Создание импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МЭВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Ермаков Андрей Николаевич

СОЗДАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЕЗНОГО МИКРОТРОНА НА ЭНЕРГИЮ ЭЛЕКТРОНОВ 70 МЭВ

Специальность 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена на кафедре общей ядерной физики физического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова, в отделе электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.И. Шведунов (ОЭПВ АЯ НИИЯФ МГУ) Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Каминский Владимир Ильич (МИФИ)

старший научный сотрудник, к.ф.-м.н. Спасский Андрей Васильевич (ЛУУ НИИЯФ МГУ) Ведущая организация: Институт Ядерных Исследований РАН

г.Троицк

Защита состоится"1 $ " 2004 года в час.

на заседании Диссертационного совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

Адрес: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан 2004 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета К501.001.06, к.ф.-м.н.

Г/

Чуманова.

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Настоящая работа основана на результатах полученных при разработке, создании и запуске импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ [1 - 3]. Целью данного проекта было создание компактного ускорителя электронов для системы идентификации короткоживущих изотопов с периодом полураспада Т1П «20 мсек. Здесь необходим пучок электронов для получения фотонов тормозного излучения в достаточном количестве и с энергией, позволяющей определить, например, концентрацию изотопов характерную для различных

запрещенных веществ. Так энергия электронов для идентификации изотопа

составляет около 30 М э В , — 50 МэВ, 160 — 70 МэВ. Классические ускорители электронов такие, как синхротрон и бетатрон, не подходят для решения данной задачи, так как средний ток пучка на выходе этих ускорителей при коэффициенте заполнения в несколько процентов очень мал. Использование линейного ускорителя также затруднено из-за невозможности достижения требуемой энергии без значительного увеличения габаритных размеров. Для того чтобы получить импульсы электронного пучка, имеющие длительность несколько микросекунд, с током в несколько десятков миллиампер в импульсе и периодом повторения несколько десятков герц с энергией 70 МэВ при использовании обычных ускоряющих структур с градиентом 15 МэВ/м длина ускорителя будет 5 м при подводимой мощности СВЧ более чем 14 МВт. Уменьшение длины линейного ускорителя ведет к увеличению потребления СВЧ мощности и уменьшению КПД. При этом габаритные размеры установки не изменяются, так как системы СВЧ и высоковольтного питания становятся еще больше. При этом увеличенное электрическое поле повышает вероятность пробоев в ускоряющей структуре. Невозможность быстрого изменения энергии пучка при сохранении требуемых параметров также является одним из основных ограничений в использовании линейных ускорителем^ НдццоНАЛЬНА}Г

Иная ситуация с разрезным микротроном [4, 5], в котором электронный пучок увеличивает свою энергию за счет многократного прохождения через линейный ускоритель. При этом СВЧ мощность, затрачиваемая на создание ускоряющего поля, уменьшается в N раз по сравнению с линейным ускорителем, где N — число прохождений пучка через линейный ускоритель разрезного микротрона. Неизменной остается СВЧ - мощность, идущая на нагрузку тока пучка. Таким образом, очевидны преимущества использования разрезных микротронов для создания компактных ускорительных установок. А именно, за счет применения рециркуляции заряженных частиц удается получить ускоренный пучок требуемой энергии с высокими параметрами при заметном уменьшении габаритных размеров, энергопотребления и стоимости по сравнению с остальными типами ускорителей.

Целью работы является разработка и создание компактного импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ.

Для этого было сделано следующее:

• Выполнены расчеты динамики пучка электронов в системе инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ.

• Детально рассмотрено фазовое движение в разрезном микротроне, впервые предложена схема согласования продольного эмиттанса пучка на 1-ой орбите с аксептансем разрезного микротрона посредством введения 5-ти магнитной фазосдвигающей системы с малой продольной дисперсией. Выполнены расчеты динамики пучка в б-ти мерном фазовом пространстве импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. На основе расчетов сформулированы требования к основным системам ускорителя.

• Выполнено экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения разрезного микротрона. Измерены основные параметры пучка на выходе ускоряющей структуры, такие как коэффициент захвата линейного ускорителя,*энергетический спектр и эмиттанс.

• Осуществлена сборка и физический запуск импульсного«разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. Разработана методика настройки ускорителя. Получен пучок со следующими параметрами: импульсный ток пучка 5 ± 0.2 мА, энергия пучка - 14.9 - 67.7 МэВ, частота повторения импульсов - до 150 Гц.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые в России создан импульсный разрезной микротрон на энергию электронов 70 МэВ при использовании ряда новых разработок таких, как поворотные магниты на основе редкоземельных постоянных магнитов, инжекция пучка через компактный сс-магнит, также созданный на основе постоянных магнитов. Впервые в системе ускорения разрезных микротронов применяется призматическая; бипериодическая ускоряющая структура (ПБУС) со свойствами СВЧ квадрупольной' линзы. Впервые реализована система фазовой коррекции пучка на 1-ой орбите посредством устройства сдвига фазы на постоянных магнитах.

Практическая ценность работы заключается в том, что её результатом стало создание компактного разрезного микротрона импульсного действия на энергию электронов 70 МэВ и с током пучка 5 мА на выходе. Данный ускоритель представляет большой практический интерес для широкого круга фундаментальных и прикладных задач. Простота и надежность конструкции ускорителя позволяют использовать указанный ускоритель в качестве прототипа при создании установок для любой научной организации, где требуется пучок электронов с энергией до 70 МэВ. Созданный разрезной микротрон может также использоваться в качестве инжектора для более сложных ускорительных систем.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены или самим автором, или при непосредственном его участии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: 1. European Particles Accelerator Conference (Vienna, May'2000).

2. Particles Accelerator Conference (Chicago, June'2001).

3. Ломоносов'2000 (Москва, Апрель, 2000).

4. Beam Dynamics Optimization (Саратов, Июнь, 2001).

5. «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, Ноябрь,, 2001, 2002, 2003).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы. Объем диссертации составляет 138 страниц, она включает в себя 94 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 34 наименований.

На защиту выносятся:

результаты численного моделирования динамики пучка импульсного разрезного. микротрона на энергию электронов 70 МэВ,

результаты экспериментального исследования системы инжекции и ускорения разрезного микротрона,.

методика экспериментальных исследований, позволившая осуществить физический пуск, импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ.

Содержание работы.

Во введении обосновывается: актуальность темы диссертации, формулируются основные цели исследований, состоящие в создании разрезного микротрона импульсного действия на энергию электронов 70 МэВ. Определяется круг решаемых: задач. Кратко изложено содержание работы.

В первой главе дан обзор схем и параметров существующих разрезных микротронов импульсного действия на энергию электронов до 100 МэВ. Указано, какое место занимает рассматриваемая работа в данной области ускорительной техники. Изложены основные проблемы, возникающие при создании разрезных микротронов импульсного действия.

Выбор общей конструктивной схемы разрезного микротрона во многом определяется тем, как в нем решается, так называемая, проблема первого оборота. Суть этой проблемы заключается в том, что расстояние между центром 1-ой орбиты и осью линейного ускорителя» Д, определяемое без учета искажения траекторий частиц рассеянными полями на краях поворотных магнитов соотношением

где V- кратность прироста орбиты, Л - длина волны СВЧ поля, Е/ — энергия пучка на 1-ой орбите, Ео- энергия покоя электрона и ЛЕг — равновесный

прирост за оборот, оказывается меньше радиуса ускоряющей: структуры

„ 2.405-Л г

и, если не принять необходимых мер, то пучок просто не

сможет обойти структуру на первой орбите.

Далее приведены основные способы решения проблемы первого оборота: применение аксиально-симметричной ускоряющей структуры со сквозным продольным отверстием в полости резонаторов [6], ввод специальной магнитной системы, которая отражает пучок на 1-ой орбите

обратно в линейный ускоритель, вдвое увеличивая - энергию при обходе линейного ускорителя.

Показано, что на исполнение разрезного микротрона и его параметры также влияет выбор типа инжекции и значения- энергию инжекции. Компромиссным решением можно считать величину энергии инжекции равную 40 - 100 кэВ [7]. В этом случае питание пушки можно осуществлять, или непосредственно от модулятора клистрона, имеющего такое же напряжение питания, или через дополнительный делитель напряжения.

Обычно для г ввода нерелятивистских. частиц в линейный ускоритель разрезного микротрона используют дипольные магниты. В этом случае требуется введение. дополнительных: корректирующих магнитов, которые устанавливают на общей орбите перед системой ввода пучка. Если инжектируемый пучок предварительно подвергается скоростной модуляции в группирователе, то система инжекции должна обладать определенными свойствами ахроматичности.

Далее обсуждаются проблемы- схем; вывода пучка из разрезного микротрона в частности схема, предложенная в [8]. С помощью дипольного; магнита, устанавливаемого на орбите, пучок отклоняется так, чтобы он пересекал границу эффективного магнитного поля в месте положения предыдущей орбиты. В этом случае электроны покидают поворотный магнит разрезного микротрона, проходя по отношению к общей орбите с тем же смещением и под тем же углом, что и при входе в него. Показано, какие сложности при этом возникают.

Схемы; разрезных микротроновг различаются: выбором оптики. К настоящему времени изучено большое количество таких ее вариантов, как использование квадрупольных линз, устанавливаемых на общей оси: ускорителя или на орбитах разрезного микротрона, фокусировка пучка за счет градиента магнитного поля поворотных магнатов, за счет высокочастотного поля ускоряющей структуры. Важную роль в оптике разрезного микротрона играет краевое поле поворотных магнитов. Без

принятия специальных мер оно дефокусирует пучок в вертикальной плоскости с фокусным расстоянием близким к величине радиуса поворота, т.е. несколько сантиметров на «первых орбитах. Для компенсации этого эффекта в 1967 году Бабич и Седлачек [9] предложили схему поворотного магнита с обратным полем, которая в настоящее время используется практически во всех разрезных микротронах.

Блок-схема разрезного микротрона, созданного в рамках настоящей работы, показана на рис. 1.

Рис 1. Блок-схема импульсного разрезного микротрова.

Ускоритель состоит из электронной пушки (1), гругашрователя (2), а-магнита (3), фокусирующих линз (4), 180° поворотных магнитов на постоянных магнитах (5, 6) с расположенной между ними прямоугольной бипериодической ускоряющей структурой (7), устройства сдвига фазы пучка на 1-ой орбите (8), квадрупольной линзы (9), системы коррекции положения пучка на общей орбите (10). Инжектируемый пучок, многократно ускоряясь в структуре (7), набирает проектную энергию. Синхронное попадание частиц с различных орбит на вход линейного ускорителя достигается выбором определенного соотношения величины ускоряющего поля с индукцией поля

в поворотных магнитах и расстояния между ними. Для диагностики тока пучка на каждой орбите установлены трансформаторные датчики (11). Вертикальная и горизонтальная коррекция положения пучка на орбитах

обеспечивается парами дипольных электромагнитов (13). Для формирования оптимальной оптики ускорителя на четных орбитах, начиная со второй, установлены квадрупольные триплеты (12). Вывод пучка с какой либо орбиты осуществляется с помощью дипольного магнита (14), который отклоняет траекторию частиц на 4°. Функционирование разрезного микротрона обеспечивается системами: СВЧ питания, охлаждения, высоковольтного питания, контроля и управления, вакуумной системой.

Применение постоянных поворотных магнитов на, основе редкоземельных элементов вместо традиционных электромагнитов, помимо существенного сокращения габаритных размеров установки, позволило полностью отказаться от мощных прецизионных источников тока. Благодаря использованию а - магнита электронная пушка; и группирователь располагаются вне оси ускоряющей, структуры, что - обеспечивает многократное прохождение пучка через нее. Впервые в системе ускорения разрезных микротронов применена прямоугольная бипериодическая ускоряющая структура (ЛБУС). В отличие от обычных аксиально-симметричных ускоряющих структур ПБУС имеет малые перечные размеры, что не создает препятствий электронному пучку при прохождении им 1-ой орбиты. Кроме того, данная структура обладает свойствами высокочастотной квадрупольной фокусировки, величина и знак оптической силы которой зависят от соотношения геометрических размеров пролетного отверстия и размеров резонатора и от фазы СВЧ. Указанные свойства в значительной степени улучшают оптику ускорителя.

На рис. 2 представлены диаграммы, которые позволяют сравнить импульсный разрезной микротрон на энергию электронов 70 МэВ НИИЯФ МГУ (RTM70) по таким параметрам, как коэффициент захвата, длительность импульса пучка электронов, максимальная энергия пучка на выходе со следующими ускорителями: разрезной микротрон импульсного действия Королевского Технологического Института (КТН) г. Стокгольм (Швеция), импульсный разрезной микротрон на энергию электронов 50 МэВ ММ50

фирмы Scanditronix AB (Швеция), инжектор накопительных колец MAX-I, МАХ-П: и МАХ-Ш разрезной микротрон импульсного действия г. Лунд (Max-Lab), инжектор накопительного кольца ASTRID на энергию электронов 580 МэВ в Университете г. Аргус, Дания, импульсный разрезной микротрон в Центре Исследований г. Фраскати (Италия) (FRASCATI).

юн ниаглп Kim летш

в)

Рис 2. а) коэффициент захвата разрезных микротронов импульсного действия, б) длительность импульса пучка электронов разрезных микротронов импульсного действия, в) максимальная энергия пучка электронов на выходе разрезных микротронов импульсного действия.

Вторая глава посвящена численному моделированию динамики пучка импульсного разрезного микротрона. В ней сформулированы основные требования, предъявляемые к параметрам пучка ускорителя, а также выполнен анализ динамики пучка в разрезном микротроне и его основных системах. Представлены результаты расчетов.

Параметры разрезного микротрона.

Основные проектные параметры ускорителя приведены в таблице 1. Выбор параметров разрезного микротрона, приведенных в таблице 1, определяется целым рядом факторов. Значение рабочей частоты 2856 МГц определяется наличием в данном диапазоне СВЧ источников импульсного действия необходимой мощности. Уровень магнитного поля и величина прироста энергии за оборот при заданной рабочей частоте однозначно связаны между собой.

Таблица 1. Основные параметры импульсного разрезного микротрона.

Энергия на выходе ускорителя 14.9-67.7 МэВ

Прирост энергии за оборот 4.79 МзВ

Прирост длины орбиты за оборот X

Ширина энергетического спектра • 200 кэВ

Нормализованный поперечный эмиттанс 20 — 30 мм-мрад

Импульсный ток выведенного пучка до 40 мА

Длительность импульса 2-20мксек

Максимальный коэффициент заполнения рабочего цикла 0.4%

Рабочая частота 2856 МГц

Максимальная мощность клистрона, импульсная/средняя 6 МВт/25 кВт

Напряжение клистрона 54 кВ

Индукция поля в поворотных магнитах 0.956 Тл

Размеры разрезного микротрона * 0.8x2.0x1.6 м3

Уровень поля ~ 1 Тл и прирост энергии за оборот ~ 5 МэВ являются оптимальными с точки; зрения: соотношения размеров и стоимости ускорителя и его эффективности. Прирост длины орбиты за оборот, равный длине волны, выбран из условия получения максимальной ширины области устойчивых фазовых колебаний. Требования к импульсному току пучка, его энергетическому разбросу и поперечному эмиттансу вытекают из задачи

детектирования азота, углерода и кислорода, о которой упоминалось во введении.

Система инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона.

Система, инжекции; импульсного разрезного микротрона с энергией: электронов 70 МэВ (рис. 3) состоит из электронной пушки: (1), грушшрователя (6), а-магнита (4), фокусирующих линз (3,5).

Рис 3.' Структурная схема системы инжекции: и ускорения импульсного разрезного микротрона. 1 - электронная пушка, 2 -ускоряющая структура, 3, 5 - магнитные фокусирующие линзы, 4 - а-магнит, 6—гругашрователь..

Основная цель анализа динамики пучка в системе инжекции ускорителя — определение параметров фокусирующих линз, величин напряжений на основном и промежуточном электродах пушки и напряжения: на зазоре группирователя, которые обеспечивают следующие параметры системы инжекции: энергия инжекции пучка электронов 45 кэВ, ток пучка 0 - 250 мА, радиус пучка в центре первой ячейки ПБУС < 2.5 мм. Последнее требование обусловлено необходимостью достижения максимального коэффициента захвата после первого ускорения пучка в разрезном микротроне. Оптимизация параметров электронной пушки проводилась при условии минимального размера кроссовера пучка в центре группирователя. При моделировании работы пушки использовалась программа Е-ОиК. В качестве рабочей рассматривалась следующая геометрия: катод, промежуточный анод, основной анод. Как результат моделирования были получены зависимости поперечных размеров пучка в центре группирователя,

микропервеанса, тока пучка, а также эмиттанса от управляющего напряжения при разных значениях анодного напряжения, непосредственно задающего энергию инжекции. На основе данных о траекториях частиц в электронной пушке, которые были получены с помощью программы E-GUN, был смоделирован начальный ансамбль из 10000 частиц на входе в группирователь. Для этого была использована программа PARMELA..

Следующий этап моделирования системы инжекции заключался; в оптимизации группирователя. Оптимальное напряжение на зазоре группирователя, обеспечивающее максимальное продольное сжатие пучка в центре первой ячейки ПБУС, составило ¡7 = 2.9-103 В.

Оптимизация: фокусных расстояний линз проводилась с учетом проектных расстояний, оптики а-магнита и с использованием начального ансамбля частиц в фазовом пространстве при анодном напряжении 45 кВ, напряжении на промежуточном аноде 11 кВ. Расчеты проводились с использованием программы RTMTRACE. Оптимальными фокусными; расстояниями, обеспечивающие положение кроссовера пучка в первой ячейке ускоряющей структуры, оказались /, = -6.75 см и /г = - -4.52 см, соответственно.

Фазовое движение в разрезном микротроне.

Для реализации микротронного режима ускорения прирост энергии частицы должен обеспечивать увеличение длины орбиты на целое число длин волн питающего генератора Выполнение этого условия для релятивисткой частицы (у9 = 1) на п - ой орбите приводит к следующему равенству:

где с — скорость света, 5 — расстояние между границами эффективного поля поворотных магнитов, Лл — радиус поворота, Т — период колебаний СВЧ источника, V =1,2,... - целое число. Из условия (2) вытекает связь между полем в поворотных магнитах В и равновесным приростом энергии АЕ5

в^ (3)

Соотношения (2) и (3) являются основными для разрезного микротрона и определяют выбор конкретных параметров проектируемого ускорителя и его общей схемы. Как следует из анализа фазового движения в разрезном микротроне, величина продольного аксептанса (или сепаратрисса) и область равновесных фаз, при которых возможны устойчивые фазовые колебания, ускорителя зависят от значения целочисленного параметра v:

О <q>,<arctg~-. (4)

Максимальная ширина; области устойчивых: равновесных фаз достигается при v=1 и составляет 32.48°. Поскольку размер сепаратриссы определяет коэффициент захвата инжектируемого в микротрон пучка и, в конечном счете, электронный КПД ускорителя, для проектируемой машины v выбрано равным 1. В этом случае максимальный продольный аксептанс реализуется при значении синхронной фазы

В нашем случае величина магнитного поля поворотного магнита В = 0.956 Тл, длина волны источника СВЧ мощности Л. = 0.10497 м, V= 1 и равновесный прирост энергии АЕг = 4.79 МэВ.

Значение синхронной фазы <рж связано: с максимальным приростом энергии релятивисткой частицы в ускоряющей структуре следующим; отношением:

<р,= aiccos-—- (5)

При анализе: фазового движения в разрезом к микротроне поведение частиц на: 1-ой орбите из-за инжекции нерелятивистских: электронов рассматривается отдельно от последующих орбит. Частицы в конце 1-ой орбиты (перед входом в ускоряющую структуру) занимают область в продольном фазовом пространстве (эмиттанс), которую мы обозначим как = . Продольный аксептанс разрезного микротрона, начиная со 2-ой

орбиты, обозначим как зависит от энергии инжекции и

фазы инжекции амплитуды ускоряющего поля и расстояния между поворотными магнитами. Аксептанс А/ определяется условием синхронизма (2), которое однозначно задает амплитуду ускоряющего поля и расстояние между поворотными магнитами при данном поле в них. Таким образом, согласование эмиттанса пучка на 1-ой орбите с аксептансом разрезного микротрона зависит от трех параметров: энергии и фазы инжектируемых частиц и значения равновесной фазы. Целью нашего анализа фазового движения в разрезном микротроне являлось определение условии; при: которых достигается максимальное согласование; эмиттанса пучка на 1 -ой орбите и аксептанса разрезного микротрона или другими словами максимальный коэффициент захвата ускорителя. Проведенный в рамках данной работы детальный анализ фазового движения показал, что для согласования эмиттанса пучка на 1-ой орбите с аксептансом разрезного микротрона необходимо изменить фазу, при которой частицы второй раз попадают в ускоряющую структуру. Причем: это условие г может быть реализовано за счет изменения длины 1-ой орбиты.

Устройство сдвига фазы пучка на 1-ой орбите.

Из анализа фазового движения пучка в разрезном микротроне также следует что, электроны на- 1-ой орбите приходят на вход ускоряющей структуры позже, чем нужно но при этом где

разность фаз, соответствующих центрам эмиттанса пучка на 1-ой орбите и аксептанса разрезного микротрона. Таким образом, устройство сдвига фазы пучка (фазовращатель) должно обеспечивать увеличение траектории частицы на величину близкую кратной длине волны, но несколько меньшей, ее. Второе требование - продольная. дисперсия фазовращателя не должна существенно превышать продольную. дисперсию«поворотных магнитов разрезного микротрона. Третье требование связано с оптикой пучка. В фазовращателе должны отсутствовать хроматические и геометрические

аберрации. Значение фокусного расстояния в обеих плоскостях должно быть больше или сравнимо с расстоянием между поворотными магнитами, т. е. ~1.5 м. Схема 5-ти магнитного фазовращателя пучка, анализ которого детально проведен* в данной работе,,изображена на рис. 4. Магнит М1, магнит М5, магнит М2 имеют поле с уровнем 0.3 Тл и отклоняют пучок с энергией Еу = 5.013 МэВ на 30°. Поле магнита №3 и магнита №4 составляет 0.612 Тл, при этом радиус поворота 30 мм. = 220 мм, = 34.1 мм, ! = 30 мм. Конфигурация фазовращателя, показанная на рис. 2.10, была определена в несколько итераций. Каждый, шаг включал: в себя расчеты магнитов, динамикиу пучка. В 180° магнитах: электроны движутся в сильно неоднородном поле, поэтому матричный метод расчета динамики пучка не мог быть использован для получения точных значений положения пучка по отношению к реальным размерам магнитов для инженерного проектирования фазовращателя. Для проведения таких расчетов нами была модифицирована программа RTMTRA.CE. В нее была добавлена опция расчета динамики пучка в произвольном диполе с краевым полем, ранее эта возможность существовала лишь для 180° магнита.

Проведенное моделирование показывает, что схема фазовращателя, которая показана на рис. 4, полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям.

Рис 4. 5-ти магнитный фазовращатель пучка..

Фазовое и поперечное движение в разрезном микротроне с фазовращателем пучка на 1-ой орбите.

С помощью программы ЯТМТКАСЕ было выполнено численное моделирование фазового движения в разрезном г микротроне с фазовращателем пучка на 1-ой орбите. В результате расчетов, были определены основные параметры ускорителя, при которых в продольном фазовом пространстве центр тяжести инжектируемого сгустка совпадает с начальной точкой равновесной траектории.

Рисунок 5 демонстрирует положение эмиттанса пучка на 1-ой орбите по отношению к аксептансу разрезного микротрона при включенном группирователе в системе инжекции и оптимальных расстояниях между 180 магнитами фазовращателя и поворотных магнитов. Амплитуда фазовых; колебаний равновесной частицы при этом ± 0.6 Значения возле точек кривой (2) указывают соответствующие фазы инжекции. Из рис. 5 видно, что при инжекции ансамбля частиц, равномерно распределенных в диапазоне от -180° до +180°, захваченными в процесс ускорения оказываются электроны с фазами инжекции от -67° до 105°. Следовательно, коэффициент захвата разрезного микротрона без учета поперечного движения равен

•у

Рис 5. Взаимное расположение продольного аксептанса (1) ускорителя и продольного эмитганса (2) сгруппированного пучка на 1-ой орбите при энергии инжекции 45 кэВ.

Основная задача анализа поперечного движения частиц в разрезном микротроне - это определение параметров оптических элементов ускорителя,

при которых достигается, оптимальное согласование эмиттансов инжектируемого пучка в плоскостях: (х, х1) и (у. у") с соответствующими аксептансами. На рис. 6 показаны зависимости оптических сил основных элементов разрезного микротрона от энергии пучка., Ускоряющая структура с точки, зрения оптики; пучка представляет собой; высокочастотный квадруполь, оптическая сила-которого зависит от фазы частицы. Для выбранной нами равновесной фазы <рш = 20.9° фокусировка ПБУС происходит в горизонтальной плоскости и дефокусировка в вертикальной. Компенсация вертикальной дефокусировки пучка структурой производится электромагнитной квадрупольной линзой (9, рис. 1), а на первых двух орбитах существенную роль в вертикальной фокусировке играет краевое поле поворотных магнитов. Следует отметить, что два дипольных магнита (10, рис. 1), компенсирующих действие а-магнита, также фокусируют пучок.

< Ю 20 » <0 К Ю XI

Рис 6. Оптические свойства основных элементов разрезного микротрона. 1,2 -оптическая сила ускоряющей структуры в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно, 3, 4 — оптическая сила квадрупольной линзы на обшей оси ускорителя в горизонтальной и вертикальной плоскостях при градиенте поля в ней 0() = 0.357 Тл/м, 5 -оптическая сила поворотного магнита в вертикальной плоскости, 6 - оптическая сила корректирующих магнитов и а-магнита в плоскости, перпендикулярной к их медианным плоскостям..

Окончательным этапом расчетов микротрона стало моделирование процесса ускорения ансамбля из 10000 частиц с распределением, соответствующим распределению электроноз на выходе из пушки. Моделирование

проводилось с помощью программы RTMTRACE в 6-мерном фазовом пространстве. При расчетах учитывались размеры и положения апертур на различных участках траекторий, которые влияют на поперечный аксептанс микротрона: радиус пролетного отверстия структуры - 5 мм, высота рабочего зазора магнитов -10 мм, радиус пролетного отверстия канала первой орбиты - 4 мм, второй орбиты и всех последующих орбит- 8 мм. На последней 14 — ой орбите коэффициент захвата составил К = 40 %. Полный нагружающий ток структуру составляет = 605 мА и суммарная мощность, переданная

пучку, равна

На основании? проведенных расчетов динамики» пучка разрезного микротрона; были сформулированы следующие требования к точности установки параметров основных элементов ускорителя:

1. Отклонение от оптимального значения основного поля в поворотных

магнитах = ± 0.5 %..

2. Точность установки расстояния между поворотными магнитами - ± 0.5 мм.

3. Точность установки расстояния между 180° магнитами фазовращателя на 1-ой орбите - ± 0.5 мм.

Стабильность СВЧ поля в ускоряющей структуре —=± 0.1%.

Е

Третья глава диссертации посвящена основным элементам импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ таким, как электронная пушка, соленоидальные линзы на постоянных магнитах, о> магнит, ускоряющая структура, поворотные магниты, квадрупольные триплеты и квадрупольная линза. В данной главе также: представлено экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения пучка разрезного микротрона. Приведено описание стенда для испытания ускоряющей секции при высоком уровне вводимой СВЧ мощности.

Целью экспериментов описанных в третьей главе было определение эмиттанса пучка, его энергетического спектра, коэффициента захвата. В то же время; было необходимо выбрать оптимальный режим СВЧ - питания ускоряющей секции, который обеспечивал бы устойчивое ускорение пучка до требуемого проектного значения энергии частиц.

Приведено описание основных элементов- системы инжекции» и ускорения импульсного разрезного микротрона»на энергию электронов 70 МэВ таких, как электронная пушка, фокусирующие линзы на постоянных магнитах, альфа-магнит, ПБУС, система СВЧ питания.

Представлены результаты измерений основных параметров пучка на выходе ускоряющей структуры, таких как коэффициент захвата линейного ускорителя, энергетический: спектр и эмиттанс. Описаны методики указанных измерений.

Используя полученные в результате экспериментов параметры пучка на выходе ускоряющей структуры, было проведено дополнительное моделирование динамики в разрезном микротроке.

В четвертой главе рассматриваются; требования,, которые предъявляются к конструкции разрезного микротрона. Приведено описание вакуумной; системы: ускорителя, фазовращателя - пучка на 1-ой орбите, поворотных магнитов. Рассмотрены системы высоковольтного питания электронной пушки и клистрона: Приведены результаты физического пуска импульсного разрезного микротрона. Описана методика оптимизации пучка на орбитах ускорителя и приведены результаты настройки.

Вакуумная система и конструкция разрезного микротрона.

К вакуумной системе и конструкции РМ предъявляются следующие требования:

1. Рабочий вакуум в разрезном микротроне должен быть не хуже мм рт. ст., что обусловлено условиями работы катода электронной пушки, условиями отсутствия заметного роста 1 эмиттанса пучка и радиационных

потерь, вследствие рассеяния электронов на молекулах.. остаточного газа, условиями отсутствия высокочастотных пробоев в ускоряющей структуре.

2. Вакуум в системе должен быть как можно «чище», т. е. содержать минимум паров масла форвакуумных насосов.

3. Вакуумная система должна обладать большой скоростью откачки во всех диапазонах давлений. Натекание и, газоотделение вакуумных камер должны быть сведены к минимуму.

4. Конструкция, как вакуумной системы, так и стола ускорителя должна обеспечивать возможность, изменения расстояния, между поворотными магнитами в пределах не менее ±10 мм.

Общий г вид импульсного разрезного микротрона в 3-х проекциях показан на рис. 7.

Оптимизации пучка на орбитах разрезного микротрона и основные результаты запуска ускорителя.

В процессе экспериментов по ускорению пучка в разрезном микротроне-исследовалась зависимость величины токопрохождения« от величины ускоряющего поля, расстояний между поворотными магнитами и 180° магнитами фазовращателя пучка по орбитам. Используя экспериментально определенное значение эффективного шунтового сопротивление ПБУС, была найдена связь между амплитудой импульса: огибающей СВЧ. и максимальным приростом энергии с релятивисткой частицы После определения рабочего уровня ускоряющего поля, соответствующего проектной равновесной фазе, было проведено исследование токопрохождения на 2-ой орбите разрезного микротрона в зависимости о расстояния между 180° магнитами фазовращателя пучка. Максимальное значение импульсного тока на 2-ой орбите составило /2 = 8.5 мА или 17 % от инжектируемого тока. Для достижения максимального токопрохождение пучка на 3-ей и последующих орбитах в отличие от 2-ой орбиты необходимо установить значения расстояний между поворотными магнитами и 180° магнитами фазовращателя, которые и определяют в данном случае условия

синхронизма в разрезном микротроне. Дальнейшая настройка ускорителя заключалась в получении максимального тока пучка на выходе последних орбит. Измерения были проведены с помощью цилиндра Фарадея, расположенного в конце орбиты вывода.

Рис 7. Общий вид импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. 1

- стол разрезного мйкротрона, 2 - поворотный магнит, 3 - магнитный экран, 4 -вакуумная камера поворотного магнита, 5 - камера вывода, 6 - магниторазрядный насос, 7

- вакуумный затвор, 8 — ресивер, 9 - фазовращатель пучка, 10 - а-магнит, 11 - датчик тока пушки, 12 - электронная пушка, 13 — ПБУС, 14 - подвижной столик, 15 - блок СВЧ, 16 -подъемный столик клистрона, 17 - клистрон, 18 - трансформаторы блоков питания накалов пушки и клистрона, 19 — высоковольтный делитель, 20 - вакуумно-волноводный тракт, 21 — датчик тока пучка, 22 - манометрическая лампа, 23 - вертикальные корректоры положения пучка на постоянных магнитах, 24 - квадрупольная линза, 25 — орбита вывода.

Следует, отметить, что в процессе рассматриваемых в данной главе пуско-наладочных работ на выходе электронной пушки была установлена соленоидальная линза с фокусным г расстоянием /, =-18.5 см вместо расчетного :/, == -6.75 см. Рис. 8 демонстрирует поведение импульсного тока пучка от орбиты к орбите. Приведенные на рис. 8 данные численного

моделирования были получены для /,=-18.5 см - и расстояний между полюсами поворотных магнитов разрезного микротрона и 180° магнитов фазовращателя, соответствующих максимуму экспериментального токопрохождения. Как видно из рис. 8, отличие расчетных данных на последних орбитах от экспериментальных составляет ~ 2 %.

Показано, что дальнейшее повышение тока пучка на выходе 14-ой орбиты может быть осуществлено путем увеличения тока инжекции и приближения фокусного расстояния соленоидальной линзы на выходе электронной пушки к расчетному значению.

0 2 4 < I 10 12 14

Рис 8. Зависимость тока пучка на выходе импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ от номера орбиты. 1 — экспериментальные данные, 2 — расчетные данные.

Заключение содержит основные результаты и выводы данной диссертационной работы.

Основные результаты диссертации.

1. Детально рассмотрено фазовое движение в разрезном микротроне, впервые предложена схема согласования продольного эмиттанса пучка на 1-ой орбите с аксептансем разрезного микротрона посредством введения 5-ти магнитной фазосдвигающей системы с малой продольной дисперсией.

Выполнены расчеты динамики пучка в 6-ти мерном фазовом пространстве импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. На основе расчетов сформулированы, требования к основным системам ускорителя.

2. Выполнены расчеты динамики пучка электронов в системе инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ, а именно определены оптимальные напряжения питания промежуточного и основного электрода пушки, фокусные расстояния соленоидальных линз на постоянных магнитах, их взаимное расположение по отношению к а-маптту и ускоряющей структуре, найдены условия группирования пучка, обеспечивающие максимально эффективный захват 50 кэВ электронов в процесс ускорения в прямоугольной биперйодическош ускоряющей структуре.

3. Вьшолнено экспериментальное: исследование системы инжекции и ускорения; разрезного микротрона. Осуществлено питание ускоряющей -структуры; импульсного разрезного микротрона в автоколебательном режиме. Измерены основные параметры пучка на выходе ускоряющей структуры, такие как. коэффициент захвата линейного ускорителя, энергетический спектр и эмиттанс.

4. Осуществлена сборка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ; Разработана методика настройки ускорителя. Получен пучок; электронов со следующими параметрами: энергия с пучка может варьироваться в пределах от 14.9 МэВ до 67.7 МэВ, импульсный ток пучка 5 ± 0.2 мА, частота повторения импульсов до 150 Гц при длительности импульса до 20 мксек.

5. Выработаны основные: направления дальнейшего увеличения импульсного тока пучка разрезного микротрона за счет изменения параметров системы инжекции.

Основные результаты, диссертации опубликованы в следующих работах:

1. VI. Shvedunov, A.N. Ermakov, D.I. Ennakov, F.N. Nedeoglo, G.A. Novikov, N.P. Sobenin, and;W.P. Trower, "Rectangular Accelerating-Focusing Structures High Power Tests" in procceedings of the 2000 European Particles Accelerator Conference, Vienna, May'2000, p. 889-891:

2. Skachkov V.S., Ermakov A.N., Shvedunov V.I., A fixed gradient rare earth permanent alpha-magnet, in Proc. EPAC2000. p. 2125.

3. VI; Shvedunov, A.N.Ermakov, AI. Karev, E.A. Knapp, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, "70 MeV electron racetrack microtron commissioning*' in proc. in procceedings ofthe 2001 Particles Accelerator Conference, Chicago, June'2001, p. 889-891.

4. A.H. Ермаков, «Расчет динамики пучка и первые результаты запуска импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ», в трудах конф. 'Beam Dynamics Optimization 2001', Саратов, июнь 2001г., с. 128

5. В.И. Шведунов, АЛ. Ермаков, ГА. Новиков, Б.С. Ишханов, В.П-Трауэр, «Импульсный разрезной микротрон на энергию электронов 70 МэВ» в трудах конф. «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, НИИЯФ МГУ, ноябрь 2001 г., с. 8-12.

6. Ермаков А.Н., Ишханов Б.С, Недеогло Ф.Н., Чепурнов А.С., Шведунов В.И., «Измерение параметров пучка электронов с использованием: оптического переходного излучения», Приборы и Техника Эксперимента, 2001г., №4, С. 102.

7. А.Н. Ермаков, Д.И. Ермаков, Б.С. Ишханов, Г.А. Новиков, А.С. Чепурнов, В.И. Шведунов, В.Р. Яйлиян, W.P. Trower, О.С. Милованов, Н.П. Собенин, А.И. Карев, М.Ю. Воробьев, Н.А. Кокорев, П.В. Невский, А.С Титов, И.А. Фрейдович, B.C. Скачков, Н.А. Архангелов, В.А. Даниличев, В.А. Павлов, Ю.С. Смирнов, «Система инжекции и ускорения импульсного

разрезного микротрона», Приборы и Техника Эксперимента, 2002г., №4, С. 1 -8.

8. Шведунов В.И., Ермаков А.Н., Новиков ГА, Ишханов Б.С. W.P. Trower «Оптимизация тока пучка импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ», в трудах конф. «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, НИИЯФ МГУ, ноябрь 2002 г., с. 8 - 12.

9. Шведунов В .И., Ермаков А.Н., Новиков Г.А., Ишханов Б.С., W.P. Trower «Фазовращатель пучка импульсного разрезного микротрона на энергию пучка 70 МэВ», «Концентрированные потоки энергии в ? космической технике, электронике, экологии и медицине», Москва, НИИЯФ МГУ, ноябрь 2002 г., с. 13 -17.

12. Гришин В.К., Ермаков А.Н., Ишханов Б.С., Шведунов В.И., Лихачёв В.П., «70 МэВ разрезной микротрон, как источник жесткого излучения» //Вестник Московского Университета, Сер. 3 Физика и Астрономия, 2002, №5, С. 74-76.

Список цитированной литературы.

1. N.P. Sobenin, AJ. Karev, V.N. Melekhin, V.I. Shvedunov, and W.P. Trower, Design of a Compact 70 MeV Multi-Purpose Pulsed Race-Track Microtrorv Proceedings of 1994 European Particle Accelerator Conference, V. Sulier and Ch. Petit-Jean-Gernaz, eds. (World Sci., Singapore, 1994), 512-514.

2. W.P. Trower, AJ. Karev, V.N. Melekhin, Y.I. Shvedunov, and N.P. Sobenin, Design of a Mobile 70 MeV Race-Track Microtron for the Carbon/Nitrogen Cameras, Nucl. Instrum. Meth. В 99 (1995) 736.

3 V.I. Shvedunov, A.I. Karev, V.N. Melekhin, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, Improved Mobile 70 MeV Race-Track Microtron Design, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, L. Gennari, ed. (IEEE, Piscataway, 1995) Vol. 2, 807-809.

4. Капица СП., Мелехин В.Н. Микротрон. - М. Наука, 1969. — 211 с.

5: Коломенский А.А. Исследование по теории, движения частиц- в современных циклических ускорителях. Труды ФИАН им. П.Н. Лебедева, т. ХШ, 1960, стр. 3 -129

6. P. Axel, L.S. Cardman, R-A; Daniel, A.O. Hanson, R.A. Hoffswell, R.M. Laszewsli, W.C. Sellyey, N. Towne, and A.M. Vetter, ШЕЕ Trans. NS-30;No. 2, 1112(1983).

7. R.E. Rand, Recirculating electron accelerators (Harwood Academic Publishers,; 1984),p.236.

8..H. Herminghaus, A. Feder, K.H. Kaiser, W. Manz, H. v. d. Schmitt, Nucl. Instrum. Methods 138 (1976) 1 - 12.

9. RBabicandM.Sedlacek,Nucl.Instrura.Methods56(1967) 170.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ЦД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 01.03.04 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,75 Печать авторефератов (095) 730-47-74, 778-45-60 (сотовый)

0-4878

Введение

Глава 1. Разрезные микротроны импульсного действия на энергию электронов 50- 100 МэВ.

1.1. Обзор схем импульсных разрезных микротронов.

1.2. Обзор импульсных разрезных микротронов на энергию 50 - 100 МэВ.

1.3. Особенности импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ.

Глава 2. Численное моделирование динамики пучка импульсного разрезного микротрона.

2.1. Параметры разрезного микротрона.

2.2. Система инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона.

2.3. Фазовое движение в разрезном микротроне.

2.4. Устройство сдвига фазы пучка на 1-ой орбите.

2.4.1. Динамика пучка в фазовращателе.

2.4.2. Фазовое движение в разрезном микротроне с фазовращателем пучка на 1-ой орбите.

2.5. Поперечное движение частиц в разрезном микротроне.

Глава 3. Основные элементы импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. 79 3.1. Экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения пучка разрезного микротрона. 79 3.1.1. Электронная пушка и группирователь.

3.1.2. Фокусирующие линзы на постоянных магнитах и а-магнит.

3.1.3. Ускоряющая структура.

3.1.4. СВЧ-система.

3.1.5. Система диагностики пучка.

3.1.6. Определение коэффициента захвата.

3.1.7. Измерение энергетического спектра пучка.

3.1.8. Измерение эмиттанса пучка.

3.2. Поворотные магниты.

3.3. Квадрупольные триплеты на постоянных магнитах.

Глава 4. Сборка и запуск импульсного разрезного микротрона.

4.1. Вакуумная система и конструкция разрезного микротрона.

4.2. Высоковольтное питание клистрона и электронной пушки.

4.3. Методика оптимизации пучка на орбитах разрезного микротрона и основные результаты запуска ускорителя.

Настоящая работа основана на результатах полученных при разработке, создании и запуске импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ [1 — 3]. Целью данного проекта было создание компактного ускорителя электронов для системы идентификации короткоживущих изотопов с периодом полураспада Ти2 ~ 20 мсек. Для этого необходим пучок электронов для получения фотонов тормозного излучения в достаточном количестве и с энергией, позволяющей определить, например, концентрацию изотопов ЬС, 1ФЫ и 160, входящих в состав наркотических и взрывчатых веществ. Так энергия электронов для идентификации изотопа С составляет около 30 МэВ, |4Ы - 50 МэВ, 160 - 70 МэВ. Классические ускорители электронов такие, как синхротрон и бетатрон, не подходят для решения данной задачи, так как средний ток пучка на выходе этих ускорителей при коэффициенте заполнения в несколько процентов очень мал. Использование линейного ускорителя также затруднено из-за невозможности достижения требуемой энергии без значительного увеличения габаритных размеров. Для того чтобы получить импульсы электронного пучка, имеющие длительность несколько микросекунд, с током в несколько десятков миллиампер в импульсе и периодом повторения несколько десятков герц с энергией 70 МэВ при использовании обычных ускоряющих структур с градиентом 15 МэВ/м длина ускорителя будет 5 м при подводимой мощности СВЧ более чем 14 МВт. Уменьшение длины линейного ускорителя ведет к увеличению потребления СВЧ мощности и уменьшению

КПД. При этом габаритные размеры установки не изменяются, так как системы СВЧ и высоковольтного питания становятся еще больше. Увеличенное электрическое поле повышает вероятность пробоев в ускоряющей структуре. Невозможность быстрого изменения энергии пучка при сохранении требуемых параметров также является одним из основных ограничений в использовании линейных ускорителей.

Иная ситуация с разрезным микротроном [33, 34], в котором электронный пучок увеличивает свою энергию за счет многократного прохождения через линейный ускоритель. При этом СВЧ мощность, затрачиваемая на создание ускоряющего поля, уменьшается в N раз по сравнению с линейным ускорителем, где N - число прохождений пучка через линейный ускоритель разрезного микротрона. Неизменной остается СВЧ - мощность, идущая на нагрузку тока пучка. Таким образом, очевидны преимущества использования разрезных микротронов для создания компактных ускорительных установок. А именно, за счет применения рециркуляции заряженных частиц удается получить ускоренный пучок требуемой энергии с высокими параметрами при заметном уменьшении габаритных размеров, энергопотребления и стоимости по сравнению с остальными типами ускорителей.

Цель настоящей работы: численное моделирование динамики пучка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ, экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения разрезного микротрона, конструирование и сборка разрезного микротрона, физический пуск и настройка ускорителя.

Актуальность работы: заключается в том, что в настоящее время возрос интерес к ускорителям электронов с энергиями частиц до 100-150 МэВ, которые используются как в научных исследованиях, так и в разнообразных технологических процессах, где важны компактность установки и высокий ток пучка.

Научная новизна работы: заключается в том, что создан импульсный разрезной микротрон при использовании ряда новых разработок таких, как поворотные магниты на основе редкоземельных постоянных магнитов, инжекция пучка через компактный а-магнит, также созданный на основе постоянных магнитов. Впервые в системе ускорения разрезных микротронов применяется призматическая бипериодическая ускоряющая структура (ПБУС) со свойствами СВЧ квадрупольной линзы. Впервые реализована система фазовой коррекции пучка на 1-ой орбите.

На защиту выносятся: результаты численного моделирования динамики пучка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ, результаты экспериментального исследования системы инжекции и ускорения разрезного микротрона, методика экспериментальных исследований, позволившая осуществить физический пуск импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение

В результате выполнения работы был осуществлен успешный физический пуск первого в Российской Федерации импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. Для этого было сделано следующее:

1. Детально рассмотрено фазовое движение в разрезном микротроне, впервые предложена схема согласования продольного эмиттанса пучка на 1-ой орбите с аксептансем разрезного микротрона посредством введения 5-ти магнитной фазосдвигающей системы с малой продольной дисперсией. Выполнены расчеты динамики пучка в 6-ти мерном фазовом пространстве импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. На основе расчетов сформулированы требования к основным системам ускорителя.

2. Выполнены расчеты динамики пучка электронов в системе инжекции и ускорения импульсного разрезного микротрона на энергию 70 МэВ, а именно определены оптимальные напряжения питания промежуточного и основного электрода пушки, фокусные расстояния соленоидальных линз на постоянных магнитах, их взаимное расположение по отношению к а-магниту и ускоряющей структуре, найдены условия группирования пучка, обеспечивающие максимально эффективный захват 50 кэВ электронов в процесс ускорения в прямоугольной бипериодической ускоряющей структуре.

3. Выполнено экспериментальное исследование системы инжекции и ускорения разрезного микротрона. Осуществлено питание ускоряющей структуры импульсного разрезного микротрона в автоколебательном режиме.

Измерены основные параметры пучка на выходе ускоряющей структуры, такие как коэффициент захвата линейного ускорителя, энергетический спектр и эмиттанс.

4. Осуществлена сборка импульсного разрезного микротрона на энергию электронов 70 МэВ. Разработана методика настройки ускорителя. Получен пучок электронов со следующими параметрами: энергия пучка может варьироваться в пределах от 14.9 МэВ до 67.7 МэВ, импульсный ток пучка 5 ± 0.2 мА, частота повторения импульсов до 150 Гц при длительности импульса до 20 мксек.

5. Выработаны основные направления дальнейшего увеличения импульсного тока пучка разрезного микротрона за счет изменения параметров системы инжекции.

В заключении автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, заведующему лабораторией электронных пучков ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ, профессору Василию Ивановичу Шведунову, при активной и постоянной поддержке которого была выполнена данная работа. Автор благодарит заведующего кафедрой общей ядерной физики, руководителя ОЭПВАЯ профессора Бориса Саркисовича Ишханова за постоянное внимание и советы в процессе создание ускорителя. Автор признателен сотрудникам ОЭПВАЯ, принимавшим участие в работах, A.C. Алимову, Н.Б. Бабушкину, И.В. Грибову, Д.И. Ермакову, Г.А. Новикову, Н.И. Пахомову, В.Р. Яйлияну. Автор благодарен всем студентам и аспирантам физического факультета, чья работа была связана с созданием ускорителя. Автор благодарит за полезные консультации, помощь и участие на различных этапах работы профессора МИФИ Н.П. Собенина, ведущего научного сотрудника ИТЭФ B.C. Скачкова, старшего научного сотрудника ФИ РАН А.И. Карева, сотрудника МРТИ В.А. Павлова, сотрудника Саратовского госуниверситета В.П. Горбачева, сотрудников ВЭИ С.Ф. Кравцова, И.А. Иванникова, К.С. Александрова.

135

1. W.P. Trower, A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.l. Shvedunov, and N.P. Sobenin, Design of a Mobile 70 MeV Race-Track Microtron for the Carbon/Nitrogen Cameras, Nucl. Instrum. Meth. B 99 (1995) 736.

2. V.l. Shvedunov, A.I. Karev, V.N. Melekhin, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, Improved Mobile 70 MeV Race-Track Microtron Design, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, L. Gennari, ed. (IEEE, Piscataway, 1995) Vol. 2, 807 809.

3. Webers R.W., Design of an electron optical-system for a 75 MeV racetrack microtron, Ph.D. Thesis Eindhoven University of Technology (1994).

4. P. Axel, L.S. Cardman, R.A. Daniel, A.O. Hanson, R.A. Hoffswell, R.M. Laszewsli, W.C. Sellyey, N. Towne, and A.M. Vetter, IEEE Trans. NS-30, No. 2, 1 1 12 (1983).6. http://www.scanditronix.com

5. R.E. Rand, Recirculating electron accelerators (Harwood Academic Publishers, 1984).

6. H. Herminghaus, A. Feder, K.H. Kaiser, W. Manz, H. v. d. Schmitt, Nucl. Instrum. Methods 138 (1976) 1 12.

7. H. Babic and M. Sedlacek, Nucl. Instrum. Methods 56 (1967) 170.

8. S. Rosander, M. Sedlacek, Nucl. Instrum. Methods 204 (1982) 1.

9. M. Eriksson, IEEE Trans. NS-30, No. 4 (1983) 2070.

10. ISA Activity Report, No. 2, November 199813. http://www.frascati.enea.it/accelerators/

11. EGUN, W. B. and G. A. Herrmannsfeldt, 1987

12. K.R. Crandall, PARMELA code

13. Геворкян В.Г., Савицкий А.Б., Сотников М.А., Шведунов В.И., Компьютерные программы моделирования динамики пучка в рециркуляционных ускорителях, ВИНИТИ 183-В89 (1989).

14. А.Н. Ермаков, Расчет динамики пучка в импульсном разрезном микротроне с энергией электронов 70 МэВ, Ломоносов'2000, Москва, МГУ, апрель 2000г.

15. Новиков Г.А., Магнитные системы рециркуляционных ускорителей, дисс. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук, НИИЯФ МГУ, Москва, 2001 г.

16. Enge H.A., Achromatic Magnetic Mirror for Ion Beam, Rev. Sei. Instrum., 34 (1963) 385.

17. Хальбах К., Частное предложение.

18. V.S. Skachkov, A.N. Ermakov, and V.l. Shvedunov, In: J.L. Laclare, W. Mitaroff, Ch. Petit-Jean-Genaz, J. Poole, and M. Regler (Eds.) Proceedings of the 2000 European Particle Accelerator Conference, World Scientific, Singapore, 2000, p. 2125.

19. N.P. Sobenin, V.N. Kandurin, A.I. Karev, V.N. Melekhin, V.l. Shvedunov, and W.P. Trower, Rectangular Microtron Accelerating Structure, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, L. Gennari, ed. (IEEE, Piscataway, 1995) Vol. 3, 1827-1829.

20. D.V. Kostin, V.l. Shvedunov, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, In: A. Luccio and W. MacKay (Eds.) Proceedings of the 1999 European Particle Accelerator Conference Vol. 2, IEEE, Piscataway, 1999, p. 910.

21. Ермаков A.H., Ишханов Б.С., Недеогло Ф.Н., Чепурнов A.C., Шведунов В.И., Измерение параметров пучка электронов с использованием оптического переходного излучения, Приборы и Техника Эксперимента, 2001г., №4, С. 102.

22. Геворкян В.Г., Грибов И.В., Зиновьев C.B., Ишханов Б.С., Пискарев И.М., Савитский А.Б., Шведунов В.И., Шумаков A.B., Метод измерения эмиттанса электронного пучка, Приборы и Техника Эксперимента, 6 (1988) 28.

23. V.l. Shvedunov, A.N. Ermakov, D.I. Ermakov, F.D. Nedeoglo, G.A. Novikov, N.P. Sobenin, W.P. Trower, Rectangular Accelerating-Focusing Structure High Power Tests, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, 889-891.

24. А.Г. Власов, В.П. Пономарев, М.Т. Шиварталов, П.М. Щанин, Вакуумные системы ускорителей электронов, Известия ТПИ, 1962, т. 122.

25. I. V.l. Shvedunov, A.N. Ermakov, A.I. Karev, E.A. Knapp, N.P. Sobenin, and W.P. Trower, In: P. Lucas and S. Webber (Eds.) Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference Vol. 4, IEEE, Piscataway, 2001, p. 2595.

26. И.В. Грибов, A.H. Ермаков, Б.С. Ишханов, Г.А. Новиков, B.C. Скачков, Н.П. Собенин, W.P. Trower, В.И. Шведунов, И.В. Шведунов, «Импульсный разрезной микротрон на энергию электронов 70 МэВ», «Вестник Московского Университета» , № 5, 2002 год.

27. Капица С.П., Мелехин В.Н. Микротрон. М. Наука, 1969. - 211 с.

28. Коломенский A.A. Исследование по теории движения частиц в современных циклических ускорителях. Труды ФИАН им. П.Н. Лебедева, т. XIII, 1960, стр. 3- Г29