Электронный синхротрон «Сириус». 40 лет эксплуатации

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ФИЗИКА
№1
2004
УДК: 539.1.03 621.384.6
Н.А. ЛАШУК 1, Г.А. САРУЕВ 1, В.К. СМОЛЕНЦЕВ 1, В.И. ТОЛМАЧЕВ 1, В.А. ВИЗИРЬ 2, П.М. ЩАНИН 2, Л.И.
МИНЕНКО 3, И.П. ЧУЧАЛИН 3, Ю.К. ПАСТУХОВ 4
ЭЛЕКТРОННЫЙ СИНХРОТРОН «СИРИУС». 40 ЛЕТ ЭКСПЛУАТАЦИИ,
МОДЕРНИЗАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Приводятся основные сведения об истории создания, эксплуатации и модернизации Томского электронного синхротрона «Сириус». Исходя из «Программы физических исследований на синхротроне «Сириус», в плане
модернизации синхротрона, сформулированы основные требования на параметры пучка электронов отдельно на
350 – 600 МэВ и 800 МэВ. В настоящее время состояние систем ускорителя таково, что поcле проведения ремонтно-профилактических работ и модернизации он может служить науке еще более 10 лет.
Фундаментальные исследования с использованием элементарных частиц высокой энергии
интенсивно начали развиваться в середине прошлого века. Идея создания ускорителей электронов
в ТПИ, в том числе и синхротрона «Сириус», принадлежит проф. А.А. Воробьёву, тогда ректору
Томского политехнического института. Реальное воплощение идеи началось после Постановления
СМ СССР №1734-785/с от 18 августа 1954 г. о строительстве в Томске ускорителя электронов на
1000 МэВ.
В 1955 году на совещании МинВУЗа СССР энергия была увеличена до 1500 МэВ. Теоретическое обоснование и расчет основных параметров синхротрона произведены выпускником ТПИ
Г.И. Димовым.
Физический пуск синхротрона был осуществлен 28 января 1965 г. при энергии 800 МэВ. Несколько позже энергия была увеличена до 1100 МэВ и затем до 1360 МэВ. Все работы по изготовлению и запуску «Сириуса» выполнены под руководством И.П. Чучалина при активном участии
В.А. Визиря, П.М. Щанина, П.П. Красноносеньких, Н.А. Лашука и др. Распоряжением Миннауки
РФ в 1998 г. синхротрон «Сириус» включен в перечень уникальных стендов и установок с регистрационным номером № 06-12.
С целью проведения широкого круга физических экспериментов и исследования влияния
квантовых флуктуаций на движение частиц в циклических ускорителях необходима высокая энергия и большое время циркуляции пучка. Исходя из этих требований, а также экономических соображений, выбран импульсный режим работы синхротрона.
После запуска синхротрона начались исследования по физике элементарных частиц и атомного ядра, синхротронному излучению, технике и физики ускорения. Одновременно проводились
работы по усовершенствованию и модернизации систем синхротрона с целью увеличения надежности и стабильности работы, улучшению выходных параметров. В наибольшей степени это относится к схеме питания электромагнита, основным принципом работы которой является разряд емкости накопителя на обмотку электромагнита. В качестве накопителя энергии использованы импульсные конденсаторы ИМ3-100 (2600 штук), в качестве коммутирующих приборов – тиратроны
ТР1-85/15. В начале конденсаторы работали в колебательном режиме (форма импульса тока в обмотке электромагнита была синусоидальной).
Первоначально схема питания имела ряд существенных недостатков: низкая надежность работы конденсаторов и тиратронов, импульсная загрузка электрической сети, малая частота повторения циклов (1 Гц). В 1968 году Л.И. Миненко, И.П. Чучалиным, В.В. Ивашиным была предложена, исследована и внедрена схема питания электромагнита однополярными импульсами тока.
Эта схема позволила увеличить частоту повторения циклов и значительно повысить надежность
работы конденсаторов. При сроке службы 104 циклов фактическая наработка в основном контуре
составила 107 циклов и в настоящее время уже более 40 лет конденсаторы сохраняют свою работоспособность. К 1982 году закончены основные работы по усовершенствованию схемы питания:
тиратроны заменены на тиристоры ТЛ2-200 и диоды ВЛ-200, которые были переведены с воздушного на водяное охлаждение, что значительно улучшило условия и безопасность труда. Установлен буферный накопитель емкостью 5000 мкФ и осуществлена резонансная подзарядка основного
2
И.О.Фамилии авторов
накопителя со стабилизацией напряжения ±0,1%. Это позволило перейти на непрерывную работу
выпрямителя и силового трансформатора ТМ1600-10/6, а также снять импульсную нагрузку электрической сети. Получено «плато» на вершине импульса магнитного поля длительностью 22·10-3
сек с неравномерностью ± 0,07 %. «Плато» формируется 4-х – звенным генератором импульсов тока (ГИТ). Для заряда конденсаторов ГИТ используется энергия, запасенная в электромагните во
время разряда на него основной конденсаторной батареи, что не требует дополнительных источников питания, упрощает схему, повышает надежность и экономичность. Компенсация остаточного магнитного поля в зазоре электромагнита осуществляется разрядом емкости размагничивания
на обмотку электромагнита током обратной полярности определенной величины и длительности,
заряд которой осуществляется от основной конденсаторной батареи. Таким образом все силовые
узлы схемы питаются от одного источника с установленной мощностью 1600 кВ·А. Для увеличения времени ввода электронов в камеру ускорителя и, соответственно, ускоряемого заряда применена дефорсировка магнитного поля. Достигается это включением насыщающихся дросселей, которые позволяют регулировать скорость роста магнитного поля при инжекции в пределах
(5,0÷12,0) Тл/сек. Естественная скорость роста поля при энергии ускорения 1000 МэВ равна 32
Тл/сек. Существенный вклад в модернизацию схемы питания внесли Л.Д. Бутаков, В.А. Визирь,
З.Ш. Фасхутдинов.
В 90-х годах прошлого столетия, из-за ограниченного финансирования на фундаментальные
исследования, возникла необходимость значительной экономии э/энергии и воды для охлаждения
силовых систем ускорителя. С этой целью схема питания электромагнита, потребляющая 93%
электроэнергии и ВЧ-ситема были переведены на «короткий» цикл (КЦ) ускорения. Емкость основного накопителя уменьшена с 10400 мкФ до 4080 мкФ, длительность «плато» с 22·10-3 сек до
10·10-3 сек и длительность импульса тока в электромагните с 110·10-3 сек до 70·10-3 сек. Рабочий
диапазон энергий при КЦ и медленном сбросе частиц составляет от 350 до 600 МэВ. Экономия
потребления воды достигается созданием второго замкнутого контура охлаждения на базе градирни ГРД-32. При прочих равных условиях (500 МэВ, 5 Гц) расход э/энергии при КЦ по сравнению с
длинным циклом (ДЦ) уменьшился в 1,75 раза и составляет около 300 кВт.
Впервые в мировой практике в качестве инжектора стал использоваться микротрон на 5,5
МэВ, отвечающий требованиям по энергетическому разбросу и угловой расходимости пучка. Решение об использовании микротрона в качестве инжектора было принято после того, как группой
СВЧ под руководством А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшкова в микротроне был получен ток до 10
мА/имп., хотя к этому времени был получен и уже велся монтаж в качестве инжектора линейного
ускорителя электронов на 5 МэВ (ЛУЭ-5). Первый микротрон имел недостаточную энергию,
надежность и стабильность. В 1969 году введен в эксплуатацию микротрон на энергию 6,4 МэВ с
рабочим током до 35 мА/имп., длительностью 4 мксек, возможностью магнетрона работать единичными импульсами и с хорошими эксплуатационными характеристиками. Средний срок службы катодного узла микротрона от сборки до сборки составлял ранее (100 ÷ 120) час. В результате
усовершенствования срок службы катодного узла последней сборки уже составил 950 час и микротрон до сих пор продолжает стабильно работать. Использование микротрона в качестве инжектора и исследование его работы проводилось под руководством П.М. Щанина при активном участии М.Т. Шивырталова, В.К. Смоленцева и др.
В 1985 г. разработан, запущен и исследован микротрон на 6,4 МэВ с инжекцией радиального
типа от внешнего источника с энергией (150 ÷ 180) кэВ, позволяющий ускорять поляризованные
и неполяризованные электроны для целей инжекции в синхротрон и для прикладных работ. Микротрон с внешней инжекцией (МВИ) обладает повышенной надежностью и стабильностью, возможностью работать при вакууме 1·10-3 Па (7,5·10-6 мм рт. ст.) и токе до 60 мА/имп. Предложен и
реализован группирователь электронов, формирующий сгустки фазовой шириной (20 ÷ 30)0, немоноэнергетичностью 0,3 % и возможностью ускорения частиц до 200 мА/имп. Осуществлен также вывод электронов из тракта инжекции с кинетической энергией 6,0 МэВ и импульсным током
(5 ÷ 30) мА/имп. Диаметр пучка на выходе из ускорителя равен 20 мм, а на расстоянии 200 мм от
выходного окна – 40 мм. На частоте повторения 50 Гц средний ток составляет 8 мкА, мощность
пучка 48 Вт. Идея создания МВИ, его разработка и исследование принадлежит Э.Г.Галю. Им же
был осуществлен вывод пучка и измерены его параметры. В дальнейшем был сделан тракт транспортировки выведенного пучка, на котором проводятся самостоятельные научноисследовательские работы.
Название статьи
3
Первоначально вакуумная система была основана на плунжерных и паромасляных высоковакуумных насосах средней производительности. Основные недостатки – большое потребление
э/энергии (десятки киловатт), сложность обслуживания и наличие масла в откачиваемом объеме. В
1981 году паромасляные насосы были заменены на турбомолекулярные (ТМН-500) и электроразрядные серии НМДО (НОРД-250). В откачиваемом объеме 4,2 м3, имеющем большое количество
непрогреваемых резиновых и клееных соединений, фарфор, рабочий вакуум составляет не хуже
4,0·10-4 Па (3·10-6 мм рт.ст.). Срок службы насосов НОРД-250 составил более 75 тыс. часов, однако в настоящее время большинство из них требует замены. Их достоинствами являются низкое
давление, экономичность, простота обслуживания и отсутствие масла в откачиваемом объеме при
аварийном отключении электроэнергии. Насосы ТМН-500 до сих пор находятся в хорошем состоянии. Разработка вакуумной системы выполнена А.Г. Власовым, её эксплуатация и особенно модернизация осуществлялась И.В. Димовым и Ю.К. Пастуховым. Время откачки камеры ускорителя с атмосферы состаляло 5÷6 часов и около 2-х часов с остаточного давления, что в 2 раза меньше, чем при использовании паромасляных насосов.
Основные идеи создания ускоряющей ВЧ-системы принадлежат Б.А Солнцеву, которые заключаются в получении высокостабильного ускоряющего напряжения с модуляцией по определенному закону. Разработка и исследование выполнены Н.А. Лашуком, а модернизация и эксплуатация совместно с В.И. Толмачевым. Установлен новый высокодобротный резонатор на частоту
36,5 МГц, стендовые испытания которого с оконечной ступенью на генераторных тетродах ГУ53А позволили получить ВЧ- напряжение на зазоре резонатора 250 кВ, что достаточно для ускорения электронов до 1500 МэВ. Используется частотно-модулированный возбудитель при захвате
частиц в ускорение и сбросе их на мишень, что позволяет улучшить выходные характеристики
тока.
Автоматизация научных исследований проводилась в несколько этапов, однако наиболее
приближенной к управлению синхротроном была АСНИ в режиме «Контроль» и «Совет», выполненная под руководством В.А. Кочегурова. Отсутствие специализированных датчиков на синхротроне не позволили провести исследования в полном объеме и получить результаты на перспективу.
С целью исследования новых видов излучения и расширения физических возможностей синхротрона был осуществлен «медленный» вывод электронов из синхротрона. Выполнение этой работы потребовало модернизации вакуумной камеры и создания новой системы вывода пучка
большой длительности. Вывод пучка основан на возбуждении резонанса 3Qr = 2 полюсными обмотками на «плато» магнитного поля, включением септум-магнитов в I и II квадрантах и выводом
пучка электронов в III квадранте. Эффективность вывода составила (50 % ÷ 60 %) на энергии (500
÷ 600) МэВ и 45 % при 800 МэВ. Неоднородность пучка не боле 20%, длительность вывода (5 ÷
20) ·10-3 сек. Вывод осуществлен под руководством В.А. Визиря при активном участии Л.Д. Бутакова и П.П. Красноносеньких.
Для выполнения перспективных фундаментальных исследований в области околопорогового
фотообразования пионов на протонах и легчайших ядрах необходимы пучки ускоренных электронов с энергией (350 ÷ 600) МэВ, длительностью импульса излучения до (8 ÷ 10)·10 -3 сек и током
до 60 мА/имп. С другой стороны, проведение нучно-исследовательских работ с использованием
синхротронного излучения возможно на энергиях не менее 800 МэВ, длительностью излучения
более 20·10-3 сек при максимально большом токе. Реализация этих планов возможна лишь после
модернизации синхротрона «Сириус», предусматривающей увеличение ускоренного тока и частоты повторения циклов, улучшение формы сброса частиц на мишень, а также увеличение надежности и стабильности работы. Потребуется разработка новых систем и большой объем ремонтнопрофилактических работ. На схеме питания требуются испытания и замена конденсаторов ИМ3100 в генераторе импульсов тока, которые работают в режиме заряд-разряд с частотой 200 Гц. К
схеме управления, защиты и стабилизации напряжения на накопителе предъявляются повышенные требования. Необходимы также новые разработки, включая точное измерение импульсного
магнитного поля в широком диапазоне (50 ÷ 5000) ·10-4 Тл.
Из экономических соображений желательна работа синхротрона в режимах КЦ и ДЦ, каждый
из которых имеет свои достоинства и недостатки. Необходимы дополнительные исследования режимов КЦ.
Увеличение ускоренного тока синхротрона примерно в 2 раза по сравнению с существующим
предполагает на первом этапе увеличение рабочего тока микротрона-инжектора на 6,4 МэВ до 60
4
И.О.Фамилии авторов
мА/имп., улучшение условий ввода и увеличения накопления частиц при многооборотной инжекции до 300 мА, оптимизации работы системы с использованием АСНИ-инжекция.
На втором этапе необходимо увеличение коэффициента ВЧ-захвата частиц, ускорение с минимальными потерями и стабильным ВЧ-сбросом на внутреннюю мишень. Существующая ускоряющая ВЧ-система не отвечает в полной мере этим требованиям. Время нарастания начального
напряжения значительно больше, чем необходимо из условий «мгновенного» захвата электронов в
ускорение, прямое прохождение ВЧ-мощности в схемах генератора с общей сеткой ограничивает
возможности оптимального регулирования напряжения, паразитная амплитудная модуляция затрудняет сброс пучка по линейному закону. Большие добротность и шунтовое сопротивление существующего резонатора приемлемы для ускорения и сброса пучка при высоких энергиях.
При энергиях, когда радиационное излучение мало, возникают серьезные трудности совмещения стабильного ускорения и сброса частиц на внутреннюю мишень. В диапазоне энергий (350
÷ 600) МэВ радиационные потери изменяются от 170 до 2700 эВ. Управлять такими величинами
напряжений в высокодобротных системах очень сложно, принимая во внимание взаимодействие
пучка электронов с резонатором. Это актуально также при работе синхротрона на энергиях 450
МэВ и 800 МэВ в КЦ и ДЦ соответственно. Оптимальная величина напряжения ВЧ-захвата на
обеих энергиях одинакова. При скорости роста магнитного поля 7,5 Тл/сек составляет 3500 В и
должна регулироваться в пределах (2000 ÷ 8000) В. Условия «мгновенного» захвата частиц в
ускорение обеспечиваются в случае, когда время установления напряжения мало по сравнению с
периодом фазовых колебаний, равным ~ 6 мксек, и когда максимальная амплитуда радиальных
синхротронных колебаний равна допустимой амплитуде бетатронных колебаний, равной 5,5 см. В
этом случае время установления начального напряжения ВЧ-захвата должно быть около 1 мксек,
которое соответствует скорости роста 1 кВ·мксек-1. Обеспечение требуемого времени установления начального ВЧ-напряжения возможно в случае форсирования генератора по мощности на
старте и применением резонатора с относительно низкой добротностью. В случае, когда добротность 3000, шунтовое сопротивление 60 кОм, напряжение 5 кВ и время 5 мксек – стартовая мощность равна около 10 кВт, а при времени 2,5 мксек – 24 кВт. Это при возбуждении скачком э.д.с., а
в случае экспоненты может потребоваться значительно большая стартовая мощность. Напряжение
ВЧ-сброса на энергиях 450 МэВ и 800 МэВ одного порядка с ВЧ-захватом и равно 1,3 кВ и 8,6 кВ,
соответственно. При этом напряжение должно уменьшаться до нуля по определенному закону.
При ускорении электронов от 6,4 МэВ (инжекция) до 20 МэВ рабочая область уменьшается
на 20 %, поэтому желательно применение частотной модуляции в начале ускорения в течение
2,0·10-3 сек. Огибающая ВЧ-напряжения не должна иметь возмущений, увеличивающих амплитуду синхротронных колебаний, приводящих к потере частиц и ухудшающих сброс пучка. Это требование относится и к возмущениям магнитного поля.
Получение ускоренного тока в синхротроне до 60 мА·имп-1 при реальных характеристиках
инжектируемого тока и коэффициенте захвата 0,21 во второй этап ускорения потребует очень серьезной модернизации и настройки синхротрона. Особенно это относится к ВЧ-системе, которая, в
основном, должна обеспечивать требуемые характеристики пучка электронов для экспериментов.
За 40 лет после запуска синхротрона всего выработано более 100000 часов пучкового времени, включая физические исследования, исследование работы синхротрона и на модернизацию.
Синхротрон работал, в основном, на энергиях 900 МэВ с длительностью излучения до 20·10-3 сек
и 500 МэВ - до 8,0·10-3 сек. Рабочий ток был от единиц до 30 мА/имп. Потребляемая мощность на
энергии 900 МэВ и частоте повторения циклов 4 Гц – 820 кВт ДЦ, на 500 МэВ и 5 Гц – 300 кВт
КЦ.
Некогда очень большой коллектив (70 человек в 1981 г.), который занимался обслуживанием,
ремонтно-профилактическими работами и модернизацией к 1995 году уменьшился до 7 человек, а
в настоящее время он составляет всего 4 человека, в том числе один в.н.с. , один с.н.с., один нач.
службы и один инженер.
В принципе, синхротрон находится в таком состоянии, когда финансирование и кадры позволят дать ему второе дыхание и проводить на нем фундаментальные исследования на высоком
научном уровне.
Много труда, умения и знаний в создание, модернизацию, эксплуатацию и поддержание синхротрона в рабочем состоянии вложили: Г.И. Димов, Г.П. Фоменко, В.К. Кононов, Г.А. Сипайлов,
В.В. Ивашин, И.Ф. Крымский, П.П. Красноносеньких, В.Н. Епонешников, Ю.К. Петров, В.А Визирь, В.А. Кочегуров, В.М. Кузнецов, Г.Ф. Кирюхина, И.М. Корбакова, И.Ф. З.Ш. Фасхутдинов,
Название статьи
5
Н.П. Ларина, Б.А. Солнцев, Н.А. Лашук, Л.Д. Бутаков, В.И. Толмачев, А.Г. Власов, П.М. Щанин,
И.В. Димов, М.И. Дворецкий, Ю.К. Пастухов, М.Т. Шивырталов и многие другие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
И . П . Ч у ч а л и н , Г . И . Д и м о в , Г . А . С и п а й л о в , Б . А . С о л н ц е в , В . А . В и з и р ь . Синхротрон
ТПИ на 1,5 ГэВ. Под редакцией И.П. Чучалина.
1НИИ
Ядерной физики, 634050, Томск.
сильноточной электроники СО РАН, 634055, Томск.
3Томский политехнический университет, 634050, Томск.
4ООО НПФ «Микран», 634034, Томск
2Институт