ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 3, с. 12-20
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 621.3.032.26
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ КОЛЛЕКТОР ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
© 2013 г. М. И. Брызгунов, А. В. Иванов, В. М. Панасюк, В. В. Пархомчук, В. Б. Рева
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 26.04.2012 г. После доработки 12.07.2012 г.
Описан высокопервеансный коллектор с малым коэффициентом вторичной эмиссии, предназначенный для высоковольтной установки электронного охлаждения. Особенностью исследуемого коллектора является то, что он состоит из собственно охлаждаемого коллектора, который принимает электронный поток, и установленного перед ним фильтра Вина, который значительно уменьшает выходящий из коллектора поток вторичных электронов. Основным достоинством такой схемы является сочетание малого коэффициента вторичной эмиссии и высокого первеанса с относительно небольшими размерами и легкостью изготовления и настройки. Приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований составного коллектора, исследуются различные режимы его работы. Минимальный достигнутый коэффициент вторичной эмиссии составил 5 • 10-6. Предложены способы дальнейшего уменьшения этого коэффициента.
БО1: 10.7868/80032816213020043
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в ИЯФ СО РАН создается установка электронного охлаждения на энергию электронов до 2 МэВ для синхротрона COSY [1, 2]. Синхротрон COSY предназначен для экспериментов с поляризованными или неполяризован-ными протонами в области энергий до 2600 МэВ на внутренней мишени или с выводом пучка на внешнюю мишень. При проведении экспериментов с внутренней мишенью очень важна возможность "охлаждения" используемого пучка (т.е. уменьшения разброса импульсов частиц) для подавления "греющих" эффектов.
В настоящее время в синхротроне CO(COoler) SY(SYnchrotron) уже используются две системы охлаждения, что отражено в названии синхротрона на английском языке. Электронное охлаждение [3] на низкой энергии протонов (50 МэВ) позволяет провести накопление заряженных частиц и увеличить фазовую плотность пучка перед дальнейшими экспериментами. Стохастическое охлаждение [3] препятствует деградации качества пучка при его взаимодействии с мишенью на энергии эксперимента. К сожалению, стохастическому охлаждению присуще естественное ограничение, затрудняющее его работу при большой интенсивности охлаждаемого пучка и малом разбросе импульсов охлаждаемых частиц.
Электронное охлаждение на энергии эксперимента будет эффективно подавлять малоугловое рассеяние и небольшие ионизационные потери,
имеющие наибольшую вероятность при взаимодействии частиц с веществом при высоких энергиях. Совместное его использование со стохастическим охлаждением позволит значительно увеличить светимость экспериментов с внутренней мишенью.
Схема установки электронного охлаждения показана на рис. 1 слева, а справа изображена схема электростатического ускорителя. Стационарный электронный пучок с током до нескольких ампер ускоряется вдоль электростатической колонны 1, и, далее, по транспортной системе 2 направляется в секцию охлаждения 3, где движется совместно с ионным пучком (тракт ионной орбиты обозначен позицией 5). В результате совместного движения происходит передача тепловой энергии от более горячих ионов холодным электронам.
Покинув секцию охлаждения, электронный пучок возвращается обратно и по каналу 4 снова попадает в колонну, где практически полностью теряет накопленную энергию и поглощается в коллекторе. На протяжении всего пути пучок находится в сопровождающем магнитном поле. В секции охлаждения это поле резко улучшает эффективность взаимодействия электронов с ионами, в электронной пушке оно помогает сформировать требуемый электронный пучок, в электростатической колонне и в транспортной системе — обеспечивает поперечную фокусировку пучка.
Рис. 1. Слева — схема установки электронного охлаждения для синхротрона COSY; справа — внешний вид электростатического ускорителя. 1 — электростатический ускоритель, 2 — транспортный канал к секции охлаждения, 3 — секция охлаждения ионного пучка, 4 — обратный транспортный канал, 5 — ионный тракт.
Основные параметры установки электронного
охлаждения приведены ниже:
Диапазон энергий, МэВ 0.1—2
Стабильность энергии <10-4
Электронный ток, А 0.1—3
Диаметр электронного пучка, мм 10—30
Длина секции охлаждения, м 2.69
Радиус поворотов, м 1.00
Магнитное поле в секции охлаждения, кГс 0.5—2
Вакуум, мбар 10-9-10-10
Полная длина вдоль синхротрона, м 6.39
Максимальная высота, м 5.7
Высота канала протонного пучка, м 1.8
В зависимости от начальных условий ожидаемая скорость охлаждения <0.01 с-1.
Одной из ключевых проблем, возникающих при создании подобной установки, является обеспечение стабильности ее работы в режиме глубокой рекуперации. Для этого крайне важно минимизировать потери ускоренных до полной
энергии электронов на стенках вакуумной камеры. В сопровождающем магнитном поле первичный пучок доходит до коллектора практически без потерь. Вторичные же электроны, вылетающие из коллектора, снова ускоряются вдоль колонны и, если не предпринять специальных мер, при поворотах пучка в сопровождающем магнитном поле попадают на стенки находящейся под потенциалом "земли" камеры вследствие центробежного дрейфа. При этом они выбивают ионы, которые в свою очередь, набрав полную энергию, выбивают электроны из находящихся под высоковольтным потенциалом стенок, обеспечивая "токовую" связь между высоким потенциалом и "землей", что ведет к пробою.
Другой механизм пробоя связан с заряжанием ускорительной трубки за счет рассеяния вторичных электронов на неоднородностях оптической системы. Последующее выравнивание зарядов вдоль ускорительной трубки, сопровождающееся микропробоем, способно инициировать пробой по полному напряжению. Экспериментальные данные, полученные на установке Fermilab [4, 5], свидетельствуют о том, что для устойчивой работы установки ток на трубку не должен превышать
нескольких микроампер. Кроме вышеуказанных проблем со стабильностью высокого напряжения, потери ускоренных электронов приводят также к ухудшению вакуумных условий и увеличению радиационного фона вокруг установки.
В работе [6] показано, что для аксиально-симметричного коллектора коэффициент вторичной эмиссии составляет величину порядка 10-4—10-3. С учетом тока электронного пучка порядка нескольких ампер становится очевидным, что необходимы меры по значительному снижению тока потерь.
В настоящее время применяются два способа уменьшения тока потерь: реализация обратимого движения электронов в охладителе или использование коллектора с коэффициентом вторичной эмиссии <10-5. В первом случае в местах поворота пучка создают электрическое поле таких напряженности и направления, чтобы полностью скомпенсировать центробежный дрейф. При этом вторичный поток полностью проходит весь путь до катода, отражается обратно, вновь доходит до коллектора и поглощается в нем. Потери при этом определяются уже другими причинами и составляют 10-5—10-6 от полного тока пучка. Электростатические повороты были с успехом использованы при создании установок электронного охлаждения ЕС-35, ЕС-300 и LEIR на максимальную энергию электронов 35, 300 и 40 кэВ соответственно [7, 8]. Однако с ростом энергии требуется все более сильное электрическое поле, что вынуждает сильно поднимать напряжение на пластинах создающего его конденсатора. Это обстоятельство в совокупности со значительно увеличившимся числом поворотов делает электростатическую компенсацию дрейфа сложно реализуемой в создаваемой установке.
Второй подход — создание высокоэффективного коллектора с коэффициентом вторичной эмиссии порядка 10-5 — требует отказа от аксиальной симметрии магнитного поля внутри коллектора. Для этого может быть использован набор постоянных магнитов, искажающих силовые линии поля [9, 10]. Сам коллектор при этом получается значительно большим по объему и требует тщательной и трудоемкой настройки на специальном стенде.
СОСТАВНОЙ КОЛЛЕКТОР
В данной работе исследуется вариант уменьшения тока потерь из коллектора, предложенный в работе [11], — сочетание аксиально-симметричного коллектора и установленного перед ним фильтра Вина. Фильтр Вина [12] представляет собой область со скрещенными поперечными электрическим и магнитным полями, подобранными так, что их действие взаимно компенсируется для
Рис. 2. Схема составного коллектора с анализирующим электродом. 1 — охлаждаемая поверхность, 2 — катушка коллектора, 3 — магнитная диафрагма, 4 — су-прессор, 5 — приколлекторный электрод, 6 — магнито-провод, 7 — электростатические пластины фильтра Вина, 8 — магнитные катушки фильтра Вина, 9 — вакуумная камера фильтра Вина, 10 — диафрагма вторичного пучка, 11 — анализирующий электрод.
электронов первичного пучка. Вторичные же электроны, движущиеся в обратном направлении, сильно отклоняются от оси и осаждаются на диафрагму фильтра, находящуюся под потенциалом вакуумной камеры. Схема такого комбинированного коллектора приведена на рис. 2.
Поперечные поля в фильтре Вина формируются за счет электростатических пластин 7 и поперечного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Отклоненный вторичный пучок осаждается на диафрагму 10. Охлаждаемая поверхность 1 принимает первичный электронный пучок и должна рассеивать до 15 кВт тепловой энергии при токе в коллекторе 3 А (режим максимального тока).
Супрессорный электрод 4 служит для формирования электростатического барьера, запирающего низкоэнергические вторичные электроны внутри коллектора. Потенциал супрессора выбирается близким к потенциалу катода. В области супрессора первичный пучок хоть и сильно тор-
Я, мм 200
160 120 80 404
0
1750
В1, Гс 500 -400 -300 200 100 0
1830
1910
1990
2070 Д мм
Рис. 3. Внутренняя поверхность коллектора и супрессор. Показаны траектории электронов основного пучка, эквипо-тенциали с шагом 100 В, распределение магнитного поля на оси.
мозится, но проходит далее, а вторичные электроны, потерявшие
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.