НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 621.384.6

КОБЕЦЬ Анатолій Пилипович

ПРИСКОРЕННЯ ПУЧКІВ ВАЖКИХ ІОНІВ

У ЛІНІЙНИХ ПРИСКОРЮВАЧАХ

З ЗУСТРІЧНО-ШТИРЬОВОЮ СТРУКТУРОЮ

(01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в інституті “Плазмової електроніки та нових методів прискорення” Національного наукового центру “Харківський Фізико-Технічний Інститут” Державного Комітету по науці і інтелектуальній власності Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

Бомко Василь Олексійович,

начальник лабораторії

ІПЕНМУ ННЦ ХФТІ

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

професор Карась Вячеслав Ігнатович,

начальник лабораторії

ІПЕНМУ ННЦ ХФТІ

доктор фізико-математичних наук,

професор Рашкован Василь Маркович,

професор кафедри Державного

аерокосмічного університету ХАІ

Провідна організація: Науковий фізико-технологічний центр Міністерства освіти та НАН України,м. Харків.

Захист дисертації відбудеться “ 23 “ листопада 1999 р. о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 310108, м. Харків, вул. Академічна, 1, конференцзал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 310108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розісланий “ 15 “ жовтня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.І.Айзацький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Прискорення пучків важких іонів є однією із галузей науки і техніки, що розвиваються найбільш швидко. Серед уже традиційних напрямків використання важких іонів важливе місце займають дослідження з ядерної фізики і радіаційного матеріалознавства. Проте, в останні роки велика увага приділяється новим професіям пучків важких іонів, таким як дослідження з керованого термоядерного синтезу, а також одержання інтенсивного пучка швидких нейтронів, вивчення надсильних полів тощо. Найбільше вражаючим є проникнення пучків важких іонів у високі технології. Спрямована і строго дозована глибина імплантації необхідного сорту іонів у напівпровідникові матеріали є важливим засобом розвитку новітньої мікрорадіоелектроніки. Трекові мембрани подають унікальні можливості очищення рідин і газів. Особливо широке застосування пучків важких іонів спостерігається в усьому світі в медицині. У розвинених країнах працюють декілька комплексів в області діагностики і радіаційної терапії онкологічних захворювань, де застосовуються пучки важких іонів різноманітного сорту і різноманітних енергій.

На Україні дотепер такі комплекси або проекти відсутні. Радіотерапія в онкологічних клініках здійснюється на застарілих, малоефективних джерелах - випромінювань або в кращому випадку, прискорювачах електронів, що у великому ступені уражають здорову тканину. Проте, із часом Україні не можна буде залишатися осторонь від галузі медицини, що розвивається бурхливо - радіотерапії онкологічних захворювань на базі пучків важких іонів. Те ж саме відноситься і до наукових і технологічних напрямків використання пучків важких іонів.

На Україні єдиним науковим центром, де проблема прискорення пучків важких іонів у лінійних прискорювачах знаходиться на світовому рівні, є ННЦ ХФТІ. Тут накопичений великий досвід розробки, спорудження, наладки й експлуатації лінійних прискорювачів важких іонів. У 80-х роках на базі розробленої в ХФТІ модифікації зустрічно-штирьової структури (ВШУС) здійснена реконструкція передобдиркової і основної секцій ЛУМЗІ. Вперше у світі ця перспективна прискорююча структура була впроваджена в чинному значному прискорювачі і показала свою високу ефективність. Ці розробки широко відомі і за рубежем. Пізніше вони одержали великий розвиток у ФРН і Японії.

Для становлення на Україні галузей високих технологій і медико-біологічного напрямку потрібне створення лінійних прискорювачів важких іонів різноманітного призначення, що можливо при подальшому удосконалюванні зустрічно-штирьових структур, створенню нових ефективних її модифікацій, розробці комплексу систем настройки і пристроїв формування заданого розподілу прискорюючого поля.

Аналіз рівня розвитку зустрічно-штирьової структури стосовно прискорення пучків важких іонів показує, що деякі конструктивні вузли, пристрої і методи настройки і формування необхідного розподілу прискорюючого поля потребують подальшого удосконалення, що і явилося задачею досліджень, покладених в основу цiєї дисертації. Так у багатьох випадках у лінійних прискорювачах що споруджуються на базі зустрчно-штирьової структури використовуються дуже складні в технічному плані конструктивні рішення, що найчастіше погіршує електродинамічні характеристики. Крім того, як випливає з відомих публікацій, дотепер відсутнє розуміння фізичних процесів впливу кнцевих резонансних елементів настройки, які є основним механізмом формування рівномірного розподілу прискорюючого поля.

Дослідження, виконані в цій дисертаційній роботі, дозволяють деякою мірою усунути зазначені проблеми і втілити результати в створених прискорюючих структурах зустрчно-штирьового типу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень пов'язано з виконанням базової “Програми робіт з атомної науки і техніки ННЦ ХФТI на період 1992-2000 р.р.”, що виконується відповідно до постанови Кабінету Міністрів України №558 від 20.07.1993 р., договору Міністерства ВПК України №9165/07 від 1993 р. “Розробка устаткування прискорюючого комплексу по виробництву трекових мембран для нового устаткування, що фільтрує”, договору з заводом “Тензор” м.Дубна №123/61 від 24.09.1992 р. “Виготовлення і поставка під монтаж систем лінійного прискорювача”, договору з IЯД РАН м. Москва №528/61 від 05.03.91 р. “Розробка, виготовлення і дослідження структури лінійного прискорювача радіоактивних пучків”

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є розробка ефективних модифікацій зустрічно-штирьових структур для прискорення пучків важких іонів у лінійних прискорювачах різноманітного призначення, а також розробка і впровадження нових методів прискорення.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробка комплексу систем настройки і пристроїв формування заданого розподілу поля в створюваних прискорювачах пучків важких іонів;

- вирішити проблему плавного регулювання енергії прискорених іонів і прискорення важких іонів на вищих модах;

- розробити модифікації зустрічно-штирьових структур для лінійних прискорювачів прикладного призначення;

- розробити конструкцію зустрічно-штирьової структури, розрахованої на безперервний режим роботи.

Наукова новизна роботи пов’язана з слідуючими отриманими результатами:

- вперше для зустрічно-штирьової прискорюючої структури створено повний комплекс систем настройки і формування рівномірного розподілу прискорюючого поля, що дало можливість споруджувати секції прискорювачів значної довжини і спростити їх конструкцію,

- створена нова модифікація зустрічно-штирьової прискорюючої структури з прямокутною формою поперечного розрізу резонатора,

- показана можливість підвищення енергії іонів на вході в основну секцію лінійного прискорювача важких іонів ЛУМЗІ і таким чином відкрито шлях до розширення діапазону їх мас,

- розроблена базова модифікація зустрічно-штирьової прискорюючої структури на поздовжніх несучих елементах зі зрушеною віссю пучка,

- розроблено метод і пристрої формування ділянок рівномірного розподілу прискорюючого поля регульованої довжини і таким чином вирішено проблему плавного регулювання енергії у зустрічно-штирьовій структурі,

- розроблена конструкція прискорюючої структури, розрахованої на безперервний режим роботи, визначені основні проблеми ВЧ-живлення та видалення тепла з такої структури,

- вперше показана можливість прискорення важких іонів у зустрічно-штирьовій структур на вищих модах, яка дозволяє одержувати енергію іонів вищу за номінальну.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені модифікації прискорюючих структур впроваджені в прискорювачі, що проектуються, споруджуються або діють. Модифікація структури з прямокутною формою поперечного розрізу резонатора впроваджена в передобдиркову секцію лінійного прискорювача ЛУМЗІ і рекомендується для практичного застосування в невеликих прискорювачах.

Модифікація зустрічно-штирьової структури зі зрушеною віссю пучка впроваджена у проект реконструкції лінійного прискорювача ЛУП-9 в ННЦ ХФТІ і у прискорювально-технологічний комплекс по виробництву трекових мембран на заводі “Тензор” м.Дубна і рекомендується застосовувати у невеликих лінійних прискорювачах технологічного і медичного призначення.

Модифікація зустрічно-штирьової структури, розрахованої на безперервний режим роботи, впроваджена у проект лінійного прискорювача радіонуклідів при Московській мезонній фабриці і рекомендується застосовувати як постприскорювач для перезарядного генератора прискорених онв і прискорювач радіонуклідв в ІЯД АН України, м. Київ.

Методи плавного регулювання енергії іонів і прискорення на вищих модах дозволяють одержати на лінійному прискорювачі ЛУМЗІ пучки важких іонів з енергією вище і нижче номінальної.

Персональний внесок. Автор дисертації самостійно висував ідеї і здійснював їх у конструкціях прискорюючих структур і систем настройки, виконував експериментальні дослідження, готував наукові статті і доповіді для публікації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені та доповідались на таких форумах спеціалістів:

- X, XI, XII, XIII, XIV, XV, і XVI Нарадах з прискорювачів заряджених частинок м. Дубна 1986, 1988, 1990, 1992 р.р., м. Протвіно 1994, 1996, 1998 р.р.

- 10, 11, 12, 13, 14 и 15 Міжнародних семінарах з лінійних прискорювачів заряджених частинок м.Харків 1987, 1989, 1991, 1993, 1995 р.р., м.Алушта 1997 р.

- 8-му і 9-му Українському семінарі з мембран та мембранних технологій, Київ-Львів-Славсько, 1993 р. і Київ-Ворзель, 1994 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 7 статтях у спеціалізованих фізичних закордонних журналах і журналах України, в огляді ЦНДIАтомнформ м. Москва, у 3 авторських посвідченнях і в працях перерахованих вище нарад і семінарів. Усього по темі дисертації опубліковано 28 робіт, перелік 21 роботи приведений у заключній частині автореферату.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і списку використаної літератури з 128 найменувань, вона викладена на 147 сторінках, містить 83 рисунки і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, викладений зв’язок з науковими програмами, планами, темами організації, де виконувалась робота, сформульовано мету і задачі досліджень, відзначене наукове і практичне значення основних результатів роботи, а також особистий внесок здобувача в одержані результатів.

У першому розділі викладено головні напрямки наукових і практичних досліджень, де перспективне застосування пучків прискорених важких іонів. Виконано цілеспрямований огляд найбільш складних комплексів, що прискорюють пучки важких іонів, в яких складовою частиною є лінійні прискорювачі. Найбільш ефективна і визнана в світі прискорююча структура зустрічно-штирьового типу на Н-хвилі (Interdigital-H structure) в останні роки широко впроваджується в багатьох проектах.

Аналіз рівня розвитку зустрічно-штирьової структури стосовно до прискорення пучків важких іонів показує, що конструктивні вузли, пристрої і методи настройки і формування розподілу прискорюючого поля вимагають подальшого удосконалення, що стало завданням досліджень, покладених в основу цієї дисертації, які впроваджено в проекти прискорювачів, що розробляються.

У другому розділі наведено обгрунтування напрямку досліджень, сформульовані невирішені завдання, викладена методика досліджень.

Особливістю зустрічно-штирьової прискорюючої структури, яка збуджується на Н-хвилі, є значне, в 34 рази, зниження власної частоти порівняно з ненавантаженим циліндричним резонатором, який збуджується на хвилі з поперечною складовою електричного поля. Таке дуже корисне явище дозволяє зменшити у такий самій мірі поперечні розміри, або збільшити робочу довжину хвилі для прискорення важких іонів. Цей параметр визначає малогабаритність зустрічно-штирьової структури, що разом із високим темпом прискорення і значним шунтовим опором дозволяють зробити висновок про цю структуру як найбільш ефективну для прискорення пучків важких іонів у діапазоні енергій до 10 МеВ/н.

Проте, впровадження зустрічно-штирьової структури в реальні прискорювачі пов’язано зі складністю настройки на задану частоту і формування рівномірного розподілу прискорюючого поля, спричиненої великим зсувом частоти під час внесення навантаження зустрічно-штирьового типу, неоднорідного за своєю природою і відсутністю аксіальної симетрії.

Розрахунок і математичне моделювання електродинамічних характеристик прискорюючих структур зустрічно-штирьового типу є складним процесом який потребує дуже потужних обчислювальних комплексів. Тому основною базою досліджень являлось традиційне використання експериментальних моделей прискорюючих структур, які є зменшеною подібністю реальних прискорюючих секцій. Дослідження проводились на спеціальних стендах з використанням автоматичного вимірюючого комплексу.

У третьому розділі викладена розробка структури лінійного прискорювача важких іонів ЛУМЗІ де вперше в світі в діючому лінійному прискорювачі, у такій великій споруді, втілені ідеї прискорення пучків важких іонів у зустрічно-штирьовій структурі.

Рис. 1. Структурна схема лінійного прискорювача важких іонів ЛУМЗІ.

1 – інжектор, 2 – передобдиркова секція, 3 – стріпер, 4 – основна секція, 5 – магніт.

Структурна схема прискорювача наведена на рис.1. В основній секції прискорювача ЛУМЗІ реалізований комплекс настроюючих елементів, які не застосовувалися раніше ніде в світі. Вперше була розв’язана функція штанг: однієї установчої та двох симетрично розташованих струмонесучих штанг, що виконують функцію настройки шляхом зміни кута розхилу. Індуктивний характер такої настройки не приводить до суттєвого погіршення шунтового опору в допустимих межах. Вперше в основній секції ЛУМЗІ використані кінцеві резонансні елементи настройки з їх глобальною дією на розподіл прискорюючого поля при невеликому зміщенні частоти і показаний на практиці резонансний характер їх дії.

Конструкція основної секції зображена на рис.2. Унікальне сполучення зустрічно-штирьової структури з квадрупольним фокусуванням пучка дозволило прискорити важкі іони з A/q=5 до енергії 8,5 МеВ/н з середньою інтенсивністю до 1011 част/с.

Рис. 2. Прискорююча структура основної секції ЛУМЗІ.

Рис. 3. Прискорююча структура передобдиркової секції ЛУМЗІ.

В передобдирковій секції прискорювача ЛУМЗІ застосована структура зустрічно-штирьового типу в прямокутному виконанні резонатора (див. рис.3), що зумовило значне спрощення конструктивного і технологічного характеру. В реальну конструкцію втілена модифікація кінцевих резонансних елементів настройки, котра дозволяє відмовитись від додаткового ускладнюючого елемента конструкції – поздовжнього короба, або плит, на базі яких будується лінійний прискорювач. В компактній передобдирковій секції змогли прискорити пучки важких іонів з відношенням маси іона до заряду A/q=15 до енергії 1 МеВ/н, розширивши діапазон іонів до Ar3+40 і збільшивши інтенсивність пучка до 1013 част/с. Основні параметри лінійного прискорювача ЛУМЗІ наведені в табл. 1.

В четвертому розділі обгрунтована можливість плавного регулювання енергії важких іонів, що прискорюються в зустрічно-штирьовій структурі, шляхом формування ділянок рівномірного розподілу прискорюючого поля, довжина яких регулюється. Це досягається шляхом зближення власної частоти пасивного резонансного елемента з частотою робочої хвилі, що створює умови для взаємодії полів найближчих по частоті хвиль з полем робочої хвилі.

В основі методу лежить процес компенсації ділянок поля за рахунок міжтипових взаємодій хвиль, частота яких розміщена на нижньому краї дисперсійного спектра Е01l (l=0,1,2,…) для Е-типів хвиль і Н11l (l=1,2,3,…) для Н-хвиль, з хвилею спеціально створеної пасивної резонансної системи. В якості таких пасивних резонансних елементів використовуються чвертьхвильові вібратори або зовнішні Н-резонатори для Е-структур і кінцеві резонансні елементи настройки для Н-структур. В дисертації описані кілька модифікацій таких елементів.

Задача про знаходження дисперсійних співвідношень і виразів для компонент електричного поля в зв’язаній резонансній системі, що являє собою циліндричний резонатор, навантажений кінцевим вібратором, вирішалась методом зворотного перетворення Фур’є.

За допомогою рівняння для визначення поля та дисперсійного співвідношення можливо визначити поле та частоту результативної хвилі резонатора.

В розділі описана методика формування участків рівномірного розподілу прискорюючого поля на спеціально виготовленій моделі основної секції прискорювача ЛУМЗІ.Показано,що в її конструкції закладені всі необхідні настроювальні елементи, які забезпечують плавне регулювання енергії пучка прискорених іонів в діапазоні (0,3-1) Wmax.

Крім плавного регулювання енергії прискорених часток показана можливість збільшення енергії іонів на вході в основну секцію ЛУМЗІ з 0,975 до 1,5 МеВ/н шляхом компенсації прискорюючого поля в початкових зазорах прискорюючої структури. Таке збільшення енергії дозволить забезпечити більш глибокий стрипінг іонів і цим самим збільшити ефективність прискорення в основній секції ЛУМЗІ.

В розділі вперше приводиться обгрунтування та результати дослідження на основній секції ЛУМЗІ нового принципу прискорення на вищій моді.

Структура лінійного прискорювача іонів складається з послідовності періодів, довжина яких визначається по формулі:

Ln=n/2 (1)

де n – відносна швидкість синхронної частки

- робоча довжина хвилі

Приріст довжини періоду за один період ВЧ-коливань приблизно оцінюється по формулі:

Ln = qeEnGn2coss/(Amc2) (2)

де En – середнє по довжині періоду електричне поле

Gn – фактор часу прольоту

s – синхронна фаза

e і m – заряд і маса протона

q і А – зарядове і масове число іона

Якщо збуджувати прискорюючу структуру на частоті вищій від номінальної, то для того ж Ln повинна бути збільшена швидкість часток. Це може бути досягнуто відповідним підбором розміру En в припустимих межах або зменшенням відношення А до q. Таким шляхом можливо досягти деякого збільшення кінцевої енергії часток на виході з прискорювача порівняно з номінальною. Показано, що хвиля Н121, яка має деяку аналогію по розподілу електричного поля в діаметральній площині з хвилею Н111 знаходиться по частоті на відстані 8% від частоти робочої хвилі. Таким чином, показана можливість збільшити енергію прискорених часток до 10 МеВ/н при номінальному її значенні 8,5 МеВ/н.

Аналогічні дослідження виконані на моделі передобдиркової секції ЛУМЗІ, показали, що відповідна вища хвиля Н311, для прямокутного резонатора має частоту на 60% більшу від робочої. Це дасть можливість збільшити енергію іонів на цій секції від 0,975 до 2,6 МеВ/н.

Таким чином, виявлена нова якість прискорюючої структури зустрічно-штирьового типу – можливість регулювання енергії пучка прискорених іонів як в напрямку зменшення, так і в бік її збільшення.

В п’ятому розділі приділено увагу питанням використання пучків важких іонів в практичних цілях, таких як мембранні і імплантаційні технології. Приведені результати розробки зустрічно-штирьових структур лінійних прискорювачів важких іонів практичного призначення.

Рис. 4. Прискорююча структура зі зсунутою віссю пучка та поздовжніми

несучими елементами.

Створено нову модифікацію зустрічно-штирьової структури , у якій вперше об'єднані воєдино декілька нових конструктивних принципів, що призводять до подальшого підвищення ефективності. Це - реалізація ідеї зсуву осі апертурного каналу, по якій здійснюється прискорення пучка, щодо осі резонатора (рис. 4). При цьому, парні трубки дрейфу жорстко кріпляться до бічної стінки резонатора, а непарні - приєднані групами до поздовжніх несучих елементів, розташованих уздовж осі резонатора і закріплених на одній або двох несучих штангах, винесених назовні в юстировочні вузли. Настроюючі струмонесучі штанги приєднані попарно - симетрично до поздовжніх несучих елементів і розташовані рівномірно по довжині, незалежно від довжини прискорюючих періодів під кутами, що забезпечують локальну настройку. Кінцеві резонансні елементи настройки утворюються чверть-хвильовими ділянками кінців поздовжніх несучих елементів, що об'єднують декілька непарних трубок дрейфу на вхідній і вихідній частині структури. Така система значно розширює можливості настройки і формування рівномірного розподілу прискорюючого поля і захищена авторським посвідченням А.С.1336930 СССР, МКИ2 НО5Н9/04.

За результатами досліджень на базі нової модифікації зустрічно-штирьової структури розроблені прискорювачі важких іонів для прикладних цілей.

Реконструкція лінійного прискорювача ЛУП-9 дасть можливість прискорювати важкі іони з відношенням масового числа до зарядового A/q=20 до енергії 1 МеВ/н з середньою інтенсивністю 1012 част/с. Це означає, що будуть прискорюватися іони з низьким зарядовим станом, такі як Ne+20, Ar4+40, Fe4+56, Kr4+84, Mo5+98, які генеруються в джерелах іонів в достатньо великій кількості, а також менш інтенсивні пучки більш важких іонів, наприклад: Xe7+132, U12+238. Основні параметри лінійного прискорювача ЛУП-9 в режимі прискорення важких іонів приведені в табл. 1.

Рис. 5. Структурна схема лінійного прискорювача “Тензор”.

1 – джерело іонів, 2 – інжектор, 3 – початкова прискорююча секція,

4 – передобдиркова секція, 5 – стріпер, 6 – основна секція,

7 – система формування пучка, 8 – камера опромінення.

Для масового виробництва трекових мембран в умовах промисловості розроблено прискорювально-технологічний комплекс для приборобудівного заводу “Тензор” м. Дубна. Структурна схема лінійного прискорювача зображена на рис. 5. Іони вольфрама W4+184 з відношенням масового числа до зарядового A/q=46 прискорюються у трьох секціях до енергії 1, 76 МеВ/н і опромінюють полімерну плівку завтовшки 10-20 мкм. Після подальшої фізико-хімічної обробки опроміненої плівки виробляють трекові мембрани з діаметром пор від 2 мкм до 0,02 мкм і щільністю від 106 до 1010 см-2.

Основна секція цього прискорювача, де іони W14+184 прискорюються від енергії 419 кеВ/н до 1,76 МеВ/н, розроблена на вищезгаданій ефективній модифікації зустрічно-штирьової структури з використанням модифікованого змінно-фазового фокусування пучка. На спеціально побудованій моделі прискорюючої структури в масштабі 1:3 досліджені процеси і системи настройки, отримані необхідні резонансні частоти і сформовані розподіли прискорюючого поля. Параметри основної секції приведені в табл. 1. За результатами досліджень створена технічна документація і виготовлені системи прискорювача.

В шостому розділі приведені результати розробки лінійного прискорювача ЛУРАН призначеного для прискорення специфічного сорту пучків важких іонів – короткоживучих радіонуклідів. Такий прискорювач планується створити в ІЯД РАН м. Москва на базі первинного пучка протонів прискорених до 600 МеВ.

Рис.6. Структурна схема лінійного прискорювача радіоактивних нуклідів ЛУРАН.

1 – початкова прискорююча секція, 2 – фокусуючі лінзи,3 – ребанчер, 4 – резонатор з магнітним періодичним фокусуванням,5 – стріпер,6 – поворотний магніт,7 – резонатор з триплетами,8 – резонатор зустрічно-штирьового типу.

Специфіка цього прискорювача полягає в необхідності запобігання всякого роду втрат пучка в процесі його формування і прискорення. У дисертації досліджена можливість створення прискорюючої структури спроможної працювати в безперервному режимі при максимально можливому значенні відношення масового числа до зарядового (A/q=60). При цьому основними вимогами є як можна більш високий шунтовий опір, велика довжина хвилі ВЧ-живлення і високий темп прискорення. Виходячи з необхідної кінцевої енергії прискорених радіонуклідів (6,5 МеВ/н), здійснене оптимальне компонування загальної схеми прискорювача, приведене на рис. 6. В діапазоні енергії іонів від 0,06 до 6,5 МеВ/н застосовуються п’ять секцій прискорюючої структури зустрічно-штирьового типу з різноманітними засобами фокусування пучка в процесі прискорення.

На перших двох секціях використовується жорсткофокусуючий канал з чергуванням кратності періодів прискорення 0,5 і 1,5 і квадрупольні магнітні лінзи розташовані тільки в парних трубках дрейфу. З метою зменшення ємкосного навантаження і симетрії електричного поля в зазорах кінці парних трубок дрейфу зроблені конусної форми.

В наступних трьох секціях прийнято фокусування з нульовою синхронною фазою і квадрупольними триплетами які розташовані в прискорюючому каналі як всередині секцій, так і в проміжках між ними. Основні параметри п’ятьох секцій прискорювача ЛУРАН приведені в табл. 1.

Настройка на задану частоту і формування рівномірного розподілу прискорюючого поля на всіх п’ятьох секціях здійснена за допомогою струмонесучих штанг і кінцевих резонансних елементів настройки.

Вимірене значення добротності і шунтового опору п’ятьох секцій показують, що втрати ВЧ-потужності будуть майже вдесятеро менше, ніж в структурі типа Альвареця, при значному зростанні темпу прискорення, що особливо важливо в умовах безперервного режиму роботи прискорювача.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі проведено комплексне дослідження і пошук нових шляхів прискорення пучків важких іонів у лінійних прискорювачах із зустрічно-штирьовою структурою. Приводиться опис розробок, пов’язаних із створенням реальних прискорювачів призначених як для наукових досліджень, так і для прикладних цілей. Виконані дослідження і розробки дозволили вирішити ряд принципових проблем, пов’язаних з більш глибоким розумінням електро-динамічних процесів прискорення пучків важких іонів і виконати ряд нових розробок ефективних модифікацій зустрічно-штирьової прискорюючої структури, її систем і елементів конструкції.

Основні результати роботи такі:

1. Завершено розробку комплексу систем настройки і пристроїв формування заданого розподілу прискорюючого поля що мають для зустрічно-штирьової прискорюючої структури вирішальне значення. Створена найбільш гнучка і ефективна система резонансного і нерезонансного типу. Ці системи дозволили споруджувати секції прискорювачів значної довжини, спростити конструкторські і технологічні процеси, зменшити експлуатаційні витрати. По циклі розробок систем настройки зустрічно-штирьової прискорюючої структури захищені 3 авторські посвідчення на винахід.

2. Для прискорення пучків важких іонів на передобдирковій секції лінійного прискорювача ЛУМЗІ застосована модифікація прискорюючої структури з прямокутним перетином, що значно спростило її конструкцію при зберіганні високого шунтового опору.

3. Створена базова модифікація зустрічно-штирьової структури на поздовжніх несучих елементах зі зрушеною віссю пучка. Така система значно розширює можливості настройки і формування рівномірного розподілу прискорюючого поля. На основі такої модифікації розроблені лінійні прискорювачі важких іонів для прикладних цілей.

4. Виявлена можливість створення зустрічно-штирьової прискорюючої структури розрахованої на безперервний режим роботи. Проведені дослідження дозволили довести до рівня технічного проектування розробку лінійного прискорювача радіоактивних нуклідів ЛУРАН.

5. Розроблено метод і пристрої формування ділянок рівномірного розподілу прискорюючого поля і таким чином вирішено проблему плавного регулювання енергії прискорених іонів у зустрічно-штирьовій структурі.

6. Вперше приводиться виклад нового принципу прискорення важких іонів у зустрічно-штирьовій структурі на вищих модах, яка дозволяє одержати енергію іонів вищу за номінальну.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Кобець А.П. Прискорення пучків важких іонів у лінійних прискорювачах з зустрічно-штирьовою структурою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.20 - фізика пучків заряджених часток. Інститут плазмової електроніки і нових методів прискорення Національного наукового центру “Харківський Фізико-Технічний інститут”, Харків, 1999 р.

Дисертацію присвячено розробці зустрічно-штирьових структур для прискорення пучків важких іонів у лінійних резонансних прискорювачах. На масштабних моделях досліджені ефективні модифікації зустрічно-штирьових структур. Розроблено оригінальні елементи настроювання прискорюючого поля, запропоновані нові методи регулювання енергії. Створено конструкції структур лінійних прискорювачів для фундаментальних досліджень (прискорювач ЛУМЗІ і прискорювач радіоактивних нуклідів ЛУРАН) і прикладних цілей (імплантаційні технології і виробництво трекових мембран).

Ключові слова: пучки важких іонів, лінійний прискорювач, зустрічно-штирьова структура, регулювання енергії прискорених іонів, резонансні системи настройки.

Kobets A.P. Interdigital Linacs for Acceleration of Heavy Ion Beams. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.20 – physics of charged particles beams. – National Scientific Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”, Kharkiv, 1999.

The thesis is devoted to the elaboration of interdigital H-structures for accelerating of heavy ion beams at linear resonant accelerators. Effective versions of interdigital H-structures were investigated experimentally at the scale models. Unique elements for accelerating field tuning were designed, new methods for energy variation of accelerated beams of charged particles are proposed. Configurations of accelerated structures of linear accelerators are created for fundamental investigations (LUMZI accelerator and LURAN accelerator of radioactive nuclides), and for applied researches (implantation technologies, track membranes fabrication etc).

Key words: heavy ion beams, linear accelerator, interdigital H-structure, variation of the energy of accelerated ions, resonant tuning systems.

Кобец А.Ф. Ускорение пучков тяжелых ионов в линейных ускорителях со встречно-штыревой структурой-рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.20 – физика пучков заряженных частиц. – Национальный научный центр “Харьковский Физико-Технический институт”, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена исследованию и поиску новых путей ускорения пучков тяжелых ионов в линейных ускорителях со встречно-штыревой ускоряющей структурой. Приводится описание разработок, связанных с созданием реальных ускорителей, предназначенных как для научных исследований с пучками тяжелых ионов, так и для прикладных целей.

Разработан комплекс настроечных систем и устройств формирования заданного распределения ускоряющего поля, которые имеют для встречно-штыревой ускоряющей структуры решающее значение. Создана наиболее гибкая и эффективная система настройки резонансного и нерезонансного типа. По циклу разработки систем настройки встречно-штыревой ускоряющей структуры, содержащейся в диссертации, защищено 3 авторские свидетельства на изобретение.

Для ускорения пучков тяжелых ионов на предобдирочной секции ЛУМЗИ применена модификация встречно-штыревой ускоряющей структуры в виде резонатора с прямоугольным сечением, что значительно упростило ее конструкцию при сохранении высокого шунтового сопротивления. Применительно к этой системе создана новая конструкция концевого резонансного элемента настройки, которая, в отличие от таковой для основной секции ЛУМЗИ и индуцеров, применяемых в зарубежных конструкциях, не требует несущих плит.

Создана новая модификация встречно-штыревой структуры в которой впервые объединены воедино несколько новых конструктивных принципов, приводящих к дальнейшему повышению эффективности. Это – реализация идеи сдвига оси апертурного канала, по которой осуществляется ускорение пучка, относительно оси резонатора. При этом, четные трубки дрейфа жестко крепятся к боковой стенке резонатора, а нечетные подсоединены группами к продольным несущим элементам, расположенным вдоль оси резонатора, закрепленными на одной или двух несущих штангах, вынесенных наружу в юстировочные узлы. Настроечные токонесущие штанги подсоединены попарно – симметрично к продольным несущим элементам и расположены равномерно по длине, независимо от растущей длины ускоряющих периодов, под углами, обеспечивающими локальную настройку. Концевые резонансные элементы настройки образуются четверть-волновыми участками концов продольных несущих элементов, объединяющими несколько нечетных трубок дрейфа на входной и выходной части структуры. Такая система значительно расширяет возможности настройки и формирования равномерного распределения ускоряющего поля и защищена авторским свидетельством.

На базе этой модификации ускоряющей структуры со сдвинутой осью пучка разработаны ускорители для прикладных целей. Вместо реконструируемого устаревшего ускорителя ЛУП-9 предлагается соорудить ускоритель тяжелых ионов на энергию 1 МэВ/н с A/q=20 для имплантационных технологий и производства трековых мембран. Для промышленного производства трековых мембран на заводе “Тензор” г. Дубна разработан ускорительный комплекс в составе которого основная секция, где ионы вольфрама ускоряются от 0,419 МэВ/н до конечной энергии 1,76 МэВ/н.

Для создания линейного ускорителя радиоактивных нуклидов ЛУРАН при Московской мезонной фабрике исследованы возможности создания ускоряющей структуры, способной работать в непрерывном режиме при максимально возможном значении отношения массового числа к зарядовому (A/q=60). При этом основными требованиями являются как можно более высокое шунтовое сопротивление, большая длина волны и высокий темп ускорения. Исходя из требуемой величины конечной энергии ионов (6,5 МэВ/н), осуществлена оптимальная компоновка общей схемы ускорителя, согласно которой в диапазоне энергии ионов от 0,06 до 6,5 МэВ/н применяется 5 секций ускоряющей структуры встречно-штыревого типа с различными средствами фокусировки пучка в процессе ускорения (квадрупольные магнитные линзы, структура фокусировки с нулевой синхронной фазой, фокусирующие квадрупольные триплеты). Исследования, описанные в диссертационной работе, позволили довести разработку до уровня технического проектирования.

Решена проблема плавного регулирования энергии во встречно-штыревой ускоряющей структуре. Показана принципиальная возможность и выполнен заключительный цикл исследований на модели ускоряющей структуры основной секции ЛУМЗИ, наиболее длинной ускоряющей структуры встречно-штыревого типа , находящейся в эксплуатации. Было показано, что заложенные в ее конструкции элементы настройки позволили создавать участки равномерного поля регулируемой протяженности и тем самым в полной мере решить проблему плавного регулирования энергии ионов в пределах (0,3 – 1) Wmax. Это новое качество линейного ускорителя тяжелых ионов, сооруженного на базе встречно-штыревой структуры.

Впервые приводится изложение нового принципа ускорения на высших модах, имеющих определенную аналогию распределения электрического поля с рабочей волной. Применительно к ПОС ЛУМЗИ это означает возможность увеличения энергии пучков ускоренных тяжелых ионов с 1 до 2,56 МэВ/н, а для ОС ЛУМЗИ открывается возможность повышения энергии ускоренных ионов с 8,5 до 10 МэВ/н.

Проведенные исследования и разработки позволили решить некоторые принципиальные проблемы, связанные с более глубоким пониманием электродинамических процессов ускорения пучка тяжелых ионов и выполнить ряд конструктивных разработок эффективных модификаций встречно-штыревой ускоряющей структуры, ее систем и элементов конструкции.

Ключевые слова: пучки тяжелых ионов, линейный ускоритель, встречно-штыревая структура, регулирование энергии ускоренных ионов, резонансные системы настройки.