Ускоритель ЛУЭ–200 – генератор фотонейтронов импульсного источника резонансных нейтронов ИРЕН тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, доктор наук Сумбаев Анатолий Павлович

• Сумбаев Анатолий Павлович
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Сумбаев Анатолий Павлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение. Цели и задачи, их актуальность

Глава 1. Ускоритель ЛУЭ-200 в проекте ИРЕН. 15 Разработка проекта ускорителя

1.1. Общие требования к ускорителю ЛУЭ-200

1.2. Проектные предложения ИЯФ СО РАН

1.3. Общие компоновочные и конструкционные решения по 22 размещению ускорителя ЛУЭ-200

1.4. Заключение главы 1 27 Глава 2. Линейный ускоритель ЛУЭ-200. Базовые системы

2.1. Ускоряющая система ЛУЭ-200

2.2. Анализ возможностей построения СВЧ станции на базе 35 мощных импульсных клистронов дециметрового диапазона

для ускоряющей системы ускорителя ЛУЭ-200

2.2.1. Назначение и характеристики СВЧ станции ускорителя 36 ЛУЭ-200

2.2.2. Возбуждение ускоряющей структуры с использованием 39 системы компрессии СВЧ мощности SLED

2.2.3. Учёт тока пучка

2.2.4. СВЧ станция на одном клистроне ТН2129

с системой SLED

2.2.5. СВЧ станция на двух клистронах ТН2129 с системой 48 сложения СВЧ мощности

2.2.6. СВЧ станция на клистроне E3730A Toshiba 52 с системой SLED

2.2.7. Выводы

2.3. Клистроны ускорителя ЛУЭ-200 и схемы их низковольтного

питания

2.4. Модулятор - высоковольтный импульсный генератор для 62 питания клистронов ускорителя ЛУЭ-200

2.4.1. Расчёт схемы модулятора

2.4.2. Выбор основных компонентов для модулятора

2.4.3. Модулятор "180МВт/180кВт" - штатный модулятор

ЛУЭ-200

2.5. Магнитная система ЛУЭ-200

2.5.1. Канал соленоидальной фокусировки

2.5.2. Жёсткофокусирующий канал

2.5.3. Система коррекции траектории пучка

2.5.4. Электромагнит спектрометра

2.5.5. Система питания электромагнитов магнитной системы

ускорителя

2.6. Источник электронов

2.7. Заключение главы

Глава 3. Инфраструктурные системы ускорителя ЛУЭ-200

3.1. Вакуумная система

3.1.1. Основные требования к вакуумной системе ускорителя

3.1.2. Схема вакуумной системы

3.1.3. Вывод пучка ускорителя в атмосферу

3.2. Система управления (АСКУ)

3.3. Система синхронизации

3.4. Система диагностики пучка

3.4.1. СМ - токовые мониторы пучка

3.4.2. ВРМ - мониторы положения пучка

3.4.3. Термопарный датчик положения пучка

3.4.4. Анализатор энергии пучка - магнитный спектрометр

3.5. Система термостабилизации

3.6. Опорные геодезические сети ЛУЭ-200

3.7. Заключение главы 3 172 Глава 4. Тестирование ускоряющих секций. Запуск и наладка

ЛУЭ-200

4.1. Тестирование ускоряющих секций

4.2. Физический пуск 1-й очереди ЛУЭ-200

4.3. Физический пуск 2-й очереди ЛУЭ-200

4.4. Заключение главы 4 192 Глава 5. Оценки состояния ускорителя и направления его

развития

5.1. Проблемы достижения проектных параметров

5.2. Обсуждение причин потерь тока пучка

5.2.1. Особенности краевого электрического поля 197 ускоряющей секции

5.2.2. Роль и эффективность группирователя

5.3. Подгрузка ускоряющей структуры ускоряемым пучком

5.4. Ограничения, связанные с недостаточной электрической 211 прочностью ускоряющих структур

5.5. Заключение главы 5. Обсуждение результатов и 216 возможностей развития ускорителя

Глава 6. Установка ИРЕН - источник резонансных нейтронов

6.1. Неразмножающая нейтронопроизводящая мишень источника 223 ИРЕН

6.2. Инфраструктура нейтронных каналов

6.3. Оценки и измерения интегрального выхода нейтронов 226 источника

6.4. Измерение спектральных характеристик нейтронных пучков

6.5. Экспериментальная научная программа, выполняемая на 232 установке ИРЕН

6.6. Заключение главы 6 239 Заключение

Приложения

Список использованных литературных источников

Список публикаций с изложением основных научных результатов 268 диссертации

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ускоритель ЛУЭ–200 – генератор фотонейтронов импульсного источника резонансных нейтронов ИРЕН»

Цели и задачи, их актуальность

Созданная в Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) ОИЯИ научная школа по нейтронной ядерной физике добилась общепризнанных результатов в исследовании свойств нейтрона как элементарной частицы, в изучении эффектов нарушения симметрии фундаментальных взаимодействий нейтронов с ядрами, структуры возбужденных компаунд - состояний тяжелых ядер, образованных после захвата резонансных нейтронов, а также механизмов ядерного деления и альфа-, гамма- и протонного распада этих состояний. Эти успехи в значительной степени обусловлены наличием в ЛНФ собственных импульсных источников нейтронов. В 1960 г. в ЛНФ ОИЯИ был запущен первый в мире реактор периодического действия, основанный на принципе механической модуляции реактивности - ИБР, с длительностью импульса до 80 мкс. С тех пор Лаборатория нейтронной физики ОИЯИ фактически постоянно (за исключением небольших перерывов) занималась не только физическими исследованиями в области нейтронной физики, но и созданием новых интенсивных импульсных источников нейтронов, их модификацией и развитием, как профильных базовых установок.

В 1971 году директор Лаборатории нейтронной физики академик Илья Михайлович Франк в обзорной статье "Развитие и применение в научных исследованиях импульсного реактора ИБР" [1] отмечал:

«Реактор ИБР был построен для решения сравнительно узкого круга задач. Однако за истекшие годы тематика работ на нем все более и более расширялась. Для этого имеется, по крайней мере, две объективные причины: во-первых, постепенно все большая доля исследований по нейтронной физике требует применения спектроскопических методов; во-вторых, реакторы ИБР и ИБР с инжектором для этих работ сочетают в себе преимущества как реакторных, так и ускорительных установок.

Для истории развития нейтронной оптики и спектроскопии характерно продолжавшееся много лет соревнование между ускорителями и реакторами.

Теперь довольно очевидны преимущества реакторов в области тепловых и холодных нейтронов и преимущества "мигающих" ускорителей, обеспечивающих хорошую разрешающую способность, в области резонансных нейтронов (конец цитаты)».

С целью сокращения длительности импульса нейтронных пучков в 1964 году реактор периодического действия ИБР по предложению Ф.Л. Шапиро был реконструирован в нейтронный источник ИБР бустерного типа, представлявший собой комбинацию модернизированного реактора ИБР и электронного ускорителя. С 1964 года по 1968 год таким ускорителем был микротрон на 30 МэВ (рис. 0.1).

е>

Рис. 0.1. Микротрон на 30 МэВ, расположенный над залом реактора ИБР (нижний ускорительный зал здания 43 ЛНФ ОИЯИ)

Электронный пучок микротрона направлялся на урановую мишень, где генерировал тормозные гамма - кванты, а затем - фотонейтроны. Реактор в подкритическом режиме размножал первичные потоки нейтронов в 100 - 200 раз. Длительность импульса нейтронов при этом сократилась почти на порядок, до 3 - 4 мкс.

После успешной работы в течение нескольких лет в 1968 году реактор ИБР был остановлен, затем в августе 1968 г. и реактор, и микротрон были демонтированы, а в 1969 году реактор периодического действия с механической вариацией реактивности ИБР был реконструирован в нейтронный источник ИБР-30 бустерного типа, представлявший собой

комбинацию модернизированного реактора ИБР с вращающейся частью активной зоны и генератора первичных фотонейтронов - линейного ускорителя на бегущей волне с пучком электронов с энергией до 35 МэВ. Линейный ускоритель электронов, известный как ЛУЭ-40, вошёл в строй в марте 1970 года и проработал более 30 лет.

До 1988 года нейтронный источник работал в двух режимах: в режиме импульсного реактора (реакторный режим) и в режиме импульсного бустера (бустерный режим), а с 1988 года только в режиме импульсного бустера. В бустерном режиме установка ИБР-30 работала в качестве подкритической сборки, размножающей фотонейтроны, генерируемые в установленной в активную зону реактора мишени из карбида плутония пучком электронов линейного ускорителя. Реактор обеспечивал механическую модуляцию реактивности за счет вращения части активной зоны. Активная зона реактора размещалась в центре зала, над которым был установлен импульсный двухсекционный линейный ускоритель электронов ЛУЭ-40. Импульс пучка электронов ускорителя был сфазирован с модуляцией реактивности зоны (от кэф = 0.944 между импульсами до кэф = 0.995 в импульсе быстрых нейтронов), что многократно (~ 100 - 200) увеличивало импульсные потоки нейтронов от мишени. При использовании урановых вкладышей во вращающейся части активной зоны с коэффициентом размножения нейтронов бустером ~ 200 источник обеспечивал интенсивность генерации нейтронов до 5 1014 п/с в импульсах длительностью 4.5 мкс с частотой 100 Гц.

К концу тридцатилетнего периода эксплуатации нейтронный источник ЛУЭ40 + ИБР30 выработал свои ресурсы по запасам механической и радиационной стойкости и был планово остановлен в 2001 году. Но ещё в 1989 - 1991 гг. в Лаборатории нейтронной физики началось обсуждение предложений по новому источнику, условно названному «НИВР» - нейтронный источник высокого разрешения (в английской транскрипции HRNS) [2]. При выработке концепции нового источника нейтронов в качестве инжектора источника также рассматривался и линейный ускоритель протонов с учётом

существенно большего сечения рождения нейтронов на один падающий протон. Однако, принимая во внимание размеры и стоимость протонного ускорителя с параметрами пучка протонов, обеспечивающими сравнимый по величине выход нейтронов, а также опыт работы ЛНФ с электронными ускорителями, однозначное преимущество получил вариант электронного драйвера - линейного ускорителя на бегущей волне дециметрового диапазона.

В окончательном виде проектное предложение, концепция которого являлась прямым развитием идеи бустерного источника нейтронов ЛУЭ-40 + ИБР-30, было сформулировано в Сообщении ОИЯИ в 1992 году [3]. В нём новый источник представлен как научно - исследовательская ядерная установка - источник нейтронов с энергией в области резонансных нейтронов (от тепловых до быстрых), выполненный на базе подкритической сборки без модуляции реактивности активной зоны с внешней инжекцией фотонейтронов, образованных тормозными гамма - квантами, возникающими при поглощении в конвертере электронного пучка линейного ускорителя ЛУЭ-200. Основное предназначение нового источника - обеспечение времяпролётных (TOF - Time Of Flight) спектрометров высокого разрешения импульсными потоками нейтронов. Направление технической эволюции импульсного источника нейтронов Лаборатории нейтронной физики Объединённого института ядерных исследований определялось следующими мотивами:

- необходимостью замены ядерной установки, выработавшей свой ресурс;

- повышением надёжности ядерной установки через отказ от использования вращающейся подвижной части активной зоны.

- повышением разрешающей способности спектрометров, работавших на экспериментальных каналах нейтронных пучков.

Энергетическое разрешение спектрометра нейтронов по времени пролета связано с неточностью At (неопределённостью) в измерении времени пролета нейтронов фиксированной пролётной базы L соотношением [4]:

AE/E = - 0.28 Е1/2(эВ) At (мкс)^(м),

где Д? складывается из длительности импульса быстрых нейтронов, времени миграции нейтронов в замедлителе и времени регистрации их в детекторе. Следовательно, целевое направление развития нейтронных источников ЛНФ ОИЯИ состояло в сокращении длительности импульса нейтронных потоков. При этом не обязательным, но желательным условием развития было сохранение (или даже увеличение) среднего потока нейтронов.

На рисунке 0.2 представлена схема «эволюции» источника нейтронов ЛНФ от первого реактора ИБР до источника ИРЕН. Схема составлена на основе рисунка 0.2,в, заимствованного из сообщения [3]. В таблице 0.1 приведены характеристики источников нейтронов, представленных на рис. 0.2 [1,3,5].

Таблица 0.1. Характеристики импульсных источников нейтронов ЛНФ ОИЯИ.

Источник ИБР ИБР + Микротрон ИБР- 30 (линак ЛУЭ-40 + ИБР) Проект ИРЕН (линак ЛУЭ-200 + размножающая мишень)

Длительность нейтронного импульса 36 мкс 3 - 4 мкс 4.5 мкс 0.4 мкс

Частота циклов 8 - 80 Гц 50 Гц 100 Гц 150 Гц

Коэффициент размножения нейтронов в активной зоне 400 200 от 200 до неск. тысяч в режиме реактора 32.7

Средняя интенсивность (в 4п пространство) . *) - *) 5 х 1014 п/с 9 х 1014 п/с

*) конкретная информация в литературных источниках отсутствует

а) реактор периодического действия ИБР

б) реактор - бустер ИБР-30 (ЛУЭ-40 + ИБР)

в) Источник нейтронов ИРЕН (проект ЛУЭ-200 + активная зона) [2]

Рис. 0.2. Схема «эволюции» источников нейтронов ЛНФ ОИЯИ, размещаемых в здании 43 ЛНФ ОИЯИ

В новый источник предлагалось включить:

- современный электронный линейный ускоритель с длительностью электронного импульса ~ 0.2 мкс и мощностью электронного пучка около 10 кВт.

- "размножающую" мишень - выполненный из тяжелого материала e-7-n конвертер, окружённый бланкетом с быстрой глубоко подкритической плутониевой сборкой, размножающей нейтроны за счёт деления ядер плутония, инициированного фотонейтронами, что по оценкам позволяло обеспечить получение короткого импульса быстрых нейтронов (до 0.43 мкс) со средней интенсивностью до 91014 п/с.

Новая установка получила название ИРЕН (импульсный Источник Резонансных Нейтронов) и проектировалась, в первую очередь, как нейтронный спектрометр по времени пролёта с развитой сетью экспериментальных нейтронных каналов. При сокращении длительности импульса нейтронов в десять раз в проект ИРЕН заложено улучшение «качества» нейтронных спектрометров (отношение потока нейтронов к квадрату длительности импульса) более, чем на два порядка.

Долгосрочная программа фундаментальных и прикладных исследований для источника ИРЕН предусматривает:

• исследование эффектов нарушения фундаментальных симметрий во взаимодействиях нейтронов с ядрами;

• изучение нейтроноиндуцированного деления ядер;

• исследование фундаментальных свойств нейтрона (среднеквадратичный зарядовый радиус и поляризуемость);

• изучение структуры ядра, получение ядерных данных для астрофизики и ядерных технологий;

• изотопный анализ на резонансных нейтронах.

Достижение проектных параметров позволяло Объединённому институту ядерных исследований стать обладателем современного нейтронного источника для ядерной и прикладной физики с параметрами, близкими к параметрам лучших мировых источников нейтронов.

Концептуальный проект ИРЕН [6,7] в его первоначальном виде был сформулирован и оптимизирован, исходя из стоимости его сооружения и эксплуатации с реальными возможностями Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. В нём предполагалось использование существующих зданий установки ЛУЭ-40 + ИБР-30, экспериментального зала и пучковой инфраструктуры (8 нейтронных каналов с пролётной длиной от 50 до 1000 м с измерительными павильонами), предложенной в НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля (Научно -исследовательский и конструкторский институт энерготехники, г. Москва) размножающей мишени [8] и предложенного Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск) линейного ускорителя электронов [9,10]. Проект был представлен Учёному Совету ОИЯИ для включения в долгосрочную программу развития ОИЯИ. В 1994 году Учёный Совет ОИЯИ одобрил создание в ОИЯИ нового источника нейтронов бустерного типа с использованием подкритической активной зоны и драйвера - линейного ускорителя электронов.

Цель диссертационной работы состояла в реализации проекта ИРЕН. Диссертационная работа посвящена, в первую очередь, разработке технического проекта линейного ускорителя электронов, отвечающего требованиям, сформулированным в первоначальном предложении источника ИРЕН [3], исходя из необходимости формирования пучка электронов с параметрами:

- энергия - более 60 МэВ,

- ток пучка в импульсе - 1.5 А,

- средняя мощность ~ 10 кВт,

- цикличность < 200 Гц,

- длительность импульса < 0.3 мкс.

При разработке технического проекта линейного ускорителя электронов, возникли и решены конкретные задачи проектирования и создания целого ряда основных, инфраструктурных и технологических систем, образующих линейный ускоритель электронов, таких как СВЧ система, магнитная система, система модуляторов - источников высоковольтного импульсного питания клистронов, система управления, система диагностики, вакуумная система, система охлаждения и термостабилизации ускоряющих секций и СВЧ компонентов и др. В сфере решаемых задач естественным образом оказались также задачи обеспечения функционирования всего комплекса установки ИРЕН, как единой базовой установки, сочетающей в себе ускоритель, мишенный узел и комплекс экспериментальных каналов. По мере выполнения проектных задач и завершения изготовления и монтажа оборудования ускорителя на штатных местах работа над реализацией проекта перешла в стадию наладки систем и запуска ускорителя в целом. Результаты проектных разработок, работ по наладке, запуску и развитию ускорителя и всего комплекса источника нейтронов составляют предмет диссертации, определяют её содержание, актуальность и практическую ценность. Диссертационная работа выполнялась как в Лаборатории физики высоких энергий имени В.И. Векслера и А.М. Балдина, так и в лаборатории нейтронной физики имени И.М. Франка по следующим темам Проблемно - тематического плана ОИЯИ: 03-4-0993-94/2008 «Создание установки ИРЕН»,

03-4-1036-2001/2010 «Нейтронная ядерная физика - фундаментальные и

прикладные исследования», 03-4-1104-2011/2016 «Исследования в области нейтронной ядерной физики» 03-4-1128-2017/2022 «Исследования взаимодействия нейтронов с ядрами и свойства нейтронов».

На защиту выносятся следующие результаты, определяющие практическую ценность и научную новизну диссертации

1. Основные проектные решения технического проекта ускорителя ЛУЭ-200:

- Компоновка основных узлов и систем ускорителя и их расположение в

здании источника нейтронов ИРЕН.

- Результаты анализа возможностей построения вариантов СВЧ станций на

базе мощных импульсных клистронов дециметрового диапазона для ускоряющей системы ускорителя ЛУЭ-200.

- Обоснование схемы модулятора - генератора высоковольтных импульсных

источников питания клистронов ускорителя.

- Результаты разработки и создания магнитной системы ускорителя с

системой питания.

- Результаты разработки и создания магнитного спектрометра энергий ускоренного пучка.

2. Результаты экспериментальных и расчётных исследований эффективности ускоряющей системы.

3. Экспериментальные результаты по физическому пуску Гои очереди ускорителя ЛУЭ-200: по проводке пучка, оптимизации канала транспортировки, измерению энергии и энергетического спектра пучка электронов и энергетическому пуску ускорителя ЛУЭ-200 в работу с частотой циклов 25 - 50 Гц.

4. Экспериментальные результаты по физическому пуску П-ой очереди ускорителя ЛУЭ-200.

5. Результаты физического пуска и развития импульсного источника резонансных нейтронов ИРЕН.

Содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Во введении представлены краткая история создания и развития импульсного реактора ИБР, концепция источника нейтронов ИРЕН, сформулированы цели и задачи диссертации, обоснована их актуальность.

Первая глава посвящена формулированию и обоснованию физических параметров технического проекта линейного ускорителя ЛУЭ-200 как драйвера источника резонансных нейтронов. В материалах главы определено расположение ускорителя в залах здания источника нейтронов ИРЕН и проработана общая компоновка основных узлов и систем ускорителя на основе принципа модульного построения с размещением модулей на несущих конструкциях, установленных на верхних этажах здания 43 ЛНФ ОИЯИ. Во второй главе представлены решения, принятые по базовым системам ускорителя ЛУЭ-200: ускоряющей системе, системе СВЧ питания, системе импульсного питания клистронов, магнитной системе, источнику электронов. Проанализированы требования к этим системам, предложены и представлены технические решения, реализованные на ускорителе.

В третьей главе представлены инфраструктурные системы ускорителя ЛУЭ-200: вакуумная система, системы управления, синхронизации, система диагностики пучка, система термостабилизации ускоряющих секций и компонентов СВЧ - тракта.

В четвёртой главе представлены этапы создания и наладки ускорителя, результаты экспериментов по тестированию ускоряющих секций, результаты физического пуска 1 -й очереди, затем физического пуска второй очереди ускорителя и всей установки ИРЕН в целом.

В пятой главе анализируются проблемы, ограничивающие получение проектных параметров ускорителя и предложены меры по повышению эффективности ускорителя.

Шестая глава включает в себя описание установки ИРЕН, как базовой установки ОИЯИ. В ней представлены параметры установки, отмечаются её

особенности, характеристики нейтронных пучков в сравнении с параметрами подобных установок иных лабораторий и научных центров. Представлены примеры экспериментов, выполненных на установке ИРЕН, как в области нейтронной ядерной физики, так и в области прикладных исследований. В заключении подводятся итоги диссертационной работы, представлены основные результаты по созданию ускорителя ЛУЭ-200, отмечаются их научная ценность и практическая значимость.

В приложениях содержатся официальные документы Российской академии наук и Объединённого института ядерных исследований, в которых констатируется достижение конкретных результатов, положенных в основу диссертации.

Результаты диссертационной работы содержатся в публикациях

[16,23,25,31,36,47,49,59,61,62,63,65,66,67,70,71,80,81,85,92,93,94,95,96,97,98,99,

100,101,102,108,113,114,125,126,127,128,129,130,131,132,133,134,135,137,138,

141,142,143,144,147,148,149,150,151,158,163,171].

Апробация диссертации

Результаты работ, положенных в основу диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах в ряде ведущих отечественных ускорительных центров (ИЯФ СО РАН, ОИЯИ, МИФИ), на Российских и международных конференциях по ускорителям заряженных частиц: RuPAC2002 (Обнинск, РФ), RuPAC2004 (Дубна, РФ), RuPAC2006 (Новосибирск, РФ), RuPAC2012 (С-Петербург, РФ), RuPAC2016 (С-Петербург, РФ), LINAC96 (Geneva, Швейцария), LINAC98 (Chicago, USA), LINAC2000 (Monterey, USA), LINAC2002 (Gueongju, Korea), LINAC2004 (Lubek, Germany), LINAC2014 (Geneva, Швейцария), LINAC2018 (Beijing, China), на международных научных семинарах по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти профессора В.П. Саранцева (2001г. Дубна; 2003г. Дубна; 2005г. Алушта; 2009г. Алушта; 2011г. Алушта; 2013г. Алушта; 2015г. Алушта; 2017г. Алушта, 2019г. Алушта), докладывались на Международной Сессии -конференции секции ядерной физики Отделения физических наук Российской академии наук 12 - 15 апреля 2016г. (Дубна, ОИЯИ).

Глава 1. Ускоритель ЛУЭ-200 в проекте ИРЕН. Разработка проекта ускорителя

1.1. Общие требования к ускорителю ЛУЭ-200

Как уже было представлено во Введении, проект ИРЕН был принят к реализации как ядерная установка в составе предложенной в НИКИЭТ Размножающей Подкритической Мишени (МРП) и предложенного в ИЯФ СО РАН линейного ускорителя электронов. К работе над проектом установки были привлечены ведущие проектные организации страны: ГСПИ (г. Москва) и НИКИЭТ (г. Москва), обладающие соответствующими лицензиями на проектирование ядерных установок.

Во введении уже отмечалось, что условие сохранения и использования существующих зданий и пучковой инфраструктуры установок -предшественников ИРЕН в новом проекте играло существенно привлекательную роль, но, с другой стороны, это же условие явилось и главным ограничивающим параметром проекта ускорителя, так как в дополнение к сформулированным в [3] требованиям к параметрам пучка ускорителя оно означало фактическое ограничение на длину ускорителя, которая не должна быть более 10 м.

Это жёсткое требование вытекает из условия размещения ускорителя в здании установки ЛУЭ-40 + ИБР-30, где реактор ИБР-30 находился в центре зала размером 10 х 10 х 7 м, бетонные стены и потолок которого (толщиной до 2 м) служат биологической защитой. Над залом реактора расположены один над другим еще два зала размерами 10 х 10 х 5 м и 10 х 10 х 7 м, в которых ранее размещался двухсекционный линейный ускоритель ЛУЭ-40 (разработка Научно - исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Ефремова (НИИЭФА, г. Ленинград). В новом проекте размещение ускорителя электронов предполагалось также вертикально в тех же двух залах (верхнем и нижнем), расположенных выше мишенного (реакторного) зала. В совокупности с требованиями по обеспечению заданной энергии ускоренного пучка и ограничениями на протяжённость линейного ускорителя требования на

необходимый темп ускорения электронов нового ускорителя, как минимум > 20 МэВ/м. оказались доминирующими.

В качестве потенциальных разработчиков ускорителя руководством проекта рассматривались и привлекались к участию в проекте ведущие ускорительные центры Российской Федерации: НИИЭФА (г. Ленинград) [11], ХФТИ (г. Харьков) [12], МИФИ (г. Москва) [13,14] и ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск) [15], имеющие многолетний опыт разработки и создания линейных электронных СВЧ ускорителей как для научных и прикладных программ, так и для народного хозяйства. Научно - исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Ефремова и Харьковский физико - технический институт (ХФТИ) обладали необходимым опытом и технологической базой для производства ускорителей, работающих на частоте 2797 МГц с усилителями СВЧ мощности на базе российского модифицированного клистрона КИУ-12АМ. Однако выпускаемые этими центрами ускорительные структуры обладали недостаточно высоким ускоряющим градиентом, а ускоряющие секции недостаточно высоким темпом ускорения (4 -5 МэВ/м), что не позволяло в заданных размерах ускорителя получить требуемые значения энергии ускоренного пучка электронов. Наиболее предпочтительными оказались предложения ИЯФ им. Г.И. Будкера по созданию СВЧ ускорителя дециметрового диапазона с использованием инновационных технологий компрессии СВЧ - мощности типа SLED и разрабатываемых в ИЯФ для форинжектора ускорительного комплекса ВЭПП-5 высокоградиентных ускорительных секций. В 1993 году Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН представил в ОИЯИ отчёт о НИР [9], в котором было предложено физобоснование проекта Линейного Ускорителя Электронов с граничной энергией ускоренного пучка до 200 МэВ, поэтому в последующем этот ускоритель получил название ЛУЭ-200.

Для дальнейшей детализации проектные параметры электронного пучка линейного ускорителя, как инжектора - драйвера источника нейтронов, такие как энергия, мощность, длительность импульса тока, частота циклов,

формулировались с учётом свойств и характеристик размножающей мишени -подкритической сборки. Рассмотрим эти параметры.

Средняя мощность пучка является ключевым параметром, от которого линейно зависит как интегральный выход фотонейтронов из конвертера, так и интегральный выход нейтронов из источника бустерного типа.

Длительность импульса тока. При минимизации длительности импульса нейтронных пучков, используемых в спектрометрах по времени пролёта, ограничение длительности импульса "снизу" определяется временем размножения нейтронов в мишени. Длительность импульса тока пучка линейного ускорителя - драйвера нейтронного источника бустерного типа должна быть примерно в два раза меньше минимального времени размножения нейтронов.

Энергия электронов определяется "квазипороговым" характером зависимости сечения образования фотонейтронов электронным пучком. При превышении порогового значения эта зависимость приобретает слаборастущий почти линейный характер. Таким образом, «энергетически выгодней» энергию пучка на выходе ускорителя обеспечить выше "пороговой".

Энергетический разброс пучка ускоренных электронов для схемы, используемой в установке, не имеет существенного значения, так как ускоренный пучок направляется непосредственно на мишень без использования отклоняющих или поворотных магнитов.

Максимальная частота циклов ускорения ограничивается предельными техническими возможностями выбранных усилителей СВЧ мощности -клистронов. Для известных в настоящее время самых мощных клистронов дециметрового диапазона (50 - 80 МВт импульсной мощности) это 150 Гц.

Технический проект подкритической размножающей мишени разрабатывался в НИКИЭТ с учётом многолетнего опыта эксплуатации в ЛНФ ОИЯИ исследовательского реактора ИБР и реактора - бустера ИБР-30 [16]. В основе проекта мишени [17] лежит, в первую очередь, требование сохранения глубокой подкритичности активной зоны. Исходя из требований ядерной

безопасности активной зоны коэффициент размножения нейтронов на один падающий нейтрон ни при каких обстоятельствах не должен превышать кэф тах = 0.98. Активная зона МРП глубоко подкритична с учётом делений на запаздывающих нейтронах; расчётный коэффициент размножения нейтронов кэф = 0.9694. При неработающем ускорителе электронов источник первичных нейтронов отсутствует. При исчезновении нейтронов от внешнего источника реакция деления в мишени прекращается.

Проектная конструкция мишенного узла МРП приведена на рис. 1.1. [17]. Она представляет собой выполненный из вольфрама е- у-п конвертер, расположенный в центре компактной и быстрой активной зоны, содержащей около 24 кг высококондиционного металлического плутония (более 95% -239Ри). Активная зона должна работать в режиме подкритической сборки с суммарным коэффициентом умножения нейтронов ~ 32.7.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Сумбаев Анатолий Павлович, 2022 год

Источники

питания (7 каналов)

Клистрон КЛ 2

Источники

питания (7 каналов)

Зал ускорителя

Контроль параметров катушекк соленоидов клистрона ускорительной секции 1 (В «ручном» режиме)

Измерители V,I

(VLMD-1-2-R, AMTD-2-R)

Пульт управления

Контроль параметров ИП обмоток соленоидов клистрона ускорительной секции 2 (В «ручном» режиме)

Измерители V,I

(VLMD-1-2-R, AMTD-2-R)

Контроль параметров ИП обмоток соленоидов клистрона ускорительной секции 1,2 В автоматическом режиме с выходом на систему блокировок

с | Л

■ Схема гальванической

изоляции

Система автоматического (в каждом блоке

контроля параметров контроля используется

источников . свой индивидуальный

7 каналов канал гальванической

1 развязки по питанию,

1 связи с РС и выходам)

Компьютер -►

Система блокировок -►

Vps=+5V

Рис. 2.18. Структурная схема системы питания фокусирующих соленоидов двух клистронов E37340 Canon

Для текущего контроля выходных параметров к каждому ИП подключается блок адаптера, в котором находятся токовый шунт (60мВ/50А), элементы защиты и элементы подключения нагрузки и измерительной системы. Сигналы о выходных напряжениях и токах ИП поступают на коммутатор и измерители напряжения (УЬМБ-1-2-Я) и тока (ЛМТБ-2-Я).

Рис. 2.19. Функциональная схема контроля параметров источников питания клистронов E37340 Toshiba - 1 канал

Программный интерфейс позволяет оператору получать информацию о состоянии источников питания (индикация выхода параметров ИП из рабочего диапазона, значения токов и напряжений выбранного ИП) и проводить изменение «уставок» - номинальных значений параметров каждого источника питания. С целью уменьшения влияния электромагнитных помех от работы модуляторов клистронов измерение заданных параметров производится в паузах между циклами ускорения.

Система автоматического контроля (рис. 2.19) при выходе параметров ИП за установленные пределы вырабатывает сигнал о «неготовности» ИП к работе и, соответственно, сигнал - запрет на работу определенных систем (например, запрет запуска модуляторов ВЧ-системы и т.д.). Измерительная система строится по следующему принципу. Каждому каналу ИП соответствует свой блок контроля, который имеет два измерительных канала (по напряжению и

току). Контроллер осуществляет измерение напряжений и токов, сравнение результатов измерения с «уставками», индикацию при выходе из диапазонов (мигающий светодиод), выход для передачи сигнала в систему блокировок (два типа выхода - релейный и «быстрый» для блокировки избранных каналов синхронизатора). Измерительная часть контроллера (операционные усилители и микроконтроллер) имеет гальваническую развязку по питанию и по цепям связи с операторским компьютером и с системой блокировок. В качестве протокола обмена используется широко распространенный протокол промышленных сетей ModBus RTU.

Для питания катушек фокусирующих соленоидов и цепей размагничивания сердечников высоковольтных импульсных трансформаторов представленных выше клистронов могут быть использованы, как правило, стабилизированные источники постоянного тока в диапазоне 10 - 40 А. Общая мощность, потребляемая от сети системой питания фокусирующего соленоида клистрона вместе с источником питания размагничивания может достигать 6 кВт для одного клистрона.

2.4. Модулятор - высоковольтный импульсный генератор для питания клистронов ускорителя ЛУЭ-200

Генераторы высоковольтного импульсного питания клистронных усилителей СВЧ мощности - модуляторы в системе источников СВЧ мощности ускорителей являются одним из самых важных элементов преобразования электрической энергии от промышленной сети в энергию ускоряющего СВЧ поля. Известно множество различных схемных решений, используемых для модуляторов, питающих мощные СВЧ приборы, в том числе питающих клистроны. Полезный и подробный обзор модуляторов разных типов для мощных импульсных клистронов, выполненный на этапе разработки физобоснования ускорителя и разработки технического проекта содержится в диссертации И.В. Казарезова (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) [45]. Среди наиболее распространённых схем можно выделить модуляторы, питающие

высоковольтные клистроны через повышающие импульсные трансформаторы: как с высоковольтными электровакуумными ключами - тиратронами (SLAC, Davonsys, ИЯФ СО РАН\Новосибирск, РИМР\С.-Петербург, «Контакт»\Саратов), так и с низковольтными твердотельными переключателями (например, модуляторы компании «Scandi Nova», Финляндия). При проектировании модулятора для ускорителя ЛУЭ-200 выбор схемного решения был определён тем обстоятельством, что мощные импульсные клистроны нужного частотного и мощностного диапазонов выпускаются и предлагаются производителями (SLAC, Toshiba, Thales, Canon) к продаже, как правило, уже укомплектованными высоковольтными импульсными трансформаторами. Поэтому параметры импульсного модулятора для ускорителя в таких случаях диктуются выбором типа и параметров используемого клистрона и адаптированного к нему импульсного трансформатора. В общем случае схему такого модулятора, можно представить в упрощённом виде, изображённом на рис. 2.20. В этой схеме формирующая линия на сосредоточенных параметрах, состоящая из L-C цепочек (ячеек), заряжается до напряжения Цфл, затем включением ключа К коммутируется на первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ, вторичная обмотка которого нагружена на клистрон Кл. Параметры формирующей линии подбираются индивидуально под конкретный тип клистрона со своим трансформатором.

Сяч

Рис. 2.20. Упрощённая схема модулятора на основе формирующей линии. ЗУ - зарядное устройство, ФЛ - формирующая линия, ИТ - импульсный трансформатор, Кл - клистрон, К - ключ, Сяч - ёмкости ячейки, Ьяч - индуктивности ячейки

Изначально [3,9,10] в качестве «базового» клистрона для ЛУЭ-200 рассматривался клистрон 5045 БЬЛС [26]. Разработка модулятора для такого

варианта клистронов ЛУЭ-200 проходила по двум направлениям. В одном рассматривалось предложение [6,48,49] Российского института мощного радиостроения (РИМР, г. С-Петербург), основанное на адаптации под клистрон 5045 схемы модулятора М250 от имеющейся в наличии в ОИЯИ усилительной станции «Оливин СУ» (рис. 2.20), спроектированной в НПО им. Коминтерна (РИМР) [46] для клистрона КИУ-53 (260 кВ, 230 А, 2797 МГц) ускорителя ЛУЭ-150ИЦ. Новая схема получила название "модулятор М350" [24,31,48,49], но, по сути, представляла модифицированную схему модулятора М250 с заменой одной ФЛ на две параллельно включённые ФЛ (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Упрощённая схема модулятора М250 усилительной станции «Оливин СУ» [48]

В другом варианте развивалась предложенная в физобосновании ЛУЭ-200 [9] схема, представленная на рис. 2.22, разработанная в БЬЛС специально для клистрона 5045 [50]. Схемы модуляторов этого направления исследовались в ИЯФ СО РАН Казарезовым И.В. [45,51,52].

Рис. 2.22. Упрощённая схема модулятора для клистрона 5045 [50]. В схеме предусмотрена возможность коммутации ФЛ двумя параллельно включёнными тиратронами или двумя тиратронами, включёнными сепаратно

на каждую линию

С учётом выводов, сформулированных в разделе 2.2, опыта в работы ИЯФ и накопленного в работе собственных стендов, задача разработки штатного модулятора для установки на ускорителе ЛУЭ-200 сводилась к созданию варианта модулятора, приемлемого для нескольких типов клистронов с импедансами (Z^ = Цкл//кл) от 800 Ом до 1100 Ом, способного с минимальными переделками работать на мощные клистроны дециметрового диапазона с трансформаторами с повышающим коэффициентом трансформации Ктр ~ 15 (SLAC, Toshiba, Canon).

2.4.1. Расчёт схемы модулятора

Проведём оценочные расчёты основных параметров схемы модулятора (рис. 2.20 - рис. 2.22), которые, должны определяться следующими обстоятельствами:

- параметрами импульса напряжения на клистроне, исходя из требований, предъявляемых к импульсу СВЧ мощности, направляемому в ускоряющую секцию ускорителя (длительность, мощность),

- параметрами клистрона (напряжение Цл, ток Лл, первеанс p),

- параметрами трансформатора (коэффициент трансформации, индуктивности обмоток, паразитные индуктивности).

Выполним оценки на основе известных классических соотношений [53,54]. При этом будем исходить из того, что длительность импульса высокого напряжения Ти, подаваемого на клистрон, должна быть больше длительности

СВЧ импульса Тсвч = 3.5 мкс (табл. 2.3), которая, в свою очередь, должна быть

больше времени заполнения ускоряющей секции СВЧ мощностью (0.47 мкс) и больше времени заполнения СВЧ мощностью резонаторов системы SLED (3.0 мкс). Для оценок примем длительность плато требуемого импульса напряжения равной 3.5 мкс на уровне 0.95 амплитуды, а длительность импульса по основанию 5.5. мкс.

В качестве численного примера используем параметры клистрона 5045: U = 350 кВ, /кл = 400 А, p = 2.0 10-6) и параметры его трансформатора Ктр = 15. Определим импеданс нагрузки импульсного трансформатора как

Zra = икл//кл = 885.7 Ом, отсюда получаем входной импеданс импульсного трансформатора

Zi = Zra/ ктр2 = 875/225 ~ 3.89 Ом, следовательно, волновое сопротивление (характеристический импеданс) формирующей линии для условия полного согласования должно быть рфл = Zi ~ 3.89 Ом. При этом амплитуда импульса напряжения на первичной обмотке ИТ должна быть Ui = Цш/ктр = 350 кВ/15 = 23.3 кВ, а зарядное напряжение формирующей линии ифл = 2Ui = 46.6 кВ. Точно так же можно оценить исходные данные для других вариантов модулятора, адаптируемых для иных клистронов дециметрового диапазона. В таблице 2.12 представлены результаты оценок для расчёта модуляторов к клистронам из таблицы 2.11, использование которых целесообразно в ускорителе ЛУЭ-200. В этих оценках принято, что клистроны запитываются от модулятора через собственные импульсные трансформаторы с коэффициентом трансформации Ктр = 15. Оценки для модулятора к клистрону ТН2129 Thomson произведены также в связке с трансформатором с коэффициентом трансформации Ктр = 15.

Таблица 2.12. Проектные оценки для расчёта модуляторов к клистронам, использование которых целесообразно в ускорителе ЛУЭ-200.

параметр 5045 SLAC TH2129 Thomson E3730A, Toshiba E37340, Canon E3730A, Toshiba E37340, Canon (форсированный режим)

Цл (кВ) 350 230 310 325

/кл (A) 400 219 350 380

Ркл (2 10-6) 2.0 1.98 2.02 2.02

2кл (Ом) 875 1050 885.7 855.3

Zi (Ом) 3.89 4.6 3.94 3.8

Рфл (Ом) 3.89 4.6 3.94 3.8

Ui (кВ) 23.5 15.3 20.7 21.6

Цфл (кВ) 47 30.6 41.4 43.2

/фл (кА) 6.04 3.33 5.2 5.6

Как видим, «базовые» волновые сопротивления ФЛ для выбранных клистронов оказываются в диапазоне значений от 3.8 до 4.6 Ом.

Параметры ячеек ФЛ и их количество определяются путём подбора ёмкости Сяч и индуктивности ^яч при заданных из таблицы 2.11 волновом сопротивлении рфл и длительности импульса. Причём, как правило, проще подобрать параметры ФЛ при фиксированной величине ёмкости, которая определяется наличием доступных конденсаторов с адекватными, но фиксированными параметрами, и регулируемой величине индуктивности ячеек.

При выборе параметров ФЛ для модуляторов к клистронам типа 5045 SLAC, ТН2129 Thomson и Е3730А Toshiba оказалось удобнее использовать две параллельно включенные ФЛ с волновым сопротивлением порядка 8 - 9 Ом таким образом, что их общее сопротивление становится ~ 3.8 - 4.5 Ом, близким к Zi. Пример такой схемы представлен на рис. 2.22 [50]. Имея в распоряжении высоковольтные импульсные конденсаторы с конкретными номиналами (5 нФ, 10 нФ, 24 нФ, 50 нФ или 100 нФ), можно смоделировать несколько разных вариантов ФЛ с волновым сопротивлением 9 Ом, 4.5 Ом и 3.8 Ом. Результаты такого моделирования представлены в таблице 2.13.

Таблица 2.13. Примеры вариантов ячеек формирующих линий

рфл = 9 Ом

Сяч (нФ) 5 10 24 50 100

Lяч (мкГн) 0.405 0.81 1.94 4.05 8.1

рфл - 4.5 Ом

Сяч (нФ) 5 10 24 50 100

Lяч (мкГн) 0.101 0.202 0.486 1.01 2.02

рфл - 3.8 Ом

Сяч (нФ) 5 10 24 50 100

Lяч (мкГн) 0.072 0.144 0.347 0.72 1.44

Из таблицы 2.13 понятно, что проектировать ФЛ с волновым сопротивлением рфл < 4.5 Ом сложнее, так как в этом случае приходится комплектовать ячейки индукторами, величина индуктивности которых

становится сравнимой с паразитными индуктивностями соединений. В этом отношении индукторы для ячеек ФЛ с волновым сопротивлением 9 Ом или 7.6 Ом проектировать проще.

Число ячеек Пяч в формирующей линии определяется, исходя из требуемой длительности импульса ти = 2пяч(ЬячСяч)1"2, откуда пяч = 0.5ти(ЬячСяч)~12, где ёмкость ячейки Сяч определена выбором для

формирующей линии конкретных конденсаторов. При выборе числа ячеек в ФЛ полезно учитывать то обстоятельство, что значительное увеличение числа ячеек в ФЛ приводит к неоправданным потерям и снижению к.п.д. формирующей линии [45]. Полученные таким образом предварительные оценки проверялись автором в компьютерных расчётах с помощью программного продукта РБр1ее. На рисунках 2.23 и 2.24 представлены примеры расчётной схемы и результаты расчёта одного из вариантов схемы модулятора.

Рис. 2.23. Расчётная схема для численного исследования модулятора с помощью программного продукта РБрюе. Вариант разряда ФЛ на активную нагрузку г = 3 Ом

$ —1— i ..... ..... ....

1*4

1 f i 1 1 ! У > V

-] ..... ..... ..... ..... ..... ...... -- ....

г ..... ..... ..... ..... ..... ...... -- ....

-4--f" J ± —1— -h ..... н+ —1—1— -hh -h ..... ..... ..... .....L... -h ■-4-I--hh ....

□ V(C20:1)

Time

Рис. 2.24. Эпюра напряжения на нагрузке, полученная в компьютерных расчётах программным продуктом PSpice при небольшом положительном рассогласовании активной

нагрузки с волновым сопротивлением ФЛ

Известно, что при разряде ФЛ на активную согласованную нагрузку длительность фронта импульса равна примерно четверти периода собственных колебаний контура, состоящего из индуктивности и ёмкости одной ячейки ФЛ: Гф = %/Ъ(ЬячСяЧ)1/2. Однако при нагрузке ФЛ на первичную обмотку импульсного трансформатора (ИТ) следует учитывать, что длительность фронта импульса не может быть меньше постоянной времени трансформаторной цепи Гтр, определяемой с учётом индуктивности и ёмкости первичной и вторичной цепей трансформатора: Гф > Гтр = (ЬтрСтр)т [55],

Гтр = [L + Ls) (Cs + Сд)]1/2, (2.7)

где Lц и Ls - индуктивность намагничивания и индуктивность рассеяния первичной цепи импульсного трансформатора, С s — паразитная ёмкость первичной цепи ИТ, а динамическая ёмкость ИТ Сд ~ (n - 1)2/n2 [56]. Из этих соотношений и параметров, представленных в таблице 2.11, понятно, что при одинаковых параметрах ФЛ длительность переднего фронта импульса у модулятора, работающего на клистрон TH2129 c импульсным трансформатором PS-238-220-00 SLAC, будет примерно в два раза короче, чем у клистрона Е3730А с трансформатором VT-61169 Toshiba.

Суммируя отмеченные факторы и выполненные оценки, в таблице 2.14 сформулированы общие требования к модуляторам для различных клистронов, оснащённых трансформаторами с коэффициентом трансформации Ктр = 15.

Таблица 2.14. Общие требования к вариантам модулятора, адаптированным для ряда конкретных клистронов для ЛУЭ-200

Параметр Тип клистрона

5045 SLAC ТН2129 Thomson Е3730А Toshiba Е37340 Сапоп

Напряжение на клистроне (Лл (кВ) 350 240 310 310

Ток пучка клистрона /кл (А) 400 235 350 350

Напряжение на выходе ФЛ (на первичной обмотке трансформатора) и = икл / Ктр (кВ) 23.5 16 20.7 20.7

Зарядное напряжение ФЛ (7фл (кВ) 47 32 41.4 41.4

Общее волновое сопротивление ФЛ Рфл (Ом) 3.888 4,53 3.94 3.94

Длительность импульса по уровню 0.5 (мкс) 5.5 5.5 5.5 5.5

Длительность плато импульса по уровню 0.9 (мкс) 3.5 3.5 3.5 3.5

Частота циклов (Гц) до 150 Гц до 150 Гц до 50 Гц до 150 Гц

Импульсный ток через ФЛ (через коммутатор) (кА) 6.044 3.53 5.254 5.254

Средний ток через коммутатор (А) ~ 5 ~ 2.9 ~ 1.4 ~ 4.3

Импульсная мощность, передаваемая в нагрузку (МВт) 141 56.5 108.7 118.4

Средняя мощность модулятора, передаваемая в нагрузку (кВт) 116.3 46.6 29.8 97.7

Исследования различных схем модулятора (М-250, М-350, модулятор ЖКНЕБ) на полномасштабном высоковольтном стенде [24,48,49], а также в реальной работе ускорителя в течение нескольких лет (суммарно более 8000 часов работы с частотой от 5 до 50 Гц) предоставили автору возможность накопления значительного опыта по расчёту, испытанию, оптимизации и эксплуатации как общих схемных решений, так и отдельных узлов, использованных в различных вариантах модулятора. В расчётах, подтверждённых экспериментальными исследованиями, установлено, что наиболее удобными для ФЛ с заданными в таблицах 2.12, 2.13 требованиями

являются ячейки с конденсаторами ёмкостью 50 нФ, позволяющие выбором индуктивностей в пределах 0.7 - 4.0 мкГн изменять волновое сопротивление ФЛ в пределах 1.9 - 9.0 Ом, что обеспечивает возможность использования одного и того же модулятора для питания разных клистронов, планируемых к использованию на ускорителе ЛУЭ-200.

2.4.2. Выбор основных компонентов для модулятора Выбор конденсаторов формирующей линии (ФЛ)

При выборе конденсаторов для ФЛ модуляторов ЛУЭ-200 рассматривалось несколько вариантов высоковольтных импульсных конденсаторов, к которым предъявлялись следующие требования:

- режим работы импульсный,

- номинальное зарядное напряжение < 50 кВ,

- разрядный импульсный ток через конденсатор > 7 кА,

- испытательное напряжение ~ 80 кВ БС,

- допустимый уровень переполюсовки до 50%,

- средний ток > 10 А,

- частота циклов до 150 Гц.

Помимо указанных выше характеристик также принимались во внимание такие параметры конденсаторов, как энергоёмкость, удельная энергоёмкость, диэлектрические потери, габариты и пределы рабочей температуры. Из опыта эксплуатации ускорителя установлено, что особым параметром, определяющим выбор типа конденсатора, следует рассматривать ресурс работы конденсатора по числу циклов заряд/разряд при номинальных значениях зарядного напряжения и тока разряда.

Оценим время работы конденсатора с заданным ресурсом при различных частотах циклов заряд/разряд.

При цикличности 50 Гц в час происходит 50х3600 = 1.8 х 105 циклов в час. При ресурсе 108 циклов следует ожидать 555.5 часов работы, т.е. 23.1 суток. При ресурсе 1010 циклов это 2315 суток или почти 6.3 лет. При ресурсе 1011 циклов это почти 63 года.

При цикличности 150 Гц происходит 150 х 3600 = 5.4 х 105 циклов в час. При ресурсе 108 циклов следует ожидать 185.2 часа работы, т.е. 7.7 суток. При ресурсе 1010 циклов это 770 суток или 2.1 года. При ресурсе 1011 циклов это 7700 суток или почти 21 год.

Очевидно, что для работы с цикличностью 50 Гц необходим гарантированный ресурс не менее 109 циклов, а для работы с цикличностью 150 Гц требуются конденсаторы с ресурсом не менее 1010 циклов.

Среди представленных в Интернете серийно выпускаемых и доступных на рынке конденсаторов с необходимым электрическими параметрами и заявленным ресурсом более 1010 циклов номинально (по информации производителя) обладают только конденсаторы производства компании СБ1 (США). В процессе наладки и эксплуатации ускорителя ЛУЭ-200 были проведены ресурсные испытания конденсаторов СБ1: 50 кВ, 0.05 мкФ, заявленных на сайте компании СБ1 как конденсаторы с ресурсом до 6 х 1011 циклов. Данные конденсаторы работали в составе двух модуляторов: для клистрона ТН2129 (Цфл= 34 кВ) и для клистрона Е3730А (Цфл= 42 кВ). При разнице величины Пфл в 24% разница в ресурсе оказалась не менее чем в два порядка.

Образцы этих и других, имеющихся в распоряжении, конденсаторов испытывались и на полномасштабном высоковольтном стенде, и на действующем ускорителе ЛУЭ-200. Условия и результаты испытаний представлены в таблице 2.15. Следует считать эти результаты предварительными. В диссертации И.В. Казарезова [45] представлены конденсаторы КМК 50-0.04 разработки и производства Санкт - Петербургского политехнического университета как высоконадёжные изделия, полностью удовлетворяющие требованиям со стороны модулятора. Однако эти конденсаторы производились ограниченными партиями, производство таких конденсаторов давно прекращено, а аналоги этих конденсаторов ещё недостаточно отработаны и изучены.

Таблица 2.15. Условия и результаты испытаний некоторых типов конденсаторов для модуляторов ускорителя ЛУЭ-200

Тип конденсатора, производитель Uфл при испытани ях Частота циклов Отработка (час/циклов) Результат Примечания (повреждения)

К15-10, 4700 пФ, 50 кВ (ООО Конденсатор»,РФ) 40 кВ 10-25 Гц 104 - 105 Низкая надёжность Пробои по поверхности. При номинальном напряжении работают только в масле или после принятия специальных мер

ИМК-100-0.05 50 000пФ, 100 кВ (г. Серпухов, РФ) 46 кВ 10-25 Гц 107 Окончательного заключения нет Большие и неудобные габариты Неизвестный ресурс,

К75-35, 24 000пФ, 50 кВ 46 кВ 10-50 Гц 107 Низкая надёжность Пробои, разрыв корпуса

GA 450PD820 20 000пФ, 50 кВ (General Atomics, USA) 46 кВ 10-50 Гц 108 Недостаточный ресурс Пробои, разрыв корпуса

50PP0023 50 000пФ, 50 кВ (CSI Tec., USA) 43 кВ 10-50 Гц 107 Недостаточный ресурс Вздутие корпуса, разрыв корпуса

50 000пФ, 50 кВ Xi'an Xu&Hui Electromechanical Technology Co., LTD (China) 43кВ-46кВ 10-50 Гц Испытания продолжаются непосредственно на ускорителе

50 000пФ, 50 кВ Tecxwell electronic Co., LTD (Taiwan) 43кВ-46кВ 10-50 Гц Испытания продолжаются непосредственно на ускорителе

GA 37574M 50 000пФ, 50 кВ (General Atomics, USA) 43кВ-46кВ 10-50 Гц Испытания продолжаются непосредственно на ускорителе

50 000пФ, 50 кВ (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) 43кВ-46кВ 10-50 Гц Испытания продолжаются непосредственно на ускорителе

Как видно из представленных таблицей материалов, полноценных конденсаторов, т.е. удовлетворяющих всем поставленным требованиям, пока в распоряжении ускорителя ЛУЭ-200 ещё нет. Поиски конденсаторов, адекватных задаче, и их испытания продолжаются, в том числе, испытания продолжаются и непосредственно на действующем ускорителе.

Выбор тиратронов

Технические требования, предъявляемые к высоковольтным коммутаторам ФЛ вытекают из параметров модуляторов (таблица 2.12). В таблице 2.16 представлены отечественные и зарубежные тиратроны, чьи параметры близки к требованиям, предъявляемым со стороны модулятора ЛУЭ-200. Параметры тиратронов СХ2412А (компания E2V, United Kingdom) [57] и L4888 (Litton,

USA) [58] приведены справочно для сравнения с параметрами тиратронов, которые были испытаны при разработке модулятора.

Классическими отечественными тиратронами, заполнившими нишу российских разработок мощных модуляторов с коммутируемыми напряжениями порядка 30 - 50 кВ, являются импульсные водородные тиратроны ТГИ1-2500/50 «Идеал» и ТГИ1-5000/50 «Исполин» (разработки НПО «Исток», Фрязино). Эти тиратроны отлично зарекомендовали себя в самых различных модуляторных схемах (и в схемах с «подвешенным» под высокое напряжение катодом, и в схемах с заземлённой сеткой и в схемах с параллельно включенными тиратронами). Наиболее распространённым и хорошо изученным автором является тиратрон «Идеал» [59]. Однако для модулятора с заявленными параметрами, указанными в таблице 2.12, «Идеал» не обладает необходимыми (высокими) величинами токов ни в импульсе, ни в среднем значении. Использование тиратронов ТГИ1-2500/50 в принципе возможно только при включении, например, двух тиратронов в параллель [9,45]. «Исполин» более подходит для модулятора ускорителя ЛУЭ-200 по этим параметрам, но в отличие от «Идеала», «Исполин» обладает меньшим ресурсом работы. Тиратроны «Исполин» достаточно жёстко испытаны на работоспособность в составе модулятора М350 на полномасштабном стенде и на действующем ускорителе (первая очередь ускорителя), где показали свои паспортные параметры, допускающие их ограниченное использование в модуляторе ускорителя ЛУЭ-200. Однако планирование их дальнейшего использования в развивающемся ускорителе нецелесообразно, так как в настоящее время их производство прекращено.

Разработанные на замену тиратронам «Идеал» и «Исполин» в ООО «Импульсные технологии» (г. Рязань) тиратроны ТГИ1-5к/50 (однокамерные) и ТГИ2-10к/50 (двухкамерные) [60] ещё не имеют устойчивых серийных эксплуатационных показателей. Отдельные образцы тиратронов ТГИ2-10к/50 (2 экземпляра из опытной партии), испытанные в 2015 году на ускорителе ЛУЭ-200, не смогли подтвердить своих паспортных рабочих параметров по

максимальному прямому анодному напряжению. Испытуемые тиратроны начинали открываться при достижении ~ 70% - 80% паспортного значения анодного напряжения (рис. 2.25). Кроме того, в одном из испытуемых тиратронов возникали явления, которые можно трактовать, как «недостаточную эмиссию» или «срыв» тока анода. В последующие годы разработчики этих тиратронов произвели доработку катодно - сеточного узла. Новые образцы этих тиратронов демонстрируют значительно улучшенные рабочие показатели.

Рис. 2.25. Осциллограммы зарядного напряжения на ФЛ, иллюстрирующие самопроизвольное открытие тиратрона (ТГИ2-10К/50) как на этапе зарядки, так и на этапе стабилизации зарядного напряжения ФЛ

Таблица 2.16. Характеристики мощных импульсных тиратронов, рассмотренных для использования в модуляторах ускорителя ЛУЭ-200

Тип тиратрона Макс. прямое напряжение анода (кВ) Макс. амплитуда тока в импульсе (кА) Средний ток анода (А) Максимальная частота циклов (Гц) Тип охлаждения Ресурс (час)

ТГИ1-2500/50 (Идеал) 50 2.5 4 400 вода не менее1000

ТГИ1-5000/50 (Исполин) 50 5.0 10 2700 вода не менее1000

ТГИ1-5к/50 (г. Рязань) 40 5.0 2.5 300 воздух не менее1000

ТГИ2 10к/50 (г. Рязань) 45 6 6 200 воздух не менее1000

СХ1836А (E2V) 50 10 10 10 000 воздух не менее10000

СХ2412А (E2V) 50 15 15 (40) 5 000 воздух не менее10000

L4888 (LITTON) 55 15 8 Нет информации Нет информации Нет информации

Исходя из данных таблицы 2.16, в качестве коммутаторов, адекватных требованиям, приведённым в таблице 2.12, определяются тиратроны СХ1836А, СХ2412А, Ь4888, которые удовлетворяют всем указанным требованиям. С учётом изложенных выше факторов и коммерческой доступности (цена и отсутствие ограничительных санкций) в качестве рабочих коммутаторов

модуляторов ускорителя ЛУЭ-200 были выбраны и закуплены тиратроны СХ1836А (компания E2V). Выбор зарядных устройств

Первоначально в модуляторе ускорителя ЛУЭ-200 в качестве зарядного устройства использовался имеющийся в составе оборудования усилительной станции «Оливин СУ» [46] выпрямительный комплекс ВС-25/5 (25 кВ, 5А), основанный на повышающем промышленном трансформаторе ТМ250/25 с тиристорным регулятором в первичной цепи трансформатора и сетевым трёхфазным выпрямителем во вторичной цепи, собранным по схеме Ларионова, с последующим "удвоением" напряжения путём разряда накопительной ёмкости выпрямителя Си на ёмкость формирующей линии Сф л через зарядный дроссель с индуктивностью £др. Как известно, при Сн > 10 Пфл в такой схеме зарядное напряжение на ФЛ возрастает от нуля по закону Пфл = Пс (1- cos wt), где Пс - напряжение на накопительной ёмкости выпрямителя, а w = (Сфл £др)-1/2, так что при максимальном напряжении выпрямителя через половину периода tзwр = П (Сфл Едр) 1/2 можно было получить на формирующей линии до 40 - 50 кВ, требуемых для зарядки модулятора, согласно таблице 2.12.

При использовании преобразователя ВС-25/5 станции «Оливин СУ» с выпрямителем на промышленной частоте были выявлены неизбежные типичные для устройств этого типа недостатки:

- слишком большие габариты и вес повышающего трансформатора и зарядного

дросселя;

- невысокий КПД, большие потери;

- отсутствие прецизионной регулировки и надёжной воспроизводимости;

- низкий уровень стабильности; для стабилизации высокого напряжения на ФЛ

требуется применение специальных дорогих и сложных в наладке схем, таких, как, например, "DEQing" (рис. 2.22).

Эти недостатки побудили автора к поиску альтернативных типов зарядных устройств. В прошедшее десятилетие произошло интенсивное развитие специализированных высоковольтных источников питания

инверторного типа и источников для зарядки конденсаторных батарей постоянным током. Эпюры токов и напряжений на выходе такого устройства представлены на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Эпюры токов, напряжений и мощности на выходе зарядного устройства инверторного типа в двух циклах заряд - разряд

Достоинства этих источников заключаются в следующем:

- высокий КПД (~ 0.98),

- высокая стабильность выходного напряжения (не хуже 0.1%),

- цифровое (компьютерное) управление,

- возможность регулирования напряжения от «0» до Umax.

- надёжность и высокий уровень цифровой защиты.

В качестве рабочих вариантов рассматривалась продукция компаний:

- TDK - LAMBDA (USA),

- «Опто системс» (РФ,Троицк), http://www.optosystems.ru

- FuG Elektronik GmbH, (Germany),

- «Тира», (РФ, С-Петербург),

- «Dawonsys» (Korea).

Сформулируем требования к мощностным параметрам зарядных устройств.

Основными характеристиками источника питания, отражающими его способность производить зарядку конденсаторов ФЛ, являются средняя мощность, и отнесённая к одному циклу зарядки пиковая мощность (скорость зарядки). Если средняя мощность однозначно должна корреспондироваться к заявочной средней мощности модулятора, то величина скорости зарядки должна обеспечивать полную зарядку конденсаторов ФЛ между циклами срабатывания модулятора при заданной частоте циклов. При частоте циклов

150 Гц время зарядки ФЛ не должно превышать 6.6 мс, т.е. средняя скорость зарядки должна быть не менее fJфл = /Сфл-(Цфл)2/2 , т. е. = 150-0.5-10-6(47-103)2 ~ 166 кДж/с при 150 Гц, ~ 133 кДж/с при 120 Гц и ~ 110.5 кДж/с при 100 Гц соответственно, а пиковая мощность (отнесённая к длительности одного цикла заряда) должна быть ещё выше.

Среди указанных выше производителей компания «Dawonsys» разработала и уже несколько лет поставляет на рынок устройства зарядки конденсаторов CCPS (Capacitor Charging Power Supply) со скоростью зарядки до 30 кДж/с, которые при необходимости объединяются в блоки с общим управлением. Окончательный выбор зарядных устройств для модуляторов ускорителя ЛУЭ-200 был определён по критерию «цена/качество» в пользу высоковольтных источников питания инверторного типа CCPS компании Dawonsys (Korea), которой был передан заказ на изготовление модуляторов.

2.4.3. Модулятор "180Мвт/180кВт" - штатный модулятор ЛУЭ-200

С учётом накопленного расчётного и эксплуатационного опыта автором сформулировано Техническое задание на разработку мощного импульсного модулятора для клистрона дециметрового диапазона [61] и совместно со специалистами компании Dawonsys (Корея) предложена схема модулятора под условным названием "Модулятор 180МВт/180кВт" [62], принципиальная схема которого представлена на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Принципиальная схема "Модулятора 180 Мвт/180 кВт" [62].

На схеме использованы следующие условные обозначения:

- CCPS1 ^ CCPS6 - высоковольтные зарядные источники питания инверторного

типа по 30 кДж/с,

- ЗД1 ^ ЗД6 - защитные диоды,

- ОР - «обратный» резистор,

- ОД - «обратный» диод,

- Сяч - конденсаторы ячеек,

- ¿яч - индукторы ячеек,

- ИТ - высоковольтный импульсный трансформатор,

- БИТ - бак (танк) высоковольтного импульсного трансформатора,

- НТ - накальный трансформатор,

- Др - дроссель цепи размагничивания сердечника ИТ,

- КЗ - короткозамыкатель с гасящим резистором,

- ТТ1 ^ ТТ4 - измерительные трансформаторы тока,

- ДН1 ^ ДН2 - высоковольтные измерительные делители напряжения,

- ^Д - R-C демпфер,

- Кл - цепочка клиперного диода ФЛ,

- СД - цепочка срезающего диода,

- DG645 - генератор задержанных импульсов.

Схема выполнена на основе двух параллельно включенных формирующих линий, состоящих из 10 (12) ячеек, собранных из конденсаторов с ёмкостью Сяч = 50 нФ и индукторов с индуктивностью, регулируемой в пределах Ьяч = 0 - 4.0 мкГн (рис. 2.28).

Обе ФЛ (две параллельно соединённые линии) разряжаются одним ключом (тиратроном) на первичную обмотку импульсного трансформатора с коэффициентом трансформации 1 : 15.

В качестве ключа для разрядки ФЛ апробировались тиратроны ТГИ2-10к/50 («Импульсные технологии», Рязань) и СХ1836А (E2V, United Kingdom). В качестве зарядного устройства использована сборка (стойка) из шести соединённых параллельно высоковольтных источников питания инверторного типа CCPS1 ^ CCPS6 (производство Dawonsys, Korea), специализированных для зарядки конденсаторов.

Паспортные параметры одного CCPS:

- Максимальное выходное напряжение: + 50 кВ.

- Стабильность выходного напряжения: 0.01%.

- Средняя выходная мощность: 30 кВт.

- Средняя скорость зарядки 30 кДж/с.

- Максимальная (в импульсе) скорость зарядки: 37.5 кДж/с.

- Максимальный ток на выходе: 1.2 А.

- КПД 90%,

- Дискретность регулировки напряжения: 0.01%.

- Эффективность при полной нагрузке > 85%.

- Входное питание: 3 х 480 В.

- Размеры 432.5 х 288 х 704 мм.

- Охлаждение - дистиллированная вода.

Зарядная стойка управляется PLC - контроллером. В сборке из шести источников CCPS пять источников служат ведомыми элементами, а один из источников является ведущим элементом, обладающим возможностью точной подстройки напряжения на нагрузке по обратным связям. Суммарная средняя мощность стойки, включающей шесть блоков CCPS, составляет 6 х 30 кВт = 180 кВт, а пиковая зарядная способность стойки: 37.5 Дж/с х 6 = 225 кДж/с.

Работа схемы поясняется рисунком 2.29, на котором представлены эпюры зарядного напряжения на ФЛ и зарядного тока на протяжении двух циклов зарядки - разрядки ФЛ.

Рис. 2.28. Схема индуктора с переменной индуктивностью

а)

б)

Рис. 2.29. а - эпюры зарядного напряжения (Цфл) и зарядного тока (1з) модулятора "180 Мвт/180 кВт" в течение двух циклов; б - осциллограмма зарядного напряжения Цфл; развёртка - 2.5 мс/дел.

Оценим работоспособность зарядного устройства для работы на частоте циклов до 150 Гц с помощью схемы, представленной на рис. 2.29, где период следования циклов Тц = ¿зар + ¿ст + tз. Время зарядки ФЛ ¿зар определяется возможностями источников CCPS и величиной суммарной ёмкости ФЛ, iCT -время, необходимое для стабилизации высокого напряжения (~ 0.5 - 1.0 мс), а время задержки следующего цикла ¿з определяется, в основном, величиной минимального времени, необходимого для закрытия тиратронов и для надёжного закрытия должно быть > 0.1 мс. Суммарная ёмкость двух параллельных ФЛ из 10 ячеек составляет С^ = 50 нФ х 10 х 2 = 1.0 мкФ. Эта ёмкость для клистрона 5045 SLAC должна заряжаться до Пфл = 47 кВ. В одном цикле зарядки в ФЛ запасается энергия С(Цфл)2/2 Дж за время ¿зар, которое будет определяться как

0.5Си2фл (Дж)

t =

зар

= 4.9 мсек

225 (кДж / сек)

Следовательно, минимальный период следования циклов составляет Тмин ~ 4.9 + 0.1 + 0.5 = 5.5 мс. Таким образом, выбранная схема модулятора и зарядного устройства способна обеспечивать импульсным напряжением питание клистрона 5045 с частотой циклов 150 Гц (Тц = 6.67 мс > Тмин). На рис. 2.30 представлены результаты тестирования схемы на стенде при работе на согласованную активную нагрузку с частотой 60 Гц (Тц = 6.67 мс) [63].

Рис. 2.30. Результаты тестирования схемы модулятора на стенде при работе на

согласованную активную нагрузку: а - напряжение на ФЛ, б - напряжение на активной согласованной нагрузке

В таблице 2.17 сравниваются параметры схем модуляторов - прототипов (М-250, М-350) и "модулятора 180 МВт/180 кВт". Сравнение показывает адекватность новой схемы модулятора требованиям, сформулированным в таблице 2.14, в том числе, по запасу мощности, величине среднего тока и по частоте циклов.

Таблица 2.17. Параметры "модулятора 180 МВт/180 кВт" и его прототипов

Параметр М-250 М-350 180 МВт/180 кВт

Максимальная импульсная мощность (МВт) 65 150 180

Номинальное импульсное напряжение на клистроне (кВ) 50 - 250 50 - 350 200 - 350

Номинальное импульсное напряжение на выходе ФЛ (кВ) 20 23.5 23.5

Максимальный импульсный ток (кА) 3.6 6.3 10

Параметры ячеек ФЛ: Сяч (нФ) Lяч (мкГн) 100 6.4 24 50

Волновое сопротивление ФЛ (Ом) «8/2 = 4 «8/2 = 4 « 8/2 = 4

Длительность фронта импульса по уровням 0.1 - 0.9 амплитуды (мкс) 1.5 1.0 1.0

Число ячеек ФЛ 5 14 10

Длительность рабочей части импульса напряжения (мкс) 8 3.5 3.5

Суммарная ёмкость формирующей линии (мкФ) 1.05 2 х15х 0.024 = 0.72 2 х10х 0.5 = 1.0

Номинальное напряжение заряда ФЛ (кВ) 40.0 47.0 43.0

Средний ток зарядки ФЛ (А) 4.2 5 10

Частота повторения циклов (Гц) до 100 до 150 до 150

Тип коммутатора (тиратрон) ТГИ1-5000/50 ТГИ1-5000/50 СХ1836А

Зарядное устройство ВС-25/5 станции «Оливин СУ» ВС-25/5 станции «Оливин СУ» 6 шт. CCPS (Dawonsys)

По результатам стендовых испытаний на частоте 60 Гц [63] схема утверждена к исполнению и внедрена на модуляторах, изготовленных компанией Dawonsys (Корея) для эксплуатации и проведения дальнейших испытаний на ускорителе на частоте циклов до 100 - 120 - 150 Гц.

2.5. Магнитная система ЛУЭ-200

Магнитную систему ускорителя образует комплекс электромагнитов, формирующих магнитные поля сопровождения пучка при ускорении и транспортировке электронного пучка, комплекс электромагнитов, корректирующих траекторию пучка и система источников питания, обеспечивающая автономное независимое регулируемое в заданных пределах питание электромагнитов постоянными токами. Общая концепция магнитной системы ускорителя ЛУЭ-200 была предложена в отчёте ИЯФ им. Г.И. Будкера [9] и проектировалась в соответствии с разработанным автором Техническим заданием [64]. В общем виде структура магнитной системы представлена состоящей из канала соленоидальной фокусировки и канала квадруполной фокусировки фокусировки (рис. 2.31). Формирование и фокусировка пучка на участке от пушки до входа в группирователь при низкой энергии пучка осуществляется короткими соленоидальными магнитными линзами МЛ1, МЛ2, МЛ3. В группирователе и в первой ускоряющей секции транспортировка пучка осуществляется непрерывным нарастающим магнитным полем соленоидальной катушки КГ и далее полем соленоида С1. Для транспортировки пучка от выхода первой ускоряющей секции до мишени предложено использование фокусировки квадрупольными линзами: Q1 - на выходе первой секции, в области второй ускоряющей секции - дублетами широкоапертурных квадрупольных линз Q2/Q3, Q4/Q5 и дублетами квадрупольных линз Q6/Q7, Q8/Q9 при транспортировке пучка от выхода второй секции до мишени. Коррекция траектории пучка по ускорительному тракту и каналу транспортировки осуществляется дипольными магнитами КИЭ, КС1, КС2, К3, К4, К5.

С1

КС2 ,

ПР2

ш

ось

нейтронных кона^оЬ

МС

Элементы ускоряющей системы и системы диагностики пучка:

ЭП - электронная пушка;

Гр - СВЧ - группирователь;

УС 1 - первая ускоряющая секция;

УС2 - вторая ускоряющая секция;

БУ1, БУ2, ВУЗ, БУ4, БУ5 - бимвьюеры;

ПР1, ПР2, ПР3, ПР4, ПР5 - магнитоиндукционные датчики тока пучка (пояса Роговского);

М - мишень - конвертер и).

Электромагниты:

МЛ1, МЛ2, МЛ3 - короткие соленоидальные магнитные линзы;

КГ - короткий соленоид группирователя;

С1 - фокусирующий соленоид первой ускоряющей секции;

КИЭ, КС1, КС2, К3, К4, К5 - корректирующие

магниты;

01 - первая квадрупольная линза;

02/03, 04/05 - дублеты широкоапертурных квадрупольных линз;

06/07, 08/09 - дублеты квадрупольных линз;

МС - магнитный спектрометр;

Рис. 2.31. Структура магнитной системы ускорителя ЛУЭ-200

2.5.1. Канал соленоидальной фокусировки

Параметры электромагнитов канала соленоидальной фокусировки рассчитывались, исходя из принципа минимизации размеров пучка и углового разброса на входе в каждый последующий элемент системы. В области электронной пушки предварительная расстановка элементов канала, состоящего из магнитных линз МЛ1, МЛ2 и МЛ3, производилась в соответствии с расчётами программным продуктом БЬОИК [65,66], а оптимизация [67] произведена программным продуктом РАКМБЬА [68]. Варианты расчётов иллюстрируются рис. 2.32, 2.33.

кг

243

40

300

а)

б)

Рис. 2.32. Схема канала соленоидальной фокусировки в области электронной пушки: а) -предварительная расстановка линз, б) - рассчётные распределения поля и траектории пучка

без учёта поля катушки группирователя КГ. К, А - катод и анод электронной пушки, МЛ1, МЛ2, МЛ3 - короткие соленоидальные линзы

Вг, в 2000 -, 1500 - 1000 - 500

0 С 2( '^апсе (тот а Ю 3( юс!е, ст 0 4С А 5( 10

+ + ++ I МП М1.2 1 (6 ++ 4 +

Тт- I о г. 3 ш АЭ#1 * * А$#2

Рис. 2.33. Вариант расчётного распределения продольного магнитного поля канала

соленоидальной фокусировки

Окончательная расстановка линз, произведенная с учётом необходимости размещения между электронной пушкой и входом в группирователь вакуумного затвора, элементов диагностики и коррекции траектории пучка, представлена на рис. 2.34. Параметры электромагнитов канала соленоидальной фокусировки и величины полей, формируемых этими магнитами, представлены в Таблице 2.18.

Таблица 2.18. Параметры электромагнитов канала соленоидальной

фокусировки

Тип элемента Уровень Bz (Гс)

МЛ1(АС) Соленоидальная катушка (антисоленоид) - (0 - 30)

МЛ2 Соленоидальная катушка 0 - 370

МЛ3 Соленоидальная катушка 200 - 400

КГ Катушка группирователя (короткая соленоидальная катушка) 4 х 14 витков трубки 12.5x12.5 мм (отв.0 7.5 мм) 300 - 500

С1 Соленоид из 16 катушек; в каждой 10 слоев по 10 витков трубки 12.5x12.5 мм (отв. 0 7.5 мм) 3200

Следует пояснить, что соленоидальная катушка МЛ1(АС) с магнитным полем, противоположным (антисоленоид) полю катушек МЛ2 и МЛ3 вводилась в систему для «обнуления» магнитного поля в области катода. В процессе наладки ускорителя и формирования магнитного поля «по пучку» практического влияния магнитного поля этой катушки на качество пучка не установлено.

КАМЕРА АНОДА ЭП

Рис. 2.34. Схема расстановки элементов канала соленоидальной фокусировки в области

электронной пушки

Фокусирующий соленоид первой ускоряющей секции ускорителя ЛУЭ-200

Физическим обоснованием ускорителя ЛУЭ-200, подготовленным ИЯФ СО РАН [9,10] в качестве средства магнитного сопровождения пучка при ускорении в первой ускоряющей секции предложена комбинация двух соленоидов (рис. 2.35). Величина и распределение магнитного поля в соленоидах в предложениях ИЯФ оценивались на основе численного моделирования пучка частиц, двигающихся в канале с постоянным ускорением, имеющих энергию Еь = 200 кэВ на входе и Еь ~ 100 МэВ на выходе ускоряющей секции. Для пучка с радиусом гь = 5 мм рассматривались частицы с нулевым смещением от оси системы и максимальным угловым отклонением 1 мрад и частицы с нулевым углом и максимальным смещением 5 мм. Предполагалось, что соленоидальное поле «подхватывает» пучок на входе в группирователь, затем поле плавно нарастает в начале ускоряющей секции и сопровождает пучок по всей длине ускоряющей структуры. Для компенсации азимутального «закручивания» пучка при входе в краевое поле соленоида предлагалась система двух соленоидов (С1 и С2) со встречными продольными полями, представленная на рисунке 2.35,а.

В предложенной схеме продольное поле первого (по ходу пучка) соленоида составляет В\\ = 0.165 Т при длине соленоида 75 см, а поле второго соленоида включается навстречу и должно достигать В\\ = - 0.4 Т при длине соленоида 210 см (рис. 2.35,б). При 15% энергетическом разбросе пучка аксептанс соленоидального фокусирующего канала достигает величины 30-см-мрад, а эмиттанс пучка на выходе из ускоряющей структуры с учётом внутреннего размера её диафрагм (0 25.6 мм) составляет 5 см-мрад.

Важно отметить, что в используемой в физическом обосновании проекта модели фокусирующей системы энергия частиц, длины соленоидов и значения их полей оказывались жёстко связанными. Требования к точности установки соленоидов относительно оси ускоряющей секции оценивались по дрейфу пучка в скрещённых полях следующим образом: угол между осью соленоида и осью ускоряющей секции < 1 мрад, смещение осей < 1 мм. Требования по

однородности продольного магнитного поля не формулировались ни в области, занимаемой пучком, ни на краях соленоидов.

а)

б)

Рис. 2.35. Структура системы соленоидальной фокусировки в области группирователя и 1-ой ускоряющей секции, предложенная ИЯФ в физобосновании проекта ускорителя [9]. а) Размещение элементов системы фокусировки: 1 - катушка группирователя, 2 - первый соленоид (С1), 3 - второй соленоид (С2), 4 - группирователь, 5 - ускоряющая секция, 6 -волноводы СВЧ фидера. б) Распределение В || компоненты магнитного поля вдоль продольной оси фокусирующей системы

Эффективность проектных решений, предложенных в физобосновании ускорителя, проверялась в экспериментах на первой ускоряющей секции форинжектора ускорительного комплекса ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН [69,70] и в расчётах динамики пучка электронов в ускорительном тракте ЛУЭ-200, выполненных группой сотрудников ОИЯИ с участием автора [67]. В экспериментах на форинжекторе ВЭПП-5 установлено, что для успешной транспортировки пучка с параметрами, близкими к параметрам пучка ЛУЭ-200, в ускоряющей структуре с фокусирующими соленоидами можно отказаться от переполюсовки сопровождающего магнитного поля. По результатам проводки

пучка через ускоряющую секцию был сделан вывод о том, что кроме величины сопровождающего магнитного поля существенное значение имеет его качество, характеризуемое отношением поперечной компоненты магнитного поля В± на оси ускоряющей системы к продольной компоненте В\\. В соленоиде первой ускоряющей секции форинжектора ВЭПП-5 соотношение компонент магнитного поля на оси В±/В\\ составляет (5^7)-10-2 . Отмечено, что при улучшении указанного качества поля соленоида можно дополнительно снизить его максимальную величину, сохранив при этом поперечную устойчивость пучка.

В расчётной работе, поставленной автором [67], подтверждено, что для получения требуемого токопрохождения пучка по тракту ускорителя ЛУЭ-200 и обеспечения заданного размера "пятна пучка" на мишени допустимо снижение уровня магнитного поля соленоида С2 с 0.4 Т до 0.25^0.3 Т. При этом переполюсовка соленоида С2 по отношению к полю соленоида С1 не оказывает заметного влияния на динамику и конечные параметры пучка. По результатам работ [67,69,70] автором было предложено решение [71] о разработке новой конструкции соленоида первой ускоряющей секции без переполюсовки магнитного поля.

Оценим порядок величины магнитного поля, необходимого для проводки пучка электронов, имеющего параметры, присущие пучку на выходе из ускоряющей секции ЛУЭ-200. Вопросы транспортировки пучков с объёмным зарядом и ненулевым фазовым объёмом в каналах с продольным магнитным полем с индукцией В \\ рассмотрены во многих классических работах, например, в [72,73]. При транспортировке пучка в прямолинейном осесимметричном фокусирующем канале для пучка электронов с током 1ь и поперечным фазовым объёмом Уь радиус огибающей пучка в общем виде можно представить следующим образом:

Г2ь = Го2 + (Аго)2 + (Аъ)2, (2.8)

где Го - радиус пучка на входе в канал, Аго - добавка, вызванная наличием у пучка собственного объёмного заряда, а Агу - добавка, обусловленная фазовым

объёмом пучка Уъ = вУ£, где £ - эмиттанс пучка, а в и у - обычные релятивистские факторы частиц пучка.

В работе [72] представлено, что вклад собственного заряда пучка в размер пучка определяется величиной тока пучка /ъ:

Дг<2 = 8ш02с2/ъ / В||2 е2ву1о. (2.9)

Здесь с - скорость света, е и Ш0 - заряд и масса покоя электрона, а /о = 4п£о(шос3/е) - так называемая "стандартная величина тока", равная для электронов = 17 кА, £о = 1/(4п 9 109) Ф/м - электрическая постоянная. Для сгруппированного пучка под /ъ в (2.9) следует понимать не усреднённый по импульсу ток пучка ускорителя (1 ^ 2.5 А), а ток пучка в отдельном ускоряемом сгустке, который может быть больше усредненного по импульсу на 1 -2 порядка. Но даже в таком случае для пучка ускорителя ЛУЭ-200 /ъ//о = 0.0001^0.005, поэтому величиной второго слагаемого в правой части выражения (2.8) можно пренебречь.

Третье слагаемое в выражении (2.8) зависит от поперечного фазового объёма пучка Уъ и определяется величиной ларморовского радиуса для значения поля, равного величине продольной составляющей магнитного поля соленоида В ||:

гь = УъШ0с/ В|| е гъ . (2.10)

Тогда оценить значение индукции магнитного поля, необходимого для проводки пучка через канал, радиус апертуры которого равен внутреннему радиусу диафрагм в ячейках ускоряющей структуры га = 12.5 мм, можно из условия гь < га:

В|| > Уъш0с/ега2. (2.11)

При подстановке в (2.11) параметров пучка в первой секции ускорителя ЛУЭ-200 (Уъ =10-4 м-рад, Еъ ~ 100 МэВ из [9]) получается величина В|| > 0.3 Т, которую можно принять как оценочную величину для магнитного поля на оси фокусирующего соленоида ускоряющей секции.

Обобщая представленное выше, можно сформулировать следующие основные физико - технические требования к фокусирующему соленоиду:

- Длина соленоида Lс < Lyc, где Lyc = 2800 мм - длина регулярной части ускоряющей секции.

- Диаметр внутренней апертуры соленоида Din > dyc, где dyc =160 мм -максимальный внешний диаметр ускоряющей секции,

- Величина продольной составляющей магнитного поля на оси соленоида

B\\ > 0.3 Т.

- Отношение радиальной составляющей магнитного поля на оси соленоида к

продольной составляющей поля В^/В\\ < (5^7)-10-2 .

Выбор и обоснование конструкции соленоида. Расчет соленоида

Величина индукции продольного магнитного поля на оси бесконечно длинного соленоида c током в обмотке 1с определяется классической формулой:

В(Т) = f n Ic (A), (2.12)

где Ic - ток в обмотке соленоида, f о = 4пЛ0'7 Гн/м - магнитная постоянная, а n -число витков на единицу длины соленоида (на один метр). При выборе конструкции соленоида для обеспечения величины поля ~ 0.3 - 0.35 Тл можно варьировать значение тока и число витков в соленоиде в некоторых пределах, определяемых условием nIc > 0.3(Тл)/^о ~ 2.38105 ампервитков на один метр длины соленоида. Формула (2.12) даёт лишь общее выражение продольной составляющей магнитного поля на оси соленоида. Точный расчёт компонент магнитного поля соленоида Bz¿,<p(z,r,p) в любой области многовиткового соленоида можно произвести, представив соленоид в виде многослойной и многовитковой спиральной катушки с шагом h и током I в витках обмотки [74]. Для практических расчётов можно представить эти компоненты как суперпозицию полей отдельных круговых витков, которые рассчитываются по выражениям, полученным из классических формул [75,76]:

Bz, г (r, z) = (fa I /4n)Gz, r (r,z,R,Z), (2.13)

где г, z - координаты точки наблюдения в цилиндрической системе координат, Я, 2 - координаты витков, составляющих обмотку соленоида, геометрические факторы Gz и Gr определяются выражениями [76]:

а2 (г, г, Я, Z ) =

Ог (г, г, Я, Z ) =

4

4ТЯ

к 1 - к2(1 + Я / г)/2Е

1 - к 2

- Z к

л/Тя

- К+1-кЦ2 Е

1 - к2

(2.14)

(2.15)

где К(к) и Б(к) - полные эллиптические интегралы 1-го и 2-го рода, модуль которых

к = {4гЯ/[(г + Я)2 + ^ - ]}1/2. (2.16)

Эти же формулы позволяют оценить и неоднородности поля, вызванные наклоном витков, в области, занятой пучком.

Обычно при разработке "тёплых" электромагнитов с сильным магнитным полем приходится делать выбор между двумя вариантами, обладающими одним и тем же удельным числом ампервитков: "слаботочным, но высоковольтным" и "сильноточным, но низковольтным". Как известно, мощность, рассеиваемая в соленоиде, пропорциональна диаметру апертуры внутреннего канала и квадрату индукции в нём, т.е. зависит не только от величины тока, но и от числа ампервитков. Поэтому с точки зрения тепловых потерь оба варианта представляются почти равноценными. Преимущество первого варианта перед вторым заключается в возможности получения более высокого коэффициента заполнения обмотки проводом с током и снижения неоднородности магнитного поля в соленоиде, вызванной неидеальностью намотки, связанной с конечными размерами провода. Преимущество второго варианта обусловлено, во-первых, отсутствием необходимости использования высокого напряжения (более 1000 В), требующего особой изоляции провода и катушек при изготовлении и особой технологии при эксплуатации и, во-вторых, с возможностью равномерного отвода выделенного в обмотке тепла при выполнении обмотки медной трубкой с протоком охлаждающего теплоносителя.

г

При разработке фокусирующего соленоида для первой секции ускорителя ЛУЭ-200 предпочтение было отдано "сильноточному" варианту ввиду важного дополнительного обстоятельства - наличия в распоряжении разработчика сильноточных источников питания, удовлетворяющих необходимым требованиям по величине тока (/ = 300 - 500 А) и стабильности тока в нагрузке (А/// ~ 10-4). С учётом допустимой плотности тока в витках обмотки j = I / S < 3 А/мм2 поперечное сечение витка в обмотке должно быть S ~ 100 - 160 мм2, а число витков на один метр длины соленоида 500 - 1000, что можно обеспечить только многослойной обмоткой. Для эффективного охлаждения обмотка соленоида может быть изготовлена из профилированной медной шины - трубки прямоугольного или круглого сечения. Естественно, что при этом в полях возникают искажения, вызванные наклоном витков на угол h/D (h - шаг намотки и D - диаметр витка) и "эллипсностью" витка при переходе намотки от внутреннего слоя к следующему, которые необходимо оценить.

Поле однослойного соленоида, намотанного толстой шиной можно аппроксимировать полем обтекаемой током спиральной катушки. В классических трудах Г. Бухгольца [74] показано, что в поле такой катушки возможность равенства нулю компоненты, поперечной оси, полностью исключена, поэтому важно оценить порядок величин неоднородностей магнитного поля на оси соленоида, вызванных наклоном витков, имеющих не точечные, а конечные размеры, а также неоднородностей, вызванных нерегулярностью намотки, и, по возможности, минимизировать их. Самым простым способом снижения искажений от наклонов витков является использование многослойной намотки. В случае регулярной многослойной намотки радиальная компонента, возникающая на оси от наклона витков в одном слое В^ ~ h В-UD, частично компенсируется такой же, но противоположной составляющей от витков с противоположным наклоном в следующем слое (рис. 2.36,а, рис. 2.3 6, б).

Для расчёта величин искажения можно воспользоваться точными выражениями для Bz , Br, Вф из работ [75,76], а для самых простых оценок -

приближёнными формулами, представленными в [77]. Смысл приближённых формул поясняется рисунками 2.36,а - 2.36,д, где представлены фрагменты обмоток многослойного соленоида с вертикально ориентированной продольной осью z.

Рис. 2.36. Источники неоднородности поля фрагментов соленоида,

намотанного шиной прямоугольного сечения: а) и б) - наклон витка к оси соленоида из-за спиральности намотки, в) - нерегулярность шага намотки, г) - "незавершённый" виток, д) - переход намотки с одного слоя на другой