Вывод ускоренных электронов 10 Мэв из бетатрона с помощью магнитного шунта

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 87 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1957 г.

О ПРИМЕНЕНИИ БЕТАТРОНА В КАЧЕСТВЕ ИНЖЕКТОРА ЭЛЕКТРОНОВ В СИНХРОТРОНАХ НА ВЫСОКИЕ ЭНЕРГИИ

А. А. ВОРОБЬЕВ, Г. И. ДИМОВ

При выборе типа инжектора для электронных синхротронов в основном учитывают:

1) количество электронов, которое может быть введено в синхротрон в каждом цикле ускорения;

2) значение энергии инжекции, которое рационально принять для того или иного типа инжектора.

Необходимо стремиться к большим количествам электронов, вводимых в синхротрон. В действующих в настоящее время синхротронах получают после каждого цикла ускорения 108-г-1010 электронов.

Повышение энергии инжекции дает известные преимущества по основному узлу синхротронов—электромагниту. Повышение энергии инжекции сопровождается значительным сокращением веса и габаритов электромагнита и мощности его питания. При достаточно высоком значении инжекции отпадает необходимость в предварительном индукционном или синхрофазо-тронном ускорении электронов в камере синхротрона.

При оценке того или иного типа вспомогательного ускорителя, применяемого в качестве инжектора синхротрона, следует принимать во внимание не средний ток ускоряемых в этом ускорителе электронов, а количества электронов, которое может быть введено от этого ускорителя в камеру синхротрона. В камеру синхротрона могут быть введены электроны с достаточно малым разбросом по энергии, с достаточно малой расходимостью по направлению скоростей и достаточно малым поперечным сечением пучка. Для синхротронов на 1-н2 Бэв допустимый разброс энергии вводимых электронов составляет 1ч- 0,1%, допустимая входная расходимость пучка электронов—радиан, допустимое сечение электронного пучка 1 см2. Для синхротронов на более высокие энергии допуски на разброс энергии и расходимость пучка уменьшаются.

Ввод электронов в камеру синхротрона осуществляется в течение небольшого интервала—времени ввода. В синхротронах на энергию порядка 1-4-2 Бэв ввод электронов производится в течение нескольких оборотов и время ввода обратно пропорционально скорости роста магнитного поля, пропорционально энергии инжекции и обычно не превышает 5 мксек. В синхротронах на более высокие энергии свыше 6 Бэв ввод электронов осуществляется в течение 1 оборота, время ввода не превосходит 1 мксек.

Захватывается в ускорение в синхротроне только небольшая доля из введенных в камеру электронов. Обычно эта доля имеет величину порядка 0,1.

Наибольшими возможностями ко обеспечению ввода большого количества электронов обладают высоковольтные ускорители с импульсным трансформатором (импульсный ток порядка 10 а) и генератором выпрямленного напряжения (импульсный ток 0,1-4-1 а). Пучок электронов от этих ускорителей имеет небольшую расходимость и высокую „мгновенную* моно-энергетичность. Однако энергия инжекции, которую могут обеспечить указанные ускорители, сравнительно небольшая. Практически можно соорудить импульсный трансформатор на напряжение 1ч-1,5 Же, а генератор выпрямленного напряжения на напряжение 2-5-3 Мв. Инжекторы такого типа могут быть применены в синхротронах на энергию порядка 1 2 Бэ с предварительным ускорением в камере синхротрона.

Для синхротронов на энергии 1 -4-2 Бэв инжектором может служить электронный циклотрон—микротрон. Микротрон позволяет получать ток электронов порядка 10 ма (в микротроне Шведского синхротрона на 1200УИ^. электронный ток составляют 20 ма). Разброс энергий электронов составляет 0,03 0.05%. Микротрон может обеспечить захват в синхротронное ускорение 1010 -г- 10й электронов. Практически разумно сооружение микротрона на энергию 4-г- 8 Мэв. Такая сравнительно высокая энергия инжекции позволяет обойтись без предварительного ускорения в камере синхротрона, при этом вес электромагнита и мощность его питания могу! быть сравнительно небольшими.

Удовлетворительным типом инжектора является линейный ускоритель с бегущей волной. Линейный ускоритель позволяет инжектировать электроны с очень высокой энергией и может применяться в синхротронах на очень высокие энергии в 6 и более Бэв. Современные линейные ускорители позволяют получать импульсные токи около 100 ма. При этом пучок электронов имеет широкий энергетический спектр в 3 -г-5% от номинальной энергии. Поэтому может быть введена в синхротрон только примерно одна десятая доля электронов, т. е. полезный ток электронов от линейного ускорителя не превышает 10 ма. Линейный ускоритель обеспечивает захват в ускорение порядка 1010 электронов.

Следует отметить, что ток электронов, ускоряемых в линейном ускорителе. ограничивается мощностью высокочастотных генераторов.

В качестве инжектора электронов в синхротрон предлагается использовать индукционный ускоритель—бетатрон. Бетатрон является простой и небольшой ускорительной установкой по сравнению с другими типами инжекторов. Бетатрон, как и линейный ускоритель, позволяет инжектировать электроны с очень высокой энергией.

В современных бетатронах при энергии инжекции 30-4-40 Мэв с достаточно большим рабочим сечением камеры циркулирующий на орбите электронный ток достигает 1а. При этом число электронов, ускоряемое цикл, составляет 10й.

В настоящее время осуществлен вывод электронов из камеры бетатрона. Так Гуна и Райх [1] осуществили вывод из бетатрона 70% электронов при энергии в 6 Мэв с помощью электростатического дефлектора. Фу г и Петри [2] с помощью импульсного магнитного дефлектора вывели из бетатрона около 60% электронов при энергии 24 Мэв. Ими осуществлен вывод электронов также при энергиях до 50 Мэв. В Томском политехническом институте Б. А. Кононовым осуществлен вывод электронов с энергией 10 Мэв из бетатрона с помощью импульсного электрического дефлектора с эффективностью в 30%.

Для выведенного из бетатрона пучка электронов могут быть достигнут!.: небольшие расходимость и сечение. Фут и Петри получили выведенный пучок с расходимостью порядка 0,01 радиана в воздухе сечением 3x5 мм-. Б. А. Кононовым получен пучок с расходимостью порядка 0,1 радиан; в воздухе сечением 6x10 мм2. В вакууме расходимость пучка уме и ми то:

Пучок электронов с указанными характеристиками нетрудно сфокусировать в пучок с еще меньшей расходимостью с таким же поперечным сечением. Время вывода электронов из бетатрона может быть сделано менее 1 мксек. Фут и Петри осуществили вывод электронов примерно за 1 мксек. Моно-энергетичность электронов от бетатрона высокая, особенно при выводе электронов на „вершине" импульса тока, питающего электромагнит бетатрона.

Таким образом, все выведенные из бетатрона электроны могут быть введены в камеру синхротрона. При ускорении в бетатроне за цикл 101 электронов можно ускорять в синхротроне за цикл 109-г-1010 электронов.

В бетатроне ускоряемое за цикл число электронов не ограничивается мощностью ускоряющей системы и определяется только условиями инжек-ции электронов в бетатрон. А условия инжекции электронов в бетатрон могут быть значительно улучшены. Уже в настоящее время инжекцией

Электростатический ичфлетор синхротрона

Поборотныи и фокусирующий магнит

От гадающего генератора циклоб

Ста5ш-ихгироЬат1я

схема питания элекгвр омагьшта 6етатрона

Инжектор ( Схема питания $етат- десрлектора рона бетатроне

От датчика дробня магнитного поля синхротрона

Магнитное

Шатрона начало работы ёетат^

1 начало работы синхротр.

+ £-момент инжекции элек-

и тронов б синхротрон.

Рис. I. Функциональная схема системи инжекции импульсного синхротрона.

элекфонов при постоянном управляющем магнитном поле (что осуществлено, например, Шиттенхельмом [3] ) достигнуто увеличение циркулирующего

ока электронов в бетатроне до 10 а. Другим путем увеличения ускоряемого в бетатроне количества электронов является повышение энергии инжекции. Последнее может быть достигнуто применением в качестве лнжекторл бетатрона высоковольтной трубки с импульсным трансформатором.

На рис. 1 приводим возможную функциональную схему системы инжекции с бетатроном для случая импульсной работы синхротрона.

В схеме приводятся две фокусирующие линзы, которые позволяют даже при значительной расходимости электронов на выходе из бетатрона получить параллельный пучок с небольшим сечением. При незначительной расходимости электронного пучка бетатрона порядка 0,01 радиана можно ограничиться одной линзой.

Магнитные линзы со знакопеременным градиентом и поворотный фокусирующий магнит с вращающимися вкладышами позволяют производить фокусировку электронного пучка раздельно в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Магнитные и электрические поля канала инжекции статические. Сделать эти поля следящими за энергией инжекции представляет большие технические трудности.

Питание электромагнита бетатрона необходимо стабилизировать. Вывод электронов из бетатрона необходимо производить в окрестности „вершины" импульса магнитного поля бетатрона. Так как в этой окрестности магнитное поле изменяется слабо, то можно допустить колебание момента вывода электронов относительно „вершины" импульса в значительном интервале (порядка 10 мксек) без существенного колебания энергии инжектируемых электронов. Колебания момента вывода электронов возникают из-за нестабильности интервала времени tc~tff (рис. 1) и нестабильности питания электромагнита синхротрона.

Стабильность питания инфлектора, поворотного и корректирующих магните» определяется требуемой точностью направления ввода пучка электронов.

Стабильность питания магнитных линз определяется допустимой расходимостью электронного пучка при вводе.

Стабильность питания электромагнита бетатрона определяется требуемой стабильностью энергии инжекции и стабильностью поворотных магнит-ш>; и электрических полей канала инжекции.

Л И Т Е Р А Т У Р А

üund К., Reich Н., Zs. f. Phys., 126, 383, 1949 X Fooie R.f Petrec В., Rev. Sei. Jnstr, 25, 694-698, 1954 Я Schiltenhelm R.. Arch, techn. Messen, № 230, 205-208 , 1953.