Формування та прискорення електронних пучків високої яскравості в інжекторних системах лінійних резонансних прискорювачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

“ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.384

Формування ТА прискорення електронних пучків високої яскравості в інжекторних системах лінійних резонансних прискорювачів

01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Кушнір Володимир Абрамович

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному комплексі "Прискорювач" Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” Національної Академії наук України

Науковий консультант доктор фізико-математичних наук, професор Довбня Анатолій Миколайович, Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, директор

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Бомко Василь Олексійович, Інститут плазмової електроніки і нових методів прискорення Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, провідний науковий співробітник;

доктор фізико-математичних наук, професор Ваврів Дмитро Михайлович, Радіоастрономічний інститут НАН України, завідувач відділом електронних НВЧ приборів;

доктор фізико-математичних наук, професор Чурюмов Генадій Іванович, Харківський Національний Університет радіоелектроніки, професор кафедри фізичних основ електронної техніки.

Провідна установа: Інститут ядерних досліджень НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “18” жовтня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного наукового центру “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розісланий “ 8 ” вересня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _________________Айзацький М.І.Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Створені спочатку як установки для проведення наукових досліджень у галузі фундаментальної фізики зараз прискорювачі заряджених частинок використовуються в найрізноманітніших галузях прикладної науки і техніки. Очевидно, що в розвитку сучасного виробництва наукоємкі, екологічно чисті технології починають займати вирішальне положення. Тому прискорювачі заряджених частинок, як складова частина технологічних процесів цього рівня, знаходять усе більш практичне застосування в усіх економічно розвинутих країнах світу, у тому числі в Україні.

Одним з типів прискорювачів, що отримали значне розповсюдження в науці і техніці, є лінійні резонансні прискорювачі електронів (ЛПЕ). Пучки на виході ЛПЕ можуть при значній інтенсивності мати енергію частинок, яка недосяжна для прискорювачів електронів інших типів, малий емітанс й незначний енергетичний розкид частинок. Це дає можливість використовувати ЛПЕ для проведення цілого ряду фізичних досліджень у різних галузях науки, зокрема в атомній і ядерній фізиці, у вивченні взаємодії релятивістських електронів з кристалами, плазмою, лазерним випромінюванням для генерації електромагнітних коливань тощо. При використанні мішеней, які бомбардуються пучком, ЛПЕ можуть служити джерелом потужних потоків -випромінювання та нейтронів, що визначило широке застосування цих прискорювачів для радіаційної фізики металів, активаційного аналізу, виробництва ізотопів, променевої терапії, дефектоскопії, стерилізації й реалізації інших радіаційних технологій. Для проведення сучасних наукових досліджень і розв'язання прикладних задач необхідні інтенсивні пучки з малим енергетичним розкидом частинок і високою яскравістю. Значною мірою ця тенденція підвищення вимог до якості пучка була ініційована розробкою лазерів на вільних електронах (ЛВЕ) і лінійних колайдерів, а також значним інтересом до досягнення екологічної чистоти радіаційних технологій з використанням прискорювачів електронів.

Для деяких експериментальних установок, що базуються на застосуванні ЛПЕ, яскравість електронного пучка має визначальний характер. Наприклад, у ЛВЕ коефіцієнт посилення, потужність і ширина лінії випромінювання визначаються інтенсивністю та емітансом електронного пучка. Саме тому пучки на виході ЛПЕ - інжекторів ЛВЕ повинні мати надзвичайно високе значення нормалізованої яскравості пучка (10¹¹ - 10¹³ А/м²рад²). Для цілого ряду дослідницьких прискорювальних установок збільшення яскравості пучка та зменшення енергетичного розкиду хоча й не є визначальними, однак суттєво підвищують ефективність досліджень у галузі ядерної фізики, фізики взаємодії електронних пучків з кристалами, плазмою й електродинамічними структурами. Зокрема, зменшення емітансу пучка й енергетичного розкиду електронів дозволяє зменшити радіаційний фон і підвищити достовірність результатів експериментів, пов'язаних з реєстрацією випромінювання.

Інші міркування лежать в основі вимог до збільшення яскравості пучків на виході прискорювачів прикладного призначення. Важливість цієї характеристики пучка не така очевидна, як для наведених вище дослідницьких установок. У той же час існують серйозні причини, які спонукають розробників прискорювачів звертати все більшу увагу на проблему формування пучків з високою яскравістю. Так, наприклад, прискорювачі електронів для променевої терапії повинні мати високу надійність і стабільність прискореного пучка. Втрати частинок пучка через незадовільні просторово-кутові характеристики й енергетичний розкид частинок пучка неприпустимі, оскільки вони призводять до появи небажаного радіаційного фону. Особливого значення набуває яскравість електронних релятивістських пучків при середній потужності пучка понад 10³ Вт. Такі пучки знайшли застосування для проведення експериментів у галузі радіаційного матеріалознавства, напрацювання ізотопів для медичних цілей, стерилізації різних виробів, радіаційної обробки матеріалів. Втрата частинок і відповідне випромінювання в цьому випадку призводить не тільки до необхідності додаткового радіаційного захисту, але й до радіаційного забруднення та пошкодження обладнання.

Таким чином, основна тенденція розвитку галузей експериментальної фізики, що використовують релятивістські електронні пучки, а також застосування прискорювачів у галузі високих технологій зумовлюють необхідність і доцільність проведення дослідження фізичних процесів формування і прискорення електронних пучків з високою яскравістю. Успіхи роботи в цьому напрямі, з одного боку, розширюють можливості прискорювачів як інструментів сучасної науки, з другого зумовлюють досягнення екологічної чистоти радіаційних технологій, що робить їх використання безпечним, ефективним і економічно доцільним.

Особливості формування характеристик пучка в ЛПЕ полягають у тому, що електрони швидко прискорюються в структурі й на відстані в декілька довжин хвиль стають релятивістськими. Тому для отримання на виході лінійного прискорювача пучка з високою яскравістю й малим енергетичним розкидом частинок необхідно вже в інжекторній системі сформувати послідовність щільних електронних згустків з великим зарядом і малим поперечним емітансом. При збільшенні струму пучка досягнення цієї мети в традиційних інжекторах ЛПЕ зустрічає принципові труднощі, які пов'язані з дією сил об'ємного заряду. Це обмеження значною мірою знімається в інжекторних системах, які засновані на застосуванні високочастотних джерел електронів (ВЧ гармат). У ВЧ гарматах емітер електронів розташовано безпосередньо в порожнині резонатора з напруженістю НВЧ поля понад 10⁷ В/м. У той же час широке використання ВЧ гармат у лінійних прискорювачах різного призначення вимагає детального дослідження фізичних процесів емісії, угрупування і прискорення електронів. Проведення цих досліджень спрямоване на підвищення яскравості електронних пучків на виході прискорювачів, що застосовуються в різних галузях науки і техніки, і є важливим і своєчасним напрямком науково-дослідної діяльності.

Таким чином, тема дисертаційної роботи "Формування та прискорення електронних пучків високої яскравості в інжекторних системах лінійних резонансних прискорювачів" є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в Науково-дослідному комплексі “Прискорювач” Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" НАН України. Дослідження і розробки, результати яких наведені в дисертації, пов'язані з тематикою ННЦ ХФТІ і виконувалися в рамках Державних програм: "Програма робіт з атомної науки і техніки Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" на період 1992 - 2000 рр." (Постанова Кабінету Міністрів України №558 від 20.07.1993 р.), "Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки Національного наукового центру "Харківський фізико-технічний інститут" до 2005 року" (Розпорядження Кабінету Міністрів України № 421-р від 13.09.2001 р.), а також у рамках тем НДР: "Теоретичне моделювання і експериментальне дослідження динаміки процесів колективної взаємодії в багатосекційних резонансних ЛПЕ" (1988, №ГР У38601), "Теоретичні, експериментальні і дослідно-конструкторські роботи із створення лінійного прискорювача електронів - інжектора технологічного джерела СВ - СКН-600" (договір № 80/89-35), "Теоретичне і експериментальне дослідження фізичних процесів і динаміки частинок у прискорювачі "Лазерний інжекторний комплекс" (ЛІК)" (08/35, 1997-1998 рр), проекту ДКНТ України № 09.02.01/014-92, проектів Державного фонду фундаментальних досліджень № № 2.4/673, 2.5.1/39.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення яскравості електронних пучків при їхньому формуванні у високочастотних джерелах електронів і прискорюючих структурах інжекторних систем і створення на основі результатів досліджень прискорювачів з якісно новими характеристиками для рішення фундаментальних і прикладних задач. Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовано й розв'язано такі задачі:

· створення фізично обґрунтованої експериментальної бази для проведення комплексних експериментальних досліджень інжекторних систем ЛПЕ, що включають дослідження характеристик електронних пучків і електродинамічних характеристик НВЧ резонаторів та прискорюючих структур;

· вивчення фізичних процесів формування електронних згустків в інжекторних системах, які засновані на використанні високочастотних джерел електронів з фотоемісійними і термоемісійними катодами;

· дослідження динаміки частинок у прискорюючих структурах інжекторних систем лінійних прискорювачів;

· розробка фізично обґрунтованої концепції побудови лінійних прискорювачів, які використовують запропоновані інжекторні системи з високочастотними джерелами електронів:

· розробка і створення прискорювачів з високочастотними джерелами електронів, експериментальне дослідження динаміки частинок і характеристик пучка.

Об'єктом дослідження є взаємодія електронів з електромагнітним високочастотним полем.

Предметом дослідження є емісія, угрупування та прискорення електронів у високочастотних полях об'ємних резонаторів і прискорюючих структур. згусток електронний катод інжекторний

Методи дослідження. При розв'язанні наведених вище задач головним чином використані чисельні та експериментальні методи дослідження, у тому числі:

для дослідження характеристик пучків - метод чисельного моделювання динаміки частинок з урахуванням сил об'ємного заряду та експериментальні методи вимірювання енергетичних, просторових і часових характеристик пучка;

для дослідження електродинамічних характеристик резонансних систем - метод, заснований на чисельному розв'язанні рівнянь Максвелла із заданими граничними умовами й методи НВЧ вимірювань просторового розподілу поля, добротності, власних частот і коефіцієнтів зв'язку.

Експериментальні дослідження проведені як на спеціально створених установках і стендах, так і на діючих прискорювачах. Частина експериментальних методів вимірювання, що використуються в дослідженні, розроблена автором. У роботі застосовано комплексний підхід до отримання інформації, коли чисельні та експериментальні методи використуються одночасно й доповнюють один одного.

Наукова новизна. У результаті розв'язання поставлених вище задач автором отримані нові дані щодо закономірностей емісії, угрупування та прискорення електронів у високочастотних джерелах частинок і їх подальшого прискорення на початковій частині прискорювача. При цьому:

1. Уперше досліджено процес фотоемісії електронів під дією ультрафіолетового лазерного випромінювання з поверхні металопористих оксидних катодів, що розташовані в порожнині НВЧ резонатора, в умовах дії на поверхню катода НВЧ поля з напруженістю понад 10⁷ В/м.

1.1 Встановлено, що квантова ефективність катода в цих умовах більш ніж на порядок перевищує квантову ефективність чистих металів і досягає 10^-3, а густина струму фотоемісії перевищує 10² А/см². Це дає можливість використовувати металопористі оксидні катоди у ВЧ гарматах лінійних прискорювачів електронів з високою яскравістю пучка.

1.2 Експериментально вивчено енергетичні й часові характеристики пучка на виході ВЧ гармати з оксидним металопористим фотоемісійним катодом. Отримано лінійний фазо-енергетичний розподіл частинок і здійснено компресію електронного згустку. Уперше продемонстровано ефективність використання ВЧ гармати з оксидним металопористим фотокатодом в якості інжектора лінійного прискорювача електронів.

1.3 Експериментально і методом чисельного моделювання показано можливість одночасного отримання на виході ВЧ гармати пучків, відповідних різним механізмам емісії, що дає змогу створення прискорювачів нового класу з двокомпонентним прискореним пучком.

2. Отримано нові дані о фізичних процесах, які пов'язані з бомбардуванням катода високочастотних гармат потоком електронів.

2.1 Аналітично й методом чисельного моделювання вперше встановлено зв'язок зміни температури поверхні термоемісійного катода, його теплофізичних характеристик і динаміки частинок у резонансній системі ВЧ гармати. Показано, що у ВЧ гарматах з термоемісійним катодом при порівняних значеннях тривалості імпульсу _і і R²/4 (R-екстрапольований пробіг електронів - коефіцієнт температуропровідності) зміна температури поверхні катода внаслідок бомбардування електронами визначається їх енергетичним розподілом.

2.2 Виявлено і досліджено нестійкість, спричинену локальним розігрівом поверхні фотоемісійного оксидного катода, що приводить до появи струму термоемісії й підвищення температури за рахунок поглинання потоку бомбардуючих поверхню електронів. На підставі цих досліджень сформульовано вимоги до характеристик лазерної системи й матеріалу катода.

2.3 Виявлено й експериментально досліджено нестійкість роботи ВЧ гармати з термоемісійним металопористим оксидним катодом у разі, коли потужність потоку електронів, що бомбардують катод, порівняна з потужністю підігріву катода. З'ясовано причину нестійкості. Отримані дані дозволяють сформулювати критерії вибору характеристик термоемісійного катода ВЧ гармати залежно від необхідних параметрів пучка.

2.4 Експериментально виявлено та досліджено вторинну емісію електронів з поверхні катода ВЧ гармати, що виникає під впливом частинок, які не захоплені в режим прискорення. Встановлено, що вторинноемісійний режим роботи ВЧ гармати є стійким. Доведено можливість створення нового типу високочастотних джерел електронів для лінійних резонансних прискорювачів.

3. Уперше експериментально досліджено поперечну нестійкість пучка в кусочно-однорідній прискорюючий структурі з підсекціями, які розрізняються характеристиками на аксіально-несиметричних ЕН хвилях. Показано, що величина критичного струму суттєво вище (в 16 разів) порівняно з секцією з постійною геометрією та схожими електродинамічними характеристиками.

4. Запропоновано, фізично обґрунтовано й підтверджено експериментально концепцію побудови універсальних високочастотних джерел електронів з різними механізмами емісії й регульованим розподілом НВЧ поля на осі резонансної системи. Проведено експериментальне дослідження параметрів пучка створеного за цією концепцією універсального прискорювача електронів. Доведено, що запропоноване рішення є простим і ефективним. Воно дозволяє одержувати нормалізовану яскравість пучка понад 10⁹ А/м²рад², що більш ніж на порядок перевищує значення цього параметра на виході традиційних одночастотних інжекторних систем.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати наукових досліджень, що склали основу дисертації, мають безпосереднє відношення до створення прискорювачів електронів для проведення експериментальних робіт у галузі фізики й для реалізації радіаційних технологічних процесів. Частина з цих результатів уже використовується в діючих прискорювачах, що підтверджує їх практичну значущість. Зокрема, найбільше практичне значення мають:

- результати досліджень і розробки високочастотних джерел електронів з різними типами катодів, які використані при створенні прискорювального комплексу ЛІК - багатоцільової дослідницької установки. На цій установці проводяться експериментальні роботи в галузі взаємодії пучків електронів з плазмою, генерації електромагнітного випромінювання та інші експерименти, що вимагають релятивістських електронних пучків з нормалізованою яскравістю понад 10⁹ А/м²рад²;

- результати дослідження динаміки частинок і ефекту бомбардування катода в термоемісійних ВЧ гарматах, які використані при створенні прискорювачів з прецизійними характеристиками пучка: інжектора лазера на вільних електронах (BFEL) у Пекінському Інституті фізики високих енергій (Пекін, Китай) і прискорювачів електронів серії ЛПЕ-60;

- результати дослідження радіальної динаміки частинок у прискорюючих секціях з кусочно-однорідною структурою, які знайшли застосування при створенні прискорювачів серії ЛПЕ-60, а також прискорюючих систем прискорювачів ЛП-40м та ЛПЕ-60м;

- результати розробки методів вимірювань, відповідної апаратури й експериментального обладнання, які використовуються в цей час і будуть використовуватися надалі при створенні й дослідженні інжекторних і прискорюючих систем ЛПЕ.

Основні результати, що одержані в роботі, використовуються в ННЦ ХФТІ при розробці нових прискорювачів з високою яскравістю пучка. Ці результати представляють практичний інтерес і можуть знайти застосування також в інших прискорювальних лабораторіях світу, у тому числі: НДІЕФА, МІФІ, ОІЯД, ІЯФ, ФІАН, (Росія), Пекінський інститут високих енергій (Китай), SLAC, BNL, LANL (США), KEK (Японія).

Особистий внесок автора. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, які були ініційовані автором або виконані під його керівництвом та при його безпосередній участі. В основних роботах за темою дисертації, що наведені в авторефераті, особистий внесок автора полягає в наступному. Автор особисто провів аналіз стану досліджень у галузі формування електронних релятивістських пучків високої яскравості [24, 26], на підставі якого їм визначені тема, мета й основні наукові задачі дисертації. Автор сформулював наукову задачу, здійснив планування й особисто брав участь в експериментальних дослідженнях на всіх етапах: процесу вторинної емісії в термоемісійних ВЧ гарматах [4], процесів формування пучка у фотоемісійних ВЧ гарматах [15, 18, 39], генерації випромінювання Сміта - Парселла й можливості його використання для виміру довжини згустків [14, 34, 40], процесів взаємодії частинок з полем несинхронних гармонік у прискорюючій структурі із зустрічною хвилею [1], методу вимірювання фазо-енергетичного розподілу частинок [17], синхронізованого автогенератора [16]. Авторові належить постановка й вибір підходу до рішення задачі про нестаціонарні температурні режими катода ВЧ гармати [25], ним запропоноване застосування у ВЧ гарматах термоемісійних металевих [6] і плазмових металодіелектричних [19] катодів. У роботах [8, 11] автором особисто проведені розрахунки поперечного відхилення електронів, розроблені, створені й досліджені резонансні структури для НВЧ розгорнення пучка. Автором у роботі [10] запропонована резонансна система ВЧ гармати сантиметрового діапазону. У роботі [12] автор запропонував принцип і спосіб реалізації регулювання розподілу електричного поля в універсальній ВЧ гарматі з електричним типом зв'язку між резонаторами. Він керував роботами і брав активну участь у розрахунках і експериментальному дослідженні гармати [30, 31, 42]. У роботі [5] автор запропонував методику експериментального дослідження поперечної нестійкості пучка в секціях з кусочно-однорідною структурою й особисто провів виміри критичного струму пучка. Особистий внесок автора в роботи [7, 13] полягає в керівництві й особистій участі в дослідженні електродинамічних характеристик і настроюванні структур. У роботі [2] ним обґрунтована загальна схема й вибір основних елементів універсального прискорювача ЛІК, він разом зі співробітниками провів комплексне дослідження процесів формування і прискорення пучка. У роботі [3] автору належить фізичне обґрунтування джерела електронів та інжекторної частини прискорювача, він особисто створив макет ВЧ гармати й одержав дані про розподіл електричного поля. Особистий внесок автора в роботу [9] полягає в керівництві й особистій участі в усіх дослідженнях у ході створення ВЧ гармати та прискорювальної системи. Під його керівництвом та при особистій участі проведено експериментальне дослідження характеристик прискорювача [28, 29]. Під керівництвом автора й за його безпосередньої участі в роботі [20] виконано дослідження довжини електронних згустків на виході інжекторної системи. Ним досліджено залежність розподілу поля від розмірів резонаторів структури [21]. Особистий внесок автора в роботу [22] полягає в експериментальному дослідженні залежності власної частоти резонатора від кількості припою. У роботі [23] автор особисто здійснив експериментальну перевірку запропонованого рішення.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати доповідалися й обговорювалися на Міжнародних конференціях і семінарах з фізики прискорювачів, фізики пучків заряджених частинок і радіофізики, у тому числі на European Patricle Accelerator Conferences (EPAC) (1996 - Sitgec (Barcelona), 2002 - Paris); Particle Accelerator Conferences (PAC) (1997 - Vancouver, Canada, 2001 - Chicago, USA); XVIII International linear Accelerator Conference (Geneva, Switzerland, 1996); 12Th International Conference on High-Power Particle Beams (Haifa, Israel, 1998); Second Asian Particle Accelerator Conference (APAC'01) (Beijing, China, 2001); International Workshop on e+ e- Sources and Pre-Accelerators for Linear Colliders (Schwerin, Germany, 1994); Всесоюзних семінарах по прискорювачах заряджених частинок (Харків, 1989; Харків, 1991); Міжнародних семінарах по лінійних прискорювачах заряджених частинок (Харків, 1995; Алушта, 1997; Алушта, 1999; Алушта, 2001; Алушта, 2003); International Workshop on JINR с-tay factory. Dubna, 1992; Нарадах по прискорювачах заряджених частинок (Дубна, 1992; Протвіно, 1994); 10-й Міжнародної конференції "НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології" (Севастополь, 2000), Fourth International Symposium “Physics and Engineering Millimeter and Sub-Millimeter Waves” (Kharkov, Ukraine, 2001).

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 45 публікаціях, з них у наукових фахових журналах 29 статей [1-20, 24-33], у матеріалах конференцій 13 доповідей [34-46]. Одержано 3 авторські свідоцтва СРСР на винахід [21, 22, 23]. Двадцять статей [1-20] і три винаходи [21, 22, 23] задовольняють сучасним вимогам ВАК України щодо публікацій, на яких ґрунтується дисертація.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 293 найменування. Загальний обсяг роботи складає 352 сторінки, з них 268 сторінок основного тексту. Дисертація містить 27 таблиць і 106 рисунків, з яких 88 рисунків і 4 таблиці повністю займають усю площу сторінки.

Основний зміст роботи

У Вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано об'єкт і предмет дослідження, мету й задачі роботи, показано наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, розкрито зв'язок роботи з науковими програмами ННЦ ХФТІ НАН України, наведено інформацію про особистий внесок автора, апробацію і ступінь опублікування результатів.

У першому розділі міститься аналітичний огляд результатів досліджень, що проводяться з метою підвищення якості пучка на виході лінійних прискорювачів електронів. Описано основні характеристики та параметри електронного пучка на виході резонансних ЛПЕ. Показано, що найбільшу інформативність має нормалізована яскравість пучка: (I_п - піковий струм пучка, _nx, _ny - поперечний нормалізований емітанс пучка, _n , де - емітанс, = v/c, - Лоренц фактор). У першому підрозділі описано основні фізичні принципи та методи формування електронних згустків у лінійних прискорювачах електронів, що використовуються в сучасній прискорювальній техніці. Наведено фактори, які визначають можливість отримання електронних пучків великої яскравості. Відзначено механізми збільшення емітансу пучка, які обумовлені дією на електрони сил об'ємного заряду й високочастотного поля, причини обмеження величини пікового струму пучка. Другий підрозділ присвячений аналізу процесів формування електронних згустків в інжекторних системах, які засновані на використанні клістронного механізму угрупування електронів і угрупування в полі НВЧ бігучої і стоячої хвилі. У системах формування згустків на робочій частоті прискорювача нормалізована яскравість пучка не перевищує 10⁸ А/м²рад². Суттєво більше значення цієї величини (до 10¹¹ А/м²рад²) досягається в багаточастотних інжекторних системах при формуванні електронних згустків на субгармоніках основної робочої частоти лінійного резонансного прискорювача. У той же час пучок на виході цих систем має великий нормалізований емітанс, понад 100 мммрад, а самі системи є дуже складними й вимагають застосування додаткового обладнання. Останнє обмежує використання цих систем у прискорювачах з енергією частинок до 100 МеВ. Альтернативним напрямом у галузі створення інжекторних систем ЛПЕ з високою яскравістю є дослідження інжекторних систем, які базуються на застосуванні високочастотних джерел електронів (ВЧ гармат). У третьому підрозділі подано огляд і порівняльний аналіз результатів дослідження й розробки ВЧ гармат з різними типами катодів. Висока яскравість пучка в цих системах (до 10¹² А/м²рад²) забезпечується за рахунок високої густини струму емісії з поверхні катода, який знаходиться безпосередньо в НВЧ полі значної напруженості (до 100 МВ/м), і формування пучка з малим емітансом. Такі джерела є порівняно простими й ефективними. Так, яскравість пучка на виході інжекторів на базі найбільш простих ВЧ-гармат з термоемісійними катодами суттєво вища, ніж на виході традиційних інжекторних систем, і досягає 10¹⁰ А/м²рад². Це дозволяє використовувати їх у прискорювачах з прецизійними характеристиками пучка для проведення фундаментальних і прикладних досліджень. У той же час цілий ряд нерозв'язаних проблем перешкоджає розширенню сфери застосування цих пристроїв. Найважливішими з них для ВЧ гармат з термокатодами є зворотне бомбардування катода, що обмежує середній струм і приводить до часової зміни параметрів пучка, а для фотоемісійних ВЧ гармат - відсутність даних про можливість використання катодів з високою квантовою ефективністю й задовільними експлуатаційними характеристиками. Четвертий підрозділ присвячений аналізу сучасного стану метрології пучків заряджених частинок - методів дослідження характеристик і вимірювання параметрів пучків. Показано, що найбільш актуальним на цей час є створення методів і відповідних пристроїв для вимірювання функції розподілу щільності частинок в згустку.

На закінчення першого розділу наведено короткі висновки про сучасний стан досліджень, які пов'язані із створенням ЛПЕ з високою яскравістю пучка, позначені напрями досліджень, розвитку яких присвячена дисертація.

У другому розділі наведено результати досліджень, які спрямовані на створення експериментальної бази. У розділі описано експериментальні методи дослідження основних характеристик пучка. Основну увагу приділено методам вимірювання функції часового розподілу щільності частинок, протяжності згустків і функції двовимірного фазо-енергетичного розподілу електронів. Подано опис розробленого обладнання і установок, які призначені для проведення комплексного дослідження інжекторних систем.

Перший підрозділ присвячено вимірюванню функції часового розподілу щільності частинок протягом періоду високочастотних коливань і визначенню фазової протяжності електронних згустків. В основі розроблених вимірювальних пристроїв лежить принцип високочастотної розгортки пучка - перетворення подовжнього розподілу частинок на їх поперечний розподіл при взаємодії пучка з поперечним високочастотним полем з лінійною або круговою поляризацією. При цьому частинки пучка отримують поперечний імпульс. Його величина й напрям відповідають часу надходження електрона в резонатор НВЧ дефлектора. Проведено розрахунки величини цього імпульсу для резонаторів різних типів з електричним типом коливань залежно від параметрів резонансної системи й характеристик пучка. Для реалізації цього принципу на підставі проведених розрахунків запропоновано, розроблено і створено вимірювальні системи, які засновані на використанні циліндрових і призматичних НВЧ резонаторів з електричним типом коливань. Уперше запропоновано й реалізовано НВЧ дефлектор, якій складається з ланцюжка зв'язаних резонаторів з типом коливань ЕН_11n, у якому із зсувом фази /2 збуджуються дві взаємоперпендикулярних поляризації поля, що дозволяє отримати кругову поляризацію відхилюючого поля. Показано, що пристрої на основі циліндрових Е₁₁₀ і ЕН_11n резонаторів з круговою поляризацією поля мають найбільшу інформативність. Комплекс створених пристроїв дозволяє проводити вимірювання фазової протяжності електронних згустків у 10-см діапазоні довжин хвиль при енергії частинок від 50 кеВ до 2 МеВ і піковому струмі пучка до 15 А. При цьому фазова (часова) роздільна здатність досягає 0.5 (510^-13сек). У дисертації проведено детальний аналіз джерел похибок вимірювань і подано оцінку меж застосовності методу. Показано, що на точність вимірювань найбільше впливає поперечний емітанс пучка.

Другий підрозділ присвячений вимірюванню двовимірного розподілу щільності частинок на фазовій площині "подовжня координата - подовжній імпульс" (z - p_z). У роботі використовуються для представлення розподілу частинок у подовжньому напрямку інші канонічні координати "фаза - енергія" ( - W), а відповідний розподіл частинок у цій площині визначається як фазо-енергетичний. У дисертації описано розроблені і створені вимірювальні установки для експериментального дослідження цього розподілу. Найбільш універсальна з них містить послідовно встановлені аналізатор-селектор енергії частинок і аналізатор їх розподілу по фазах. Аналізатор - селектор виділяє частинки з енергією W_i W. Розподіл виділених частинок по фазах вимірюється за допомогою фазового аналізатора. Фазові вимірювання виконуються послідовно для різних енергій W_i у всьому енергетичному діапазоні. Така структура вимірювань дозволяє визначити розподіл щільності частинок на фазовій площині при довільній формі цього розподілу. Для зменшення впливу на результати вимірювань сил об'ємного заряду на вході фазового аналізатора встановлено систему коліматорів. При дослідженні електронного пучка з піковим струмом до 10 А і енергією електронів до 1 МеВ середньоквадратична погрішність вимірювання енергії й фази складають 0.5 % і 2 відповідно. Показано, що схема вимірювань може бути істотно спрощена при дослідженні пучків з однозначною залежністю енергії частинок від часу. Як випливає з результатів чисельного моделювання, такі розподіли характерні для високочастотних джерел електронів. У цьому випадку замість аналізаторів фазового розподілу можливе використання більш простих пристроїв, які визначають фазу центру важкості згустку, зокрема збуджуваного пучком об'ємного резонатора. У дисертації описано декілька розроблених і використаних варіантів схем вимірювань.

У третьому підрозділі наведено дослідження методу вимірювання фазової протяжності, який заснований на аналізі характеристик дифракційного випромінювання електронних згустків при їх взаємодії з періодичними структурами типу “гребінка” (випромінювання Сміта - Парселла). Відомо, що в цьому випадку довжина хвилі випромінювання ? і кут спостереження ? зв'язані таким чином: , де ? - приведена швидкість електрона, n - дифракційний порядок, d - період решітки. У загальному випадку інтенсивність випромінювання згустку, який містить N електронів, у тілесний кут d? можна представити у вигляді:

(1)

де кутовий розподіл спонтанного випромінювання окремого електрона, який рухається над гребінкою з нульовим прицільним параметром (b=0); F(l) - форм-фактор згустку, для Гауссова розподілу густини частинок -. Для дослідження подовжніх розмірів релятивістських згустків у дисертації запропоновано використовувати когерентне дифракційне випромінювання в напрямку, який ортогональний площині гребінки. У цьому випадку довжина хвилі випромінювання для 1 і n = 1 близька до періоду гребінки d. З іншого боку, як випливає з (1), інтенсивність випромінювання N електронів, які згруповані в згустки з лінійними розмірами ?_z d, пропорційна N². Інформація про протяжність згустка та його відносну зміну знаходиться шляхом вимірювання інтенсивності випромінювання при різних значеннях d. Виходячи з описаного принципу, вперше розроблено і створено вимірювальну установку для дослідження процесів формування згустків у ЛПЕ 10-см діапазону (рис.1).

Вимірювання, які проведені на прискорювачі з енергією частинок 13 МеВ та імпульсним струмом 1А, показали, що розроблений метод є простим і ефективним. Згідно з розрахунком, при d 8 мм зміна ?_z з 3.5 мм до 2.5 мм приводить до збільшення інтенсивності випромінювання в 70 разів. Така висока чутливість підтверджена експериментально. Вимірювальна установка дозволяє проводити тонкі дослідження процесів формування згустків, зокрема фіксувати такі зміни ?_z, які неможливо знайти шляхом вимірювання інших параметрів пучка. У ході експериментів показано також вплив на результати вимірювань когерентного дифракційного випромінювання електронних згустків, яке виникає на неоднорідностях електронопроводу.

Четвертий підрозділ присвячено результатам роботи зі створення експериментальної бази для проведення комплексних досліджень інжекторних систем ЛПЕ. У підрозділі описано два дослідницькі стенди. Один з них призначений для дослідження і настройки високочастотних елементів інжекторних і прискорюючих систем прискорювачів. Комплекс дозволяє проводити НВЧ вимірювання добротності, коефіцієнтів зв'язку, розподілу електричного поля на осі системи Е_z(z), дисперсійних характеристик і шунтового опору прискорюючих структур у діапазоні частот (1.2 -12) ГГц. Базовою методикою є спосіб визначення власних частот НВЧ резонаторів з точністю 10^-4 від смуги пропускання. Розроблений комплекс використаний при дослідженні й настройці НВЧ інжекторів прискорювачів ЛІК, КУТ-10, КУТ-20, ЛП-40м, ЛПЕ-60 і прискорюючих структур різних типів, зокрема "Харків - 85", ЛПЕ-60, "СТРУМ", "КУТ".

З метою детального експериментального дослідження емісії й динаміки електронів в НВЧ полях значної напруженості, зокрема формування і прискорення пучків в інжекторних системах прискорювачів, створена спеціалізована установка - експериментальний стенд "Резонатор". Основне призначення стенду - комплексні дослідження фізичних процесів у високочастотних інжекторних системах ЛПЕ десятисантиметрового діапазону - ВЧ гарматах з різними типами катодів і малогабаритних інжекторів, у складі яких є резонансні НВЧ елементи з напруженістю НВЧ поля (30-70) МВ/м. Пристрої й апаратура дозволяють проводити дослідження характеристик і вимірювання наступних параметрів електронного пучка: енергії й розподілу частинок по енергії (до 2 МеВ), імпульсного струму пучка (до 15 А), фазової протяжності згустків, функції фазо-енергетичного розподілу, розмірів пучка і його поперечного емітансу. Крім того, проводиться вимірювання всіх параметрів НВЧ живлення високочастотних елементів, температури й рівня рентгенівського випромінювання. Сигнали з первинних датчиків поступають у систему реєстрації, зберігання й обробки даних на базі ЕОМ (РС). За допомогою програм EGUN, PARMELA, TRACE 3D створено модель установки, яка дозволяє паралельно з експериментами проводити як чисельне моделювання динаміки електронів в інжекторі, так і моделювання процесу вимірювання параметрів пучка.

Однією з основних проблем, розв'язання якої визначає розвиток і можливість використання ВЧ гармат у лінійних прискорювачах електронів різного призначення, є проблема вибору типу катода. У зв'язку з цим набуває інтересу дослідження можливості використання у ВЧ гарматах катодів, які мають добрі експлуатаційні характеристики. До їх числа належать оксидні катоди різних типів, зокрема металопористі (диспенсорні) оксидні катоди. Третій розділ присвячено вивченню й експериментальному дослідженню особливості фотоелектронної, термоелектронної і вторинної емісії з поверхні оксидних металопористих катодів, які знаходяться під впливом НВЧ поля з напруженістю понад 10⁷ В/м, що є типовим для високочастотних джерел електронів. Найбільш суттєвою особливістю цих систем є те, що емісія електронів відбувається у високочастотному полі значної напруженості. Ця обставина приводить до сильного взаємного зв'язку між процесом емісії й динамікою частинок у резонансній системі. Теоретичний опис процесів що протікають у цих системах, зокрема процесу емісії в умовах сильного, проникаючого в матеріал емітера НВЧ поля, величина якого у свою чергу залежить від струму пучка, є складною самоузгодженою задачею. Це робить важливим проведення відповідних комплексних експериментальних досліджень. У першому підрозділі описано результати експериментів, які проведені з метою виявлення основних закономірностей фотоелектронної емісії з поверхні оксидного металопористого катода в сильних НВЧ полях. У якості основного об'єкта досліджень обрано оксидний металопористий катод на основі нікелевої матриці (BaNi катод) [1]. Такі катоди успішно використовуються в електронних гарматах для генерації потужних імпульсних електронних пучків, але до початку цих досліджень їх властивості як фотокатодів при дії лазерного випромінювання й НВЧ полів великої напруженості були невідомі. Експериментальне дослідження проведено в два етапи. Основна задача першої серії експериментів полягала у визначенні залежності квантової ефективності катода від температури й напруженості електричного НВЧ поля на його поверхні при дії лазерного випромінювання у видимому та ультрафіолетовому діапазоні. Експерименти проводилися на інжекторній частині прискорювача ЛПЕ - 60 (рис.2).

В експериментах для опромінювання катода використовувався Nd:YAG лазер з набором помножувачів, які забезпечують на 2-й (_L= 532 нм, h =2.33 еВ) і 3-й (_L = 355 нм, h = 3.49 еВ) гармоніках максимальний рівень енергії в імпульсі тривалістю 6 нс 0.9 мДж і 80 мкДж відповідно. Оптична фокусуюча система дозволяла змінювати площу плями лазерного випромінювання на катоді від 15 мм² до 1 мм². Напруженість електричного поля на катоді, могла регулюватися в межах (15 - 38) МВ/м, а його температура змінювалася в діапазоні (400 - 800) С. Показано, що квантова ефективність металопористого оксидного катода при опромінюванні випромінюванням у видимому та УФ діапазонах суттево перевищує квантову ефективність чистих металів. Зокрема, при h =3.49 еВ ця величина становить (1.70.6)10^-3електрон/фотон. Відомо, що металопористі оксидні катоди мають хороші експлуатаційні характеристики, зокрема мають великий термін служби й успішно працюють в умовах технічного вакууму. Тому отримані результати дозволяють суттєво розширити сферу використання фотоемісійних ВЧ гармат у лінійних прискорювачах електронів різного призначення. Дані про високу квантову ефективність металлопористих катодів були підтверджені пізніше в роботах, виконаних в інших лабораторіях [2]. В експериментах знайдено сильну залежність величини квантової ефективності від температури поверхні катода. Так, при зміні температури з 630С до 690?С імпульсний струм збільшується більш ніж утричі. Показано, що існує оптимальна температура (для цього типу катода 730 С), при якій квантова еффективність максимальна. На нашу думку, ця закономірність пояснюється температурною залежністю елементного складу, зокрема, зміною концентрації атомів барія на поверхні катода й електронної структури поверхні. Спостережувана залежність дає можливість простим методом змінювати квантову ефективність катода й регулювати струм на виході ВЧ гармати.

Для визначення густини струму фотоемісії експериментально і методом чисельного моделювання досліджено залежність струму на виході ВЧ гармати від напруженості НВЧ полю. Обробка результатів вимірів (див. рис.3) в сукупності з даними чисельного моделювання показала, що при оптимальній температурі густина струму фотоемісії досягає 150 А/см². Це більш ніж на порядок перевищує характерну для оксидних катодів густину струму термоемісії.

Експериментально досліджені енергетичні, часові та просторові характеристики пучка на виході ВЧ гармати з оксидним металопористим фотоемісійним катодом. Отримано лінійний фазо-енергетичний розподіл частинок, що дозволило здійснити компресію електронного згустку й прискорити пучок в прискорюючий структурі ЛПЕ. Таким чином, уперше продемонстровано можливість використання ВЧ гармати з оксидним металопористим фотокатодом в якості інжектора лінійного прискорювача електронів. На виході прискорювача отримані такі параметри пучка: ?_и = 6 нс, W = 58 МеВ, I = 50 мА, ? < 0.7 мм?мрад, В_n 10⁹А/м²рад².

З метою збільшення струму пучка на виході ВЧ гармат з оксидним металопористим фотокатодом проведено комплекс робіт, які включають теоретичне та експериментальне вивчення дії інтенсивного (~10⁷ Вт/см²) УФ випромінювання на поверхню катода, динаміки частинок і характеристик пучка на виході гармати. Показано, що гранична густина лазерного випромінювання для даного типу катодів при роботі в режимі фотоемісії складає 25-30 МВт/см². Подальше збільшення густини потужності приводить до появи термоемісійного струму, що в свою чергу приводить до зменшення напруженості поля в резонаторі. Для проведення експериментальних досліджень на підставі проведених розрахунків і чисельного моделювання було виготовлено спеціалізовану однорезонаторну ВЧ гармату та створено потужну лазерну систему. Експериментально при щільності випромінювання 3.8 МВт/см² і h = 3.49 еВ на виході ВЧ гармати отримано імпульсний струм пучка 11 А (піковий струм у згустку 70 А). Тривалість імпульсу струму пучка дорівнює тривалості імпульсу лазерного випромінювання і складає 7 нс. Енергія електронів перевищує 300 кеВ, що дозволяє здійснювати подальше їх прискорення в прискорюючий структурі з фазовою швидкістю, яка дорівнює швидкості світла. При подальшому збільшенні потужності лазера було знайдено й досліджено нестійкість, що викликається просторовою неоднорідністю лазерного випромінювання. Останнє приводить до локального розігрівання поверхні катоду, появи струму термоемісії і наростаючого підвищення температури за рахунок поглинання потоку бомбардуючих поверхню електронів. На підставі цих досліджень сформульовані вимоги до параметрів лазерної системи.

Застосування оксидних катодів у ВЧ гарматі дозволяє реалізувати одночасно режим термо- і фотоемісії. Експериментально й методом чисельного моделювання з використанням програми PARMELA встановлено відмінність у формуванні згустків, що викликається різною залежністю густини струму термо- і фотоемісії від напруженості НВЧ поля. Показано, що при однаковій напруженості поля в одній і тій же ВЧ гарматі пучок фотоемісійних електронів має більшу яскравість. В експериментах показано можливість отримання на виході ВЧ гармати одночасно двох пучків, відмінних тривалістю імпульсу струму й фазо-енергетичним розподілом частинок.

Другий підрозділ присвячено дослідженню фізичних процесів у високочастотних джерелах електронів з термоемісійними катодами. Основним процесом, який впливає на характеристики пучка, є електронне бомбардування поверхні катода. У термоемісійних ВЧ гарматах емісія з катода продовжується протягом усього прискорюючого напівперіоду НВЧ поля. При цьому частина електронів не встигає покинути резонансну систему гармати. При зміні знака поля ці електрони прискорюються у зворотному напрямку й бомбардують поверхню катоду. Це явище, що отримало назву ефекту зворотного бомбардування, приводить до двох наслідків: зміни температури поверхні катода протягом імпульсу і відповідної зміни струму, енергії і емітансу пучка, а також до появи в порожнині резонатора вторинноемісійних електронів. У дисертації проведено теоретичне й експериментальне дослідження цих процесів. На першому етапі розрахунків методом чисельного моделювання були визначені характеристики потоку електронів, що бомбардують катод, а потім проведений розрахунок зміни температури поверхні катода для трьох найбільш поширених типів резонансної системи (рис.4).

Показано, що імпульсна потужність потоку зворотних електронів, яка виділяється на катоді при значенні струму емісії з поверхні катода (1А), може досягати 10⁵ Вт. У той же час при однаковій імпульсній потужності потоку електронів їх енергетичні спектри для різних резонансних систем суттєво різняться, що пояснюється різним розподілом поля на осі резонансної системи. Так, для гармати MARK III у спектрі переважають високоенергетичні електрони. Відомо, що характерна відстань, на яку розповсюджується температурне поле в матеріалі катода протягом часу , дорівнює , де - коефіцієнт температуропровідності. Ця величина при тривалості імпульсу в декілька мікросекунд і типовому значенні 0.12 см²/сек становить близько 10 мкм. Як випливає з результатів моделювання, спектр зворотних електронів має складний характер і включає електрони з енергією 10⁵ еВ, для яких екстрапольований пробіг R у матеріалі катода перевищує 10 мкм. Таким чином, відстань, на яку електрони проникають у матеріал катода, порівняна з відстанню, на яку розповсюджується теплове поле протягом імпульсу. Для точного розрахунку зміни температури поверхні протягом тривалості імпульсу 10^-6 сек розв'язано рівняння теплопровідності з урахуванням просторового розподілу енерговиділення електронів із заданим спектром по глибині катода. Задача розв'язувалася для двох типів катодів: оксидного металопористого катода і LaB₆ катода. У результаті проведених розрахунків (див. табл.1) отримано кількісні дані, які підтвердили припущення про визначальну роль енергетичного розподілу електронів, що бомбардують катод.

Таблиця 1

Зміна температури протягом імпульсу струму при Робр=100 кВт, ?и=3 мкс, rк=2.5 мм

Результати розрахунків відповідають експериментальним даним. Таким чином, при розробці ВЧ гармат для зменшення внутрішньоімпульсного зростання струму слід не тільки мінімізувати потужність потоку зворотних електронів, але і створювати умови, при яких у спектрі зворотних електронів кількість низькоенергійних частинок буде мінімальною. Очевидно, що у випадку, коли _іR²/4, впливом кінцевої глибини проникнення електронів у матеріал катода на температурний режим його роботи можна нехтувати. Експериментальне дослідження процесів, які пов'язані з бомбардуванням поверхні термоемісійного катода, проводилося як на установці "Резонатор", так і на діючих прискорювачах (ЛПЕ-60, ЛІК, BFEL). Показано, що зворотне бомбардування приводить до внутрішньоімпульсної зміни струму, енергетичного й фазо-енергетичного розподілу частинок на виході гармати. Остання обставина надзвичайно важлива, оскільки порушується усереднена протягом імпульсу кореляція енергія - фаза, що робить неефективною роботу неізохронних пристроїв для компресії електронних згустків. Вивчено основні залежності параметрів пучка, які визначаються температурою поверхні катода й потужністю потоку електронів, що бомбардують катод. Уперше знайдено й експериментально досліджено нестійкість роботи ВЧ гармати з металопористим оксидним катодом, яка виявляється в раптовому припиненні струму пучка на виході ВЧ гармати. В основі виникнення нестійкості лежать такі процеси: