Развитие методов формирования прецизионных пучков в линейных ускорителях электронов

Довбня, Анатолий Николаевич

Развитие методов формирования прецизионных пучков в линейных ускорителях электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Довбня, Анатолий Николаевич АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Харьков МЕСТО ЗАЩИТЫ

1993 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.20 КОД ВАК РФ

Автореферат по физике на тему «Развитие методов формирования прецизионных пучков в линейных ускорителях электронов»

Автореферат диссертации на тему "Развитие методов формирования прецизионных пучков в линейных ускорителях электронов"

РГ6 од

? и/<П 'СЗйрьковский физико-технический институт

На правах рукописи

ДОВБНЯ Анатолий Николаевич

развитие методов формирования прецизионных пучков в линейных ускорителях электюнов

01. 04. 20-физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Автор:

Харьков-1993

Официальные оппоненты:

Глазков А. А., доктор физико-математических наук, профессор. Агафонов А. Е , доктор физико-математических наук. Пурин Б. И, доктор технических наук, профессор.

Ведущая организация:

4илиал института ядерной физики СОРАН, г. Протвино

Защита состоится " <1 " -¿¿/Ш^ 1993 г. в час. &0 мин. на заседании специализированного

совета д-053. 53.07 в Мэсковском инженерно-физическом институте по адресу: 114409, Москва, Каширское шоссе,31, тел. 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Просим прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации или принять участие в работе совета.

Разослано ••/5 " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Н. М. Гаврилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Несмотря на то, что максимальная энергия электронов, достигнутая в многосекционных ЛУЭ, значительно уступает энергии протонов в современных ускорителях (Батавия, ЦЕРН, проектируемый в СССР УНК на 3 ТэВ),роль их для решения фундаментальных вопросов физики чрезвычайно высока. Достаточно лишь напомнить, что открытие структуры нуклона (Хофштадтер, 1962г.), пси-частиц (Рихтер, 1974г.), нарушение СРТ-инвариантности и другие открытия, удостоенные Нобелевских премий,были обнаружены на этих ускорителях. И если пионерские опыты Хофштадтера осуществлялись на пучке электронов с разбросом по импульсам в несколько процентов,то все последующие эксперименты требовали существенно меньшего разброса по импульсам при одновременном уменьшении поперечного эмиттанса пучка Это обстоятельство стимулировало как исследования по динамике пучков в многосекционном ЛУЭ, выявление основных детерминированных и стохастических факторов, увеличивающих его фазовый объем, так и разработку методов формирования пучков с малым шестимерным фазовым объемом или с малой величиной проекции последнего на требуемую плоскость. В 80-тые годы техника многосекционных ЛУЭ получила мощный стимул для своего развития. В различных странах запущено около 10 новых ускорителей (Япония,КНР,США,ЦЕРН). Это связано прежде всего с разработкой линейных коллайдеров в области физики сверхвысоких энергий (ВЛЭПП.СЛК), ускорителей с непрерывным пучком электронов в "резонансной"области энергий(0. 5... бГэВ), созданием ряда инжекторов для кольцевых коллайдеров и источников СИ.

Все это требует существенного уменьшения фазового объема пучка и разработки новых методов формирования прецизионных пучков в многосекционных ЛУЭ. Это можно показать на таком примере. В ХФГИ в настоящее время разрабатывается растяжитель пучка для ЛУЭ-2000 с одновременной реконструкцией последнего. При инжекции пучка в растяжитель и последующем его выводе требуется, чтобы энергетический разброс пучка электронов был менее 0.1%, иначе из-за потерь пучка основные магнитные элементы будут быстро разрушаться из-за радиационных повреждений. В то же время в большинстве современных ЛУЭ нагрузка ускоряющей структуры током в 0.1... 1А приводит к изменению энергии пучка на десятки процентов в течение значительной части импульса (времени заполнения секций в случае применения струк

тур с бегущей волной). Кроме того,это приводит к увеличению поперечного эмиттанса пучка из-за хроматических аберраций. Это ставит перед техникой ускорителей в данном случае многоплановую задачу: разработку таких методов монохроматизации пучка, которые исключали бы потери частиц вдоль ускоряющего тракта (до уровня 0.1%) и не приводили к существенному росту поперечного фазового объема. О величине последнего необходимо добавить следующее. Современные исследования по упругому и неупругому рассеянию электронов,а также процессов фоторождения в двойных поляризационных экспериментах (поляризованные фотоны плюс поляризованная мишень) требуют формирования пучка электронов(позитронов) с поперечным нормализованным эмиттан-сом Ет=Г*р1*ЮЕ-4м*рад ( Г-Лоренц фактор, а Еш -эмиттанс пуч^а на мишени в области энергий более 500 МэВ). Аналогичные требования к яркости электронного пучка В-1/Ет*Ем возникают и при исследовании ЛСЭ или когерентных эффектов в кристаллах. Практически ни в одном ЛУЭ в настоящее время такие параметры пучка в широком диапазоне токов еще не реализованы. Для исследований с применением магнитных спектрометров с высоким разрешением необходимы пучки с энергетическим разбросом менее 0.1%.

Таким образом,развитие исследований по многим областям физики с применением многосекционных ЛУЭ обуславливает актуальность постоянного развития методов и устройств формирования прецизионных по продольному и поперечному эмиттансу пучков. Данная диссертация посвящена проблемам получения пучков заряженных частиц на уровне современных требований физического эксперимента и представляет собой обобщение результатов исследований и разработок различных методов формирования прецизионных пучков, выполненных автором на ЛУЭ-2000 и ЛУЭ-300 в ХФГИ.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЛУЭ для фундаментальных исследований в ХФГИ были запущены в 60-х годах. В это же время начали работать подобные установки за рубежом ( СЛАК (Стенфорд), ЛАЛ (ОРСЭ), позже АЛС (Сакле) и ускоритель Бейтса (Массачузетс)). Эти ускорители, различаясь существенно по энергии, току и скважности, в то же время имели практически одинаковые параметры фазового объема пучка на мишенях ( монохроматичность 1 процент, нормализованный эмиттанс 10Е-3 м*рад). В 70-х г. г. в связи с разработкой новых методик проведения физических экспериментов с использованием пучков электронов или вторичных пучков (позитроны,поляризованные гамма-кванты, мезо-

ны) возникли качественно новые требования на параметры ускоренного пучка, в частности необходимо было реализовать монохроматичность пучка в 0.17. и менее без потери интенсивности частиц, фактически одновременно в ХФГИ и за рубежом началась разработка методов формирования пучков с указанными параметрами и реализация их в многосекционных ЛУЭ. Для генерации поляризованных монохроматичных гамма-квантов на выходе ЛУЭ необходимо было уменьшить поперечный эмиттанс пучка электронов на кристалле, для чего потребовалась разработка методов подавления квадратичных аберраций в системах транспортировки пучка . Накопленный опыт использования ЛУЭ в прикладных исследованиях настойчиво выдвигал задачи не только повышения мощности пучка (энергия, средний ток ), но и увеличения плотности пучка на мишенях, что также потребовало разработки самостоятельных методов формирования пучков с заданными характеристиками. Эффективность работы многосекционного ЛУЭ во многом определяется возможностью организации многопучкового режима с параллельной работой на несколько каналов, что выдвигает конкретные требования на параметры фазового объема пучка в разных импульсах ЛУЭ и потребовало разработок специальных методов формирования пучков. Разумеется, все это не могло быть учтено при разработке того или иного' ускорителя. Поэтому вполне естественно,что выдвигаемые практикой физического эксперимента все более жесткие требования на параметры пучков, привели к разработке целого ряда методов их формирования.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в изучении динамики пучков в многосекционных ЛУЭ в широком диапазоне токовой нагрузки, выявлении основных детерминированных и стохастических факторов, увеличивающих или нежелательным образом трансформирующих фазовый объем пучка на физических мишенях,разработке и реализации методов и устройств формирования пучков с прецизионными параметрами,а также в исследовании и разработке новых ускоряющих структур для работы ЛУЭ как инжектора в растяжитель пучка.

к защите представляются

1. Результаты исследований динамики пучка в многосекционных линейных ускорителях электронов, выполненных как экспериментально, так и с помощью численного моделирования по оригинальным программам, результаты исследования факторов, увеличивающих продольный и поперечный эмиттанс пучка в ЛУЭ.

2. Методы формирования прецизионных пучков в ЛУЭ, использую-

щих связь поперечного движения с продольным, методы бесфоновой проводки сильноточного пучка вдоль ускоряющего тракта ЛУЭ, результаты исследований неустойчивости типа Ь. Ь. и. при реконструкции ускоряющей системы ЛУЭ-2000.

3. Результаты исследований и разработок, а также методика экспериментов по системам формирования монохроматичных пучков электронов, включая систему энергетического сжатия спектра пучка на выходе ЛУЭ-300 и спектрометр энергетических потерь на выходе ЛУЭ-2000.

4. Результаты исследований и разработок систем транспортировки пучка из ЛУЭ с подавлением аберраций.

5. Результаты исследований и разработок новых ускоряющих структур с высоким темпом ускорения; методов увеличения их электрической прочности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКИ ПУЧКА В МНОГОСЕЩОННОМ ЛУЭ

Первые же эксперименты с пучком электронов (1965 г.) в ЛУЭ на 2 ГэВ показали,что существуют эффекты,о которых при разработке ускорителя практически ничего не было известно. Назовем некоторые из них :

-неустойчивость пучка типа "обрыва импульса" ( впоследствии в иностранных публикациях получившей название beam break up, b. b. u.);

-сильное влияние на динамику пучка очень слабой асимметрии поля в элементах ввода и вывода СВЧ мощности в ускоряющую секцию;

-рост поперечного эмиттанса пучка в ахроматичных системах транспортировки пучка электронов из ЛУЭ на физическую мишень.

Эти и подобные эффекты в значительной степени влияют на качество физических исследований,проводимых с высокоэнергетичными электронами, а в некоторых случаях определяют и возможность их постановки. Многообразие возможных явлений привело к необходимости создания математической модели ыногосекционного ЛУЭ.

Сейчас математическое моделирование на ЭВМ динамики пучков заряженных частиц при разработке ускорителей или отдельных его систем является практически безусловной процедурой. Однако 20 лет назад такой метод практически не существовал, особенно применительно к многосекционным ускорителям электронов. Уровень вычислительной техники в то время, программное обеспечение и сервисные

внешние устройства делали эадачу о построении и использовании таких моделей чрезвычайно сложной. В 1967 г. автор совместно с Петренко В. В. создал первую математическую модель многосекционного ЛУЭ применительно к УВЫ "ДНЕПР-1" и ЭВМ "МИНСК-2". Ее отличительной способностью была попытка описать действие флугсгуаций в элементах ускорителя методом Монте-Карло , поперечное движение через конкретный элемент описывался матричным способом, также как в программах ТРАМП (ЦЕРН) и "ФОКУС"(ИТЭФ). Результаты расчета должны пройти этап "ручной" обработки и осмысливания прежде чем перейти к новому варианту.

В 1969 году на базе ЭВМ типа М-220, а также светового карандаша и осциллографа в качестве дисплея,нами был создан новый вариант математической модели многосекционного ЛУЭ,позволяющей вести диалог с ЭВМ [1].

Таким образом, появилась возможность непрерывно контролировать вычислительный процесс и вести поиск или оптимизацию системы в желаемом направлении. Особенно эффективна работа такой модели при исследовании систем с большим количеством варьируемых параметров ( около 100 ). Математические методы тогда и в настоящее время, не гарантирует нахождение оптимума столь многопараме^ ричеекой задачи. Поэтому диалог непосредственно исследователя с ЭВМ позволял сравнительно быстро находить решение конкретных задач. Дальнейшее развитие этой модели,перевод ее на язык ФОРТРАН и постановка на ЭВМ БЭСМ-6,позволило создать качественно новую программу[2].

Моделирование динамики пучка позволило изучить эффекты, возникающие из-за связи поперечного и продольного движения частиц в многосекционном ЛУЗ. Эта связь, обусловленная асимметрией полей в согласователях ускоряющих секций, приводит к увеличению эффективного змиттанса пучка, сепарации траекторий частиц, дополнительным потерям пучка С 3-9 ]. На ее основе был предложен и реализован один из методов формирования прецизионных пучков в ЛУЭ при малом токе пучка(до порога неустойчивости Ь. Ь. и.) С103. Моделирование динамики пучка позволило также исследовать потери энергии пучком на излучение в высших полосах пропускания диафрагмированного волновода,изучить особенности поперечной неустойчивости пучков наносекундной длительности 11-16 ]. Экспериментальные исследования оптики пучка в ЛУЭ позволили феноменологически определить суммарное действие входного и выходного согласователей на пучок при различной фазовой

скорости волны в секции и правильно описать их в математической модели ЛУЭ [17].

Надо отметить, что к этой проблеме автору пришлось вновь вернуться, спустя десять лет,сначала в связи с реконструкцией ускоряющей системы ЛУЭ на 2 ГэВ [ 18 ],а затем в связи с разработкой новых ускоряющих секций с квазипостоянным градиентом и уже на основании ранее разработанных алгоритмов определить влияние как фазовой , так и амплитудной асимметрии полей в ТТВ на поперечный импульс электрона [ 19 ]. В новых секциях усредненная по длине сог-ласователей асимметрия амплитуды электрического поля менее 1.4%, а ее фазы менее 2.4 град. Это приводит к увеличению дисперсии поперечной скорости частицы на с!Р=2.08*31 п& кэВ/с(©-0-гребень волны) и к дополнительному поперечному импульсу сгустка как целого на с1Р=5.8*созв кэВ/с,что на порядок меньше чем в прежних ускоряющих секциях.

Оптические свойства многосекционного ЛУЭ в значительной мере определяются фдуктуациями параметров ускоряющих и управляющих траекториями электромагнитных полей.

Выполненные в 1973 году совместные экспериментальные исследования ШФИ-ХФГИ по определению вклада быстрых флуктуаций в энергетический спектр [20] подтвердили правильность математического описания возмущений для системы с большим количеством ускоряющих элементов и показали, что в ЛУЭ влияние этих флуктуаций уменьшается с ростом количества секций.

Действие же флуктуаций полей любого рода на поперечную динамику пучка всегда приводит к увеличению поперечного эффективного эмиттанса пучка. В работах С 8, 17 3 приводятся экспериментальные данные по увеличению поперечного эмиттанса пучка в зависимости от различных факторов "шума" и сравниваются с предсказаниями моделирования. Показана связь между допусками на юстировку элементов и нестабильностями тока питания управляющих элементов, даются рекомендации по выбору систем допусков [21]. На рис.1 представлена экспериментальная зависимость эффективного эмиттанса пучка на выходе ЛУЭ от числа последовательных импульсов тока. Эмиттансы пучков одиночных импульсов отличаются по форме и положению, а их величины изменяются в пределах 15%, в то же время эффективный эмиттанс цуга импульсов увеличивается более чем в два раза, показывая роль медленных (от импульса к импульсу) флуктуаций. На рис. 2 представлены

экспериментальные данные по влиянию быстрых флуктуаций на эмиттанс пучка, полученные путем стробирования короткого импульса электронов (5мкс) относительно высокочастотного импульса ускоряющей структуры (1>2. Змкс). При приближении к фронтам наблюдается значительное увеличение эмиттанса в горизонтальной плоскости, что связано с усилением воздействия поперечного поля в согласователях на пучок при его скольжении относительно фазы ускоряющей волны.

Результаты этих исследований были использованы нами при разработке методики бесфоновой проводки сильноточного пучка вдоль ускоряющей структуры. Разумные потери пучка электронов в многосекционном ЛУЭ при среднем токе 100... 500 мкА не должны превышать 1...0,2% в ускоряющем канале и 1% в системах его транспортировки на мишени или в растяжители пучка. Для прикладных работ по реакторному материаловедению, которые выполняются при среднем токе 50... 100 мкА ( ток в импульсе 0.3. ..0,5А ) эта методика проводки пучка обеспечивает указанные выше потери тока [ 22,23]. Большие хроматические аберрации, которые могут возникать во время переходного режима работы секции(0.. .0,4мкс), подавляются за счет подбора времени задержек импульса ВЧ мощности относительно импульса тока пучка. На рис. 3 представлены зависимости токопрохождения лучка в сильноточном режиме, где достигается электронный к. п. д более 80%.

Для подавления неустойчивости пучка (типа Ь. Ь. и.) использовался метод,предложенный В. Смирновым,заключающийся во внесении крестообразных разрезов в диафрагмы ускоряющих секций. При этом 25 ускоряющих секций подверглись коренной реконструкции (разрезы в диафрагмах,симметризованные ТТВ,возвратно-петлевая система термос-татирования). Процесс реконструкции ускоряющей структуры ЛУЭ на 2 Гэв проходил постепенно без сокращения пучковых программ в течение 10 лет[24,25]и поэтому имелась возможность сравнивать экспериментальные данные по критическому току пучка на выходе ускорителя с предсказаниями различных теоретических моделей. На рис. 4 представлена зависимость тока пучка от числа разрезных секций;имеется прекрасное согласие с теорией В. И. Курилко в предположении,что сек-'ции с разрезами не дают вклад в "шум" пучка на гибридных колебаниях [26]. •

Необходимо отметить,что для многих экспериментов по ядерной физике, а также в прикладных исследованиях с релятивистскими пучками требуются плотности 10-10Е+4 А/см*см. Для ГэВ-ного диапазона

единственный приемлемый в настоящее время способ формирования пучков с такими параметрами - это поперечная компрессия пучка. Автором совместно с В. А. Стратиенко были разработаны методы формирования микропучков электронов и гамма-квантов [27] с помощью квадруполь-ных дублетов, параметры которых подбирались для различных ЛУЭ нашего института в зависимости от поперечного фазового объема и энергии пучков. Оптимизация таких устройств заключается в правильном выборе величины бета-функции фокусировки. При уменьшении бета-функции размер пучка в кроссовере в линейном приближении уменьшается, но с другой стороны увеличивается вклад квадратичных аберраций. Кроме этого необходимо учитывать многократное рассеяние электронов в материале выходного окна и предельные тепловые нагрузки на них. Все это в комплексе ограничивает максимальную величину плотности тока пучка электронов и гамма-квантов на мишенях. Тем не менее, в многочасовых сеансах реализован режим работы с размером пучка на мишени 200 * 300 мкм (плотность 10Е+4 А/см*см),а в кратковременных с г< 100 мкм, это нам позволило проводить ряд новых работ,например, по экспрессному испытанию новых материалов реакторостроения и т. п. Переход в область еще более плотных пучков (г< 10 мкм) требует уменьшения как продольного, так и поперечного фазового объема пучка в ЛУЭ.

СИСТЕМЫ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПУЧКА ЛУЭ

Системам транспортировки пучка ( СТП ) из циклических ускорителей посвящено много работ, обзор многих из них содержится в известной монографии Котова К И. Описанию особенностей СТП из многосекционных ЛУЭ в литературе уделялось гораздо меньше внимания.

В СТП из ЛУЭ много общего с аналогичными системами циклических ускорителей однако есть и некоторые особенности, обусловленные различием в фазовом объеме пучков.

Поперечный фазовый объем (эмиттанс) пучка электронов на выходе ЛУЭ обычно на несколько порядков меньше, чем в циклических ускорителях. Кроме того он имеет продольную структуру (банчи) на частоте нескольких Ггц. В то же время в циклических ускорителях он не модулирован по продольной координате. Энергетический разброс в пучке электронов на выходе из ЛУЭ больше (примерно на порядок) чем на выходе кольцевых установок. Длительность импульса ускоренного тока в ЛУЭ на большие энергии обычно составляет несколько мкс при боль-

шой частоте повторений,тогда как в кольцевых машинах длительность импульса на мишени достигает нескольких секунд (медленный вывод).

Эти различия порождают и другой подход к построению пучковых каналов. В большинстве случаев для транспортировки пучков к физическим установкам применяют ахроматические системы.

В ускорителях электронов ХФТИ получили распространение схемы, предложенные Иановским-зеркально инвертируемые системы с двумя секторными магнитами и тремя квадрупольными линзами между ними.

Исследования таких систем применительно к ускорителям с энергией до 2 ГэВ,проведенные К В. Петренко,показали,что они удовлетворяют требованиям эксперимента к рассеянию электронов на ядрах.

Дальнейшее развитие работ по физике потребовало разработки методов получения монохроматических гамма квантов с линейной поляризацией излучения. Принятая за основу методика включает в себя генерацию квазимонохроматического излучения на кристаллах (алмаза, кремния) пучком высокоэнергетических электронов с последующей очисткой пучка гамма-квантов и формированием его в заданном телесном /тле с помощью коллиматоров. Однако, как было экспериментально установлено, в месте расположения гониометрической установки с кристаллом не удается сформировать пучок электронов с малой расходимостью в существовавшей СТП, что приводит к резкому снижению интенсивности потока гамма-квантов на мишени и уменьшению его поляризации.

Исследования, выполненные нами [ 28 ] показали, что причиной этого является рост "эффективного эмиттанса" пучка в данной СТП. Эмиттанс пучка на выходе СТП измерялся в месте установки гониометра. В вертикальной плоскости его величина совпадает с эмиттан-сом пучка на выходе ЛУЭ. А в горизонтальной плоскости СТП увеличивает первоначальный эмиттанс пучка в 8-15 раз в зависимости от начального размера пучка Наиболее существенными являются хроматические аберрации. Минимальная величина змиттанса пучка,которую можно реализовать на выходе СТП-5*10Е-7м*рад(что в пять раз превышает требуемый уровень для генерации монохроматических гамма-квантов)и в рамках данной схемы не может быть уменьшена. В связи с этим нами были предложены и реализованы два метода частичного подавления аберраций.

Первый метод заключается в создании заданной квадратичной нелинейности поля в квадрупольных линзах С 29]. Учитывая трудоемкость переделки готовых линз, нелинейность поля формировалась изменением

магнитных потенциалов двух полюсов,располженных по одну сторону от вертикальной оси. Практически это достигалось посредством шунтирования тока в двух обмотках. При оптимальном сопротивлении шунтов эмиттанс пучка в горизонтальной плоскости уменьшился в два раза.

Следующий метод, который был предложен и реализован нами, заключался в изменении режима фокусировки центральной линзы в схеме ПановскогоС30]. В этом случае все три линзы между магнитами фокусируют пучок в горизонтальной плоскости. Для обеспечения фокусирующих свойств в вертикальной плоскости мы применили регулируемые срезы на краях магнитов с экранами. Изучение оптических свойств СТП в вертикальной плоскости проводилось следующим образом. При различных значениях углов входного(Ы) и выходного(Ь2 ) срезов поворотного магнита ПМ-1 измерялся размер пучка на расстоянии 51.4м от выходного среза на стекляном детекторе при отключенных линзах; отпечаток пучка на стекле анализировался микрофотометром. Входной размер пучка задавался коллиматором с фиксироованными диаметрами отверстия(1,2,4,8мм), одновременно измерялся эмиттанс пучка в вертикальной плоскости. Такая методика позволила определить оптимальные углы срезов: Ы-=34град. и Ь2=7град. В новом режиме работы эмиттанс пучка в горизонтальной плоскости уменьшился в три раза, при этом эмиттанс пучка в вертикальной плоскости практически не изменился. Все эти исследования проводились при работе линзы Л2 с выбранной квадратичной нелинейностью поля.

Следует отметить, что в новом режиме СТП чрезвычайно чувствительна к форме эмиттанса в вертикальной плоскости . Изменение расходимости пучка на 3*1ОЕ-5 рад от заданной при фиксированном размере пучка приводит к удвоению его размера по вертикали на выходе ПМ-2 и потере части пучка на стенках камера Проведенная модернизация существующей СТП позволила увеличить интенсивность потока гамма-квантов,однако поставила вопрос о коренном усовершенствовании СТП. Предварительные расчеты нескольких вариантов реконструкции СТП ускорителя на 2ГэВ показали, что поиск наиболее приемлемой схемы необходимо искать в дополнениях к данной системе, при этом полностью сохраняется возможность работы на уже созданных экспериментальных методиках, а также, что немаловажно, сохраняются уже созданные основные оптические элементы.

Выбор оптимальной СТП производился нами на ЭВМ по специальной

программе. Здесь необходимо отметить, что, хотя в то время существовали уже хорошо проверенные программы оптимизации магнитооптических систем, мы предпочли разработать собственную программу, исходя из следующих соображений:

- существовавшие программы используют стандартные методы поиска оптимума нескольких переменных (градиентный,наискорейшего спуска и т. п. )и нет никаких гарантий,что найденные параметры не представляют собой локальный оптимум (многое зависит от выбора начальной точки);

- эмиттанс пучка на мишени, его возможные потери,чувствительность пучка к изменению тока в магнитных элементах необходимо было заложить в функционал качества пучка и проводить оптимизацию с учетом всех этих требований.

- так как предпологалось использовать данную систему и в качестве дебанчера для системы энергетического сжатия, то необходимо было также оптимизировать ее дегруппирующие свойства

Подробно вопросы оптимизации СТП и результаты экспериментального исследования свойств СТП-5 описаны нами в [31, 32].

Наиболее жесткими требованиями для СТП-5 являются допуски на стабильность питания поворотных магнитов,поэтому была разработана схема питания их от одного генератора со стабильностью 0.05%, а различие магнитных характеристик (менее 1% ) компенсировалось путем возбуждения дополнительной обмотки магнита ПМ2 от высокостабильного источника на небольшие токи. Такая схема питания обеспечила эквивалентную стабилизацию для пучка порядка 2*10Е-б. Разработка СТП-5 стимулирована необходимостью получения поляризованных монохроматических пучков гамма-квантов. При переходе к тонким монокристаллам совместно с глубокой коллимацией фотонного пучка ожидалось значительное увеличение коэфициента поляризации пучка, при этом принципиально важно иметь малую расходимость первичного пучка электронов. Для сравнения СТП-5 и СТП-3 по этому главному критерию нами были проведены эксперименты по генерации когерентного излучения на монокристаллах алмаза толщиной t=2 мм и t-0. 08 мм. Энергия пучка электронов была 1150 МэВ,а энергия фотонов в центре максимума равнялась 330 МэВ. Поток фотонов из толстых мишеней увеличился в четыре раза, а поляризация пучка гамма-квантов возросла до 92% для тонких монокристаллов алмаза; лучший результат для СТП-3 - 46%.

СТП-5 используется на программы с 1976 года, многолетний опыт подтвердил ее высокую эффективность в исследованиях, где требуются малые фазовые объемы первичных пучков электронов и позитронов.

Многосекционные ЛУЭ - дорогостояще электрофизические установки, эксплуатация которых на физические программы требует больших затрат. Вследствие этого наряду с непрерывным совершенствованием параметров пучков представляет большой практический интерес и реализация одновременого использования ЛУЭ на несколько программ, что существенно повышает эффективность работы ускорителя. Ускорители ХФГИ проектировались и запускались в работу, к сожалению, без учета возможности постановки и проведения одновременно нескольких экспериментов. Кроме того, все известные многосекционные ЛУЭ распределяют пучок по каналам уже на выходе ускорителя при одной и той же энергии,в то время как в ХФГИ пучковые станции промежуточной энергии распологаются вдоль ЛУЭ. Для ЛУЭ очевидно не существует универсального подхода при построении многопучковых систем, необходимо в каждом случае исходить из конкретных задач, решаемых на ускорителе, анализировать временную загрузку ускорителя и учитывать требования эксперимента к характеристикам пучков. Именно такой подход был принят нами за основу при разработке многопучковых систем на ЛУЭ-300 и ЛУЭ на 2 ГэЕ Сами по себе задачи импульсного управления траекторией пучка ранее успешно решались. Однако вопросы согласования эмиттанса выходящего из системы пучка с аксептансом последующей ускоряющей структуры оказались новыми, требующих специальных исследований и разработок.

В работе [33] нами приведены результаты исследований системы разводки пучка ЛУЭ-300 по каналам, включающей в себя комбинацию постоянных и импульсных магнитов. В разработанном устройстве [34] при сложении полей импульсного безжелезного магнита специальной конфигурации и постоянного электромагнита образуется ахроматичная система с регулируемыми фокусирующими свойствами. Такое устройство благодаря малым габаритам может быть установлено в межсекционных промежутках. Это позволяет пропускать пучок через данное устройство в последующие ускоряющие секции с требуемым согласованием. Такая схема разводки пучка особенно эффективна при параллельной работе каналов с резко отличающимися частотами посылок ( например, инжекция в накопитель электронов или пузырьковые камеры с частотой

1..0 Гц и материаловедческие каналы с частотой 50 Гц). Фактически в этом случае пучковой ресурс ускорителя увеличивается пропорционально количеству параллельно работающих каналов.

С 1977 года интенсивные пучки электронов ЛУЭ-2000 используются для исследований по физическому материаловедению, а с 1984г. для экспрессных испытаний материалов реакторостроения. Для указанных задач требуется формировать потоки электронов в диапазоне энергий 200... 500 МэВ. Временное отсутствие экспериментальных залов на промежуточную энергию привело к необходимости создать пучковую станцию непосредственно в бункере ЛУЭ, которая работает во время сеанса облучения. При этом ЛУЭ-2000 разделяется как бы на два ускорителя, за счет промежуточного инжектора на 20 МэВ Уменьшение энергии пучка электронов для экспериментов на основных каналах ЛУЭ, с одной стороны,крайне нежелательно,а с другой стороны,фронт прикладных работ расширяется, что требует все большего ресурса времени ускорителя. Поэтому решение задачи о параллельной работе этих программ без уменьшения максимальной энергии ЛУЭ значительно повысит эффективность исследований. В работах [35,36] мы детально рассмотрели несколько вариантов схем промежуточных каналор совместно с системой импульсной разводки пучка. На основе этих исследований нами разработан проект СТП, в котором распределение пучков по каналам осуществляяется пространственно разнесенными магнитами с постоянными и импульсными полями. Все магнитные элементы, распо-логаемые в основном бункере ускорителя, размещаются на месте 19с. В промежуточные каналы пучок инжектируется двумя идентичными секторными магнитами, а в ускоряющий канал - импульсным. В связи с большим средним током пучка важнейшим требованием является отсутствие потерь частиц в тракте его транспортировки, поэтому СТП рассчитана на пропускание пучка с разбросом по импульсам в 10%. В одном из каналов требуется формировать на мишенях пучок электронов с удельной плотностью 10Е+18 э/см*см*сек. В целом он представляет ахроматическую систему, в которой(из-за симметрии системы и полного сдвига бетатронных колебаний пcи=2pi в обеих плоскостях) подавлены все геометрические аберрации до второго порядка включительно. Конечный размер пучка на мишени в этом случае фактически полностью определяется хроматическими аберрациями и многократным рассеянием на материале выпускього окна канала.

СИСТЕМЫ КОМПРЕССИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ПУЧКА В ЛУЭ В современных экспериментальных исследованиях требуются пучки электронов (позитронов) с монохроматичностью 10Е-4.. 10Е-5 Формирование подобного спектра пучка электронов непосредственно в ускоряющей структуре (не сверхпроводящей) затруднено из-за многочисленных возмущающих факторов. Как правило,регулировка величины энергетического разброса производится коллиматором-монохроматором, что, с одной стороны, приводит к уменьшению интенсивности пучка на физической мишени и длительности импульса тока (крайне нежелательно для экспериментов, использующих схемы совпадений),а с другой - в принципе ограничивает возможности формирования прецизионных пучков из-за квадратичных аберраций и взаимодействия пучка с материалом импульсного коллиматора. С целью монохроматизации пучка ультрарелятивистских электронов в ЛУЭ-2000 автором совместно с ПетренкоВ. К в [ 37 ] предложен способ сжатия спектра с помощью высокочастотного компрессора. При этом продольная сепарация частиц по энергиям осуществляется не за счет разности скоростей в прямолинейном дрейфе как в ионных ЛУ, а благодаря разности длин осевых траекторий для частиц разных энергий в поворотных магнитооптических системах-магнитных дебанчерах. Действительно, так как радиус поворота электронов в магнитном поле зависит от его энергии, то электроны разных энергий движутся по отличающимся траекториям и проходят пути разной длины. Сгусток электронов растягивается и возникает связь между энергией электрона и его продольной координатой относительно центра сгустка. Преобразованный таким образом сгусток инжектируется в ВЧ-компрессор,фазовая скорость волны в котором равняется скорости света. Происходит выравнивание электронов по энергии, а, следовательно, и сжатие энергетического спектра пучка. Необходимо отметить, что еще ранее аналогичные идеи для небольших ЛУЭ рассматривались в НИИЭФА ( А. Е Рябцев ). Там же позже был предложен проект бигармонической компенсации энергетического разброса в ЛУЭ для электронного микроскопа. Однако действующих установок в мире на крупных ускорителях не было. В 75-80 гг. такими установками были оснащены ЛУЭ в Майнце (ФРГ), Тохоку (Япония), Глазго (Шотландия). В ХФГИ на выходе ЛУЭ ка энергию 300 МэВ автором совместно с сотрудниками также была разработана система энергетического сжатия пучка(СЭС)[38-43], которая обеспечивает уменьшение энергетического разброса частиц без потери его интенсивности.

Эта СЭС состоит из двух основных частей: магнитного дебанчера и ускоряющей секции-компрессора. Как правило, в качестве дебанчера используются специальные ахроматичные системы, состоящие из нескольких прямоугольных магнитов. Такие системы по оптическим свойствам обладают рядом преимуществ,выгодно отличающим их от других систем. Так, воздействие их на пучок аналогично воздействию участка дрейфа некоторой длины,они изохронны для моноэнергетичных частиц и сохраняют величину поперечного эмиттанса, а действие магнитного поля проявляется в наличии продольной дисперсии по энергии.

На ЛУЭ-300 МэВ в качестве магнитного дебанчера применена система параллельного переноса пучка (СПП), что значительно упростило и удешевило изготовление и наладку СЭС ( рис. 5 ). В ахроматичном режиме СПП обеспечивает продольную дисперсию 0=5. 5град. /%,явно недостаточную для компрессии пучка с учетом первоначального размера сгустка в Юград.и она не может быть заметно увеличена путем изменения градиента поля в поворотных магнитах. Анализ оптики пучка показал, что перевод СПП в неахроматический режим работы значительно увеличивает продольную дисперсию (0=90град. /%), однако при этом на продольный размер пучка оказывает существенное влияние его эмит-танс в горизонтальной плоскости. Поэтому необходимо было з рамках существующей схемы найти оптимальные параметры системы, которые не только обеспечивали бы фокусировку пучка на мишень, но и в значительной степени уменьшили влияние эммитанса пучка на энергетический спектр электронов на выходе компрессора. В качестве регулируемых параметров были выбраны краевые углы магнитов и расположение дополнительных квадруполей на участке дрейфа спектрометра. Оптимизация производилась с учетом квадратичных аберраций по программе "ТРАНСПОРТ", а моделирование спектра пучка на выходе компрессора для различных распределений электронов в 6-мерном фазовом объеме пучка ЛУЭ с помощью метода Монте-Карло. Высокочастотная система включает в себя волноводный тракт и ускоряющую секцию - ВЧ-комп-рессор. Волноводный тракт служит для передачи от последнего клистрона ускорителя части ВЧ мощности в ускоряющую секцию-компрессор. Волноводный тракт длиной 35 м состоит из волноводов, направленного ответвителя, делителя мощности, переходных стеклянных и керамических конусов и поглощающих ВЧ-нагрузок.

КСВ волноводных элементов не превышает 1.03; переходных конусов, нагрузок, направленного ответвителя менее 1.10, фазовращателя и

делителя мощности в рабочем диапазоне менее 1.30. Волноводный тракт работает при атмосферном давлении. Разделение вакуума секции и давления азота в волноводной линии клистрона производится стекляными конусами. Максимальная мощность на входе тракта составляет 1МВг при длительности импульса 2.5 мкс. Для увеличения электрической прочности выбран волновод сечением 90*45мм с плоскими соединениями.

Ускоряющая секция представляет собой круглый диафрагмированный волновод длиной 1152 мм с симметризованными ТТВ.тип колебаний-11/2, коэффициент нагружения- а/Д -0.139. При подводимой мощности Р= 1 МВт максимальное изменение энергии пучка + 2.5 МэВ. Неиспользованная часть мощности поглощается нагрузкой, которая отделена от вакуума керамическим переходом. Точность поддержания температуры секции + 1град. .изменение температуры секции на 1град. приводит к фазовому сдвигу в 1. 5град. Секция является широкополосной, КСВ в диапазоне + 5 МГц относительно рабочей частоты менее 1.09. Контроль уровня мощности в секции производится по ВЧ-сигналу детектора, установленного на керамическом переходе. По форме результирующего сигнала этого детектора ( с учетом поля излучения электронов пучка Е=1.57*1ОЕ-3 ЫзВ/ А ) производится фазирование центра сгустка относительно волны. Предельное разрешение спектрометра СП-95 зависит от размера пучка на мишени. Поэтому на основе проведенной оптимизации оптики была разработана конструкций безопорных квадрупольных линз, с градиентом 10 тл/м, размещенных непосредственно на злект-ронопроводе над вращающейся платформой спектрометра

Основной характеристикой компрессора является продольная дисперсия Б, определяемая магнитным дебанчером и измеряемая в град./процент, которая характеризует фазовый сдвиг для частиц с энергией, отличной от равновесной. Величина продольной дисперсии выбирается из условия оптимальной монохроматизации в зависимости от ширины спектра пучка ЛУЭ, длины волны ВЧ колебаний и фазового размера сгустка на выходе ЛУЭ. Оптимальное значение для приращения энергии выбирается из условия точной компенсации энергетического разброса на краях сгустка во время пролета пучка через секцию.

Экспериментально СЭС исследована при энергии 225 и 120 МэВ. При начальной энергии 225 МэВ, энергетическом разбросе с1Е/Е=0.5% и эмиттансе 7.5*10Е-7м*рад размер пучка на мишени был 2. 5 мм х 4 мм. Это близко к тому,что дают расчеты (3 мм х 5 мм).С помощью дублета квадруполей пучок был сфокусирован до величины 1.5 мм х 1.5 мм.

Для определения энергетического разброса электронов пучка на выходе СЭС были измерены спектры упругого рассеяния на ядрах мишени 27А1 (рассеянные электроны регистрировались по схеме двойных совпадений). Спектр, измеренный для энергии 225 МэВ, без СЭС имеет энергетическую ширину на полувысоте 0.5%, с СЭС -0.1%, а для энергии 120 МэВ 0.83% и 0.13%,соответственно (см. рис. 6). В измеренный спектр"дает вклад как энергетический разброс пучка, так и разрешение регистрирующей аппаратуры. Регистрирующая аппаратура включала спектрометр СП-95 и сцинтиляционный датчик. Зная полную ширину спектра, можно вычислить энергетический разброс электронов на мишени. На разрешение аппаратуры влияют: размер пучка на мишени (0. 054%),кинематический разброс электронов отдачи на 27А1 в пределах угла захвата спектрометра (0.035%), многократное рассеяние электронов на фольге при выходе из спектрометра (0.02%). Суммарное среднеквадратичное разрешение регистрирующей аппаратуры в условиях экспериментов составляло 0.076%. Таким образом,ширина спектра пучка на мишени с СЭС оказывается менее 0.06% для энергии 225 МэВ и менее 0.1% для энергии 120 МэВ. Коэффициент сжатия спектра равен 7. 7 1 для энергии пучка 225 МэВ и 8. 3 для энергии 120 МэВ.

Для эффективной работы СЭС необходимо знать оптимальные значения амплитуды и фазы ВЧ поля в компрессоре и коэффициент продольной дисперсии. Методика их определения была следующей. Измерялись спектры упругого рассеяния электронов при различных амплитудах и фазах. Оптимальным значениям амплитуды и фазы ВЧ поля в компрессоре соответствует спектр с наименьшим разбросом. Для измерения амплитуды фаза поля смещалась в этом случае на 90 град. Это приводит к изменению энергии в центре пика упругого рассеяния на величину А, которая и соответствует оптимальной амплитуде поля в компрессоре. Измерение продольной дисперсии выполнялось по следующей схеме. Измерялся спектр упругого рассеяния при оптимальных значениях амплитуды и фазы ВЧ-поля, затем изменялось магнитное поле в дебанчере на фиксированую величину (0.2%) и измерялось смещение энергии центра пика упругого рассеяния.

Так при энергии 225 МэВ измеренные величины составляют А-1. 35 МэВ, 0=95град./%, расчетные значения равняются 1.51 МэВ и 85. Згр./% соответственно. Известно, что в практике физического эксперимента долговременная стабильность энергии и ширины спектра являются часто определяющими,поэтому был измерен коэффициент стабилизации эне-

ргии пучка на выходе СЭС. Изменение энергии осуществлялось путем регулировки фазы волны на одной из секций, фи этом мощность и фаза ВЧ-поля в компрессоре оставались неизменными. Исследования показали, что СЭС способна удерживать начальную энергию ускорителя с коэффициентом стабилизации К-10. Ширина спектра при этом именяется незначительно. Исследовалось также влияние величины и знака сдвига ВЧ-поля компрессора относительно оптимальной фазы на сжатый спектр электронов. С этой целью измерялись несжатый спектр и сжатый при данной энергии пучка Затем изменялась фаза ВЧ-поля в компрессоре на известную величину с помощью фазовращателя и снова измерялся спектр. Измерения при энергии Е-225 МэВ показали,что в пределах изменения фазы от 0 до 25 град, энергия изменяется на 0.3%, ширина сжатого спектра практически не изменяется. Изменение фазы поля на величину больше 25 град, приводит к уширению спектра,что связано с попаданием части сгустка электронов на нелинейную часть компенсирующего ВЧполя. Таким образом, проведенные исследования показывают, что СЭС наиболее чувствительна к фазовым отклонениям поля в .секции-компрессоре, допустимые отклонения по фазе составляют 1 град. В результате исследования СЭС на ЛУЭ-300 МэВ ХФГИ можно сделать выводы:

-СЭС обеспечивает уменьшение энергетического разброса пучка электронов до величины 0.02-0.05% без потери его интенсивности в диапазоне 100... 300 МэВ,

-применение схем последовательного питания поворотных магнитов СПП от одного источника и новых квадруполей позволяет стабилизировать положение пучка на мишени,уход менее 200мкм/ч,

-СЭС обладает способностью стабилизировать энергию пучка с коэффициентом 10.

Кроме того,применение СЭС привело к значительному улучшению фоновых условий в экспериментальных залах по сравнению с ранее использовавшимся способом уменьшения энергетического разброса пучка электронов с помощью щелевого коллиматора.

В настоящее время в связи с разработкой проектов накопителей-растяжителей для многосекционных ЛУЭ с целью получения непрерывных пучков на мишенях работы по развитию систем монохроматизации пучка получили новый импульс. Практически во всех разработках для получения захвата,близкого к 100%,инжекцию пучка в растяжители планируют проводить через СЭС. Нами разработан проект СЗС для пучка электронов с максимальной энергией 3 ГэВ [44] при инмекции его в растяжи-

тель НР-2000М. Особенностью этой системы является выбор структуры компрессора, работающего при значительной токовой нагрузке.

СИСТЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

В предыдущем разделе было показано,что при энергетическом разбросе пучка в сотые доли процента ширина спектра рассеянных электронов на выходе прецизионных магнитных спектрометров ( одного из основных инструментов при исследовании структуры ядра) во многом определяется уже разрешением регистрирующей аппаратуры, а не первичным пучком электронов. Причем для ЛУЭ-300 основной вклад в энергетическое разрешение эксперимента дает собственный размер пучка на мишени (диаметр пучка 1 мм). В принципе, уменьшая размер пучка на мишени до 0.1 мм , это ограничение можно устранить, однако в этом случае физические исследования можно проводить лишь при малой интенсивности пучка( < 10Е+13е/сек) из-за больших удельных токовых нагрузок на материале мишени.

Современныеже ядерные эксперименты планируется проводить при потоках 1=10Е+15 е/сек. Еще в 60-тых годах для улучшения энергетического разрешения в эксперименте по рассеянию пионов был предложен метод монохроматизации с помощью системы энергетических потерь (СЭП). В 70-тых годах СЭП были созданы на нескольких линейных ускорителях электронов с энергией 60-700 МэВ. В 1983 г. нами была разработана СЭП на энергию до 2-х ГэВ,которая имеет свои особенности.

Принцип действия СЭП основан не на уменьшении энергетического разброса электронов в самом пучке, который может находиться в пределах 0.1... 1%, а на исключении его вклада в обшее разрешение регистрирующей аппаратуры. СЭП состоит из двух основных частей: системы транспортировки пучка (СТП) от ускорителя электронов до мишени спектрометра и самого магнитного спектрометра. Высокое разрешение достигается,если ускоритель, система транспортировки пучка и спектрометр образуют бездисперсную систему, а в месте расположения мишени имеется пространственный фокус для любой энергетической компоненты пучка. Мнонхроматические компоненты,в свою очередь,определенным образом располагаются на мишени для согласования дисперсии и коэффициента увеличения спектрометра с параметрами СТП. Поэтому все электроны,потерявшие одну и ту же энергию при взаимодействии с ядрами мишеки, фокусируются в фокальной плоскости спектрометра в одну точку. РасчетыС 45] показывают,что если поперечная дис-

персия СТП на мишени М(13) связана с поперечной дисперсией спектрометра С(13) и коэффициентом линейного увеличения С(11) согласно выражению Ы(13)=-С(13)/С(11), то смещение электронов в фокальной плоскости не зависит от энергетического разброса электронов в пучке и определяется размером монохроматического пучка на мишени.

В основном магнитные спектрометры, использующиеся в экспериментах по упругому рассеянию электронов на ядрах, имеют дисперсию в вертикальной плоскости,в отличие от СТП, где дисперсия в горизонтальной плоскости. Поэтому для поворота плоскости рассеяния на 90 град, применяются вращатели пучка из квадрулолей или дополнительная СТП, обеспечивающая дисперсию в вертикальной плоскости.

Отличительной особенностью разработанной нами СЭП для ЛУЭ-2 ГэВ (см. рис. 7) является то обстоятельство,что дисперсия СТП и спектрометра СП-ЮЗ располагаются в горизонтальной плоскости [46]. Применяемая СТП-5 уже описана нами ранее. К особенностям данной системы следует отнести ее большую протяженность, большие градиенты и вес магнитных элементов (параллельный перенос пучка составляет 37м , а общая длина более 100м). Параметры магнитного спектрометра СП-ЮЗ: угол поворота ЗОград. .радиус кривизны 5.358 м, входной угол среза-74,66 град. , выходной угол среза-68,22 град. В стандартном режиме СТП работает в ахроматическом режиме,то есть размер пучка и его расходимость в горизонтальной плоскости на мишени М не зависят от величины энергетического разброса, для режима энергетических потерь СТП должна переводится в неахроматический на мишени спектрометра. Анализ расчетов различных вариантов показал, что перевод СТП из ахроматического режима в заданный неахроматический наиболее целесообразно осуществлять изменением градиента поля в линзе Л5. Результаты расчетов приведены на рис. 8, параметры пучка электронов из ЛУЭ: энергия - 1.7 ГэВ, энергетический разброс йЕ/Е -+ 0.4%, змиттанс пучка в горизонтальной плоскости- -1*10Е-7м*рад. Здесь же приведены максимальные отклонения от равновесной траектории пучка в горизонтальной (X) и вертикальной (У) плоскостях вдоль системы и эмиттансы пучка в горизонтальной плоскости на входе в СТП и в фокальной плоскости спектрометра. Для получения минимальных размеров в фокальной плоскости спектрометра 2Х <1 мм, 2У <40 мм,что удовлетворяет требованиям эксперимента, необходимо нужным образом формировать змиттанс пучка (X ,Х' и наклон) на входе в СТП. Необходимое согласование эмиттанса пучка и акцептанса СТП мож-

но осуществлять с помощью квадрупольных линз на выходе ускорителя. На рис.9 представлены зависимости дисперсии пучка М(13) и размеры пучка в фокальной плоскости спектрометра от изменения поля в пятой линзе Л5. Как следует из расчетов М(13)=32.7 мм/%, а стабильность поля в линзе- 10Е-4. Для перевода СТП в резким энергетических потерь необходимо изменить градиент поля на 5.9% только в пятой линзе.

Экспериментальные исследования СЕП были проведены при энергии 1200 и 700 МэВ и приведены на рис.10 [46]. Были измерены спектры рассеянных электронов на ядрах углерода С(12) в стандартном (ахроматическом) режиме СТП (верхний спектр) и в режиме энергетических потерь(нижний спектр). Измерение спектров осуществлялось специально разработанной многопроволочной пропорциональной камерой с разрешением 2 мм,что соответствует энергетическому разрешению 0.14%. Энергия электронов пучка ускорителя равнялась 1200 МэВ, а энергетический разброс на полувысоте интенсивности-О. 94%. Из сравнения спектров видно,что в режиме энергетических потерь ширина упругого пика уменьшается до 0.23% по сравнению с шириной упругого пика, равной 0.94% в стандартном режиме. Кроме того, в нижнем спектре видно возбуждение неупругих уровней (4.43 и 9.61 МэВ). Н& верхнем спектре данные уровни не различаются. Измерение спектров проведено при угле рассеяния 14 град. На рис. 10( справа) приведены поперечные размеры пучка на мишени М и в фокальной плоскости спектрометра ФП в ахроматическом^) и в режиме энергетических потерь (б). Видно, что при переходе от стандартного режима в режим энергетических потерь размеры пучка на мишени увеличиваются с 5 до 31 мм,а в фокальной плоскости уменьшаются с 15 до 2 мм. Дисперсия СТП на мишени в режиме энергетических потерь составляет 31 мм/%, что согласуется с измеренными для данной энергии пучка коэффициентами спектрометра.

Таким образом, проведенные исследования показали, что данная СЭП значительно улучшает энергетическое разрешение на выходе магнитных спектрометров без потери интенсивности пучка в диапазоне энергий до 2 ГэВ. Для реализации энергетического разрешения спектрометра СП-ЮЗ менее 0.1% разрабатываются детекторы с пространственным разрешением на порядок лучше с использованием многопроволочных пропорциональных камер Огго методу измерения тр^ета-ортгйг)1.

Опыт работы с системами энергетических потерь на линейных ускорителях электронов показывает, что эти системы отвечают всем требованиям, предъявляемым к экспериментам по рассеянию с высоким

разрешением. Процесс настройки является простым и легко воспроизводимым во всем энергетическом интервале. Высокое разрешение системы позволяет разделять близко лежащие состояния в ядрах и значительно улучшить отношение сигнала к фону. Важно отметить, что пространственный разброс пучка электронов на мишени существенен при работе с большими токами. При этом значительно уменьшаются удельные тепловые нагрузки на материалах мишени , что позволяет проводить эксперименты с более высокой интенсивностью пучка.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУР ДЛЯ ЛУЗ-2000

В настоящее время физика переходит к решению узловых проблем, таких как объяснение свойств адронов, природы ядерных сил,и, в конечном счете к созданию единой теории сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий. В решении этих проблем особое место отводится изучению взаимодействия электронов и фотонов с адронами, так как эти эксперименты могут стать источником наиболее надежной и относительно легко интерпретируемой информации , хотя сечение этих процессов в сотни раз меньше сечений на пучках адронов. Для экспериментального изучения отмеченных выше проблем требуются прецизионные измерения сечений и корреляций продуктов реакции при четкой фиксации начальных и конечных состояний частиц по энергии и спину. Возможности существующих в мире ЛУЭ практически исчерпаны и не позволяют выполнить такие исследования. Оценки показывают, что оптимальным для решения проблем современной физики является ускоритель,способный создать непрерывный пучок электронов с энергией 0.5. ..6 ГэВ.при интенсивности до 100 мкА, с малым разбросом по энергии и малым эмиттансом пучка. Одним из приемлемых вариантов для постановки современных экспериментов по этой проблеме является реконструкция действующего ЛУЭ-2 ГэВ, включающая сооружение на его выходе накопителя-растяжителя. Одним из ключевых моментов при этом является удвоение энергии пучка ЛУЭ при одновременном увеличении среднего тока на порядок.

Проведенные нами исследования возможных способов увеличения энергии пучка с сохранением существующей ускоряющей структуры показали, что здесь имеются существенные ограничения на возможный прирост энергии и тока пучка [47]. Так,в схемах рекуперации и сложения ВЧ мощности это связано с недостаточной электрической проч-

ностью существующих секций. При доускорении с помощью пассивных резонаторов ток пучка уменьшается более, чем на порядок. Поэтому мы сосредоточили усилия на разработке новой ускоряющей секции и нового клистрона , которые в совокупности позволили бы обеспечить нужные параметры пучка на выходе ЛУЭ-2000 для задач растяжителя НР-2000.

При заданной длительности в 1. 4 мке импульса тока пучка, ш-' жектируемого в растяжитель, и заданной длительности ВЧ-импульса от клистрона ( Ы2.5 мкс) возникли следующие ограничения на выбор ускоряющей структуры:

-базовая длина ускоряющей ячейки не изменяется (4.3 м); -время заполнения секции ВЧ-мощностью должно быть'< 1мкс; -на первом этапе используются клистроны с мощностью 20МВт на втором этапе применяются клистроны с импульсной мощностью до 40 МВт, которые могут использоваться совместно с накопительными резонаторами;

- средний темп ускорения на первом этапе должен быть 15 МэВ/м, на втором- 22... 30 МэВ/м.

Исходя из указанных выше ограничений,автором были проанализированы различные возможные варианты ускоряющих секций, более эффективных с точки зрения темпа ускорения. Результаты этого анализа--^ сводятся к следующему:

-применение известных структур на стоячей волне нецелесообразно вследствие более низкого темпа ускорения для секции длиной более 4 м и высокой частотной чувствительностью;

-использование разрабатываемых в настоящее время в различных центрах структур с малым затуханием и большой групповой скоростью не дает никаких преимуществ по темпу ускорения при токе пучка более 0.1 А( стационарный режим);

-нецелесообразно на заданной длине устанавливать несколько коротких секций с одновременной организацией параллельного питания их ВЧ-мощностью от одного клистрона;

-для увеличения энергии следует использовать ускоряющею структуру типа диафрагмированного волновода с квазипостоянным градиентом поля.

На рис. 11 представлена зависимость прироста энергии и времени заполнения от коэффициента нагружения для однородной структуры. Здесь же приведены данные для варианта постановки на базовой длине

двух коротких секций с параллельной эапиткой каждой. Видно,что дробление структуры на более короткие секции не дает преимуществ даже с учетом токовой нагрузки. Энергетическая зависимость при токе 0.1... 0. 2 А имеет максимум при времени заполнения 1 мкс. На рис. 12 дано сравнение энергетической зависимости от времени заполнения секции длиной 4.3 м для структуры в виде диафрагмированного волновода и для структуры линейного коллайдера. Вторая структура обладает малым временем заполнения и поэтому рассматривался вари-• ант "длинной секции" со сложением мощности от группы источников. Применение этой структуры практически также не дает выиграша по энергии, а трудности при ее реализации возрастают многократно.

Секция с квазипостоянным градиентом будет работать на П/2 моде колебаний на частоте 2797.000 МГц. Выбор типа колебаний обусловлен электрической прочностью резонатора (наши измерения показали, что в этом случае поле на поверхности и запасенная энергия на 15% менее, чем для 2/ЗП моды) и простотой настройки секции после ее изготовления. Для подавления неустойчивости типа Ь. Ь. и. секции будут изготовляться 5-и типов с расстройкой по ЕН(11)(0 +4 МГц),а на начальной части ускорителя в 10 секциях будут введены крестообразные щели в диски секций.

Электрическая прочность секции во многом зависит от технологии ее изготовления и настройки. Поэтому нами было проведено изучение эффективности применения некоторых известных методов для увеличения электрической прочности ускоряющих структур [ 48,49 ] в частности, было исследовано влияние на электрическую прочность ионной обработки поверхностей перед сборкой секции, низкотемпературного прогрева в вакууме перед подачей ВЧ-мощности, различных видов механической обработки поверхностей резонаторов перед их сборкой ( виброполировка, холодная экструзия, алмазное точение), нанесение электрически прочных покрытий. На рис. 13 и 14 приведены некоторые результаты этих исследований. Наиболее технологичным методом повышения электрической прочности резонаторов оказались финишная обработка с использованием специального алмазного инструмента, низкотемпературный прогрев в вакууме. Резонаторы беззамковой конструкции изготавливаются в виде колец и дисков с 16 внутренними каналами для охлазвдения секции по возвратно-петлевой схеме М50Г. Одним из возможных методов подавления поперечной неустойчивости пучка в структуре является расстройка резонаторов на ЕН(11)

типе колебаний в пределах одной подсекции. Поэтому допуски на изготовление дисков выбраны не жесткими, обеспечивающими естественный разброс на ЕН(11) в пределах 2 МГц, а для настройки секции по КСВ был разработан групповой метод,сущность которого заключается в следущем. Все диски калибруются на Е(01)типе колебаний в эталонных резонансных сборках, информация с которых поступает в ВЦ, где организован банк данных геометрических и высокочастотных параметров колец и дисков резонаторов. ЭВМ по запросу обрабатывает имеющиеся массивы и по определенному алгоритму формирует порядок расстановки дисков очередной секции, обеспечивая монотонность изменения частоты Е(01) в пределах каждой подсекции. Предварительная настройка резонаторов осуществляется проточкой внутреннего диаметра колец группами по 4-8 штук.

Это позволяет обеспечить высокую скорость настройки при жестком допуске на отклонение частоты основного типа колебаний, и с другой стороны- получить хорошее согласование по КСВ из-за плавного изменения геометрии резонаторов в пределах одной подсекции. Пайка секции производится фольгой из ПСр72 в специальной вакуумной печи с высокочастотным нагревом. Исследование влияния процесса пайки на изменение геометрических и высокочастотных свойств резонатора позволило разработать метод окончательной настройки резонаторов секции [51], сущность которого заключается в компенсации отклонения частоты резонатора от заданной объемом припоя, образующего внутреннюю галтель.

Для проверки принятой технологии изготовления секций и моделирования условий работы новой секции при потоках ВЧ мощности в 40 МВт была изготовлена секция с однородной структурой длиной 4. 3 м [52]. Коэффициент нагружения для нее выбран 0.1020, что соответствует условиям работы третьей подсекции. Время заполнения - 0.94 мкс. Однородная структура позволила создать на начальном участке прототипа среднюю напряженность поля до 21 МэВ при потоке до 20 МВт, что соответствовало бы условиям работы секции с квазипостоянным градиентом при мощности 40 МВт на ее входе. Согласователи были П/2 типа, симметризация поля в которых достигалась за счет запредельного волновода, расположенного напротив щели ввода ВЧ-мощнос-ти. После пайки была измерена фазовая характеристика секции, КСВ на рабочей частоте был менее 1.1 .Путем прогиба некоторых дисков специальным инструментом КСВ на рабочей частоте был уменьшен до 1.02

синхронное движение частиц и ускоряющей волны, то можно обеспечить условия для ВЧ-фокусировки пучка, оптимальная длина этого участка-3... 5 длин волн в применении к новым секциям. При этом прирост энергии пучка на секции уменьшается на один процент, а сила фокусировки пучка эквивалентна действию существующих дублетов квадру-польных линз. Поэтому новые секции в настоящее время выпускаются в модернизированном варианте,в начале первой подсекции имеется участок длиной 40см,резонансная частота которого для П/2 типа колебаний отличается на 1 МГц от частоты генератора. Это обеспечивает соответственно фазовый сдвиг в бОград. на участке. Дублетная компоновка этих секций позволяет избежать увеличения эффективного эмит-танса пучка из-за конечного фазового размера сгустка.

Расчет порога Ь. Ь. и. и экспериментальное исследование регенеративной неустойчивости пучка в новой секции выполнено в [57,58]. На рис. 18 представлены дисперсионные характеристики ЕН(11) типа колебаний для разных подсекций и спектр частот. Эксперименты с пучком показали, что порог возникновения неустойчивости по току при одинаковых условиях для новых секций в 17 раз выше, чем для существующих секций ЛУЭ-2000. Так как новые секции выпускаются в пяти модификациях, это обеспечит критический ток на выходе ЛУЭ более 200 мА. Кроме того, в начальных 10-ти секциях в диафрагмы резонаторов будут введены крестообразные разрезы,предложенные в свое время В Смирновым Этот метод хорошо зарекомендовал себя в ЛУЭ на 2 ГэВ. Сочетание всех этих методов позволит отодвинуть порог неустойчивости тока до 0.3 А и более [59].

В настоящее время в качестве источников ВЧ-питания для ЛУЭ используются клистроны с выходной мощностью до 20 МВт с к. п. д. 36% ( КИУ-12АМ , КИУ-53). Уровень к. п. д. клистрона, а соответственно и выходной мощности,в первую очередь определяется оптимизацией условий группировки электронного потока в системе объемных резонаторов. Анализ физических предпосылок и опыт усовершенствования клистронов [ 60-64 ] позволил сформировать исходные данные для разработки нового клистрона. С этой целью была разработана методика и программа численной оптимизации, и определены параметры группирующей системы, в которой осуществляется глубокая модуляция по плотности сильноточного релятивистского пучка. Результаты численного анализа и оптимизации группирователя явились исходными при проведении конструкторских разработок нового клистрона для ЛУЭ, выпол-

неиных совместно с СКВ предприятия-изготовителя этого прибора. Испытание экспериментальных образцов клистронов проводились на стандартном высоковольтном модуляторе ускорителя ЛУЭ-2000. На рис.19 представлены сравнительные данные по КПД для опытных клистронов, параметры которых по импульсной выходной мощности (Р=40 МВт) и нагрузочному КПД на уровне лучших мировых образцов этого диапазона. В настоящее время на основе этих результатов создается клистрон на частоту Г-2797 МГц, который будет использоваться в модернизированных линейных ускорителях ХФГИ.

Таким образом, новые ускоряющие секции и клистроны позволяют существенно поднять темп ускорения, а соответственно и энергию пучка ЛУЭ-2000. Усилия многих лабораторий в последние годы сосредоточены на разработке ускорительных технологий, обеспечивающих высокий темп ускорения, что позволило в нескольких многосекционных ЛУЭ увеличить его примерно в два раза. В таблице 1 приведены значения по достигнутому темпу ускорения в многосекционных ЛУЭ, последняя строчка интерполирует экспериментальные данные на всю ускоряющею структуру ЛУЭ-2000.

Таблица 1

| СЛАК, Стенфорд | 24 1 | 3050 | 3350 1 ! 1 7.2 |

| КЕК, Цукуба | 2.5 | 320 | 400 1 6.3 |

I ЛАЛ, Орсэ | 2.3 | 230 | 360 1 6.4 |

| ХФГИ, Харьков I 1.8 | 215 | 240 1 7.5 |

| СЛС, Стенфорд | 50 | 3050 | 3350 1 14.9 |

| ЛЕП, Церн | 0.6 | 48 | 55 1 И 1

I ХФГИ, 1 Харьков 1 4 | | 215 1 | 240 i 1 16.7 | ' |

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации исследованы особенности формирования прецизионных пучков многосекционных ЛУЭ, изучены основные факторы, определяющие увеличение фазового объема пучка в ЛУЭ, и разработаны методы уменьшения аберраций как в ускоряющем канале, так и в системах транспортировки пучка, предложены и реализованы в практике физического эксперимента ряд новых методов получения пучков с заданными свойствами проекции фазового объема (монохроматичность, расходимость, плотность, размер); предложены и реализованы новые структуры с высоким темпом ускорения и источники ВЧ-мощности для них,исследованы методы подавления неустойчивости пучка в многосекционном ЛУЭ, развиты методы математического моделирования динамики пучка в ЛУЭ. Полученные результаты определили научные и технические решения проблем реконструкции ускорителя ЛУЭ-2000. Они обосновывают новое научное направление—развитие методов формирования прецизионных пучков в многосекционных ЛУЭ на основе комплексного подхода, включающего использование новых ускоряющих структур и устройств, преобразующих требуемым образом фазовый объем пучка на физических мишенях.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Изучена динамика пучков электронов в многосекционных ЛУЭ и системах их транспортировки с учетом детерминированных и стохастических факторов:

- развиты методы математического моделирования динамики пучков в многосекционных ЛУЭ;

- экспериментально исследованы эффекты увеличения поперечного эмиттанса пучка от различных шумовых параметров полей в ЛУЭ;

- экспериментально изучены вклады хроматических и квадратичных аберраций систем транспортировки пучка в увеличение эмиттанса;

- экспериментально изучены особенности развития неустойчивости пучка в ЛУЭ для различных наборов ускоряющих секций;

- выполнен комплекс исследований характеристик поперечного и продольного эмиттанса в широком диапазоне тока пучка.

2. Предложены и реализованы способы формирования прецизионных пучков с требуемыми для практики физического эксперимента параметрами, а также методики их исследования и настройки, в том числе:

- системы монохроматизации пучков ускорителей ЛУЭ-300 и ЛУЭ-2000 с компрессией его первоначального спектра до 0. 05%;

-систему энергетических потерь на ЛУЭ-2000,позволяющую проводить эксперименты с монохроматичностью порядка 0.1% ;

- способ формирования микропучка на выходе ЛУЭ-2000 с плотностью 1000 А/см*см;

-систему транспортировки пучка ЛУЭ-2000 на мишени спектрометра, в которой подавлены хроматические аберрации, а также системы разводки пучка по каналам для многосекционного ЛУЭ.

3. Проведен цикл исследований возможных способов увеличения энергии и тока пучка ЛУЭ-2000, в результате чего:

-предложены и изучены ускоряющие структуры с квазипостоянным градиентом;

-разработаны методики и алгоритмы их настройки;

-развиты методики исследования электрической прочности ускоряющих структур и изучено влияние различных технологий на этот параметр;

-разработана методика численной оптимизации группирующих систем, на основе которой созданы экспериментальные образцы новых мощных клистронов с высоким КПД.

Практическую ценность диссертации в краткой форме можно определить следующим образом:

1. На основе полученных результатов проведена реконструкция отдельных систем ускорителей ХФГИ, созданы новые устройства,реализующие в практике физического эксперимента существенно лучшие параметры пучков электронов, позитронов и гамма-квантов на мишенях,в частности:

- на ЛУЭ-2000 разработана и с 1976г. эксплуатируется система транспортировки пучка СТП-5, позволяющая получить пучки монохрома-тичных гамма-квантов с высокой поляризацией;

- на ЛУЭ-300 разработана система разводки пучка по каналам;

- на ЛУЭ-300 с 1981 года находится в эксплуатации система компрессии энергетического спектра пучка;

- на ЛУЭ-2000 запущен спектрометр энергетических потерь,позволяющий примерно на порядок улучшить разрешение по энергии;

- на ЛУЭ-2000 на материаловедческом канале осуществлен режим работы с максимальным отбором ВЧ мощности в пучок (20кВт) а также реализован режим работы с микропучком большой плотности на мишенях (10Е+3 А/см*см в импульсе),что позволило провести исследования и испытания перспективных материалов для изделий новой техники.

2. С целью увеличения энергии и тока пучка электронов:

- проведена реконструкция 30-ти ускоряющих секций, включающая введение радиальных разрезов в диафрагмы резонаторов, симметризацию поля в ТТВ и создание возвратно-петлевой системы охлаждения;

- выполнена разработка и введена в эксплуатацию на ЛУЭ-2000 партия новых ускоряющих секций с квазипостоянным градиентом;

- выполнен этап НИР по разработке нового КИУ с высоким уровнем мощности и большим КПД.

3. Основные результаты данной работы заложены в проект полной реконструкции линейного ускорителя ЛУЭ-2000 и сооружения на его выходе накопителя-растяжителя пучка НР-2000. В настоящее время выполнены проектные работы, изготовлены головные образцы узлов, размещены заказы на нестандартное оборудование. Предпологается,что физические исследования с непрерывными пучками начнутся в 1996 году.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИИ. Результаты диссертации внедрены на ускорителях ЛУЭ-300 и ЛУЭ-2000. Они были представлены на Международных конференциях по ускорителям на сверхвысокие энергии (Кембридж 1967г., Ереван 1969г., Батавия 1983г, Новосибирск 1986г., Чикаго 1989г. ,Рим 1988г. .Ницца 1990г. ,на Национальных конференциях США по линейным ускорителям (Брукхавен 1979г., Стенфорд 1986г. , СЕБАФ 1988г.),на Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Протвино 1978,1982, 1986 гг., Дубна 1980, 1984, 1988 гг., Москва 1990г.), на Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям (Харьков, 1973, 1975, 1975, 1977,1979,1981,1983,1985,1987),на конференциях, семинарах и научно-технических советах ХФГИ, НИИЭФА.МИФИ, ТПИ.

ПУБЛИКАЦИИ. По диссертации опубликовано более 60 работ.

Настоящая работа выполнялась с участием многих специалистов ХФГИ. Я приношу им свою глубокую благодарность . Свои чувства долга и искренней признательности выражаю И. А. Гришаеву, а К Петренко, В. А. Вишнякову, В. М. Кобезскому,Е И. Курилко за научное общение, поддержку, помощь и творческую атмосферу; Е. 3. Биллеру, В. А. Терехову, Е И. Артемову, Ю. Д. Туру, Е А. Шэндрику, Е А. Коваленко,К А. Попен-ко,Е Е Муфелю, Т. Ф. Никитиной , 3. М. Колот,Е Г. Шевченко, Е Ф. Жигло, А. М. Шэндеровичу за большую помощь в работе, товарищеское взаимопонимание в трудном деле развития многосекционных линейных ускорителей электронов. Я также благодарю персонал ускорительных комплексов, на которых выполнялась эта работа

Результаты диссертации опубликованы в работах.

1. В. II Артемов,И. А. Гришаев, А. Е Довбня и др. Использование светового карандаша при исследовании динамики пучка в' ускорителях. Вопросы атомной науки и техники, серия: Техника физэксперимен-та. Вып. 4(6), с. 2,Харысов,1973.

2. В. И. Артемов, А. Е Довбня,Ф. А. Пеев. Эмитра-программа для математического моделирования динамики пучков заряженных частиц в линейных ускорителях и системах транспортировки. Препринт ХФГИ 81-16, Харьков, 1981.

3. И. А. Гришаев, А. Е Довбня,В. В. Петренко и др. Некоторые вопросы оптики пучка в многосекционном линейном ускорителе электронов на 2ГэВ. ЖТФ,в. 4,т. 41,с. 783,1971.

4. А. Е Довбня, В. П. Ефимов, А. Е Фисун. Влияние поперечного электромагнитного поля согласователя на светосилу позитронной системы линейного ускорителя, препринт ХФГИ-69-26, Харьков,1969.

5. И. А. Гришаев, А. Е Довбня и др. Особенности поперечного движения и фокусировка пучка в ЛУЭ на 2 1эв. Труды Украинской республиканской конференции по электронной оптике и ее применениям, Харьков, 1969, с. 90.

6. И. А. Гришаев, А. Е Довбня,Е К Петренко. Исследование поперечного движения электронов на аналоговых вычислительных машинах. Труды Украинской конференции по электронной оптике и ее применению, Харьков, 1969, с. 94.

7. К И. Артемов,И. А. Гришаев, А. Е Довбня и др. О формировании прецизионных пучков в многосекционных ЛУЭ. Препринт ХФГИ-71-31,1971.

8. КИ. Артемов, И. А. Гришаев, А. Е Довбня и др. К вопросу о получении пучка с прецизионными радиально-фазовыми характеристиками на выходе ЛУЭ-2ГэВ. Вопросы атомной науки и техники, серия: йгаика высоких энергий и атомного ядра, вып. 5(7), с. 3., Харьков, 1973.

9. В. И. Артемов, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Формирование прецизионных пучков в ЛУЭ, Труды Всесоюзного совещания по ускорив \лям, т.П, с. 220,1977 г. ВИНИТИ, Москва.

10. В. И. Артемов, II А. Гришаев, А. Е Довбня и др. К вопрос/ о получении прецизионных пучков в ЛУЭ на 2 ГэВ. ЖТФ.т. 43, в. 1, с. 178, 1973.

11. Ю. В. Батыгин,И. А. Гришаев, А. II Довбня. К вопросу о потерях энергии пучка на излучение в высших полисах пропускания для диафрагмированного волновода. ЭТФ.Т. 45, в. 8,С. 1945,1975.

12. Ю. К Батыгин, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. К вопросу о влиянии объемного заряда на фазовую скорость волны в системе типа диафрагмированного волновода с металлическими стенками. Письма в ЖТФ, т. 1, в. 16, с. 74,1975.

13.1й К Батыгин, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Особенности поперечной неустойчивости электронных сгустков наносекундной длительности. Вопросы атомной науки и техники, серия: Линейные ускорители, в. 1, с. 80,Харьков, 1976.

14. Ю. В Батыгин, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Влияние объемного заряда модулированного пучка на электродинамические свойства ускоряющих структур, ЖТФ, т. 45, в. 10, с. 2221,1975.

15. К1Е Батыгин, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Влияние обьемного заряда на распределение энергии частиц в электронном сгустке при взаимодействии с диафрагмированным волноводом, ЖГФ, т. 47, в. 6, с. 1230, 1977.

16. К1 К Батыгин, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. К вопросу о поперечной неустойчивости сильноточных пучков наносекундной длительности, ЖГФ, т. 46,0.2438,1976.

17. К И. Артемов, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Влияние поперечных высокочастотных полей на радиальное движение в многосекционных ЛУЭ. ВАНГ, серия: Физика высоких энергий и атомного ядра, в. 5(7),ХФГИ 73-74,с.3.

18. В А. Вишняков, А. Е Довбня,К А. Шендрик. Анализ экспериментальных и теоретических данных по критическим токам в многосекционном ЛУЭ, Труды 13-й Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий, изд. "Наука", с. 196-200, 1987.

19. Е. 3. Биллер, В. А. Вишняков, А. Е Довбня. Ускоряющий волновод с квазипостоянным градиентом для ЛУЭ-2000, ВАНТ.серия:Техника физэк-сперимента,в. 1(36),с. 3-7,Харьков, 1988.

20. Г. Е Аверьянов,И. А. Гришаев, А. Е Довбня, и др. О парциальном влиянии внутриимпульсных нестабильностей на энергетическую неоднородность пучка линейного ускорителя. ЖТФ, т. 73, N12, с. 2617,1973.

21. В И. Артемов,И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Определение допусков на элементы многосекционного линейного ускорителя электронов, Труды II¡Украинской республиканской конференции по электронной оптике, Харьков, 1974.

22. Y. A. Vishnyakov, A. N. Dovbnya, V. M. Kobezsky.and V. A. Shendrik. The 2-GeV Linac beam intensity increas. Proceedings of the 12th International Conference on High-Energy Accelerators, Batavia, 1983, p. 408-409.

23. К И. Антипов, E И. Артемов, Е В. Демидов и др. Результаты эксплуатации и усовершенствования ускорителя ЛУ-2ГэВ ХФГИ в 1981-82 г. г. Вопросы атомной науки и техники,серия: Техника физэксперимента, в. 2( 14),с. 3-6, Харьков, 1983.

24. А. Е Довбня, R А. Вишняков, В. А. Попенко. Об увеличении критического тока на ускорителе электронов ЛУ-2Гэв,ВАНТ,серия: Техника физэксперимента, в. 1(7) ,с. 13, Харьков, 1981.

25. А. Е Довбня,В. А. Вишняков. К повышению интенсивности пучка многосекционного ускорителя электронов, ВАНТ, серия: Техника физэксперимента, в. 2(11), с. 48,Харьков,1982.

26. А. Е Довбня,В. А. Вишняков,В. А. Шендрик. К расчету критических токов в многосекционных линейных ускорителях, ВАНТ,серия: Техника фи-, зэксперимента, в. 2(6) ,с. 8, Харьков, 1980.

27. А. Е Довбня, Ю. В. Костенец, R Ф. Прокопенко и др. Получение на линейных ускорителях электронов пучков малых размеров. Труды 13-й Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий, изд. Наука, 1987, с. 296-299.

28. R И. Артемов, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Исследование фокусирующих свойств системы транспортировки пучка ЛУЭ на 2 ГэВ, ВАНТ,серия: Физика высоких энергий и атомного ядра, в. 5(7), с. 10, Харьков, 1973.

29. R И. Артемов, И. А. Гришаев, А. Е Довбня. Уменьшение хроматических аберраций в системе транспортировки пучка ЛУЭ на 2 ГэВ,ВАНГ,серия: Физика высоких энергий и атомного ядра, в. 5(7), с. 5, Харьков, 1973.

30. R И. Артемов,И. А,Гришаев, А. Е Довбня. Исследование некоторых методов уменьшения эмиттанса пучка на выходе СТЕ ВАНТ,серия: Физика высоких энергий и атомного ядра, в. 5(7), с. 12, Харьков, 1973.

31. И. А. Гришаев, А. Е Довбня,Е А. Коваленко. Пятилинзовая ахроматичная система транспортировки пучка ЛУЭ-2ГэВ,ВАНТ,серия: Физика высоких энергий и атомного ядра,в. 5(7),с. 16,Харьков, 1973.

32. А. N. Dovbnia.N. A. Kovalenko, V. A. Vishnyakov. On question about getting precision beam on the 2'GeV electron linac. Proceedings at the 1979 Linear Accelerator Conference, Montana.

33. А. Е Довбня, С. Е Ефимов, А. Е. Толстой. Многосекционный ЛУЗ в режиме одновременной параллельной работы на несколько каналов, ЖГФ,Т. 52, в. 2,с. 291,1982.

34. А. Е Довбня, А. Е. Толстой, Е Д. Ткаченко. Устройство для вывода пучка заряженных частиц, а. с. N 752827, БИ №28, 1980.

3§. А. Е Довбня, R А. Вишняков, Е А. Шэндрик. К вопросу о создании промежуточных каналов с энергией 300-500 Мэв на ускорителе ЛУ-2ГэВ, ВАНТ,серия: Техника физэксперимента,в. 2(6) ,с. З.Харьков, 1980.

36. А. Е Довбня, R А. Вишняков. Проект формирования пучка на промежуточном выходе ускорителя электронов ЛУ-2ГэВ, ВАНТ, серия: Техника физэксперимента, в. 1(7),с. 17, Харьков, 1981.

37. А.Е Довбня,ЕЕ Петренко. О возможности монохроматизации пучка ускорителя с энергией 2ГэВ, ЖГФ,т. 41,в. 2,с. 776,1971.

38. Е Г. Афанасьев, А. Е Довбня, Е А. Шендрик и др. Система энергетического сжатия пучка на ЛУ-300 МэВ. Труды YIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, ВИНИТИ, 1982, с. ,286.

39. Е Г. Афанасьев, А. Ю. Буки, А. Е Довбня и др. Система СЭС на ЛУЭ-300 МэВ, ЖТФ,т. 54,в. 5,с518-526,1984.

40. А. Е Довбня,Г. Е Иванов, JL А. Махненко и др. Измерение основных характеристик системы энергетического сжатия, ВАНТ,серия: Техника физэксперимента, в. 1(12),с. 10, Харьков, 1983.

41. А. Е Довбня,Е Е Калашников,Е Е Петренко и др. Методы получения монохроматичных пучков в ЛУЭ.ВАНТ, серия: Техника физэксперимента,в. 1(12) ,с. 15,Харьков, 1983.

42. А. Е Довбня,Е А. Шендрик. Способы формирования монохроматичных пучков на выходе линейных ускорителей электронов,препринт,Мзск-ва ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1984.

43. А. N. Dovbnya, N. S. Shevchenko and V. A. Shendrik. The Energy compressing system. Proceedings of the 12th International Conference on High-Energy Accelerators, Batavia,1983,p. 280-283.

44. E Ф. Болдышев, E И. Гладких, A. E Довбня и др. Харьковский накопи-тель-растяжитель пучка электронов НР-2000. Труды 13 Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий, Наука, с. 300-303,1987.

45. А. Е Довбня,Е А. Шендрик,С. Е Ефимов. Расчет системы энергетических потерь на выходе линейного ускорителя электронов с энергией до 2 ГэВ, ВАНТ, серия: Техника физэксперимента, в. 2(19), с. 7, Харьков, 1984.

46. Е Г. Афанасьев, А. Е Довбня.С. В. Дементий и др. Система энергетических потерь на выходе линейного ускорителя электронов с энергией до 2 ГэВ,НТФ,1985,т.55,В.З,с.510-512.

47. Исследование возможностей повышения энергии электронов и улучшению параметров линейного ускорителя ЛУЭ-2000, Отчет о НИР , ГР У06277, Харьков, 1986, научн. рук. Довбня А. Е

48. Biller Е.Z. .Visnyakov V. А. ,Dovbnya A.N., et all. Electric Reabilyty and RFBreakdoun in accelerator section. Proceedings of 13 International Symposium on discharge and Electrical investieqtion in vacuum,Paris,p. 500-510,1988.

49. E. 3. Биллер, A. E Довбня, KX Д. Тур и др. Исследование электрической прочности и СВЧ-разрядов в ускоряющих структурах ЛУЭ,ВАНТ,серия: Ядерно-физические исследования,в. 10(18) ,с. 22-26,Харьков, 1990.

50. Е В. Демидов, А. Е Довбня, А. В. Синча и др. Система термостатирования линейного ускорителя электронов ЛУЭ-2000. ВАНТ, серия: Ядерно-физические исследования, в. 10(18), с. 32, Харьков, 1990.

51. Е. 3. Биллер, А. Е Довбня, В. А. Кушнир. Способ изготовления высокочастотного цилиндрического резонатора, А. С. № 1438545, ОИ Jí 24, 1991

52. Vishnyakov V. A.,Dovbnia А. N. et all. Kharkov Electron Linac as Injector for Stretehor Ring. 1986 Linear accelerator conference proceedings, SLAC-Report-303,1986, p. 576-580.

53. A. E Довбня,В. Ф. Жигло. Акустическая локация пробоев в диафрагмированном волноводе ЛУЭ. ВАНТ, серия: Техника физэксперимента, в. 1(36), с754, XiapbKOB, 1989.

54.Усовершенствование систем и повышение энергии электронов линейного ускорителя ЛУ-2. Отчет о НИР , ГР У26877, Харьков,1988, научн. рук. Довбня А. Е

55. IL И. Гладких, А. Е Довбня, К1 Д. Тур. Высокочастотная фокусировка пучка в ускоряющих секциях ЛУЭ. ВАНТ, серия: Техника физэксперимента, в. 3(39),с. 10-14,Харьков, 1988.

56. А. N. Dovbnia.P. I. Gladkich.Yu. D. Tur. RF-Focusing in Travelling waveaccelerating Sections. Proc. of 13 International Conference on High Energy Acceleratoes,Japan,1989. Particle Acceleratore, vol. 28, N 4, p. 621,1990.

57. A. E Довбня, JL M. Завада, А. И. Зыков и др. Экспериментальные исследования поперечной неустойчивости пучка в одиночных резонаторных секциях, ВАНТ, серия: Ядерно-физические исследования, в.6(6), с. 46-50, Харьков, 1989.

58. E.Z. Biller,A.N. Dovbnia, V. A.Kushnir et all. Beam current enanchement in Kharkov linac. Particle acceleratore,vol.27, n. 1-4, p. 365-370,1990.

59. N. I. Aizatsky,E. Z. Biller, A. N. Dovbnia et all. Development of Compontnts for Multisection Electron Accelerators. Proc. of the workshop on JINR c-ton Factory, Dubna, p. 365-373,1992.

60. A. E Довбня, Ю. Д. Тур, А. И. Мартшов и др. Применение прессованых оксцдноникелевых катодов в мощных усилительных клистронах. Электронная техника, серия: Электроника СВЧ,в. 11, с. 31-32, Москва, 1981.

61. А. Е Довбня, Е С. Ре палов, Е Д. Тур. Повышение КПД клистронов для ЛУЭ за счет оптимизации формы фокусирующего поля. ВАНГ, серия: Техника физэксперимента,в. 2(14), с. 62, Харьков, 1982.

62. А. Е Довбня, Е С. Репалов,Е Д. Тур. Расфокусировка модулированного электронного потока в области спада продольного магнитного поля. ВАНТ,серия: Техника физэксперимента,в. 2(19),с. 64, Харьков, 1984. ^

63. А. Е Довбня,Е С. Репалов,Е Д. Тур. Возбуждение побочных колебаний в многореэонаторных клистронах,ВАНТ,серия: Техника физэксперимента, в. 2(14), с. 38, Харьков, 1983.

64. А. Е Довбня, ЕС. Репалов, Е Д. Тур. Механизм возбуждения сигнала второй гармоники в многореэонаторных клистронах. Электронная техника, серия: Электроника СВЧ, в. 3( 363), с. 3. Москва, 1984.

8,отн.ед.

2,0

1,0

еЛ

3.0

42. 20

Рис. 1. Зависимость величины эффективного эмиттанса пучка Б от числа импульсов (Г-50 Гц)

2/1

АЛЛАЛЛЛ

¿.«исе*

0.3

■ э

¿2

г.* 5*

Рис. 2. Параметры пучка на различных участках высокочастотного импульса

м/?

зоо

4оо

зсо

1иг+гт, ГГГ&

НЮ

во

га

зо

Рис. 3. Ток пучка вдоль структуры в различных режимах работы ускорителя:

1-стандартный режим проводки;

2-е увеличенным током и эмиттан-сом пучка инжектора; 3, ^соответственно без группирователя и с ним; 5-в режиме 50 Гц с начальным током 0,47 А; 6-с выключенным соленоидом на 3 секции

Рис.4. Зависимость критического тока (импульсного) на выходе ЛУ-2 ГзВ от числа разрезных секций( приращение энергии на секцию 30 МэВ): 1-Т=\ мкс; 2- Г-1,5 мкс; 3-2: =2,5 мкс; ф -результаты эксперимента, 2"= 1,5 мкс

«24Л

Рис. 5. Расположение элементов СЭС на ЛУЭ-ЗСО Мэв ХФГИ; 1 - клистрон; 2 - направленный ответвитель мощности; 3 - регулируемый делитель мощности; 4 - фазовращатель; 5 - последняя ускоряющая секция ЛУЭ; 6 - секция-компрессор; 7 - нагрузка; 8 - осциллограф; 9 - мишень; 10 - камера рассеяния; 11 - коллиматор спектрометра СП-95; 12 - магнитный спектрометр СП-95; 13 - многоканальный детектор; М1.М2 - поворотные магниты; Ж,Л2 -квадрупольные линзы; ИК - импульсный коллиматор; К - коллиматор

Л1 £о-120МяВ 0=57°

223 22А т,5 т //5,5 Н6 Е.МэВ

Рис.6. Спектры рассеяных электронов на Л. измеренные спектрометром без системы энергетического сжатия и после включения ее для Е -225 МэВ и Е =120 МэВ на ЛУЭ-300 МэВ ХФГИ ( @ -угол рассеяния электронов; - - - уровень фона)

Рис.7. Общий план системы энергетических потерь на ЛУЭ-2 ГэВ; 1,2-поворотные магниты системы параллельного переноса пучка; Л1 -Л5-квадрупольные линзы; К-коллиматор-монохроматор; 3-мишень; 4 - камера рассеяния; 5 - магнитный спектрометр СП-ЮЗ; 6 - фокальная плоскость спектрометра

ангн сп-ит еп-т

Рис.8. Траектория электронов: х - максимальное отклонение пучка от равновесной орбиты

в горизонтальной плоскости; у - максимальное отклонение пучка от равновесной орбиты в вертикальной плоскости

Рис.9. Зависимости дисперсии пучка на мишени Ш.З и размеры пучка в фокальной плоскости спектрометра 2Хт7 от поля в линзе Л5

я»

-1-1-1-Т • 'А иг А- . " N 9,1.1 ФП\| 1 !< а

м 9 . ! . ?

- ош

* к 5.ЧМ» <РП

"Л............... 1 1 1 5

О 10 20 V, Н»»

Рис. 10. Спектры рассеянных электронов на ядрах углерода^ левая часть рисунка) и поперечные размеры пучка на мишени м ив фокальной плоскости ФП (правая часть рисунка). Энергия электронного пучка ускорителя Ео-1200 МэВ, угол рассеяния «-14 , N -число отсчетов, ^-энергия возбуждения,

а) ахроматический режим;

б) режим энергетических потерь

АЕ, Мэв

SO 20

Г/.мс

8x.S6МВт 2

0,08

а/г

а/Л

Рис. 11. Зависимость прироста энергии и времени заполнения от коэффициента нагружения (а/Л ):1-для секции длиной 4,4 м при токе 1-0 и 1-0,1А; 2-4-для двух секций длиной 2,2 м при 1-0 и 1-0,1 А; 5,6-время заполнения для секций длиной 4,4 и 2,2 м

ГГХС

Рис. 12. Зависимость прироста энергии от времени заполнения для диафрагмированного волновода (1) и "cross-bar" структуры (2), пунктирные кривые при токе I = 0,1 А.

U,kB

Рис.13. Напряжение вакуумного пробояв зависимости от степени шероховатости (Из) для отожженных (1) и неотож-женных (2) образцов

&7{j/az;

-1 -з

-.5 - 7 -9

В,¡¡2 0,04 0,06 0,08 U-', KB

Рис.14. Зависимости Фаулера-Нордгейма для чистой (1,2) и покрытой TiN меди (3,4) до (2,4) и после (1,3) тренировки

Е.МэВ

г.мс

3 9 45 Р.МВт

Е.МзВ

56 52

48 44

Ч'.гроа.

го о -20

-4 -2

2 4 ЛТ°С

Рис. 15. Зависимость прироста энергии в прототипе от мощности и динамики пробоев в секции при тренировке ( Ъ -О для конца секции -места расположения акустического датчика)

Рис.16. Зависимость прироста энергии (1,2) и оптимальной фазы (3) от сдвига температуры на секции. Сплошные кривые - экспериментальные, пунктирные - расчетные, 2 -соответствуют приросту энергии при оптимальной фазе

Е.МэВ

X /?

Л*

- 20пин

- 32мсн

-°4Д/*им

№ 20 26 36 Р>Мйт

40 80 Ш Ш в град

Рис.17. Зависимость прироста энергии и частоты пробоев в секции с постоянным градиентом от мощности на входе

Рис. 18. Дисперсионные характеристики подсекций секции Харьков-85 на вол-

не ЕН

1СГ

2.1СГ6

АВ-3/2

Рис. 19. Достигнутые уровни нагрузочного КПД клистронных усилителей в зависимости от величины первеанса пучка; аппроксимирующие кривые: 1 - К И. Канавец, 2 - Мтгап, 3 - Неп1"Ле1

У"