Ускоритель электронов с магнитным зеркалом 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 Дмитрий Игоревич

УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ С МАГНИТНЫМ ЗЕРКАЛОМ

Специальность 01.04.20 «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

УНЦДО Москва 2003

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Шведунов В.И. (НИИЯФ МГУ), кандидат физико-математических наук Грибов И.В. (НИИЯФ МГУ).

Официальные оппоненты: профессор, д.ф.-м.н. Василенко О.И.

(физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова)

старший научный сотрудник, к.ф.-м.н. Карев А.И. (Физический институт им. П.Н. Лебедава РАН)

Ведущая организация: Институт ядерных исследований РАН

г. Троицк

Ж 09

Защита диссертации состоится^ 2003 года в 15 часов

на заседании Диссертационного совета К501.001.06 в Московском государственном Университете им. М.В. Ломоносова.

Адрес: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ им. М.В. Ломоносова, 19-й корпус, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан &2003 года.

Учёный секретарь гу

Диссертационного совета

кандидат физико-математических наук / Чуманова О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Ускорители электронов стали создаваться в Советском Союзе в конце сороковых годов и применялись главным образом в области фундаментальных исследований, тогда же была показана возможность эффективного применения ускорителей электронов для решения целого ряда прикладных задач. Это дало толчок для бурного развития ускорителей специального назначения, применяемых в промышленности и медицине, работающих в диапазоне энергий от единиц до десятков МэВ. Такие приложения потребовали большого спектра токов/мощностей электронного пучка. Однако до настоящего времени существует значительный разрыв в ряду ускорителей специального назначения, не позволяющий в полной мере охватить весь диапазон энергий и мощностей, востребованных в науке и технике. С одной стороны, импульсные ускорители электронов, позволяющие достигать энергий десятки МэВ, имеют существенные ограничения по максимальному среднему току и, следовательно, мощности пучка. С другой стороны, ускорители прямого действия с большими значениями токов/мощностей имеют технические и конструкционные ограничения по максимальной энергии пучка электронов, определяемые величиной порядка 1 - 3 МэВ. Поэтому в последние десятилетия активно предпринимаются шаги для создания компактных и экономичных ускорителей электронов в интервале энергий 5-10 МэВ с высоким средним током пучка. Этим требованиям соответствует линейный ускоршель электронов непрерывного действия. Ему доступен диапазон энергий до 10 МэВ с высоким средним ток пучка до десятков и даже сотен мА. Единственным препятствием на пути применения линейных ускорителей непрерывного действия является их большая длина: примерно 1.5 - 2 м на 1 МэВ прироста энергии, учитывая систему ввода, фокусировки и коррекции траектории пучка электронов. Решение проблем уменьшения габаритов ускорителя, повышения его эффективности и увеличения энергии пучка электронов возможно за счет рециркуляции пучка через линейный ускоритель непрерывного действия с использованием магнитного зеркала.

Целью работы является исследование функционирования основных элементов и решения ряда проблем, связанных с созданием мощного, компактного ускорителя электронов непрерывного действия с магнитным зеркалом, высоким к.п.д. и простого в эксплуатации на энергию 2.3 МэВ, являющегося прототипом ускорителя на энергию 5-10 МэВ.

Для этого было сделано следующее:

разработано и изготовлено магнитное зеркало; проведено теоретическое обоснование и экспериментальное исследование оригинального метода синхронизации и фазирования секций с.в.ч.-сигналом малой мощности; , оС7н Гц И О Н АЛ ЬНАЯ I

БИБЛИОТЕКА I С.Петер&ург / Л

з оэ трысгР^Щ

создан и испытан трехсекционный ускоритель с рециркуляцией пучка электронов на энергию в диапазоне 0.6 - 2.3 МэВ. Научная новизна работы заключается в создании компактного магнитного зеркала простой конструкции, разработке и реализации оригинальной схемы синхронизации и фазирования с.в.ч.-нолей в многосекционных ускорителях.

Практическая ценность работы заключается в том, что её результатом стало создание компактного, простого в эксплуатации ускорителя электронов с магнитным зеркалом, имеющего три выходных окна: окно выхода прямого пучка с энергией 0.6 и 1.2 МэВ и током до 8 мА; окно с выходом пучка с энергией 1.7 МэВ и током до 1 мЛ и окно выхода пучка с энергией 2.3 МэВ и током до 100 мкА для экспериментов в области ядерной физики и прикладных исследований. Применение подобного ускорителя возможно в промышленности и медицине.

В рамках данной работы было рассчитано и создано магнитное зеркало простой конструкции на энергию до 6 МэВ.

Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование автоколебательной системы при наличии внешней синхронизации, имеющий два нелинейных элемента (клистрон и ускоряющая секция). На основании проведённых исследований реализован новый принцип построения системы с.в.ч.-питания многосекционных ускорителей электронов.

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

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на:

1. XIII Международной конференции по электростатическим ускорителям. Обнинск. 1999.

2. LINACs, 2001 Particle Accelerator Conference Proceedings, Chicago, Illinois, June 18-22.

Объем и структура работы. Диссертации состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 93 страницы, она включает в себя 63 рисунка, одну таблицу и список литературы из 59 наименований.

Разработка и реализация данного проекта была поддержана грантом РФФИ № 98-02-17038 1998/99 год.

На защиту выносятся:

Результаты численного моделирования динамики пучка электронов в рециркуляционном ускорителе с магнитным зеркалом и системой развязки встречных пучков.

Конструкция, методика экспериментальных исследований и результаты настройки магнитного зеркала.

Методика настройки ускорителя, позволившая осуществить его физический пуск и получить на выходе пучок электронов с заданными параметрами.

Принцип фазирования автоколебательных с.в.ч.-систем многосекционных ускорителей и результаты экспериментального исследования нового метода фазирования.

Алгоритм расчёта автоколебательных систем при подмешивании синхронизирующего сигнала малой мощности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели исследований, состоящие в создании ускорителя электронов непрерывного действия с магнитным зеркалом. Определяется круг решаемых задач. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе рассмотрена конструкция трёхсекционного ускорителя с рециркуляцией пучка электронов, а также функционирование его основных элементов, систем.

Г эпгРкР1 Л1 С1 пгАКргсг 1

1.7 МзВ

1 I 1.2МзВ

г.з МзВ

Рис. 1. Блок-схема ускорителя.

Блок-схема ускорителя показана на рис. 1. Ускоритель включает в себя электронную пушку ЭП на энергию до 100 КэВ, группирователь Гр, три ускоряющих секции - секцию захвата с переменной длиной ячеек С1, секцию со ступенчатым изменением длины ячеек С2 и секцию с постоянной длиной ячеек СЗ, коллиматор А, магнит системы транспортировки пучка М1, магнитное зеркало М2, фокусирующие линзы Л1, Л2, корректоры Кр1 - КрЗ, квадрупольную линзу К, устройства для диагностики пучка с

люминесцентными экранами Пф1, Пф2 и цилиндры Фарадея ЦФ1 - ЦФЗ. Средняя мощность, рассеиваемая в стенках каждой ускоряющей структуры, составляо! - 9 кВт. С.в.ч.-мощность в секции подаётся клистронами непрерывною действия с максимальной выходной мощностью 22 кВт, работающими в диапазоне частот 2450 ± 10 МГц.

Выделенная штрихами часть установки является инжектором ускорителя с магнитным зеркалом. Она может использоваться как самостоятельный линейный ускоритель электронов на энергию до 1.2 МэВ и током до 8 мА.

Функционирование ускорителя обеспечивается следующими системами: с.в.ч.-птапия, вакуумной, высоковольтного питания, охлаждения, контроля и управления.

Ускоритель установлен на двух платформах. На первой платформе смонтирован инжектор ускорителя, состоящий из пушки, группирователя, двух секций захвата и магнита системы транспортировки пучка. Вторая платформа с секцией СЗ и магнитным зеркалом М2 расположена под углом 15 градусов относительно оси пучка инжектора ускорителя.

Ускоряющие секции С1, С2, СЗ созданы на основе бипсриодических ускоряющих структур с внутренними ячейками связи. Ускорение частиц в линейном ускорителе непрерывного действия на начальной стадии имеет ряд особенностей: секции линейного ускорителя с длиной ячеек, соответствующих ускорению релятивистских электронов, не могут обеспечить эффективный захват и ускорение нерелятивистских частиц. Поэтому первоначальный захват и ускорение частиц до энергии 1 МэВ осуществляется с помощью секций с переменной длиной ячеек — секций захвата С1 и С2. Третья секция СЗ имеет постоянную длину ячеек, так как на её вход поступает почти релятивистский электронный пучок.

Устройство для диагностики электронного пучка Пф1 смонтировано на выходе инжектора ускорителя, имеет выдвижной экран, покрытый люминофором и пересекающий траекторию пучка под углом 45°, что позволяет:

измерять среднее значение тока, возникающего при оседании электронов на экран;

визуально оценивать параметры пучка электронов, наблюдая его след на экране с помощью телекамеры через окна в боковых стенках устройства для диагностики.

Устройство для диагностики электронного пучка Пф2 смонтировано между секцией СЗ и магнитным зеркалом М2. Пф2, в отличие от Пф1, имеет два выдвижных экрана, смонтированных на общем каркасе, покрытых люминофором и пересекающих траекторию пучка под углом в 45°, это даёт возможность применить данное устройство для решения проблемы диагностики противонаправленных пучков. Нижний экран сплошной, сторона экрана, покрытая люминофором, обращена в сторону секции СЗ. В верхнем экране прорезано вертикальное отверстие шириной -3 мм для сквозного

б

прохода пучка электронов. Сторона экрана, обращенная к магнитному зеркалу, покрыта люминофором. Данная конструкция позволяет при введении в пролетный канал сплошного экрана наблюдать падающий на магнитное зеркало пучок. Если вводится экран с вертикальной прорезью, то можно наблюдать пучок электронов, развёрнутый в обратном направлении магнитным зеркалом. Щель в экране позволяет проводить противоположно направленные пучки (рис. 2).

Рис. 2. Схема визуального конгроля электронного пучка, отражённо! о ма1 нитным

черкапом.

Электромагнит системы транспортировки пучка М1, установленный между секциями С2, СЗ изменяет направление пучка электронов в зависимости от того, какое из выходных окон используется, и обеспечивает систему развязки противонаправленных пучков при функционировании ускоряющих систем с магнитным зеркалом. Конструкция и принцип действия магнитного зеркала М2 подробно рассмотрены во второй главе.

Система с.в.ч.-питания ускорителя функционирует следующим образом. В одну из ускоряющих ячеек секции устанавливается петля связи. С петли связи сигнал через фазовращатель и аттенюатор поступает на вход клистрона (с.в.ч.-усилителя) и усиленный вводится в секцию, замыкая тем самым положительную обратную связь. Фаза сигнала в цепи обратной связи и его амплитуда, обеспечивающие условия самовозбуждения, подбираются таким образом, чтобы достичь необходимого уровня с.в.ч.-мощности в стенках структуры. Предложенная схема обеспечивает возбуждение автоколебаний в системе клистрон - секция на резонансной частоте секции, меняющейся по мере её разогрева при вводе с.в.ч.-мощности.

В схеме с.в.ч.-питания ускорителя с вынужденным возбуждением уровень ускоряющего поля секции определяется частотой задающего генератора и амплитудой выходного сигнала с.в.ч.-усилителя (или генератора, например, магнетрона). При совпадении резонансной частоты секции и частоты внешнего генератора уровень поля максимален. Если появляется расстройка между

Магнитное зеркало

собственной частотой ускоряющей структуры и частотой внешнего генератора, то она приводит к отражению части с.в.ч.-сигнала от входа секции. Для того, чтобы избавиться от влияния отражённого сигнала на с.в.ч.-усилитель (генератор) включают в тракт между ним и ускоряющей структурой развязку - циркулятор.

Рис. 3. Схема с.в.ч.-питания секции ускорителя (в автоколебательном режиме) с сумматором для подмешивания внешнего синхронизирующего сигнала.

А - аттенюатор, фос - фазовращатель, Стр. - ускоряющая структура,V -усилительный клистрон, 2 - сумматор. (/, - ускоряющее напряжение на зазоре эквивалентного резонатора (замещающего ускоряющую структуру), и(к - напряжение в цепи обратной связи на входе сумматора, 1/с - напряжение синхронизирующего сигнала от внешнего генератора, [/„ - напряжение на входе клистрона, 1!тх - напряжение на выходе клистрона.

В режиме автоколебаний частота сигнала в цепи обратной связи, как при вводе мощности, так и в установившемся режиме, совпадает с собственной частотой секции, амплитуда выходного сигнала клистрона определяется только уровнем поля в секции. Поэтому в с.в.ч.-системе исключены условия для резкого роста отражённой волны, которая могла бы привести к разрушению вакуумного окна и повреждению выходного резонатора клистрона. В этой связи возникает потенциальная возможность исключить из цепи обратной связи циркулятор, значительно упростив её. Длина волноводного тракта экспериментально подбирается таким образом, чтобы отражённая от входа в секцию волна оказывала минимальное влияние на выходной резонатор клистрона. Это позволяет упростить волноводный тракт

высокой с.в.ч.-мощности, отказаться от циркулятора, согласованной нагрузки и вакуумного окна секции.

Рис. 4. Схема с.в.ч.-питания секции ускорителя (в режиме вынужденных колебаний).

Переход от односекционного к многосекционному ускорителю при функционировании его секций в автоколебательном режиме потребовал решения проблем, связанных с синхронизацией частот секций и фазирования их между собой.

Рис. 5. Блок-схема системы высокочастотного питания.

А1-3 - дистанционно управляемые аттенюаторы, <р!-3 - дистанционно управляемые фазовращатели, ф[ р - дистанционно управляемый фазовращатель групнирователя, ПК2-3 -переключатели каналов, К1-3 - клистроны, Д1-3 - детекторные головки, Гр -

фуипирователь, С1-3 - ускоряющие секции, фвм2-3 - дистанционно управляемые фаюнрашакмш сигнала внешней синхронизации, Ц - циркулятор (сохранён для 'жеиернмешальнмх исследований с.в.ч.-систем ускорителя).

В основу схемы синхронизации и фазирования секций ускори1еля был положен принцип синхронизации автоколебательных систем внешним сигналом, величина коюрого намного меньше сигнала цепи обратной связи. Была реализована схема (рис. 3), в которой первая секция работает в автоколебательном режиме и формирует опорный с.в.ч.-сигнал для остальных секций. Преимущество данной схемы высокочастотного питания многосекционного ускорителя по сравнению с традиционной схемой, в которой клистроны возбуждаются внешним опорным сигналом, заключается в следующем:

упрощается решение проблемы ввода с.в.ч.- мощности, исключаются циркулятор, задающий высокостабильный с.в.ч.-генератор и предварительный с.в.ч.-усилитель мощности;

исключается сложная система стабилизации частоты секций; уменьшаются габариты с.в.ч.-трактов; упрощается управление; повышается надёжность с.в.ч.-системы.

Во второй главе определяются критерии для выбора конфигурации, и описывается принцип расчета магнитного зеркала ускорителя. Приводятся результаты численного моделирования динамики пучка электронов в магнитном зеркале и в ускорителе.

Рис. 6. Магии гное зеркало М2.

ю

Для разворота ускоренного пучка электронов на 180 градусов и его повторного ускорения было рассчитано и создано магнитное зеркало М2, внешний вид представлен на рис. 6.

Магнитное зеркало рассчитывалось на работу с пучком электронов с энергией до 6 МэВ. Габариты ярма магнита 336x318x280 мм. Рис. 7 поясняет принцип отражения пучка в магнитном зеркале. На нём показаны траектории частицы в медианой плоскости для двух вариантов полей магнишого зеркала.

Z, м

Рис. 7. Траектории частиц в медианной плоскости магнитного черкала.

Расчёт конфигурации магнитного поля, которое обеспечивает отражение пучка при требуемой оптике, проводился методом итераций по программам "POISSON" (расчет магнитного поля) и "RTMTRACE" (динамика пучка).

На изготовленном зеркале был проведён ряд измерений магнитного поля в медианной плоскости, полученные данные о распределении поля использовались в уточняющих расчетах динамики пучка ускорителя. Вместе с расчётами динамики пучка магнитного зеркала, было проведено численное моделирование динамики пучка, всего ускорителя.

Было необходимо выбрать геометрию ускорителя, определить оптимальные режимы работы ускоряющих секций и других элементов ускорителя. Важно было оценить энергетические и фазовые характеристики пучка на выходе инжектора, на выходе магнитного зеркала и на выходе ускорителя в целом. Предварительное изучение процесса ускорения непрерывного пучка в системе с магнитным зеркалом было проведено при помощи численного моделирования динамики пучка также по программе «RTMTRACE». Эта программа позволяет описать прохождение заряженных частиц через все элементы, образующие ускоритель. Основным методом, используемым в данной программе, является численное интегрирование уравнений движения в шестимерном фазовом

пространстве и электромагнитных полях соответствующих элементов. Пространственное распределение полей получено в результате измерений отдельных элементов ускорителя на специальных стендах. Результатами расчёта по программе «ЯТМТЯАСЕ» являются траектории частиц и набор характеристик пучка в любой заданной точке.

PHASE SPACE FltOU RTMTRACE

BEAM SPOT

2&-NOV-D2

!№!Sm47»

DISTANCE. 1Я 6 2&4GG

Ь UcV 21Ш4

PH«. a*gr 286 7+

NPAmcuiS 2102

Рис. 8. Ичображение пучка на выходе ускорителя с рециркуляцией пучка заряженных

частиц.

Расчётный электронный пучок на выходе ускорителя в плоскости Х-У показан на рис. 8. Расчетный электронный пучок соответствует предъявляемым требованиям для его дальнейшей транспортировки.

Третья глава посвящена описанию системы с.в.ч.-синхронизации и результатам её качественного анализа.

При создании компактных многосекционных ускорителей электронов с ускоряющими структурами на стоячей волне возникает ряд проблем, требующих детального исследования. Одной из них является разработка простой и надёжной системы с.в.ч.-питания ускорителя. Рассмотрим упрощённую блок-схему (см. рис. 3) системы с.в.ч.-питания одной из секций (модуля) ускорителя. Проанализируем поведение автоколебательной системы с внешним синхронизирующим сигналом, полагая, что система находится в стационарном состоянии захвата и колебания в ней происходят на частоте

внешнего сигнала не равной собственной резонансной частоте ускоряющей структуры.

Составим фазовую диаграмму и введем обозначения комплексных амплитуд сигнала в рассматриваемой цепи в соответствии с рис. 9. Отсчитываем все фазы сигналов относительно фазы на входе клистрона, которую и полагаем равной нулю. Положительное направление углов взят о против часовой сгрелки. Для анализа вместо коэффициент усиления по напряжению будем использовать заданную таблично амплитудную характеристику клистрона описывающую зависимость выходной мощности клистрона от входной мощности, Кж определяется коэффициентом ослабления петли связи, установленной в секции и коэффициентом ослабления аттенюатора.

15.1

Рис. 9. Фазовая диаграмма векторов напряжений в системе с в ч -питания секции ускорителя относительно вектора напряжений на пходе клистрона фЛ- фаза с в.ч. -сигнала в цепи обратной связи, <р, - фаза сигнала синхронизации, ц/ -угол фазовой расстройки резонатора.

■ В общем случае, исключив фазу внешнего сигнала, приходим к нелинейному уравнению автоколебательной системы с подмешиванием внешнего сигнала.

I 4/}]> I 7~4Ж' ^ '■>

1 Л-,»,/—^гт сс№(ш + а>„) ± ,\1\ - К- —-*-соь- тыл-Ш + а,.) УО + Л V 0 + Д) ■

у/ - а> с!К(--

О + Л'Л.

где 1'с мощность с.в.ч.-сигнапа синхронизации, 1'<т - с.в.ч.-мощность, рассеиваемая в стенках ускоряющей структуры. мощность с.в.ч.-сигнапа на входе клистрона, /I к.с.в. ускоряющей структуры.

В исследуемом интервале частот нелинейный эффект, возникающий при функционировании ускоряющих структур на высоком уровне с.в.ч.-мощности, хорошо описывается следующим приближённым уравнением

Щ, ах, - а1\„,,

где (ор - собственная частота секции с учётом смещений за счет нагрева и деформаций, вызванных тепловыми с.в.ч.-потерями в стенках, соо соба венная частота холодной секции, а - экспериментально определяемый коэффициент теплового ухода частоты резонатора за счёт с.в.ч.-потерь в стенках. Решая данное уравнение, можем качественно проанализировать поведение системы в зависимости от параметров цепи обратной связи. Качественный анализ показал принципиальную возможность создания системы с.в.ч.-питания многосекционного ускорителя с внешней синхронизацией. На основании проведённых расчетов было сделано заключение, что при синхронизации автоколебательных систем с.в.ч.-питания многосекционного ускорителя внешним сигналом должен наблюдаться устойчивый режим работы данного устройства, обеспечивающий ускорение пучка заряженных частиц. Полученные результаты дают основание полагать, что при функционировании предложенной схемы с.в.ч.-пигания возможно получение пучка электронов с высокой монохроматичностью. Предложенный метод заметно упрощает настройку и эксплуатацию систем с.в.ч.-питания многосекционных ускорителей.

В четвёртой итве приводятся методика настройки ускорителя с рециркуляцией пучка электронов и результаты экспериментальных исследований систем ускорителя. Методы настройки ускорителя и критерии оптимизации параметров пучка определялись тем, какой выходное окно используется и какие требования предъявляются к пучку проводимым экспериментом.

При первом включении ускорителя полностью неопределенными являются значения разности фаз полей секций и значения токов корректоров. Это объясняется неопределённостью сдвига фаз в с.в.ч.-трактах и отсутствием достоверной информации о характере паразитных магнитных полей на траектории движения пучка. Для настройки инжектора, кроме стандартных также применён метод, позволяющий оптимизировать параметры пучка с использованием магнита системы транспортировки М1 и устройства для диагностики Пф2. Метод, основан на измерении тока, оседающего на датчике тока пучка в зависимости от величины поля в магните М1. Устройство Пф2 (рис. 1) в данной конфигурации ускорителя позволяет не только наблюдать пучок электронов с помощью телекамеры на выдвижном люминесцентном экране, визуально контролируя фокусировку и дисперсию, но и оценивать его энергетический спектр.

Настройка рециркуляционного ускорителя с магнитным зеркалом, существенно отличается от настройки инжектора и начинается с выбора фа<ы поля секции СЗ и подстройки тока обмоток магии гного зеркала М2. Для этого вместо сплошного экрана в Пф2 дистанционно вводится экран с вертикальной прорезью. Выбор фазы ноля СЗ и подстройка магнитного зеркала М2 осуществляется следующим образом. После включения секции СЗ и ввода её в режим синхронизации при включённой квадрунольной линзе К с расчётным градиентом, при расчётном значении тока обмоток магнитного зеркала М2 и магнита системы транспортировки М1, изменяя фазу поля СЗ с помощью фазовращателя ф„„3 (рис. 5) добиваемся появления на люминесцентном экране Пф2 изображения отражённого пучка.

Рис. 10. Ускоршель с магнитным зеркалом, вид сверху.

Подбираем фазу секции СЗ относительно секции С1 (принятую за опорную) так, чтобы на экране устройства для диагностики был виден след отражённого магнитным зеркалом электронного пучка. Изменяем фазу секции СЗ, сдвигая видимый центр пучка вправо, компенсируем его перемещение увеличением тока обмоток и, соответственно, поля магнита М2. Процедура повторяется до тех пор, пока любое изменение фазы не вызывает сдвиг следа пучка на экране Пф2 влево, то есть фаза секции СЗ соответствует максимальному ускорению пучка. Варьированием тока обмоток магнитного зеркала М2, фазы поля секции СЗ и градиента квадрупольной линзы К достигается максимальная энергия пучка при его минимальных вертикальных и горизонтальных размерах.

Последним этапом настройки ускорителя является выбор фазы отражённого пучка по отношению к фазе поля секции СЗ. Поскольку фаза поля секции СЗ по отношению к фазе поля секции С1 была подобрана при настройке параметров прямого пучка и в последующем не изменяется, то для оптимального ускорения отражённого пучка дистанционно перемещаем магнитное зеркало М2, изменяя время прихода отражённого сгустка в секцию, тем самым управляем сдвигом фаз между мгновенным положением электронного сгустка и с.в.ч.-полем в структуре СЗ, добиваясь необходимой ускоряющей фазы. Критерием настройки

фазы является максимальный юк пучка на выходном окне ускорителя, соответствующий энергии ~2.3 МэВ. По окончании данного этапа настройки осуществляется независимая вариация всех основных параметров ускорителя в небольших пределах с целью получения максимальной величины тока и минимальных поперечных размеров пучка.

На инжекторе ускорителя был проведён ряд экспериментов, целью которых было исследовать процессы, связанные с синхронизацией секций ускорителя внешним сигналом. Рис. 11 иллюстрирует хорошее соответствие качественного анализа поведения с.в.ч.-системы синхронизируемой внешним сигналом и результатов эксперимента.

1 4 ч

Рис. П.. Зависимость с.в.ч.-мощности, рассеиваемой в стенках Рст секции секция С2, от сдвига фаз в цепи обратной связи ф()1. Режим внешней синхронизации экспериментальные данные (1), режиме автоколебаний экспериментальные данные (2), расчетные кривые проведены сплошными линиями.

12 1 10

4 -

7 -

0,15

5—!

0,25

0,35 0.45 |Вт1п/8о|

0,55

0,65

Рис. 12. Зависимость вертикальной) размера отражённого пучка У от параметра |Впт/Во|, измеренная с помощью люминесцешиого экрана, где |Вгат/Во| - модуль отношения величины ноля магнитного зеркала в минимуме к величине поля в максимуме.

На рециркуляционном ускорителе электронов были проведены измерения параметров магнитного зеркала. Они осуществлялись на пучке электронов с энергией, варьируемой в пределах от 0.5 до 1.5 МэВ независимо от параметров остальных элементов ускорителя, с помощью установки, схематично показанной на рис. 2. При неполном замыкании траектории отраженный пучок попадал на экран вне щели связи Пф2, это позволяло производить измерения зависимостей размеров изображения пучка от параметров поля магнитного зеркала (рис. 12).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Выполнен расчёт и разработана конструкция магнитного зеркала на энергию до 6 МэВ. Определена геометрия магнитного зеркала.

2. Выполнены расчёты динамики электронного пучка в двухсекционном линейном ускорителе с секциями захвата и с предварительным группированием. На основе данных расчётов разработан и создан ускоритель — инжектор для ускорителя с рециркуляцией пучка и магнитным зеркалом.

3. Проведено экспериментальное исследование с.в.ч.-тракта ускорителя, функционирующего в автоколебательном режиме, позволившее исключить из тракта циркулятор, согласованную нафузку и вакуумное окно.

4. В рамках модели эквивалентного контура с сосредоточенными параметрами построена теоретическая модель автоколебательной системы при наличии внешней синхронизации. Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование метода фазирования автоколебательных с.в.ч.-систем. На основании проведённых исследований реализован новый принцип построения системы с.в.ч.-питания многосекционных ускорителей электронов.

5. Выполнены расчёты динамики пучка электронов в рециркуляционном ускорителе с магнитным зеркалом. На основании расчётов динамики пучка выбрана геометрия ускорителя с магнитным зеркалом. Проведена сборка и отладка рециркуляционного ускорителя.

6. Детально исследованы зависимости характеристик полученного на ускорителе пучка от параметров магнитного зеркала.

В результате проведённых работ осуществлён физический пуск трехсекционного ускорителя электронов с магнитным зеркалом на энергию 2.3 МэВ, являющегося прототипом ускорителя на энергию 5-10 МэВ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

t. А.С. Алимов, Д.И. Ермаков, К.А. Гудков и др. //Экспериментальное исследование прототипа линейного ускорителя электронов непрерывного действия с большим током пучка. ПТЭ, 1994, N 5, с. 7 - 23.

2. A.S. Alimov, D.I. Ermakov, A.S. Chepurnov et al. // Compact low energy CW linac with high beam current. Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, edited by L. Gennary (IEEE Piscataway, 1995), p. 1096 - 1098.

3. A.S. Alimov, D.I. Ermakov, A.S. Chepurnov et al. // Effect of coupling slots on beam dynamics in accelerator structure of Moscow CW RTM. Proceedings of the 1995 Particlc Accelerator Conference, edited by L. Gennary (IEEE Piscataway, 1995), p. 1827 - 1829.

4. A.S. Alimov, D.I. Ermakov, O.V. Chubarov et al. // Two methods of phasing the accelerator RF system with self-excitation. Proceedings of the 1996 European Particle Accelerator Conference, edited by S. Maier, A. Pacheco, R. Pascual, Ch. Petit- Jean-Genaz and J. Pool (Institute of Physics, Bristol, 1996), p. 1908- 1910.

5. А.С. Алимов, Д.И. Ермаков, Б.И. Ишханов и др. //Магнитное зеркало для ускорителей электронов непрерывного действия. ПТЭ, 1998, N6, с. 43 -45.

6. A.S. Alimov, D.I. Ermakov, B.S. Ishkhanov et al. // A Compact Industrial High-Current Continuous Wave Electron Linac. Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, March 27 - April 2, 1999, New York City (Editors: A. Luccio, W. MacKay), p. 2555 - 2557.

7. А.С. Алимов, Д.И. Ермаков, Б.И. Ишханов и др. //Ускоритель электронов для физических и прикладных исследований со структурами На стоячей волне. Труды XIII Международной конференции по электростатическим ускорителям. Обнинск. 25-28 мая 1999, с. 167 - 173.

8. A.S. Alimov, D.I. Ermakov, B.S. Ishkhanov et al. // Industrial High Current Electron Linacs. Proceedings of the Seventh European Particle Accelerator Conference (EPAC'2000) 22-26 June 2000, Vienna Editors: Ch.Petit-Jean-Genaz, p. 803 - 806.

9. A.S. Alimov, D.l. Ermakov, B.S. Ishkhanov et al. // Industrial High-Current Electron LINACs. 2001 Particle Accelerator Conference Proceedings, Chicago, Ulinos, June 18-22, p. 735 - 737.

10.A.S. Alimov, D.I. Ermakov, A.S. Chepurnov et al. // Control system for compact electron linac. CAN Newsletter Hannover, Germany. 4/2001 p.24 - 27.

11. А.С. Алимов, Д.И. Ермаков, Б.С. Ишханов и др. //' Линейный ускоритель электронов непрерывного действия на энергию 600 кэВ (средний ток пучка 50 мА). ПТЭ, 2002, №5, с. 121 - 128.

12. А.С. Алимов, Д.И. Ермаков, Б.С. Ишханов и др. // Двухсекционный линейный ускоритель электронов непрерывного действия на энергию 1.2 МэВ (средний ток пучка 50 мА). ПТЭ, 2002, №5, с. 114 - 120.

ЕРМАКОВ ДМИТРИЙ ИГОРЕВИЧ

Ускоритель электронов с магнитным зеркалом

Специальность 01.04.20 «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

ИД №00545 от 06.12.1999 Издательство УНЦ ДО

117246, Москва, ул. Обручева, 55А 119992, Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, Ж-105а Тел./факс (095) 718-6966,939-3934 e-mail: izdat@abiturcenter.ru http://www.abiturcenter.ru/izdat/

Гигиенический сертификат № 77 99.02.923 Д 001743.03 03 от 11.03 2003 Налоговые льготы - Общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 1 - 953000

Заказное. Подписано в печать 10 06 2003 г. Формат 60x90/16 Бумага офсетная Ns 2. Уел печ л 1.19 Тираж 100 экз. Заказ № 379

Отпечатано в Мини-типографии УНЦ ДО в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета

»14996

Введение.

Глава 1. Многосекционный ускоритель с рециркуляцией пучка электронов.

1.1 Блок-схема и функционирование основных элементов ускорителя.

1.2 Системав.ч.-питания.

Глава 2. Магнитное зеркало, оптика и динамика пучка ускорителя.

2.1 Выбор конфигурации магнитного зеркала.

2.2 Описание магнитного зеркала.

2.3 Расчеты динамики пучка ускорителя.

2.4 Система юстировки магнитного зеркала.

Глава 3. Синхронизациястемв.ч.-питания многосекционного ускорителя.

3.1 Обоснование исследования системы синхронизации.

3.2 Принцип синхронизации автоколебательной системы.

3.3 Система синхронизации секции ускорителя.

3.4 Качественный анализ функционирования ускоряющей системы.

Глава 4. Настройка и экспериментальные исследования систем ускорителя.

4.1 Настройки инжектора ускорителя.

4.2 Настройка рециркуляционного ускорителя с магнитным зеркалом.

4.3 Экспериментальное исследование синхронизации автоколебаний.

4.4 Измерение параметров магнитного зеркала на пучке электронов.

Ускорители электронов стали создаваться в Советском Союзе в конце сороковых годов и применялись главным образом в области фундаментальных исследований. Одновременно тогда же была показана возможность эффективного применения ускорителей электронов для решения целого ряда прикладных задач [1]. Это дало толчок для бурного развития ускорителей специального назначения, применяемых в промышленности и медицине, работающих в диапазоне энергий от единиц до десятков МэВ. Такие приложения потребовали большого спектра токов/мощностей электронного пучка (см. рис. 1) [2].

Рис. 1. Требуемые параметры электронного пучка для ряда промышленных технологий.

1- закалка стали, 2 - стерилизация и дезинфекция, 3 - плавление металлов, 4 - очистка сточных вод и промышленных газов.

Однако до настоящего времени существует значительный разрыв в ряду ускорителей, не позволяющий в полной мере охватить весь диапазон энергий и мощностей, востребованных в науке и технике. С одной стороны, импульсные ускорители электронов, позволяющие достигать энергий десятки МэВ, имеют существенные ограничения по максимальному среднему току и, следовательно, мощности пучка [3, 4]. С другой стороны, ускорители прямого действия с большими значениями токов/мощностей имеют технические и конструкционные ограничения по максимальной энергии пучка электронов, определяемые величиной порядка 1-3 МэВ (см. рис. 2) [5, 6].

25 50 75

Мощность пучка, кВт

100

Рис. 2. Соотношение энергии и мощности для существующих и проектируемых ускорителей электронов. 1 - высоковольтные трансформаторы, 2 - динамитроны, 3 - импульсные ускорители.

Поэтому в последние десятилетия активно предпринимаются шаги для создания ускорителей электронов в интервале энергий 5-10 МэВ с высоким средним током пучка. Одной из удачных попыток решения вышеназванной проблемы является родотрон - ускоритель, созданный в сотрудничестве учёных Франции и Бельгии. Они применили оригинальный подход к реализации известной идеи [7], создав ускоритель на отрезке коаксиальной линии и многократно проведя через неё с помощью поворотных магнитов пучок заряженных частиц [8, 9]. Однако данная машина по своим конструкционным характеристикам не перекрывает весь требуемый диапазон энергий/мощностей и к тому же имея значительные размеры.

Между указанными выше классами ускорителей удачно вписывается линейный ускоритель электронов непрерывного действия. Ему доступен диапазон энергий до 10 МэВ при высоком среднем токе пучка до десятков или даже сотен мА. Единственным препятствием на пути применения линейных ускорителей непрерывного действия является их большая длина: примерно 1.5 - 2 м на 1 МэВ прироста энергии, учитывая систему ввода, фокусировки и коррекции траектории пучка электронов [10 - 12]. При этом следует учесть, что данные ускорители должны размещаться компактно и желательно должны быть рассчитаны на монтаж в заранее неприспособленных помещениях. Такие повышенные требования предъявляются не только к габаритным размерам ускорителей с указанными выше параметрами, но и к их экономичности.

Вышеприведённые требования практически исключают возможность применения классического линейного нормально проводящего ускорителя непрерывного действия для достижения энергий порядка 10 МэВ со средним током пучка до десятков миллиампер. При стандартном темпе набора энергии около 1 МэВ/м длина ускорителя будет колебаться от 15 до 20 метров, а затраты энергии только для функционирования его различных систем превысят соответственно 0.5 МВт.

Увеличение темп прироста энергии пучка заряженных частиц на величину более чем 1 МэВ/м и, как следствие, сокращение длины самого линейного ускорителя сопряжено с квадратичным ростом с.в.ч.-мощности, затрачиваемой на создание ускоряющего поля. Определенная экспериментально предельная величина потерь с.в.ч.-мощности в стенках ускоряющих структур на единицу длины линейного ускорителя, ограниченная, в основном, пределом прочности материалов, из которых изготовляются секции имеет значение порядка 200 кВт/м [3]. Максимальной прирост энергии (в нормально проводящем линейном ускорителе электронов непрерывного действия) может достигать значения порядка 4 МэВ/м. [13], что целесообразно только при создании ускорителей с мощностью пучка в сотни киловатт (рис. 3).

С.ач.- мсирость, потребляемая ускорителем, кВт

Рис.3. Диапазон возможных соотношений энергии электронного пучка и суммарной с.в.ч.-мощности потребляемой линейным ускорителем непрерывного действия при различных темпах набора энергии. 1 - с.в.ч.-мощность, рассеиваемая в стенках ускоряющих секций, соответствующая различным темпам набора энергии пучком электронов, 2 - суммарная с.в.ч.-мощность, потребляемая ускорителем, включая мощность электронного пучка.

С учётом вышеизложенного были выбраны другие пути решения проблемы уменьшения габаритов ускорителей. Одним из них является увеличение энергии пучка в ускорителях электронов непрерывного действия и повышение его эффективности за счет многократной рециркуляции пучка через линейный ускоритель. Наиболее простой схемой является разрезной микротрон, где число повторных прохождений пучка через ускоряющую структуру в одном направлении может составлять несколько десятков [14, 15]. Однако создание рециркуляционного ускорителя электронов по принципу разрезного микротрона на энергии до 10 МэВ сталкивается с рядом трудно разрешимых проблем, главными из которых являются обход ускоряющей структуры пучком электронов на первой орбите (проблема первой орбиты) и создание сложной системы инжекции пучка. Следует отметить, что хотя микротроны и бетатроны имеют меньшие габариты и стоимость, чем линейные ускорители, рассчитанные на ту же энергию, мощность получаемого пучка, как правило, на порядки меньше, чем у промышленных линейных ускорителей [1].

Поэтому, для ускорителей на энергию до 10 МэВ оптимальной является схема, предложенная А.А. Коломенским в 1967 году. В работе [16] указана возможность создания ускорительных систем, которые позволяли бы получать на линейных ускорителях электронов энергию, в несколько раз большую той, на которую они номинально рассчитаны, при сохранении высокой средней мощности электронного пучка. Возможность реализации таких систем, которые им были названы линотронами, основана на особенностях динамики пучка частиц в линейных ускорителях на стоячей волне, представляющей собой суперпозицию волн, бегущих в противоположных направлениях. В случае ускорения частиц, обладающих релятивистскими энергиями, резонансная ' ускоряющая волна распространяется в данной структуре со скоростью, равной скорости света, а структура линейного ускорителя по всей длине неизменна (р=1). Это приводит к двум важным свойствам релятивистского линейного ускорителя, на которые долгое время не обращали должного внимания: во-первых, можно одновременно ускорять частицы, имеющие различные релятивистские энергии (ахроматичность линейного ускорителя); во-вторых, можно ускорять частицы в обоих направлениях как поочередно, так и одновременно (симметрия линейного ускорителя). Свойства ахроматизма и симметрии позволили расширить применение линейных ускорителей в различных вариантах, один из которых так называемый «возвратный линотрон» и рассматривается в данной работе.

Возвратный линотрон представляет собой линейный ускоритель, с одной стороны которого устанавливается магнитное зеркало, состоящее из поворотного магнита с постоянным во времени полем и системы фокусировки. Этот магнит невелик по сравнению с размерами самого ускорителя, но существенно сокращает длину последнего, сохраняя при этом его основные характеристики. Предложенная схема, позволяет сократить длину линейного ускорителя приблизительно в 1.5-2 раза. Следует отметить, что при этом можно получить заметное снижение затрат мощности, потребляемой ускорителем, на величину ~ 30 - 50%, существенно увеличить к.п.д. и значительно снизить его стоимость.

Одной из основных особенностей ускорителей электронов непрерывного действия является относительно малый пространственный заряд сгустков электронов при большом среднем токе пучка. Данное обстоятельство позволяет использовать протяженные системы формирования эмиттанса без существенного роста его величины, вызываемого нелинейными эффектами пространственного заряда сгустка пучка. Это дает возможность получить пучок большой средней мощности, что недостижимо для импульсных ускорителей при энергиях до десятков МэВ. Следует также отметить, что в ускорителях непрерывного действия отсутствует ряд проблем, связанных с переходными процессами, которые существуют в импульсных ускорителях при вводе мощности, этот факт является основным для достижения большей стабильности ускоряющего поля и, следовательно, монохроматичности пучка.

Решение проблемы ввода высокочастотной мощности и одновременное упрощение схемы высокочастотного питания для односекционного ускорителя стало возможным за счет использования режима автоколебаний [17, 18]. Для многосекционного ускорителя реализация автоколебательной схемы потребовала ещё и решения проблемы - создание простой и надежной системы синхронизации и фазирования с.в.ч.-полей в ускоряющих структурах.

Ранее в НИИЯФ МГУ был проведён ряд исследований, позволивших смоделировать один из возможных способов фазирования ускоряющих автоколебательных систем пучком с высоким средним током (десятки мА) [19-23].

В настоящей работе описан компактный и простой в эксплуатации многосекционный ускоритель с магнитным зеркалом, имеющий три окна для вывода пучков различной энергии. На нём апробированы все основные узлы и элементы, позволяющие создать компактный ускоритель непрерывного действия с высоким средним током пучка электронов [24].

Разработка и реализация данного проекта были выполнены в НИИЯФ МГУ в рамках работ по созданию компактного ускорителя электронов непрерывного действия и поддержана грантом РФФИ № 98-02-17038 1998/99 год.

ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ: разработка, создание и физический пуск многосекционного ускорителя с магнитным зеркалом и рециркуляцией пучка электронов, являющегося источником прецизионного пучка с набором энергий от 0.6 до 2.3 МэВ для экспериментов в области ядерной физики и прикладных исследований, а также апробирование нового метода с.в.ч.-питания и фазирования секций ускорителя.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ связана с возрастающей потребностью в создании компактных и надежных ускорителей электронов непрерывного действия высокой интенсивности. Создание таких ускорителей позволит реализовать качественно новые эксперименты в области ядерной физики, расширит область применения ускорителей электронов, позволит увеличить число потенциальных пользователей в области промышленных радиационных технологий, ввиду простоты управления, повышенной надежности и относительной компактности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в разработке и реализации новой схемы с.в.ч.-питания и системы синхронизации с.в.ч.-полей в ускорителях. Создании компактного магнитного зеркала простой конструкции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ: создан компактный ускоритель электронов, - прототип сильноточного ускорителя, апробирована система синхронизации нескольких ускоряющих структур, испытан новый тип магнитного зеркала.

Полученный пучок электронов используется для проведения экспериментов в области ядерной физики и прикладных исследований.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Результаты численного моделирования динамики пучка электронов в рециркуляционном ускорителе с магнитным зеркалом и системой развязки встречных пучков.

2. Конструкцию, методику экспериментальных исследований и результаты настройки магнитного зеркала.

3. Методику настройки линейного ускорителя, позволившую осуществить его физический пуск и получить на выходе пучок электронов с заданными параметрами.

4. Принцип фазирования автоколебательных с.в.ч.-систем многосекционных ускорителей и результаты экспериментального исследования нового метода фазирования.

5. Модель расчёта автоколебательных систем при подмешивании синхронизирующего сигнала малой мощности.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Работа состоит из введения, четырёх глав и заключения.

В первой главе рассмотрена конструкция трехсекционного ускорителя электронов с рециркуляцией пучка, а также функционирование его основных элементов и систем. Описана система высокочастотного питания многосекционного ускорителя.

Вторая глава посвящена выбору конфигурации магнитного зеркала и разработке систем его контроля и юстировки. Описана методика отладки функционирования магнитного зеркала. В ней также рассматривается моделирование динамики пучка (с учетом дисперсии) и требуемой оптики магнитного зеркала. Приведён расчет динамики пучка и оптики ускорителя.

В третей главе рассмотрен принцип построения системы с.в.ч.-питания многосекционных ускорителей электронов, основанный на фазирование секций ускорителя, работающих в автоколебательном режиме, за счет синхронизации внешним сигналом. Построена модель фазирования секций ускорителя, работающих в автоколебательном режиме. Показано, что данный метод заметно упрощает процесс эксплуатации систем с.в.ч.-питания ускорителей. Определены критерии и условия наиболее эффективного использования данного метода синхронизации.

В четвёртой главе описана методика настройки ускорителя и выбора оптимальной ускоряющей фазы, как для прямого, так и для обратного пучка. Приведены результаты экспериментальных исследований системы с.в.ч.-питания и подтверждена правильность основных положений модели. Приведены результаты экспериментальных исследований магнитного зеркала, подтвердившие правильность сделанного выбора.

В заключении сформулирован основной результат диссертации, которым явилось создание ускорителя электронов с магнитным зеркалом и оригинальной системой с.в.ч.-питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основными результатами, полученными в данной работе, являются:

Выполнен расчёт и разработана конструкция магнитного зеркала на энергию до 6 МэВ. Определена геометрия магнитного зеркала. Проведено численное моделирование динамики пучка заряженных частиц в магнитном зеркале. Изготовлено магнитное зеркало на энергию до 6 МэВ. Выполнены измерения распределения магнитных полей магнитного зеркала.

Разработана система диагностики пучка ускорителя с магнитным зеркалом.

Выполнены расчёты динамики электронного пучка в двухсекционном линейном ускорителе с секциями захвата и с предварительным группированием. На основе данных расчётов разработан и создан ускоритель -инжектор для ускорителя с рециркуляцией пучка и магнитным зеркалом.

Проведено экспериментальное исследование с.в.ч.-тракта ускорителя, функционирующего в автоколебательном режиме, позволившее исключить из него циркулятор, эквивалентную нагрузку и вакуумное окно.

В рамках модели эквивалентного контура с сосредоточенными параметрами построена теоретическая модель автоколебательной системы при наличии внешней синхронизации. Проведено численное моделирование и экспериментальное исследование метода фазирования автоколебательных с.в.ч.-систем. На основании проведённых исследований реализован новый принцип построения системы с.в.ч.-питания многосекционных ускорителей электронов.

Выполнены расчёты динамики пучка электронов в рециркуляционном ускорителе с магнитным зеркалом и системой развязки противонаправленных пучков. На основании расчётов динамики пучка выбрана геометрия ускорителя с магнитным зеркалом. Проведена сборка и отладка рециркуляционного ускорителя.

Исследованы зависимости характеристик пучка электронов, полученного на ускорителе, от параметров магнитного зеркала.

В результате проведённых работ осуществлён успешный физический пуск трехсекционного ускорителя электронов с магнитным зеркалом и рециркуляцией пучка. Получен пучок с энергиями от 0.6 до 1,7 МэВ и максимальным током 8 мА, а также пучок с энергией 2,3 МэВ и током до 100 мкА для экспериментов в области ядерной физики и прикладных исследований. Применение подобного ускорителя возможно в промышленности и медицине.

В заключение хотелось бы выразить благодарность научным руководителям: ведущему научному сотруднику ОЭПВАЯ д.ф.-м.н. В.И. Шведунову, старшему научному сотруднику к.ф.-м.н. И. В. Грибову, под чьим непосредственным руководством и с постоянной помощью создавался этот ускоритель, а также была написана и диссертация, за их конструктивные предложения и критические замечания. Заведующему кафедрой Общий Ядерной Физики физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, начальнику отдела ЭПВАЯ НИИЯФ МГУ профессору д.ф.-м.н. Б.С.Ишханову за неоценимую помощь и к.ф.-м.н. старшему научному сотруднику А.С.Алимову, принимавшему активное участие в создании ускорителя.

Выражаю искреннюю благодарность Ю.И.Горбатову, к.ф.-м.н. АХ.Ржанову, к.ф.-м.н. О.В.Чубарову за активную помощь при написании диссертации.

Хочу поблагодарить сотрудников ОЭПВАЯ и других сотрудников МГУ, оказавших мне посильную поддержку и помощь, без активного участия которых ни ускоритель, ни моя работа не могли бы быть закончены.

1. Абрамян Е. А. Промышленные ускорители электронов. М.: Энергоатомиздат. 1986.

2. Meshkov I.N. // Electron Beam Processing of Metals. EPAC. 1992. P. 182.

3. Шведунов В.И. // Разработка и создание ускорителя электронов непрерывного действия инжектора разрезного микротрона. Дис. док. физ. - мат. наук 1992.

4. Ауслендер B.JI., Лившиц А.А., Панфилов А.Д. и др.//Ускорители типа ИЛУ для промышленных целей. 4-е Всесоюзное совещание по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве. Л.: изд. НИИЭФА 1982. T.l. С.25.

5. Golubenco Yu.I. et.al. // Accelerators of ELV type: status, development, applications. BudkerlNP 97-7. 1997.

6. Ауслендер В.Л. //Компактный ускоритель электронов. (HFLV). ХП1 Международная конференция по электростатическим ускорителям. Обнинск: 1999.

7. Жилейко Г.И. Высоковольтные электронные пучки. М.: Энергия. 1968.

8. Pottier J. // A new type of RF electron accelerator: the Rhodotron. Nucl. Instr. Meth. Phys. Rec. 1989. B40/41. P.943.

9. Jongen Y. et. al. // Rhodotron accelerators for industrial electron-beam processing: a progress report. EPAC. 1996.

10. Алимов А.С., Геворкян В.Г., Горбатов Ю.И. и др. // Физический пуск линии формирования эмиттанса пучка разрезного микротрона непрерывного действия. Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ. 1989. Т.1. С. 290.

11. Алимов А.С., Грибов И.В., Ишханов Б.С. и др. // Физический пуск ускорителя электронов непрерывного действия инжектора разрезного микротрона. Препринт НИИЯФ МГУ 1992. №92-2.251.

12. Alimov A.S. et. al. // Two Section CW Electron Linac for Industrial Application. EPAC. 1994. P.766. Electron.

13. Алимов A.C., Гудков К.А., Ермаков Д.И. и др. // Экспериментальное исследование линейного ускорителя электронов непрерывного действия с высокой мощностью пучка. ПТЭ. 1994. №5. С. 7.

14. Капица С.П. Мелёхин В.Н, Микротрон. М.: Наука. 1963.

15. Горбатов Ю.И., Гришин В.К., Ишханов Б.И. и др. // Разрезной микротрон непрерывного действия НИИЯФ МГУ. (Физическое обоснование.). М.: изд. Московского университета. 1984.

16. А.А. Коломенский // Кратный линейный ускоритель линотрон. Письма в ЖТФ. 1967. №5. С. 204.

17. Оксузян Г.Г. // Устройство для питания высокочастотной мощностью ускоряющих систем ускорителей заряженных частиц. А.С. №383230. МПК Н 05h 7/02. Б.И. 1973. №23.(Автогенератор.).

18. Алексеев И.В. // Высокочастотная система микротрона. А.С. №1176819 А1. МПК Н 05 Н 7/02, 13/00. Б.И. 1992. №41. (Автогенератор на магнетроне.).

19. Иванов Ю.Д. // Способ высокочастотного питания резонаторов линейного ускорителя. А.С. №187179. МПК Н 05h 7/02. Б.И. 1966. №20. (Фазирование автоколебательных систем за счёт взаимодействия пучка с ускоряющей структурой.).

20. Водопьянов ФА., Мищенко А.В. // Способ генерирования ВЧ-колебаний при помощи релятивистских электронов. Труды Радиотехнического Института. 1975. № 22. С.20.

21. Воскресенский Г.В., Курдюмов В.Н. // О возможности эффективного преобразования энергии электронного пучка в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты. Труды Радиотехнического Института. 1975. № 22. С.107.

22. Ермаков Д.И., Ишханов Б.С., Чубаров О.В. и др. // Фазирование автоколебательных систем за счёт взаимодействия пучка с ускоряющей структурой. Препринт НИИЯФ МГУ. 1994. №94 7/329.

23. Чубаров О.В. //Линейный ускоритель электронов непрерывного действия с высокой мощностью пучка. Дис. кан. физ. мат. наук 1995.

24. Алимов А.С., Ермаков Д.И., Ишханов Б.С. и др. // Ускоритель электронов для физических и прикладных исследований со структурой на стоячей волне. XIII Международная конференция по электростатическим ускорителям. Обнинск: 1999.

25. Ишханов Б.С., Курбатов А.Ф., Шведунов В.И. и др. // Система охлаждения разрезного микротрона НИИЯФ МГУ. Вопросы атомной науки и техники. 1987. Вып. 3(34).

26. Ишханов Б.С., Никольский М.Ю., Ракитин С.П. и др. // Электронная пушка с энергией 100 кэВ. ПТЭ. 1987. С. 24.

27. Ишханов Б.С., Никольский М.Ю., Пискарёв И.М. и др. И Расчёт и экспериментальное изучение электронной пушки для разрезного микротрона непрерывного действия. Радиотехника и электроника. 1986. Т.31. №1. С.156.

28. Шерстнёв Л.Г. Электронная оптика и электроннолучевые приборы. М.: Энергия. 1971.

29. Абрамян Е.А., Альтеркоп Б.А., Кулешов Г.Д. Интенсивные электронные пучки. М.: Энергоатомиздат. 1984.

30. Завадцев А.А., Зверев Б.В., Калюжный В.Е. и др. // Настройка и изготовление группирователя резонаторного ЛУЭ на энергию 5 МэВ. Сб. МИФИ «Ускорители». Атомиздат. 1979.Вып. 17. С.93.

31. Геворкян В.Г., Савицкий А.Б., Сотников М.А. и др. // Программы численного моделирования динамики пучка в рециркуляционных ускорителях. Рукопись деп. в ВИНИТИ. 1988. №678 88.

32. Алимов А.С., Ишханов Б.С., Мокулбеков Е.А. и др. // Изучение работы секции линейного ускорителя в непрерывном режиме. НИИЯФ МГУ. Труды XI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ. 1989. Т.1.

33. Макулбеков Е.А. // Разработка и исследование элементов СВЧ-системы разрезного микротрона непрерывного действия НИИЯФ МГУ. Дис. кан. физ. мат. наук. 1990.

34. Никольский М.Ю., Пискарёв И.М., Шведунов В.И. // Магнитная линза инжектора электронов и измерение её параметров. Радиотехника и электроника. 1969. Т. 31. №2. С. 424.

35. Бенфорд А.В. Транспортировка пучков заряженных частиц. М.: Атомиздат. 1969.

36. Грибов И.В., Ишханов Б.С., Шведунов В.И. и др. // Датчик профиля пучка электронов. ПТЭ. 1989. №3. С. 28.

37. Розанов JI.H. Вакуумная техника. М.: Высшая школа. 1990

38. Фролов Е.С., Минайчев В.Е., Александрова А.Т. и др. Вакуумная техника. Справочник. М.: Машиностроение. 1992.

39. Грибов И.В. Зиновьев С.В., Шумаков А.В. // Технология создания программного обеспечения системы управления ускорителя. XI Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц. Дубна.: 1988. С.90.

40. Alimov A.S. et. al. // Compact two Section CW Electron Linac with high beam power. Preprint INP MSU. 1994. №94 34/356.

41. Каретников Д.В., Сливков И.Н., Тепляков B.A. и др. // Линейные ускорители ионов. М.: Госатомиздат. 1962.

42. Веселов Микроэлектронные устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988.

43. Алимов А.С., Ржанов А.Г., Ушканов В.А. и др. // Полосковые тракты СВЧ-системы разрезного микротрона непрерывного действия. ХП Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц. 1990. С.90.

44. Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника СВЧ. М.: Атомиздат. 1980.

45. Вамберский М.В., Абрамов В.П. Казанцев В.И. Конструирование развязывающих приборов СВЧ. Радио и связь. 1982.

46. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа. 1970. Т.1.

47. Роу Дж. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ. М.: Советское радио. 1969.

48. Алимов А.С., Грибов И.В., Курбатов А.Ф. и др. // Нелинейные эффекты при работе ЛУЭ в непрерывном режиме. Письма в ЖТФ. 1987. т. 13. №23. С. 1417.

49. Roy Е. Rand. Recirculating Electron Accelerators. Harword Academic Publishers GmbH. 198450. «POISSON/SUPERFISH» Reference Manual, LA-UR-87-126, Los-Alamos, 1987.

50. Алимов A.C., Ермаков Д.И., Ишханов Б.С. и др. // Магнитное зеркало для ускорителей электронов непрерывного действия. ПТЭ. 1998. N6 С. 43.

51. Тиунов А.В., Шведунов В.И. // Исследование ускоряющей секции линейного ускорителя в модели связанных контуров. Рукопись деп. в ВИНИТИ. 1989. №3319-В89.

52. Гоноровский И.С. // К вопросу об установлении автоколебаний в высокочастотном генераторе с запаздывающей обратной связью. Радиотехника. 1958. Т.13. № 5. С.19.

53. Поляков Б.И. // О возможности применения синхронизированных автоколебательных систем (САС) для ВЧ-питания резонансных ускорителей. Труды Радиотехнического Института. 1977. № 28. С. 145.

54. Заездный A.M., Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. и др. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Связь. 1968 г.

55. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио. 1977г.

56. Мищенко А.В., Поляков Б.И. // Об опыте применения отрицательной обратной связи в автоколебательных системах. Труды Радиотехнического Института. 1973. № 16. С.342.

57. Белоглазов В.И. // Синхронизируемый автогенератор на мощном усилительном клистроне. ПТЭ. 1987. №5. С.101.

58. Мурин Б.П. Стабилизация и регулирование высокочастотных полей в линейных ускорителях ионов. М.: Атомиздат.1971.