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.