Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. РАЗРАБОТКА ИНЖЕКТОРА ЭЛЕКТРОНОВ НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ
1.1. Основные вопросы разработки линейного ускорителя электронов в качестве инжектора и анализ применения
ускоряющих структур 19
1.2. Линейный ускоритель электронов с бегущей волной 21
1.3. Линейный ускоритель электронов со стоячей волной 29
1.4. Ускоряющая структура в разрезном микротроне 37
1.5. Электродинамические параметры линейного
ускорителя - инжектора комплекса СИ Сибирь-2 41
1.6. Сравнительный анализ применения линейных ускоряющих
структур в качестве инжектора для бустера Сибирь-1 46
ГЛАВА И. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ УСШД И РЕАЛИЗАЦИЯ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ 2.1. Собственные частоты и распределение ускоряющего поля в
бипериодической структуре линейного ускорителя 51
2. 2. Моделирование ускоряющей структуры ЛУЭ 57
2. 2. 1 Выбор внутренних геометрических размеров ячеек 61
2. 2. 2 Исследование зависимости шунтового сопротивления от
размеров штанг 66
2. 3. Измерение частот типов полей ЕііШіП и Ні,тіП в УСШД
структуре 71
2. 3. 1 Чувствительность ускоряющей структуры УСШД к
изменению геометрии ячеек и условиям работы секции 78
2. 3. 2 Этапы подготовки секции к вакуумной пайке 85
2.4. Испытание секции ускоряющей структуры 88
з ГЛАВА III. ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ - ИНЖЕКТОР
ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА НА ЭНЕРГИЮ 80 -100 МэВ
3. 1. Принцип работы инжектора, функциональная схема и
конструкция линейного ускорителя 96
3. 1. 1 Импульсный модулятор пушки (40 кВ/20 нсек) 102
3. 1.2 Электронная пушка 103
3.2. Линейный ускоритель инжектор электронного пучка 104
3. 2.1 Резонатор ввода мощности в структуру ЛУ 106
3.3. Особенности работы инжектора на основе протяжённого
линейного ускорителя на стоячей волне 109
3.4. Расчёт динамики пучка в линейном ускорителе 111
ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИНЖЕКТОРА НА КОМПЛЕКСЕ СИБИРЬ-2 и ТНК г. ЗЕЛЕНОГРАД
4.1. Высокочастотная система линейного ускорителя 123
4. 2. Резонансный высокочастотный разряд в волноводе и
линейном ускорителе. Режим тренировки 128
4. 3. Электрическая прочность ускоряющей структуры,
ограничения энергии электронов и тока пучка в инжекторе.... 133 4.4. Работа с пучком на ЛУ- инжекторе комплекса Сибирь-2....137 4.5. Обеспечение стабильности работы линейного ускорителя
и токопрохождения пучка 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ I 145
ПРИЛОЖЕНИЕ II 149
ЛИТЕРАТУРА ...152
Введение к работе
Основными инструментами физики высоких энергий были и остаются ускорители заряженных частиц. Они являются главным и одним из самых мощных средств, позволяющих ученым с наибольшим эффектом детально исследовать структуру строения материи [1, 2]. Практически все ядерные лаборатории мира оснащены ускорителями, которые используются и как инструмент исследования и в технологических процессах для получения различных материалов с необычными свойствами. Собственно линейные ускорители уже давно выделены в отдельный самостоятельный класс ускорителей и широко используются как инжекторы высокоэнергичных заряженных частиц, так и в прикладных целях. Широкое распространение получили накопители электронов как мощные источники синхротронного излучения для научных и прикладных целей [3,4].
В ИЯФ СОР АН развитие ускорительной техники шло по пути значительного увеличения энергии частиц и интенсивности ускоренных пучков. Достижения в этой области, особенно в области электроннных ускорителей, базируется на новейших достижениях СВЧ радиотехники и вакуумной техники. В настоящее время наш Институт располагает разнообразными типами ускорителей, которые позволяют получать заряженные частицы с энергиями от нескольких сот килоэлектронвольт до нескольких миллиардов электрон-вольт.
Интенсивное развитие мощных ВЧ генераторов в сантиметровом диапазоне с уровнями мощности десятки мегаватт в импульсе и несколько мегаватт в непрерывном режиме, в настоящее время еще позволяет реализовать ускорительные накопительные комплексы с
Щ! энергией частиц десятки Гэв при разумных размерах циклических
ускорителей. Естественно, эффективность режима ускорения тока пучка в непрерывном режиме и использование его на комплексе, становятся определяющими при проектировании таких энергоёмких систем. Преимущество импульсного режима работы с пучком, заключается в том, что запасенная энергия находится в структуре очень короткое
# время, и значительная её доля снимается электронами сразу после
окончания заполнения. В результате заметно уменьшаются тепловые потери в стенках. [5, 6]
Физики ИЯФ СО РАН, занимающиеся созданием электронных и позитронных накопителей и постановкой экспериментов на встречных пучках, уже давно плодотворно используют синхротронное, или магнитотормозное излучение, возникающее при движении
Щ высокоэнергичных заряженных частиц в магнитном поле. С помощью
синхротронного излучения очень удобно измерять характеристики
пучков в ускорителях и накопителях. При этом чувствительность этого
метода предельно высока. Использование синхротронного излучения для
наблюдения за этими светящимися пучками в ядерной физике и физике
элементарных частиц не исчерпывает область практического применения
СИ. Все большее значение приобретает использование
.> специализированных электронных накопителей в качестве источников
электромагнитного излучения в диапазоне от ультрофиолетового до
жёсткого рентгеновского с яркостью, на много порядков
превышающими характеристики других имеющихся источников. [4, 7, 8] В октябре 1999 года состоялась официальная процедура открытия Источника Синхротронного Излучения в Российском научном центре
Щ «Курчатовский институт», г. Москва. Курчатовский Источник
Синхротронного Излучения (КИСИ) - первый в России
6 специализированный ускорительный комплекс, предназначенный для генерации пучков синхротронного излучения. Часть накопительного
кольца Сибирь-2 в ускорительном зале показана на рис. 1.
Рис.1. Часть кольца накопителя Сибирь-2.
Этот комплекс был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН и предназначен для генерации ярких пучков электромагнитного излучения в инфракрасной, ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра в диапазоне длин волн 0.1-2000 А. В состав комплекса входит линейный ускоритель на энергию электронов 80-100 МэВ в качестве инжектора [7] и два накопителя электронов: бустер Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и основной накопитель Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ.
Линейный ускоритель на энергию 80-100 МэВ (Рис. 2), был запущен в Курчатовском Институте в 1992 году, тогда же был получен электронный пучок с энергией частиц 62.5 МэВ. В настоящее время линак инжектирует в накопитель СИБИРЬ-1 электронный пучок с энергией 75-80 МэВ.
Рис 2. Фотография линака со стороны электронной пушки.
Автор диссертации является непосредственным участником работ и разработчиком линейного ускорителя - инжектора электронов на комплексе СИБИРЬ-2, включая разработку узлов волноводной системы высокочастотного питания линейного ускорителя от клистроннои станции «ОЛИВИН -20 МВт/10 мксек», а также систем управления, измерений и контроля. На рис. 2 приведена фотография линейного ускорителя расположенного в защищенном зале бустера СИБИРЬ-1 «Курчатовский институт (КИСИ)», г. Москва [8]. Кроме того, автор является участником и разработчиком инжекционной части в проекте Технологического Накопительного Комплекса (ТНК в НИИ Физических Проблем им. Ф.В.Лукина г.Зеленоград, Москва) - специализированного источника СИ для электронной промышленности. Линейный ускоритель для этого
комплекса также был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН (Новосибирск). К 1992 году, была произведена его сборка и холодные измерения, но ввиду отсутствия финансирования ЛУ был разобран и законсервирован. В 2001 г. было снова принято решение о монтаже и намечен запуск инжектора в Зеленограде в декабре 2002 г.
Инжекционная часть ТНК (г. Зеленоград) состоит из линейного ускорителя на энергию 80-100 МэВ и малого накопителя-бустера на энергию 450 МэВ, повторяя, в принципе, схему инжекции Сибири-2. Структура большого накопителя ТНК аналогична структуре Сибири-2, но периметр накопителя равен 115.85 м, что на -8.3 м меньше периметра Сибири-2. Диапазон рабочей энергии ТНК 1.6 - 1.9 ГэВ. Он обусловлен оптимальной работой ТНК на СИ из поворотных магнитов. Описываемые в настоящей работе основные решения пригодны как для Сибири-2, так и для ТНК. Поэтому, для краткости, в дальнейшем изложении мы будем упоминать только Сибирь-2 [9].
В инжекторе электронный пучок в линейный ускоритель поступает из низковольтной импульсной диодной пушки без предварительной группировки пучка. Выбор данной простой схемы инжектора был обусловлен уже имеющимся опытом создания и успешной работой линейного ускорителя с подобной схемой инжекции на комплексе ВЭПП-3 ИЯФ [5]. Этот линейный ускоритель («Позитронная программа»), представляет собой бипериодическую структуру-цепочку связанных резонаторов, в которых на частоте 430 МГц, возбуждается стоячая волна моды ті/2, ЛУ имеет параметры ускоренного пучка 53 МэВ / 35 А / 30 нсек. [10, 11, 12]. Инжекция электронов в ЛУ производится из импульсной диодной пушки (60—180 кэВ) при длительности 18 нсек.
На комплексе СИ СИБИРЬ-2, в пределах выбранной концепции инжекции электронного пучка в ЛУ, рассматривалось два подобных
варианта, вариант с так называемой "внутренней инжекции", когда ламинарный электронный пучок поступает непосредственно в резонатор из пушки, которая отделена от полости резонатора сеткой. И, во втором варианте - "внешняя низковольтная инжекция" - электронный пучок транспортируется на вход ЛУ по электронно-оптическому каналу. Был выбран простейший вариант низковольтной (40 кэВ) "внешней инжекции". В этом варианте используется электронная пушка с микропервеансом -0.5 juA/V , что обеспечивает получение тока в импульсе 4 А.
В 70 - 90 годах общепринятой ускоряющей системой для ЛУ считалась структура с бегущей волной. Основное применение находит в ускорителях круглый диафрагмированный волновод (КДВ) [13, 14]. Привлекательным было прежде всего возможность достижения высокого значение шунтового Z=zT сопротивления для видов 0 и 71 колебаний, а также, технологичность изготовления. Но несмотря на это, КДВ не является эффективной ускоряющей структурой при создании ЛУ электронов с большим числом ускоряющих зазоров в одной секции, т.к. плохое частотное разделение с соседними частотами для видов 0 и я колебаний, приводит к нестабильному режиму ускорения. На всех других видах колебаний шунтовое сопротивление ниже. В большинстве ускорителей на бегущей волне используется вид колебаний 271/3, как компромиссный между «высокостабильным» л/2 видом и «высокошунтовым» 71 видом колебаний [13,14,...18]. Бипериодические ускоряющие структуры (БУС) имеют в своей структуре специальные резонаторы связи и отличаются от КДВ не только конструктивно, но и дают возможность получить высокое шунтовое сопротивление и, присущую виду колебаний ті/2, высокую стабильность
фазового сдвига в регулярных ячейках вдоль линейного ускорителя. Для этого вида колебаний характерно то, что в резонаторах связи (ячейки связи) к концу переходного процесса и далее, не запасается ВЧ энергия, т.е. на виде колебаний тг/2 ячейки последовательно возбуждаются через одну. Резонаторы связи при этом могут быть узкими, деформированными или вынесенными на обечайку, позволяя при этом в структуре по отношению к ускоряемому пучку иметь на оси поле с видом колебаний близким к я, сохраняя при этом высокое шунтовое сопротивление и добротность. [15]
Актуальность темы. Увеличение интенсивности пучков заряженных
частиц и повышение темпа ускорения являются основными
направлениями развития современной ускорительной техники. Решение
этих задач непосредственно связано с созданием компактных ускорителей
- источников релятивистского электронного пучка. Прогресс в создании
линейных ускорителей заряженных частиц позволяет использовать их в
качестве инжекторов, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн.
Освоение сантиметрового диапазона сопряжено с исследованием свойств
различных материалов с ростом частоты и плотности ВЧ энергии,
создающей на поверхности напряженность поля более 100 МВ/м, что уже
является актуальной научной задачей и имеет самостоятельное значение
для техники СВЧ. [21, 22]
При импульсном режиме работы линейные ускорители, работающие на
накопленной энергии, имеют определенные преимущества перед обычными
ускорителями. Главное их достоинство в том, что запасенная энергия
находится в структуре очень короткое время, и значительная её доля
снимается электронами сразу после окончания заполнения. В результате
заметно уменьшаются тепловые потери в стенках [13].
11 Специализированный комплекс синхротронного излучения СИБИРЬ-2 в РИД «Курчатовский Институт» включает в себя два накопителя электронов: бустер Сибирь-1 на энергию 450 МэВ и Сибирь-2 на энергию 2.5 ГэВ. Источником электронов для бустера Сибирь-1 служит линейный ускоритель на энергию 80-100 МэВ работающий на частоте 2798 МГц. Эта частота была, в основном, предопределена имеющимся отечественным источником импульсной ВЧ мощности на клистроне КИУ-53 (18-20 МВт/1 Омксек). Чтобы ускорить электронный пучок до энергии 80 - 100 МэВ при этом уровне мощности, было необходимо создать линейный ускоритель работающий на накопленной энергии с ускоряющей структурой имеющей шунтовое сопротивление не менее 90 Мом/м. С этой целью структура ЛУ выполнена в виде бипериодической цепочки связанных резонаторов с шайбами и диафрагмами (УСШД), т.н. структура Андреева [16]. ЛУ имеет длину 6 м и состоит из ~112 регулярных ячеек. Благодаря сильной связи между резонаторами ячеек >40%, они образуют единый высокодобротный резонатор, позволяющий иметь один волноводный ввод мощности.
Помимо вопросов, связанных с созданием инжектора на базе ЛУ, параллельно прорабатывалась методология измерения собственных резонансных частот большого количества ячеек структуры с целью оптимизации чистоты спектра вблизи рабочей частоты и получения необходимого шунтового сопротивления. Для этого изменялись размеры дисков, внутренние размеры обечайки и штанг удерживающих диск. В диссертации приводятся конкретные примеры исследования этих вопросов, практическое положительное решение которых, по своему содержанию определили и актуальность темы и цель работы, что позволило нам создать линейный ускоритель - инжектор пучка электронов на энергию до 100 МэВ. В Институте изготовлено два ускорителя.
Целью работы является:
Создание инжектора релятивистского электронного пучка на энергию 80-100 МэВ на основе ЛУ для накопительного комплекса СИБИРЬ-2 и ТНК.
Разработка и создание ускоряющей структуры линейного ускорителя с высоким шунтовым сопротилением, работающей на стоячей волне в импульсном режиме и запитываемой от клистрона без циркулятора.
Разработка и создание резонатора ввода мощности в ЛУ и элементов волноводного тракта с уровнем ВЧ мощности до 20 МВт.
Разработка и создание ВЧ системы возбуждения клистронной станции, системы управления, контроля и измерений.
Создание стенда «холодных» измерений для прецизионных измерений высоких добротностей ~30000 и частоты ячеек структуры для отбраковки их перед пайкой.
Проведение испытаний части ускоряющей структуры ЛУ (1/10) на электрическую прочность при напряжённости электрического поля на поверхности резонатора -700 кВ/см.
Выбор структурной схемы инжектора релятевистского пучка на базе ЛУ - 100 МэВ, проводился с учётом особенностей конкретной схемы электроннооптического канала ЭОК-1 бустера СИБИРЬ-1. Это во многом определило физические и эксплуатационные параметры линейного ускорителя и его практическую ценность.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Разработан и создан инжектор электронного пучка с энергией частиц 80-100 МэВ/бОмА на базе ЛУ, обеспечивающий работу комплекса СИ СИБИРЬ-2, начиная с 1992 года по настоящее время, а также, произведён
запуск подобного линейного ускорителя на комплексе ТНК НИИФП г. Зеленоград в декабре 2002 года. На входах в линейные ускорители применена простая схема низковольтной инжекции пучка из импульсной диодной пушки (40 кВ/18нсек/4А).
Эксплуатация ЛУ - инжектора на комплексе выявила практические достоинства ЛУ к которым можно отнести: 1. После ВЧ тренировки структуры в период запуска в 1992 г, электрические пробои в линейном ускорителе не наблюдаются, как в режиме с пучком, так и без пучка при уровне мощности выходного клистрона КИУ-53 в пределах до 18 МВт.
Вакуум в структуре ЛУ из-за технологии применения индиевых уплотнений не нарушался. Вакуумная откачка производится в начале, центре и в конце ускоряющей структуры ЛУ.
Подстройка ускорителя по частоте производится нагревом воды в системе стабилизации температуры структуры ЛУ с возможностью включения АПЧ.
При необходимости допускается изменение количества соединённых регулярных секций образующих линейный ускоритель, а также, изменение количества регулярных ячеек в секции, - это не нарушает регулярности распределения ускоряющего поля в ячейках и регулярности сдвига фаз 7i/2 в них.
Обработка внутренних размеров полостей резонаторов структуры УСШД на станках ЧПУ алмазным резцом с последующей высокотемпературной вакуумной пайкой, позволяет в дальнейшем не прогревать секции и собирать узлы ЛУ посредством индиевых уплотнений обеспечивая и вакуум и ВЧ контакт. Хранение секций ЛУ может осуществляться в среде с инертным газом -10 лет.
Полученный опыт, результаты экспериментальных исследований, позволившие разработать ускоряющую структуру вида УСШД и создать на
Щ] ее основе единый 6 метров длины высокодобротный ускоряющий
резонатор, а также, инженерные и конструкторские решения, технология сборки ЛУ и способ настройки длинных волноводов без циркуляторов; -могут быть использованы при разработке высокочастотных ЛУ -инжекторов подобного класса.
#!' Основным научным результатом работы является:
Исследование, разработка и создание двух инжекторов импульсного электронного пучка с энергией до 100 МэВ на базе линейного ускорителя со стоячей волной со структурой УСШД, работающих в настоящее время на комплексе СИБИРЬ-2 в ИАЭ им. Курчатова и ТНК г. Зеленоград.
Надёжная работа протяжённой ускоряющей структуры, составленной из 6-ти отпаянных метровых секций, соединенных посредством индиевых
і'Ф уплотнений, образующих единый высоко добротный резонатор со
структурой поля на стоячей волне моды колебаний л/2 в 112 регулярных ячейках вида УСШД с уровнем напряжённости поля на поверхности -80-ІООМВ/м.
3. Получение ускоренного электронного пучка и проводка его в линейном
ускорителе при апертуре канала диаметром 8.7 мм без продольного
магнитного поля сопровождения используя лишь ВЧ фокусировку пучка в
W ячейках ЛУ, согласующую фокусирующую линзу и корректор положения
центра пучка на входе ЛУ.
4. Разработка ввода СВЧ мощности через специальный коаксиальный
резонатор связи расположенного в середине линака, позволившего
увеличить расстояние между соседними частотами дисперсионной
характеристики вблизи рабочей частоты.
ф, 5. Разработка специальных фланцевых соединений с индиевым
уплотнением на газ и на вакуум в волноводе 90x45мм, позволивших
избежать вакуумной пайки фланцев, а также, отдельных волноводных узлов: для откачки на вакуум, для контроля за пробоями, волноводного фазовращателя и нагрузки обеспечивающих передачу и измерение ВЧ мощности до 20 МВт.
Использование длинного волновода, длина -12 м для передачи ВЧ мощности в линейный ускоритель без «циркулятора», -0.5 длины заполнено азотом при давлении -6 атм. В волноводе установлено разделительное баночное керамическое окно газ - вакуум.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Линейный ускоритель - инжектор электронного пучка 80-100 МэВ для
специализированного источника СИ комплекса СИБИРЬ-2 в РНЦ «Курчатовский институт», в котором:
а) с целью максимального использования импульсной выходной ВЧ
мощности клистрона создан новый линейный ускоритель на стоячей
волне длиной 6 метров с высоким рекордным шунтовым сопротивлением
-95 Мом/м, работающий на частоте 2797.8 МГц в режиме накопленной
энергии;
б) с целью получения высокого шунтового сопротивления более 90 Мом/м
ускоряющая структура линейного ускорителя выполнена в виде
бипериодической цепочки связанных резонаторов (БУС), а регулярные
ячейки выполнены в виде УСШД и состоят из обечаек с диафрагмами и
шайб, подвешенных на трёх металлических штангах;
в) с целью сборки ускорителя из метровых секций в единый резонансный
объём, применена технология индиевых уплотнений.
2. Разработка и создание метровых секций БУС спаянных из 18 регулярных ячеек вида УСШД, в которых используются для подвески
16 шайб три радиальные штанги, расположенные параллельно вдоль структуры секций.
3. Использование ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами, обеспечивает большой коэффициент связи между резонаторами >43% и высокое шунтовое сопротивление, позволяет решить следующие задачи при заданном уровне высокочастотной мощности от генератора:
благодаря высокому шунтовому сопротивлению можно получить
максимальную энергию электронов по сравнению с другими структурами;
благодаря большому запасу энергии можно ускорить большее число частиц при заданном разбросе энергий ускоренного пучка;
благодаря сильной резонансной связи между соседними ячейками и большой групповой скорости, имеется возможность выполнить ускоряющую структуру в виде единой резонансной секции с одним вводом мощности, и таким образом, исключить необходимость фазирования отдельных секций и облегчить требования к точности изготовления и настройки.
4. Результаты экспериментального исследования параметров пучка
инжектора на энергии 65-85 МэВ на входе в бустер СИБИРЬ-1.
5. Вывод, о практической возможности создания надёжных 6 метровых
линейных ускорителей работающих на стоячей волне с накопленной
энергией на частоте 2.8 Ггц с напряженностью поля на поверхности -80
МВ/м, при коэффициенте перенапряжений относительно среднего
ускоряющего поля на оси ~ 5.
Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений и списка литературы.
В первой главе рассматриваются основные вопросы разработки линейного ускорителя электронов в качестве инжектора и анализ
применения ускоряющих структур. Вторая глава посвящена вопросам макетирования и реализации линейного ускорителя в соответствии с результатами моделирования ускоряющей структуры УСШД ЛУ.
В третьей главе рассмотрены конструкция линейного ускорителя, функциональная схема всей ВЧ системы и работа линейного ускорителя как инжектора электронного пучка в бустер Сибирь-1. Изучены особенности динамики пучка в ЛУ. Четвёртая глава посвящена описанию результатов экспериментального исследования работы инжектора и ВЧ системы линейного ускорителя. Излагаются результаты настройки инжектора и получение ускоренного пучка на комплексе Сибирь-2 в «Курчатовском» институте и ТНК г. Зеленоград. Приведены два приложения.
В заключении кратко сформулированы результаты данной работы.
