Высокочастотный формирователь квазитрубчатого пучка тяжелых ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

Ситников Алексей Леонидович

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ КВАЗИТРУБЧАТОГО ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

14 ПОЯ 2013

Москва 2013.

005538363

005538363

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Государственном научном центре Российской Федерации - Институте теоретической и экспериментальной физики» (ФГБУ «ГНЦ РФ -ИТЭФ»),

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, Голубев Александр Александрович кандидат технических наук, ¡Минаев Сергей Александрович) Официальные оппоненты:

Парамонов Валентин Витальевич, доктор физико-математических назтс, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Инсппут ядерных исследований Российской Академии Наук", ведущий научный сотрудник, отдел ускорительного комплекса

Лалаян Михаил Владимирович, кандидат технических наук, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», доцент, кафедра «Электрофизические установки»

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество "Московский радиотехнический институт Российской Академии Наук"

Защита состоится "04" декабря 2013 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 в аудитории К-608 НИЯУ МИФИ по адресу, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Просим принять участие в работе диссертационного совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан "01" ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Щедрин И.С.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Исследование экстремального состояния вещества является одной из наиболее интересных и трудоемких задач современной физики. Во-первых, исследование плазмы с сильным межчастичным взаимодействием расширяет фундаментальное представление о веществе. Во-вторых, интерес к сверхплотному состоянию вещества обусловлен рядом современных проблем планетарной геофизики, таких как определение параметров экзопланет и планет солнечной системы. Ключевой задачей данных экспериментов является генерация в лабораторных условиях состояний вещества с точно измеряемыми термодинамическими параметрами. И, наконец, актуальность работы определяется чрезвычайно важными прикладными задачами, такими как управляемый термоядерный синтез (УТС), безопасность ядерных реакторов, синтез сверхпрочных материалов и др.

Эксперименты по генерации экстремального состояния вещества с помощью пучков заряженных частиц в настоящее время проводятся в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), в рамках проекта ИТЭФ-ТВН (ТерраВаттный Накопитель) (Россия), и будут проводиться в рамках проекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) [9-11].

В рамках проекта FAIR предполагается проведение экспериментов по

физике высокой плотности энергии в веществе в рамках коллаборации

HEDgeHOB. Одним из экспериментов в рамках коллаборации HEDgeHOB

является генерация экстремального состояния вещества с помощью

цилиндрической имплозии. Этот эксперимент получил название

LAPLAS - LAboratory PLAnetary Sciences [1, 7, 10]. В этом эксперименте

полый интенсивный пучок ионов нагревает тяжелую внешнюю оболочку.

При этом происходит цилиндрическое сжатие (кумуляция) исследуемого

образца, находящегося в центральной области мишени. Цель эксперимента -

это получение состояния вещества при мегабарных давлениях и

з

сравнительно низких температурах, т.е. параметрах, характерных для проблем изучения металлизации водорода, определения свойств ядер газовых планет, таких как Юпитер и Сатурн. Создание высокоэнергетичного интенсивного кольцевого пучка с высокой контрастностью является ключевой задачей данного эксперимента.

Цель работы.

Целью работы является разработка, создание и исследование системы формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии для проекта ИТЭФ-ТВН.

Одним их способов получения кольцевого пучка является вращение пучка со скоростью, которая, с учетом инерционности процесса на мишени, позволит считать его квазитрубчатым [6]. Как показано в работе [7], за длительность импульса пучок должен совершить не менее 10 оборотов вокруг продольной оси мишени за время не превышающее ~ 100 не, что соответствует частоте вращения не менее 100 МГц. На практике вращение пучка может осуществляться при помощи двух высокочастотных дефлекторов, отклоняющих пучок во взаимно перпендикулярных направлениях с соответствующим сдвигом по фазе. Система формирования квазитрубчатого пучка может устанавливаться в линии транспортировки пучка от ускорительно-накопительного комплекса до мишени.

При разработке формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии необходимо решить ряд проблем, связанных как с формированием требуемого пучка тяжелых ионов, так и с его фокусировкой на мишень. При расчете системы формирования квазитрубчатого пучка необходимо учитывать тот факт, что система фокусировки и величины отклонения пучка в ВЧ1 дефлекторе взаимозависимы. Тем не менее, для

1 Согласно ГОСТ 24375-80 рабочая частота данного дефлектора относиться к области очень высоких частот (ОВЧ), но для простоты изложения здесь и далее будет использован термин ВЧ.

удобства расчета системы формирования квазитрубчатого пучка целесообразно разбить эти задачи на две условно-независимые (расчет ВЧ дефлектора и системы фокусировки) и объединить их лишь при расчете динамики пучка в целой системе.

Расчет дефлектора также может быть разбит на две независимые задачи: первая — поиск геометрических параметров элементов резонатора, для обеспечения равномерности отклонения пучка по поперечному сечению; вторая - расчет количества ячеек резонатора и вводимой мощности, необходимых для достаточного отклонения пучка при минимальных габаритах формирователя.

При расчете равномерности отклоняющего поля должен быть учтен вклад в динамику пучка как электрической, так и магнитной компоненты поля, а также влияние геометрических размеров резонатора на его электродинамические характеристики (ЭДХ).

Система фокусировки пучка должна удовлетворять следующим требованиям: сфокусировать цилиндрический пучок так, чтобы толщина кольца была равна -1,5 мм, внешний диаметр кольца — 3 мм (параметры, необходимые для проведения эксперимента LAPLAS, см. Рис. 1), при отсутствии геометрических аберраций. Кроме того, система фокусировки вместе с отклоняющими резонаторами должна вписываться в геометрические размеры экспериментального зала.

После отдельно проведенных расчетов, как формирователя (ВЧ дефлектора), так и системы фокусировки, должно быть проведено численное моделирование динамики частиц во всей системе с учетом начальных параметров пучка и влияния кулоновского взаимодействия частиц пучка.

Научная новизна.

Научная новизна заключается в разработке ВЧ системы формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов для генерации экстремального состояния вещества в рамках коллаборации HEDgeHOB (проект FAIR) и

5

проекта ИТЭФ-ТВН. Кроме того, предложен метод оптимизации форм отклоняющих электродов, при которых достигается наиболее однородное отклонение всех частиц пучка.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы будут использованы для исследования по физике высокой плотности энергии в веществе, в рамках коллаборации HEDgeHOB (проект FAIR) и проекта ИТЭФ-ТВН.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Метод формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов;

2. Результаты моделирования ВЧ характеристик формирователя.

3. Конструкция ВЧ формирователя.

4. Результаты измерения ЭДХ одной отклоняющей ячейки и ВЧ формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов, состоящего из двух отклоняющих 4-х ячеечных резонаторов.

Достоверность полученных результатов, представленных в диссертации, достигается использованием известных и общепринятых для решения подобных задач программ численного моделирования, применением различных методов как аналитических, так и численных. Экспериментальные результаты получены с помощью современного, поверенного измерительного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты и выводы, включенные в диссертацию, многократно докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях по ускорителям заряженных частиц, в том числе лично автором на семинаре проекта FAIR (ИТЭФ, Москва, 6-7 апреля, 2010), конференции 1РАСЧ0 (Киото, Япония, май, 2010), конференции LINAC'10 (Цукуба, Япония, сентябрь, 2010), научной сессии НИЯУ

б

«МИФИ» (Москва, 1-5 февраля, 2011), первой Объединенной школе Ассоциации Гельмгольца и ГК «Росатом» (Хиршегг, Австрия, 12-17 февраля, 2011), конференции РАС'11 (Нью-Йорк, США, март, 2011), научной сессии НИЯУ «МИФИ» (Москва, 30 января - 4 февраля, 2012) и второй Объединенной школе Ассоциации Гельмгольца и ГК «Росатом» (Бекасово, Московская область, Россия, 19-26 февраля, 2012).

Результаты работы опубликованы в 7 печатных работах, 3 из которых опубликованы в реферируемых журналах. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 128 страниц, 75 рисунков, 20 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные цели исследования и определяется круг решаемых задач.

Первая глава посвящена описанию экстремального состояния вещества и способам его получения.

С помощью пучков заряженных частиц экстремальное состояние вещества может быть получено различными способами, в частности это эксперимент, получивший название LAPLAS проекта FAIR [12].

Эксперимент LAPLAS проекта FAIR нацелен на изучение

квазиизохорического сжатия вещества. Наиболее простая мишень для

проведения квазиизохорического эксперимента представляет собой цилиндр

(см. Рис. 1а). Область расширения может быть ограничена путем заключения

изучаемого материала в инертную оболочку, которая может быть заполнена

каким-либо газом с различным начальным давлением. Для обеспечения

требуемого удержания нагретого вещества прозрачным для рентгеновских

7

квантов материалом с малым Z оболочка также нагревается периферийной частью ионного пучка. При этом нагретый слой оболочки создает удерживающее противодавление для основного вещества материала мишени. Предполагаемая конфигурация мишени (см. Рис. 16) и, в частности, абсорбера (области, облучаемой пучком) требует диаметра сфокусированного пучка не более 1,5 мм при среднем радиусе около 1,35 мм [13].

Во второй главе представлены физические основы работы формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии.

Одним их способов получения кольцевого пучка является вращение пучка со скоростью, которая, с учетом инерционности процесса на мишени, позволит считать его квазитрубчатым [6]. Как показано в работе [7], за длительность импульса пучок должен совершить не менее 10 оборотов вокруг продольной оси мишени за время не превышающее ~ 100 не, что соответствует частоте вращения не менее 100 МГц.

На практике вращение пучка может осуществляться при помощи двух высокочастотных дефлекторов, отклоняющих пучок во взаимно перпендикулярных направлениях с соответствующим сдвигом по фазе.

Наиболее простой пример устройства формирования квазитрубчатого пучка - электронно-лучевая трубка, в которой, меняя напряжение и разность фаз между отклоняющими пластинами, можно добиться, чтобы пучок описывал фигуры Лиссажу [14], частным случаем которых является круг. Известна также система магнитных дефлекторов в Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL, USA) [15, 16]. Данное устройство состоит из двух электромагнитов, отклоняющих пучок в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и способно создать квазитрубчатый пучок тяжелых ионов диаметром до 30 см и частотой до 60 Гц.

а)

б)

Рис. 1. Мишень и сечение мишени для эксперимента ЬАРЬАЗ, где Я; = 0,4 мм, = 0,6 мм, Я2 = 2,1 мм, Я3 = 3,3 мм.

Максимальное отклонение частицы достигается, если время ее пролета через дефлектор соответствует половине периода высокочастотных п с

колебаний ГД6 частота отклоняющего поля. Тогда угол

отклонения можно вычислить по следующей формуле:

е Ет 2 п т р. с я

(1)

где ей т — заряд и масса заряженной частицы, соответственно, Ет — напряженности отклоняющего поля, р. - продольная относительная скорость частицы, с - скорость света.

Тогда, при напряженности отклоняющего поля Ет = 10МВ/м и частоты f„ =300 МГц, для ожидаемого в рамках проекта FAIR пучка ионов U*** (см. Табл. 1), угол отклонения а = 0,2 мрад. Очевидно, что получить кольцеобразный пучок в этом случае возможно, если угол расхождения пучка не превышает 0,2 мрад, а, следовательно, горизонтальный размер

пучка не менее 250 мм, а вертикальный - 80 мм. Таким образом, максимальное отклонение, достижимое в элементарном двухпластинчатом электрическом дефлекторе явно недостаточно для получения требуемого радиуса вращения пучка с указанными параметрами на мишени при частоте 300 МГц.

Таблица 1. Параметры пучка для проекта FAIR.

Тип ионов (У 28+ U 238

Кинетическая энергия, ГэВ/а.е.м. 1

Количество частиц в импульсе, шт. 2*10'-

Длительность импульса, не 50

Горизонтальный эммитанс (4 гик), мм*мрад 25

Вертикальный эммитанс (4 гтя), мм*мрад 8

Разброс по энергии, % ±1

Одним из возможных решений данной проблемы является принцип резонансного взаимодействия отклоняющего поля с частицами. Многоячеечная отклоняющая система состоит из произвольного числа пар отклоняющих пластин, расположенных на оси пучка с периодом О. Амплитуда поля в отклоняющих зазорах периодически изменяется с частотой /0=с/Л, где Я-длина волны колебаний в свободном пространстве, причем в каждый момент времени поле в соседних зазорах направлено противоположно.

Для отклонения пучка представляется целесообразным использовать резонатор с типом колебаний, в котором присутствует поперечное электрическое поле, периодически изменяющееся по длине. Это может быть, например, тип колебаний Н"р, где р - число вариаций поля по продольной координате [17].

В резонаторе установлены электроды с периодом £> (см. Рис. 2), которые, помимо концентрации электрического поля между собой, будут исполнять роль емкостных и индуктивных нагрузок, уменьшая тем самым фазовую скорость отклоняющего поля. Локализация отклоняющего

электрического поля между электродами дает возможность выравнивать его за счет изменения их формы, добиваясь однородности отклонения всех частиц по сечению пучка.

В третьей главе представлен расчет динамики пучка ионов ожидаемого в рамках проекта ИТЭФ-ТВН, в канале транспортировки пучка от отклоняющего резонатора до мишени и расчет электродинамических характеристик отклоняющего резонатора.

Ожидаемые параметры пучка в рамках проекта ИТЭФ-ТВН представлены в Таблице 2. Таким образом, система транспортировки должна сжать пучок, с начальным диаметром 80 мм (х'=у'= 0,2 мрад), в пятно, диаметром не более 1,5 мм.

В качестве системы транспортировки, был рассмотрен триплет квадрупольных линз [18, 19]. Для предварительной оценки параметров системы транспортировки пучка было проведено моделирование динамики матричным методом с помощью программы ТгасеЗЭ [20]. Результаты предварительного моделирования канала транспортировки представлены в Таблице 3.

Рис. 2. Общий вид отклоняющего резонатора.

Таблица 2. Параметры пучка для проекта ИТЭФ-ТВН.

Тип ионов

Кинетическая энергия, МэВ/а.е.м. 450

Количество частиц в импульсе, шт. 2* 1012

Длительность импульса, не 120

Горизонтальный эммитанс (4 ггш), мм*мрад 8

Вертикальный эммитанс (4 гпв), мм*мрад 8

Разброс по энергии, % ±1

С использованием численного моделирования был проведен выбор формы и оптимизация размеров электродов, обеспечивающих однородность отклонения пучка не хуже 2,5 %. Расчет однородности отклонения пучка проводился по следующей методике:

1. Рассчитывалось электромагнитное поле в резонаторе при определенной геометрии электродов;

2. Рассчитывался угол отклонения одной частицы, летящей по центру резонатора, и трех частиц, летящих в первом квадранте на границе 80% апертуры канала (см. Рис. За);

3. Вычислялась относительная разница углов между центральной и периферийными частицами и определялось максимальное значение этого параметра, получившего название максимальный относительный угол отклонения (апт).

Рассматривались 2 формы электродов: плоская и седлообразная (см. Рис. 3). В результате оптимизации размера плоских электродов удалось уменьшить а,тх до 2,7 %, при ширине электродов, равной 200 мм. В результате оптимизации седловидной формы, а именно ширины пластин и радиуса седла электрода, удалось уменьшить максимальную неоднородность отклонения в пределах 80% апертуры до 2,3%.

Таблица 3. Структура канала транспортировки пучка.

Элемент Длина, мм Апертура, мм Градиент магнитного поля

Магнитная линза 1 400 100 13,35 Т/м

Канал дрейфа 160 100 -

Магнитная линза 2 800 100 13,71 Т/м

Канал дрейфа 160 100 -

Магнитная линза 3 400 100 19,23 Т/м

Для выбранных размеров электродов проведено моделирование многоячеечного резонатора на предмет исследования зазора между рабочей частотой и частотой ближайшего паразитного вида колебаний. В результате моделирования было получено, что расстояние между частотой рабочего вида колебаний и частотой паразитного вида колебаний уменьшается при увеличении количества элементарных ячеек резонатора. В случае 4-х ячеечного резонатора расстояние между частотами составляет около 3 МГц. В резонаторах с 6-ю и 8-ю ячейками разница частот составляет около 1 МГц.

а) б)

Рис. 3. Различные формы отклоняющих электродов: а) Плоские электроды; б) Электроды седловидной формы;

Для уточнения параметров канала фокусировки и определения напряженности отклоняющего электрического поля было проведено моделирование динамики пучка с использованием реального распределения поля в резонаторе. Моделирование динамики в системе формирования

13

квазитрубчатого пучка тяжелых ионов проводился с использованием программы Transit, являющейся модифицированной версией программы Dynamion, разработанной в ИТЭФ [21-23]. Параметры формирователя представлены в Таблице 4.

На Рис. 4 представлено сечение пучка и распределение частиц после прохождения системы формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии. Из Рис. 4 видно, что размер квазитрубчатого пучка удовлетворяет размеру облучаемой области на мишени эксперимента LAPLAS.

В четвертой главе представлена одна ячейка формирователя квазитрубчатого пучка с пластинами седловидной формы. На поверхность ячейки отклоняющего резонатора нанесен медный токопроводящий слой толщиной 50 мкм (см. Рис. 5).

Таблица 4. Параметры системы формирования квазитрубчатого пучка.

Элемент Длина, мм Градиент эл./маг. поля

Горизонтально-отклоняющий резонатор 4*368 1,5 МВ/м

Канал дрейфа 200 -

Вертикально-отклоняющий резонатор 4*368 1,5 МВ/м

Канал дрейфа 800 -

Магнитная линза 1 400 13,35 Т/м

Канал дрейфа 150 -

Магнитная линза 2 800 13,71 Т/м

Канал дрейфа 160 -

Магнитная линза 3 400 19,23 Т/м

Канал дрейфа 1300 -

а) б)

Рис. 4. Сечение пучка (а) и распределение частиц (б) после прохождения формирователя квазитрубчатого пучка.

Проведено измерение электродинамических характеристик (ЭДХ) одной ячейки формирователя. Расчетная резонансная частота одной ячейки формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов составляет /„ = 296,6 МГц, а добротность 2, = 14000. Измеренная резонансная частота ячейки —/„ = 294,2 МГц, добротность — О,, ~ 11000. Таким образом, измеренная резонансная частота отличается от расчетной на Д/ = 2,4 МГц, что составляет около 0,8 %, а добротность Д£> = 3000.

Были промоделированы и экспериментально исследованы различные методы настройки частоты, а именно: введение в объем резонатора штатного подстроечного плунжера, установка грибовидных плунжеров и установка кольцеобразных плунжеров. Для всех видов плунжеров получены зависимости сдвига частоты от геометрических размеров плунжеров. В итоге, резонатор был настроен на рабочую частоту с помощью кольцеобразных плунжеров, установленных на торцевых фланцах.

Для возбуждения резонатора были разработан и изготовлен фидерный ввод (магнитная антенна) ВЧ мощности на максимальную импульсную

мощность 300 кВт. Расчетное значение площади петли составило 1,5 см2 и была выбрана так, чтобы она имела критическую связь с резонатором, т.е. чтобы нагруженная добротность резонатора (()„) была равна половине собственной (2,).Также, была рассчитана и откалибрована петлевая антенна для измерения электромагнитного поля в резонаторе. Коэффициент связи измерительной петли с резонатором равен =- 44,5 дБ.

Рис. 5. Фотография ячейки формирователя после нанесения медного проводящего слоя.

Проведены измерения распределения отклоняющего электрического поля в одной ячейки формирователя. В результате измерения было получено, что распределение электрического поля совпадает с моделированием (см. Рис. 6а). Измерение влияния подстроечных элементов на распределение поля также хорошо согласуется с результатами моделирования (см. Рис. 66).

Одна ячейка формирователя была установлена на вакуумный стенд, получено предельное значение вакуума равное ~10"7 торр, после чего в ячейку была введена ВЧ мощность. В ходе эксперимента, в ячейку была

введена мощность, равная ~70 кВт, и получена напряженность поля между электродами, равная 3,25 МВ/м, что в 2,16 раза превышает максимально требуемое значение в 1,5 МВ/м.

В пятой главе представлен изготовленный и собранный формирователь квазитрубчатого пучка, состоящий из двух 4-х ячеечных отклоняющих резонаторов. После изготовления четырех ячеек одного резонатора было проведено измерения их резонансной частоты. Измерения показали, что резонансные частоты отличаются от заданной на А/ = 2,26-2,67 МГц.

Для увеличения резонансной частоты высота электродов, на основании проведенного моделирования, была уменьшена на величину от 0,6 до 0,65 мм.

После доработки ножек отклоняющих электродов, формирователь квазитрубчатого пучка тяжелых ионов был собран и установлен на штатную подставку (см. Рис. 7, для наглядности торцевые фланцы сняты).

Рис. 66. Распределение поля на оси

Рис. 6а. Распределение поля на оси

дефлектора с подстроенным

дефлектора без подстроечного

элементом, введенным на глубину

элемента.

50 мм.

Рис. 7. Фотография формирователя.

После сборки формирователя было проведено измерение его ЭДХ. Резонансная частота отличается от требуемой (/„ = 297 МГц) на Д/ = 0,76 МГц и Af = 0,59 МГц, а добротности отличаются от расчетной (в)~ 14000) на AQ = 1807 и ДQ =2326 для горизонтально и вертикально отклоняющих резонаторов, соответственно. Было проведено измерение распределения отклоняющего электрического поля на оси резонаторов. На Рис. 8 представлен результат измерения распределения отклоняющего электрического поля в горизонтально отклоняющем резонаторе. Как видно из Рис. 8, измеренное распределение отклоняющего электрического поля отличается от расчетного на величину, не превышающую 5%.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

В результате работы, была разработана, создана и исследована система формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии.

0.0

О 200 400 600 600 1000 1200 1400 1600 1800

г, мм

Рис. 11. Распределение отклоняющего электрического поля на оси 4-х ячеечного горизонтально отклоняющего резонатора.

Основные результаты диссертации.

1. Предложен принцип создания квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии, заключающийся в последовательном резонансном отклонении пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях высокочастотным электромагнитным полем, возбуждаемым в цилиндрическом резонаторе с типом колебаний Щр, где р - количество

вариаций поля по продольной координате;

2. Предложена методика оптимизации формы отклоняющих электродов. С ее помощью найдена форма отклоняющих электродов обеспечивающих однородность отклонения частиц по всему сечению пучка не хуже 2,5 %. Проведено моделирование динамики пучка в формирователе квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии. В результате моделирования определены параметры резонатора и канала фокусировки, обеспечивающие формирование требуемого пучка на мишени;

3. Разработана конструкция отклоняющего резонатора. Изготовлена элементарная ячейка отклоняющего резонатора - базового элемента формирователя. Проведено измерение ЭДХ ячейки резонатора.

4. Ячейка была настроена на резонансную частоту. В ячейку формирователя введена ВЧ мощность и получена напряженность отклоняющего поля в 2,16 раза больше требуемой для формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов для проекта ИТЭФ-ТВН;

5. Изготовлены все 8 ячеек формирователя требуемые для эксперимента в рамках проекта ИТЭФ-ТВН. Проведена доработка конструкции отклоняющих электродов формирователя и сборка формирователя. Проведено измерение ЭДХ формирователя и получено хорошее совпадение с расчетными значениями. Проведено моделирование динамики пучка ионов СоЦ* с учетом измеренных ЭДХ формирователя и показано, что данный формирователь способен обеспечить требуемые параметры пучка на мишени.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Heavy ion hollow beam formation at the energy of 1 AGeV for implosion experiments using an original RF system for fast rotation, |S. Minaev], A. Sitnikov, A. Golubev et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics, Research A, 620 (2010), 99-104;

2. Multi-cell RF deflecting system for formation of hollow high energy heavy ion beam, |S. Minaev), A. Sitnikov, A. Golubev et al., Proceedings of IP AC'10, p. 3756-3758, Kyoto, Japan, 2010;

3. Electro-dynamic characteristics of RF wobbler cell for heavy ion beam, |S. Minaevj A. Sitnikov, A. Golubev et al., Proceedings of LINAC' 10, p. 581583, Tsukuba, Japan, 2010;

4. Particle dynamics simulation in wobbler system for hollow high energy heavy ion beam formation, [S. Minaev], A. Sitnikov, A. Golubev et al., Proceedings of РАС'11, p. 2193-2195, New York, USA, 2011;

5. Ввод ВЧ мощности в ячейку формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии, A.JI. Ситников, В.Г. Кузьмичев, А.А. Голубев и др., Ядерная Физика и Инжиниринг, 2011, том 2, № 4, с. 355-358;

6. Формирование квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии с помощью многоячеечного резонансного высокочастотного дефлектора, [Минаев С.А.|, Ситников A.JI., Голубев А.А., Кулевой Т.В., Журнал технической физики, 2012, том 82, вып. 9, с. 69-74;

7. Патент на изобретение № 2422928 от 27.06.2011 «Устройство для вращения пучка тяжелых ионов высокой энергии», Голубев А.А., |Минаев С.А.|, Кулевой Т.В., Шарков Б.Ю., Ситников A.JI.

Литература.

1. Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества, В.Е. Фортов, Д. Хоффманн, Б.Ю. Шарков, Успехи физических наук, т. 178, №2, февраль 2008;

2. Present and future perspectives for high energy density physics with intense heavy ion and laser beams, D.H.H. Hoffmann, A. Blazevic, P. Ni, etc., Laser and Particle Beams (2005), 23, 47-53;

3. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества, В.Е. Фортов, Успехи физических наук, т. 177, №4, апрель 2007;

4. Экстремальные состояния вещества на Земле и в космосе, В.Е. Фортов, Успехи физических наук, т. 179, №6, июнь 2009;

5. CERN FAQ - the LHC guide, http://public.web.cern.ch;

6. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики, под ред. Б.Ю. Шаркова, М.: Физматлит, 2005;

7. Generation of hollow ion beam: Calculation of the rotation frequency required to accommodate symmetry constraint, A.R. Piriz, N.A. Tahir, D.H.H. Hoffmann, M. Temporal, Physical Review E 67, 017501 (2003);

8. Теория линейных резонансных ускорителей, Капчинский И.М., М.: Энергоиздат, 1982, 241 е.;

9. Экстремальные состояния вещества, Д. А. Киржниц, Успехи физических наук, Том 104, вып. 3, июль 1971 г.;

10. FAIR - An International Facility for Antiproton and Ion Research, D. Kramer, Proceedings of RuPAC 2006, Novosibirsk, Russia;

11. HEDgeHOB: Studies on High Energy Density Matter with Intense Heavy Ion and Laser Beams at FAIR, www.gsi.de;

12. Научная программа в новом международном центре фундаментальной физики - Европейском центре антипротонных и ионных исследований FAIR, В.Е. Фортов, Б.Ю. Шарков, X. Штокер, УФН, т. 182, № 6, 2012;

13. Metallization of hydrogen using heavy-ion-beam implosion of multilayered cylindrical targets, N.A. Tahir et al., Phys. Rev. E 63 (2001) 016402;

14. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах; Под ред. Д. П. Линде -М.: Энергия, 1978;

15. Wobbler Dosimetry for the Biomedical program at the LBL Bevalac, W. Chu, M. McEvoy, M. Nyman, etc., IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. NS-32, #5, 1985;

16. Wobbler Facility for Biomedical Experiments at the Bevalac, W.T. Chu, S.B. Curtis, J. Llacer, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. NS-32, #5,1985;

17. Техника сверхвысоких частот, Н.П. Собенин, О.С. Милованов, М.: Энергоатомиздат, 2007;

18. Транспортировка пучков заряженных частиц, И.Н. Мешков, издательство «Наука», Сибирское отделение, 1991;

19. Физика и технология источников ионов, под редакцией Я. Брауна, М.: «Мир», 1998;

20. TRACE 3-D Documentation, K.R. Crandall, Report LA-11054-MS, Los Alamos, 1987;

21. Beam dynamics simulation for the GSI high current injector with the new versatile computer code DYNAMION, J. Klabunde, W. Barth, S. Yaramyshev, A. Kolomiets, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, p. 2899-2901;

22. DYNAMION — the code for beam dynamics simulations in high current ion linac, A. Kolomiets, V. Pershin, I. Vorobyov, S. Yaramishev, Ju. Klabunde, Proceedings of the 1998 European Particle Accelerator Conference, p. 12011203;

23. Implementation of the DYNAMION code to the end-to-end beam dynamics simulations for the GSI proton and heavy ion linear accelerators, S. Yaramyshev, W. Barth, L. Dahl, L. Greening, B. Schlitt, Proceedings of ICAP 2006, WEPPP 10, p. 201-204.

Подписано в печать:

29.10.2013

Заказ № 8989 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт теоретической и экспериментальной физики" ФГБУ "ГНЦ РФ - ИТЭФ"

На правах рукописи Ситников Алексей Леонидович

04201456095

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ КВАЗИТРУБЧАТОГО ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

Специальность:

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Голубев A.A.

кандидат технических наук

Минаев С.А.

Москва 2013

Введение.

4

Глава 1. Физика экстремального состояния вещества...............................15

1.1. Методы получения экстремального состояния вещества в лабораторных условиях.....................................................................................17

1.2. Использование ионных пучков для получения экстремального состояния вещества..........................................................................................21

1.3. Квазитрубчатый пучок тяжелых ионов высокой энергии для эксперимента ЬАРЬАЗ......................................................................................23

Глава 2. Физическое обоснование формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии на базе резонансного дефлектора............................................................................................................27

2.1. Элементарный формирователь квазитрубчатого пучка......................27

2.2. Принцип многоячеечного резонансного дефлектора..............................29

2.3. Отклоняющий резонатор, использующий тип колебаний Н1]р.............34

Глава 3. Моделирование динамики пучка в формирователе квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии для проекта ИТЭФ-ТВН...........................................................................................................39

3.1. Моделирование динамики пучка ионов кобальта (СоЦ+) в канале фокусировки........................................................................................................39

3.2. Выбор формы и размеров электродов......................................................42

3.3. Моделирование электродинамических характеристик многоячеечного отклоняющего резонатора...............................................................................49

3.4. Моделирование динамики пучка ионов кобальта (СоЦ+) в формирователе..................................................................................................52

3.5. Моделирование динамики пучка ионов углерода (С^) с кинетической энергией 200 МэВ/а.е.м......................................................................................56

Глава 4. Одна ячейка формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии......................................................................................61

4.1. Изготовление одной ячейки формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии с пластинами седловидной формы.........61

4.2. Измерение электродинамических характеристик одной ячейки формирователя..................................................................................................63

4.3. Методы подстройки частоты отклоняющего резонатора.................67

4.3.1. Влияние подстроенных элементов на ЭДХ одной ячейки формирователя................................................................................................67

4.3.2. Изменение расстояния между электродами......................................70

4.3.3 Введение в объем резонатора грибовидного плунжера....................70

4.3.4. Введение в объем резонатора кольцеобразных накладок, со стороны торцевых фланцев...........................................................................74

4.4. Измерение распределения отклоняющего поля методом малого возмущающего тела..........................................................................................81

4.5. Изготовление, установка и настройка фидерных вводов ВЧ мощности...........................................................................................................90

4.6. Пробный ввод мощности в ячейку формирователя...............................93

Глава 5. Формирователь квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии..................................................................................................99

5.1. Изготовление формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии.................................................................................................99

5.2. Оптимизация геометрии ножек электродов формирователя...........104

5.3. Измерение ЭДХформирователя.............................................................107

Заключение.........................................................................................................112

Литература.........................................................................................................114

Приложение 1.....................................................................................................121

Приложение 2.....................................................................................................123

Приложение 3.....................................................................................................127

Введение.

Проявляемый сейчас интерес к экстремальному состоянию вещества обусловлен, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, исследования плазмы с сильным межчастичным взаимодействием расширяют фундаментальное представление о веществе в природе, поскольку такая плазма является наиболее распространенным состоянием материи во Вселенной: до 98 % материи - это астрофизические объекты, состоящие из сильно ионизованного вещества с высокой плотностью. Кроме того, интерес к сверхплотному состоянию вещества обусловлен рядом современных проблем планетарной геофизики. Примерами исследования последнего направления являются определение параметров экзопланет, а также исследование планет Солнечной системы, в частности установление уравнений состояний льда (слои которого имеются на Уране и Нептуне), железа (ядро Земли) и изучение проблемы металлизации водорода, важной для определения структуры гигантских планет Юпитера и Сатурна [1-3]. Во-вторых, совокупность проводимых исследований имеет большое практическое значение для таких областей, как синтез сверхпрочных материалов, плазменные технологии, медицина и атомная энергетика, в частности безопасность ядерных реакторов и управляемый термоядерный синтез (УТС) [1].

Ключевой проблемой является генерация в лабораторных условиях состояний вещества с точно измеряемыми термодинамическими параметрами. Существует два способа генерации экстремального состояния вещества: статический и динамический. К статическому способу относится механизм сдавливания изучаемого материала посредством пресса. Давление, получаемое таким способом, не превышает нескольких Мбар. К динамическим методам относятся: химические взрывчатые вещества, мощные лазеры, подземные ядерные взрывы, 2-пинчи, рельсовые пушки,

устройства, использующие магнитное сжатие и нагревание вещества пучком заряженных частиц [1].

Последние достижения в увеличении энергии, мощности и яркости пучков заряженных частиц, лазеров, генераторов 2-пинчей открывают возможности создания материи с экстремально высокой удельной плотностью энергии в лабораторных условиях.

Новое поколение экспериментальных установок способно обеспечить

11 1

значения плотности энергии в веществе более чем 10 Дж м" и, как следствие, значения температуры и давления вещества, существенно превосходят получаемые в статических методах. Подобные давления и температуры реализуются в ударно-волновых экспериментах с химическими взрывчатыми веществами, в подземных ядерных взрывах [4, 5]. Разрабатываемые экспериментальные устройства открывают новые возможности для лабораторного изучения физики явлений, свойственных по масштабу астрофизическим объектам, позволяя генерировать в макроскопических количествах вещество с экстремальными термодинамическими параметрами.

Особое место среди мощных источников энергии для генерации экстремального состояния вещества - драйверов - занимают релятивистские ускорители тяжелых ионов. Крупные ускорители, которые действуют во многих лабораториях мира, хорошо зарекомендовали себя как основной инструмент в исследованиях по ядерной физике, физике элементарных частиц, квантовой хромодинамике, физике сверхплотной ядерной материи [1].

Самым наглядным примером генерации экстремального состояния вещества (кварк-глюонной плазмы) являются коллайдеры. Однако, таких установок немного, а постройка только одного коллайдера обходится в миллиарды долларов. Другим способом создания экстремального состояния вещества является использование существующих ускорителей тяжелых ионов [1].

Для генерации плотной неидеальной плазмы современные ускорители обладают весьма привлекательными свойствами. Так, совокупная кинетическая энергия ускоренных и накопленных пучков ионов современных ускорителей уже сегодня составляет несколько сотен килоджоулей, а созданный в ЦЕРНе Большой Адронный Коллайдер имеет полную энергию пучка протонов ~ 300 МДж [6]. Очевидно, что концентрация таких колоссальных энергий в малом объеме вещества за короткий промежуток времени является весьма привлекательной с точки зрения задачи генерации экстремального состояния вещества в макроскопических объемах.

Свойства интенсивных ионных пучков по концентрации энергии в малом объеме послужили основной мотивацией выдвинутого в начале 1980-х годов предложения об использовании мощных ускорителей тяжелых ионов для УТС с инерционным удержанием [7, 43].

Эксперименты по генерации экстремального состояния вещества с помощью пучков заряженных частиц в настоящее время проводятся в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), в рамках проектов ИТЭФ-ТВН (ТерраВаттный Накопитель) (Россия), и будут проводиться в рамках проекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) [8-10].

Реконструкция ускорительного комплекса ИТЭФ с целью создания на основе протонного синхротронного У-10 тяжелоионного ускорителя-накопителя ИТЭФ-ТВН началась в 1997г. [11]. При переоборудовании протонного синхротрона в тяжелоионный накопитель сохранилась существующая технология ускорения протонного пучка, а также появилась новая возможность ускорения ионов до релятивистских энергий. В процессе реконструкции был построен линейный инжектор И-3 на энергию 4 МэВ [12], осуществлен физический запуск бустерного ионного синхротрона УК [13], реализована схема перезарядной многократной инжекции ионов из УК в накопительное кольцо, переоборудованное из протонного синхротрона У-10 [14]. В результате пусконаладочных работ получено накопление ядер

углерода в кольце У-10 при энергии 200 МэВ/а.е.м., а также ядра углерода ускорены в У-10 до энергии 4 ГэВ/а.е.м. Интенсивность накопленного пучка ядер углерода достигает в настоящее время Ю10 частиц при интенсивности

о

инжектируемого пучка порядка 5*10 . Накопленный пучок группируется перед выводом в продольном направлении и выводится в канал транспортировки для использования в экспериментах.

Проект FAIR, - это будущий международный ускорительный центр следующего поколения. Этот центр будет построен на базе существующих установок лаборатории GSI. Главным элементом будущего ускорительного центра будет синхротрон SIS-100. Ожидаемые параметры пучка на выходе синхротрона SIS-100 представлены в Таблице 1. Существующий ускоритель SIS-18 в GSI будет исполнять роль инжектора для нового синхротрона [9].

Таблица 1. Ожидаемые параметры пучка на выходе синхротрона SIS-100.

Тип ионов TJ 28+ 238

Кинетическая энергия, ГэВ/а.е.м. 1

Количество частиц в импульсе, шт. 2*101Z

Длительность импульса, не 50

Горизонтальный эммитанс (4 ггпб), мм*мрад 25

Вертикальный эммитанс (4 пш), мм*мрад 8

Разброс по энергии, % ±1

В рамках проекта FAIR предполагается проведение экспериментов по физике высокой плотности энергии в веществе в рамках коллаборации HEDgeHOB. Рассмотрим две схемы генерации экстремального состояния вещества с помощью пучков заряженных частиц [1, 10]. Первая схема - это прямое облучение изучаемого материала ионным пучком (HIHEX - Heavy Ion Heating and Expansion). Под действием пучка будет проводиться однородный квазиизохорический нагрев мишени достаточно большого объема с дальнейшим изоэнтропическим разлетом в плоской или цилиндрической геометрии. Будут изучаться различные состояния вещества

с высокой плотностью энергии: уравнение состояния, свойства неидеальной плазмы, области WDM (Warm Dense Matter) и критических точек различных веществ. Вторая схема — генерация экстремального состояния вещества с помощью цилиндрической имплозии. Этот эксперимент получил название LAPLAS - LAboratory PLAnetary Sciences [1, 7, 10]. В этом эксперименте полый интенсивный пучок ионов нагревает тяжелую внешнюю оболочку. При этом происходит цилиндрическое сжатие (кумуляция) исследуемого образца, находящегося в центральной области мишени. Цель эксперимента -это получение состояния вещества при мегабарных давлениях и сравнительно низких температурах, т.е. параметрах, характерных для проблем изучения металлизации водорода, определения свойств ядер газовых планет, таких как Юпитер и Сатурн. Создание высокоэнергетичного интенсивного кольцевого пучка с высокой контрастностью является ключевой задачей данного эксперимента.

Настоящая работа посвящена физическому обоснованию, расчету, проектированию и экспериментальной проверке системы формирования квазитрубчатого (кольцеобразного) пучка тяжелых ионов, включая систему отклоняющих резонаторов и систему фокусировки пучка для проекта ИТЭФ-ТВН.

В дальнейшем под словом «формирователь» будут подразумеваться либо одноячеечный отклоняющий резонатор (прототип одной ячейки формирователя квазитрубчатого пучка), либо два многоячеечных отклоняющих резонатора, один из которых отклоняет пучков в вертикальной плоскости, а второй - в горизонтальной.

В работе обоснован выбор системы фокусировки и конфигурации ВЧ1 отклоняющих систем, проведены расчеты динамики пучка и электродинамических параметров резонаторов. Разработан оригинальный метод оценки однородности отклоняющих полей. Промоделирована и

'Согласно ГОСТ 24375-80 рабочая частота данного отклоняющего резонатора относиться к области очень высоких частот (ОВЧ), но для простоты изложения здесь и далее будет использован термин ВЧ.

опробована методика настройки резонансной частоты. Исследованы дисперсионные характеристики и другие ВЧ параметры отклоняющей системы. Разработана конструкция резонаторов, проведено экспериментальное исследование одной ячейки формирователя и всего формирователя, состоящего из двух отклоняющих 4-х ячеечных резонаторов.

Актуальность проблемы.

Исследование экстремального состояния вещества является наиболее интересной и трудоемкой задачей современной физики. Во-первых, исследование плазмы с сильным межчастичным взаимодействием расширяет фундаментальное представление о веществе. Во-вторых, интерес к сверхплотному состоянию вещества обусловлен рядом современных проблем планетарной геофизики, таких как определение параметров экзопланет и планет солнечной системы, в частности планет-гигантов - Сатурн и Юпитер. Ключевой задачей данных экспериментов является генерация в лабораторных условиях состояний вещества с точно измеряемыми термодинамическими параметрами. И, наконец, актуальность работы определяется чрезвычайно важными прикладными задачами, такими как УТС, безопасность ядерных реакторов, синтез сверхпрочных материалов и др.

Постановка задачи.

Создание многоячеечного высокочастотного отклоняющего дефлектора (формирователя) для создания квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии. Данный формирователь необходим для исследования экстремального состояния вещества. Дефлектор должен обеспечить формирование пучка ионов кобальта (Со"+) с кинетической энергией Жк = 450 МэВ/а.е.м. в кольцо с размерами, удовлетворяющими требованию эксперимента ЬАРЬАБ.

Цель работы.

Целью работы является разработка, создание и исследование системы формирования квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии для проекта ИТЭФ-ТВН.

При разработке формирователя квазитрубчатого пучка тяжелых ионов высокой энергии необходимо решить ряд проблем, связанных как с формированием требуемого пучка тяжелых ионов, так и с его фокусировкой на мишень. При расчете системы формирования квазитрубчатого пучка необходимо учитывать тот факт, что система фокусировки и величины отклонения пучка в ВЧ дефлекторе взаимозависимы. Тем не менее, для удобства расчета системы формирования квазитрубчатого пучка целесообразно разбить эти задачи на две условно-независимые (расчет ВЧ дефлектора и системы фокусировки) и объединить их лишь при расчете динамики пучка в целой системе.

Расчет дефлектора также может быть разбит на две независимые задачи: первая - поиск геометрических параметров элементов резонатора, для обеспечения равномерности отклонения пучка по поперечному сечению; вторая - расчет количества ячеек резонатора и вводимой мощности, необходимых для достаточного отклонения пучка при минимальных габаритах формирователя.

При расчете равномерности отклоняющего поля должен быть учтен вклад в динамику пучка как электрической, так и магнитной компоненты поля, а также влияние геометрических размеров резонатора на его электродинамические характеристики (ЭДХ).

Система фокусировки пучка должна удовлетворять следующим требованиям: сфокусировать цилиндрический пучок так, чтобы толщина

кольца была равна ~ 1,5 мм, внешний диаметр кольца--3 мм