Инжектор "Позитрон"

В работающем ныне на комплексе ВЭПП-4 позитронном инжекторе позитроны получаются путем конверсии электронов, ускоренных в сильноточном линейном ускорителе (ЛУ) до энергии 50 МэВ, с последующим ускорением позитронов в синхротроне до энергии 350 МэВ. Создание ЛУ с большой накопленной энергией оказалось возможным в связи с разработкой в Новосибирском Институте ядерной физики гирокона - мощного СВЧ-генератора с несгруппированным релятивистским пучком, который был предложен Г.И.Будкером в 1967 году [1].

Установка включает в себя синхротрон Б-4, линейный ускоритель (ЛУ), импульсный гирокон, ускоритель ЭЛИТ и другие элементы, необходимые для получения и транспортировки пучков (см. блок-схему). Импульсные сигналы, характеризующие работу позитронного источника, также приведены на рисунке [2].

1 - источник релятивистских электронов ЭЛИТ, 2 - гирокон, 3А и 3Б- секции ЛУ, 4 - электронная пушка, 5 - конверсионная система, 6 - система транспортировки частиц ЛУ - Б-4, 7 - синхротрон Б-4, 8 - ускоряющий в.ч. резонатор, 9 - бетатронный сердечник, 10 - элементы системы электронно-оптического канала Б4 - ВЭПП-3.	1 - ускоряющее напряжение ЭЛИТ, 2 - ток пучка ЭЛИТ, 3 - ускоряющее напряжение ЛУ, 4 -ток пучка ЛУ, 5 - магнитное поле инжекции, 6 - магнитное поле бетатронного ускорения, 7 - магнитное поле синхротронного ускорения, 8 - в.ч. напряжение резонатора Б-4, 9 - ток выпущенного пучка.

Электроны с энергией 100 кэВ в течение 27 нс (1 оборот в синхротроне ) инжектируются пушкой (4) и ускоряются в двух секциях ЛУ (3А, 3B) до энергии 50 МэВ. В блоке конверсии (5) электроны фокусируются на вольфрамовый конвертор толщиной 3.5 мм, а полученные позитроны при энергии 7 МэВ ( максимум спектра ) направляются через систему транспортировки (6) в синхротрон Б-4 (8), где ускоряются до энергии 350 МэВ в синхротронном режиме. Для улучшения синхротронного захвата применено доускорение частиц до энергии 13 МэВ с помощью бетатронного сердечника (9). При энергии 350 МэВ частицы через электронно-оптический канал (10) переводятся в накопитель ВЭПП-3, который является бустером накопителя ВЭПП-4. Возбуждение ЛУ производится от импульсного гирокона (2), преобразующего энергию электронного пучка ускорителя ЭЛИТ (1) в энергию электромагнитных колебаний. Получение электронов с энергией 7 МэВ для последующего ускорения в синхротроне производится смещением времени запуска электронной пушки на передний или задний фронт ускоряющего напряжения ЛУ. Конвертор при этом выводится из области прохождения пучка, а в системах транспортировки и синхротрона изменяется направление управляющих и ускоряющих полей.

ЭЛИТ

В высоковольтном ускорителе ЭЛИТ-3А [3] в качестве генератора высокого напряжения используется трансформатор Тесла. Ускоритель формирует электронный пучок с энергией 1.6 МэВ, амплитудой тока до 50 А и длительностью импульса тока 11.5 мкс. Выбор параметров контура трансформатора Тесла производился по его характеристикам в режиме нагрузки прямоугольным импульсом тока. Поскольку обеспечение жестких требований к монохроматичности пучка вместе с другими его параметрами в таком режиме привело бы к большим величинам емкостей контуров и, соответственно, большим габаритам установки, большой величине периода колебаний напряжения в контурах и низким энергетическим характеристикам, был принят режим с десятипроцентным изменением напряжения высоковольтного контура в период протекания импульса тока нагрузки, а требуемая монохроматичность пучка обеспечивается специальной системой коррекции. Параметры контуров: коэффициент связи 0.6; собственные частоты 12 кГц. Корректирующее напряжение, которое обеспечивает постоянство общего напряжения на трубке во время ускорения электронов, создается колебательным контуром L2к, C2к, подключенным к нижним двум секциям ускорительной трубки. Принципиальная электрическая схема и схема конструкции ускорителя приведены на рисунке.

L - фокусирующая электромагнитная линза; R3 - сопротивления для стекания заряда с электродов; остальные элементы в тексте.	1 - первичная обмотка, 2 - вторичная обмотка, 3 -.защитный электрод, 4 - магнитопровод, 5 - магнитопровод, 6 - высоковольтный емкостной накопитель, 7 - ускорительная трубка, 8 - "Элитёнок", 9 - магниторазрядный насос, 10 - изоляционные штоки для управления параметрами пушечного узла.

Обмотки трансформатора Тесла (1 и 2) размещены над коаксиально расположенными ускорительной трубкой (7) и высоковольтной колонной (6). Защитный электрод (3), прозрачный для переменного магнитного потока, практически полностью устраняет перенапряжения между витками вторичной обмотки при пробоях в системе по полному напряжению. Для сокращения габаритов ускорителя установлены магнитопроводы (4) и (5). Котел ускорителя заполнен сжатым газом SF6 при давлении до 10 ати. Ускорительная трубка состоит из четырех модулей, между вторым и третьим модулями в эквипотенциальной области расположена фокусирующая линза, собранная из постоянных магнитов. Каждый модуль трубки собран из стеклянных изоляторов, электроды выполнены из нержавеющей стали. Размеры пучка на выходе из ускорительной трубки регулируются импульсной электромагнитной линзой, расположенной под трубкой. Высоковольтная колонна состоит из 37 секций ( по числу секций ускорительной трубки ). В секции - 18 конденсаторов, образующих 2 группы, соединенные параллельно. Индуктивности корректирующего контура - 2к и 1к помещены в бачок (8), также заполненный SF6 с небольшим избыточным давлением. Регулирование параметров блока управления электронной пушкой осуществляется с помощью изоляционных штоков (10), проходящих к головке через днище ускорителя и высоковольтную колонну.

Импульсный гирокон

Источником ВЧ-мощности для ЛУ является импульсный гирокон мощностью 65 МВт [4]. Электронный пучок, сформированный в ускорителе ЭЛИТ-3А (1), попадает в цилиндрический резонатор круговой развертки (2). Поперечное высокочастотное магнитное поле в приосевой области резонатора имеет круговую поляризацию (тип колебаний E110) и отклоняет пучок на угол 5 градусов. Далее электроны, проходя в области магнитного поля первой отклоняющей системы (3), отклоняются на больший угол, а затем во второй отклоняющей системе (4) направляются в кольцевую щель выходного резонатора (5). Релятивистские электроны возбуждают в выходном резонаторе бегущую по азимуту электромагнитную волну и, тормозясь в электрическом поле, отдают свою энергию. Через нижнюю кольцевую щель электроны покидают выходной резонатор и собираются коллектором (6). Высокочастотная мощность выводится из выходного резонатора через отверстия связи, сдвинутые по азимуту на 90 , двумя волноводами (7).

Линейный ускоритель

Линейный ускоритель представляет собой бипериодическую цепочку связанных резонаторов, в которых на частоте 430 МГц возбуждается стоячая волна вида pi/2 [5]. ЛУ выполнен в виде двух отдельных секций (3),(4), каждая из которых содержит по 10 ускоряющих резонаторов (1), в промежутках между которыми расположены резонаторы связи (2). Возбуждается ускоряющая структура от гирокона через два одинаковых вакуумных волновода со сдвигом фаз 90 градусов. Для компенсации этого сдвига между секциями ЛУ предусмотрен промежуток, который используется также для размещения линзы, средств наблюдения за пучком и корректоров. Инжекция электронов в ЛУ производится из диодной пушки (10). Для получения максимального выхода позитронов в заданном эмиттансе пучок ускоренных электронов необходимо сфокусировать на конвертор (12) в пятно минимального размера 1 - 1.5 мм. Чтобы обеспечить такой размер пятна на конверторе, пучок фокусируется дважды. Сначала электроны фокусируются длиннофокусной линзой так, чтобы получить минимальный размер пучка на выходе ускорителя (~1 см). Затем короткофокусной линзой (11) производится фокусировка пучка на конверторе (12). Энергетический разброс электронов в ЛУ составляет DE/E=25-30%. Двойная фокусировка, применяемая в ЛУ, позволяет получить отношение размера пучка на конверторе к размеру пучка в ЛУ (DE/E)² и является более эффективной, чем однократная фокусировка, при которой отношение указанных размеров не может быть лучше чем DE/E.

Ускоряющие резонаторы имеют следующие параметры: добротность 2x10⁴, шунтовое сопротивление 4 МОм, коэффициент пролета 0.84. Через две диаметрально расположенные щели в торцевых стенках ускоряющие резонаторы связаны с резонаторами связи. Щели обеспечивают коэффициент связи 0.1. В первый резонатор ЛУ инжектируется несгруппированный электронный пучок. Длительность импульса инжектируемого тока выбрана 27 нс - несколько меньше времени одного оборота в синхротроне Б-4, что обеспечивает эффективный однооборотный захват в Б-4. Вследствие этого ускорение электронов в ЛУ происходит за счет энергии, запасенной в резонаторах. Количество ускоряемых частиц выбрано таким, чтобы они при ускорении отбирали около 30% энергии, запасенной в резонаторах. Это приводит к уменьшению кинетической энергии электронов за время импульса инжекции на 15%. Дальнейшее увеличение количества электронов не дает существенного роста позитронов, во-первых, из-за увеличения энергетического разброса электронов, а, во-вторых, вследствие ухудшения прохождения пучка через ускоряющую структуру. В зависимости от длительности импульса инжекции принятая величина инжектируемого тока изменяется в пределах 150-200 А. В первом резонаторе ЛУ происходит разбиение несгруппированного пучка на сгустки. Фазовая протяженность сгустка составляет 120 градусов, причем почти все частицы из этого интервала фаз проходят до конца ускоряющей структуры. Однако, в достаточно малое пятно на конверторе могут быть сфокусированы только те частицы, энергетический разброс которых DE/E<30%, что соответствует интервалу фаз 60 градусов (с учетом подсадки). Можно показать, что на долю тех частиц, которые ускоряются, но дают малый вклад в выход позитронов, приходится 1/3 энергии, уносимой из резонаторов всем ускоряемым пучком. Такие потери являются хотя и заметной, но все же приемлемой "платой" за выбранную для ЛУ простейшую схему инжекции. Создание же инжектора сгруппированного электронного пучка с пиковым током 150-200А и фазовой протяженностью меньше 60 градусов представляет серьезную проблему. Параллельный электронный пучок инжектируется непосредственно в первый резонатор из пушки Пирса, которая отделена от полости резонатора сеткой. Динамика пучка в инжекционном резонаторе определяется формой входной стенки.

Энергия электронов на выходе ЛУ - около 50 МэВ, ток в импульсе - около 30 А.

Конверсионная система

Эмиттанс электронного пучка на выходе ЛУ около 5·10^-4 рад·см (радиус 0.5 см, угол 10^-3 рад ). Фокусировка электронов на конвертор и собирание родившихся позитронов осуществляется продольным магнитным полем. Конструктивно блок конверсии представляет собой две линзы - фокусирующую (1) и собирающую (2), между которыми находится панель (3) с конверторной планкой (4). Линзы (1) и (2) выполнены в виде катушек типа соленоида Биттера с внутренним диаметром 25 мм и наружным 45 мм. Число витков фокусирующей линзы - 23, собирающей - 3, толщина витков 4 мм. К крайним виткам обеих катушек припаяны дисковые выводы (7), к которым равномерно по окружности подводится ток питания - к фокусирующей линзе в шести точках, а к собирающей - в двенадцати. Подводы осуществляются малоиндуктивными коаксиальными кабелями (8). Внутри линзы (1) расположена трубка (11), соединенная с вакуумной полостью ЛУ; трубка (12), расположенная внутри линзы (2), соединена с вакуумной полостью синхротрона Б-4. Торцы обеих трубок вакуумноплотно закрыты титановой фольгой толщиной 50 микрон, между которыми и перемещается конвертор, находящийся в атмосфере. Оптимальная толщина вольфрамового конвертора 3.5 мм (1 радиационная единица); оптимальная энергия позитронов, захватываемых в синхротроне, 7 МэВ; число захватываемых позитронов при оптимальных условиях и отсутствии потерь N⁺/N^-=2·10^-7·E².

Система транспортировки пучков из ЛУ в синхротрон

В синхротроне Б-4 принята однооборотная инжекция по вертикали с предварительным разложением частиц по энергии. Такой вариант обеспечивает максимальный захват позитронов. С учетом расположения впускной системы (впускной магнит, инфлектор) и искажения медианной поверхности в синхротрон захватывается пучок с эмиттансом, равным 2.4·10^-2 см·рад. Апертура системы транспортировки (СТ) рассчитана на проводку пучка с эмиттансом 7·10^-2 см·рад. Столь большая апертура по вертикали выбрана с тем, чтобы избежать потери частиц по вертикали из-за хроматической аберрации в линзах СТ. Для наилучшего согласования эмиттанса пучка с акцептансом синхротрона пучок на входе должен иметь амплитудные функции b_x=140, b_y=175 и дисперсионные функции D_x=170, D_y = D'_y = D'_x = 0. Последнее условие, с учетом взаимного расположения синхротрона и линейного ускорителя, требует применения ахроматической системы параллельного переноса на величину около 1 м. Это может обеспечить система из двух поворотных магнитов и двух линз между ними. Применяя цилиндрические линзы с продольным полем, фокусирующие в одном направлении, можно максимально упростить СТ, что особенно важно при транспортировке пучка с большим фазовым объемом. Подготовку пучка (разложение по энергии, получение нужной горизонтальной бета-функции) для транспортировки по ахроматической системе удается осуществить одним магнитом и двумя квадрупольными линзами с прямоугольной апертурой (линзы Хэнда - Панофского). Таким образом, СТ можно разбить на два участка. Первый (участок разложения пучка по энергии) включает поворотный магнит М1 (90 градусов) и две квадрупольные линзы Л1 и Л2. Второй участок, не влияя на горизонтальное движение, осуществляет ахроматический перенос пучка. В него входят два магнита М2 и М3 с однородным полем и две цилиндрические линзы Л3 и Л5. Для точного согласования эмиттанса пучка с акцептансом синхротрона в первом магните имеется возможность изменять показатель спада магнитного поля, а во второй части канала предусмотрена цилиндрическая линза Л4, которая расположена в нуле вертикальной дисперсионной функции.

Синхротрон Б-4

Конструкция электромагнита синхротрона является логическим продолжением работ по созданию железно-безжелезных магнитов в ИЯФ. Такая конструкция обеспечивает минимальные поля рассеяния при максимальном использовании магнитного поля по всему объему. Магнитная система синхротрона состоит из четырех С-образных магнитов радиусом 1 м с четырьмя прямолинейными промежутками по 40 см между ними. Магнитное поле в рабочей области создается током, текущим по наружной и внутренней шинам в противоположных направлениях. Основной магнитный поток замыкается по шихтованному шинопроводу, вклеенному эпоксидным компаундом в вакуумноплотный кожух из нержавеющей стали. Необходимая форма магнитного поля обеспечивается как наклоном полюсов, так и профилем шин. Использование внешнего кожуха сделало магнит надежным механически, а кроме того, позволило, отказавшись от отдельной вакуумной камеры, использовать весь объем магнитного поля для ускорения частиц.

Однооборотная инжекция осуществляется по вертикали с захватом большого фазового объема. Так как часть апертуры по вертикали занята впускным, выпускным магнитами, инфлектором и дефлектором, то для полного использования оставшейся апертуры производится искажение медианной поверхности при инжекции. Это осуществляется магнитами, расположенными в двух прямолинейных промежутках.

После окончания инжекции пучок ускоряется в бетатронном режиме до энергии 13 МэВ. Ускоряющая вихревая ЭДС создается бетатронным сердечником, охватывающим один из квадрантов электромагнита. Точное согласование ускоряющего напряжения с напряжением на шинах электромагнита обеспечивается благодаря параллельному включению обмотки сердечника с магнитом и питанию их от общего генератора. Последовательно с магнитом включается дополнительная индуктивность, с помощью которой подстраивается положение радиуса стягивания пучка в процессе бетатронного ускорения. После того, как ток в обмотке бетатронного сердечника достигает максимума, она закорачивается посредством отдельного вентиля, благодаря чему ток в обмотке спадает за длительное время (около 1 с) и напряжение обратного знака, тормозящее электроны, оказывается пренебрежимо малым.

В конце бетатронного ускорения включается основное поле и ВЧ-генератор. Коэффициент захвата электронов в синхротронный режим оказывается близким к единице, т.к. в результате бетатронного ускорения пучок, заполнявший после инжекции всю камеру по радиусу, сжимается, освобождая место для синхротронных колебаний, возникающих после включения ВЧ.

Выпуск, как и впуск, производится по вертикали с заведением пучка в дефлектор посредством одновременного искажения орбиты по вертикали и по радиусу. Ток позитронов, выпущенных из синхротрона - до 1 мА, инжектор работает с частотой повторения 1 Гц.

Литература

1. Г.И.Будкер и др. Патент США N 3885193, 1975.
2. С.Б.Вассерман и др. Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т.I, с.128, Дубна, 1979.
3. С.Б.Вассерман и др. Препринт ИЯФ 79-111, Новосибирск, 1979
4. М.М.Карлинер и др. Препринт ИЯФ 84-110, Новосибирск, 1984.
5. М.М.Карлинер и др. Препринт ИЯФ 82-18, Новосибирск, 1982.
6. В.А.Таюрский и др. Препринт ИЯФ 75-39, Новосибирск, 1975.
7. В.Ф.Клюев и др. Труды VII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т.II, с.101, Дубна, 1981.
8. И.И.Авербух и др. Препринт ИЯФ 71-21, Новосибирск, 1971.