Об улучшении выходных параметров синхротрона «Сириус

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ФИЗИКА
№ 11
2009
УДК: 539.1.03 621.384.6
ЛАШУК Н.А.
ОБ УЛУЧШЕНИИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИНХРОТРОНА «СИРИУС»
Анализируются требования к параметрам систем синхротрона с точки зрения улучшения его вы10
ходных параметров: увеличения ускоренного тока до 60 mА/имп (4 10 эл/имп), обеспечение надежной и
стабильной работы в диапазоне энергий от 350 МэВ до 850 МэВ, получения импульсов излучения от сотни
микросекунд до десятков миллисекунд, что позволит проводить физические исследования на современном
уровне.
На электронном синхротроне «Сириус» [1] с 1967 года проводились длительные исследования по физике атомного ядра и элементарных частиц, изучались электромагнитные процессы в
периодических структурах, фотонные пучки использовались для создания мощных источников
когерентного излучения. Синхротронное излучение позволяло проводить исследования по физике
твердого тела в диапазоне вакуумного ультрафиолета, использовать метод рентгеновской литографии в прикладных целях, диагностировать пучки электронов.
В процессе эксплуатации одновременно проводилась модернизация, улучшающая выходные
параметры и работу синхротрона [2].
В настоящее время выходные параметры синхротрона не удовлетворяют требованиям физических экспериментов, особенно по величине ускоренного тока, и требуют их улучшения. Некоторые существующие системы морально и физически устарели, не отвечают по параметрам и
надёжности, поэтому необходима их модернизация или замена.
Главный узел синхротрона, с помощью которого создаётся магнитное поле необходимой
конфигурации в объёме вакуумной ускорительной камеры, электромагнит, находятся в хорошем
состоянии и не требуют вмешательства.
Основной целью по улучшению выходных параметров является увеличение ускоренного тока
до 60 мА èì ï 1 при частоте повторения до 8 Гц, улучшение характеристик излучения длительностью (6-10) 103 с при энергиях до 650 МэВ и 20 103 сек более при энергиях 650-850 МэВ. Величина ускоренного тока определяется как I óñê  I ì èêð èí ô .  N í àê óñê , где I ì èêð – ток микротрона на
входе в синхротрон; èí ô . – коэффициент прохождения электронов через электростатический инфлектор; í àê и N – коэффициент накопления электронов в бетатрон и число оборотов;  óñê – коэффициент высокочастотного захвата и ускорения электронов.
Синхротрон является многофункциональной системой и требует комплексного решения проблем по получению высокого вакуума, по системе инжекции, формированию магнитного поля и
ускоряющего радиочастотного напряжения. Инжектором является микротрон на энергию 6,4 МэВ,
источником СВЧ мощности в 10см. диапазоне длин волн служит импульсный магнетрон мощностью 1,8 Мвт. Специальная конструкция катода магнетрона позволяет работать при длительностях
импульса до 10 мксек, частотах повторения до 2 Гц и скважности 200 [3].
В настоящее время выведенный из микротрона ток до 30 мА èì ï 1 и длительностью 3,2 мкс.
Этого недостаточно как при использовании микротрона в качестве инжектора, а также как самостоятельного источника излучения при проведении физических исследований и прикладных работ
на выведенном пучке. По предложению сотрудников ФИРАН г. Москва для увеличения тока
эмиссии катода и эффективности захвата электронов на подогревательподается отрицательное, а
на катод положительное напряжение.
Ток микротрона
1  ηPì àã  P0 
Iì âû â 

,
K
nV
1+
0
n
здесь ηPì àã – используемая мощность магнетрона с учётом потерь в феррите и волноводе; V0 è P0
– амплитуда напряжения на резонаторе и потери в нем; âû â – коэффициент вывода из микротрона;
2
Лашук Н.А.
n и K – число орбит и коэффициент, зависящий от отношения мощности потерь электронов в резонаторе к потерям резонансными электронами.
На рис. 1 приведена зависимость тока микротрона от коэффициента K. Из рисунка следует,
что в диапазоне K от 12 до 30 ток микротрона изменяется от 88 мA до 46 мA. Вторым источником
увеличения тока является 100 % вывод из микротрона.
Рис. 1. Зависимость тока микротрона от коэффициента К
С целью обеспечения стабильности работы микротрона, особенно при больших токах, необходима стабилизация высокого напряжения, что очевидно и практически всегда используется, и
стабилизация эмиссии катода. Однако вследствие температурных изменений катода, из-за различных причин его эмиссия изменяется и приходится подстраивать высоким напряжением, что приводит к изменению энергии и недопустимо в некоторых экспериментах. Для устранения этого недостатка предлагается стабилизация эмиссии катода методом сравнения её с опорным сигналом и
введением отрицательной обратной связи по напряжению смещения или по току подогревателя
катода. Подстройка резонатора током эмиссии при постоянном высоком напряжении на магнетроне позволяет настраивать микротрон на оптимальный или максимальный режим при постоянной энергии.
«Сириус» является ускорителем со слабой фокусировкой и многооборотной инжекцией. Величина накопленного тока определяется выражением
t j
b
I í àê   j  I ì èêð 
 A j  I ì èêð  0 , ,
t 0j
B0j
где A = 0,5  106 – постоянный параметр синхротрона;  j  èí ô í àê  0,75  0, 24  0,18 – коэффициент прохождения пучка через инфлектор и накопления в бетатрон (максимальные экспериментальные данные); b0 и B0j – полуразмер рабочей области вакуумной камеры по полю и скорость
изменения магнитного поля при инжекции. При постоянных I ì èêð  b0 накопленный ток определяется величиной B0j , которая является очень важным параметром и от которой зависит длительность инжекции и время накопления.
В настоящее время рабочая область 0,8 b 0 = 4,8 см. B0j = 7,5 Тл/с; t j  3,2 мкс и I í àê max  160
мA при I ì èêð  30 мА. Увеличение полуразмера рабочей области до 6,0 см (что может быть достигнуто коррекцией магнитного поля синхротрона и выведением из рабочей области камеры мишеней и др. устройств), уменьшение B0j до 6,0 Të/ñ и, соответственно, увеличение длительности
Об улучшении выходных параметров синхротрона «Сириус»
3
импульса инжекции до 6,5 мкс позволит получить накопленный ток около 300 мА/имп. Увеличение тока микротрона свыше 30 мА/имп при 100 % выводе и прочих равных условиях должно привести к пропорциональному увеличению I í àê .
Длительность импульса задается формирующей линией в цепи подмодулятора и может легко
регулироваться. Между магнетроном и СВЧ-резонатором установлен ферритовый вентиль,
уменьшающий потери в тракте до 15-20 %.
Наиболее ответственным узлом, определяющим ток, надёжность, стабильность и эффективность работы микротрона является СВЧ-резонатор с катодным узлом.
Способы повышения эффективности микротрона описаны в [3], которые реализованы у нас,
однако требуется дальнейшее совершенствование особенно при сборке катодного узла и установке
резонатора.
Схема питания синхротрона построена, по принципу разряда накопительной ёмкости на индуктивность электромагнита. Параметры контура Lk  0,064 Гн, Cê  10200 106 ô и при проектной энергии 1500 МэВ Bmax  ωB max cosωt  45 Тл/с. Это недопустимо большая скорость роста для
накопления частиц в бетатрон, поэтому была применена схема дефорсировки, уменьшающая Bmax
до 11 Тл/с при инжекции [4]. В дальнейшем из экономических соображений работа синхротрона
была переведена в короткий цикл ускорения с ёмкостью 4080 106 ф и проработала длительное
время. Конденсаторы ИМЗ-100 выработали ресурсы и требуют замены на новые, что очень дорого
и к тому же ИМЗ-100 в настоящее время не выпускаются. Мною предложен и рассчитан вариант
использования другой части базового накопителя емкостью 6120 106 ф. В этом случае в диапазоне энергий от 350 МэВ и до 850 МэВ естественная максимальная скорость роста поля изменяется от 14,0 Тл/с до 34,0 Тл/с, т.е. коэффициент дефорсировки должен регулироваться от 2,3 до 5,6
или Lgg от 0,080 Гн до 0,3 Гн., что реально осуществимо. Дистанционная плавная регулировка индуктивности Lgg позволит выбрать B j opt в рабочем диапазоне энергий с точки зрения накопления и
ускорения максимального тока. Параметры контура позволяют работать с частотой повторения до
8 Гц, длительностью циркуляции пучка до 50 103 с и максимальным напряжением на накопителе
около 9000 В ( E á max  15 кВ).
Радиочастотное (р.ч.) напряжение в синхротроне «Сириус» используется как для захвата и
ускорения электронов, так и для их сброса на мишень за счёт потерь на электромагнитное излучение, пропорциональное E 4 / R . В случае использования синхротронного излучения потери компенсируются энергией р.ч. поля, поэтому требования к параметрам ускоряющего р.ч. поля очень
велики. При «мгновенном» захвате в синхротронное ускорение начальная амплитуда поля и время
его установления должны быть не менее необходимого прироста энергии в э/в на оборот в начале
ускорения. Равновесное напряжение Vs (t)=ΔW0 =eR 0 L 0 B 0j . Оптимальным значением начального
напряжения Vî í является такое, при котором максимальная амплитуда радиальных синхротронных
колебаний равна допустимой амплитуде бетатронных колебаний, раной 0,9 b 0 . Расчёты показывают, что равновесный фазовый угол при B0j = 6,0 Т/с равен 76о,
Vî í  4000 В и должен плавно
1000B
.В
ì êñåê
этом случае максимальный расчетный коэффициент захвата в ускорение  óñê = 0,24 и
регулироваться [5]. Время установления Vî í должно быть меньше 1 мксек, т.е. V(t)³ 
I y max   óñê  I í àê  72 ì À/èì ï

5 1010 ýë/èì ï  .
В синхротроне применён вакуумный высокодобротный ускоряющий резонатор, возбуждаемый многокаскадным р.ч. генератором со сложной схемой модуляции. Для получения фронта
начального напряжения применена импульсная форсировка мощности на время высочастотного
захвата и начала ускорения.
Недостатком существующей схемы является использование генераторных триодов и схемы с
общей сеткой, в которой часть мощности возбуждения проходит в резонатор, является неуправляемой и затрудняет, а иногда и не позволяет получать требуемые параметры р.ч. поля и ускоряемый
Лашук Н.А.
4
ток. Другая трудность в использовании высокодобротного резонатора заключается из-за взаимодействии с пучком, обеспечения условий мгновенного захвата и стабильного ускорения.
Предлагается использовать современные генераторные тетроды (пентоды), а на базе существующего создать резонатор с меньшей добротностью и шунтовым сопротивлением. С этой целью в существующей конструкции резонатора устанавливается дополнитеный цилиндрический
электрод, указанный на рис. 2 – пунктиром.
Рис. 2. Схема резогатора и его модернизация:
1 – дополнительный электрод;
2 – подстроечный электрод.
Расчётные параметры резонатора: волновое сопротивление 20 Ом, собственная добротность
4000, шунтовое сопротивление 80 000 Ом.
Принимая начальное напряжение 5000 В, время установления 3 106 с необходимо ввести в
резонатор скачок мощности 12 кВт длительностью до 10 мкс. При времени 5 106 с, потребуется
мощность всего 5 кВт. Необходимо предусмотреть получение максимально короткого фронта импульса возбуждения, так как он оказывает существенное влияние на время установления и ускоренный ток.
Работа выполнена при частичной поддержке Федерального агентства по науке и инновациям,
контракт № 02.740.11.0245.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. В о р о б ь е в А.А., Ч у ч а л и н И.П., В л а с о в А.Г. и др. Синхротрон ТПИ на 1,5 ГэВ / Под ред.
И.П. Чучалина. – М., Атомиздат, 1968.
2. В и з и р ь В.А., К р а с н о н о с е н ь к и х П.П., Л а ш у к Н.А. и др. // ЖТФ. – 1969. – Т. XXXIX. –
Вып. 6. – С. 982.
3. К а п и ц а С.П., М е л ё х и н В.Н. Микротрон. – М.: Наука, 1969.
4. К р а с н о н о с е н ь к и х П.П., К у з н е ц о в В . М . , Л а ш у к Н.А. и др. // Приборы и техника экспе-
римента. – 1977. – № 1. – С. 20
5. K a i s e r T . R . О захвате частиц на синхротронную орбиту. // Proc. Phys. Soc. – 1950. – V. 63 A. – P. 52.
Научно-исследовательский институт ядерной физики
Е-mail: [email protected]