Формирование пикосекундных электронных пучков для радиационно-химических и физических исследований

Оглавление
Оглавление
2
Введение.............................................................5
1. Комплекс систем формирования пикосекундных импульсов для линейных ускорителей электронов..............................................23
1.1. Субгармоническая группирующая система ускорителя У-28 для разработки многофункциональных систем измерения параметров пучка...........................................................26
1.2. Экспериментальный инжекторный стенд "Левкой" для испытаний субгармонических систем формирования электронных пучков.........31
1.3. Инжектор и выходные устройства экспериментального стенда С-31 для изучения транспортировки короткоимпульсных пакетных пучков в разреженных газах...............................................36
1.4. Система формирования стенда "Мальва" для исследования узлов установок для времяпролетной нейтронной спектроскопии...........42
1.5. Магнитная формирующая система ускорителя "Мальва-2" для калибровки сверхбыстродействующих детекторов ионизирующих излучений.......................................................45
1.6. Магнитный группирователь ускорителя У-ООЗМ для изучения флуоресценции и радиационно-оптических процессов................53
1.7. Результаты внедрения систем формирования пикосекуидных пучков на ускорителях.....................................................58
2. Инжекторы для формирования короткоимпульсных электронных пучков..............................................................61
2.1. Наносекундные электронные пушки..............................63
2.1.1. Наносекундные пушки для пакетного реоісима работы........66
2.2. Модуляторы электронных пушек.................................72
2.2.1. Модулятор электронной пушки инжекторного стенда..........79
2.2.2. Модуляторы с большой частотой повторения импульсов 82
2.2.3. Модуляторы для пакетного реэюима.........................87
2.3. Исследование эмиссионных свойств автокатодов в сверхвысокочастотном поле формирующего резонатора..........................91
2.3.1. Способ управления током автокатода в СБЧ-поле............97
2.4. Фотоэлектронная пушка.......................................102
2.4.1. Фотокатоды..............................................102
2.4.2. Модуляция фотокатода лазерным лучом.....................107
2.5. Дефлекторы для формирования коротких импульсов тока пучка 109
2.5.1. Модуляторы дефлекторов..................................112
2.5.2. Экспериментальные исследования дефлекторов..............114
2.6. Результаты разработок инжекторов............................116
3. Субгармонические и магнитные группирователи пикосекундных пучков.............................................................118
3.1. Субгармонические резонаторы.................................119
3
3.1.1. Резонатор для группировки электронов на частоте субкратной к ускоряющей частоте 3200 МГц..................................121
3.2. Каскадная субгармоническая группировка.......................124
3.3. Системы ВЧ-питания субгармонических резонаторов..............130
3.3.1. В Ч-питание многорезонаторного субгармонического
инжектора.......................................................132
3.3.2. Фазовые нестабильности ВЧ-питания субгармонической системы......................................................137
3.4. Формирующие резонаторы.......................................142
3.5. Фокусирующая система.........................................148
3.5.1. Квадрупольная фокусировка................................151
3.6. Магнитные системы формирования...............................153
3.6.1. Магнитный спектрометр....................................156
3.7. Результаты разработок группирователей........................158
4. Синхронизация систем формирования, метрики и экспериментальных устройств...........................................................161
4.1. Схемы деления и умножения частоты............................163
4.1.1. Синхронизация умноэ/сением частоты.......................164
4.1.2. Синхронизация делением частоты...........................166
4.2. Высокочастотная синхронизация систем формирования для ускорителей на магнетронах......................................170
4.3. Система синхронизации на частотах 200 МГц....................176
4.4. Синхронизация инжекторов с СВЧ-полем ускорителя..............182
4.5. Экспериментальное изучение работы схем синхронизации.........187
4.6. Обсуждение результатов создания схем синхронизации...........192
5. Аппаратура для оптической диагностики электронных пучков.........193
5.1. Установка оптикоэлектронной диагностики......................196
5.2. Световодные кюветы для исследования флуоресцирующих веществ и сцинтилляторов..................................................208
5.3. Приборы для повышения точности регистрации кинетики спектров и расширения одновременно исследуемого участка спектра............215
5.4. Оптическая регистрация по многократному нарушению полного внутреннего отражения света в объекте...........................222
5.5. Радиационная стойкость оптических материалов применяемых в системах формирования и диагностики.............................225
5.6. Обсуждение результатов разработок аппаратуры для оптической диагностики.....................................................230
6. Детекторы для измерения параметров пикосекундных ускорителей 232
6.1. Модуляционно-оптические полупроводниковые детекторы параметров импульсов тока..................................................241
6.2. Электрооптические детекторы с пикосекундным временным разрешением.....................................................253
6.2.1. Детекторы нерелятивистских пучков пикосекундного диапазона.......................................................257
4
6.3. Магнитооптические детекторы для измерения тока и положения пучка............................................................260
6.4. Перспективы элсктрооитических методов диагностики.............264
Заключение...........................................................269
Приложение 1. Основные параметры ВЧ и СВЧ-генераторов линейных
ускорителей..........................................................276
Приложение 2. Акты о внедрении систем формирования и диагностики
пикосекундных электронных пучков.....................................279
Список литературы....................................................284
5
Введение
Актуалыюсть проблемы. Успехи в развитии фундаментальных исследований быстропротекающих процессов в области радиационной химии и физики неразрывно связаны с прогрессом в создании систем получения сильноточных импульсов ускоренных электронов в
пикосекундном временном диапазоне на линейных сверхвысокочастотных ускорителях.
От качества параметров экспериментальных пикосекундных установок зависит получение новых фундаментальных знаний в области радиационной химии (радиационной полимеризации, радиационного катализа, радиационной коррозии и радиационно-химических превращений материалов) и прогресс в разработке систем импульсного радиолиза установок для создания новых наноматериалов и автокатализаторов. Пикосекундные импульсы тока электронов находят применение во
времяпролетной нейтронной спектроскопии [31, [41’ [5\ в радиобиологии быстропротекающих реакций [61, в физике полупроводников, в метрологии быстропротекающих радиационных процессов , в физике пучковой плазмы Пакеты пикосекундных импульсов используются для повышения
эффективности инжекции в накопительные кольца ^ ^ \ в установках на
встречных электрон-позитронных пучках , при создании лазеров на свободных электронах 1131, [|4]’ 1151, [161, [17]'[181, для создания токопроводящих каналов в атмосфере и транспортировке пучков на большие расстояния т 120], в разрушении горных пород. Пикосекундные импульсы с заданной частотой повторения применяются для повышения эффективности исследования сверхбыстрых процессов 1 \ например, таких, как временная дисперсия вторичной эмиссии, для калибровки гамма и рентгеновских сверхбыстродействующих детекторов [22\
Пикосекундные импульсы тока пучка на волноводных ускорителях электронов можно получить следующими методами: облучение
6
модулированным лазерным пучком фотокатода *231; субгармоническая группировка 1241, (25); группировка на дробно-кратных частотах [26\ метод "биений" пучка на близких частотах[27]; метод магнитной группировки(28],(29]’ [301; компрессия энергии СВЧ-поля [п]' [331; применение импульсных дефлекторов; использование коаксиальных двухэлектродных или трехэлектродных источников электронов с модуляцией пикосекундными импульсами напряжения. Выбор того или иного метода определяется стремлением получить минимальную длительность импульса, или максимальный импульсный ток, либо одновременно стремится обеспечить получение этих двух параметров. Важно отметить, что существенное значение при выборе метода приобретает вопрос об обеспечении стабильности формы и амплитуды тока от импульса к импульсу. Наибольшее число действующих в мире пикосекундных ускорителей (около 10) работают в США и Японии. Рекордным является ускоритель на энергию 35 МэВ Осакского университета (Япония), где с помощью субгармонического инжектора и магнитного компрессора получены импульсы длительностью
9,5 пс с зарядом 100 нКл (импульсный ток около 10 кА)1341.
Для развития радиационной физики и химии требуются детекторы нового поколения: позволяющие получать сигналы для запуска
экспериментальных устройств и анализа экспериментальных данных без возмущения мощных электронных пучков. Метрология ионизирующих излучений особенно актуальна для диагностики параметров: установок импульсного радиолиза ^21\ установок для дожигания отходов топливного цикла; установок для создания новых наноматериалов; установок для создания автокатализаторов. Известны оптические способы измерения параметров тока пучка, основанные на получении и регистрации черенковского [36], [37]^ флуоресцентна (38Ь С39^ переходного[40], тормозного [А1\ спонтанного[42] и других видов излучений светового и рентгеновского диапазонов, возникающих при движении заряженных частиц в различных средах. Эти
7
способы являются "непрозрачными" или "полупрозрачными" для исследуемого пучка и значительная часть пучка тратится на создание анализирующего излучения. Способы связанные с анализом синхротронного [43,‘ [44] и ондуляторного излучений требуют установки специальных магнитных устройств изменяющих траекторию пучка, что приводит к "возмущению" и потерям тока исследуемого пучка. Способ лазерной диагностики обладает малой чувствительностью и помехозащищенностью [46\
Детекторы должны быть сверхбыстродействующими, помехозащищенными и обладать высокой чувствительностью. Все ранее созданные детекторы по совокупности параметров не обладают сформулированным требованиям. В системах импульсного радиолиза анализирующий свет получался от черснковских детекторов, которые устанавливались на пути пролета электронного пучка. При этом пучок теряет часть энергии в детекторе и, следовательно рассеивается. Такая схема неразумна по самой своей сути. Современные мощные электронные пучки требуют создания принципиально новых подходов в методологии построения измерительных схем. Анализирующие сигналы следует получать путем преобразования электромагнитных полей связанных с пучком в оптические сигналы 147,4 [481. Это перспективное направление предложено и развито в представляемой работе.
Таким образом, применение систем формирования и метрики пикосекундных пучков является чрезвычайно перспективным направлением в радиационной химии и физике.
Работа выполнена в соотвегегвии с планами важнейших научно-исследовательских работ, проводимых по шести Решениям Государегвенной комиссии по военно-промышленным вопросам, по семи договорам с предприятиями оборонно-промышленного комплекса Минпромэнерго РФ, но приоритетным научным направлениям Российской Академии Наук.
8
Цель работы и задачи исследований.
> Разработка, создание и экспериментальные исследования новых систем формирования и диагностики пикосскундных электронных пучков.
> Внедрение систем формирования на действующих ускорителях с питанием от магнетронов и клистронов, построение схем синхронизации делением и умножением частоты высокочастотных генераторов.
> Оснащение ускорителей электрооптическими системами измерения параметров пучка для проведения радиационно-химических и физических исследований в пикосекундном диапазоне.
Научная новизна.
♦ Впервые созданы и экспериментально исследованы системы формирования пикосекундных импульсов на электронных ускорителях с питанием от магнетронов на частоте 1888 и 3203 МГц и от клистронов на частоте 1818 и 2450 МГц. На шести линейных ускорителях электронов на энергии 1-ИЗ МэВ получены пикосекундные импульсы длительностью 30-^50 пс с током 50^250 А.
♦ Впервые получены пикосекундные импульсы электронов методом субгармонической группировки на ускорителях с питанием от магнетронов.
♦ Впервые получены пикосекундные импульсы методом магнитного формирования на выходе наносекундного ускорителя работающего в режиме запасенной энергии.
♦ Впервые разработаны новые субгармонические группирователи на частотах субкратных (113, 227, 454, 909 МГц) к основным ускоряющим частотам (1818, 2450, 3200 МГц). Определены их геометрические и электрические параметры (()„, ЯШР иуск) для использования в системах формирования для ускорителей работающих в пикосекундном диапазоне.
♦ Впервые разработаны схемы синхронизации работы магнитоламповых наносскундных модуляторов для электронных пушек и дефлекторов с заданной
9
фазой высокочастотных полей в резонаторах работающих на субгармонических и основной частотах.
♦ Впервые разработаны кинетические спектрофотометры и высокочувствительные спиральные световодные кюветы для оптикоэлектронной диагностики со спектральным разрешением не хуже 6 нм. Измерены параметры и изучены характеристики оптикоэлектронных установок в диапазоне 300-5-1200 нм, при временном разрешении 6,5 пс.
♦ Впервые разработан и изучен новый класс измерительных приборов под общим названием "электрооптические детекгоры параметров тока пучка заряженных частиц". Новые приборы обладают рекордной чувствительностью и помехозащищенностью при измерении параметров пучка заряженных частиц (формы, амплитуды и положения импульсов тока пучка) и не имеют отечественных и зарубежных аналогов. Получены новые данные об оптических характеристиках модуляционно-оптических детекторов.
Практическая ценность.
■ В результате выполненной работы решена крупная научно-техническая проблема, имеющая фундаментальное важнейшее значение: разработаны, внедрены на ускорителях и использованы в прикладных исследованиях системы формирования и диагностики пикосекундных электронных пучков (приложение 2).
■ Системы формирования и диагностики пикосекундных импульсов тока пучка внедрены на ускорителях: У-28 (Московский инженерно-физический институт); "Левкой", С-31, "Мальва" (ФГУП "Московский радиотехнический институт РАН"); "Мальва-2" (ФГУП "НИИ импульсной техники"); У-003М (Институт физической химии и электрохимии РАН). Результаты работы использованы при создании узлов для ускорителя ЛУ-50 (РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики").
■ Разработан и создан новый класс детекторов ионизирующих излучений -электрооптические детекторы заряженных частиц. Впервые
10
разработаны, внедрены и исследованы детекторы параметров электронных пучков на эффектах Франца-Келдыша, Поккельса и Фарадея.
■ Созданные пикосекундные системы формирования использовались для проведения комплексных прикладных исследований на ускорителях: У-28 - для разработки оптических методов измерений параметров электронных пучков; "Левкой" - для испытания субгармонических систем формирования пикосекундных пучков; С-31 - для изучения возможностей транспортировки короткоимпульсных пакетных пучков в разреженных газах; "Мальва" - для исследования узлов установок для времяпролетной нейтронной спектроскопии; "Мальва-2" - для калибровки полупроводниковых и других специальных сверхбыстродействующих детекторов ионизирующих излучений; У-003М - для изучения
флуоресценции и быстропротекающих радиационно-оптических процессов.
Личный вклад автора явился основополагающим на всех стадиях проведения исследований и состоял в постановке задач, определении целей разработок, в предложении и реализации новых идей и методов формирования и диагностики электронных пучков, проведении расчетных, конструкторских и экспериментальных этапов работ, внедрении результатов на действующих ускорителях и в метрологическом обеспечении прикладных радиационно-химических и физических исследований.
Основные результаты и положения, выносимые па защиту:
• Результаты разработки, создания и исследования систем формирования пикосекундных импульсов на электронных ускорителях с питанием от магнетронов на частоте 1886 и 3200 МГц и от клистронов на частоте 1818 и 2450 МГц на линейных ускорителях электронов на энергии 1*г13 МэВ для получения пикосекундных импульсов длительностью 30-^50 ПС с током 50-ь250 А в режиме одиночных посылок и в виде пакетов пикосекундных импульсов тока пучка. Результаты внедрения систем формирования и диагностики пикосекундных импульсов тока пучка на
и
ускорителях: У-28 (МИФИ), "Мальва", "С-31", "Левкой" (МРТИ РАН), "Мальва-2" (НИИ импульсной техники), У-ООЗМ (ИФХЭ РАН). Результаты исследований, предложения по технической реализации и рекомендации для использования субгармонических и магнитных систем формирования одиночных и пакетных пучков для решения важнейших прикладных задач: обеспечения исследовательских работ по времяпролетной нейтронной спектроскопии; изучения быстропротекающих электрооптических процессов, возбуждаемых пучками заряженных частиц; создания систем транспортировки пучков в разреженных газах и изучения пучковой плазмы, аппаратуры для проведения исследований флуоресцентных сцинтилляторов, устройств калибровки сверхбыстродействующих детекторов ионизирующих излучений.
Результаты разработки, создания и исследования синхронной работы наносекундной двухэлектродной электронной пушки и двухпластинчатого наносекундного дефлектора. Для получения импульсов тока пучка использовались фронтальные участки модулирующих напряжений. При этом длительность выходного импульса определялась крутизной фронта и получалась равной 1-г2 не. Впервые для инжектора пикосекундного ускорителя разработан уникальный магнитный импульсный модулятор, работающий на основе метода однополярного намагничивания без изменения знака индукции. Частота следования импульсов равна 250 кГц в пакетном режиме при амплитуде напряжения 50 кВ и мощности 16 МВт. Длительность импульсов равна 15 не, длительность фронта - 2 не. Число импульсов в пакете 1-г30. Результаты разработки и создания и фотоэлектронной 50 кВ диодной пушки с пирсовской геометрией с арсснид-галиевым катодом диаметром 1 см2. Для облучения полупроводникового катода используется твердотельный импульсный лазер с модуляцией добротности на алюмоиттриевом гранате с неодимом (АИГ:Ыс13+) на основе модернизированного лазера ЛТИ-502. С фотокатода в импульсе 10 не
12
получена эмиссия до 30 А/см2. Результаты разработки и создания и исследования на инжекторном стенде перспективной схемы работы автоэмиссионного катода непосредственно в СВЧ-резонаторе. Фазовая протяженность сгустка электронов сформированного в резонаторе, составляет примерно 60°, величина тока эмиссии в сгустке равна 30 А, а
л
соответственно плотность эмиссии около 10 А/см .
• Результаты разработки, создания резонаторов на субкратных частотах 113, 200, 227, 454, 909 МГц и испытания резонаторов с волной ТЕМ типа коаксиальной линии нагруженной на емкость с напряжениями на зазоре до 50 кВ. Результаты разработки формирующих цилиндрических Е0ю резонаторов различных видов на основных ускоряющих частотах 1818, 2450, 3200 МГц с мощностью питания до 2 МВт; определение их геометрических и электрических параметров ((}„, 11ш, иуск) для использования в системах формирования для ускорителей, работающих в пикосекундном диапазоне. Результаты разработки и испытаний схем СВЧ-питания резонаторов на основной гармонике 1818, 2450, 3200 МГц и субкратных частотах 113, 227, 454, 909 МГц. Результаты изучения фазовой нестабильности между усилительными каскадами на субкратных группирующих частотах и основной ускоряющей частоте. Результаты создания фокусирующих систем субгармонических резонаторов, которые состоят из катушек Геймгольца надетых на субгармонический группирователь через определенные промежутки. Результаты разработки и экспериментальных исследований магнитных группирователей для выделения и компрессии одного сгустка из пакета сгустков общей длительностью 2,5 не на полувысоте импульса тока.
Результаты разработки и экспериментальных исследований различных вариантов схем синхронизации работы магнитоламповых наносекундных модуляторов электронных пушек и дефлекторов с заданной фазой высокочастотных полей в резонаторах на субгармонических и основной частотах. Результаты разработки транзисторного делителя частоты
13
3200 МГц в 16 раз, работающий по принципу синхронизации автогенератора на субгармонике входного сигнала с полосой деления 1,6 МГц и максимальной импульсной мощностью 100 мВт. Результаты разработки быстродействующих схем синхронизации пусковых импульсов модулятора дефлектора ускорителя с заданной фазой ВЧ-напряжения с частотой 200 МГц с временной нестабильностью между выходным пусковым импульсом схемы и входным ВЧ-напряжением <±0,05 не.
• Результаты разработки, создания и испытаний аппаратуры для оптикоэлектронной диагностики с временным разрешеним 6,5 пс и со спектральным разрешением не хуже 6 нм в диапазоне 300-И200 нм с использованием двух сменных решеток с N = 600 штрихов/мм. Результаты разработки спиральных световодных кювет с использованием эффекта полного внутреннего отражения света для повышения чувствительности и точности радиационно-оптических измерений. Результаты создания и внедрения нового класса электрооптических детекторов с рекордной чувствительностью и помехозащищенностью для измерений параметров электронных пучков с пикосекундным разрешением.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 303 страницы, включая 113 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 176 наименований.
В первой главе рассмотрены два основных метода решения задачи получения пикосекундных импульсов тока пучка на СВЧ волноводных ускорителях. Первый заключается в разработке магнитных группирователей, устанавливаемых на выходе ускоряющего волновода и позволяющих выделять одиночные сгустки, уменьшать их длительность и увеличивать заряд сгустков пикосекундной длительности. Параметры режима работы подбираются с целью максимального увеличения разброса энергий в последовательности ускоренных сгустков тонкой внутриимпульсной
14
микроструктуры пучка. Для осуществления магнитной группировки инжектор ускорителя работает в режиме использования запасенной энергии при ти < Тзап. (где ти - длительность импульса инжекции, т3аи - время заполнения ускоряющей структуры СВЧ-мощностью).
Второй метод состоит в использовании систем предварительного субгармонического формирования пучка до ускоряющего волновода, что позволяет вначале получить пикосекундные импульсы, а затем их ускорять. Приведены основные параметры линейных ускорителей электронов оснащенных системами формирования пикосекундных импульсов.
Для получения пикосекундных импульсов на ускорителе У-28 используется предварительная клистронная группировка частиц на частоте, субкратной к ускоряющей частоте. В результате проведенных исследований был выбран индекс кратности п= 16. В этом случае при ускоряющей частоте 3,2 ГГц субгармоническая группировка электронов должна проводится на частоте 200 МГц, а длительность импульсов инжекции не должна превышать
5 не. Проведенные экспериментальные исследования позволили получить на выходе ускорителя импульсы тока пучка длительностью до 50 пс с энергией
6 МэВ и током 50 А.
На инжекторном стенде ’’Левкой” отрабатывались системы формирования пикосекундных импульсов для импульсного радиолиза, инжектора лазера на свободных электронах и систем каналирования и туннелирования пучков. Для оптимальной группировки электронов после пушки разработан многоступенчатый группирователь, содержащий четыре субгармонических резонатора и два резонатора на основной частоте.
Ускоритель С-31 разработан для получения пакетов иикосекундных импульсов и предназначен для изучения физики транспортировки пучков в разреженных газах [А9\ Период следования пакетов 4 мкс. Период следования сгустков в импульсе 550 пс.
15
На стенде "Мальва" экспериментально проверялась возможность использования пикосекундных импульсов тока для проведения исследований для времяпролетной нейтронной спектроскопии. Для этого ускоритель работал в режиме запасенной энергии (когда импульс тока пучка короче, чем время заполнения волновода СВЧ-мощностью) и при больших токах сгустки были разделены друг от друга по энергиям.
Стенд использовался как источник сверхкоротких импульсов нейтронов (спектра деления) с максимальным потоком Фп ~ 10 нейтр/с за счет фотоделения на образце из и - для исследования спектральных и временных характеристик детекторов нейтронов. На стенде получены важные экспериментальные результаты по возможностям применения наносекундных электронных пушек с перспективными СВЧ-катодами и фотокатодами.
Пикосекундные пучки полученные методом магнитной группировки на ускорителе "Мальва-2" использовались для калибровка детекторов ионизирующих излучений 1501 Для исследования временных характеристик детекторов ионизирующих излучений в пикосекундном диапазоне разработан волноводный ускоритель электронов на энергию 12 МэВ с максимальным током 100 А в импульсе длительностью 40 пс и с частотой следования импульсов до 100 Гц. Использовался способ магнитного формирования, основанный на выделении поворотным магнитом одиночного сгустка электронов из наносекундного пакета сгустков на выходе СВЧ-волноводного ускорителя, работающего в режиме запасенной энергии
Ускоритель У-003М оснащен специальной системой инжскции и магнитным группирователем с целыо генерации пикосекундного пучка для радиационно-химических исследований. Получены микроденситограммы пикосскундных импульсов длительностью 50 пс с током 150 А.
Во второй главе сформулированы основные требования к параметрам и приведены результаты разработок элементов систем формирования
16
пикосекундных электронных пучков. Приведены расчеты, конструкции и схемные решения многочисленные новые узлы с прецизионными параметрами для обеспечения требуемых характеристик создаваемых систем. Рассмотрены системы инжекции, содержащие диодные источники электронов с оксидными или металлопористыми катодами. В наносекундном режиме пушки инжектируют токи: с оксидным катодом - 100 А/см2;
л
металлопористым - 80 А/см . Магнитоламповые модуляторы формируют на катодах импульсы длительностью 5 - 10 не с амплитудой до 60 кВ. Описаны резонаторы, в которых происходит формирование сгустков с фазовой протяженностью 100° и коэффициентом захвата около 30%.
Изучено применение катодов непосредственно в СВЧ-поле формирующего резонатора. С целью повышения стабильности тока и исключения излучения СВЧ-мощности изолированный автоэлектронный катод непрерывно облучают пучком электронов, причем ток облучения выбирают равным эмиссионному току. При длительности СВЧ импульса 8 мке экспериментально получен пакет пикосекундных импульсов тока пучка электронов со средним током 5 А.
Разработана конструкция и изучена работа фотоэлектронной 50 кВ -пушки с арсенид-галиевым катодом диаметром 5 мм. Показано, что ввиду практической безынерционности фотокатодов (менее 10'14 с) длительность фотоэмиссии определяется длительностью облучающего импульса лазера.
Проведенный комплекс работ позволил создать сильноточные наносекундные электронные пушки и модуляторы, инжекторы с фотоэлектронными и СВЧ-катодами, дефлекторы и другие необходимые узлы.
В третьей главе рассмотрены методы расчета и конструирования субгармонических группирователей, формирующих резонаторов, фокусирующих систем, магнитных группирователей и магнитных спектрометров. Показано, что в системе субгармонической группировки
17
оптимальным требованиям отвечает резонатор типа коаксиальной линии нагруженной на емкость. Система инжекции включает в себя до четырех субгармонических резонаторов на субкратных частотах 113,625 МГц; 227,25 МГц; 454,5 МГц; 909 МГц и один формирующий резонатор, работающий на основной гармонике 1818 МГц. В состав блока резонаторов входит также ускоряющий резонатор на основной гармонике.
Разработаны схемы СВЧ-питания субгармонических резонаторов состоящие из предварительных усилителей на гибридных интегральных модулях и усилителях на СВЧ-транзисторах, обеспечивающих импульсную мощность до 500 Вт. Оконечные каскады выполнены на металлокерамических триодах ГИ-39Б по схеме с общей сеткой. Для обеспечения стабильности тока пучка от импульса к импульсу на ускорителе проведена работа по внедрению автоматического регулирования фазы генератора субгармоник.
Магнитные группирователи используются при работе ускорителя в режиме запасенной энергии, когда длительность импульса инжекции (2,5 не) много меньше времени заполнения волновода энергией (100 не). При импульсном токе более 10 А различие энергий соседних сгустков составляет около 200 кэВ. Это обеспечивает возможность вырезания коллиматором отдельно выбранного сгустка после развертки "пакета" импульсов поворотным магнитом. Величина компрессии сгустка на выходе магнитного групиироватсля определяется величиной разброса энергий электронов АЖ внутри сгустка. Уменьшение длительности сгустка пропорционально разности расстояний пролетаемых электронами.
Четвертая глава посвящена вопросам синхронизации, которые играет исключительно важное значение для функционирования основных систем формирования пикосекундных импульсов и при приведении экспериментальных исследований. Показано, что для стабильной работы систем формирования пикосекундных импульсов требуется осуществить
18
синхронизацию импульсов инжекции с заданной фазой ВЧ-поля в грунпирователях. При разработке систем, использующих субгармоническую группировку пучка, необходимо синхронизовать СВЧ-генераторы, работающие на кратных частотах ї5|1
Разработанные схема синхронизации обладают минимальной нестабильностью и позволяют формировать стабильные по амплитуде и длительности импульсы с надежной повторяемостью от импульса к импульсу. При работе ускорителя от клистронного генератора использовались схемы умножения частоты. В случае установки систем на ЛУЭ с питанием от магнетрона были разработаны делители частоты [52\ Новые схемы синхронизации были использованы при работе на всех разработанных пикосекундных ускорителях.
В пятой главе изложены особенности и приведены результаты разработок спектрофотометрических установок с временным разрешением -
6,5 пс и со спектральным разрешением не хуже 6 нм в диапазоне 300-И200 нм. Спектрофотометрическая пикосскундная установка позволяет изучать параметры и характеристики флуоресцирующих веществ и сцинтилляторов. Рассмотрены спиральные световодные кюветы с использованием эффекта полного внутреннего отражения света для повышения чувствительности и точности измерений характеристик флуоресцирующих веществ и слабопоглощающих продуктов.
Спектрофотометрические установки основаны на регистрации оптического поглощения анализирующего света в веществе, облученном электронным пучком ускорителя [53]> [541 Электрооптические детекторы также основаны на регистрации оптического излучения и естественным образом используют схожие методы регистрации, передачи и обработки. Таким образом, спектрофотометрические измерительные установки пикосекундного диапазона и электрооптические детекторы удачно дополняют друг друга и легко соединяются в общую измерительную систему.
19
Представлены результаты исследования радиационной стойкости световодов и хром-иттербий-эрбиевых фосфатных стскол, определению параметров пучковой плазмы в каналах транспортировки, радиационные эффекты в теллуровой кислоте, изучению взаимосвязи между аффинностью и молекулярной массой в плазматической мембране и многие другие важные научные и прикладные задачи.
В шестой главе представлен новый класс измерительных приборов под общим названием "электрооптические детекторы параметров тока пучка заряженных частиц". Рассмотрены детекторы параметров электронных пучков на эффектах Франца-Келдыша, Поккельса и Фарадея. Новые приборы обладают пикосекундным временным разрешением и рекордной чувствительностью и помехозащищенностью при измерении параметров пучка заряженных частиц (формы, амплитуды и положения импульсов тока пучка) 151, '■56\ Полученные результаты позволяют проводить ранее не доступные фундаментальные и прикладные экспериментальные исследования в области радиационной физики, химии и биологии.
Исследована современной прецизионной оптическая аппаратура на основе сверхбыстродействующих фотоэлектронных умножителей на лампах бегущей волны и электронно-оптических фотохронографов, обладающих временным разрешением до 3-10'13 с, которая открывает большие перспективы для оптических измерений параметров пучка заряженных частиц с помощью детекторов, использующих модуляцию света под действием электромагнитного поля пучка.
Электрооптические детекторы позволяют получать объективные данные о параметрах радиационного процесса и работе всех узлов установки при полном исключении электромагнитных наводок, шумов в измерительной аппаратуре и искажений сигналов в радиочастотных кабелях. Элекгрооптические детекторы естественным образом стыкуются с волоконно-оптическими линиями передачи. Возможна прямая передача
20
информации от детектора на работающем ускорителе в офис экспериментатора в любой стране мира. Электрооптические детекторы -ключ к полной компьютеризации ускорителя и экспериментальных устройств используемых для радиационных исследований.
В приложении приведены параметры СВЧ-генераторов и усилителей для линейных ускорителей и представлены акты о внедрении систем формирования и диагностики пикосекундных электронных пучков.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, намечены перспективы дальнейшего развития направления.
Главным итогом работы является решение крупной научно-технической задачи по созданию серии систем формирования и диагностики пикосекундных электронных пучков для проведения важнейших фундаментальных исследований в области радиационной физики и химии.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзном симпозиуме по радиационной химии (Тбилиси, 1978), Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям (Харьков, 1981, 1983, 1989), Всесоюзных совещаниях по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1982, 1988), Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1982), Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной радиационной химии (Обнинск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1991), Международной конференции по радиационно-технологическим процессам (Пекин, 1992), Межотраслевом научно-техническом семинаре "Радиационные технологии и оборудование" (Москва, 2004), Всероссийской Баховской конференции по радиационной химии (Москва, 2005), Международной конференции "Физико-химические основы новейших технологий XXI века" (Москва, 2005) и на семинарах в научных центрах: ФГУП "ВНИИ технической физики и
21
автоматизации", ФГУГТ "РФЯЦ "ВНИИ экспериментальной физики", РНЦ "Курчатовский институт", ФГУП "Московский радиотехнический институт РАН", Московский инженерно-физический институт (государственный университет), ФГУП "Федеральный центр двойных технологий "Союз", ФГУП "НИИ электрофизической аппаратуры", ФГУП "ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений", ФГУП "НИИ импульсной техники", ФГУП 'Институт теоретической и экспериментальной физики", Институт ядерных исследований РАН, ФГУП "НПП "ВНИИ электромеханики", ФГУП "НПП "Пульсар", ФГУП "НПП "Торий", ФГУП "ВНИИ оптико-физических измерений", Обнинский филиал ГНЦ РФ "Научно-исследовательский физико-химический институт", ФГУП "ГНЦ "Институт биофизики", Институт медико-биологических проблем РАН, НИИ прикладных физических проблем при Белорусском государственном университете (Беларусь), Тбилисский государственный университет (Грузия), ННЦ "Харьковский физико-технический институт" (Украина), Пекинский государственный университет (Китай), Институт ядерной химии и техники (Варшава, Польша), Институт прикладной радиационной химии при Лодзинском политехническом институте (Лодзь, Польша), "SterilGamma"-Rawang Integrated Industrial Park" (Малайзия).
Результаты приведенных в диссертации исследований изложены в 51 научном труде, включая 11 авторских свидетельств и патентов и 17 работ в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций.
22
В тексте диссертации принята следующая терминология:
■ Субгармонический группирователь - устройство, осуществляющее фазовую группировку электронов с использованием воздействия электромагнитных полей на электроны на частотах субкратных к ускоряющей частоте.
* Магнитный группирователь - устройство, осуществляющее фазовую группировку электронов с использованием воздействия магнитных полей на электроны.
■ Инжектор - устройство для создания, группирования и предварительного ускорения пучка электронов.
■ Электронная пушка - устройство для создания пучка электронов, подлежащих ускорению.
■ Высокочастотный резонатор (группирователь, генератор) - устройство, работающее на частоте до 1000 МГц.
■ Сверхвысокочастотный резонатор (группирователь, генератор) -устройство, работающее на частоте выше 1000 МГц.
■ Электрооптичсский детектор - устройство для диагностики параметров пучка электронов преобразующее импульсы электронов в импульсы светового излучения.
23
1. Комплекс систем формирования пикосекундных импульсов для линейных ускорителей электронов
В настоящее время в технике СВЧ волноводных ускорителей образовалось направление по созданию систем получения сильноточных импульсов ускоренных электронов в пикосекундном временном диапазоне.
Исследованы два метода решения задачи получения пикосекундных импульсов тока пучка на СВЧ волноводных ускорителях. Первый заключается в разработке магнитных группирователей, устанавливаемых на выходе ускоряющего волновода и позволяющих выделять одиночные сгустки, уменьшать их длительность и увеличивать заряд сгустков пикосекундной длительности {5?1, {581, ^59\ Параметры режима работы подбираются с целью максимального увеличения разброса энергий в последовательности ускоренных сгустков тонкой внутриимпульсной микроструктуры пучка. Второй метод состоит в использовании систем предварительного субгармонического формирования пучка до ускоряющего волновода, что позволяет вначале получить пикосекундные импульсы, а затем их ускорять
Выбор того или иного метода обусловлен классом решаемых прикладных физических задач и конструкцией ускорителя, на котором устанавливается система формирования. Целесообразно одновременное использование обоих методов, как дополняющих друг друга.
В табл. 1.1. представлены основные параметры линейных ускорителей электронов оснащенных системами формирования пикосекундных импульсов. Основные параметры СВЧ-генераторов для ускорителей приведены в приложении табл. П. 1.1.
При однокаскадной субгармонической группировке получить одиночные сгустки без "сопровождающих" практически невозможно и ток в сгустке получается небольшой. При трех и более каскадном группировании получаются "чистые" одиночные сгустки с большим током.
24
Таблица. 1.1. Параметры пикосекундных ускорителей электронов.
Название установки Энергия, МэВ Импульсный ток, А Длительность импульса, пс Пикосскундный режим работы Основная ускоряющая частота, МГц Тин генератора, импульсная мощность, Основное назначение Организация
Ускоритель У-28 6-13 50 40 одиночные импульсы 3200 магнетрон МИ-262, 9 МВт изучение оптических систем диагностики МИФИ
Инжекторный стенд "Левкой" 1 250 50 пакеты и одиночные импульсы 1818 клистрон КИУ-15, 30 МВт испытания систем инжекции линейных ускорителей МРТИ РАН
Экспери- ментальный стенд С-31 7 200 50 пакеты и одиночные импульсы 1818 клистрон КИУ-15, 30 МВт транспортировка пучков в газах и атмосфере МРТИ РАН
Экспери- ментальный стенд "Мальва" 10 150 30 одиночные импульсы 1818 клистрон КИУ-15, 30 МВт время- пролетная нейтронная спектро- скопия МРТИ РАН
Ускоритель "Мальва-2" 12 НО 40 одиночные импульсы 2450 клистрон КИУ-104 5 МВт калибровка детекторов ионизирую- щих излучений НИИ ИТ
Ускоритель У-003М 8 150 50 одиночные импульсы 1886 магнетрон МИ-470, 11 МВт испытания электроопти -ческих и сцинтилля-ционных детекторов ИФХЭ РАН
Оптимальная группировка реализуется при трех субгармонических каскадах при II,шж > и^уп и двух каскадах формирования на основной частоте при иннж < Огруп*
25
Для осуществления магнитной группировки инжектор ускорителя работает в режиме использования запасенной энергии при ти < тзап. (где т„ -длительность импульса инжекции, Тзап - время заполнения ускоряющей структуры СВЧ-мощностью). Импульсные СВЧ-генераторы мощностью до 10 МВт в импульсе позволяют "запасать" в диафрагмированном волноводе энергию до 2 Дж и расходовать её за ничтожно малое время инжекции электронов (2,5 не) по сравнению со временем заполнения волновода (100 не).
Созданные пикосекундные системы формирования использовались для проведения комплексных прикладных исследований на следующих установках: У-28 - разработки оптических методов измерений; "Левкой" -испытания новых систем формирования и диагностики пикосекундных пучков; С-31 - изучения возможностей транспортировки
короткоимпульсных-пакетных пучков в разреженных газах; "Мальва" -исследования узлов установок по времяпролетной нейтронной спектроскопии; "Мальва-2" - калибровки полупроводниковых и других специальных сверхбыстродействующих детекторов ионизирующих излучений; У-003М - радиационно-химических исследований
быстропротекающих радикальных реакций.
Фактическая длительность электронных импульсов тока пучка на выходе ЛУЭ в пикосекундном режиме, с поправкой на время нарастания переходной характеристики измерительной системы, равна примерно 50 пс. Всего на этих шести установках к настоящему времени суммарно наработано в пикосекундном режиме более 15500 часов пучкового времени. Системы формирования показали надежность в работе и заинтересованность в них экспериментаторов. Привлечение большего круга пользователей ограничено большой стоимостью необходимых в работе комплектующих. Так стоимость СВЧ-генератора с импульсной мощностью около 10 МВт достигает 400005 при наработке в режиме максимальной импульсной мощности - 2500 часов.
26
1.1. Субгармоническая группирующая система ускорителя У-28 для разработки многофункциональных систем измерения
параметров пучка
Система формирования пикосекундных импульсов на ускорителе У-28 разрабатывалась для исследования оптических систем измерений, изучения электромагнитных полей наведенных одиночными сгустками в резонансных структурах и для исследования переходных характеристик полупроводниковых приборов 161 \ Для получения пикосекундных импульсов на ускорителе У-28 используются предварительная клистронная группировка частиц на частоте, субкратной к ускоряющей частоте. Внешний вид системы формирования показан на рис. 1.1. При использовании 16-й субгармоники от ускоряющей частоты 3200 МГц для захвата в волноводный группирователь электроны должны быть предварительно сгруппированы в сгустки длительностью менее ТСвч = 330 пс. Для этого используется скоростная модуляция пучка резонатором, которая в пространстве дрейфа переходит в модуляцию пучка по плотности. Для получения коэффициента группировки К = Дф„/Афк = 8 при субгармоническом индексе п = 16 и токе инжекции 2 А требуется модулирующее напряжение с амплитудой 25 кВ и дрейфовое расстояние 43 см. Заряд в каждом сгустке равен цсг = 5 нКл при энергетическом разбросе частиц Д\¥ = 10 кэВ.
Рис. 1.1. Внешний вид системы формировании ннкосекундных импульсов.
27
Для формирования пучка в пространстве дрейфа требуется обеспечить магнитное поле, напряженность которого равна 0,1 Тс. При этом коэффициент группировки уменьшается до К = 7,5, что связано с возрастанием продольных расталкивающих кулоновских сил при радиальном сжатии пучка.
Для проведения многих важных экспериментов система формирования обеспечивает получение пучков со следующими параметрами: длительностью импульса тока пучка около 100 пс на уровне половины высоты с зарядом 1ч-2 нКл и энергией от 1 до 10 МэВ при частоте повторения от одиночных посылок до 400 Гц. Режим одиночных посылок требуется для опытов с быстро распадающимися органическими соединениями, которые разрушаются полностью за время действия нескольких импульсов с зарядом в несколько нанокулон. Максимально возможный заряд в одиночном пикосекундном импульсе ускоренных частиц - одно из основных требований при исследовании слабопоглощающих веществ.
Одним из наиболее перспективных методов формирования сильноточных пикосекундных импульсов тока пучка является субгармоническая клистронная группировки пучка, что позволяет не только получать ультракороткие импульсы, но и одновременно увеличивать их импульсный заряд за счет скоростной модуляции электронного пучка на субкратной частоте.
В работе [62] впервые проведено экспериментальное исследование ЛУЭ с питанием от магнетрона в режиме пикосекундных импульсов, на выходе ускорителя зарегистрированы импульсы тока пучка длительностью 100 пс с зарядом 1,2 нКл и энергией 6,5 МэВ. Функциональная схема системы формирования показана нарис. 1.2.
Субгармоническая клистронная группировка [63^ пучка осуществляется резонатором, возбуждаемом на частоте //, а дальнейшая группировка и
28
ускорение электронов происходит в диафрагмированном волноводе, питаемом на частоте/2 = я//, (где п- индекс кратности, целое число).
Рис. 1.2. Функциональная схема пикосекундной системы формирования
НТ - накальный трансформатор; ИЭ - электронный источник;
Д - дефлектор; К - коллиматор; СГ - субгармонический резонатор;
ВГ - волноводный группирователь; Мі * М4 - модуляторы;
У - ВЧ-усилитель; ГЗ - генератор запуска; СС - схема синхронизации;
ДЧ - делитель частоты; ф - фазовращатель; а - феррнтовый вентиль.
В результате проведенных исследований был выбран индекс кратности п = 16. В этом случае при ускоряющей частоте 3,2 ГГц субгармоническая группировка электронов должна проводится на частоте 200 МГц, а длительность импульсов инжекции не должна превышать 5 не.
Расчеты показали, что при энергии инжекции 110 кэВ, длине дрейфа 56 см, величине субгармонического напряжения 40 кВ и мощности в ускоряющей секции 4 МВт возможно формирование и ускорение импульсов