Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа
Представлены основные характеристики и особенности построения линейного ускорителя дейтронов с энергией 3 МэВ для активационного анализа элементного состава материалов. Для получения нейтронов предполагается использовать бериллиевый конвертор. При среднем токе пучка ~ 200 мкА ожидаемый выход нейтрон...
Gespeichert in:
| Datum: | 2010 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15680 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа / С.А. Вдовин, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, Н.Г. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 29-33. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15680 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Вдовин, С.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Шулика, Н.Г. 2011-01-31T13:39:25Z 2011-01-31T13:39:25Z 2010 Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа / С.А. Вдовин, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, Н.Г. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 29-33. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15680 621.384.6 Представлены основные характеристики и особенности построения линейного ускорителя дейтронов с энергией 3 МэВ для активационного анализа элементного состава материалов. Для получения нейтронов предполагается использовать бериллиевый конвертор. При среднем токе пучка ~ 200 мкА ожидаемый выход нейтронов составляет ~ 4x10¹¹ н/с. Ускоритель представляет собой H-резонатор, нагруженный трубками дрейфа. Распределение потенциала на трубках дрейфа соответствует π-моде колебаний. Динамическая ус-тойчивость пучка в процессе ускорения достигается за счёт использования модифицированной переменно-фазовой фокусировки. Подано основні характеристики та особливості побудови лінійного прискорювача дейтронів з енергією 3 МеВ для активаційного аналізу елементного складу матеріалів. Щоб отримати нейтрони, передбачається застосувати берилієвий конвертор. При середньому струмі пучка ~ 200 мкА очікуваний вихід нейтронів має складати ~ 4x10¹¹ н/с. Прискорювач являє собою H-резонатор, навантажений трубками дрейфу. Розподіл по-тенціалу на трубках дрейфу відповідає π-моді коливань. Динамічна стійкість пучка у процесі прискорення досягається за рахунок модифікованого змінно-фазового фокусування. Main parameters and design features of an applied deuteron linac with energy of 3 MeV for element activation analysis of materials are presented. A beryllium target is proposed to use for neutron production. For an averaged beam current ~ 200 μА the neutron yield is supposed to be ~ 4x10¹¹ n/s. The linac represents an H-cavity loaded by drift tubes. Electric potential distribution on the drift tubes corresponds to π-mode wave. Beam dynamics stability is achieved using the modified alternative-phase focusing. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Физика и техника ускорителей Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа Лінійний прискорювач дейтронів для елементного аналізу Linear deuteron accelerator for element analysis Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа |
| spellingShingle |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа Вдовин, С.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Шулика, Н.Г. Физика и техника ускорителей |
| title_short |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа |
| title_full |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа |
| title_fullStr |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа |
| title_full_unstemmed |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа |
| title_sort |
линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа |
| author |
Вдовин, С.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Шулика, Н.Г. |
| author_facet |
Вдовин, С.А. Гусев, Е.В. Демченко, П.А. Шулика, Н.Г. |
| topic |
Физика и техника ускорителей |
| topic_facet |
Физика и техника ускорителей |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Лінійний прискорювач дейтронів для елементного аналізу Linear deuteron accelerator for element analysis |
| description |
Представлены основные характеристики и особенности построения линейного ускорителя дейтронов с энергией 3 МэВ для активационного анализа элементного состава материалов. Для получения нейтронов предполагается использовать бериллиевый конвертор. При среднем токе пучка ~ 200 мкА ожидаемый выход нейтронов составляет ~ 4x10¹¹ н/с. Ускоритель представляет собой H-резонатор, нагруженный трубками дрейфа. Распределение потенциала на трубках дрейфа соответствует π-моде колебаний. Динамическая ус-тойчивость пучка в процессе ускорения достигается за счёт использования модифицированной переменно-фазовой фокусировки.
Подано основні характеристики та особливості побудови лінійного прискорювача дейтронів з енергією 3 МеВ для активаційного аналізу елементного складу матеріалів. Щоб отримати нейтрони, передбачається застосувати берилієвий конвертор. При середньому струмі пучка ~ 200 мкА очікуваний вихід нейтронів має складати ~ 4x10¹¹ н/с. Прискорювач являє собою H-резонатор, навантажений трубками дрейфу. Розподіл по-тенціалу на трубках дрейфу відповідає π-моді коливань. Динамічна стійкість пучка у процесі прискорення досягається за рахунок модифікованого змінно-фазового фокусування.
Main parameters and design features of an applied deuteron linac with energy of 3 MeV for element activation analysis of materials are presented. A beryllium target is proposed to use for neutron production. For an averaged beam current ~ 200 μА the neutron yield is supposed to be ~ 4x10¹¹ n/s. The linac represents an H-cavity loaded by drift tubes. Electric potential distribution on the drift tubes corresponds to π-mode wave. Beam dynamics stability is achieved using the modified alternative-phase focusing.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15680 |
| citation_txt |
Линейный ускоритель дейтронов для элементного анализа / С.А. Вдовин, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, Н.Г. Шулика // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 29-33. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vdovinsa lineinyiuskoritelʹdeitronovdlâélementnogoanaliza AT gusevev lineinyiuskoritelʹdeitronovdlâélementnogoanaliza AT demčenkopa lineinyiuskoritelʹdeitronovdlâélementnogoanaliza AT šulikang lineinyiuskoritelʹdeitronovdlâélementnogoanaliza AT vdovinsa líníiniipriskorûvačdeitronívdlâelementnogoanalízu AT gusevev líníiniipriskorûvačdeitronívdlâelementnogoanalízu AT demčenkopa líníiniipriskorûvačdeitronívdlâelementnogoanalízu AT šulikang líníiniipriskorûvačdeitronívdlâelementnogoanalízu AT vdovinsa lineardeuteronacceleratorforelementanalysis AT gusevev lineardeuteronacceleratorforelementanalysis AT demčenkopa lineardeuteronacceleratorforelementanalysis AT šulikang lineardeuteronacceleratorforelementanalysis |
| first_indexed |
2025-11-26T06:42:43Z |
| last_indexed |
2025-11-26T06:42:43Z |
| _version_ |
1850612939359256576 |
| fulltext |
УДК 621.384.6
ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЕЙТРОНОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТНОГО
АНАЛИЗА
С.А. Вдовин, Е.В. Гусев, П.А. Демченко, Н.Г. Шулика
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: gussev@kipt.kharkov.ua
Представлены основные характеристики и особенности построения линейного ускорителя дейтронов с
энергией 3 МэВ для активационного анализа элементного состава материалов. Для получения нейтронов
предполагается использовать бериллиевый конвертор. При среднем токе пучка ∼200 мкА ожидаемый выход
нейтронов составляет ∼4⋅1011 н/с. Ускоритель представляет собой H-резонатор, нагруженный трубками
дрейфа. Распределение потенциала на трубках дрейфа соответствует π-моде колебаний. Динамическая ус-
тойчивость пучка в процессе ускорения достигается за счёт использования модифицированной переменно-
фазовой фокусировки.
1. ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в области физики и техники линейных
ускорителей ионов (увеличение среднего тока пуч-
ков, улучшение характеристик и технологии произ-
водства ускоряющих структур, уменьшение экс-
плуатационных расходов) способствует более ши-
рокому использованию в промышленности, меди-
цине и других отраслях линейных ускорителей про-
тонов и дейтронов относительно низких энергий
(W=1…10 МэВ) [1].
Основными областями применения таких уско-
рителей являются:
• производство медицинских радиоизотопов, в
частности, β-активных радионуклидов для пози-
тронно-эмиссионной томографии в медицинской
диагностике;
• создание источников нейтронов на основе ядер-
ных реакций (d,n), (p,n) без использования деля-
щихся материалов, которые являются безопасной
альтернативой ядерным реакторам деления для
целого ряда применений (нейтронно-
активационный анализ элементного состава ма-
териалов, нейтрон-захватная терапия злокачест-
венных опухолей, нейтронная радиография объ-
ектов);
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.29-33.
29
• бесконтактный таможенный контроль грузов на
наличие взрывчатых веществ или делящихся ма-
териалов.
Важное практическое применение, в частности,
для определения элементного состава вещества ме-
тодом нейтронно-активационного анализа (НАА),
имеют тепловые нейтроны. Как правило, такие ис-
следования проводятся на ядерных реакторах. Сущ-
ность НАА заключается в облучении исследуемого
образца тепловыми нейтронами и последующем
изучении характеристических γ-спектров, испускае-
мых активированными ядрами. Метод позволяет
получать количественные данные, является нераз-
рушающим, не изменяет состава и агрегатного со-
стояния вещества. В настоящее время НАА является
методом окончательного контроля, когда другие
средства анализа дают противоречивые или спорные
результаты.
Для получения нейтронов при энергии пучков
ионов ниже 4,0 МэВ наиболее предпочтительной, с
учётом физических свойств конверсионной мишени,
является реакция 9Be(d,n). На Рис.1 показаны выхо-
ды нейтронов в зависимости от энергии протонов и
дейтронов при бомбардировке бериллиевой и ли-
тиевой мишеней. Выходы приведены к току пучка
1 мкА [2].
Рис.1. Выходы быстрых нейтронов из бериллиевой и
литиевой мишеней [2]
В 70-х годах в ННЦ ХФТИ был разработан мало-
габаритный линейный ускоритель МЛУД-3 с энер-
гией дейтронов 3 МэВ. Ускоритель эксплуатировал-
ся в течение ряда лет в НИИ неорганических мате-
риалов им. А.А. Бочвара (Москва) для элементного
анализа материалов, используемых в атомной про-
мышленности. Средний ток пучка дейтронов не
превышал 1 мкА [3]. В ускорителе, для достижения
радиальной устойчивости пучка в процессе резо-
нансного ускорения, использовалась сеточная фоку-
сировка, что существенно ограничивало ток дейтро-
нов.
Пучки дейтронов МЛУД-3 применялись как для
генерации нейтронов и последующего НАА [4], так
и активационного анализа при непосредственном
облучении образцов ускоренными дейтронами [5].
mailto:gussev@kipt.kharkov.ua
Аналитические исследования, проведенные с при-
менением ускорителя МЛУД-3, показали возмож-
ность определения не менее 30 элементов с поряд-
ковыми номерами Z ≤ 30 и чувствительностью не
хуже (10-1…10-3)%. Для лёгких элементов (B, C, N,
O, F, Al) высокая чувствительность достигалась при
непосредственном облучении образцов дейтронами.
Чувствительность обоих вариантов активацион-
ного анализа линейно увеличивается с ростом тока
ионного пучка, что существенно для контроля сле-
дов элементов, в частности, в материалах микро-
электроники.
Работы по созданию линейных ускорителей про-
тонов и дейтронов в качестве генераторов нейтро-
нов для прикладных целей проводятся в ряде стран,
в частности, США [6], Китае [7].
Фирма AccSys Technology (США) производит
коммерческие линейные ускорители протонов и
дейтронов низких энергий для прикладных целей
серии LANSAR™ [6,8]. Максимальная энергия ли-
нейных ускорителей дейтронов этого типа составля-
ет W=3,9 МэВ, средний ток пучка I=0,21 мА (модель
DL-4). При бериллиевом конверторе выход нейтро-
нов составляет Yn=6⋅1011 н/с. Для термализации ге-
нерируемых быстрых нейтронов используется за-
медлитель специальной конструкции, что позволяет
получать потоки тепловых нейтронов с плотностью
ΦT≈1,9⋅109 н/см2⋅с.
В Китае [8] ведутся работы над созданием базо-
вого варианта линейного ускорителя с энергией
дейтронов W=2 МэВ, средним током I=5 мА и пла-
нируемым выходом нейтронов Yn=4⋅1012 н/с.
Приведенные выше значения потоков нейтронов
достаточны для проведения элементного анализа и
поиска следов элементов с достаточно высокой чув-
ствительностью, а также для нейтронной радиогра-
фии.
Чувствительность НАА при определении количе-
ства элемента в образце зависит от многих факто-
ров, в частности, от ядерных характеристик радио-
нуклида, образующегося в результате ядерных ре-
акций, и пропорциональна плотности потока ней-
тронов ΦT.
Таблица 1
Чувствительность,
г (Φ=109н/см2⋅с) Элементы
10-8 Dy, Eu
10-8…10-7 In, Lu, Mn
10-7…10-6 Au, Ho, Ir, Re, Sm, W
10-6…10-5 Ag, Ar, As, Br, Cl, Co, Cs,
Cu, Er, Ga, Hf, I, La, Sb, Sc,
Se, Ta, Tb, Th, Tm, U, V, Yb
10-5…10-4 Al, Ba, Cd, Ce, Cr, Hg, Kr,
Gd, Ge, Mo, Na, Nd, Ni,
Os, Pd, Rb, Rh, Ru, Sr, Te,
Zn, Zr
10-4…10-3 Bi, Ca, K, Mg, P, Pt, Si,
Sn, Ti, Tl, Xe, Y
10-3…10-2 F, Fe, Nb, Ne
10-1 Pb, S
30
В Табл. 1 приведены минимальные количества
химических элементов в образце, которые могут
быть измерены при облучении потоком тепловых
нейтронов ΦT=109 н/см2⋅с. Это значение потока
близко к величинам, которые можно получать на
источниках нейтронов, генерируемых современны-
ми линейными ускорителями протонов и дейтронов
низких энергий.
В настоящее время почти все линейные ускори-
тели ионов, разрабатываемые для генерации ней-
тронов, используют ускоряющие секции с простран-
ственно-однородной квадрупольной фокусировкой
пучка (ПОКФ), или ПОКФ с последующей секцией
с трубками дрейфа.
В ННЦ ХФТИ в течение ряда лет ведутся работы
по разработке линейных ускорителей протонов и
дейтронов с использованием альтернативного под-
хода к обеспечению динамической устойчивости
пучка, а именно, с помощью одного из вариантов
переменно-фазовой фокусировки (МПФФ) [9].
В настоящей работе приведены основные харак-
теристики и особенности конструкции линейного
ускорителя дейтронов с энергией 3 МэВ и средним
током пучка 0,2 мА, который предлагается исполь-
зовать в качестве генератора нейтронов для НАА.
Устойчивость динамики пучка в ускорителе дости-
гается использованием МПФФ. Ожидаемый выход
нейтронов Yn с бериллиевой мишени составляет
Yn≈4⋅1011 н/с.
2. КОНСТРУКЦИЯ УСКОРИТЕЛЯ
При разработке ускорителя в качестве прототипа
был выбран вариант малогабаритного ускорителя
дейтронов МЛУД-3 на энергию частиц 3 МэВ, в ко-
тором была реализована ускоряющая структура с
МПФФ. Этот ускоритель являлся альтернативой
более раннему варианту с сеточной фокусировкой.
Ускоритель позволил экспериментально иссле-
довать особенности динамики ионов в системах с
высокочастотной переменно-фазовой фокусировкой
и перспективы улучшения характеристик пучков, в
частности, увеличения тока ускоренных частиц [10].
Опыт его эксплуатации и апробирование техниче-
ских решений был использован в процессе разра-
ботки конструкции предлагаемого ускорителя для
НАА.
Основные характеристики этого ускорителя дей-
тронов представлены в Табл.2, а его структурная
схема приведена на Рис.2.
Рис.2. Блок-схема ускорителя
Ускоритель включает: инжектор дейтронов (1);
устройство (2) для согласования поперечного фазо-
вого объёма инжектируемого пучка с аксептансом
ускорителя; ускоряюще-фокусирующий канал, со-
стоящий из двух резонансных ускоряющих секций
(3, 5) и расположенного между ними фокусирующе-
го магнитного квадрупольного триплета (4); устрой-
ство (6) для конверсии и термализации нейтронов;
источники ВЧ-питания (7,8); устройство силового
питания (9); устройство управления и контроля (10).
Таблица 2
Энергия инжекции, кВ 135
Выходная энергия дейтронов, МэВ 3,1
Рабочая частота, МГц 100
Импульсный ток пучка, мА 50
Средний ток пучка, мкА ∼200
Коэффициент захвата, % 50
Нормализованный эмиттанс (RMS),
см⋅мрад 1,2
Средняя мощность пучка, Вт ∼600
Длительность посылки, мкс 200
Частота посылок, Гц 20
Заполнение посылки, % 0,4
Число резонаторов 2
Длины резонаторов, м 1,4+1,3
Диаметр резонаторов, м 0,5
Импульсная ВЧ-мощность, кВт 850
Средняя ВЧ-мощность, кВт 3,4
Максимальная напряжённость ВЧ-поля
в зазорах, кВ/см
118
90
Добротности резонаторов 14340
12460
31
Инжектор (1) (см. Рис.2) с выходной энергией
дейтронов 135 кэВ и импульсным током не менее
100 мА состоит из дуоплазматрона с холодным по-
лым катодом и трёхэлектродной системы формиро-
вания пучка.
Согласующее устройство (2) представляет собой
четырёхэлектродную электростатическую линзу со
знакопеременным распределением потенциала ±U
(|U| ≤75 кВ). В дальнейшем, для увеличения коэф-
фициента захвата пучка в режим ускорения, предпо-
лагается использовать согласующее устройство с
суперпозицией электростатического (или постоян-
ного магнитного) и высокочастотного полей. Конст-
рукция такого устройства, обеспечивающего как
фокусировку, так и предварительную группировку
пучка, приведена в работе [11].
Ускоряющий канал образован двумя цилиндри-
ческими H-резонаторами с трубками дрейфа, распо-
ложенными в отдельных вакуумных объемах (3,5),
(см. Рис.2).
В резонаторах возбуждается H-мода колебаний, а
распределение напряжённости электрического поля
вдоль оси структуры соответствует π-волне.
Динамическая устойчивость пучка в ускоряю-
щих секциях (3,5) (см. Рис.2), достигается использо-
ванием модифицированной переменно-фазовой фо-
кусировки. Требуемые распределения значений
синхронной фазы вдоль ускоряющих периодов оп-
ределяются соответствующей вариацией длин тру-
бок дрейфа.
В первом резонаторе (Рис.3) трубки дрейфа рас-
полагаются на двух парах держателей типа «гребё-
нок» и образуют 22 ускоряющих периода. Такое
разбиение ускоряющей структуры позволяет полу-
чить оптимальное распределение напряжённости
электрического поля вдоль оси системы, по мере
роста величины ускоряющих зазоров, без сущест-
венного снижения электродинамических характери-
стик и электрической прочности канала. Разность
потенциалов на второй паре гребёнок в 1,8 раза вы-
ше напряжения первой.
Рис.3. Первая секция ускорителя
Распределение значений синхронной фазы вдоль
ускоряющих периодов первой секции образует 5
периодов радиальной фокусировки и рассчитано
так, чтобы обеспечить максимальный захват тока
инжектируемого пучка (50%) в процесс ускорения,
при приемлемом темпе ускорения ∼1,2 МэВ/м.
На выходе первой секции формируется пучок с
фазовыми характеристиками, которые требуют до-
полнительного согласования с аксептансом и сепа-
ратрисой последующей секции.
Вторая секция (Рис.4) включает 13 ускоряющих
периодов, которые формируют три неполных пе-
риода фокусировки. Трубки дрейфа этой секции
располагаются на одной паре гребёнчатых держате-
лей. Структура обеспечивает ускорение пучка до
выходной энергии практически без потерь.
Рис.4. Вторая секция ускорителя
Энергии дейтронов на выходе секций соответст-
венно 1,7 и 3,1 МэВ.
Для компенсации расстройки собственной часто-
ты резонаторов относительно рабочего значения в
них размещено по 2 настройщика специальной кон-
струкции. Установка двух настройщиков позволяет
минимизировать возмущения в распределении на-
пряжённости электрического поля вдоль ускоряю-
щего канала при подстройке частоты.
Охлаждение ускоряющих структур осуществля-
ется проточной водой.
Высокочастотное питание резонаторов (7,8) (см.
Рис.2) осуществляется от двух источников с им-
пульсной мощностью до 600 кВт каждый.
Источник высокочастотного питания первой ус-
коряющей секции образован мощным усилительным
каналом (УК1). Возбуждение канала на рабочей час-
тоте обеспечивается за счет положительной обрат-
ной связи (ПОС) с возбуждаемым резонатором [12].
Питание второй ускоряющей секции обеспечива-
ется аналогичным УК1 усилительным каналом, на
вход которого подается сигнал возбуждения от ре-
зонатора первой секции. Это обеспечивает равенст-
во частоты и синхронизацию фаз ВЧ-колебаний,
возбуждаемых в резонаторах.
Для стабилизации уровня ВЧ-поля в резонаторах,
каждый усилительный канал охвачен цепью отрица-
тельной обратной связи (ООС) с возбуждаемым ре-
зонатором. Сигнал ООС подается на плечо моста
сложения, подключенного к входу УК. На второе
плечо моста подается опорный сигнал с усилителя
ограничителя, включенного в цепь ПОС. Регулиров-
ка уровня ВЧ-поля в резонаторах осуществляется
изменением величины опорного сигнала.
Контроль величины тока и положения пучка в
ускоряющем канале обеспечивается индукционны-
ми датчиками.
Рабочее давление в ускоряющем канале, не выше
1×10-6 мм.рт.ст., обеспечивается системой диффе-
ренциальной вакуумной откачки инжектора и резо-
наторов ускорителя.
Управление осуществляется с пульта (10), кото-
рый включает блоки управления системами ускори-
теля и таймерное устройство, обеспечивающее син-
хронизацию работы систем. Силовая стойка (9), со-
держит пускорегулирующую аппаратуру.
32
В качестве конвертора нейтронов предполагается
использовать бериллиевую мишень, охлаждаемую
проточной водой. Рассматривается 2 варианта за-
медлителя эмитируемых нейтронов: обычная деио-
низированная вода H2O, используемая для охлажде-
ния мишени и тяжёлая вода D2O, которая одновре-
менно служит и теплоносителем.
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРЕННОГО
ПУЧКА
Основные физические и инженерно-конструк-
торские параметры ускоряющего канала, а также
характеристики пучка ускоренных дейтронов были
получены методом последовательных приближений
при численном моделировании динамики пучка и
электродинамических характеристик резонансной
ускоряющей структуры.
Рис.5. Зависимость тока пучка ускоренных
дейтронов от тока инжекции
На Рис.5 приведена зависимость тока ускорен-
ных дейтронов на выходе ускорителя от тока ин-
жекции Iin. Как следует из приведенной зависимо-
сти, коэффициент захвата частиц Kc в режим уско-
рения приблизительно постоянный до значений тока
инжекции Iin≈100 мА и равен Kc≈50%. В дальней-
шем, с ростом тока инжекции Kc уменьшается, что
обусловлено влиянием объёмного заряда пучка.
Рис.6. Энергетический спектр пучка
на выходе ускорителя
Энергетический спектр пучка ускоренных дей-
тронов приведен на Рис.6. Наиболее вероятная энер-
гия дейтронов 3,1 МэВ, среднеквадратичный раз-
брос частиц по энергии составляет 0,2%.
Рис.7. Поперечный фазовый портрет
пучка на выходе ускорителя
Важной характеристикой пучка, определяющей
особенности его транспортировки и формирования
зоны облучения конверсионной мишени, с требуе-
мыми размерами и плотностью тока, является попе-
речный фазовый портрет. На Рис.7 представлено
распределение плотности макрочастиц в попереч-
ном сечении фазового объёма пучка на выходе вто-
рой ускоряющей секции. Моделирование динамики
пучка проводилось методом макрочастиц. Таким
образом, на выходе ускорителя пучок является рас-
ходящимся с характерным радиусом 7,5 мм и нор-
мализованным среднеквадратичным эмиттансом
εn=1,2 см⋅мрад.
Так как ускоряющий канал дейтронного ускори-
теля является двухсекционным, то для максималь-
ного захвата частиц второй секцией необходимо
выполнить соответствующее согласование фазовых
характеристик пучка, ускоренного первой секцией.
В частности, на входе второй секции необходимо
иметь сходящийся пучок с радиусом ~7 мм. Необ-
ходимая трансформация поперечного сечения фазо-
вого объёма осуществляется фокусирующим маг-
нитным квадрупольным триплетом 4 (см. Рис.2).
33
Общая длина триплета составляет 40 см, радиус
апертуры канала 2,5 см, градиент магнитной индук-
ции 1,16 кГс/см.
Полная длина участка дрейфа между ускоряю-
щими секциями 50 см выбрана таким образом, что-
бы после дрейфа продольное сечение фазового объ-
ёма пучка находилось в пределах сепаратрисы вто-
рой секции.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работы по созданию в ННЦ ХФТИ ускорителя
дейтронов для НАА проводятся в рамках Государ-
ственной целевой программы Украины по использо-
ванию ядерных материалов и радиационных техно-
логий. На первом этапе предусматривается разра-
ботка ускорителя, создание действующего макета и
достижение проектных параметров дейтронного
пучка.
Экспериментальное подтверждение выбранной
физической концепции и принятых инженерно-
конструкторских решений будут являться основани-
ем для дальнейшей разработки: конвертора нейтро-
нов, устройств для подачи исследуемых образцов в
зону облучения, инструментального аппаратного
комплекса для гамма-спектрометрии облучённых
мишеней и интерпретации полученных результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. George H. Gillespie, Gerald E. McMichael. Applica-
tions of MeV Proton and Deuteron Linear Accelera-
tors // Proc. of the 1995 PAC, Dallas, Texas, USA.
1995, p.107-109.
2. M.R. Hawkesworth. Neutron radiography: Equip-
ment and Methods / Atomic Energy Rev. 15 (2).
1977, р.169-200.
3. Л.Н. Баранов, Н.А. Хижняк и др. Малогабарит-
ный линейный ускоритель дейтронов на энергию
3 МэВ // Вопросы атомной науки и техники. Сер.
«Физика высоких энергий и атомного ядра»,
1975, 1 (13), с.15.
4. Ю.И. Бондаренко, А.Б. Медведев, В.С. Руденко.
Применение малогабаритного ускорителя дей-
тронов на энергию 3 МэВ в нейтронно-
активационном анализе // Атомная Энергия.
1981, т.51, в.1, с.67-68.
5. Ю.И. Бондаренко, А.Б. Медведев, В.С. Руденко.
Использование дейтронов с энергией 3 МэВ в
активационном анализе // Атомная Энергия.
т.52, вып.3, с.189-190, 1981.
6. R.W. Hamm. Status of the LANSAR™ Neutron
Generators // Reprint of the presentation given at the
5th World Conference on Neutron Radiography,
June 17-20, 1996, Berlin, Germany. p.10.
7. C. Zhang, Z.Y. Guo, A. Schempp, J.E. Chen,
J.X. Fang. Design of a high current RFQ for neutron
production / Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research A 521. 2004, p.326-331.
8. R.W. Hamm and M.E. Hamm. How to create a
Business out of manufacturing Linacs // Proc. of
EPAC 2006, Edinburgh, Scotland. 2006, p.1911-
1915.
9. Е.В. Гусев. Малогабаритные линейные ускори-
тели ионов на Н-резонаторах с модифицирован-
ной переменно-фазовой фокусировкой // Зару-
бежная электроника. Успехи современной радио-
электроники, “Радиоэлектроника”, М., 1999, в.3,
с.63-72.
10. Е.В. Гусев, С.Ю. Кривуля и др. Исследование
ускоряющей структуры ускорителя дейтронов
МЛУД-3 // Вопросы атомной науки и техники.
Сер. «Ядерно-физические исследования», 1989,
5(5), с.37-39.
11. Е.В. Гусев, П.А. Демченко и др. Группирователь
пучка линейного ускорителя дейтронов // Вопро-
сы атомной науки и техники. Сер. «Плазменная
электроника и новые методы ускорения», 2008,
4(6), с.322-326.
12. Л.Д. Лобзов, Е.В. Гусев. Система ВЧ-питания
линейного протонного ускорителя на энергию
10 МэВ с модифицированной переменно-фазовой
фокусировкой пучка // Вестник Харьковского уни-
верситета, № 569. Сер. Физическая «Ядра, час-
тицы и поля». 2002, в.3(19), с 83-87.
Статья поступила в редакцию 28.10.2009 г.
LINEAR DEUTERON ACCELERATOR FOR ELEMENT ANALYSIS
S.A. Vdovin, Ye.V. Gussev, P.O. Demchenko, M.G. Shulika
Main parameters and design features of an applied deuteron linac with energy of 3 MeV for element activation
analysis of materials are presented. A beryllium target is proposed to use for neutron production. For an averaged
beam current ∼200 μА the neutron yield is supposed to be ∼4⋅1011 n/s. The linac represents an H-cavity loaded by
drift tubes. Electric potential distribution on the drift tubes corresponds to π-mode wave. Beam dynamics stability is
achieved using the modified alternative-phase focusing.
ЛІНІЙНИЙ ПРИСКОРЮВАЧ ДЕЙТРОНІВ ДЛЯ ЕЛЕМЕНТНОГО АНАЛІЗУ
С.О. Вдовін, Є.В. Гусєв, П.О. Демченко, М.Г. Шуліка
Подано основні характеристики та особливості побудови лінійного прискорювача дейтронів з енергією
3 МеВ для активаційного аналізу елементного складу матеріалів. Щоб отримати нейтрони, передбачається
застосувати берилієвий конвертор. При середньому струмі пучка ∼200 мкА очікуваний вихід нейтронів має
складати ∼4⋅1011 н/с. Прискорювач являє собою H-резонатор, навантажений трубками дрейфу. Розподіл по-
тенціалу на трубках дрейфу відповідає π-моді коливань. Динамічна стійкість пучка у процесі прискорення
досягається за рахунок модифікованого змінно-фазового фокусування.
http://vant.kipt.kharkov.ua/CONTENTS/CONTENTS_2008_4rus.html
http://vant.kipt.kharkov.ua/CONTENTS/CONTENTS_2008_4rus.html
http://vant.kipt.kharkov.ua/CONTENTS/CONTENTS_2008_4rus.html
LINEAR DEUTERON ACCELERATOR FOR ELEMENT ANALYSIS
ЛІНІЙНИЙ ПРИСКОРЮВАЧ ДЕЙТРОНІВ ДЛЯ ЕЛЕМЕНТНОГО АНАЛІЗУ
|