой технологии начиналось не на пустом месте. Основы разработки и производства вакуумных СВЧ изделий были заложены большой работой, проделанной в лаборатории № 4 ИЯФ СО РАН, под руководством В.Е. Балакина, в рамках проекта ВЛЭПП. В процессе работы над этим проектом были созданы не только новые технологии, но и специализированные участки по производству вакуумных СВЧ элементов X-диапазона (14 ГГц).

К сожалению, каждый СВЧ диапазон требует своих инженерных и конструкторских решений, поэтому нельзя было напрямую воспользоваться уже имевшимися разработками в Х-диапазоне. Уменьшение рабочей частоты с 14 до 3 ГГц приводит к соответствующему увеличению размеров изделий. Это потребовало создания не только новой оснастки, но и нового технологического оборудования, и, прежде всего, больших вакуумных печей для отжига и пайки изделий.

Достижение предельно высокого для S-диапазона темпа ускорения (50 МэВ/м) требовало качественно нового уровня чистоты внутренних поверхностей вакуумных СВЧ изделий. Для решения этой задачи в Экспериментальном производстве ИЯФ был создан участок чистых технологий. Иными словами, производство линейных ускорителей S-диапазона потребовало, с одной стороны, создания в ИЯФ СО РАН нового технологического комплекса, с другой стороны, принятия оригинальных инженерно-конструкторских решений практически по всем основным элементам системы.

В результате успешно проделанной работы, к настоящему времени создан и успешно испытан на проектных параметрах форинжектор ВЭПП-5 с интенсивным источником позитронов. В Таблице 1 приведены основные параметры, достигнутые на форинжекторе, в сравнении с параметрами аналогичных зарубежных комплексов.

Таблица 1. Параметры линейных ускорителей.

Энергия электронов на мишени (ГэВ). Число электронов в сгустке (хЮ10). Выход позитронов (%/ГэВ). Установка, Центр, Страна.

0.27 2.0 9.0 ВЭПП-5, ИЯФ, РОССИЯ.

30.0 4.0 4.0 PEP-II, SLAC(Stanford),USA.

0.5 4.0 3.0 DAFNE, LNF(INFN), ITALY.

0.2 0.1 2.5 LIL, CERN, SWITZERLAND.

0.4 2.0 2.5 DORIS, DESY, GERMANY

0.15 3.0 2.5 CESR, Cornell Univ., USA.

0.34 0.4 2.0 EPLUS, SOLEIL, FRANCE.

4.0 5.0 1.4 KEKB, KEK(Tsukuba),JAPAN.

0.14 1.0 1.4 BEPC, IHEP, CHINA.

Как видно из Таблицы 1, позитронная система форинжектора ВЭПП-5 по своей эффективности превосходит все действующие в мире установки. Количественной характеристикой этой эффективности является выход позитронов, равный отношению числа ускоренных линейным ускорителем позитронов к числу падающих на мишень электронов, выраженному в процентах и делённому на энергию первичного электронного пучка, исчисляемую в Гигаэлектрон-вольтах. Такой результат был достигнут благодаря оригинальной конструкции импульсного согласующего магнита, создающего качественное магнитное поле, фокусирующее позитроны после мишени. Важно отметить, что форинжектор ВЭПП-5 является уникальной и единственной в России установкой такого рода. Более того, некоторые элементы форинжектора уникальны по своим параметрам и не имеют аналогов в мире. К таковым относятся: импульсный согласующий магнит позитронной системы [1], СВЧ нагрузки ускоряющих структур [2], пучковый датчик [3].

Данная работа посвящена разработке, конструированию и изготовлению основных элементов и систем форинжектора ВЭПП-5. На рис. 1 показана общая схема ускорителя.

Рис. 1. Схема форинжектора ВЭПП-5. 1 — Электронная пушка, 2 - Субгармонические резонаторы, 3 — Магнитная система группирователя, 4 - Группирователь на основной частоте, 5 — Соленоид 2,5 кГс, 6 — Квадрупольная линза, 7 - Первая электронная ускоряющая структура (76 МэВ), 8 - Регулярная ускоряющая структура (54 МэВ), 9 - Корректор. Датчик положения пучка, 10 - Шибер, 11 - Проволочный датчик, 12 — Магнитный спектрометр, 13 - Пучковый датчик, 14 - Люминофорный датчик, 15 - Квадрупольная линза поворота, 16 - Поворотный магнит, 17 — Триплет, 18 - Конверсионная система, 19 — Катушка конвертора, 20 - Согласующая катушка, 21 - Соленоид 5 кГс, 22 - Первая позитронная структура.

Электронная пушка с импульсным питанием формирует пучок длительностью 2.5 не, с током 4 А на энергии 200 кэВ. Для эффективного захвата пучка линейным ускорителем необходимо уменьшить его длительность с 2500 до 20 пс. Что достигается продольным сжатием сгустка двумя резонаторами, работающими на 178 МГц (16-ой субгармонике основной частоты), и группирователем на основной частоте. Для сохранения поперечных размеров пучка процесс группировки идет в нарастающем магнитном поле. Далее идут два одинаковых, с точки зрения СВЧ, ускоряющих модулях, каждый из которых состоит из клистрона 5045 (SLAC), системы умножения мощности типа SLED и трёх ускоряющих структур работающих на бегущей волне с постоянным импедансом и набегом фазы на ячейку 2л/3. Рабочая частота системы 2856 МГц. Ускоряющая структура имеет длину 3040 мм и представляет собой круглый диафрагмированный волновод, согласованный по концам с прямоугольным волноводом, который имеет поперечные размеры 72 на 34 мм. По этому волноводу на вход структуры подается импульсная СВЧ мощность длительностью 0.5 мкс и величиной от 60 до 120 МВт. Длительность входного СВЧ импульса равна времени прохождения волной трехметровой ускоряющей структуры. Прошедшая через структуру СВЧ мощность полностью поглощается в согласованной нагрузке. Ускорение пучка производится в тот момент, когда СВЧ мощность достигает нагрузки, ускоряющая структура заполнена, и набор энергии пучком максимален. Формирование питающего СВЧ импульса происходит в системе умножения мощности. Последняя работает как накопитель высокочастотной энергии, аккумулирующий СВЧ энергию на протяжении основной части импульса клистрона длительностью 3 мкс, и сбрасывающий в ускоряющие структуры всю накопленную энергию за последние 0.5 мкс клистронного импульса. Процесс сброса энергии инициируется быстрым (за несколько наносекунд) изменением фазы падающей от клистрона СВЧ волны на 180 градусов. В результате, на выходе системы умножения, мощности формируется СВЧ импульс длительностью 0.5 мкс и мощностью 240 МВт, который затем делится двумя 3 дБ мостами между тремя ускоряющими структурами модуля в соотношении 2:1:1. В первую структуру направляется половина всей СВЧ мощности, а оставшаяся половина делится поровну между второй и третей структурами. Ускоряющие структуры одинаковы. Один такой модуль при мощности клистрона в 60 МВт ускоряет пучок до энергии 180 МэВ. В состав модуля также входят элементы магнитной фокусирующей системы, системы диагностики пучка и системы термостабилизации. 285 МэВ-ный электронный ускоритель включает в себя весь первый ускоряющий модуль и две структуры с пониженным темпом ускорения из второго модуля. Третья структура второго модуля расположена после изохронного поворота и является первой позитронной структурой. Для измерения энергетического спектра и полного заряда в пучке на выходе второй структуры первого модуля используется 180-ти градусный магнитный спектрометр с секционированным цилиндром Фарадея. Это устройство позволяет измерять энергетический спектр и заряд пучка с точностью 2%. Сразу после изохронного ахроматического поворота расположен триплет, фокусирующий электронный пучок на конверсионную мишень. Мониторы поперечного профиля пучка, расположенные в повороте, обеспечивают измерение энергии и энергетического разброса в пучке [4, 23]. После первой позитронной структуры идут два одинаковых модуля, состоящие из четырех ускоряющих структур. СВЧ мощность распределяется между структурами равномерно. Эти два модуля, также как и два первых, включают в себя элементы магнитной системы, системы диагностики и термо стабилизации. Один модуль ускоряет пучок до 216 МэВ при мощности клистрона 60 МВт. Таким образом, в позитронный ускоритель входит девять ускоряющих структур, которые ускоряют пучок до 510 МэВ. Стабильная работа ускорителя в односгустковом режиме требует хорошего постоянства амплитуд и фаз ВЧ на входе группирующих элементов и надежного контроля за продольной структурой пучка. Контроль за продольным распределением заряда в сгустке осуществляется с помощью так называемого пучкового датчика [3]. Этот оригинальный метод неразрушающей диагностики пучка был разработан и применён на Инжекционном комплексе ВЭПП-5.

Первая глава работы посвящена конструкции, особенностям и основным этапам изготовления ускоряющей структуры. В начале главы приводится описание конструкции структуры. Далее в первом, втором и третьем пунктах описаны три наиболее важных элемента структуры -ускоряющая ячейка, трансформатор типа волны и переходной узел, позволяющий наращивать длину структуры [5, 6]. В каждом пункте даны описание конструкции и основные этапы изготовления элементов. Так, для ускоряющей ячейки важным является вопрос о сохранении внутренних размеров на всех этапах изготовления и в конечном изделии. В четвертом пункте описана окончательная сборка ускоряющей структуры.

Во второй главе освещены аналогичные вопросы, относящиеся к СВЧ нагрузке. Введение посвящено конструкции нагрузки, требованиям, предъявляемым к нагрузке, а так же здесь дается объяснение необходимости изготовления трех вариантов нагрузок, различающихся уровнем принимаемой мощности. Вторая часть главы рассказывает о корпусе нагрузки, его конструкции и изготовлении. Третья часть посвящена резонансным ячейкам. Так как для нагрузок разной мощности потребовались разные резонансные ячейки, то в первый и второй подпункты третьей части главы рассказывают о резонансной ячейке нагрузки средней мощности и резонансной ячейке мощной нагрузки. Здесь указаны требования к ячейкам, представлены конструкции и особенности изготовления. В третьем подпункте приведены температурные режимы ячеек. Четвертая часть посвящена окончательной сборке СВЧ нагрузки.

Изготовление СВЧ элементов требует постоянного радиочастотного контроля в течение всего процесса изготовления. Для проведения измерений разработано и изготовлено несколько приспособлений, описанных в третьей главе данной работы. Первые два пункта описывают измерения регулярных ускоряющих ячеек и трансформаторов типа волны на универсальном приспособлении. Здесь дана конструкция приспособления, приведены требования, предъявляемые к проведению измерений и способы их реализации. Во второй части также представлены схема и конструкция приспособления для измерения трансформатора типа волны, полуструктуры и ускоряющей структуры при помощи подвижного плунжера. Третья часть посвящена настройке полуструктуры перед пайкой, а четвертая измерениям уже спаянной полуструктуры. Здесь приведены два метода измерений и способы их реализации. Метод короткозамкнутого поршня и метод малых возмущений. После пайки двух полуструктур производится установка соединительной диафрагмы и сварка их друг с другом. Сварка проводится на специальном приспособлении при постоянном радиочастотном контроле. Разработанная конструкция приспособления и этапы окончательной сварки ускоряющей структуры даны в пятой части третьей главы.

Четвертая глава посвящена магнитной системе форинжектора. В первой части представлена магнитная система группирователя, даются требования к системе и ее конструкция. Во второй части описаны соленоиды. На ускорителе установлены два соленоида с полем 2,5 и 5 кГс на первой электронной и первой позитронной ускоряющих структурах соответственно. Кроме того, перед позитронным соленоидом располагаются согласующая катушка и катушка конвертора. В этой части приведены конструкции, способы изготовления и параметры вышеуказанных элементов. В линейном ускорителе энергия пучка постоянно увеличивается и для квадрупольной фокусировки требуются линзы с постоянно увеличивающимся градиентом поля. Третья часть рассказывает о квадрупольных линзах прямолинейных участков форинжектора. Здесь приведены формулы для расчета каждой квадрупольной линзы, а также особенности изготовления и расположения. В четвертой части главы показана разработанная конструкция корректоров положения пучка, устанавливаемых в промежутках между ускоряющими структурами, их типы и параметры. В пятой части даны конструкции и параметры элементов изохронного поворота и фокусирующего триплета. В изохронный поворот входят три поворотных магнита, пять квадрупольных линз и триплет.

Пятая глава работы посвящена конверсионной системе форинжектора. Основной частью системы является импульсный конверсионный магнит, который представлен в первом пункте главы. При разработке конверсионного магнита приходится решать три основные проблемы в отношении механики, энергетики и оптики таких импульсных устройств. Описание и возможные пути решения этих проблем освещены в первом и втором подпунктах. Далее показан выбор и обоснование принятого варианта импульсного магнита. В четвертом и пятом подпунктах приведены описания прототипа и рабочего варианта магнита. Разработанная конструкция и особенности изготовления рабочего варианта импульсного магнита дана во втором пункте пятой главы. Более подробно здесь выделены корпус и обмотка, как основные элементы магнита. Следующий пункт посвящен конверсионной мишени. Здесь присутствует описание энергетики и механики мишени, ее конструкция, а также описание возможности инжекции в ускоритель электронного пучка в обход мишени. В четвертом пункте приводятся экспериментальные результаты, полученные при испытаниях магнита на стенде и при штатной работе системы на форинжекторе.

Важной частью форинжектора является система диагностики пучка в номинальном режиме и в режиме отладки. Разработанным элементам данной системы посвящена шестая глава. В пяти подпунктах главы описываются датчик положения пучка и заряда сгустка, вторично-эмиссионный профильный монитор, люминофорный датчик, магнитный спектрометр и пучковый датчик. Акцент сделан на конструкциях, особенностях изготовления и параметрах элементов.

Седьмая глава посвящена системе термостабилизации СВЧ элементов форинжектора необходимость, в которой обусловлена тем, что незначительное изменение температуры элементов приводит к существенному изменению их параметров, что соответственно приводит к увеличению энергетического разброса в пучке. С другой стороны, изменяя температуру элементов можно скорректировать погрешности их изготовления. Здесь даны требования к системе, описан макет системы, проверенный на прототипе ускоряющей структуры, сформулированы зависимости температуры структуры от мощности тепловыделения и расхода воды. Приведена схема, принцип работы и элементный состав системы термостабилизации.

В заключении приводятся основные результаты работы.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Разработка, изготовление и запуск в работу, как основных систем и элементов форинжектора ВЭПП-5, так и ускорительного комплекса в целом.

2. Разработка конструкции и технологии изготовления ускоряющей структуры на рабочую частоту 2856 МГц. При создании изделия наряду с известными методами и подходами было использовано и большое число оригинальных разработок. Например: трансформатор типа волны, который сочетает в себе несколько функций, конструкция соединительного узла и сама технология соединения полуструктур [5].

3. Разработка конструкции и технологии изготовления волноводных вакуумных СВЧ нагрузок, перекрывающих весь диапазон поглощаемой импульсной мощности от 5 МВт до 120МВт.

4. Разработка конструкции и технологии изготовления импульсного конверсионного магнита.

5. Разработка элементов конструкции пучкового датчика.

Материалы диссертационной работы были опубликованы в работах

2,3,4,5,6,21,23]. Результаты докладывались на научных семинарах Института Ядерной Физики им. Будкера, CERN (Швейцария), SLAC (США), КЕК (Япония), на российских и международных конференциях.

15

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана, изготовлена и успешно испытана ускоряющая структура. На текущий момент в ИЯФ изготовлено девять ускоряющих структур. Шесть ускоряющих структур обеспечивают работу форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5. С их помощью получен электронный пучок с энергией 285 МэВ на выходе ускорителя [21]. Во время испытаний была достигнута устойчивая работа структур при среднем темпе ускорения электронов 40 МэВ/м. После проведения этих испытаний две ускоряющие структуры были отправлены в г. Дубну для реализации проекта ЛУЭ-200 (ИРЕН, ОИЯИ) [22]. В экспериментальном производстве ИЯФ сейчас продолжается изготовление недостающих для полного завершения форинжектора ускоряющих структур. Из недостающих для полного завершения ускорителя восьми структур полностью изготовлена одна.

2. Впервые разработана, изготовлена и испытана мощная СВЧ нагрузка. На сегодняшний день изготовлено девять волноводных вакуумных СВЧ нагрузок. Максимальный уровень импульсной мощности, рассеиваемой в нагрузке, составил 120 МВт. Это позволило провести тестовые испытания СВЧ элементов инжекционного комплекса ВЭПП-5 в процессе строительства установки и обеспечивает возможность нормальной работы СВЧ тракта ускорителя при его эксплуатации. В настоящее время продолжается производство СВЧ нагрузок всех трех разновидностей для использования на форинжекторе, также изготавливаются две мощных нагрузки для отправки в г. Дубну для реализации проекта ЛУЭ-200 (ИРЕН, ОИЯИ)

3. Создание ускоряющей структуры и мощной СВЧ нагрузки явилось стимулом для развития производственных, измерительных и вычислительных технологий в ИЯФ. Специально для изготовления ускоряющих структур на базе экспериментального производства ИЯФ был создан новый технологический участок сборки и вакуумной пайки. Для проведения необходимых измерений в процессе изготовления СВЧ изделий был создан отдельный измерительный комплекс, оснащенный необходимым оборудованием. Разработан и изготовлен набор необходимых приспособлений охватывающих всю совокупность измерений, осуществляемых в процессе изготовления СВЧ элементов.

4. Сконструированы и изготовлены элементы магнитной системы форинжектора: соленоиды, квадрупольные линзы, корректора и поворотные магниты. Все магнитные элементы сейчас успешно работают на ускорителе.

5. Разработана и изготовлена конверсионная система форинжектора. Впервые спроектирован, изготовлен и успешно испытан импульсный конверсионный магнит, являющийся основой конверсионной системы. Позитронная система форинжектора ВЭПП-5 по своей эффективности превосходит все действующие в мире аналогичные системы. Количественной характеристикой этой эффективности является выход позитронов, равный отношению числа ускоренных линейным ускорителем позитронов к числу падающих на мишень электронов, выраженному в процентах и делённому на энергию первичного электронного пучка, исчисляемую в Гигаэлектрон-вольтах. У конверсионной системы форинжектора данный показатель равен 9%/ГэВ, что на данный момент в полтора раза выше, чем показатели лучших в мире установок. Такой результат был достигнут благодаря оригинальной конструкции импульсного согласующего магнита, создающего качественное магнитное поле, фокусирующее позитроны после мишени.

6. Для системы диагностики были разработаны и изготовлены датчик положения пучка и заряда сгустка, вторично-эмиссионный профильный монитор, люминофорный датчик, магнитный спектрометр. Впервые разработан, спроектирован и изготовлен так называемый пучковый датчик, который осуществляет контроль за продольным распределением заряда в сгустке [3]. Принцип действия пучкового датчика основан на отклонении тонкого электронного пучка низкой энергии в электромагнитных полях интенсивного релятивистского сгустка. Датчик позволяет измерять продольное распределение заряда в каждом сгустке, а также контролировать относительное расположение и размеры сгустков. Этот же прибор способен точно измерять поперечное положение центра масс сгустка.

7. Для стабильной работы СВЧ оборудования линейного ускорителя разработаны и изготовлены элементы системы термостабилизации, которая позволяет поддерживать температуру СВЧ элементов с точностью 0,1 °С в рабочем диапазоне температуры 25-^-35 °С.

Научная новизна работы:

1. Впервые в России создан работающий линейный ускоритель на частоту 2856 МГц с параметрами на уровне лучших мировых установок.

2. Разработана и изготовлена ускоряющая структура на частоту 2856 МГц, отличающаяся от аналогичных структур, имеющихся в других научных центрах, конструкцией основных элементов (рубашка охлаждения, трансформатор типа волны и т.д.). Особенности конструкции позволяют изготавливать структуры любой длины, облегчают изготовление и обслуживание. Отлажена технология мелкосерийного производства ускоряющих структур.

3. Разработано и изготовлено три варианта СВЧ нагрузок на основе нержавеющей стали 20X13, перекрывающих весь необходимый диапазон поглощаемой импульсной мощности от 5 МВт до 120 МВт. Конструкция нагрузок оригинальна и не имеет аналогов в мире.

4. Разработана конструкция, изготовлен и успешно испытан импульсный конверсионный магнит. Получены рекордные результаты по выходу позитронов.

5. Разработан и изготовлен пучковый датчик, позволяющий контролировать и измерять параметры исходного пучка не разрушающим методом. Конструкция и физический принцип действия датчика оригинальны и не имеют аналогов в мире.

Научная и практическая значимость работы.

Форинжектор ВЭПП-5 позволяет повысить светимость ускорительных комплексов на встречных электрон-позитронных пучках, работающих и создаваемых в ИЯФ, т.к. является интенсивным источником электронов и позитронов с производительностью 2Т010 электронов и позитронов в секунду. Максимальная производительность действующих в ИЯФ СО РАН позитронных источников на комплексах ВЭПП-2М и ВЭПП-3, ВЭПП-4 не о превышает на настоящий момент 1.8-10 позитронов в секунду. Такой производительности недостаточно, чтобы обеспечить проектную светимость строящегося в ИЯФ комплекса ВЭ1111-2000. Вступление в строй инжекционного комплекса позволит убрать дефицит позитронов, который наблюдается на всех работающих в ИЯФ установках со встречными электрон-позитронными пучками.

В заключение выражаю глубокую благодарность научному руководителю работы П.В.Логачеву за руководство и помощь в процессе написания работы.

Выражаю искреннюю благодарность А.В.Новохатскому, Д.Е.Куклину,

A.Н.Косареву, Н.Н.Лебедеву, [В .В .По дл евских|, |Б.М.Смирнову|, Н.А.Кузнецову, М.Б.Корабельникову за совместные обсуждения и помощь при создании всего комплекса оборудования описанного в работе.

Искренне благодарю С.Л.Самойлова, С.М.Гурова, А.А.Старостенко,

B.М.Павлова, К.К.Шрайнера за оказанное автору работы внимание и помощь при написании работы.

Выражаю благодарность А.А.Диденко, С.Г.Пивоварову, В.С.Кузьминых за полезные советы; всем сотрудникам НКО и другим сотрудникам ИЯФ, принимавшим участие в обсуждении, проектировании и изготовлении описанных узлов и систем.

Заключение.

В данной работе представлены основные системы и элементы разработанные, сконструированные и изготовленные для использования на форинжекторе ВЭПП-5. На текущий момент в штатном режиме работают электронный линейный ускоритель, 180° поворот, конверсионная система и первая позитронная ускоряющая структура. Далее установлен временный вакуумный тракт и магнит-сепаратор (Рис. 2).

200 kV ^электронная пушка

Линзы

Субгармонический группир о в а т ел ь

Фо кусирующие катушки

Умножитель мощности 1

Сепаратор

ВЧ группирователь

Квадрупольная линза Нагрузка

Квадрупольная линза

Квадрупольная линза

Ускоряющая структура б'

Фокусирующий rh 60 триплет —ьзмагнить»

Квадрупольная линза Ускоряющая II структура 2 эНагрузка

Спектрометр

Пучковый датчик

Ускоряющая структура 3, 4 и 5

Квадрупольная линза

Нагрузка

Рис. 2. Действующая на сегодняшний день часть инжекционного комплекса.

Электронный пучок ускоряется в пяти первых ускоряющих структурах до 285 МэВ, проходит 180° изохронный поворот и фокусируется на конверсионную мишень. Позитроны, полученные в системе конверсии, ускоряются в первой позитронной структуре до 75 МэВ. Секционированный цилиндр Фарадея установленный после магнита-сепаратора позволяет измерять энергетические спектры электронов и позитронов.

1. Р.М.Лапик, А.А.Кулаков, П.В.Мартышкин. Расчет и измерения прототипа импульсного магнита конверсионной системы инжекционного комплекса ВЭПП-5, Препринт 99-59, ИЯФ, Новосибирск, 1999.

2. Podlevskih V.V., Shiyankov S.V. RF load for VEPP-5 preinjector. Proc. of HEAC 98, Dubna, 1998,203-206.

3. P.V.Logatchov, P.A.Bak, A.A.Starostenko, N.S.Dikansky, E.A.Gousev, M.B.Korabelnikov, S.V.Shiyankov, Non-destructive single pass monitor of longitudinal charge distribution. HEACC-2001, Tsukuba, Japan, March 2001.

4. М.С.Авилов, А.В.Акимов, А.В.Антошин, П.А.Бак, С.В.Шиянков и др. Инжекционный комплекс ВЭПП-5, состояние работ, RUPAC-2004, Дубна, 2004.

5. Косарев А.Н., Куклин Д.Е., Новохатский А.В., Подлевских В.В., Шиянков С.Н. Ускоряющая структура форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5, ВАНТ, серия ядерно-физических исследований, выпуск 2, том 1, Харьков, 1998, с 125-128.

6. Kosarev A.N, Kuklin D.E., Novohatski A.V., Podlevskih V.V., Shiyankov S.V. The accelerating structure for VEPP-5 preinjector, International workshop on linear collider, Protvino, 1998, c.73-77.

7. HFSS.Users Guide., Ansoft Corporation, Pittsburgh, 1999.

8. B.B.Подлевских. Ускоряющая секция и СВЧ нагрузка для форинжектора ВЭПП-5, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ИЯФ, Новосибирск, 2003.

9. С.Ю.Митрофанов. Магнитная система группирователя инжекционного комплекса, Дипломная работа, ИЯФ, Новосибирск, 1994.

10. И.Н.Мешков. Введение в физику пучков заряженных частиц, Учебное пособие, НГУ, Новосибирск, 1988.

11. Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. «Мир», Москва, 1972.

12. Д.Паркинсон, Б.Малхолл. Получение сильных магнитных полей. «Атомиздат», Москва, 1971.

13. В.П.Карасик. Физика и техника сильных магнитных полей. «Наука», Москва, 1964.

14. Р.М.Лапик, П.В.Мартышкин, А.М.Якутин. Некоторые вопросы разработки сильнополевых импульсных магнитов, Препринт 2004-73, ИЯФ, Новосибирск, 2004.

15. R.Lapik, P.Martyshkin. Capture Efficiency of High Field Flux Concentrator. PAC-2001,2001.

16. Брехна, Хилл, Бейли. Импульсный магнит на 150кЭ с концентратором потока и охлаждением жидким азотом. ПНИ, 1965, №11, 3.

17. Уилсон, Сривастава. Конструкция эффективных концентраторов потока для получения больших импульсных магнитных полей. ПНИ, 1965, №8, 3.

18. A.Kulikov, S.Encklund, E.Reuter. SLC positron source pulsed flux concentrator. SLAC-PUB-5473, 1991.

19. П.В .Мартышкин. Разработка конверсионной системы инжекционного комплекса ВЭПП-5, диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, ИЯФ, Новосибирск, 2000.

20. К.В.Губин, А.Г.Иголкин, П.В.Мартышкин. Основные положения термостабилизации форинжектора ВЭПП-5, Препринт 97-100, ИЯФ, Новосибирск, 1997.

21. Avilov M.S., Podlevskih V.V., Shiaynkov S.V. et. al. Status of VEPP-5 Preinjector. Proc. of LINAC2002, Gyenju, Korea 2002, p.92-96.

22. Линейный ускоритель электронов для интенсивного источника резонансных нейтронов. Отчет N 92-4/ ИЯФ , н.рук.А.В.Новохатский, Новосибирск, 1993.-150с.

23. М.С.Авилов, А.В.Акимов, А.В.Антошин, П.А.Бак, С.В.Шиянков и др. Инжекционный комплекс ВЭПП-5, состояние работ // Атомная энергия. 2003. - №1. - С.82 - 87.138