CC BY
54
УДК 621.384
В.П. Горбачев, Б.С. Ишханов, В.В. Полиектов, В.П. Степанчук, В.И. Шведунов ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ С БОЛЬШОЙ ЯРКОСТЬЮ ПУЧКА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
Дано описание ускорителя электронов с большой яркостью пучка на энергию 35 МэВ и его применения для разработки методов диагностики пучков и генерации миллиметрового излучения.
V.P. Gorbachev, B.S. Ishkhanov, V.V. Poliektov, V.P.Stepanchuk, V.I. Shvedunov ELECTRON SOURCE WITH HIGH BRIGHTNESS BEAM AND ITS APPLICATIONS
Electron accelerator with high brightness beam for maximum energy 35 MeV has been described as well as its application for development of beam diagnostic and for generation of millimetre wavelength radiation.
Введение
Яркие электронные пучки - то есть пучки с малыми значениями угловой расходимости, поперечного размера, длительности сгустка и энергетического разброса и с большими значениями заряда сгустка, необходимы для разработки новых методов диагностики пучков ускорителей, генерации мощного миллиметрового и субмиллиметрового (терагерцового) излучения, ускорения частиц, в том числе ускорения в плазме и в ближней зоне лазерных ускоряющих структур. К ярким электронным пучкам можно условно отнести пучки с нормализованным поперечным эмиттансом менее 10 мм мрад, длительностью сгустка менее 10 пс, зарядом сгустка более 100 пК и энергией более 5 МэВ. В настоящее время основным источником яркого электронного пучка является СВЧ пушка с фотокатодом, освещаемым лазерным импульсом длительностью несколько пикосекунд, и расположенным после нее линейным ускорителем, обеспечивающим ускорение пучка до требуемой конечной энергии. Такие источники имеют высокую стоимость и значительное энергопотребление.
В настоящей работе описан ускоритель электронов с большой яркостью пучка на максимальную энергию 35 МэВ. Он отличается компактностью, низкой стоимостью, малым энергопотреблением и может располагаться в небольших университетских лабораториях. Приведены результаты экспериментов по диагностике пучка с помощью излучения Вавилова-Черенкова и по генерации когерентного переходного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн.
Описание ускорителя
Блок-схема ускорителя, построенного по схеме разрезного микротрона с внешней ин-жекцией высокоэнергетического пучка, показана на рис. 1, основные параметры приведены в таблице. Система инжекции разрезного микротрона состоит из СВЧ пушки 1, альфа-магнита
4 и ускоряющей структуры инжектора 8. Электроны, выбиваемые из катода СВЧ пушки излучением, формируемым лазерной системой 6, ускоряются СВЧ полем до максимальной энергии 1.5-1.6 МэВ, фокусируются соленоидальной линзой 3. За ней расположен альфа-магнит 4, который осуществляет продольное сжатие электронных сгустков. С помощью регулируемой коллимационной щели 5 вырезается определенный участок энергетического спектра пучка. На выходе альфа-магнита сгустки электронов длительностью около 10 пс (около 100) каждый, фокусируются квадрупольным триплетом 7 и попадают в ускоряющую структуру инжектора 8, где ускоряются до энергии 4.85 МэВ. С помощью дипольных магнитов системы инжекции 11 пучок через поворотный магнит 12 вводится на нулевую орбиту разрезного микротрона и через второй поворотный магнит 14 попадает на вход основной ускоряющей структуры 16. Альфа-магнит 4 и поворотные магниты 12, 14 изготовлены с использованием редкоземельного магнитного материала в качестве источника поля. Фокусировка инжектируемого пучка осуществляется квадрупольным триплетом 9 и дублетом 13, фокусировка пучка в разрезном микротроне обеспечивается квадрупольными синглетами 15. Дипольные магниты 2 и 17 используются для корректировки траектории пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Вывод пучка с различных орбит производится с помощью отклоняющего магнита 18, направляющего пучок в выходной тракт с фокусирующими квадрупольными линзами 19, 20. В процессе экспериментов на выведенном пучке цилиндр Фарадея 21, люминесцентный экран 22, зеркало 23 и телевизионная камера 24 заменяются соответствующим оборудованием. Функционирование ускорителя обеспечивается системами: высокочастотного и высоковольтного питания, синхронизации, охлаждения, термостабилизации и контроля. Более детальное описание работы ускорителя и его систем дано в [1].
Рис. 1. Схематический чертеж разрезного микротрона Основные параметры разрезного микротрона
Энергия инжекции 4.85 МэВ
Прирост энергии за оборот 2.43 МэВ
Энергия выведенного пучка 4.85-34.20 МэВ
Нормализованный эмиттанс 10 мм-мрад
Продольный эмиттанс 200 кэВ-градус
Длительность сгустка 5 пс
Частота повторения сгустков 1-150 Гц
Заряд сгустка 150 пК
Рабочая частота 2.856 ГГц
Импульсная СВЧ мощность < 3 МВт
Индукция поля магнитов 0.486 Т
Измерение энергетического спектра пучка с помощью излучения Вавилова - Черенкова
Излучение Вавилова - Черенкова (ИВЧ), вследствие его порогового характера и зависимости интенсивности от скорости частиц и показателя преломления среды, может быть использовано для определения энергетического спектра пучков заряженных частиц [2]. На рис. 2 показана схема экспериментальной установки, располагаемой на выходе разрезного микротрона, для определения спектра пучка на различных орбитах. Камера 1, из которой предварительно откачивается воздух, заполняется рабочим газом, тип которого зависит от энергии пучка, до давления, близкого к рабочему. Плавное изменение давления в камере в пределах 20-25% обеспечивается шаговым двигателем 2, перемещающим мембрану 3. Давление контролируется посредством манометра 4. Пучок от ускорителя попадает в камеру через входное окно 5, закрытое тонкой фольгой, и проходит через зеркало 6 в цилиндр Фарадея 7. ИВЧ, порожденное на участке камеры АВ, выходит из камеры через прозрачное окно 8 и регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) 9. Таким образом, может быть измерена зависимость интенсивности ИВЧ от давления газа в камере и, следовательно, от показателя преломления.
Сущность методики заключается в следующем [2]. Пусть _ДР) - неизвестная функция распределения частиц пучка по относительным скоростям Р=у/с, где V - скорость частицы,
- скорость света в вакууме, причем | /ф) = 1. Тогда, при некотором показателе прелом-
ления среды п, интенсивность ИВЧ, испущенная электронами, у которых Р > —, дается вып
ражением I (п) = А
I (1_:
1
п2р:
-)/(Р) dp, где А=сош1, Рш;п и Ртах - минимальная и
тах[рт1п,—п]
максимальная относительные скорости электронов пучка. Нашей задачей является нахождение функции _ДР) по известной функции 1(п) посредством решения обратной задачи, относящейся к классу некорректно поставленных. Используя связь Р и энергии, Е = т0с2 М-Р2 - т0с2, где т0с2 = 0.511 МэВ - масса покоя электрона, определяем энергетический спектр пучка. На рис. 3, а показана зависимость амплитуды сигнала ФЭУ от давления газа (фреон-12) для пучка, выведенного со 2-й и 3-й орбит разрезного микротрона, а на рис. 3, б показаны восстановленные энергетические спектры.
р, атм
а)
Е, МэВ б)
Рис. 3. Характеристики сигнала РЭУ: а - зависимость амплитуды сигнала ФЭУ от давления газа; б - восстановленные спектры пучка
Когерентное переходное излучение
На длинах волн, превосходящих длину сгустка, излучение отдельных частиц, возникающее в силу тех или иных причин (переходное излучение, синхротронное излучение, ИВЧ и т.д.), складывается когерентно, что приводит к зависимости интенсивности излучения от числа частиц в сгустке, близкой к квадратичной. Ускорители с большой яркостью пучка позволяют получать релятивистские сгустки протяженностью 1^0,1 мм, состоящие из 109^1010 частиц, и поэтому являются источниками мощного излучения в миллиметровой и субмилли-метровой областях. С другой стороны, измерение зависимости интенсивности излучения от длины волны позволяет оценить длину сгустка.
Нами было проведено измерение углового распределения когерентного переходного излучения в диапазоне длин волн 3^8 мм. На рис. 4, а показана схема эксперимента: 1 - пучок электронов, 2 - мишень для генерации излучения, 3 - генерируемое излучение, 4 - детектор излучения, 5 - рупорная антенна, 6 - траектория перемещения детектора с помощью поворотного механизма. Расстояние от мишени до детектора могло меняться от 0,5 до 1 м. Поворотом рупорной антенны на 90° можно было изменять регистрируемый угол поляризации излучения. В экспериментах были использованы детекторы диапазона длин волн 3, 5 и 8 мм. Сигнал с детектора через быстрый усилитель подавался на быстрый цифровой осциллограф, с помощью которого измерялась амплитуда импульса излучения. В качестве мишени для генерации когерентного переходного излучения использовалось выходное окно ускори-
теля, сделанное из титановой фольги толщиной 20 мкм. Эксперименты проводились с пучком электронов инжектора с энергией 5 МэВ.
На рис. 4, б показано угловое распределение когерентного переходного излучения. Угол раствора конуса переходного излучения определяется энергией пучка а « т0с2/(Е + т0с2) и для энергии 5 МэВ а«5,3°, что совпадает с измеренным значением. Детали углового распределения определяются формой сгустка и наклоном его оси относительно направления распространения [3].
ш
І'
а)
Э, градусы б)
Рис. 4. Измерение углового распределения когерентного переходного излучения: а - схема экспериментальной установки; б - угловое распределение когерентного переходного излучения при энергии 5 МэВ
Заключение
Ускоритель электронов с большой яркостью пучка, описанный в настоящей работе, был использован для разработки метода определения энергетического спектра пучка электронов с помощью ИВЧ и для генерации когерентного переходного излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. A Racetrack Microtron with High Brightness Beams / V.I. Shvedunov, R.A. Barday, D.A. Frolov et al. // Nuclear Instrument Method. 2004. Vol. A531. P. 346-366.
2. Труханов К. А. Измерение энергии частиц по зависимости интенсивности излучения Вавилова - Черенкова от фазовой скорости / К. А. Труханов // Черенковские детекторы и их применение. М.: Наука, 1990. С. 380-383.
3. Болотовский Б.М., Серов А.В. Переходное излучение от протяженной системы зарядов / Б.М. Болотовский, А.В. Серов // Журнал технической физики. 2002. Т. 72. Вып. 1. С. 3-7.
Горбачев Валерий Петрович -
научный сотрудник лаборатории ядерной физики
отделения механики и физики НИИ естественных наук
Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского
Ишханов Борис Саркисович -
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Общая ядерная физика»,
заведующий отделом электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер (ОЭПВАЯ) НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына
Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Полиектов Владислав Владимирович -
аспирант кафедры «Общая ядерная физика»
Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Степанчук Виктор Петрович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника и электродинамика» Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского
Шведунов Василий Иванович -
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией электронных пучков ОЭПВАЯ НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова
Статья поступила в редакцию 30.10.06, принята к опубликованию 14.11.06
