1. Чисельне моделювання

Розрахунки електродинамічних характеристик високочастотних пристроїв та моделювання динаміки часток грають зараз визначальну роль при розробці та створенні прискорювачів. В НДК "Прискорювач" розробляються та широко використовуються різні аналітичні та чисельні методи вивчення динаміки часток. Поєднання цих методів дає можливість підвищити ефективність досліджень. Так, наприклад, створення методу, заснованого на моделі пов'язаних резонаторів [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] дозволило розвинути методи попереднього розрахунку та налаштування нерегулярних діафрагмованих хвилеводів. Аналітичні розрахунки динаміки електронів з урахуванням несинхронних просторових гармонік у діафрагмованих хвилеводах дали можливість більш повно дослідити високочастотне фокусування пучка та ефекти, пов'язані з випромінюванням електронів у таких хвилеводах [10, 11, 12].

Детальне дослідження динаміки електронів у прискорювальних та формуючих системах проводиться як за допомогою обчислювальних програм, які широко використовуються у всьому світі (наприклад, EGUN, SUPERFISH, PARMELA), так і з використанням самостійно розробленого програмного забезпечення. З використанням цих програм були розроблені діодні та ВЧ гармати [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], досліджені ефекти зворотнього бомбардування в термоемісійних ВЧ гарматах [21], особливості формування пучків у інжекторах та прискорювачах S і K діапазонів [22, 23, 24].

2. Джерела електронів та інжектори

Як правило, характеристики джерела електронів та інжекторної системи визначають параметри пучка на виході прискорювача. Тому дослідженню цих пристроїв приділяється особлива увага.

Нами розроблено два типи інжекторних систем: інжектори на базі ВЧ гармат та інжектори з використанням діодних джерел електронів та резонансних групувальників.

За останні 20 років були проведені дослідження ВЧ гармат різних конструкцій[25]. Ці пристрої дозволяють отримувати пучки високої якості, тому вони знайшли широке застосування як інжектори прискорювачів. Теоретично вивчені та досліджені експериментально термоемісійні ВЧ гармати з різними типами резонансних систем [26] . Типові параметри пучка розроблених гармат: енергія електронів 0,7–0,9 МеВ, імпульсний струм до 1,5 А, фазова довжина сгустка менше 50°, тривалість імпульсу струму 0,7–1,5 мкс, нормалізований еміттанс не більше 12 π×мм×мрад. Для проведення експериментів із взаємодії релятивістських електронів з кристалами необхідні пучки з малою імпульсною інтенсивністю, але з великою частотою повторення імпульсів струму. Для цих цілей була розроблена ВЧ гармата з металевим термоемісійним катодом . Розроблені та експериментально досліджені сильноточні ВЧ гармати з наносекундною тривалістю імпульсу струму, які базуються на використанні фотоемісійних катодів [27].

Одна з ВЧ гармат цього типу була розроблена для використання на прискорювачі ЛІК (Рис.8). Ця гармата може генерувати пучок як у режимі термоемісії, так і у режимі фотоемісії при опроміненні катода лазерним імпульсом.

Проводяться дослідження ВЧ-гармат з плазмовими фероелектричними катодами, які можуть генерувати інтенсивні пучки електронів зі струмом у сгустку до 100 А [28, 29, 30].

Розроблені нами інжектори з використанням діодних джерел електронів і резонансних групувальників мають різну конструкцію резонансної системи. Перший інжектор такого типу включав низьковольтну (25 кеВ) діодну гармату і групувальник, який складався з двох резонаторів — групувального та прискорювального[31]. На виході інжектора був отриманий пучок з такими параметрами: енергія частинок 600 кеВ, імпульсний струм – 1,5 А при частоті повторення імпульсів до 300 Гц. Удосконалений варіант цього інжектора використовується у складі технологічного прискорювача КУТ-30.

Новий тип інжектора для використання в різних прискорювачах для отримання прискорених пучків високої яскравості складається з групувача, що представляє собою ланцюжок пов’язаних резонаторів (рис.9), в яких створено спеціальний розподіл амплітуди та фази електричного поля вздовж осі [32]. Головною особливістю групувача є те, що він працює на нерозповсюджуваних коливаннях.

Для інжекторів різних прискорювачів були розроблені, досліджені та виготовлені діодні електронні гармати. Як емітери використовуються LaB₆, імпрегновані та пресовані катоди BaNi. Розроблені джерела електронів поділяються на два типи: високовольтні (80–120 кВ) і низьковольтні (25 кВ).

В НДК "Прискорювач" проводяться дослідження електронних джерел із вторинно-емісійними холодними катодами[33, 34, 35, 36] (Рис.10), які можуть знайти застосування в різних технологічних процесах.

Принцип роботи таких гармат заснований на вторинно-емісійному розмноженні електронів та їх накопиченні біля поверхні катода під дією бомбардування електронами, які закручуються магнітним полем. Дослідження показали, що такі гармати дозволяють отримувати трубчасті пучки з високою щільністю струму (до 50 А/см²), енергією електронів 10–100 кеВ та тривалістю імпульсу до 100 мкс.

В НДК «Прискорювач» ННЦ ХФТІ створена експериментальна прискорювальна установка з таким типом гармати для проведення досліджень з модифікації поверхневих властивостей металів [37] . Такі гармати мають просту конструкцію, хорошу стабільність, надійність та великий термін служби, не потребують розжарювання та не втрачають емісію після напуску атмосфери в умовах вакуумних аварій. Живлення гармат може здійснюватися від генератора імпульсної напруги, виготовленого за схемою Маркса, або від імпульсного генератора за схемою з повним розрядом формуючої лінії.

3. НВЧ прискорювальні структури

Довгий час у лінійних прискорювачах електронів ННЦ ХФТІ використовувалися однорідні прискорювальні структури на базі діафрагмованих хвилеводів, які були розроблені на початку 60-х років (Табл.3, тип I).

В кінці 80-х років минулого століття в НДК "Прискорювач" були розроблені методи виготовлення та налаштування кусково-однорідних прискорювальних структур. Ці структури складаються з кількох однорідних підсекцій, які з'єднуються перехідними резонаторами. Робочий тип коливань у цих структурах дорівнює p/2. Вони були розроблені для підвищення енергії та імпульсного струму пучка прискорювача ЛУЕ-2000 [38, 39, 40, 41] (Табл.3, тип II).

Було виготовлено кілька таких секцій, які були використані під час модернізації прискорювача ЛУЕ-40 з енергією частинок до 100 МеВ, а також під час створення нового прискорювача-інжектора електронів у накопичувач «Нестор». Для компактного джерела синхротронного випромінювання, що містить інжекторний прискорювач ЛУЕ-60 [2] було розроблено та встановлено прискорювальну секцію зі значним на той час темпом прискорення 20 МеВ/м (Табл.3, тип III).

Основна проблема при виготовленні кусково-однорідних секцій пов’язана з налаштуванням перехідних резонаторів. Нова математична модель пов’язаних резонаторів та діафрагмованих хвилеводів дозволила створити базу для розробки методики налаштування неоднорідних хвилеводів [42]. З використанням цих методик було виготовлено 4 прискорювальні структури змінної геометрії, що працюють на типі коливань 2π/3. Три з них мають квазіпостійний закон зміни радіуса отворів зв’язку з лінійним зменшенням радіуса в перехідних резонаторах (Табл.3, тип IV). У четвертій секції радіус отворів зв’язку зменшується лінійно від входу до виходу секції (Табл.3, тип V).

Таблиця 3.

Для сильнострумових короткоімпульсних прискорювачів був розроблений новий тип прискорювальних секцій з робочим типом коливань 4p/3 (Рис.11) [43, 44, 45]. Прискорення в цих структурах виконується першою просторовою гармонікою. Взаємодія електронів з полем основної гармоніки (в даному випадку вона не є синхронною) призводить до радіальної фокусування пучка 46, 47, 48].

4. Системи НВЧ живлення

У всіх створених в ННЦ ХФТІ лінійних прискорювачах електронів як джерела НВЧ потужності використовуються підсилювальні клістрони. Було проведено розробки та дослідження різних варіантів систем НВЧ живлення інжекторних і прискорювальних пристроїв. У результаті були розроблені потужні НВЧ станції 10 см діапазону з імпульсною потужністю на вході в кожну прискорювальну секцію не менше ніж 10-12 МВт, тривалістю імпульсу 4-5 мкс і частотою повторення імпульсів 150 - 300 Гц [49, 50].Для живлення дослідницьких прискорювачів з високою яскравістю пучка були розроблені та виготовлені НВЧ-станції інших типів.

Були розроблені та оптимізовані високовольтні модулятори для живлення клістронів (анодна напруга до 270 кВ, імпульсний струм до 230 А, тривалість імпульсу 5

мкс, частота повторення імпульсів 300–400 Гц) з к.к.д. формування імпульсу ~ 85% та загальним к.к.д. ~ 75%. Вони успішно використовуються в технологічних прискорювачах з необхідною стабільністю основних характеристик.

Було показано, що клістрони типу АВРОРА (імпульсна потужність до 20 МВт, середня вихідна потужність – 2,6 кВт, к.к.д. до 30%), внаслідок оптимізації умов транспортування пучка та впровадження додаткових засобів охолодження, забезпечують рівень середньої потужності, що значно перевищує паспортне значення. Зокрема, у цьому випадку серійний клістрон типу АВРОРА може працювати за вищої частоти повторення імпульсів та більшої тривалості імпульсу, ніж допускається заводською специфікацією, а рівень середньої потужності може бути підвищений з 2,6 кВт до 24 кВт.

Завершено роботу з розробки технології відновлення клістронів. Кілька клістронів було відновлено відповідно до розробленої технології. Початкові характеристики цих клістронів залишилися в робочих межах (у деяких — без ознак деградації навіть після 14000 годин експлуатації). У рамках цієї програми була розроблена технологія виготовлення необхідних катодів.

Вісім різних схем НВЧ-живлення було розроблено, виготовлено та встановлено на прискорювачах. Результати використання НВЧ-станцій великої потужності показали, що при імпульсній потужності 12 МВт, середній потужності до 18 кВт (400 Гц) і до 13,5 кВт (300 Гц) загальний к.к.д. модулятора становить ~70%, а загальний к.к.д. НВЧ-станцій — ~22%.

5. Вимірювання параметрів прискорених пучків та системи управління

Для керування та контролю параметрів пучка були розроблені відповідні методи та апаратура. Деякі з них використовуються для проведення наукових експериментів, інші – для метрологічного супроводу технологічних процесів.

Вимірювання тривалості електронного згустка має важливе значення при проведенні досліджень у галузі фізики прискорювачів та їх застосування. У зв'язку з цим було розроблено та випробувано метод визначення тривалості згустка, який ґрунтується на вимірюванні характеристик когерентного дифракційного випромінювання згустка при його русі над металевою гребінкою [51]. Також було запропоновано новий метод вимірювання тривалості згустка з часовим розгортанням оптичного випромінювання електронного згустка [52].

Технологічні вимірювальні канали прискорювачів базуються на використанні прольотних датчиків (котушки Роговського різних модифікацій [53], радіаційно-акустична струна [54], тонкостінні іонізаційні камери [55]). Деякі з цих методик були промодельовані за допомогою програми GEANT.

Для керування прискорювачами розроблена спеціальна система [56]. Вона визначає струм та положення пучка [57, 58, 59, 60], енергію електронів [61], захищає прискорювальну та сканувальну системи від пошкоджень пучком, блокує модулятор та клістрон у разі виникнення небажаних режимів роботи. Ця система підлаштовує фазу та потужність НВЧ-сигналів, які подаються в елементи інжектора, регулює струм в елементах магніто-оптичної системи. Крім того, контролюється поглинута доза опромінення та здійснюється керування мішеневими пристроями.

Керуючий комплекс прискорювача складається з ПК з крейтом КАМАК (або вимірювальних каналів у стандарті ПК), системи синхронізації, мікропроцесора, який забезпечує роботу клістрона, системи контролю температури, системи управління магнітними елементами та мішеневим пристроєм.

6. Проєкти нових прискорювачів

Результати досліджень та розробок використовуються при створенні нових прискорювачів. Кожен новий прискорювач має нові пристрої або системи, які при запуску проходять стадію тестування, а в процесі експлуатації виявляються їхні недоліки, що з часом усуваються. Зараз розробляються два прискорювачі, створення яких сприятиме розвитку в ННЦ ХФТІ як фундаментальної, так і прикладної фізики. Це надпровідний прискорювач SALO та потужний лінійний прискорювач для джерела нейтронів на базі підкритичного реактора.

У 2003 році в ННЦ ХФТІ спільно з Технічним університетом Ейндговена (Королівство Нідерланди) розпочата робота над проєктом прискорювального комплексу SALO (Рис. 12). В основі цього проєкту лежить схема рециркулятора з трикратним проходженням пучка через надпровідну прискорювальну структуру TESLA [62, 63, 64].

На каналах виведення пучка в експериментальні зали можна отримати квазінеперервні пучки неполяризованих та поляризованих електронів з енергією до 730 МеВ і струмом до 100 мкА [65]. Для цього передбачається використовувати ВЧ-гармату з надпровідною прискорювальною структурою та джерело поляризованих електронів на основі арсеніду галію. Для ряду прикладних досліджень передбачено режим роботи прискорювача з енергією до 130 МеВ та струмом 1 мА [66, 67].

Розроблено ескізні проєкти всіх дипольних та квадрупольних магнітів комплексу, а також ескізний проєкт магнітної системи рециркулятора [68]. Розроблено робочий проєкт та виготовлено прототип дипольного магніта для системи інжекції рециркулятора. Перше кільце рециркуляції може бути повністю введено в дію з використанням дипольних та квадрупольних магнітів, переданих Технічним університетом Ейндговена.

У 2009 році розпочато проєкт зі створення потужного нейтронного генератора. В основі генератора – прискорювач прямої дії, як джерело високої напруги застосовано трансформатор з ізольованими сердечниками. Прискорювач спроєктовано та виготовлено у 2011 році. Він розрахований на енергію пучка протонів та дейтронів 2,5 МеВ, струм пучка – 10–20 мА. Генератор планується використовувати для отримання короткоживучих ізотопів і, надалі, для нейтронної та нейтронозахоплювальної терапії раку. Проєкт підтриманий Департаментом енергетики США.

7. Дослідження в галузі ядерної фізики

Більше половини ізотопів, які застосовуються в медицині та активаційному аналізі, є ізомерами. Серед ядерних конструкційних матеріалів багато елементів, ядра яких мають ізомерні рівні. Тому дослідження їхніх властивостей має не лише фундаментальне, а й прикладне значення. В НДК «Прискорювач» проводяться дослідження з вивчення популяції та депопуляції ізомерних станів ядер у реакціях з фотонами та електронами. Вивчення процесів взаємодії фотонів та електронів з ядрами при низьких енергіях збудження є актуальним у зв’язку з проблемою вивільнення енергії ізомерів та отриманням нових спектроскопічних даних. В експериментах з вивчення закономірностей збудження та дезбудження ізомерів, окрім фундаментальних питань, вирішується також низка прикладних завдань.

Останнім часом значну увагу приділяють створенню підкритичних збірок та нейтронних джерел, у яких як нейтронопродукуючі мішені застосовуються матеріали із середньо-важких ядер, таких як свинець, вісмут. У зв’язку з цим в НДК «Прискорювач» проводяться експерименти з дослідження взаємодії гальмівних γ-квантів та електронів з енергією до 100 МеВ з цими ядрами. Зокрема, вивчаються масові розподіли уламків фотоподілу та багатонуклонні реакції.