Особенности защиты протонных ускорителей на большие энергии

Пространственные размеры источника. Основные требования, предъявляемые к защите

При ускорении заряженных частиц их потери в ускорителях неизбежны. Частицы теряются при группировке в момент захвата в ускорение. На следующем этапе ускорительного цикла потери связаны с явлениями бетатронных и синхротронных колебаний, с эффектами объемного заряда ускоряемых частиц, при прохождении пучка через поворотные магниты, по каналам транспортировки к физическим установкам в экспериментальных залах, при выводе пучка. Кроме этого частицы теряются при взаимодействии пучка с внутренними и внешними мишенями и аппаратурой для диагностики пучка. В конце транспортировки пучок поглощается в специальных ловушках — поглотителях пучка. Во всех случаях, связанных с потерями пучка, возникает вторичное излучение, от которого необходимо защищаться. В электронных синхротронах дополнительный неизбежный источник потерь — синхротронное излучение.

Следует отметить, что взаимодействие пучка ускоряемых частиц со сверхпроводящими магнитными системами современных ускорителей приводит не только к возникновению источников вторичного излучения. Радиационный нагрев магнитов из-за потерь энергии влияет на стабильность их работы. Максимальные радиационные нагрузки могут достигать значений ~ 1 кВт/см³ [11].

Основой для проектирования защиты на больших ускорителях является линейная плотность источников вторичных частиц S (z). Пространственное распределение плотности источников излучения на больших протонных ускорителях таких, как У-70, Тэватрон, БАК определяется соответствующими распределениями потерь первичного пучка при его ускорении и транспортировке. Вес эти источники можно разделить на 2 группы:

• 1. Локальные источники с большим градиентом потерь, которые связаны с потерями на мишенях, системах диагностики пучка, коллиматорах и на других частях ускорителя.
• 2. Распределенные потери с небольшим градиентом потерь. Связаны с потерями пучка при его взаимодействии с ядрами остаточного газа и взаимодействием

Рис. 20.5. Поперечное сечение протонного пучка ускорителя. Компьютерное моделирование

гало пучка (частицы, летящие далеко от главной оси пучка, см. рис. 20.5) со стенстенками вакуумной камеры и магнитными элементами. Следует отмстить, что взаимодействие ускоряемого пучка со стенками вакуумной камеры способствует увеличению газовыделения и возрастанию потерь пучка при столкновениях с ионами газа.

Излучение кольцевого протонного ускорителя очень неоднородно по периметру (рис. 20.6). Как следует из этого рисунка, разница в плотности излучения по периметру составляет порядки, а наибольшие потери в области внутренних мишеней. Таким образом, и сам ускоритель, и каналы для транспортировки пучков, и экспериментальное оборудование — все это является протяженным источником. Например, протонный ускоритель ИФВЭ на 76 ГэВ включает в себя линейный ускоритель на энергию 100 МэВ (длина 80 м), промежуточный кольцевой ускоритель (бустер) на энергию 1500 МэВ (длина периметра 137 м), основной кольцевой ускоритель на 76ГэВ (длина периметра 1500 м) и более 20 каналов первичных и вторичных частиц (их длина от 40 до 400 м). Все это является источниками мощного ионизирующего излучения, характеристики которого изменяются и в пространстве, и во времени.

Рис. 20.6. Распределение томности источников вторичного излучения вдоль периметра протонного син]Ю1?1/юна У-70 (М-места установки внутренних мишеней) [8].

Для таких больших ускорителей, как У-70, Тэватрона, БАК пространственные размеры источника — километры. Эго не означает, что все эти километры «светят» одновременно, но это означает, что каждый сантиметр может «светить». Значит, нужна надежная защита по всему периметру ускорителя, защита всех каналов транспортировки частиц и экспериментальных залов. Защита на современных крупных ускорительных комплексах имеет большие объемы и может составлять по стоимости до 30−40% от стоимости всего оборудования.

Основные требования при создании такой защиты следующие [4]:

• 1. Уровни фонового излучения в зоне детектирующей аппаратуры экспериментальных установок не должны превосходить значений, требуемых по условиям эксперимента.
• 2. Экспериментальное и ускорительное оборудование, работающее в условиях высоких радиационных нагрузок, должно быть работоспособно в течение всего запланированного времени эксперимента.
• 3. Необходимо обеспечить возможность обслуживания оборудования после его длительного облучения.
• 4. Работа ускорителя и экспериментальных установок не должна угрожать здоровью и безопасности обслуживающего персонала и населения.