Описание установки линейного ускорителя протонов И-2

 

Линейный ускоритель протонов И-2 позволяет ускорять в импульсном режиме протонный пучок до энергии 24,6 МэВ с амплитудой тока до 200 мА. Основные параметры ускорителя И-2 приведены в таблице 1. Ускоритель включает в себя три ускоряющие структуры: форинжектор – ускорителя прямого действия с ускоряющим потенциалом 700 кВ и два высокочастотных ускоряющих резонатора с дрейфовыми трубками (структура Альвареца) доускоряющие пучок, соответственно, до 6,12 МэВ и 24,6 МэВ. На выходе ускорителя построена сеть ионопроводов для измерения параметров ускоренного пучка и его практического использования, а также для транспортировки и инжекции пучка в кольцо синхротрона У-10. Блок-схема ускорителя И-2 показана на рисунке 1.

Таблица 1  ‑ Основные параметры ускорителя протонов И-2

Наименование параметра

Значение

Выходная энергия, МэВ

0,7¸24,6

Амплитуда выходного импульсного тока пучка, мА

200

Ширина импульса тока пучка, мкс

10

Частота повторения импульсов

до 1 Гц

Интенсивность ускоренного пучка, частиц/с

1013

Частота ускоряющего поля, МГц

148,5

Длительность ВЧ-импульса генератора, мкс

300

Длина резонатора, м

18,4

Диаметр резонатора, мм

1370

Апертура, см

2,0/2,5

Амплитуда ср. поля на оси, кВ/см

20/23

Импульсная мощность потерь в меди, МВт

2,6

 

Форинжектор представляет собой ускорительную трубку, на один конец которой подается импульсное ускоряющее напряжение 700 кВ при помощи импульсного трансформатора ИТ-800. На высоковольтном конце ускоряющей трубки установлен источник протонов типа Дуоплазматрон. Между форинжектором и первым ускоряющим резонатором находится согласующий канал, состоящий из шести пар магнитных квадрупольных линз. В согласующем канале размещен также группирователь (банчер), осуществляющий продольную группировку пучка на входе в ускоряющий резонатор для увеличения интенсивности ускоренного пучка.

Рисунок 1 ‑ Структура протонного инжектора И-2. Обозначения: Гараж ‑ экранированный объем под потенциалом 700 кВ, в котором размещен ионный источник и др. оборудование форинжектора, КФИ – камера форинжектора, в которой установлены индукционные датчики, КН – камера наблюдения, К – корректор, ПИФО – камера для измерения эмиттанса пучка, З – вакуумный затвор, ПМ – поворотный магнит

Ускоряющие резонаторы работают на частоте 148,5 МГц и размещены в общем вакуумном объеме длиной 18,4 м и диаметром 1,9 м (рисунок 2). Питание резонаторов осуществляется от двух фазируемых ВЧ генераторов с импульсной мощностью до 5 МВт.

Рисунок 2 – Вакуумный объем ускоряющих резонаторов линейного ускорителя И-2

Система автоматического регулирования предусматривает возможность подстройки собственной частоты резонаторов, механического и электронного регулирования разности фаз ускоряющего ВЧ поля в резонаторах и стабилизации амплитуды ускоряющего ВЧ поля.

Поперечная фокусировка частиц осуществляется при помощи магнитных квадрупольных линз, размещенных в пролетных трубках ускоряющего канала резонаторов.

1. Экспериментальные возможности установки И-2

Ускоренный пучок протонов на выходе ускорителя может варьироваться по энергии в диапазоне от 0,7 до 24,6 МэВ.

Облучение образцов может осуществляться внутри вакуумного объема камеры, установленной на выводном ионопроводе ускоренного пучка, либо при атмосферных условиях с выводом ускоренного пучка из вакуумной камеры выводного ионопровода через окно, перекрытое фольгой из алюминия толщиной 100 мкм.

Характеристики пучка в зоне облучения образцов могут варьироваться настройкой режима ускорения частиц и оптического канала. Диапазоны рабочих параметров приводятся в таблице 2.

Таблица 2  – Характеристики пучка протонов в зоне облучения и-2

Энергия протонов: в вакуумном объеме

в атмосфере

 

(0,7¸24,6) МэВ ±1%

(5¸21) МэВ ±10%

Размер рабочей зона облучения

до 100 мм

Плотность интегрального потока протонов за 1 импульс в центре рабочей зоны облучения

(106¸1012) см-2

Неравномерность интегрального потока протонов за 1 импульс в пределах рабочей зоны облучения

не более ±15%

2. Основные направления использования ускоренного пучка

Ускоренный протонный пучок установки И-2 используется для прикладных исследований и промышленного применения по следующим направлениям:

  • испытание радиационной стойкости материалов
  • радиационная обработка полупроводниковых структур для улучшения их эксплуатационных параметров
  • исследование радиационно-индуцированных изменений материалов при воздействии протонного пучка
  • исследования по радиационной биологии
  • методические исследования аппаратуры физических исследований

3. Расширение экспериментальных возможностей ускорительной установки И-2

Экспериментальные возможности ускорителя протонов И-2 могут быть расширены за счет увеличения длительности импульса ускоренного пучка до 100 мкс и, соответственно, повышения интенсивности ускоренных протонов до 1014 частиц/с. Эта задача может быть решена соответствующей модификацией ионного источника и улучшением рабочих характеристик системы стабилизации амплитуды ускоряющего напряжения.

При повышении интенсивности ускоренного пучка появится дополнительная возможность использования протонного ускорителя И-2:

  • для производства короткоживущих изотопов
  • для создания квазимоноэнергичного источника нейтронов с перестраиваемым спектром в диапазоне энергий десятков МэВ для исследований в области нейтронной физики.