Высоковольтные устройства для управления пучками в ускорителях заряженных частиц

В современной технике циклических ускорителей заряженных частиц существенную роль играют импульсные устройства для быстрого управления пучками, так называемые «кикеры» (от англ. kickers). Их основное предназначение — сообщение пучку, с помощью электромагнитного поля, поперечного импульса необходимой амплитуды, в нужное время и в нужном направлении. Такое воздействие необходимо как для выпуска пучка из ускорителя путем искажения его орбиты и заведения, таким образом, в септум-магнит, так и впуска его в другой ускоритель.

Большее распространение получил метод однооборотной инжекции (или однооборотного выпуска), как наиболее эффективный и мало искажающий распределение частиц в пучке. Для его реализации кикеры должны удовлетворять ряду достаточно жестких условий. При инжекции, например, надо впустить сгусток так, чтобы через оборот в ускорителе снова не «ударить» его, или не задеть другие, впускаемые или циркулирующие сгустки. Таким образом, импульс кикера должен иметь определенную длительность и не иметь отражений. При выпуске, особенно если выпускается один сгусток из нескольких, поле в кикере должно установиться к моменту подлета нужного пучка и уже отсутствовать при приближении следующего. Поэтому при небольшой длине орбиты ускорителя (или малом расстоянии между сгустками) длительность импульса, с учетом времени нарастания и спада, а также времени установления поля в кикере, должна быть менее периода оборота. При этом, в случае достаточно длинного сгустка (или цуга сгустков), для того, чтобы обеспечить максимальную эффективность перепуска и уменьшить потери частиц, фронты импульса должны быть минимальными. В этом случае, также закладываются достаточно жесткие требования к равномерности его плоской части, (т.н. полочки"), поскольку этим определяется угол разброса частиц на выходе из кикера.

Эти проблемы становятся менее существенными при работе с коротким пучком, когда на кикер можно подавать импульс кол около образной формы, при условии, что длительность его вершины является достаточной по сравнению с длиной пучка. Но во всех случаях существенным параметром является стабильность положения импульса по времени относительно пучка.' Если медленные систематические отклонения, связанные, например, с изменением теплового режима или пульсациями питающего напряжения, можно скомпенсировать аппаратными средствами, изменяя задержку синхроимпульсов, то на разовые отклонения от импульса к импульсу относительно заданного значения (т.н. «джиттер») накладываются существенные ограничения, поскольку они приводят к. уменьшению эффективной^длительности, а также к возможности задеть соседний пучок.

Большинство современных накопителей, будь то источники СИ или коллайдер для физики высокой энергии, имеют достаточно большие периметры и работают с большим количеством сгустков с целью повышения яркости источника СИ или светимости для коллайдеров. Поэтому даже при больших размерах ускорителей необходимые временные параметры импульсов находятся в наносекундном диапазоне. Соответственно, требуются, генераторы, которые обеспечивали бы достаточно короткие, но мощные импульсы для управления пучками в этих условиях. Данная проблема решается разными способами. Для коротких импульсов, со временем нарастания. порядка нескольких наносекунд, обычно используются искровые разрядники. В последнее время появились сообщения о применении твердотельных коммутаторов, обеспечивающих аналогичные параметры, т.н. FID-устройства, но они пока не получили большого распространения. Более длинные импульсы, порядка десятков исотен наносекунд, обеспечиваются устройствами, собранными на основе газоразрядных приборов, как правило — тиратронов.

В ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН накоплен большой опыт по разработке и эксплуатации подобных устройств. Данная работа, выполненная в ИЯФ, посвящена в основном описанию генераторов с использованием тиратронов, как уже достаточно давно разработанных — типа ТГИ1−1000/25, так и новых — псевдоискровых коммутаторов марки ТПИ разных типов, впервые использованных в такой области. Сделаны описания разработок, созданных и успешно работающих на ускорительных комплексах ВЭПП-4М (ИЯФ, Новосибирск) и FEL Университета Duke (США, Северная Каролина). Обосновывается методика расчета параметров формирующей линии. Уделено внимание специальному устройству, разработанному автором для запуска псевдоискровых коммутаторов — драйверу. Отдельная глава посвящена описанию способа быстрого разведения и сведения встречных пучков в коллайдере ВЭПП-4М. Также автор счел возможным поделиться накопленным опытом эксплуатации высоковольтных наносекундных генераторов с точки зрения повышения надежности их работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате данной работы был сконструирован и изготовлен ряд разнообразных импульсных высоковольтных генераторов для питания отклоняющих пластин кикеров, на которых были получены уникальные результаты. В 1991 году был впервые захвачен пучок в модернизированный накопитель ВЭПП-4М с использованием новой системы инфлектров, которая успешно работает до настоящего времени. В 2005 г были поставлены, собраны, введены в строй и отлажены генераторы инжекции и экстракции для бустера комплекса FEL университета Duke в городе Durham, Северная Каролина, США. Тогда же реальным пучком была проверена их работа, которая полностью удовлетворила заказчика. В 2006 году были установлены и запущены генераторы инжекции в основное кольцо этого же комплекса. Ими предполагалось заменить существующую ранее систему инжекции, к которой было много претензий. Новая система показала свою эффективность.

В 2006 году была запущена схема быстрого сведения пучков. Основные результаты работы, которые одновременно являются положениями, выносимыми автором на защиту следующие:

1. Был разработан и изготовлен генератор для питания отклоняющих пластин инфлекторов ВЭПП-4М. Разработана оригинальная конструкция компактной формирующей линии.

2. Спроектирован и изготовлен генератор «удара» ВЭПП-4М. С его помощью, несмотря на большую неоднородность нагрузки, был получен импульс тока хорошей прямоугольной формы.

3. Был собран и испытан прототип, а затем разработан и запущен в производство драйвер для запуска псевдоискровых коммутаторов, с помощью которого удалось получить уникальное для газоразрядных приборов время нарастания анодного тока — порядка 4 не. Была разработана методика настройки оптимальных параметров запускающих импульсов.

4. Сконструированы, собраны и сданы в эксплуатацию на комплексе FEL Университета Dulce, Северная Каролина, США три разных конструкции генераторов, в которых впервые в оборудовании для ускорителей были применены отечественные псевдоискровые коммутаторы типа ТПИ. На этих устройствах были получены уникальные параметры импульсов. При использовании новой системы перепуска существенно выросла эффективность работы всего комплекса, во многом благодаря возможности перепускать пучок в широком диапазоне энергий от 0.18 до 1.2 ГэВ [27].

5. Изложены способы и методы повышения надежности высоковольтных импульсных генераторов, выработанные автором в процессе многолетней работы с такими устройствами.

6. Разработана, испытана и успешно применяется система быстрого сведения и разведения пучков в ускорителе ВЭПП-4М, которая позволила значительно снизить потери частиц при переходе в режим эксперимента.

В заключение автор считает необходимым выразить свою благодарность коллегам за значительный вклад и неоценимую помощь в создании данной работы.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю Е. Б. Левичеву, осуществляющему непосредственное руководство комплексом ВЭПП-4М, в рамках которого была выполнена представленная работа, за огромный вклад в выполнение данной работы, а также за ценные замечания, полезные дискуссии на различных этапах написания текста диссертации.

Автор также признателен конструктору КБ ИЯФ Т. Г. Митяниной, принимавшей непосредственное участие в проектировании и запуске в производство драйвера для псевдоискровых коммутаторов.

Автор выражает искреннюю благодарность С. Ф. Михайлову и В. Г. Попову, сотрудникам FEL Laboratory, Duke University, Durham, NC, USA, за совместную плодотворную работу.

Автору также хотелось бы поблагодарить В. А. Киселева за полезные рекомендации и профессиональные консультации в процессе подготовки материала.

Автор выражает искреннюю благодарность Гусеву И. А. за конструктивное сотрудничество в разработке и создании системы быстрого сведения пучков в ВЭПП-4М.