Исследование и разработка устройств оптики заряженных частиц электростатических ускорителей

Актуальность проблемы. Современные электростатические ускорители (ЭСУ), продолжая оставаться важным инструментом ядерно-физических исследований [1−7], в последнее время находят все более широкое применение также и во многих других отраслях человеческой деятельности, как научной, так и практической [8−19]. Привлекательность электростатических ускорителей для потенциальных потребителей ионных пучков в энергетическом диапазоне от одного до ста МэВ объясняется уникальной совокупностью их свойств, среди которых в первую очередь следует назвать рекордно высокую моноэнергетичность, возможность осуществления и, что особенно важно для многих приложений, оперативное изменение режимов ускорения различных ионов, сравнительно невысокую стоимость и небольшие эксплуатационные затраты. Многообразие режимов, отличающихся по сорту ускоряемых частиц, энергии, интенсивности, а для импульсных пучков-и по характеристикам ионных сгустков [20−31], предъявляют повышенные требования к надежности и эффективности ионно-оптической системы электростатического ускорителя.

Решение задач современной экспериментальной ядерной физики, развитие на базе ЭСУ прецизионных методов анализа (ускорительная масс-спектрометрия, техника ионного микрозонда) невозможно без обеспечения высокого качества ускоряемого пучка [17,24, 29−34], которое определяется его энергетическим разрешением, геометрическими и фазовыми характеристиками, стабильностью пространственного положения и интенсивности, а также должно отвечать ряду других критериев в соответствии с требованиями конкретной работы.

Одним из наиболее заметных факторов, влияющих на надежность электростатического ускорителя, является электрическая прочность вакуумной изоляции, которая в значительной степени определяется способом подавления разрядных процессов, протекающих в вакуумном канале ускоряющей трубки (УТ). Разработка систем подавления разрядных процессов, в основу которой положены знания о природе возникновения и характере движения вторичных заряженных частиц, равно как изучение механизмов взаимодействия ускоренного пучка с этими системами представляют собой важную задачу корпускулярной оптики электростатических ускорителей [35−38].

Экстремальные условия эксплуатации систем формирования ионного пучка (высокая напряженность электростатического поля, электромагнитное ионизирующее излучение, бомбардировка электродных поверхностей заряженными частицами) стимулирует поиск наиболее эффективных способов их кондиционирования, которые наряду с оптическими характеристиками могут оказывать решающее влияние на электрическую прочность ускорителя [37].

Таким образом, проблема разработки и рационального применения систем формирования пучка является одной из наиболее актуальных задач техники электростатических ускорителей и связанных с ними приложений.

Состояние вопроса. Эффективное использование электростатического ускорителя предполагает его работу в составе сложного многофункционального измерительного комплекса, на базе которого реализованы различные физические методики. Это обстоятельство наряду с возрастающей потребностью в прецизионных ионных пучках с регулируемыми параметрами стимулирует постоянный интерес специалистов к совершенствованию ионно-оптических систем ЭСУ, что подтверждается последними разработками [34, 39, 40].

Известно, что одной из основных проблем оптики электростатических ускорителей является задача согласования ионного пучка с ускоряющей трубкой, которая имеет несколько различных технических решений [35]. Получившие широкое распространение на перезарядных ускорителях сеточные системы согласования обладают хорошими ионно-оптическими характеристиками и по многим параметрам превосходят прежние системы с открытым входом в УТ. В то же время взаимодействие пучка с сеткой, особенно в режиме ускорения тяжелых ионов, может приводить к ряду нежелательных эффектов и, в первую очередь, к разрядным процессам в ускорительном канале. Появившиеся недавно сообщения о системе согласования с открытым входом в ускоряющую трубку, которая по своим характеристикам может составить конкуренцию сеточным устройствам [34,40], представляют несомненный научный интерес и являются стимулом к поиску более эффективных технических решений.

Другим не менее важным на наш взгляд вопросом разработки и применения устройств электронной и ионной оптики на электростатических ускорителях является проблема подавления разрядных процессов в канале ускоряющей трубки. Здесь также существует несколько принципиально различных технических подходов [37], что говорит как о сложности проблемы, так и об отсутствии в настоящее время универсального способа ее решения. Недавнее сообщение Летурне-ля [39] о получении в ускоряющей структуре с наклонными полями максимальной напряженности 4,0 МВ/м (ее техническое описание автором не приводится) делает весьма актуальным поиск и исследование новых электродных конфигураций для этих ускоряющих структур.

Более детально обозначенные проблемы оптики заряженных частиц электростатических ускорителей (история вопроса и современное состояние) будут рассмотрены в первой главе диссертации.

Постоянно сохраняющаяся тенденция развития ускоряющих трубок в сторону более высоких градиентов поля стимулирует работы, направленные на создание эффективной процедуры их кондиционирования. Среди этих работ особо выделяются исследования воздействия плазмы низковольтного дугового разряда в водороде на высоковольтные характеристики ускоряющих трубок, как по уже полученному эффекту, так и по ряду еще нерешенных проблем [41−44]. Некоторые вопросы техники кондиционирования элементов ускоряющих трубок дуговым разрядом обсуждаются в четвертой главе настоящей диссертации.

Цель работы. Целью работы является улучшение условий транспортировки пучка в ускоряющих трубках электростатических ускорителей и повышение их вакуумной электрической прочности. Она включает в себя три взаимосвязанные задачи:

1. поиск наиболее эффективной схемы согласования ионного пучка с оптическим каналом низкоэнергетичной ступени перезарядного ускорителя;

2. изучение факторов, влияющих на транспортировку многозарядных ионов и максимальную энергию вторичных заряженных частиц в ускоряющей трубке с наклонными полями;

3. отработку методик высоковольтных испытаний и кондиционирования элементов широкоапертурной ускоряющей трубки с осевой симметрией электродов.

Решение поставленных задач направлено прежде всего на повышение предельного напряжения и расширение экспериментальных возможностей перезарядного электростатического ускорителя ЭГП-15 ГНЦ РФ ФЭИ, однако результаты работы могут быть использованы и на других электростатических ускорителях.

Научная новизна. Научная новизна диссертации включает следующие положения.

1. Развиты методики аналитического и численного расчета элементов ионной оптики электростатических ускорителей (систем согласования характеристик пучка с ускоряющими трубками и ускоряющих структур с наклонными полями).

2. Впервые для перезарядного ускорителя предложена и теоретически исследована ионно-оптическая схема системы согласования пучка на основе изофо-кусируюгцей линзы.

3. Для высокоэнергетичной ступени перезарядного ускорителя предложен способ уменьшения пространственной дисперсии ионов с различными зарядовыми состояниями в ускоряющей структуре с наклонными полями.

4. Выполнено расчетное обоснование диафрагмирования щелевого ионно-оптического канала ускоряющей трубки с наклонными полями.

5. Впервые для ускоряющей трубки с наклонными полями предложена электродная структура с повышенной эффективностью улавливания вторичных заряженных частиц (ускоряющая структура со скрещивающимися наклонными полями).

6. Выполнены высоковольтные испытания экспериментальной секции модульной широкоапертурной ускоряющей трубки электростатического ускорителя с сеточно-диафрагменными устройствами подавления разрядных процессов в канале и аксиально-симметричными электродами.

7. Разработана методика кондиционирования вакуумных промежутков ускоряющих трубок, изготовленных по клеевой технологии, плазмой водородного дугового разряда с искусственно накаливаемым катодом. Практическая ценность. Результаты проведенных исследований нашли применение при разработке ускоряющих трубок для электростатических ускорителей ЭГП-15, ЭГП-10М, ЭГ-2,5, ЭГ-1 и ряда других. Их внедрение обеспечило возможность решения проблем, связанных с изучением структуры ядер и механизмов ядерных реакций, а также удовлетворение потребности атомной энергетики в ядерных данных. Созданы условия для проведения исследований по радиационному материаловедению с использованием пучков ионов широкого спектра масс. Результаты работы позволили решить важную задачу прикладного характера-создание прецизионных фильтров на основе трековых мембран.

Однако практическая ценность работы заключается не только в уже внедренных или находящихся в стадии внедрения технических решениях. Перспективные разработки, такие как ускоряющая трубка с повышенной эффективностью подавления вторичных заряженных частиц, система согласования на основе изофо-кусирующей линзы, методика кондиционирования вакуумных промежутков могли бы, на наш взгляд, расширить возможности действующих установок, прежде всего за счет увеличения их предельного напряжения и повышения эффективности транспортировки ускоряемых ионов.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались.

• на Всесоюзных совещаниях по обмену опытом эксплуатации и усовершенствования электростатических ускорителей (Харьков, 1984; Обнинск, 1988);

• на Международном симпозиуме «Beam Technologies» (Дубна, 1995);

• на Совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1994, 1996);

• на Международной конференции по электростатическим ускорителям (Обнинск, 1997);

• на Европейской конференции по ускорителям заряженных частиц ЕРАС'98 (Стокгольм, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 1 изобретение.

Автор защищает:

• методики аналитического и численного расчета элементов ионно-оптических систем электростатических ускорителей;

• ионно-оптическую схему системы согласования пучка для перезарядного ускорителя на основе изофокусирующей линзы;

• способ уменьшения в ускоряющей структуре с наклонными полями высоко-энергетичной ступени перезарядного ускорителя пространственной дисперсии ионов с различными зарядовыми состояниями;

• ускоряющую структуру со скрещивающимися наклонными полями;

• электродные структуры ускоряющих трубок перезарядных ускорителей ЭГП-10М и ЭГП-15;

• результаты высоковольтных испытаний секции модульной широкоапертур-ной ускоряющей трубки с сеточно-диафрагменным подавлением разрядных процессов;

• методику кондиционирования вакуумных промежутков ускоряющих трубок.

Выводы.

1. Экспериментально подтверждено, что применение сеточно-диафрагменных устройств с одновременным запиранием положительно и отрицательно заряа).

V/ г 1.

У/ Я у/У// л |.

У/г с~т я я мы.

510 МОм 510 МОм 510 МОм.

510 МОм 510 МОм 510 МОм.

510 МОм 510 МОм 510 МОм б).

У/ 1 г.

Я.

1 г 1.

Г/ ж я.

— V я мы.

100 МОм 100 МОм 330 МОм 510 МОм 510 МОм.

510 МОм 510 МОм 300 МОм 100 МОм 100 МОм 300 МОм.

510 МОм 510 МОм.

Рис. 4.2. Схемы включения сеточно-диафрагменных устройств, испытанные на ускорителе. а) Электроды устройств закорочены. б) На сетки поданы запирающие потенциалы. женных вторичных частиц является эффективным способом подавления разрядных процессов в канале ускоряющей трубки.

2. Для повышения надежности сеточно-диафрагменных устройств необходима оптимизация их конструкции и режимов высоковольтного питания.

3. Как дополнительная мера подавления разрядной активности в канале может быть использована установка постоянных магнитов в районе апертурных отверстий диафрагм.

4.2. КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВАКУУМНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ УСКОРЯЮЩЕЙ ТРУБКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ ДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ С ИСКУССТВЕННО.

НАКАЛИВАЕМЫМ КАТОДОМ.

Одной из особенностей вакуумной изоляции электростатического ускорителя является возможность необратимого ухудшения ее характеристик вследствие пробоев, сопровождаемых неконтролируемым выделением в ускоряющих промежутках даже небольшой (10—100 Дж) части от энергии, аккумулированной в электростатическом поле ускорителя (~104−105 Дж) [37,177]. Поэтому наряду с мерами, предпринимаемыми по усилению изоляции и защите ее от перенапряжений, необходимо обеспечить такой режим выхода установки на рабочие параметры, при котором вероятность повреждения вакуумных промежутков была бы минимальной. На практике устойчивой работы промежутков ускоряющей трубки добиваются их кондиционированием по различным методикам [37]. Эффективным способом кондиционирования высоковольтных устройств с вакуумной изоляцией является обработка поверхностей электродов плазмой тлеющего разряда в среде инертных газов [178, 179]. Однако в случае ускоряющих трубок, для которых площадь изоляции составляет заметную долю от общей площади вакуумной поверхности, применение указанной методики ограничено из-за возможности загрязнения изоляционных колец продуктами катодного распыления электродов. В [41] было предложено использовать для плазменного кондиционирования ускоряющей трубки электростатического перезарядного ускорителя низковольтный дуговой разряд в водороде. Небольшое катодное падение потенциала в сочетании с применением более легких, чем у инертных газов ионов водорода, позволило практически почти полностью избежать запыления рабочих поверхностей керамических изоляторов. После кондиционирования ускоряющей трубки разрядом (давление водорода ~10 Па, разрядный ток до 10 А, время обработкинесколько часов) напряжение на ускорителе удалось поднять с 8 до 10 MB при заметном уменьшении интенсивности микроразрядов. Было обнаружено также, что скорость детренировки промежутков настолько мала, что напряжение 10 MB могло быть восстановлено сразу после нескольких дней перерыва в работе ускорителя. Дальнейшее развитие методика получила в работах [42−44].

В настоящее время при изготовлении ускоряющих трубок для электростатических ускорителей наибольшее распространение получили две технологии ваку-умно-плотного соединения электродов и изоляторов — диффузионная сварка и соединение при помощи полимерных клеев [37]. Однако рассматриваемая методика кондиционирования применялась только для трубок, изготовленных с помощью диффузионной сварки, поскольку при описанных в литературе режимах обработки происходил нагрев элементов конструкции до нескольких сот градусов, что совершенно недопустимо для клеевых соединений.

Целью настоящей работы являлось выяснение возможности применения и эффективность метода кондиционирования дуговым разрядом промежутков ускоряющих трубок, изготовленных по клеевой технологии [124, 173] в отделе ускорителей Физико-энергетического института.

Обычно ускоряющие трубки электростатических ускорителей состоят из нескольких десятков вакуумных промежутков. Промежуток (рис. 4.3) образован кольцевым изолятором 1 и металлическим электродом 2. Вакуумно-плотное соединение электродов и изоляторов выполнено с помощью полимерного клея. Для предотвращения попадания паров органических соединений из клеевого шва 4 в вакуумный объем трубки служит металлическое уплотняющее кольцо 3, уложенное в специальную канавку на торцевой поверхности изолятора. Отработка режимов кондиционирования и контрольные испытания проводились на образцах, состоявших из нескольких промежутков, по методике [180], изложенной ниже.

Исследуемый образец помещался на высоковольтный вакуумный стенд технологического участка, проверялся на герметичность гелиевым течеискателем ПТИ-10 и вакуумировался в течение суток магнитным электроразрядным насосом НМДО 0,25−1. После выполненной таким образом предварительной подготовки внутри образца с помощью устройства, схема которого представлена на рис. 4.4, инициировался дуговой разряд. Обработка вакуумных промежутков проводилась в водороде при давлении 5—10 Па. Напуск газа в систему осуществлялся через палладиевый фильтр-натекатель, обычно используемый в ионных источниках электростатических ускорителей. Откачка водорода производилась вакуумным пластинчато-роторным насосом 2НВР-5Д. Для предотвращения попадания паров и продуктов крекинга вакуумного масла в исследуемый образец применялась форвакуумная каталитическая ловушка J1K-40 [181]. В отличие от работы [41] вместо оксидного нами использовался проволочный вольфрамовый катод прямого накала. Катод находился внутри цилиндрического электрода-экрана, выполненного из молибдена, который служил для поджига разряда и ограничивал попадание паров вольфрама с поверхности катода в вакуумные промежутки образца. Катодный узел помещался в вакуумную камеру, установленную на образце и соединенную с ним с помощью фланцев через термостойкую прокладку. Анодное напряжение подавалось на один из электродов образца. Для повышения устойчивости разряда в цепи экрана и анода были включены балластные сопротивления.

Отработка режимов кондиционирования проводилась на технологическом модуле ускоряющей трубки, состоявшем из 22 промежутков. Геометрия вакуумных промежутков модуля представлена на рис. 4.3а (высота изоляционных колец в первом и втором промежутках сверху была уменьшена в 2 раза). В качестве материала для электродов использовалась нержавеющая сталь марки ХН38ВТ, а для изоляторов — ультрафарфор УФ-46. Было установлено, что выбранный тип катода и конструкция катодного узла позволяют длительное время поддерживать разрядный ток на уровне 1−3 А. При токе, превышавшем 4,5 А, происходило быстрое разрушение катода. Выделение тепла за счет рассеиваемой в разряде мощности наблюдалось главным образом в катодной камере и уже при токе разряда 1 А приводило к недопустимому нагреву верхнего фланца модуля. Применение принудительного воздушного охлаждения позволило стабилизировать температуру катодной камеры на уровне 50−700 С (в зависимости от режима), температура клеевых соединений не превышала при этом 45 ° С.

Одним из факторов, определяющих положение участков, на которых существует опасность загрязнения поверхности изоляторов за счет распыления, является распределение потенциала в разрядном промежутке, приближенное предк вакуумному насосу.

Рис. 4.4. Схема устройства для кондиционирования промежутков дуговым разрядом.

РЖ1 (?V к/, А/ .л/ А/ А/ АЛ АЛ АЛ Лл АЛ А! р — — ик 1 1 '//////У- ¦УУУУУУА V ?> -> > ¦Л X V !> .АА V V? ? /V V V > > л л V V !> > Л 'Л V ^? ?> л л V V > > УУ? > Л X V? > X" .

ЩЖ V4* V4* \ УЧ W.

6 и иэ иа.

Рис. 4.5. Распределение потенциала на электродах секции ускоряющей трубки во время кондиционирования разрядом. ставление о котором дают потенциалы электродов трубки [41]. На рис. 4.5 представлены потенциалы электродов, снятые при следующих параметрах разряда: напряжение на разрядном промежутке, включавшем в себя 10 промежутков модуля, 11^ = 102 Внапряжение экрана 1/э = 18 Вток разряда 1−1,1 Адавление газа в вакуумном объеме Р-8 Па. Суммарное катодное падение при этом составляло приблизительно 60 В. В отличие от данных работы [41] в распределении потенциала заметно анодное падение порядка 8 В, которое, вероятно, определялось эмиссионными характеристиками катода. При осмотре модуля, выполненного после 10 часов обработки разрядом в различных режимах, следы загрязнения продуктами распыления были обнаружены только на поверхности проходных изоляторов, к которым крепился катодный узел. Рабочие поверхности изоляторов в промежутках оставались чистыми. В дальнейшем, при высоковольтных испытаниях не наблюдалось возрастание тока утечки, связанного с загрязнением поверхности изоляторов.

Изучение воздействия разряда на металлическую поверхность проводилось на образцах. Образец, изготовленный из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и прошедший электрохимическую полировку, был помещен на электрод технологической модуля. После обработки в течение полутора часов плазмой разряда в водороде (ток разряда 1 = 2 А, анодное напряжение иа-120 В) образец был извлечен из вакуумной камеры, а на его место был установлен аналогичный образец. Он обрабатывался полтора часа дуговым разрядом низкого давления в аргоне (1 = 2 А, 1/а = 70 В, газ подавался в разрядную камеру через игольчатый натекатель). Предварительно было установлено, что нахождение образца в плазме аргонного разряда более длительное время либо увеличение разрядного тока до 4−5 А приводили к заметной невооруженным глазом карбонизации его поверхности. Для образцов, находившихся в водородной плазме при различных режимах горения разряда, карбонизация поверхности визуально не наблюдалась. На рис. 4.6 представлены снимки поверхности контрольного и обработанных образцов, выполненные на электронном сканирующем микроскопе с увеличением в 50 000 раз. В отличие от контрольного поверхность образца, находившегося в водородной плазме, заметно изменилась (появилась зернистая структура). Изменения произошли и на поверхности, обработанной аргоном.

Рис. 4.6.*) Поверхность образцов (увеличение 5−10*) из нержавеющей стали 12Х18Н10Т а) контрольногоб) обработанного дуговым разрядом в водороде {1 = 2 а, время обработки — 1,5 час) — в) обработанного дуговым разрядом в аргоне (1=2 а, время обработки -1,5 час). Снимки выполнены С. И. Поролло.

При данном увеличении они не столь четко выражены, однако, по-видимому, имеют иной характер.

Для выяснения эффективности кондиционирования были изготовлены 2 экспериментальных образца, состоявших из 8 промежутков каждый. Геометрия промежутков представлена на рис. 4.36. В качестве материала для изоляторов в одном образце использовался ультрафарфор УФ-46, в другом — ситалл 1У-23. Электроды были изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Образец, не прошедший кондиционирования, устанавливался на стенд и в течение 24 часов вакуумировался магнитным электроразрядным насосом. Далее проводились его высоковольтные испытания по следующей методике: ступенчатый подъем напряжения на отдельном промежутке с шагом 5 кВ и последующей выдержкой на достигнутом уровне напряжения в течение одного часа. Внешняя электрическая прочность промежутка обеспечивалась газовой изоляцией. Во время высоковольтных испытаний фиксировался ток утечки промежутка и давление в вакуумном объеме. В каждом образце было испытано по 3 промежутка. Все промежутки, начиная с напряжения 30—35 кВ, проявляли заметную микроразрядную активность, сопровождаемую ухудшением вакуума. В качестве примера на рис. 4.7 представлены зависимости тока утечки и давления в вакуумном объеме от времени, снятые при напряжении 40 кВ на одном из промежутков.

Затем было выполнено кондиционирование вакуумных поверхностей образца плазмой дугового разряда. Обработка происходила при разрядном токе 1 = 2 А. Вначале разряд был нестабильным, в его цвете преобладали бледные тона. Приблизительно через 30 минут цвет разряда стал пурпурно-розовым, а его ток стабилизировался. Однако в районе электрода, на который подавалось анодное напряжение, время от времени наблюдались вспышки в виде светящихся сгустков, «бегущих» по образующей апертуры. После кратковременного (на 0,5 часа) повышения разрядного тока до 3,5 А вспышки прекратились. Общее время кондиционирования составляло 4 часа. На рис. 4.8 представлены диаграмма разрядного тока, иллюстрирующая режим обработки, и график происходившего при этом изменения температуры катодной камеры.

Из-за высокой вероятности загрязнения вакуумных поверхностей углеродной пленкой кондиционирование экспериментальных промежутков в среде аргона нами не проводилось.

I, МкА.

12.0 мин мин.

Рис. 4.7. Диаграммы тока утечки и давления остаточного газа в промежутке до обработки разрядом- 11 = 40 кВ. 3 г а) 2.

I, час.

Рис. 4.8. Режим кондиционирования, а) График изменения разрядного тока и б) соответствующее ему изменение температуры катодной камеры.

Рис. 4.9. Диаграммы тока утечки и давления остаточного газа в промежутке после обработки разрядоми = 40 кВ.

После завершения кондиционирования разрядом были выполнены высоковольтные испытания промежутков, не находившихся ранее под высоким напряжением, по методике, изложенной выше. При ступенчатом подъеме напряжения до 60 кВ наблюдались единичные импульсы тока, однако они не сопровождались изменением давления в вакуумном объеме образца. На рис. 4.9 представлены характерные временные зависимости тока утечки и давления, снятые при напряжении 40 кВ на промежутке. В отличие от необработанных промежутков в данном случае микроразряды не наблюдались.

Испытания были повторены после выдержки промежутков в течение 17 суток при остаточном вакууме и показали, что их высоковольтные характеристики практически не изменились.

Таким образом, как и в работах [41−44], кондиционирование промежутков дуговым разрядом в среде водорода приводило к подавлению микроразрядной активности. Для объяснения наблюдаемого эффекта в работе [43] был предложен механизм плазменно-химического травления углеводородных пленок, находящихся на поверхности электродов. Однако согласно данным, приведенным в обзоре [182], скорость реакции травления С-Н пленок атомами водорода низкой энергии, поступающими на поверхность из газоразрядной плазмы, имеет максимум при температуре ~ 3000 С и уменьшается при нормальных условиях на порядок. Поэтому вполне вероятно, что в нашем случае, когда температура электродов не превышала 450 С, механизм подавления микроразрядов мог иметь другую природу. Выводы.

1. Подтверждена возможность кондиционирования вакуумных промежутков УТ, изготовленных по клеевой технологии, дуговым разрядом с искусственно накаливаемым катодом в водороде.

2. Экспериментально показано, что обработка вакуумных промежутков разрядом повышает пороговое напряжение возникновения микроразрядов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании анализа литературных источников были сделаны выводы о некоторых современных тенденциях развития устройств оптики заряженных частиц на перезарядных ускорителях. Одной из таких тенденций является переход от схем согласования пучка с оптическим каналом низкоэнергетичной ступени ускорителя, в которых использован сеточный вход в ускоряющую трубку, к системам с открытым входом. При этом продолжает оставаться актуальной задача поиска и расчетного обоснования системы согласования, способной обеспечить независимость условий прохождения пучка через перезарядное устройство от напряжения на ускорителе. Другая не менее важная тенденция заключается в постоянном совершенствовании способов подавления разрядных процессов в ускорительном канале. Основные усилия разработчиков в последнее время были направлены на развитие устройств, ограничивающих максимальную энергию вторичных заряженных частиц в ускоряющих трубках с аксиально-симметричными электродами. Однако недавнее сообщение о принципиальной возможности работы ускоряющих трубок с наклонными полями при напряженности -4,0 МВ/м делает весьма перспективным поиск и исследование новых электродных структур для данного типа трубок.

2. Для инжектора перезарядного ускорителя ЭГП-15 была предложена ионно-оптическая схема системы согласования пучка на основе изофокусирующей линзы. Ее особенностью является жесткая привязка к перезарядной мишени изображения фиксированного входного кроссовера при постоянном отношении входной и выходной энергий частиц в низкоэнергетичной ступени ускорителя. Подробный расчетно-теоретический анализ (включающий выбор геометрии и характеристик линзизучение влияния сферической и хроматической аберраций на размеры пучка в плоскости промежуточного изображениярасчет оптического увеличения и огибающих пучка) показал принципиальную возможность работы системы с оптическим увеличением порядка единицы. Это выгодно отличает ее от известных систем согласования, которые при сопоставимых параметрах инжекции осуществляют преобразование входного кроссовера на перезарядную мишень с заметно большим (-2,5−3,0) оптическим увеличением, что является одной из основных причин зависимости коэффициента прохождения пучка от потенциала высоковольтного электрода ускорителя.

3. Принудительное изменение в обдирочной мишени перезарядного ускорителя кратности зарядов ускоряемых частиц, происходящее практически без изменения их энергии, приводит в высокоэнергетичной ускоряющей трубке к зависимости ионных траекторий от заряда. В УТ с наклонными полями указанная зависимость определяет пространственную дисперсию траекторий, которая, наряду с увеличением эмиттанса пучка вследствие диссипативных процессов в обдирочной мишени, может приводить к значительным потерям частиц. Для уменьшения пространственной дисперсии траекторий в высокоэнергетичной ускоряющей трубке с наклонными полями перезарядного ускорителя ЭГП-15 была выполнена оптимизация электродной структуры по минимуму среднего квадрата отклонения частиц с различными зарядами от оптической оси. Внедрение оптимизированной структуры на ускорителе позволило получить ускоренные пучки многозарядных ионов кислорода, кремния и хлора и выполнить большой объем научно-исследовательских работ в области технологии трековых мембран.

4. В ускоряющей трубке с наклонными полями перезарядного ускорителя ЭГП-10М для ограничения энергии вторичных частиц было применено диафрагмирование щелевого канала и установка дополнительных экранов в точках экстремума электронных траекторий. Выбор геометрии ускорительного канала был выполнен на основании траекторного анализа и расчета огибающих протонного пучка. Электродная структура ускоряющей трубки с ограниченной апертурой обеспечила вакуумную электрическую прочность ускорителя без заметной потери интенсивности пучка. Опыт, накопленный при эксплуатации ускоряющей трубки, позволил внедрить диафрагмированную электродную структуру с наклонными полями на перезарядном ускорителе ЭГП-15.

5. Источником высокоэнергетичных вторичных заряженных частиц в канале ускоряющей трубки с наклонными полями являются участки, прилегающие к границам между секциями с противоположным наклоном электродов. Предложенная и теоретически исследованная автором диссертации ускоряющая структура со скрещивающимися наклонными полями позволяет, по крайней мере, в 3 раза снизить максимальную энергию этих частиц. Техническое решение, основанное на идее использования данной ускоряющей структуры, защищено Патентом Российской Федерации.

Одним из способов повышение пространственной устойчивости пучка и, как следствие, улучшения его энергетической однородности является применение ускоряющих трубок с аксиально-симметричными электродами. В работе приводятся результаты высоковольтных испытаний экспериментальной секции модульной трубки с аксиально-симметричными электродами и сеточно-диафрагменными устройствами подавления разрядных процессов в ускорительном канале. Испытания подтвердили эффективность использования этих устройств в режиме одновременного подавления вторичных частиц с анодных и катодных поверхностей диафрагм в ускоряющей трубке, изготовленной по клеевой технологии. После получасовой выдержки метровой секции трубки под напряжением 1,52 МВ темновой ток на выходе из ускорительного канала не превышал 10 ~9 А, давление остаточного газа в вакуумном объеме было стабильным и составляло, а рентгеновское излучение вне бака ускорителя практически отсутствовало. Результаты испытаний могут быть использованы при разработке ускоряющих трубок для обеспечения на электростатических ускорителей режимов с высокой энергетической однородностью пучка.

Особенностью вакуумной изоляции электростатического ускорителя является возможность необратимого ухудшения ее характеристик вследствие пробоев, сопровождаемых неконтролируемым выделением энергии в ускоряющих промежутках. Поэтому наряду с мерами, предпринимаемыми по усилению изоляции и защите ее от перенапряжений, необходимо выбрать способ кондиционирования УТ, уменьшающий возможность повреждения ее промежутков при выходе установки на рабочие параметры. К весьма эффективным методам кондиционирования относится обработка электродов ускоряющей трубки плазмой водородного дугового разряда с искусственно накаливаемым катодом, которая до последнего времени применялась только на ускорителях, укомплектованных диффузионно-сварными трубками. Автором диссертации была продемонстрирована возможность применения указанного метода для обработки вакуумных промежутков ускоряющих трубок, изготовленных по клеевой технологии, и выполнено исследование режимов кондиционирования. Экспериментально показано, что кондиционирование промежутков дуговым разрядом с искусственно накаливаемым катодом в водороде повышает пороговое напряжение возникновения микроразрядов с 30—35 кВ до 60 кВ. 8. Для обеспечения вычислительной поддержки опытно-конструкторских работ по созданию и модернизации электростатических ускорителей, проводимых в Физико-энергетическом институте, автором диссертации разработаны аналитические и численные методики расчета элементов систем согласования и ускорения пучка, обладающих осевой симметрией электродов и ускоряющих структур с наклонными электростатическими полями. Ряд методик, в том числе методика аналитического расчета огибающих пучка в УТ с наклонными полямиметодика расчета ускоряющих структур со скрещивающимися наклонными полямиметодика предварительного расчета системы согласования пучка на перезарядном ускорителе, основанная на аналитическом решении классической задачи согласования Элкинда для нерелятивистских пучков с конечным эмиттансом, предложены впервые.

В заключении автор хотел бы выразить искреннюю благодарность всем коллегам — сотрудникам отдела ускорителей ФЭИ, оказывавшим практическую помощь на различных этапах выполнения работы, и прежде всего научному руководителю и постоянному соавтору дтн. В. А. Романову, а также канд. техн. наук К. А. Резвых — за методическую помощь в проведении высоковольтных испытаний на ускорителе ЭГ-2,5- инженерам Б. С. Новиковскому — за практическую помощь в подготовке экспериментального стендаН.И. Дудкину и В. В. Экомасовуза время и труд, отданные ими высоковольтным испытаниям секции широкоапертурной ускоряющей трубкиЮ.Р. Чалому-за обсуждение путей практической реализации высоковольтного питания системы согласования на основе изофокусирующей линзы. Особая благодарность канд. физ.-мат. наук И. О. Константинову — за предоставленную им в очень непростой период возможность работать на современной вычислительной технике.