Содержание к диссертации
Введение 4
СВЧ системы микротронов 9
Модельные представления элементов СВЧ систем 20
Ускоряющий резонатор 21
Модель пучка ускоренных электронов микротрона 28
2.2 Источники СВЧ мощности 31
Магнетронный генератор 31
Клистрон 35
2.3 Передача сигнала в тракте 36
Выводы 38
3 Система с самосинхронизацией магнетрона частью
мощности прошедшей через ускоряющий резонатор 39
3.1 Схема СВЧ системы, ее эквивалентная схема и система урав
нений, описывающая колебательные процессы в ней 39
Стационарный режим 42
Переходные процессы 48
Экспериментальное исследование СВЧ системы с самосинхронизацией магнетрона частью мощности, прошедшей через ускоряющий резонатор 65
3.3.1 Экспериментальная установка 65
3.3.2 Результаты экспериментов 72
Выводы 75
4 Автогенераторная СВЧ система разрезного микротрона на
энергию 70 МэВ 78
4.1 Тракт обратной связи 88
Конструкция элементов тракта обратной связи 90
Конструкция тракта обратной связи 98
Измерение параметров тракта обратной связи 99
4.2 Система долговременной стабилизации амплитуды поля в уско
ряющей структуре 104
Аппаратный модуль преобразования 106
Алгоритм долговременной стабилизации 108
Практическое использование системы стабилизации . . . 111 Выводы 111
5 СВЧ система разрезного микротрона с высокой яркостью
пучка на энергию до 35 МэВ 113
Ускоряющие структуры и источник СВЧ мощности 114
Возбудитель клистрона и СВЧ тракты 117
Тракт высокого уровня мощности 120
Возбудитель клистрона 125
Блок низкого уровня мощности 130
5.3 Результаты экспериментов 134
Выводы 137
Заключение 138
Список использованных источников 140
Введение к работе
Микротрон был предложен В.И.Векслером в 1944 году [1J. После того как были предложены и реализованы эффективные способы инжекции электронов в микротрои [2] и эффективные режимы ускорения [3] началось применение этих машин для решения фундаментальных и прикладных задач. Они используются в ядерно-физических экспериментах [4, 5], в 7-активационном анализе [6], дефектоскопии [7, 8, 9] и медицине [10]. В ОИЯИ, например, периодически проводятся международные рабочие совещания по использованию микротронов в ядерной физике. К настоящему времени СВЧ системы классического микротрона исследованы достаточно хорошо. В ряде работ определены области параметров СВЧ тракта и его элементов обеспечивающие, при использовании магнетрона эффективную передачу мощности в ускоряющий резонатор и устойчивость режима ускорения [11, 12, 13, 14]. На пути повышения энергии пучка в классическом микротропе стоит ряд трудностей. Это, во первых, особенности фазового движения частиц в микротроне [15, 16], которые затрудняют прохождение пучка далее ~ 40 орбиты. Во вторых -отсутствие режимов ускорения с приростом энергии более 1,9 энергии покоя электрона. Рассчитанные в [17] режимы с приростом 3 и 4 энергии покоя электрона не были реализованы. Максимальная энергия, полученная в классическом микротроне 40 МэВ [16], при этом резко снижается импульсное значение тока. Там же показано, что энергия около 60 МэВ может считаться предельной для классического микротропа. Для ряда фундаментальных и
прикладных задач требуется энергия пучка 50 -f- 70 МэВ. Возможность оперативного обнаружения взрывчатых и наркотических веществ с помощью 7-активациопного анализа была показана в [18]. Один из проектов создания мобильного комплекса для решения подобных задач, разработанный на основе результатов [18], описан в [19].
Дальнейшее повышение энергии электронного пучка и его тока возможно в разрезных микротронах, предложенных Ю.С.Швиигером (J.S.Shchwinger) еще в 1945 году. В таких машинах ускоряющая структура расположена между двумя поворотными магнитами, в области без магнитного поля. Здесь может применяться секция линейного ускорителя, что позволяет получить больший прирост энергии (и большую конечную энергию пучка при разумном числе орбит). Например, созданный в ФИ АН разрезной микротрон [20], был рассчитан на максимальную энергию 30 МэВ с приростом энергии за оборот 0 МэВ. В нем используется ускоряющая структура с бегущей волной. Работы по созданию лазера па свободных электронах на основе пучка этого микротрона при работе ускорителя в однопроходном режиме с энергией б-т-8 МэВ описаны в [21].
Проект ускорителя с энергией пучка до 70 МэВ [22, 23] был разработан для оперативного обнаружения взрывчатых и наркотических веществ. Дальнейшие работы в этом направлении привели к кооперации ряда организаций и созданию в НИИЯФ МГУ ускорителей нового поколения: двух разрезных микротропов с рециркуляторами на постоянных магнитах [24, 25], а также проекта малогабаритного микротрона для интраоперациошюй терапии [26|.
В связи с уникальностью разрезных микротронов с рециркуляторами на постоянных магнитах исследовательские работы, направленные на создание их элементов и систем представляют как научный так и практический интерес. Одной из основных систем разрезного микротроиа является СВЧ система. Она определяет параметры полей в ускоряющих структурах, стабиль-
ность их амплитуды, частоты, фазы. Это во многом определяет параметры пучка ускоренных электронов.
Целью работы является разработка, создание и экспериментальное исследование систем высокочастотного питания микротронов, в том числе:
СВЧ системы с самосинхронизацией магнетрона сигналом, прошедшим через ускоряющий резонатор (ускоряющую структуру), предложенной нами в [27], включая оценку возможности ее применения в малогабаритном разрезном микротроне с энергией пучка до 12 МэВ [26];
автогеператорной СВЧ системы разрезного микротрона с энергией пучка до 70 МэВ [24], включая разработку и исследование тракта обратной связи и системы долговременной стабилизации амплитуды поля в ускоряющей структуре [28];
СВЧ системы разрезного микротрона с высокой яркостью пучка на энергию до 35 МэВ с внешней инжекцией от линейного ускорителя с СВЧ пушкой [25].
Научная новизна работы заключаются в том, что впервые были созданы и исследованы СВЧ система с самосинхронизацией магнетрона сигналом, прошедшим через ускоряющий резонатор (ускоряющую структуру), автоге-иераторная СВЧ система разрезного микротроиа, включая тракт обратной связи и систему долговременной стабилизации амплитуды ноля в ускоряющей структуре, СВЧ система разрезного микротрона с высокой яркостью пучка на энергию до 35 МэВ с внешней инжекцией от линейного ускорителя с СВЧ пушкой.
Практическая ценность работы заключается в том,что созданные СВЧ системы установлены на действующих ускорителях, использующихся для прикладных и фундаментальных исследований, и могут быть применены на вновь разрабатываемых ускорителях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международном рабочем совещании "Beam Dynamics & Optimization"-(BDO) в 2002 и 2006 гг. ([29, 30]), на Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц -(RUPAC) в 1992, 2002, 2004 гг. ([31, 26, 28]), на Международной конференции по ускорителям заряженных частиц США-(РАС) в 2001 г. ([32]). Объем работы. Работа содержит 136-листов основного текста с иллюстрациями, 77-рисупков, 8-таблиц, список использованных источников из 106 наименований.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников.
Во введении обоснован выбор темы исследования и показана ее актуальность.
В первой главе сделан обзор СВЧ систем классических и разрезных микротропов. Рассмотрены СВЧ системы па основе магнетронов, амилитронов и клистронов, в том числе и автогенераторные.
Во второй главе рассмотрены модельные представления элементов СВЧ систем микротрона: ускоряющего резонатора (ускоряющей структуры), магнетронного генератора, клистронного усилителя и СВЧ тракта (здесь рассмотрена передача сигнала в тракте, что позволяет корректно ввести запаздывания амплитуды и фазы волны в уравнения, описывающие колебания в системе). Рассмотрена также модель пучка ускоренных электронов (для классического микротрона).
В третьей главе исследуется предложенная нами СВЧ система микротропа с самосинхронизацией магнетрона через ускоряющий резонатор [27]. Проведен анализ установившихся и переходных процессов в ней. Проведено экспериментальное исследование СВЧ системы. Показана возможность применения такой системы в малогабаритном разрезном микротроне с энергией пучка
до 12 МэВ для интраоперационной терапии, проект которого описан в [26].
В четвертой главе рассмотрена автогенераторная СВЧ система компактного разрезного микротрона с энергией до 70 МэВ [24]. Анализируется установившийся режим в ней. Разработана структура тракта обратной связи СВЧ системы и сам тракт. Проведено его экспериментальное исследование, в том числе и в составе микротрона. Разработана система долговременной стабилизации мощности в ускоряющей структуре [28] и проведено ее экспериментальное исследование.
Пятая глава посвящена СВЧ системе разрезного микротрона с высокой яркостью пучка и энергией до 35 МэВ [25, 29]. Здесь предложена структура СВЧ системы, проведена разработка ее элементов и их экспериментальное исследование. Исследована работа системы в составе микротрона, осуществлено ускорение электронов.
В заключении приведены основные результаты, полученные по теме диссертации.