Современное состояние линейного ускорителя ионов водорода Московской мезонной фабрики (ММФ) ИЯИ РАН

Схема сильноточного линейного ускорителя ионов водорода ММФ показана на рис. Инжекторный комплекс состоит из двух инжекторов - протонов и отрицательных ионов водорода - на энергию 750 кэВ на основе ускорительных трубок и высоковольтных импульсных трансформаторов. На выходе ускорительных трубок импульсный ток каждого знака заряда достигает 100-200 мА при проектной длительности импульса 100 мкс и частоте повторения 50 Гц. Система из трех поворотных магнитов обеспечивает для каждого пучка два поворота на 45° и их совмещение в едином створе на третьем участке канала инжекции. На этом участке в дополнение к первоначальному проекту установлена бустерная ускоряющая секция RFQ на частоте 198,2 МГц, рассчитанная на доускорение пучков от энергии 400 кэВ до 750 кэВ.

Ввод в действие бустерной секции RFQ позволил увеличить надежность работы инжекторов при энергии 400 кэВ вплоть до максимальной частоты повторения импульсов 100 Гц, а также увеличить длительность импульса инжектируемого пучка до 190 мкс без насыщения железа высоковольтного импульсного трансформатора. На выходе RFQ каждый макроимпульс пучка содержит около 3,6*10⁴ сгустков длительностью порядка 0,8 нc. Согласование 6-ти мерного фазового объема пучка с аксептансом линейного ускорителя производится с помощью системы четырех квадрупольных линз и группирователя на частоте 198,2 МГц. Для повышения захвата на входе в RFQ установлен второй группирователь на той же частоте.

Согласованный пучок инжектируется в начальную часть ускорителя, состоящую из пяти резонаторов с трубками дрейфа, работающих на частоте 198,2 МГц и ускоряющих ионы до энергии 100,1 МэВ. При этой энергии пучок инжектируется в основную часть ускорителя, в состав которой входят 27 ускоряющих резонаторов на основе ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами, работающих на частоте пятой гармоники 991 МГц и скомпонованных по энергопитанию и автоматизированному управлению в три сектора по 9 резонаторов с энергией на выходе 247,32 МэВ, 423,04 МэВ и 602,03 МэВ. Высокочастотное питание резонаторов начальной части обеспечивается шестью триодными генераторами, а основной части - 32 клистронными генераторами с импульсной мощностью 5 МВт и 4,7 МВт соответственно.

При энергии 160 МэВ имеется промежуточный вывод пучка в прилегающий зал с ловушкой на 100 мкА среднего тока. Фокусировка ускоряемого пучка осуществляется 196 квадрупольными линзами в трубках дрейфа и 120 квадрупольными дублетами между ускоряющими секциями основной части ускорителя. Средний вакуум в ускорительном тракте составляет 5*10^-8 мм рт.ст. Общая длина ускорителя - 450 м. Проектная величина среднего тока на выходе ускорителя составляет 500 мкА. Максимальное значение коэффициента заполнения пучка 1,9%.

В настоящее время наладка и эксплуатация ускорителя ведутся с использованием инжектора протонов. Проведены также испытания инжектора ионов Н- с пучком.

В ходе поэтапной наладки протонный пучок ускорен до энергии 500 МэВ. В настоящий момент энергия ограничивается количеством имеющихся мощных усилительных клистронов КИУ-40 и возможностями предприятия-поставщика. Персоналом ускорителя проведена наладка в номинальном режиме последующих резонаторов с использованием переносного клистрона.

Введена в действие автоматизированная система измерения потерь ионов, что позволило снизить интегральные потери до уровня 0,1 % и дало возможность увеличить средний ток протонов до 120 мкА. Максимальная величина импульсного тока при энергии 500 МэВ достигает 20 мА.

Освоена плавная регулировка энергии ускоренного пучка при точности измерения энергии времяпролетным методом ±0,2%. Создан уникальный прибор для измерения продольной плотности частиц в сгустке и абсолютной величины скорости пучка являющийся know-how ИЯИ РАН, успешно используемый на ускорителе ММФ, а также разработанный специалистами ИЯИ РАН для ряда зарубежных лабораторий Германии, США, Японии и ЦЕРН.

Введен в строй и используется во времяпролетных экспериментах с нейтронами формирователь коротких импульсов пучка с длительностью от 0,1 мкс до 1,0 мкс на основе линии задержки, располагаемый в инжекционном тракте.

Спроектирован и построен канал вывода пучка с энергией 160 МэВ на мишень для производства изотопов. С помощью двух фокусирующих дублетов, корректирующих магнитов и согласующего резонатора, компенсирующего энергетический разброс частиц, на изотопной мишени сформирован пучок с размерами 20 мм по горизонтали и 17 мм по вертикали, содержащий 98% среднего тока 100 мкА.

Ядерно-физические эксперименты проводятся во временной экспериментальной зоне в конце туннеля ускорителя при энергиях от 160 МэВ до 423 МэВ при среднем токе пучка до 1 мкА и скважности 1,7%.

Регулярная работа ускорителя на физические и прикладные задачи началась в 1993 году. С этого времени по 2005 год включительно проведено 63 сеанса общей продолжительностью 27,5 тысяч часов, в том числе за последние годы: 1999 год - 2300 часов (5 сеансов), 2000 год - 1800 часов (8 сеансов), 2001 год - 2400 часов (7 сеансов), 2002 год- 1380 часов (6 сеансов), 2003 год - 2400 часов (7 сеансов), 2004 год - 2200 часов (7 сеансов) и 2005 год - 1920 часов (6 сеансов).