Физика ускорителей и пучков частиц

    Исследования в области физики и техники ускорителей электронов занимают важное место в деятельности университетов, национальных лабораторий и промышленных корпораций ведущих стран мира. Электроны - исключительно эффективное средство зондирования материи. Они бесструктурны (точечны) и взаимодействуют с веществом посредством хорошо известных электромагнитных сил. С помощью электронных пучков получена наиболее ценная информация о структуре объектов малой протяженности.


Василий Иванович Шведунов

    В ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ под руководством выпускника кафедры Лауреата Ломоносовской премии профессора Василия Ивановича Шведунова разрабатываются новейшие методы ускорения электронов и создаются уникальные ускорительные системы. Эта группа занимает лидирующее положение в мире в этой области и интенсивно сотрудничает со многими зарубежными научными центрами и фирмами. Основным направлением деятельности является создание электронных ускорителей с большой яркостью пучка, которые позволят: обеспечить ускорение в плазме и получить небывалый темп набора энергии > 10 ГэВ/м, осуществить генерацию излучения в миллиметровом диапазоне длин волн за счет когерентных эффектов, создать интенсивные источники излучений в рентгеновском диапазоне длин волн.

    Разработки ускорителей электронов были начаты в Отделе электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ в 1982-1983 гг. с проекта разрезного микротрона непрерывного действия на энергию 175 МэВ со средним током пучка 100 мкА [1].
    В течение 1985-92 гг. были разработаны программные комплексы, выполнены расчеты, сконструированы, изготовлены, измерены и настроены все основные элементы разрезного микротрона. В 1992 г. был осуществлен пуск инжектора на энергию 6,7 МэВ со средним током до
1 мА, монохроматичностью пучка 0,1% и нормализованным эмиттансом около 5 мм мрад [3].
    В 1992-1995 гг. на инжекторе были выполнены первые в России эксперименты по ядерной резонансной флюоресценции (ЯРФ). Эти эксперименты продемонстрировали высокое качество пучка инжектора и возможность получения уникальных физических результатов [4].


Фотография макета разрезного микротрона непрерывного действия.

     В изменившихся в 90-х годах условиях финансирования и поддержки научных исследований в России были изменены подходы к дальнейшему развитию ускорительной тематики в отделе. Значительное внимание было уделено разработке ускорителей, которые могли бы найти применение не только в научных исследованиях, но и в промышленности, медицине, системах беопасности и других прикладных видах деятельности. Эти разработки опираются на опыт, полученный при создании разрезного микротрона непрерывного действия, который определил общий подход к разработке ускорителей и специфическую нишу НИИЯФ МГУ в области ускорительной физики и техники.
     Необходимо отметить следующие особенности подхода к разработке и созданию ускорителей в НИИЯФ МГУ:

  • детальное трехмерное численное моделирование основных элементов разрабатываемых ускорителей, включающее решение, как электродинамических задач, так и задач, связанных с тепловыми нагрузками и деформациями; численное моделирование динамики пучка с учетом пространственного заряда и реальных распределений электрических и магнитных полей; численное моделирование работы СВЧ систем; численное моделирование явлений неустойчивости пучка;
  • создание специализированных стендов с целью изучения соответствия расчетных и экспериментальных характеристик;
  • использование цифровых систем управления стендами и создаваемыми ускорителями;
  • опора на технологическую базу предприятий электронной промышленности, и, в первую очередь, ФГУП «НПП»Торий», выполнение механических работ на сторонних предприятиях;
  • тесное сотрудничество с ведущими специалистами из Российских и зарубежных университетов и научно-исследовательских институтов, в частности, из МИФИ, Саратовского университета, ФИАН, ИТЭФ, ИФВЭ, МРТИ;
  • вовлечение студентов и аспирантов физического факультета МГУ в разработку и создание ускорителей.

    В результате проводимых работ в НИИЯФ МГУ накоплен опыт по следующим направлениям физики и техники ускорителей:

  • формирование пучков с малым поперечным и продольным эмиттансом;
  • работа с ускоряющими структурами в непрерывном режиме в диапазоне длины волны 10-12 см;
  • разработка разрезных микротронов;
  • использование редкоземельного магнитного материала в конструкции магнитных систем ускорителей электронов в диапазоне энергий до 100 МэВ;
  • использование автоколебательных систем СВЧ питания в непрерывном и импульсном режимах;
  • разработка импульсных линейных ускорителей с высокими группирующим и фокусирующим свойствам;
  • диагностика пучка.

     Ниже приведены примеры разработок ускорителей электронов, выполненных в ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ.


Первый в мире разрезной микротрон на редкоземельных постоянных магнитах.

Импульсный разрезной микротрон на энергию 70 МэВ. Ускоряет электроны до конечной энергии за счет многократного прохождения пучком линейного ускорителя с помощью поворотных магнитов. Впервые в мировой практике для поворота частиц в разрезном микротроне были созданы большие дипольные магниты на основе редкоземельного магнитного материала. Кроме того, редкоземельный материал лежит в основе магнита инжекции, квадрупольных линз, устройства сдвига фазы пучка и магнитов вывода данного ускорителя. Использование постоянных магнитов существенно уменьшает габариты ускорителя, упрощает его эксплуатацию, но требует предельно высокой точности расчетов, изготовления, измерения и настройки его элементов. Разработан и создан совместно с World Physics Technologies Inc., США. В разработке ускорителя принимали участие ученые из различных институтов России и США


В.И.Шведунов и выпускники кафедры кандидаты физ.-мат. наук А.Н.Ермаков и В.В.Полиектов у созданного ими разрезного микротрона на энергию 35 МэВ и большой яркостью пучка (пиковый ток электронов до 100 А)

Импульсный разрезной микротрон с большой яркостью пучка на энергию 35 МэВ. Принцип действия, как и других разрезных микротронов, основан на многократном прохождении пучка через линейный ускоритель. Также, как и у разрезного микротрона на энергию 70 МэВ, его магнитные системы построены на основе редкоземельного магнитного материала. Однако, основным отличием от описанных выше машин является то, что в него инжектируются предварительно сформированные с помощью СВЧ пушки с фотокатодом и линейного ускорителя сгустки электронов длительностью менее 5 пикосекунд содержащие 109 электронов с энергией 5 МэВ. Короткая длительность, малый размер и большой заряд сгустков позволяют проводить исследования генерации когерентного излучения в терагерцовом диапазоне длин волн, изучение протекания быстрых химических реакций, реализовывать времяпролетную методику для изучения ядерных реакций, и т.д. Разработан и создан совместно с World Physics Technologies Inc., США. В разработке ускорителя принимали участие ученые из различных институтов России.


Разрезной микротрон на энергию 55 МэВ.

Импульсный разрезной микротрон на энергию 55 МэВ. Применяется для исследований в области ядерной физики, медицины, систем безопасности, калибровки детекторов частиц и для других целей. В частности, на нем проводятся эксперименты по фотоядерным реакциям с вылетом большого числа нуклонов, эксперименты по наработке короткоживущих изотопов для позитрон-эмиссионной томографии, эксперименты по детектированию взрывчатых веществ методом фотоядерных реакций. Разработан и создан совместно с ФИАН.

 


Выпускник кафедры Лауреат Шуваловской премии кандидат физ.-мат. наук А.С. Алимов у созданного им компактного сильноточного электронного ускорителя

Линейный ускоритель электронов непрерывного действия на энергию 1 МэВ с мощностью пучка до 25 кВт. В основе ускорителя лежит уникальный опыт НИИЯФ МГУ в области работы нормально проводящих ускоряющих структур в диапазоне частоты 2450 МГц в непрерывном режиме. Не имеющий мировых аналогов ускоритель предназначен для радиационных технологических процессов в промышленности – производство термоусаживающейся пленки и труб, улучшение свойств кабельной продукции и т.п. Практически непрерывный характер пучка позволяет использовать его в режиме низкой мощности для испытаний материалов и микросхем на радиационную стойкость.

 

 

 


Линейный ускоритель для радиационных технологий на энергию 10 МэВ.

Импульсный линейный ускоритель электронов на энергию 10 МэВ с мощностью пучка до 15 кВт. Ускоритель является действующим прототипом промышленного ускорителя для электронной обработки материалов, в частности, для производства новых материалов с помощью радиационных технологий, стерилизации медицинских изделий, обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственной продукции с целью увеличения сроков хранения и т.д. Уникальной особенностью данного ускорителя является способность его ускоряющей структуры выдерживать высокие тепловые нагрузки, что может позволить ускорять пучки электронов со средней мощностью 100 кВт и более. В НИИЯФ МГУ используется для проведения исследований в области радиационных технологий и для исследований в области ускорительной техники. Разработан и создан совместно с ФГУП «НПП «Торий».

Ускорители электронов для радиационной дефектоскопии и инспекционно-досмотровых комплексов. При создании данного ускорителя был использован весь опыт, накопленный ранее в НИИЯФ МГУ в области физики и техники ускорителей заряженных частиц. Ускоритель обеспечивает как плавное регулирование энергии ускоренных частиц в диапазоне от 3 до 8 МэВ, так и поимпульсное переключение между двумя или большим числом значений энергии. Возможна регулировка мощности дозы генерируемого тормозного излучения, как за счет частоты следования импульсов, так и тока ускоренного пучка. Размер пучка на тормозной мишени не превышает 1 мм, что обеспечивает высокое пространственное разрешение при инспекции объектов. Ускоритель имеет локальную радиационную защиту с коэффициентом ослабления более 104, современную систему контроля и управления на основе специализированных контроллеров. Ускорители данного типа установлены на предприятиях госкорпорации «Росатом» «Петрозаводскмаш», г. Петрозаводск, «ЗиО-Подольск», где используются для контроля качества сварных швов корпусов ядерных реакторов, а также на инспекционно-досмотровом комплексе в п/п Пограничный на Дальнем Востоке. Ускорители являются совместным продуктом НИИЯФ МГУ, ФГУП «НПП «Торий» и ООО «Лаборатория электронных ускорителей МГУ».

 
Ускоритель электронов для инспекционно-досмотрового комплекса (слева) и для радиографии.