ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.384.6
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
МОДУЛЬНОГО ТИПА ИЛУ-14
© 2011 г. А. А. Брязгин, В. И. Безуглов, Е. Н. Кокин, М. В. Коробейников, Г. И. Кузнецов, И. Г. Макаров, Г. Н. Острейко, А. Д. Панфилов, В. М. Радченко, Г. В. Сердобинцев, А. В. Сидоров, В. В. Tарнецкий, М. А. Тиунов, Б. Л. Факторович, К. Н. Чернов, В. Г. Ческидов
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 26.11.2010 г.
В ИЯФ СО РАН им. Г.И. Будкера разработан новый мощный (до 100 кВт) промышленный линейный ускоритель электронов ИЛУ-14 на энергию 7.5—10 МэВ. Рабочая частота ускорителя 176 МГц, полный к.п.д. 26%. Ускоритель имеет модульную структуру, что позволяет путем изменения модульной комплектации менять в определенных пределах энергию электронов и мощность в пучке. В настоящее время изготовлен и успешно прошел испытания прототип этого ускорителя. В экспериментах подтверждены расчетные параметры: энергия 5 МэВ, средний за в.ч.-период ток пучка 600 мА, импульсная мощность пучка 2.5 МВт и электронный к.п.д. ускоряющей структуры 68%. Благодаря подаче дополнительного в.ч.-напряжения на зазор сетка—катод пушки достигнуто токо-прохождение электронного пучка 96% и получен малый энергетический разброс пучка. Прототип ускорителя ИЛУ-14 может быть использован как самостоятельный ускоритель с мощностью в пучке 50 кВт.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время благодаря большой проникающей способности тормозного излучения повышен интерес к радиационным технологиям с его использованием, применяемым, в частности, для пастеризации пищевых продуктов, дезинфекции медицинских отходов и т.д. В связи с этим необходимы ускорители с энергией пучка 7.5—10 МэВ и средней мощностью в пучке >100 кВт.
Важнейшим параметром для промышленных ускорителей является эффективность преобразования энергии источника в.ч.-мощности в энергию заряженных частиц (к.п.д.). Известно по крайней мере два типа ускорителей для промышленных применений в диапазоне энергий 5—10 МэВ со средней проектной мощностью в пучке до 200 кВт.
1. Родотрон. Ускоритель работает в непрерывном режиме, высокий к.п.д. в нем достигается многократным прохождением частицами одного резонатора. Примером такого ускорителя является "Rhodotron ТТ300" [1]. Пучок проходит резонатор 10 раз и на выходе имеет энергию 10 МэВ и мощность 220 кВт; к.п.д. ускоряющей структуры ^73%, рабочая частота 107.5 МГц.
2. Импульсный линейный ускоритель. Высокий к.п.д. обеспечивается значительной нагрузкой ускоряющих структур импульсным током ускоряемых частиц. В качестве примера можно привести ускоритель SureBeam Corporation, работающий на частоте 1.3 ГГц и имеющий мощность
пучка 120 кВт, энергию электронов 5 МэВ, к.п.д. 70% [2].
В ИЯФ СО РАН создана серия ускорителей типа ИЛУ [3—5] с энергией до 5 МэВ и мощностью в пучке до 50 кВт. Для расширения области применения этих ускорителей разработан новый мощный (до 100 кВт) промышленный ускоритель электронов на энергию 7.5—10 МэВ. Модель получила название ИЛУ-14 и предназначена для использования как в режиме облучения электронным пучком, так и в режиме тормозного излучения. ИЛУ-14 унаследовал основные характеристики ускорителей серии ИЛУ, такие как внутренний тип инжекции и использование автогенератора в качестве источника в.ч.-мощности, однако имеет и ряд отличительных особенностей. На базе ИЛУ-14 планируется создание простых и надежных в эксплуатации в.ч.-ускорителей, способных конкурировать с существующими промышленными ускорителями в данном диапазоне энергий.
2. КОНЦЕПЦИЯ И БЛОК-СХЕМА ИЛУ-14
Мощный промышленный ускоритель ИЛУ-14, блок-схема которого представлена на рис. 1, содержит: ускоряющую структуру, триодную электронную в.ч.-пушку, двухкаскадный автогенератор, фидерную систему, в.ч.-вводы мощности, модуляторы, систему развертки и конвертер (при работе ускорителя в режиме тормозного излучения).
Я ^
Я №
О ^
Е
Н
м X
я я
я о я
м ^
я £
м
я £
35 кВ
№
и> ^
Я Я
Рис. 1. Блок-схема ИЛУ-14. ГИ-50А — триоды; ср — фазовращатель (фазосдвигающая линия).
По сравнению с известными мощными импульсными линейными ускорителями ИЛУ-14 имеет ряд особенностей.
1. Использование для ускорения электронов низкочастотной многорезонаторной структуры на стоячей волне с резонаторами связи на оси. Структура собирается из отдельных модулей с применением индиевых уплотнений. Модуль содержит полный резонатор связи и два половинных ускоряющих резонатора (рис. 2). Ускоряющая структура на энергию электронов до 10 МэВ содержит 6 таких модулей. Структура возбуждается автогенератором на основе мощных высокоэффективных электровакуумных приборов — триодов ГИ-50А, обеспечивающих ускорителю конкурентоспособное значение промышленного к.п.д.
2. Использование в качестве источника электронов триодной в.ч.-пушки со специально разработанной сеткой с высокой проницаемостью. Пушка помещена непосредственно в первый ускоряющий зазор. Узкий энергетический спектр мощного электронного пучка, необходимый для проведения пучка через структуру с малыми потерями и эффективного преобразования его мощности в тормозное излучение, обеспечивается благодаря подаче дополнительного в.ч.-напряже-ния на зазор сетка—катод этой пушки.
3. Применение двухкаскадного генератора с цепью обратной связи, замкнутой через ускоряющую структуру. При этом отпадает необходимость в системе стабилизации частоты ускоряющей структуры или генератора. Как результат, существенно упрощаются как генератор, так и система управления ускорителем.
4. Модульная конструкция ускорителя (отдельные модули собираются из узлов, уже проверенных и выпускаемых экспериментальным производством ИЯФ).
Принятая концепция позволяет существенно упростить конструкцию и уменьшить стоимость всего ускорителя, а также повысить его надежность и уменьшить эксплуатационные расходы.
3. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА
Выбор ускоряющей структуры определяется особенностями конкретной установки и во многом влияет на физические и эксплуатационные параметры ускорителя. Создание промышленного ускорителя большой мощности предполагает анализ и сравнение не только электродинамических характеристик, но и коммерческих показателей, таких как стоимость изготовления, надежность работы и эксплуатационные расходы. Достижение оптимума некоторых характеристик требует поиска компромисса. К таким характеристикам можно отнести шунтовое сопротивление, показывающее эффективность использования высокочастотной мощности для ускорения частиц, и коэф-
Рис. 2. Модуль ускоряющей структуры.
фициент связи, определяющий чувствительность ускоряющей структуры к различного рода возмущениям: погрешностям изготовления и настройки, тепловым деформациям и т.д. Увеличение коэффициента связи приводит к уменьшению чувствительности к возмущениям, что в конечном итоге снижает стоимость изготовления, однако при этом уменьшается шунтовое сопротивление и затрудняется охлаждение резонаторов.
Принятая концепция построения ускорителя, предусматривающая внутреннюю инжекцию электронов и проведение их в тракте ускорителя без применения магнитостатических линз, оказала значительное влияние на выбор не только профиля ускоряющих ячеек, но и характерных размеров ускорителя в целом.
Ускоряющая структура, общий вид которой приведен на рис. 3, состоит из пяти полных и двух половинных (концевых) ускоряющих резонаторов и шести резонаторов связи. Структура является бипериодической с резонаторами связи на оси и работает на частоте 176 МГц в режиме стоячей волны на моде я/2. Связь между резонаторами осуществляется по магнитному полю посредством щелей связи (по две в каждой стенке резонатора). Для исключения связи через ячейку щели в противоположных стенках резонаторов связи повернуты друг относительно друга на 90°.
Геометрия резонаторов ускоряющей структуры была оптимизирована с помощью программы SuperLANS [6]. На рис. 4 показан профиль полного ускоряющего резонатора. Он представляет собой полуволновый коаксиальный резонатор с внешним диаметром 700 мм и ускоряющим зазо-
ром 110 мм. Расчетные электродинамические параметры ускоряющей структуры приведены ниже:
Рабочая частота, Мгц 176
Добротность 22000
Характеристическое сопротивление, Ом 1240
Шунтовое сопротивление, МОм 27.3
Коэффициент связи 0.078
Разброс частот ячеек и коэффициентов связи между ячейками, обусловленный неточностями изготовления и настройки, вызывает неравномерность ускоряющего поля вдоль структуры, а также появление поля в ячейках связи, что приводит к дополнительным потерям мощности и, следовательно, к снижению шунтового сопротивления структуры.
Для задания требуемой точности изготовления ячеек структуры полезно определить производные частот по их размерам, т.е. чувствительность к погрешностям изготовления и деформациям
Рис. 4. Оптимизированный профиль полного ускоряющего резонатора.
(рис. 5). Анализ рис. 5 показывает, что наибольшее влияние на частоту оказывают размеры пролетных зазоров в ячейках связи 52 = 3.2 МГц/мм и в ускоряющих ячейках S1 = 0.45 МГц/мм. При работе на моде п/2 в ячейках связи, даже при наличии потерь, запасается незначительная энергия, поэтому влияние их собственных частот на параметры структуры мало.
Основное влияние на неравномерность ускоряющего поля и уменьшение шунтового сопротивления оказывает разброс частот ускоряющих ячеек. Неравномерность поля и уменьшение шунто-вого сопротивления можно определить численно для структуры с небольшим числом ячеек, используя программу SuperLANS и моделируя реальную связь посредством кольцевой щели.
Расчет, результат которого представлен на рис. 6, проводился при разбросе частот двух ускоряющих ячеек: половинной на А/// = +5 • 10-3 и полной на А/// = —5 • 10-3. Можно отметить нарушение равномерности ускоряющего поля вдоль структуры и появление поля в ячейках связи. Уменьшение шунтового сопротивления составило ~3%. Таким образом, коэффициент связи 7—8% обеспечивает достаточную стабильность параметров структуры при расстройках ускоряющих ячеек в пределах А/// = ±5 • 10-3.
Вычис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.