1980 г. Декабрь Том 132, вып. 4

УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ А УВ

621.384.62

СИЛЬНОТОЧНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ИОНОВ

И. М. Капчинский

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение 639

2. Эффекты, ограничивающие ток пучка - 641 а) Конечный фазовый объем пучка при инжекции (642). б) Влияние собственного поля пучка (642). в) Эффект расширения фазового объема пучка в процессе ускорения (645). г) Затраты высокочастотной энергии на ускорение пучка (648).

3. Технические проблемы сооружения сильноточных линейных ускорителей 4. Ускоряющая система с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой 5. Структура основной части сильноточного линейного ускорителя 6. К. п. д. линейного ускорителя 7. Заключение Цитированная литература 1. ВВЕДЕНИЕ Первый линейный ускоритель протонов современного типа появился в 1946 г. г. С тех пор, в течение более чем тридцати лет, линейные ускорители ионов служили только приборами для физики высоких энергий, в подавляющем большинстве случаев — в качестве инжекторов протонных синхротронов. В настоящее время становится все более очевидной важная роль линейных ускорителей ионов в программе поисков новых источников энергии 7 ~ и.

Обширная программа развития термоядерной энергетики включает исследования по радиационному материаловедению, связанные с созданием конструкционных материалов для первой стенки термоядерных реакторов. В установке, предназначенной для испытаний различных образцов конструкционных материалов, должна быть обеспечена высокая плотность потока нейтронов с энергией в районе 14 МэВ. Необходим нейтронный генератор с потоком до 1016 нейтронов/см2 с в объеме порядка 10 куб.

см 2>3. Потребность в подобном нейтронном генераторе будет все более возрастать, так как успешный запуск демонстрационного реактора даст сильный импульс развитию всей области термоядерной энергетики, а сами термоядерные реакторы не смогут обеспечить разумного темпа проведения материаловедческих исследований. Высокопоточный нейтронный генератор позволит также изучать процессы накопления делящихся веществ в поглотителях из урана или тория, которые предполагается использовать в экранах термоядерных реакторов. В настоящее время известна единИ. М. КАГГЧИНСКИЙ ственная возможность создания высокопоточных нейтронных генераторов с энергией 14 МэВ, состоящая в комбинации ускорителя дейтронов на 35 МэВ с непрерывным током пучка 100—200 мА и проточной литиевой мишени 4 ~ 6.

Перспективы использования сильноточных ускорителей для решения проблем энергетики, а также в ряде других областей техники, повышают интерес к этим машинам. В последние годы достигнуто значительно лучшее понимание физических вопросов, связанных с созданием сильноточных ускорителей. Рассматриваются как циклические, так и линейные ускорители. Однако опыт проектирования все более убеждает, что для получения ионных пучков со средним током более 1—10 мА линейныеускорители (ЛУ) предпочтительнее циклических. Связанные с этим соображения будут рассмотрены ниже.

В соответствии с расширением областей использования ЛУ ионов менялось со временем и содержание термина «сильноточный ЛУ». В таблице приведены данные по ЛУ, характерные для сильноточных машин в различные периоды. Инжекторы протонных синхротронов (ПС) работают а б л и[ц а Год получе- Ток пучка J M макси- в импульсе, Средний ток Год Назначение Научный центр запуска пучка, мА мального мА тока 0, Инжектор про- ЦЕРН 1959 тонного синхротрона (ПС) Инжектор ПС ИТЭФ (СССР) 1966 1972 200 0, Инжектор ПС Батавия (США) 1971 1977 300 0, Лос-Аламос Мезонная фаб- 1972 1977 16 (США) рика МРТИ.ИЯИАН 50 0, Стадия Мезонная фабрика (СССР) сооружения (проект) (проект) Нейтронный ИТЭФ (СССР) Проекты — 100— Лос-Аламос генератор (США) — Проекты Установка для Брукхейвен производства (США) ядерного го- Чок-Ривер рючего (Канада) в импульсном режиме с большой скважностью; эти ускорители назывались сильноточными, если они давали пучки с большим импульсным током, независимо от величины среднего тока пучка. Однако сейчас термин «сильноточный ЛУ» относится только к ЛУ с большим средним током пучка.

Сильноточные ЛУ следующего поколения (мезонные фабрики) дают протонные пучки со средним током до 1 мА 12 > 13. Проектируемые сильноточные ЛУ третьего поколения предназначены для формирования непрерывных пучков с током в несколько сотен миллиампер *~ 6 > 8. 14. 16.

К ускорителям третьего поколения следует отнести и импульсные Л У тяжелых ионов с малой зарядностью (вплоть до U + 2 ), которые в будущем могут найти важное применение в энергетических термоядерных установках с инерционной реакцией синтеза 1 8 - 1 8. Эти ускорители предназначены для формирования ионных пучков с большим током в импульсе при относительно низкой скважности; средний ток пучка может доходить

СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ИОНОВ

до 10 мА и более. Ряд проблем, связанных с сооружением сильноточных ЛУ тяжелых ионов, относится и к протонным машинам, но ЛУ тяжелых ионов имеют и свои специфические трудности. Ниже мы будем рассматривать только сильноточные линейные ускорители протонов или дейтронов.

В следующем разделе кратко рассмотрены основные физические эффекты, ограничивающие ток пучка в ЛУ. Приведены некоторые результаты теории, определяющие предельные значения импульсных и средних токов. Технические трудности сооружения сильноточных ЛУ третьего поколения в конечном счете обязаны своим появлением этим физическим эффектам и являются весьма серьезными. В дальнейших разделах дается анализ технических проблем и обосновывается выбор рациональных путей создания сильноточных ЛУ, как он представляется в настоящее время.

Для начальной части сильноточных ЛУ наиболее выгодной оказывается ускоряющая структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой. Этой структуре посвящен отдельный раздел. В связи с ограниченным объемом обзора сведения по теории и технике ЛУ, широко освещенные в различных монографиях, не приводятся. Однако даны необходимые литературные ссылки, которыми могут воспользоваться заинтересованные читатели, не являющиеся специалистами в ускорительной технике.

2. ЭФФЕКТЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ТОК ПУЧКА

Предельный ток ионного пучка ЛУ ограничивается рядом факторов.

Основными из них являются: конечная величина фазового объема пучка на входе ускорителя; расталкивающие силы собственного поля пучка;

эффект расширения фазового объема в процессе ускорения. Имеется и ряд других ограничивающих эффектов, как например, рассеяние частиц на остаточном газе, парные столкновения в пучке, внешние и параметрические резонансы; однако последние эффекты не играют существенной роли в процессе ускорения пучков в ЛУ и ими, как правило, можно пренебречь.

Для удержания частиц в области взаимодействия пучка с ускоряющим полем используются различные системы фокусировки. Обычно применяются знакопеременные фокусировки. Удержание частиц с помощью продольного магнитного поля не нашло широкого применения из-за необходимости вложения весьма больших мощностей в фокусирующем поле, а также из-за появления недопустимо больших пондеромоторных сил между витками соленоидов. Компенсация объемного заряда ионного пучка в ЛУ с помощью пучка электронов не может быть использована, так как электроны дефокусируются в знакопеременном поле, фокусирующем ионы. Все ионные ЛУ с энергией до 100—200 МэВ, введенные в эксплуатацию до настоящего времени, построены на основе ускоряющей структуры Альвареца со знакопеременной квадрупольной фокусировкой, предложенной для ЛУ Блюэттом 1 9. Структура Альвареца — Блюэтта подробно описана в литературе. Эта структура представляет собой цилиндрический резонатор, нагруженный трубками дрейфа. В резонаторе возбуждается стоячая волна, типа Е010. В ускоряющих системах с трубками дрейфа применяют квазистатическую квадрупольную фокусировку. Для этого в трубках устанавливают электромагнитные квадруполи. Сейчас в ряде научных центров исследуется весьма перспективная возможность работы с магнитно-твердыми квадруполями 2 2 " 2 5.

В последние годы усиленно изучаются ускоряющие и фокусирующие системы, отличные от структуры Альвареца — Блюэтта, в которых знакоИ. М. КАПЧИНСКИЙ переменная фокусировка осуществляется с помощью высокочастотного ускоряющего поля («рогатые» электроды а 6, 2 7, пространственно-однородная квадрупольная фокусировка 2 8, фазопеременная фокусировка 2 9. 3 0 ).

Рассмотрим эффекты, ограничивающие ток ионов в ЛУ.

Пучок называется согласованным, если начальные условия для пучка на входе ЛУ таковы, что на протяжении фокусирующего канала огибающая пучка постоянна или является периодической функцией; согласованным пучкам соответствует оптимальная фокусировка. Если плотность пространственного заряда пренебрежимо мала, то максимальные размеры согласованного пучка в данном фокусирующем канале определяются только его фазовым Съемом. Мерой фазового объема пучка обычно принимают величину, пропорциональную площади проекции шестимерного объема на каждую из поперечных фазовых плоскостей, например, х, рх/тос:

Эта величина называется нормализованным эмиттансом пучка и не зависит от энергии частиц. В простейшем случае, когда фокусирующие силы линейны, эмиттанс пучка, согласованного с фокусирующим каналом, охватывается эллипсом; при этом нормализованный эмиттанс равен произведению полуосей эллипса на плоскости смещение — приведенный импульс то, по мере роста энергии равновесной частицы Ws, сгустки раздвигаются, сохраняя неизменные геометрические размеры. Поскольку фокусировка осуществляется электрическим полем, то жесткость фокусировки достаточно велика для частиц с низкими скоростями. При заданной апертуре канала предельный пиковый ток в четыре раза больше, чем в системе Альвареца, так как период фокусировки вдвое короче и соответственно выше пропускнаяспособность.

Средний ток пучка вдоль •оси ускорителя остается постоянным, так что максимальное значение среднего тока, несмотря на низкую энергию инжекции, оказывается существенно больше, чем в системе Альвареца. Выше некоторого значения WB адиабатическое изменение величин Т, следует прекратить с тем, Рис. 6. Секция ускорителя с пространственночтобы избежать снижения однородной квадрупольной 'фокусировкой.

предельного тока, связанного с продольным расталкиванием. Рассмотренный процесс группировки в начальной части ускорителя позволяет обеспечить высокий коэффициент захвата без увеличения фазовой плотности тока в поперечном фазовом объеме.

На начальном участке может быть осуществлено согласование пучка по поперечным координатам за счет адиабатического увеличения фокусирующих сил от низкого значения на входе до максимальной величины в конце участка. Изменение жесткости на начальном участке производится путем постепенного уменьшения среднего расстояния от электродов до оси 7 0.

Низкая энергия инжекции (70—100 кэВ) и высокий коэффициент захвата (до 99%) упрощают проблему создания электростатического инжектора. Короткий путь ускорения в инжекторе позволяет сохранить малое значение эмиттанса пучка на входе ЛУ. Достаточно большой ток пучка в ускорителе с пространственно-однородной фокусировкой обеспечивается при = 4—6 м. В основную часть ЛУ пучок вводится при высокой энергии, порядка 3 МэВ.

5. СТРУКТУРА ОСНОВНОЙ ЧАСТИ

СИЛЬНОТОЧНОГО ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ

Основную часть сильноточного ускорителя до энергии протонов или дейтронов 100—150 МэВ целесообразно осуществлять в виде резонаторов Альвареца. Оптимальной ускоряющей структурой для секций ЛУ протонов и дейтронов на энергии выше 100—150 МэВ на сегодняшний день является система с проводящими шайбами и диафрагмами, предложенная В. Г. Андреевым 71 > 72. Отметим, что в диапазоне относительных скоростей > 0,5—0,6 наибольшим шунт-импедансом обладают ускоряющие структуры в виде цепочки связанных однозазорных резонаторов. В ЛУ мезонной фабрики Лос-Аламоса применена структура с боковыми ячейками связи ' V s. Цепочка В. Г. Андреева имеет более широкую дисперсионную характеристику и, соответственно, обеспечивает повышенную стабильность распределения ускоряющего поля.

При энергии инжекции 3 МэВ пропускная способность ускорителя Альвареца обеспечивает сохранение необходимого предельного значения тока пучка уже при вдвое более короткой длине волны, чем в секции с пространственно-однородной фокусировкой. Перезахват частиц в режим ускорения может быть осуществлен без потерь. Поскольку в основной части ускорителя осуществляется статическая фокусировка, то среднее ускоряющее поле может быть выбрано относительно малым. Низкий темп ускорения соответственно приводит к относительно малым величинам активных потерь ВЧ мощности; удельное рассеяние тепла значительно „ снижается, несмотря на короткую длину волны ускоряющего поля. Действительно, при прочих равных условиях полные активные потери ВЧ мощности обратно пропорциональны квадрату длины ЛУ. Удельные потери в стенках резонаторов могут быть снижены до 6 кВт/м2. Увеличение длины ВЧ структуры ЛУ существенно упрощает решение проблемы ввода ВЧ мощности, затрачиваемой на ускорение пучка. Снижение темпа ускорения и укорочение длины волны ВЧ поля позволяет также уменьшить связь между поперечными и продольными колебаниями, так как эта связь определяется приростом энергии частиц на длине волны.

Установка в трубках дрейфа магнитно-твердых квадруполей взамен обычно используемых электромагнитных линз упрощает фокусирующую систему ЛУ, решая ряд задач, инициировавших разработку систем ВЧ фокусировки. Среди этих задач: упрощение очень сложной конструкции трубок дрейфа, ликвидация системы стабильного питания, а для сильноточных ЛУ — обеспечение достаточного времени жизни машины. Исследования возможностей применения постоянных магнитов в фокусирующих системах ЛУ начаты в 1975 г. и ведутся широким фронтом 24,25,74-7в Современные магнитно-твердые сплавы позволяют создать квадрупольные линзы, обеспечивающие необходимую пропускную способность фокусирующего канала. Магнитно-движущая сила, создаваемая сплавом, зависит от величины магнитной энергии, которая может быть накоплена в единице объема сплава. Сплав ЮНДК-35Т5 накапливает удельную энергию (ВН)тах ж 9 МГс.Э, что дает возможность при наружном диаметре

СИЛЬНОТОЧНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ИОНОВ

линзы 15 см и диаметре апертуры 2 см получить поле с градиентом 6 кГс/см.

Еще лучшие результаты могут быть получены с постоянными магнитами на основе редкоземельных элементов. Магниты из сплава самарий — кобальт позволяют накопить удельную энергию до 18 Мгс-Э". Стержневые линзы с неявновыраженными полюсами из сплава самарий — кобальт позволяют не только получить высокие значения градиента при малых наружных размерах, но и осуществить плавную регулировку градиента 7 4.

Линза с регулируемым градиентом состоит из нескольких концентрических круговых рядов, содержащих стержни из сплава SmCo (фото рис. 7). Стержни намагничены перпендикулярно продольной оси. Ориентация векторов намагниченности обеспечивает квадрупольное поле в апертуре. Максимальный градиент на оси линзы в первом приближении может быть оценен по формуле туры, dn — наружный диаметр линзы, / — намагниченность стержней. Исходя из имеющих- Р и с · 7- Магнитнотвердая квадрупольная линся экспериментальных данных, _ з а с н е я в н 0 выраяенвшш полюсами, можно принять 4/ = 4,75 кГс! РяД°М Ш К а з а Н о т д р^\о С ба е Гт е н ь и з Ш П М 1 а сша' Таким образом, в линзе с апертурой da = 2 см и наружным диаметром ал = 9 см может быть получено магнитное поле с градиентом 5,8 кГс/см. Градиент поля в двухрядной линзе есть где Glt G2 — градиенты первого и второго рядов соответственно, 0 — угол между медианными осями каждого ряда. Стабильность линз с постоянными магнитами удовлетворяет условиям фокусировки в ЛУ. Как показали прямые эксперименты, предельно допустимый интегральный поток нейтронов, при которых сохраняются магнитные свойства сплавов ЮНДК, ориентировочно не ниже 1021 нейтронов/см2 7 8, что обеспечивает возможность использования этих сплавов в сильноточных ЛУ. Применение в основной части ЛУ магнитно-твердых квадруполей позволяет избежать рассеяния тепла в объеме трубки дрейфа и существенно повышает живучесть сильноточной машины, так как предотвращаются случайные отключения линз.

Использование секций с пространственно-однородной фокусировкой в начальной части и магнитно-твердых квадруполей в основной части позволяет существенно улучшить конструктивные и электрические параметры сильноточного ЛУ.

Мощность, потребляемая линейным ускорителем, расходуется главным образом системой ВЧ питания ускоряющих резонаторов. Затраты мощности в остальных технологических системах ЛУ обычно пренебрежиИ. М. КАПЧИНСКИЙ мо малы по сравнению с мощностью, потребляемой ВЧ системой. Коэффициент полезного действия (к. п. д.) линейного ускорителя, работающего в непрерывном режиме, является одним из важнейших параметров установки, так как система ВЧ питания определяет основную стоимость сооружения и эксплуатации. Полный к. п. д. линейного ускорителя определяется произведением к. п. д. системы ВЧ питания и к. п. д. ускоряющих резонаторов. Последняя величина равна отношению Рп/(Рп + ), где есть погонное значение мощности, уносимой пучком с током / п при темпе ускорения dWJdz; Ри — погонная мощность активных потерь в меди Ео — среднее поле на оси резонатора, Rm — погонное значение шунтимпеданса резонатора.

Поскольку в импульсных ЛУ пучок уносит относительно малую часть от полной энергии Wa = (Q/) Рк, запасенной в ускоряющем поле, то к. п. д. импульсных ЛУ очень низок. Даже в ЛУ мезонных фабрик к. п. д. не превышает 2—4%, а в инжекторах протонных синхротронов не превышает доли одного процента.

ВЧ мощность, уносимая пучком в сильноточных ЛУ непрерывного действия, как правило, значительно больше активных потерь в стенках резонаторов. Это требует создания систем ВЧ питания с весьма большой средней мощностью, но создает условия для существенного повышения к. п. д. В ускоряющих резонаторах протонных ЛУ Rm fa « 15—20 МОм/м 2 1. Поскольку)