Расчет динамики и оптимизация параметров ускорительных комплексов различного назначения

Посеряев, Антон Владимирович

Расчет динамики и оптимизация параметров ускорительных комплексов различного назначения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Посеряев, Антон Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Расчет динамики и оптимизация параметров ускорительных комплексов различного назначения»

Автореферат диссертации на тему "Расчет динамики и оптимизация параметров ускорительных комплексов различного назначения"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ юнени М.В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Посеряев Антон Владимирович

РАСЧЕТ ДИНАМИКИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ УСКОРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 01.04.20 Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре общей ядерной физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и в отделе электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Ишханов Борис Саркисович, (Физический факультет- МГУ) доктор физико-математических наук, профессор Шведунов Василий Иванович, (ОЭПВАЯ, НИИЯФ МГУ) доктор технических наук, профессор Собенин Николай Павлович (МИФИ)

кандидат физико-математических наук, Спасский Андрей Васильевич (ЛУУ, НИИЯФ МГУ) Объединённый институт ядерных исследований,

лаборатория ядерных реакций имени Г.Н.Флерова, Дубна

Защита состоится «23» марта 2006 года в «15» часов на заседании Диссертационного совета KS01.001.06 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992, г. Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19 корп., ауд. 2-15. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан «20» февраля 2006 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К501.001.06 кандидат физико-математических наук

Чуманова О.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Являясь незаменимыми приборами для фундаментальных исследований, ускорители заряженных частиц нашли также широкое применение в прикладных исследованиях, медицине и промышленности. Непрерывно развивающиеся и совершенствующиеся технологии, применяемые в ускорительной технике, позволяют в настоящее время создавать компактные и относительно недорогие установки, благодаря чему спектр возможного применения ускорителей постоянно расширяется. В зависимости от области применения имеют место следующие тенденции развития электронных ускорителей: увеличение ускоряющего градиента и заряда сгустков, снижение эффектов паразитных полей, уменьшение продольного и поперечного эмитгансов, увеличение коэффициента заполнения рабочего цикла, эффективности ускорения и средней мощности пучка. Неотъемлемой составной частью расчётов любого современного ускорителя является изучение динамики частиц и оптимизация его параметров с учётом характерных особенностей динамики, что и определяет актуальность темы настоящей диссертации.

Основной целью диссертационной работы являлось выполнение расчетов динамики пучка для проектов ускорительных комплексов различного назначения, реализуемых в НИИЯФ МГУ и других организациях, с учётом электродинамических характеристик и оптических свойств основных элементов ускорителей, а также оптимизация параметров установок на основании полученных данных.

Научная новизна работы заключается в предложенных возможных применениях резонансных ускорителей электронов различного типа таких, как компактный ра ¡резной микротрон для интраоперационной радиационной терапии и рециркулятор для медицинского источника рентгеновского излучения, и результатах выполненных расчётов по оптимизации их параметров на основании дачных об основных особенностях динамики пучка.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты используются при разработке ускорителей электронов для проектов ускорительных комплексов различного назначения, а также при проведении испытательных и пусковых работ на установках, реализованных в НИИЯФ МГУ. Методики расчётов, созданные в настоящей работе, могут быть использованы в дальнейшем при разработке новых проектов ускорителей электронов в широком диапазоне их возможного применения.

Автор выносит на защиту следующие основные положения:

1. Результаты оптимизации параметров ускоряющей структуры и системы инжекции пучка, а также расчётов динамики частиц в мощном технологическом ускорителе электронов.

2. Методику определения основных параметров параксиального аксиально-симметричного пучка электронов с учётом сил пространственного заряда и результаты проведённых на базе этой методики экспериментальных исследований параметров пучка электронной пушки.

3. Концептуальную модель компактного источника дихроматического рентгеновского излучения на базе рециркулятора электронов, а также результаты расчётов специально разработанной модели рециркулятора для данного источника.

4. Модель компактного разрезного микротрона для интраоперационной радиационной терапии и результаты оптимизации параметров основных его элементов.

5. Аналитический метод анализа фазового движения в разрезном микротроне, учитывающий зависящий от энергии эффект сдвига фазы на участке дрейфа между поворотными магнитами, а также аналитический подход для определения основных параметров разрезного микротрона с учётом этого эффекта.

Все результаты, представленные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечена их внутренней согласованностью и непротиворечивостью, соответствием твёрдо установленным теоретическим и экспериментальным фактам.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации были представлены и обсуждены на конференциях:

• XV International Synchrotron Radiation Conference, 2004, Novosibirsk, Russia.

• Ломоносовские чтения 2004, НИИЯФ МГУ, Москва.

• XIX Всероссийская Конференция по Ускорителям Заряженных Частиц RUPAC 2004, Дубна, Московская область.

• Ломоносовские чтения 2005, НИИЯФ МГУ, Москва.

• SPIE Conference, Optics & Photonics 2005, San Diego, California, USA.

» The XI International Conference on Charged Particle Accelerators Applied In Medicine and Industry, 2005, Saint-Petersburg, Russia.

• Научные сессии МИФИ 2005,2006, МИФИ, Москва.

• International Conference Optical Devices and Instruments, Chan-Chun, China, 23-26 August 2005.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержит 180 страниц, 102 рисунка и 21 таблицу. Список литературы содержит 85 наименований.

Содержание диссертации

Во введении описаны актуальность, цель, научная новизна и структура диссертационной работы.

Первая глава диссертации посвящена расчету и оптимизации параметров пучка и режима работы мощного ускорителя для станции электронной обработки, разрабатываемого совместно НИИЯФ МГУ и ФГУП «НПП Торий». В рамках данного проекта решалась задача разработки линейного ускорителя электронов с энергией пучка 10 МэВ и мощностью до 50 кВт.

Первый раздел главы I посвящен выбору оптимальной схемы и оценке параметров линейного ускорителя, в нем приведены состав и компоновка ускорителя, а также сравнение его проектных характеристик с существующими зарубежными аналогами.

В отделе ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ накоплен значительный опыт работы с бипериодическими ускоряющими структурами с внутренними ячейками связи, работающими в режиме стоячей волны, что обусловило выбор данного типа структуры для реализации проекта.

Таблица 1. Исходные данные для выбора параметров ускорителя,

Энергия пучка 10 МэВ

Мощность лучка 50 кВт

Рабочая частота 2856 МГц

Импульсная мощность клистрона 6 МВт

Средняя мощность клистрона 70 кВт

Основные исходные данные, которые были использованы для выбора параметров ускорителя, приведены в таблице 1.

Во втором разделе главы I произведена оптимизация параметров ускоряющей структуры, а также рассчитана динамика частиц в ускорителе с учётом конструктивных особенностей разработанной для данного проекта электронной пушки.

Выбор длин ускоряющих ячеек и соответствующих им амплитуд продольного электрического поля производились исходя из следующих основных проектных требований:

1. Номинальная энергия ускоренного пучка электронов - 10 МэВ.

2. Ширина энергетического спектра ускоренного пучка на половине высоты -0.5 МэВ.

3. Фазовая ширина сгустков ускоренного пучка электронов - 20-s-25°.

4. Частота СВЧ поля - 2856 МГц.

5. Длина ускоряющей структуры - 1.25 м.

6. Энергия инжекции - 50 кэВ.

7. Импульсный ток ускоренного пучка электронов - 430 мА.

8. Согласованность поперечных размеров пучка электронов с апертурой ускоряющей структуры.

9. Обеспечение максимально возможного коэффициента захвата.

Из величины проектной длины ускорителя и частоты СВЧ поля следует, что для набора пучком энергии 10 МэВ, структура должна состоять из 24 ускоряющих ячеек. В процессе оптимизации ускоряющая структура была разделена на две части: нерегулярную, состоящую из 3-х различных ускоряющих ячеек, и регулярную, в состав которой входят 21 идентичные ячейки. Основными функциями нерегулярной части являются продольная группировка инжектируемого пучка, его поперечная фокусировка и ускорение до скорости близкой к скорости света. Регулярная часть производит дальнейшее ускорение электронного пучка до номинального значения энергии.

Выбор длин и амплитуд ускоряющего СВЧ поля ячеек нерегулярной части производился из следующих основных соображений:

• Первая ячейка должна обеспечивать модуляцию электронов инжектируемого пучка по скорости и их частичную продольную группировку.

• Во второй ячейке должны производиться окончательная группировка и захват сгруппированного пучка в процесс ускорения с целью получения необходимого энергетического спектра на выходе структуры и требуемой фазовой ширины сгустков.

• Значение фазы входа пучка в регулярную часть должно обеспечивать д&чьнейшее ускорение электронов до номинальной энергии.

В результате, были определены оптимальные значения параметров ускоряющих ячеек структуры, которые представлены в таблице 2, i де № - номер ячейки, LH - её длина, Ez - среднее значение амплитуды ускоряющего поля на оси ячейки.

№ L, см Ег, МВ/м

1 3.9 1.15

2 2.7 10.5

3 4.2 10.5

4+24 5.25 10.5

Исследования влияния параметров фазового эллипса инжектируемого пучка на его характеристики после прохождения ускоряющей структуры позволили сформулировать требования к характеристикам электронной пушки. На основании этих данных была разработана электронная пушка, после чего был произведён расчёт динамики пучка в ускорителе с учётом реальных параметров пучка пушки.

Таким образом, в результате произведённых расчётов были получены следующие характеристики электронной пушки, ускоряющей структуры и ускоренного пучка электронов:

1. Напряжение на первом аноде электронной пушки - V, -50 кВ.

2. Напряжение на втором аноде электронной пушки - г/2=12.9кВ.

3. Импульсное значение тока пушки - /-0.8А.

4. Средняя энергия ускоренного пучка электронов - £=9.914 МэВ.

5. Коэффициент захвата - #>60%.

6. Величина энергетического разброса на выходе структуры - А/?=0.6 МэВ.

7. Фазовая ширина ускоренного сгустка -

8. Среднеквадратичный радиус пучка на выходе структуры - <г>=1.868 мм.

9. Среднеквадратичное значение нормализованного эмиттанса -

<£ц> =12.5 мм-мрад.

10. Среднеквадратичная расходимость ускоренного пучка - <0>=1.205 мрад.

И. Допустимые изменения напряжения V] - АС/, =±2 кВ.

12. Допустимые изменения напряжения и2 - ДЕ/2=±2 кВ.

13. Допустимое значение импульсного тока пучка на входе в структуру -

/о-1.0 А.

14. Допустимые вариации общего уровня напряжения на анодах пушки _ ±3%.

15. Импульсная мощность потерь пучка - />¿■=68.09 кВт.

16. Импульсная мощность СВЧ потерь в ускоряющей структуре - 1.5 МВт.

17. Допустимые изменения общего уровня СВЧ поля - ±5%.

Для решения проблемы обратной бомбардировки катода электронной пушки частицами, не попавшими в режим ускорения, в третьем разделе главы I предложена компактная система инжекции пучка в линейный ускоритель, которая не вносит существенных изменений в характеристики ускоренного пучка.

После изготовления электронной пушки возникла необходимость ► экспериментального определения её параметров. В заключительном разделе первой главы представлен специально разработанный для этих целей метод экспериментального определения параметров параксиального аксиально-симметричного пучка электронов с учётом сил пространственного заряда.

Используя приближение параксиалыгости, нетрудно получить уравнение огибающей для непрерывного азимутально-симметричного пучка, находящегося в фокусирующем поле соленоида:

¿1« = _(Д,(0.г)Уд к д!

¿г2 Я3 Я 1, 2Р ) ' 2п£атя(0суУ '

где К - радиус огибающей, г - продольная координата, с - эмиттанс, В;(о,г) -магнитное поле соленоида на оси симметрии системы, р = р/д-В-г - магнитная жёсткость пучка, р^щрсу - полный импульс частиц, К - обобщённый первеанс пучка, q, то - заряд и масса частиц соответственно, / - ток пучка, е0 -электрическая постоянная, с - скорость света, у - скорость частиц, Д = у/с, у -Лоренц-фактор.

В качестве характерной величины, показывающей соотношение между силами пространственного заряда и силой эмитганса, можно рассматривать параметр

V ~ {.^шИюсе/^грсЛагг«)тах = ^ /К^со '

где Кса - радиус огибающей в кроссовере. Для проверки теоретической модели уравнение (1) решалось при различных значениях ц/ в пространстве дрейфа. Сравнение полученных решений с результатами расчета динамики по программе РАКМЕЬА показало хорошее соответствие теоретических и расчетных данных. Получающиеся при этом относительные отклонения точек огибающей не превосходят 2%, что вполне соответствует случайным флуктуациям начальных координат частиц, генерируемых программой РАЕМЕЬА.

пучка.

Рассмотрим схему эксперимента, показанную на рисунке 1. Аксиально-симметричный пучок заряженных частиц, поступающий ап какого-либо источника, проходит через фокусирующее поле соленоида и попадает на экран. Измеряя радиус пучка на экране при различных значениях тока соленоида можно определить положение короссовера и радиус пучка в кроссовере, а также получить информацию о величине поперечного эмипанса. Для этого была предложена следующая методика.

Решения уравнения (1) при определенном значении продольной координаты и токе соленоида /"'можно рассматривать как функцию трех переменных й(г„,/'°')=/?(я0Х,£-), где До ~ радиус огибающей пучка в некоторой произвольно выбранной начальной точке г=го. Ко ~ наклон огибающей в этой точке. Экспериментально определив радиусы пучка в точке 1=гь для N>3

значений тока фокусирующего соленоида /""', составляем функционал

Минимизация данного функционала позволяет определить оптимальные значения параметров й0, £, при которых функция л(г£,,/5°|)=л(/г0,ло,г) наилучшим образом предсказывает экспериментальные данные.

Данный метод позволяет с хорошей точностью (-15%) определять положение кроссовера и радиус пучка в кроссовере при любом соотношении между силами эмиттанса и объемного заряда, определять поперечный эмигганс при у> 1, а также делать вывод о его пренебрежимо малом значении при у/<0.8. Численный анализ показал хорошую устойчивость метода к случайным ошибкам измерений.

Описанный выше подход использовался для определения параметров пучка электронной пушки на энергию 50 кэВ с током 0.64 А. Экспериментально измеренная зависимость радиуса пучка на экране от тока соленоида /?'"''(гА,/"'•') представлена на рисунке 2. В результате минимизации функционала (3) были получены следующие значения: /?™;г = (0.85+0.15) мм,

=(32 ±4) мм, е"1'

■0.

В данном случае расстояние до кроссовера ь„ отсчитывалось от внутреннего края анода электронной пушки, a z¿>=274 мм (см. рис. 1). Пренебрежимо малое значение £Ыс говорит о том, что пушка работает' в режиме ¡//<0.8. Следовательно, для реальной величины эмиттанса можно записать t: < R"'c-JfCys = 2 ■ 1 (Г5 м-рад.

Рис. 2. Зависимости радиусов пучка на экране гь и г"1с от тока соленоида I"'.

я 4 в 11 в в г; а я л «4 « и ч » и

г, мм

Рис. 3. Динамика пучка электронов в электронной пушке, рассчитанная по программе ЕС1ЛЧ.

На рисунке 2 также показана зависимость радиуса пучка на экране от тока соленоида г™'с (г,,,/"')> полученная по оптимальным значениям величин

с. Следует отметить, что расчегаые точки не выходят за пределы

погрешностей измерений.

Предварительный анализ динамики электронного пучка производился с помощью программы ЕвиМ для дизайна электронных пушек с термокатодом (см. рис. 3). При этом для параметров е, Яса, г«, получились значения Ясо = (0.9+0.1) мм,

=(31 ±4) мм, £ = 1.2-10~5м - рад, которые хорошо согласуются с данными (4) и (5), полученными на основе экспериментальных исследований.

Таким образом, проведённые измерения показали хорошее соответствие характеристик изготовленной пушки её проектным требованиям.

Вторая глава диссертации посвящена разработке компактного рециркулятора электронов для источника квазимонохроматического рентгеновского излучения.

В настоящее время существует потребность в промышленных рентгеновских источниках, параметры излучения которых существенно превосходили бы параметры излучения рентгеновских трубок, а стоимость позволила бы наладить их серийное производство. В частности, существует ряд медицинских и промыгаленных приложений, разработанных на базе синхротронного излучения, которые на данный момент не нашли широкого применения из-за отсутствия компактных источников с необходимыми спектральными характеристиками и интенсивностью. В отделе ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ совместно с ФИАН было решено разработать схему источника рентгеновского излучения на базе эффекта обратного Комптоновского рассеяния для нужд коронарной ангиографии, а также изучить предельно достижимые характеристики генерируемого излучения.

Во вводном разделе главы изложена основная идея генерации излучения при обратном Комптоновском рассеянии лазерного импульса на пучке элекгронов, и представлена концептуальная схема генератора.

Расчёты показывают, что при лобовом столкновении излучения лазера с пучком электронов (обратное Комптоновское рассеяние) можно получить фотоны с максимальной энергией Егпах = Ау'Е,, рассеянные в направлении первоначального движения электронов, где у=Е/т0с2 - энергия электронов, Е, -энергия лазерного фотона. Таким образом, для получения комптоновских фотонов с энергией Б?тал ~ 33 юВ при рассеянии излучения Ш:УАО лазера (£,~1.16эВ) необходимо иметь пучок электронов с энергией Е - 43 МэВ. К примеру, для генерации подобных фотонов на стандартном источнике синхротронного излучения необходимо использовать пучок электронов с энергией Е~2.5ГэВ и сверхпроводящий вигглер с полем В - 7.5 Тл.

Принципиальная схема предложенного источника излучения показана на рисунке 4. Генератор состоит из ускорительной системы, лазерной системы с двумя различными длинами волн, оптической цепи и камеры, в которой происходит взаимодействие пучка электронов с лазерным импульсом. Ускорительная система состоит из линейного ускорителя на энергию 45-г50 МэВ, электронного синхротрона на энергию ~45 МэВ, систем транспоргировки, инжекции и вывода пучка, а также поглотителя. Одиночные сгустки электронов с

зарядом ~1 нКл, поступающие от линейного ускорителя, инжектируются в синхротрон с частотой 30 Гц. Взаимодействие пучка электронов с лазерньм импульсом происходит в прямолинейном ахроматическом промежутке синхротрона. Использованный пучок с существенно увеличившимися в процессе взаимодействия поперечными эмитгансами и энергетическим разбросом выводится с частотой 30 Гц и направляется в поглотитель. Камера взаимодействия, расположенная в прямолинейном промежутке синхротрона, служит также составной частью оптического циркулятора наряду с ячейками Поккельса и высокодобротным оптическим резонатором. Два последовательных специально сформированных потока лазерных импульсов пикосекундной длительности поступают в оптический циркулятор после чего происходит их взаимодействие с электронным пучком. Направление распространения рассеянных фотонов при' лобовом столкновении совпадает с направлением движения пучка электронов в прямолинейном промежутке взаимодействия.

Рис. 4. Принципиальная схема дихроматического генератора рентгеновского излучения.

В первом разделе главы получены спектральные характеристики излучения при проектных параметрах циркулирующего пучка электронов.

В нашем случае реалистичными значениями являются Л^=6.25-109 электронов в сгустке (заряд сгустка 1 нКл), нормализованный эмиттанс пучка электронов —5 мм-мрад, разброс по энергиям в электронном пучке Ау/у= 2%, /У_,=З.Ы016 фотонов с энергией й<и0- 1 эВ в лазерном импульсе при энергии импульса )¥ - 5 мДж, поперечный размер области взаимодействия гь= =60 мкм, длительность лазерного импульса и сгустка электронов Дт=40 пс. В этих условиях импульсная яркость источника составит

я„„ ~ 5- 1018фот/сек/мм2/мрад2/(0.1 При периметре рециркулятора 15 м (частоте взаимодействия 20 МГц) средняя яркость в течение цикла удержания пучка электронов составит В ~4~ 1012фот/ сек/мм2/мрад2/ (0.1 %В\У). Эта величина на четыре порядка превосходит максимальную величину яркости, полученную на рентгеновских трубках с вращающимся анодом (см. рис. 5).

Рис. 5. Средняя яркость различных источников.

Во втором разделе главы II перечислены основные компоненты рециркулятора и инжектора частиц, а также указаны требования, предъявляемые к их отдельным элементам.

Третий раздел посвятцёи изучению основных особенностей динамики пучка в рециркуляторе таких, как внутрипучковое рассеяние, когерентное синхрогроннос излучение и радиационное охлаждение в электромагнитном поле лазерного излучения, отличающих его от действующих накопителей электронов с энергией пучка ~1 ГэВ и выше. В результате было установлено, что основным фактором,

ограничивающим качество электронного пучка в области взаимодействия с лазерным излучением, а, следовательно, и качество генерируемого излучения, является внутрипучковое рассеяние. Поэтому для сохранения характеристик излучения был выбран импульсный режим работы рециркулятора с частотой обновления пучка ~30 Гц.

В заключительном разделе второй главы предлагается модель структуры рециркулятора, которая позволяет получить пучок с необходимыми поперечными размерами в области взаимодействия с лазерным импульсом.

ВМ ОП (^2 (^2 С>Р1 ВМ

III111

(Д55

- поворотный магнит £ - квадрупольная линза | -секступольная линза

суз ОРЗ

вм 0Б2 доз) роз

1Р !

„____ _______ 6200

Рис. 6. Структура рециркулятора. 1Р - место взаимодействия электронного пучка с лазерным излучением. ВМ - дипольные поворотные магниты; ОВР, ОВВ - квадрупольные линзы ахроматического участка, фокусирующие в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно; (^Е, -квадрупольные линзы прямолинейных участков; БХ, вУ - семейства корректирующих секступолей.

Для достижения наибольшей эффективности взаимодействия пучка электронов с импульсом лазера необходимо обеспечить:

1) нулевое значение дисперсионной функции в области взаимодействия,

2) малое значение /^-функций в области взаимодействия,

3) достаточно большие поперечные размеры пучка в остальных частях ускорителя.

4) большое квантовое время жизни пучка ("энергетический аксептанс),

5) достаточную динамическую апертуру.

Эти требования к характеристикам рециркулятора приводят к ряду трудностей, которые необходимо решить в ходе оптимизации структуры:

• Энергетический аксептанс ускорителя зависит от амплитуды СВЧ напряжения V и от коэффициента расширения орбит ас как (Ар/р\ « -^У/а, . В компактном рециркуляторе нет места для размещения достаточного количества СВЧ резонаторов, чтобы создать высокое суммарное напряжение, поэтому единственным способом повышения энергетического аксептанса является разработка структуры с малым значением коэффициента ас.

• Поперечная и продольная динамика в такой компактной машине определяются не только эффектами, связанными с линейной зависимостью координат частиц от импульсного разброса <У = Др/р, но также эффектами, пропорциональными 8г, Аберрапии высоких порядков не позволяют сфокусировать должным образом пучок электронов в области взаимодействия с лазерным излучением, что обусловливает уменьшение интенсивности генерируемого рентгеновского излучения. Таким образом, аберрации высоких порядков должны быть по возможности подавлены.

• Требование минимизации /¡^функций в области взаимодействия неминуемо приводит к использованию сильных фокусирующих квадруполей, что, в свою очередь, приводит к большим значениям естественных хроматичностей кольца. Для коррекции большой естественной хроматичности необходимо использовать сильные секступольные линзы, расположенные в дисперсных участках рециркулятора. Сильные секступольные поля имеют нелинейную природу и не могут рассматриваться в качестве слабого возмущения. Это приводит к уменьшению динамической апертуры кольцевой машины, поэтому в ходе оптимизации струкгуры рециркулятора необходимо решить проблему получения достаточной динамической апертуры.

На рисунке 6 показана структура рециркулятора, в которой удалось решить все вышеперечисленные трудности. Структура состоит из четырёх ахроматических поворотных секций (ВМ, (^ВБ, (¿ВР, 0»ВВ, ВМ), двух коротких прямолинейных согласующих участков, и двух длинных прямолинейных участков, на одном из которых происходит взаимодействие электронов с лазерным импульсом (<202,(^3,(203, С?ВЗ,<ЗР2,СЯ)2). Коррекция естественных хроматичностей кольца, а также нелинейных хроматических эффектов производи гея с помощью семейств секступолей БХ и БУ. Оптимальными областями для расположения секступолей являются поворотные ахроматические участки, в которых дисперсионная функция кольца принимает большие значения, а амплитуды колебаний /^-функций происходят в противофазе.

Основные параметры рециркулятора представлены в таблице 3, а структурные функции половины кольца показаны на рисунке 7.

Таблица 3. Параметры рециркулятора.

Параметр Значение

Энергия пучка, МэВ 45

Периметр, м 15.546

Бетатронные частоты:

горизонтальная, ¡2* 4.35

вертикальная, о,* 4.19

Бетатронные функции в точке

взаимодействия 1Р, см: А*

горизонтальная, 4.6

вертикальная, А' 8.2

СВЧ напряжение, кВ 300

СВЧ частота, МГ ц 714

Кратность ускорения, ц 37

Коэффициент расширения орбиты, Ос -0.0065

Синхротронная частота, бУ 0.0144

Энергетический аксептанс,% ±14.5

Естественная хроматичность:

горизонтальная, £ -11.907

вертикальная, £ -11.023

В третьей главе диссертации предлагается модель компактного разрезного микротрона для интраоперационной радиационной терапии (ИОРТ), обладающего рядом преимуществ по сравнению с линейными ускорителями электронов, использующимися в настоящее время.

Вводная часть главы содержит принципиальную схему микротрона и его основные характеристики (см. табл. 4). Среди основных преимуществ разрезного микротрона по сравнению с существующими линейными ускорителями электронов для ИОРТ следует отметить:

1. меньшие продольные размеры и вес (с учётом магнитной системы),

2. в несколько раз меньшая потребляемая СВЧ мощность для данного диапазона частот,

3. энергия электронов жёстко фиксирована высокостабильным полем магнитов,

4. время переключения энергии меньше 1 мин.,

5. спектр электронов обладает высокой монохроматичностью, не содержит низкоэнергетических хвостов и темнового тока.

Таблица 4. Основные параметры разрезного микротрона для ИОРТ,

Энергия инжекции 25 кэВ

Энергии выводимого пучка б, 8,10,12 МэВ

Прирост энергии за оборот 2 МэВ

Энергетический разброс < 50 кэВ

Рабочая частота 5712 МГц

Длительность импульса 1 мкс

Частота повторения импульсов 0 - 300 Гц

Индукция поля в поворотных магнитах 0.8 Тп

Импульсная мощность СВЧ источника 1 МВт

Номинальный средний ток пучка 50- 150 нА

Максимальный средний ток пучка 5 мкА

Масса ускорителя с вакуумной камерой < 60 кг

Размеры ускорителя с вакуумной камерой 24x13x48 см3

Потребляемая мощность < 3 кВт

Первая и вторая части главы Ш посвящены оптимизации ускоряющей структуры и поворотных магнитов разрезного микротрона, исходя из проектных характеристик ускорителя, а также выбору оптимальной рабочей частоты.

При оптимизации ускоряющей структуры разрезного микротрона для фиксированной частоты СВЧ поля необходимо учитывать следующие требования, вытекающие из специфики использования ускорителя:

1) минимизация размеров микротрона, то есть минимизация длины ускоряющей структуры и размеров поворотных магнитов в зависимости от частоты СВЧ поля.

2) минимизация потребляемой микротроном мощности, то есть минимизация СВЧ мощности, питающей ускоряющую структуру, а также

3) оптимизация коэффициента захвата ускорителя,

4) обеспечение равновесного прироста энергии пучка 2 МэВ в режиме циркуляции,и

5) обеспечение максимального прироста энергии инжектируемого пучка во избежание проблемы, связанной с обходом пучком ускоряющей структуры на первой орбите.

Оптимизированные характеристики ускоряющей структуры разрезного микротрона представлены в таблице 5.

Таблица. 5. Основные характеристики ускоряющей структуры разрезного микротрона._____

Нерегулярные ускоряющие ячейки

количество 1

средняя амплитуда ускоряющего поля 21.5 МВ/м

импульсные потери СВЧ мощности 303.5 кВт

максимальная напряжённость электрического поля на поверхности 58.1 МВ/м

Регулярные ускоряющие ячейки

количество 3

средняя амплитуда ускоряющего поля 26.5 МВ/м

импульсные потери СВЧ мощности 154.5 кВт

максимальная напряжённость электрического поля на поверхности 121.9 МВ/м

Ускоряющая структура

полное количество ускоряющих ячеек 4

полные потери СВЧ мощности 767 кВт

максимальный прирост энергии релятивистского пучка при пролёте в режиме циркуляции 2.08 МэВ

максимальный прирост энергии инжектированного пучка 1.9337 МэВ

процент захваченных в сгусток частиц 20%

энергетический разброс сгустка частиц на выходе структуры ±50 кэВ

• разброс по фазам сгустка частиц на выходе структуры ±5°

Для уменьшения габаритов и массы установки, упрощения конструкции, а также снижения общей потребляемой мощности было предложено использовать

поворотные магниты для разрезного микротрона на основе постоянных редкоземельных магнитных материалов (например, самарий-кобальта Сш-Со).

К 180° поворотным магнитам разрезного микротрона предъявляется ряд жёстких требований:

• высокая, порядка O.l-rO.Ol % однородность магнитного поля в рабочей области,

• долговременная стабильность поля (не ниже 0.01%),

• равенство полей двух поворотных магнитов (с точтгость выше 0.01 %),

• специальным образом сформированное краевое поле, обеспечивающее вертикальную фокусировку пучка и обход им структуры линейного ускорителя на первой орбите, а также замыкание петли траектории электронов после первого прохождения ускоряющей структуры.

В результате проведённых исследований было установлено, что вертикальная фокусировка будет иметь место для конфигурации краевого поля и соответствующей геометрии магнита, показанных на рисунке 8. Основные параметры оптимизированного поворотного магнита представлены в таблице 6.

(а) (б)

Рис. 8. (а) Конфигурация краевого поля поворотного магнита,

обеспечивающего вертикальную фокусировку пучка, (б) макет четверти

магнита. ;

Таблица 6. Параметры поворотного магнита.

Индукция основного поля 0.8 Тл

Максимальная индукция обратного поля 0.31 Тл

Расстояние между основным и обратным полюсами 1.92 см

Ширина обратного полюса 5 мм

Диаметр первой орбиты 25 мм

Фокусное расстояние магнита для энергии 1.94 МэВ -2 м

Оказалось, что выражения, описывающие фазовую траекторию равновесной частицы в разрезном микротроне, могут быть записаны в виде:

где п - номер орбиты, <рп, £„ - фаза и энергия равновесной частицы на я-ом обороте, <рпл, - асимптотическая равновесная фаза и энергия, выбираемые в самом начале разработки ускорителя, I - расстояние между поворотными магнитами, Л- рабочая частота, V- прирост кратности ускорения за оборот, Л£, -проектный равновесный прирост энергии за оборот, тс2 - энергия покоя электрона.

Поскольку положение пучка на фазовой плоскости при оптимальной инжекции однозначно связано с положением равновесной частицы, то, задав значения параметров Л, ц, v, /, Д£тах, <р„ мы тем самым задаём оптимальные значения энергии и фазы инжекции пучка. Полное согласование "центра тяжести" эмитганса инжектируемого пучка с положением равновесной частицы возможно произвести только если имеется два свободных параметра. Параметры Л, V и <р, естественно положить фиксированными. Выбор фазы инжекции % в качестве одного из свободных параметров очевиден. В качестве второго параметра, в зависимости от схемы построения ускорителя, могут быть выбраны либо энергия инжекции, либо расстояние между поворотными магнитами. В разрезном микротроне с достаточно высокой энергией инжекции от отдельного ускорителя с регулируемой энергией, естественно выбрать в качестве второго свободного параметра энергию инжекции. Если в разрезной микротрон инжектируется нерелятивистский пучок от электронной пушки, энергией инжекции является энергия пучка на выходе линейного ускорителя после первого его прохождения, которая определяется уровнем ускоряющего поля и практически не может варьироваться. В таком случае в качестве второго свободного параметра необходимо выбирать расстояние между поворотными магнитами /. Именно этот случай исследовался в данной диссертационной работе.

Таким образом, при расчете разрезного микротрона необходимо располагать некоторой процедурой, позволяющей находить значения параметров I и которые можно было бы использовать в качестве начальных значений при поиске равновесной фазы разрезного микротрона в специализированных программах по расчёту динамики частиц. Такая процедура была разработана на основании

(1.6)

аналитического метода анализа фазового движения в разрезном микротроне Значения параметров / и <р0 можно определить из соотношений

где ц - кратность ускорения на первой орбите, Е0 - энергия инжекции, 4тй X Е

К(Е) =---—- + 2ят-, у/, -</>, а величины <р, и Е1 определяются по

Л р(Е)

формулам (1).

На рисунке 9 приведено сравнение приближенных решений фазовых уравнений, в которых в качестве начальных значений I и <ра были использованы значения, определённые по предложенной процедуре, с точными значениями для случая /1=5 см, у=1, Д£'„их=2.08 МэВ, £0=12.536 МэВ, //=-17. Можно

отметить достаточно хорошую точность аналитических выражений.

1воЬ-

I 2б/р„=0 08°

I — ФМ 1 -

| и — шт \

2 003

i — лд(«) | II — ДЕ4П) 1III- - - АД,(я)-Л£

2<?(ДХ-,)=8 107 МэВ

10 20 30 40 Номер оборота, п

0 10 20 30 40 50 Номер оборота, п

Рис. 9. Зависимость равновесной фазы частицы и равновесного прироста энергии за оборот Д£„ от номера оборота п для Е0=12.536 МэВ.

I - точные зависимости <рп и Д£„;

II - значения, полученные при численном решении фазовых уравнений с начальными значениями I = 24.31099см. ?>0 =15 59940°, определёнными по предложенной процедуре.

Ш - асимптотическая равновесная фаза ф, и асимптотический равновесный прирост энергии А

Заключение

Основные результаты, полученные в диссертации, сводятся к следующему:

1. Оптимизированы параметры ускоряющей структуры мощного линейного ускорителя для станции электронной обработки.

2. Произведён расчёт динамики частиц в электромагнитных полях данной структуры и сформулированы основные проектные параметры ускорителя.

3. Разработана простая и достаточно эффективная методика определения основных параметров параксиального аксиально-симметричного пучка с учетом сил пространственного заряда.

4. На базе этой методики экспериментально определены характеристики электронной пушки для мощного линейного ускорителя электронов.

5. Предложена концептуальная модель компактного источника дихроматического рентгеновского излучения на базе рециркулятора электронов и сформулированы основные требования к параметрам его составных час гей.

6. Рассмотрены основные особенности динамики частиц в рециркуляторе и определён возможный режим работы источника.

7. Разработана структура рециркулятора, позволяющая подавить различные нелинейные эффекты в динамике пучка с сохранением хорошей динамической апертуры кольца.

8. Предложена концептуальная модель компактного разрезного микротрона для интраоперационной радиационной терапии (КОРТ), обладающего рядом преимуществ по сравнению со стандартными линейными ускорителями электронов, использующимися в настоящее время.

9. Оптимизированы параметры ускоряющей структуры микротрона и краевого поля поворотных магнитов.

10. Для начального анализа фазового движения в разрезном микротроне предложен аналитический метод, учитывающий зависящий от энергии сдвиг фазы на участке дрейфа между поворотными магнитами. В соответствии с этим методом предложен аналитический подход для определения основных параметров ускорителя, учитывающий зависящий от энергии эффект сдвига фазы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ишханов Б.С., Посеряев A.B., Шведунов В.И., Динамика пучка в сильноточном линейном ускорителе электронов, Препринт НИИЯФ МГУ -2004 - 6/745,22 стр.

2. Ветров А.А, Ишханов Б.С., Посеряев A.B., Шведунов В.И., Система инжекции в линейный сильноточный ускоритель электронов на стоячей волне, Препринт НИИЯФ МГУ - 2005 - 28/794,24 стр.

3. Б. С. Ишханов, А. В. Посеряев, В. И. Шведунов, Определение параметров пучка заряженных частиц с учетом сил пространственного заряда, Приборы и техника эксперимента, №6. стр. 52-58, 2005.

4. Б. С. Ишханов, А. В. Посеряев, В. И. Шведунов, Метод экспериментального определения параметров интенсивного пучка заряженных частиц, Сборник Трудов Научной Сессии МИФИ-2006, Том 7, стр. 172-173.

5. А.В. Грызлов, В.Н. Ильин, С.В. Ламонов, А.П. Мусатов, П.В. Невский, В.Н. Сигалаев, Ю.Д. Степанов, И.А. Фрейдович, А.С. Алимов, А.А. Ветров, B.C. Ишханов, А.Н. Каманин, Н.И. Пахомов, А.В. Посеряев. В.И. Шведунов, Н.В. Шведунов, Технологический ускоритель электронов па энергию 10 МэВ, Сборник докладов XI Международного совещания по применению заряженных частиц в промышленности и медицине, Санкт-Петербург 10-14 октября 2005, СПбГУ, 2005, стр. 132-135.

6. Б. С. Ишханов, А. В. Посеряев, В. И. Шведунов, Накопительное кольцо для компактного источника рентгеновского излучения, Сборник Трудов Научной Сессии МИФИ-2005, Том 7, стр. 150-151.

7. А. V. Poseiyaev, Storage ring lattice design for a compact X-ray source, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 543,2005, p. 78-80.

8. M.V. Gorbunkov, V.G. Tunkin, E.G. Bessonov, R.M. Fechtchenko, I.A. Artyukov, Yu.V. Shabalin, P.V. Kostryukov, Yu.Y. Maslova, A.V. Poseryaev, V.I. Shvedunov, A.V. Vinogradov, A.A. Mikhailchenko, B.S. Ishkhanov, Proposal of a compact repetitive dichromatic X-ray generator with millisecond duty cycle for medical applications, Poceedings of SPIE, vol. 5919,2005, p.233-240.

9. A.V. Poseiyaev, V.I. Shvedunov, E.G. Bessonov, Electron Storage Ring for the CompactX-Ray Source, Proceedings of RUPAC 2004, p. 213-215.

10. Е.Г.Бессонов, А.В.Виноградов, М.В.Горбунков, Б.С.Ишханов, А.В,Посеряев, В.Г.Тункин. В.И.Шведунов, Компактный дихроматический источник рентгеновского излучения для неинвазивной коронарной ангиографии, в трудах 6-ой межвузовской научной школы молодых специалистов ^Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, НИИЯФ МГУ, 20-21 ноября 2005 г., с. 107 -108.

Подписано в печать 16.02.2006 Формат 60x88 1/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 75 экз. Заказ № 489 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к.102

43 t f

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Посеряев, Антон Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ДИНАМИКА ПУЧКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ УСКОРИТЕЛЕ ЭЛЕКТРОНОВ НА ЭНЕРГИЮ 10 МЭВ.

1.0. Введение.

1.1. Выбор схемы и оценка параметров ускорителя.

1.1.1. Режим работы ускоряющей структуры.

1.1.2. Выбор типа и длины ускоряющей структуры.

1.1.3. Состав и компоновка ускорителя.

1.2. Расчёт динамики пучка.

1.2.1. Предварительная оценка параметров ячеек и исследование свойств ускоряющей структуры.

1.2.2. Требования к инжектируемому пучку.

1.23. Динамика пучка с расчётными полями ячеек.

1.2.4. Учёт характеристик электронной пушки.

1.2.5. Дополнительная фокусировка пучка.

1.2.6. Регулирование энергии пучка.

1.3. Система инжекции.

13.1. Проблема обратной бомбардировки катода.

1.3.2. Оценка эффекта обратной бомбардировки.

1.3.3. Описание системы инжекции.

1.3.4. Положение и основные параметры поворотного магнита.

1.3.5. Положение и основные параметры соленоида.

1.3.6. Динамика пучка в ускорителе с учётом системы инжекции.

1.4. Определение параметров пучка заряженных частиц с учетом сил пространственного заряда.

1.4.1. Уравнение для огибающей пучка.

1.4.2. Методика определения основных параметров пучка.

1.4.3. Определение параметров электронной пушки мощного технологического ускорителя электронов.

Введение диссертация по физике, на тему "Расчет динамики и оптимизация параметров ускорительных комплексов различного назначения"

П.0.1. Существующие источники рентгеновского излучения.65

П.0.2. Основная идея источника излучения нового типа и его практическое применение.66

П.0.3. Принципиальная схема источника излучения на обратном комптоновском рассеянии.67

ПЛ. Характеристики генерируемого излучения.70

П.1.1. Теория рассеяния.70

П.1.2. Спектр рентгеновского излучения.72

П.2. Состав и функционирование рециркулятора.76

П.2.1. Рециркулятор.77

П.2.2. Инжектор рециркулятора.80

П.З. Особенности динамики пучка в рециркуляторе.83

П3.1. Лазерное охлаэвдение.83

П3.2. Когерентное синхротронное излучение.84

ПЗЗ. Внутрипучковое рассеяние.88

П.4. Структура рециркулятора.91

П.4.1. Линейная структура рециркулятора.93

11.4.2. Коррекция хроматичностей.99

11.4.3. Хроматические аберрации высоких порядков и их коррекция. 100

11.4.4. Динамическая апертура рециркулятора.104

П.5. Заключение.а.106

ГЛАВА Ш. РАЗРЕЗНОЙ МИКРОТРОН ДЛЯ ИНТРАОПЕРАЦИОННОЙ

РАДИАЦИОННОЙ ТЕРАПИИ.108

Ш.0. Введение.108

Ш.0.1. Интраоперациоииая терапия.108

Ш.0.2. Разрезной микротрон для интраоперационной радиотерапии. 110

Ш.1. Структура линейного ускорителя.115

Ш.1.1. Выбор типа структуры.115

Ш.1.2. Выбор рабочей частоты.117

Ш.1.3. Оптимизация ускоряющей структуры.124

1П.2. Краевое поле поворотных магнитов.134

Ш.2.1. Зависимость размеров и массы поворотного магнита разрезного микротрона от длины волны.135

Ш.2.2. Оптимальное краевое поле поворотного магнита.138

Ш.З. Аналитическое исследование фазового движения в разрезном микротроне.149

Ш.3.1. Равновесная фаза.150

HL3.2. Аналитический метод расчета начальной фазы равновесной частицы и параметров разрезного микротрона.158

Ш.3.3. Метод численного расчета фазы равновесной частицы и параметров разрезного микротрона. 163

Ш3.4. Сравнение результатов численных расчётов с аналитическими выражениями.167

Ш.3.5. Заключение.171

Приложение. Аналитическое вычисление параметров равновесной частицы с произвольной степенью точности.171

Ш.4. Заключение.174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.175

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.177

ВВЕДЕНИЕ.

Начало использования ускорителей заряженных частиц в качестве эффективного инструмента для фундаментальных исследований в области экспериментальной физики относится к тридцатым годам двадцатого века. С этого времени наблюдается непрерывный прогресс в разработке и сооружении ускорительных установок, в ходе которого данная прикладная отрасль науки прошла путь от небольших лабораторных установок с умеренными характеристиками пучков до высокоэнергетических интенсивных машин гигантских размеров, вокруг которых возникли многочисленные научные центры.

Являясь незаменимыми приборами для фундаментальных исследований, ускорители заряженных частиц нашли также широкое применение в прикладных исследованиях, медицине и промышленности. Непрерывно развивающиеся и совершенствующиеся технологии, применяемые в ускорительной технике, позволяют в настоящее время создавать компактные и относительно недорогие установки, благодаря чему постоянно расширяется спектр возможного применения ускорителей.

Первый раздел главы I посвящен выбору оптимальной схемы и оценке параметров линейного ускорителя. В этом разделе приведены состав и компоновка ускорителя, а также сравнение его проектных характеристик с существующими зарубежными аналогами.

Во втором разделе произведена оптимизация параметров ускоряющей структуры, а также рассчитана динамика частиц в ускорителе с учётом характеристик пучка разработанной для данного проекта электронной пушки.

После изготовления электронной пушки возникла необходимость экспериментального определения её параметров. В заключительном разделе главы I представлен специально разработанный для этих целей метод экспериментального определения параметров параксиального аксиально-симметричного пучка электронов. Проведённые измерения показали хорошее соответствие характеристик изготовленной пушки её проектным требованиям.

В настоящее время существует потребность в промышленных рентгеновских источниках, параметры излучения которых существенно превосходили бы параметры излучения рентгеновских трубок, а стоимость позволила бы наладить их серийное производство. В частности, существует ряд медицинских и промышленных приложений, разработанных на базе синхротронного излучения, которые на данный момент не нашли широкого применения из-за отсутствия компактных источников с необходимыми спектральными характеристиками и интенсивностью. В отделе ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ совместно с ФИАН было решено разработать схему источника рентгеновского излучения на базе эффекта обратного Комптоновского рассеяния для нужд коронарной ангиографии, а также изучить предельно достижимые характеристики генерируемого излучения.

Во вводном разделе второй главы изложена основная идея генерации излучения при обратном Комптоновском рассеянии лазерного импульса на пучке электронов, и представлена концептуальная схема генератора.

Во втором разделе перечислены основные компоненты рециркулятора и инжектора частиц, а также указаны требования, предъявляемые к их отдельным элементам.

Третий раздел главы II посвящен изучению основных отличительных особенностей динамики пучка в рециркуляторе таких, как внутрипучковое рассеяние, когерентное синхротронное излучение и радиационное охлаждение в электромагнитном поле лазерного излучения, отличающих его от действующих накопителей электронов с энергией пучка ~1 ГэВ и выше.

В заключительном разделе предлагается модель структуры рециркулятора, которая позволяет получить пучок с небходимыми поперечными размерами в области взаимодействия с лазерным импульсом. Результаты исследования, приведённые в этом разделе, показали, что для достижения требуемых параметров пучка электронов в кольце необходимо подавлять нелинейные хроматические эффекты.

Вводная часть главы содержит принципиальную схему микротрона и его основные характеристики. В этом разделе также перечислены преимущества данного ускорителя по сравнению с существующими ускорителями электронов для ИОРТ.

Первая и вторая части главы III посвящены оптимизации ускоряющей структуры и поворотных магнитов разрезного микротрона, исходя из проектных характеристик ускорителя, а также выбору оптимальной рабочей частоты.

В третьем разделе главы предложен аналитический метод для начального анализа фазового движения в разрезном микротроне, учитывающий зависящий от энергии сдвиг фазы на участке дрейфа между поворотными магнитами. В соответствии с этим методом предложен аналитический подход для определения равновесных параметров ускорителя, которые можно использовать в качестве начальных значений при поиске равновесной фазы микротрона в специализированных программах по расчёту динамики частиц.

Заключение содержит основные результаты, полученные в данной диссертационной работе.

Список цитируемой литературы приведён в конце диссертации.

Научная новизна работы заключается в предложенных возможных применениях резонансных ускорителей электронов различного типа таких, как компактный разрезной микротрон для интраоперационной радиационной терапии и рециркулятор для медицинского источника рентгеновского излучения, и результатах выполненных расчётов по оптимизации их параметров на основании данных об основных особенностях динамики пучка.

Заключение диссертации по теме "Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника"

Ш.4. Заключение.

В настоящей главе предложена концептуальная модель компактного разрезного микротрона для интраоперационной радиационной терапии, обладающего рядом преимуществ по сравнению со стандартными линейными ускорителями электронов, использующимися в настоящее время, а именно:

1. меньшими продольными размерами и массой (с учётом магнитной системы),

2. в несколько раз меньшей потребляемой СВЧ мощностью для данного диапазона частот,

3. жёстко фиксированной энергией электронов,

4. малым временем переключения энергии ~ 1 мин.,

5. высокой монохроматичностью спектра ускоренных электронов, отсутствием низкоэнергетических хвостов и темпового тока.

В главе также приведены результаты оптимизации параметров ускоряющей структуры и краевого поля поворотных магнитов. Основными требованиями в ходе разработке структуры являлись обеспечение необходимого прироста энергии при прямом и обратном её прохождении, и хорошей группировки частиц по энергии и по фазе при инжекции. Краевое поле магнитов выбиралось исходя из условия замыкания петли траектории равновесной частицы после первого прохождения линейного ускорителя, а также из определённых требований к фокусирующим свойствам магнита.

Для анализа фазового движения в разрезном микротроне с учётом зависящего от энергии сдвига фазы на участке дрейфа между поворотными магнитами (но в отсутствие краевых полей магнитов) предлагается аналитический подход, основанный на решении фазовых уравнений методом теории возмущений. На базе этого подхода разработан аналитический метод для определения основных параметров ускорителя, учитывающий эффект сдвига фазы на участке дрейфа. Получаемые с помощью данного метода равновесные параметры ускорителя, можно использовать в качестве стартовых значений при поиске равновесных параметров в специализированных программах, учитывающих вклад краевых полей магнитов в динамику частиц.

Основными результатами, полученными в данной работе, являются:

8. Предложена концептуальная модель компактного разрезного микротрона для интраоперациониой радиационной терапии (ИОРТ), обладающего рядом преимуществ по сравнению со стандартными линейными ускорителями электронов, использующимися в настоящее время.

9. Оптимизированы параметры ускоряющей структуры микротрона и краевого поля поворотных магнитов.

В заключении хотелось бы выразить искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю профессору Ишханову Б.С. за критические замечания и конструктивные предложения при обсуждении данной диссертационной работы. Особые слова благодарности хотелось бы высказать профессору Шведунову В.И. за неоценимую помощь и содействие в проведённой работе, а также за активное участие в обсуждении диссертации. Автор также искренне признателен всему коллективу отдела ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ за оказанную помощь и поддержку в написании диссертации.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Посеряев, Антон Владимирович, Москва

1. J. Pottier, A new type of RF electron accelerator: the Rhodotron II NIM. В 40/41 (1989) 943-945

2. R.B. Miller, G. Loda, R.C. Miller, et al, A high-power electron linear accelerator for food irradiation applications И NIM В 211 (2003) 562-570.

3. D.R. Kerluke and J. McKeown, Radiat. Phys. Chem., Vol. 42, Nos 1-3, pp. 511514, 1993.

4. J.T. Allen, L.R. Calhoun, et al., A Fully Integrated 10 MeV Electron Beam Sterilization System, Radiation Physics Chem, 46(46):457460,1995.

5. Y. Kamino, 10 MeV 25kW Industrial Electron Linac, LINAC 96 Proceeding, p.836.

6. L. M. Young,"PARMELA", Los Alamos National Laboratory report LA-UR-961835 (Revised April 22,2003)

7. A.A. Ветров, "Расчет электродинамических характеристик и оптических свойств ускоряющих структур в широком диапазоне длин волн", Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук, Москва, 2005.

8. J.H. Billen and L.M.Young, "Poisson Superfish," Los Alamos National Laboratory report LA-UR-96-1834 (Revised February 6,2003).

9. W. B. Herrmannsfeldt, Developments in electron gun simulation, SLAC-PUB-6498 (1994).

10. K.L. Brown, "A First and Second-Order Matrix Theory for the Design of Beam Transport Systems and Charged Particle Spectrometers", SLAC-Report-75.

11. S. Humphries, Charged Particle Beams, QC786.H86 1990, ISBN 0-471-60014-8, http://www. fieldp. com/cpb/cpb. html.

12. Ишханов B.C., Посеряев A.B., Шведунов В.И., "Динамика пучка в сильноточном линейном ускорителе электронов", Препринт НИИЯФ МГУ-2004-6/745.

13. S. Hartman et al., Nucl. Instrum. and Meth. in Physics Research, 1994 Sect. A 340 p. 219.

14. C. Lejeune, J. Aubert, Adv. Electron. Electron Phys., 1980 Suppl. 13A p.159.

15. Геворкян В.Г., Грибов И.В., Зиновьев C.B. и др., Измерение эффективного эмиттанса пучка электронов, ПТЭ, 1988 №6 с.28.

16. S.G. Anderson, J.B. Rosenzweig, G.P. LeSage, J.K. Crane, Space-Charge Effects in High Brightness Electron Beam Emittance Measurements, Phys. Rev. Special Topics Accelerators and Beams, 2002 vol. 5.

17. D. Baker and A. Sali. Protein structure prediction and structural genomics. Science, 293(5540):93 6, October 2001.

18. F. Arfelli et al. Mammography with synchrotron radiation: phase-detection techniques. Radiology, 215(1):286 93, April 2000.

19. Y. Hwu, Wen-Li Tsai, A. Groso, G. Margaritondo, and Jung Ho Je. Coherence-enhanced synchrotron radiology: simple theory and practical applications. Journal of Physics D (Applied Physics), 35(13):R105 20, July 2002.

20. F.R. Arutyunyan, V.A. Tumanian, Phys. Lett. 4, (1963), 176.

21. S. Achenbach, W.G. Daniel, Noninvasive Coronary Angiography An Acceptable Alternative?, N. Engl. J. Med, v. 345, No 26, 1909-1910, 2001.

22. T. Dill, W.-R. Dix, C.W.Hamm, M. Jung, W. Kupper, M. Lohmann, B. Reime, R. Ventura, Intravenous Coronary Angiography: Experience in 276 patients, Synchrotron Radiation News, v.l 1 No 2, 12-20, 1998.

23. W.-R. Dix, W.Kupper, T. Dill, C.W. Hamm, H. Job, M. Lohmann, B. Reime, R. Ventura, Comparison of intravenous coronary angiography using synchrotron radiation with selective coronary angiography, J. of Synchrotron Radiation, v. 10, No 3,219-227, 2003.

24. M.Ando and C.Uyama (Eds.), Medical application of synchrotron radiation, Springer-Verlag, 1998.

25. M.Venturini, R.Warnock, R.Ruth, J.A.Ellison, Coherent Synchrotron Radiation and Bunch Stability in a Compact Storage Ring, Phys. Rev. Special Topics -Accelerators and Beams, 8, 014202, 1-15,2005.

26. F.Carroll, Tunable, Monochromatic X-Rays: An Enabling Technology for Molecular/Cellular Imaging and Therapy, Journal of Cellular Biochemistry 90:502508,2003.

27. A.M. Babunashvili, V.A.Ivanov, S.A.Biryukov, Stenting of Coronary Arteries, ACB, Moscow, 2001.

28. Gorbunkov M.V. Method of ultra short light pulses generation. Patent RF No. 2056684 (priority date 29.10.1993).

29. M.V. Gorbunkov, Yu.V. Shabalin. Method of laser radiation stabilization, Patent RF No. 2163412 (priority date 22.07.1999).

30. M.V. Gorbunkov, Yu.V. Shabalin. Two-Loop Feedback Controlled Laser: New Possibilities For Ultrashort Pulses Generation And High-Level Stabilization. Proc. SPIE, Vol. 4751, p. 463 (2002).

31. M.V. Gorbunkov, V.B. Morozov, A.N. Olenin , L.S. Telegin, V.G. Tunkin, Yu.V. Shabalin, D.V. Yakovlev, Laser with intracavity control of radiation. Patent RF No. 2240635 (priority date 20.08.2003).

32. M.V. Gorbunkov, A.V. Konyashkin, P.V. Kostryukov, V.B. Morozov, A.N. Olenin, V.A. Rusov, L.S. Telegin, V.G. Tunkin, Yu.V. Shabalin, D.V. Yakovlev

33. Pulsed-diode-pumped, all-solid-state, electro-optically controlled picosecond Nd: YAG lasers. Quantum Electron, 35, (1), 2005, p.2.

34. I.C. Hsu, Cha-Ching Chu, and Chuan-Ing Yu. Energy measurement of relativistic electron beams by laser Compton Scattering. Physical Review E (Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics), 54(5):5657 63, November 1996.

35. K. Chouffani et al. Laser-Compton scattering from a 20 MeV electron beam. NIM, Section A, 495(2): 95 106, December 2002.

36. E.S. Sarachik and G.T. Schappert. Classical theory of the scattering of intense laser radiation by free electrons. Phys. Rev. D, 1(10):2738 53, May 1970.

37. Z. Huang and R.D. Ruth. Laser-Electron Storage Ring. Phys. Rev Lett., 80(5):976 9, February 1998.

38. A. Hofmann. Theory of synchrotron radiation. Technical Report ACD-Note 38, SSRL, Menlo Park, CA, September 1986.

39. F.V.Hartemann et al. High-Energy scaling of Compton scattering light sources, Phys. Rev. Special Topics Accelerators and beams, 8,100702 (2005).

40. Herman Winick, SLAC-PUB-777 1, March 1998.

41. R.J. Loewen, A compact light source: Design and technical feasibility study of a laser-electron storage ring X-ray source, SLAC-Report-632, June 2003.46. http://www.bnl.gov/atf/svstems/rfaun/pi describe.html.

42. J. Schwinger, On radiation by electrons in a betatron, 1945 (unpublished).

43. J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, Chapter 14, New York: John Wiley & Sons, 1999.

44. C.L. Bohn, Coherent synchrotron radiation: theory and experiments, AIP Conference Proceedings, (647):81 95,2002.

45. R. Li, The impact of coherent synchrotron radiation on the beam transport of short bunches, Proceedings of the PAC 1999, New York, NY, USA, March 1999.

46. E.G. Bessonov, R.M. Feshchenko, V.I. Shvedunov, The coherent synchrotron radiation influence on the storage ring longitudinal beam dynamics, Proceedings of the 2004 FEL Conference, 625-628.

47. J. Le Duff, Single and multiple Touschek effects, CAS CERN Accelerator School: 5th Advanced Accelerator Physics Course.

48. A. Piwinski, Intra-Beam Scattering, Frontiers of Particle Beams, Eds., M. Month and S. Turner, Lecture notes in Physics, 296, Springer Verlag, (1988), 297.

49. J.D. Bjorken and S. K. Mtingwa, Particle Accelerators, 13, (1983), 115.55. http://mad. home.cern. ch/mad/.

50. H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, vol. 1 and 2, Springer-Verlag, New York, 1995.

51. P. Gladkikh et al., Lattice design for the compact X-ray source based on Compton scattering, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austira, p. 696 698.

52. A. Poseryaev, Storage ring lattice design for a compact X-ray source, Proceedings of SR-2004, Novosibirsk, Russia.

53. A. Zelinsky et al., Lattice of NSC KIPT compact intense X-ray generator NESTOR, Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland, p. 1440 1442.

54. J.P. Delahaye and J. Jager, Variation of the dispersion function, momentum compaction factor and damping partition numbers with particle velocity deviation, SLAC-PUB-3585, 1985.

55. Palta J. R., et al., Intraoperative Electron Beam Radiation Therapy:Technique, Dosimetry, and Dose Specification, Report of Task Force 48 of the Radiation

56. Therapy Committee, American Association of Physicysts in Medecine. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 1995, 33(3), p. 725-746.

57. Michael D. Mills, Liliosa C. Fajardo, David L. Wilson, Jodi L. Daves and William J. Spanos, Commissioning of a mobile electron acceleratorfor intraoperative radiotherapy, Journal Of Applied Clinical Medical Physics, Vol. 2, Numb. 3, Summer 2001.

58. S.M. Hanna, Characterization Techniques For X-Band Medical Accelerator Structures, Proc. of the 2000 EPAC, Vienna, Austria, (2000),http://accelconf. web.cern.ch/AccelConf/e00/ PAPERSZWEPlB07.pdf

59. S.M. Hanna, Applications Of X-Band Technology In Medical Accelerators, Proc. of the 1999 IEEE РАС, New York, (1999), http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/p99/PAPERS/WEP114.PDF

60. M.L. Meurk et al., The Mobetron: A New Concept for Intraoperative Radiotherapy, 6th International IORT Symposium, San Francisco, CA (1996).

61. G.A. Novikov, O.V. Chubarov, K. Halbach, A.I. Karev, V.I. Shvedunov, and W.P. Trower, Novel Race-Track Microtron End Magnets, Nucl. Instrum. Meth. В139 (1998), p. 527.

62. E. Tanabe, M. Bayer, S. D. Ireton and G. Kalkanis, An X-Band Coaxial Standing-Wave Linear Accelerator Structure, 1986 Linear Accelerator Conference Proceedings, Stanford, CA, USA, pp. 455-457, 1986.

63. Sun Xiang et al., A Portable X-Band On-Axis Standing Wave Linac Structure, 1997 Particle Accelerator Conference Proceedings, http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/pac97/papers/pdf/9W036.PDF.

64. W. D. Kilpatrick, Criterion for Vacuum Sparking Design to Include Both RF and DC, UCRL-2321, Sept. 1953.

65. V. A. Vaguine, Standing Wave High Gradient Accelerator Structure, Rev. Sci. Instrum., vol. 48, num. 11, Nov. 1977.

66. S. W. Williams, G. W. Rodenz, F. G. Humphrey, and J. M. Potter, Voltage Breakdown Testing for the Radio-Frequency Quadrupole Accelerator, 1979, Linear Accelerator Conference proceedings.

67. E. Tanabe, Voltage Breakdown in S-Band Linear Accelerator Cavities, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 4, Aug. 1983, http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/p83/PDF/PAC19833551.PDF.

68. E. Tanabe, Voltage Breakdown at C-Band and X-Band Frequences, www.slac.stanford.edu/cai-wrap/aetdoc/linac86-118.pdf.

69. В.И. Каминский, M.B. Лалаян, Н.П. Собенин, "Ускоряющие структуры", Учебное пособие. М.:МИФИ, 294 е., 2005.

70. Roy Е. Rand, Recirculating Electron Accelerators, Harwood Academic Publishers, New York, 1984.

71. В.Г. Геворкян, А.Б. Савицкий, M.A. Сотников, В.И. Шведунов, RTMTRACE, рукопись, депонированная в ВИНИТИ, №678-88, 1988.

72. С.П. Капица, В.Н. Мелехин, Микротрон, М., Издательство наука, 1969.

73. А.А. Коломенский, Исследование по теории движения частиц в современных циклических ускорителях, Диссертация, ФИАН, 1956.

74. В.Н. Мелехин, ЖЭТФ, т.61, №4 (1971) 1319.

75. В.К. Гришин, М.А. Сотников, В.И. Шведунов, Вестник МГУ, сер. физика, астрономия, т. 27, №2 (1986) 26.

76. PTRACE, К-Х. Кайзер, личное сообщение.

77. V.I. Shvedunov, A.N. Ermakov, I.V. Gribov, E.A. Knapp, G.A. Novikov, N.I. Pakhomov, I.V. Shvedunov, V.S. Skachkov, N.P. Sobenin, W.P. Trower, and V.R. Yajlijan, 70 MeVRacetrack Microtron, Nucl. Instrum. Meth. A550 (2005) 39-53.

78. B.S. Ishkhanov, N.I. Pakhomov, N.V. Shvedunov, V.I. Shvedunov, V.P. Gorbachev, Conceptual design of the miniature electron accelerator dedicated to IORT, Proceedings of RuPAC XIX, Dubna 2004.