Ускорители электронов нового поколения и их использование

    В 1999 г. в Отделе Электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер НИИ Ядерной Физики МГУ создана Лаборатория электронных пучков. Целью деятельности Лаборатории является разработка и создание не имеющих аналогов компактных электронных ускорителей как непрерывного действия, так и импульсных, на основе новых технологий и новых идей в области техники ускорителей. На сегодняшний день в Лаборатории созданы и функционируют три электронных ускорителя, два ускорителя находятся в стадии экспериментальной разработки.

Разрезной микротрон импульсного действия с максимальной энергией пучка 70 МэВ

    В 2001 г. введен в строй самый компактный в мире разрезной микротрон импульсного действия с максимальной энергией пучка 70 МэВ,  схема и фотография которого показаны на рис. 1.

Рис. 1. Разрезной микротрон импульсного действия с максимальной энергией пучка 70 МэВ. 1 - электронная пушка, 2 – группирователь, 3 – -магнит, 4 – линзы, 5,6 – 1800 поворотные магниты, 7 – ускоряющая секция, 8 – устройство сдвига фазы пучка на 1-ой орбите, 9 – квадрупольная линза, 10 – система коррекции положения пучка, 11 – датчики тока пучка, 12 – квадрупольные триплеты, 13 – корректоры пучка, 14 – дипольный магнит вывода пучка.

    Основными элементами импульсного разрезного микротрона являются линейный ускоритель и поворотные магниты, обеспечивающие 14-кратную рециркуляцию электронного пучка. При создании ускорителя использован ряд новых разработок. Впервые в ускорительной технике созданы прецизионные поворотные магниты на основе редкоземельного постоянного магнитного материала с уровнем рабочего поля ~ 1 Тл в рабочем объеме 0.5х0.25х0.02 м³. Нововведением является инжекция сгруппированного пучка через компактный -магнит, также созданный на основе постоянных магнитов. Впервые в электронных ускорителях применяется призматическая бипериодическая ускоряющая структура. В отличие от обычных аксиально-симметричных ускоряющих структур она имеет малые поперечные размеры, что позволяет решить проблему первой орбиты в разрезном микротроне. Кроме того, данная структура обладает свойствами высокочастотной квадрупольной фокусировки. На данном ускорителе планируются, и уже проводятся, фундаментальные исследования в области ядерной физики, изучение различных методов генерации электромагнитного излучения, медицинские исследования и, в частности, наработка радиоактивных изотопов. Кроме того, на основе этого ускорителя могут быть созданы как стационарные, так и перемещаемые досмотровые комплексы, позволяющие определить, например, концентрацию изотопов ¹³C, ¹⁴N и ¹⁶O, входящих в состав наркотических и взрывчатых веществ. Основные параметры ускорителя приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики разрезного микротрона с максимальной энергией пучка 70 МэВ

Импульсный разрезной микротрон с максимальной энергией 35 МэВ,
зарядом электронного сгустка до 150 пК и длительностью единицы пикосекунд

    В настоящее время завершается отладка на пучке импульсного разрезного микротрона РМ-35, предназначенного для получения сгустков электронов с энергией в диапазоне от 5 до 35 МэВ с малым продольным и поперечным эмиттансом, зарядом сгустка до 150 пК и длительностью единицы пикосекунд. Схема и фотография ускорителя показаны на рис. 2.

Рис. 2. Импульсный разрезной микротрон на энергию 35 МэВ. 1 – СВЧ пушка, 2 – корректоры пучка системы инжекции, 3 – соленоидальная линза, 4 – альфа-магнит, 5 – коллиматор, 6 – лазерная система, 7, 9 –  квадрупольные триплеты, 8 - ускоряющая структура инжектора, 10 - дипольный магнит вывода инжектируемого пучка, 11 – дипольные магниты системы инжекции, 12, 14 – поворотные магниты, 13 – квадрупольный дублет, 15 – квадрупольные синглеты разрезного микротрона, 16 – ускоряющая структура разрезного микротрона, 17 – корректоры пучка разрезного микротрона, 18 – магнит вывода пучка, 19, 20 – квадрупольные синглеты тракта вывода пучка, 21 – цилиндр Фарадея, 22 – люминесцентный экран, 23 – зеркало, 24 – телевизионная камера.

    Ускоритель имеет СВЧ-пушку с лазерной накачкой и в зависимости от режима работы лазерной системы в разрезном микротроне может ускоряться либо одиночный сгусток с частотой следования до 150 Гц (односгустковый режим), либо серия из примерно 15 сгустков с той же частотой следования (многосгустковый режим). Мишени, используемые в настоящее время на ускорителе РМ-35, предназначены для генерации пикосекундных импульсов тормозного излучения, излучения в видимом, инфракрасном и миллиметровом диапазонах длин волн. Генерация излучения в видимом диапазоне длин волн осуществляется за счет переходного излучения на выходном окне ускорителя либо за счет излучения Вавилова-Черенкова в специальной камере с регулируемым давлением газа. Генерация излучения в далеком инфракрасном (субмиллиметровом) и миллиметровом диапазонах длин волн осуществляется с помощью когерентного переходного излучения на выходном окне ускорителя и дифракционного излучения при пролете пучка вдоль поверхности дифракционных решеток различной геометрии. Перечисленные виды излучений используются для разработки методик диагностики параметров пучка, таких как длительность сгустков, энергия, энергетический разброс, поперечный эмиттанс. Кроме того, короткие импульсы тормозного излучения с верхней границей энергии до 35 МэВ составляют основу для времяпролетной спектроскопии высокого разрешения фотонейтронных спектров и продуктов фотоделения. Выходной пучок ускорителя РМ-35 может использоваться для инжекции в лазер на свободных электронах и генерации мощных импульсов электромагнитного излучения.

Компактные мощные линейные ускорители электронов непрерывного действия для промышленного применения

    В 2000 - 2001 гг. запущены в эксплуатацию односекционный и двухсекционный линейные ускорители электронов непрерывного действия для промышленного применения, параметры которых приведены в табл 2.

Таблица 2. Параметры односекционного и двухсекционного линейных ускорителей электронов

    Полученные параметры пучка на выходе ускорителя – энергия 0.6 МэВ/1.15 МэВ, средний ток 50 мА/44 мА, мощность 30 кВт/50.6 кВт – соответствуют проектным, что подтверждает новые идеи, лежащие в основе данных ускорителей. Средний ток электронного пучка 44 – 50 мА является на сегодняшний день максимальным током, полученным на линейных ускорителях электронов в диапазоне длин волн 10 ? 12 см. Уникальность и новизна ускорителей связаны с системами инжекции пучка, формирования электронных сгустков и СВЧ-питания. Созданные ускорители являются первыми из семейства линейных ускорителей электронов непрерывного действия с большим средним током пучка (до 50 мА), в которых энергия пучка определяется количеством идентичных ускоряющих модулей и может быть увеличена с шагом 600 кэВ. Схема и фотография ускорителя электронов непрерывного действия  0.6 МэВ/30 кВт и 1.2 МэВ/60 кВт показаны на рис. 3.

Рис. 3. Схемы и фотографии ускорителей электронов непрерывного действия, слева на 0.6 МэВ/30 кВт, справа - на 1.2 МэВ/60 кВт.

    Возможные области применения данных ускорителей в радиационных технологиях:

• сшивание кабельной изоляции,
• производство термоусаживающихся изделий и пленок,
• вулканизация компонентов шин,
• очистка сточных вод и выбросных газов,
• стерилизация,
• в исследовательских целях для отработки новых радиационных технологий.

Ускорители в стадии сооружения

Технологический ускоритель электронов на энергию 10 МэВ

    Основные тенденции развития ускорителей электронов для технологических процессов заключаются в увеличении их эффективности, надежности и средней мощности пучка. В частности, использование тормозного излучения для обработки объектов большой толщины требует увеличения мощности электронного пучка до ста киловатт и более, что обусловлено низкой эффективностью преобразования энергии электронов в энергию тормозного излучения в диапазоне энергий пучков технологических ускорителей. Задача получения пучков электронов с энергией 5 МэВ и мощностью более 100 кВт может быть решена как с помощью ускорителей новых типов, в частности, различных вариантов рециркуляционных ускорителей, так и с помощью линейных ускорителей при условии совершенствования характеристик ускоряющих структур и источников их питания.

    Целью настоящего проекта является создание технологического линейного ускорителя электронов на энергию 10 МэВ, средняя мощность пучка которого ограничивалась бы, главным образом, средней мощностью источника СВЧ-энергии. При использовании существующих клистронных усилителей СВЧ-мощности средняя мощность пучка должна превысить 10 кВт, а со вновь разрабатываемым клистроном – 50 кВт. Основные проектные параметры ускорителя приведены в табл. 3, а сам ускоритель схематически показан на рис. 4.

Рис. 4. Макет технологического ускорителя электронов на энергию 10 МэВ.

    К настоящему времени изготовлены основные узлы прототипа ускорителя, отработана технология и завершается изготовление ускоряющей структуры, проведены испытания электронной пушки и системы СВЧ-питания. Особенностью конструкции ускоряющей структуры является разветвленная система охлаждения, включающая периферийные кольцевые и внутренние радиальные каналы охлаждения. Структура с подобной системой охлаждения способна рассеивать до 200 кВт/м средней СВЧ-мощности без появления остаточных деформаций.

Исследования в области лазерного ускорения в вакууме в ближней зоне.

    Цель данных исследований, проводимых в НИИЯФ МГУ – разработка ускоряющей структуры, способной обеспечить темп набора энергии 1 ГэВ/м и более в диапазоне длины волны СО₂ лазера – 10.6 мкм. Решение данной проблемы актуально с точки зрения создания линейных коллайдеров на сверхвысокие энергии, создания миниатюрных ускорителей для различных приложений в диапазоне энергий десятки и сотни МэВ, для получения возможности генерации аттосекундных импульсов излучения. Проводимые исследования включают разработку технологии изготовления и юстировки ускоряющих структур, получение мощных импульсов излучения СО₂ лазера пикосекундной длительности, формирование пучков электронов со сверхмалым эмиттансом для тестирования ускоряющих структур.

Рис. 5. Дифракционная ускоряющая структура.

    Рассматриваемая в настоящей работе ускоряющая структура, схематически показанная на рис. 5, состоит из проводящей решетки, элементы которой имеют ширину Z_b и толщину Y_b, помещенной в слой диэлектрика с толщиной Y_d и диэлектрической проницаемостью . Шаг решетки равен длине волны лазерного излучения . Вторая такая же решетка расположена симметрично первой, при этом внутренние поверхности диэлектрических подложек удалены друг от друга на расстояние 2Y_k. Ось пучка заряженных частиц расположена в плоскости симметрии структуры на расстоянии Y_k от внутренней поверхности диэлектрика.
    Для данной структуры было выполнено моделирование возбуждения электромагнитных колебаний полем лазера, заданным в виде двух плоских, линейно поляризованных волн по оси z, распространяющихся вдоль оси y навстречу друг другу. Длина волны лазерного излучения была выбрана равной = 10.6 мкм, что соответствует длине волны СО₂ лазера; амплитуда электрического поля задавалась равной 3·10⁸ В/м.
    В результате численного моделирования была определена геометрия структуры для материала подложки ZnSe, разработана технология и изготовлены опытные образцы структуры. Для испытаний лучевой стойкости структуры, проведения экспериментов по изучению распределения ускоряющего поля и экспериментов по ускорению пучка необходима лазерная система на основе СО₂ лазера, способная генерировать две плоские поляризованные волны с мощностью излучения в каждой волне до 10 МВт при длительности около 20 пс. В настоящее время ведутся работы по укорочению импульса генерации CO₂ лазера до пикосекундных длительностей, что позволит избежать теплового разогрева ускоряющей структуры, но в тоже время является достаточно сложной технической задачей.

13.05.2014