Высокочастотные системы микротрона

Микротрон был предложен В. И. Векслером в 1944 году [1]. После того как были предложены и реализованы эффективные способы инжскции электронов в микротрон [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 [б], 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 микротроне стоит ряд трудностей. Это, во первых, особенности фазового движения частиц в микротропе [15, 16], которые затрудняют прохождение пучка далее ~ 40 орбиты. Во вторыхотсутствие 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 микротропе 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 эиергия 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 па основе результатов [18], описан в [19].

Дальнейшее повышение энергии электронного пучка и его тока возможно в разрезных микротронах, предложенных Ю. С. Швипгером (J.S.Shchwinger) еще в 1945 году. В таких машинах ускоряющая структура расположена между двумя поворотными магнитами, в области без магнитного ноля. Здесь может применяться секция линейного ускорителя, что позволяет получить больший прирост энергии (и большую конечную энергию пучка при разумном числе орбит). Например, созданный в ФИАН разрезной микротроп [20], был рассчитан на максимальную энергию 30 МэВ с приростом энергии за оборот G МэВ. В нем используется ускоряющая структура с бегущей волной. Работы по созданию лазера па свободных электронах на основе пучка этого микротропа при работе ускорителя в однопроходном режиме с энергией 6−4-8 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 микротропа для иптраоперационной терапии [26|.

В связи с уникальностью разрезных микротропов с рециркуляторами на постоянных магнитах исследовательские работы, направленные па создание их элементов и систем представляют как научный так и практический интерес. Одной из основных систем разрезного микротропа является СВЧ система. Она определяет параметры полей в ускоряющих структурах, стабильность 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 разрез-пом 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-ператорная СВЧ система разрезного микротрона, включая тракт обратной связи и систему долговременной стабилизации амплитуды поля 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 па вновь разрабатываемых ускорителях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались па междупарод-ном рабочем совещании «Beam Dynamics & Optimization» -(BDO) в 2002 и 200С 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.

Результаты работы получены в основном в 1999;2005 годах. Они докладывались на международном совещании «Beam Dynamics к Optimization» -BDO ([29, 30]), на Всероссийском совещании по ускорителям заряженных частицRUPAC ([26, 28]), па Конференции по ускорителям заряженных частицРАС ([32]) и опубликованы в сборниках трудов этих совещаний, а так же опубликованы в печати [25, 53, 106].

Заключение

.

В процессе выполнения диссертационной работы при непосредственном участии автора были получены следующие основные результаты:

1. Предложена и разработана СВЧ система микротрона с самосинхронизацией магнетрона через ускоряющий резопатор[27], рассчитаны стационарные и переходные процессы в ней, проведено ее экспериментальное исследование на существующем в СГУ микротроис. Оценена возможность ее использования в разрезном микротропе с энергией пучка до 12 МэВ, проект которого описан в [26].

2. Разработана структура тракта обратной связи автогенераторной СВЧ системы разрезного микротрона с энергией пучка до 70 МэВ, созданного в НИИЯФ МГУ. Разработан тракт обратной связи. Проведено экспериментальное исследование элементов тракта и тракта в сборе, на низком уровне мощности, проведены исследования работы тракта в составе микротрона.

3. Разработана система долговременной стабилизации амплитуды поля в ускоряющей структуре и элементы, входящие в нее. Проведено экспериментальное исследование аппаратного модуля преобразования импульсного значения СВЧ мощности в пропорциональное ей постоянное напряжение. Проведено экспериментальное исследование системы стабилизации в составе микротрона.

4. Разработана структура СВЧ системы разрезного микротропа с высокой яркостью пучка и энергией до 35 МэВ, созданного в НИИЯФ МГУ. Разработаны и исследованы элементы системы, создана СВЧ система с помощью которой были получены проектные параметры пучка ускоренных электронов.