Размещено на http://www.allbest.ru/

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Фізика процесів у лінійно-поляризованих індукційних ондуляторних прискорювачах (ЕН-прискорювачах) та системах на їх базі

Губанов Ігор Валерійович

УДК 537.533.3

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

Суми 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Сумському державному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник- доктор фізико-математичних наук,

професор Куліш Віктор Васильович,

Сумський державний університет

завідувач кафедри теоретичної фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Михайлов Ігор Федорович,

Національний

технічний університет

старший науковий співробітник кафедри

“Фізика металів та напівпровідників”

кандидат фізико-математичних наук,

Засенко Володимир Іванович,

Інститут теоретичної фізики

ім. М. Боголюбова НАН України

старший науковий співробітник відділу

“Теорія ядра і ядерних систем”

Провідна установа- Інститут прикладної фізики НАН

України, відділ № 10,

“Електростатичні прискорювачі”

Захист відбудеться “17” травня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55. 051. 02 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2, ауд. 216, електротехнічний корпус.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Сумського державного університету.

Автореферат розісланий “10” квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Опанасюк А.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

прискорювач ондуляторний поляризований

Актуальність теми зумовлена тим, що прискорювачі заряджених частинок дедалі більше набувають практичного застосування у сучасній цивільній індустрії, як систем дефектоскопії та контролю у машинобудуванні, системи для знезараження стічних вод, стерилізації медичних, біологічних препаратів і харчових продуктів тощо.

Одним із результатів даної роботи є обґрунтування того, що такі системи реально можуть бути розроблені на базі фізичного принципу прискорення, який покладено в основу ондуляторних індукційних прискорювачів (ЕН-прискорювачів).

За своєю конструкцією прискорювальні блоки ЕН-прискорювача подібні до добре відомих лінійних індукційних прискорювачів (ЛІП). Але на відміну від ЛІП (у яких форма траєкторії частинки, що прискорюється, подібна до прямої) у ЕН-прискорювачах траєкторії частинок мають яскраво виражену ондуляторну природу. Відповідно при однакових величині прискорюючого електричного поля і довжині траєкторії, загальний лінійний габарит прискорювального блока ЕН-прискорювачів виявляється у декілька разів меншим, ніж ЛІП. Для прискорення частинок у ЕН-прискорювачах застосовуються ондуляторні вихрові електричні поля. При цьому специфікою конструкції індукторних систем (індукторів), призначених для їх генерування, є те, що електричні поля у зовнішньому просторі, що оточує індуктори, взаємно гасяться, і тому ЕН-прискорювачі характеризуються низьким рівнем зовнішніх електричних полів при високій їх інтенсивності у прискорювальному каналі. Крім цього, ЕН-прискорювачі характеризуються компактністю, простотою конструкції, безпечністю в експлуатації та технологічністю. Перші модельні експерименти, проведені проф. Коселем П.Б. (Університет Цинциннаті, США) дозволили підтвердити обґрунтованість цих характеристик.

Проведений в дисертації аналіз різних моделей ЕН-убітронних систем виявив ряд цікавих як з прикладної, так і фізичної точок зору, ефектів. Таких, наприклад, як ефекти прискорення заряджених частинок у схрещених ондуляторних електромагнітних полях, ефективного охолоджування пучків, захоплення, фазової дискримінації, динамічної компресії банчів і т.ін. Використання ЕН-систем сприяє вирішенню ряду прикладних проблем. Все це робить ЕН-прискорювачі актуальними і цікавими об'єктами для вивчення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота пов'язана з виконанням таких держбюджетних тем:

“Новий метод прискорення заряджених частинок та згустків квазінейтральної плазми” (номер державної реєстрації 0197U16608, УДК 621.384.5, терміни виконання 1996-1999 рр.).

“Новий фізичний механізм підсилення електромагнітних хвиль НВЧ-світлового діапазону частот в потоках релятивістської плазми та проект експерименту по його реалізації” (номер державної реєстрації 77.01.05.00-02 д/б, УДК 621.384.5, терміни виконання 2000-2002 рр.). Дисертація пов'язана з роботами за проектом № 1457, наданим Науково технологічним центром в Україні (м. Київ, фінансуюча сторона - США).

Мета і основні задачі дослідження. Основною метою даної дисертаційної роботи є подальший розвиток базової фізичної концепції ондуляторних індукційних прискорювачів (ЕН-прискорювачів). Ця мета реалізується перш за все через:

- встановлення нових фізичних закономірностей процесів, що протікають у ЕН-прискорювачах, та пошук нових конструкцій систем, що можуть бути побудовані на базі встановлених закономірностей;

- побудову теорії запропонованих конструкцій, яка б могла бути основою розрахункової бази при їх аналізі та проектуванні;

- проведення числового моделювання, фізичний та проектний аналіз запропонованих конструкцій.

При цьому пошук нових конструкцій здійснюється одночасно за трьома незалежними напрямками. В тому числі вивчається можливість створення:

компактних ЕН-прискорювачів комерційного призначення;

систем формування надкоротких електронних імпульсів;

систем ефективного охолодження електронних пучків.

Методи ієрархічної теорії коливань та хвиль використовувались як математична база проведених у дисертації досліджень. Їх застосування дозволило більшу частину розрахунків проводити в аналітичній формі, що значно спростило як розрахункову частину роботи, так і аналіз процесів, що протікають в даних об'єктах.

Проведення порівняльного аналізу різних систем дозволило, з одного боку, встановити цікаві (як з фізичної, так і практичної точок зору) конструкції ЕН-убітронних систем, а з іншого - з'ясувати оптимальні сфери їх застосування.

Наукова новизна отриманих у роботі результатів

Запропоновано фізичні концепції та конструкції ряду нових типів ЕН-прискорювачів, у тому числі:

компактних сотових прискорювачів;

систем для формування надкоротких (у тому числі пікосекундних) банчів;

систем ефективного охолодження пучків заряджених частинок.

Показана можливість реалізації нових фізичних ефектів, що характеризують динаміку процесів взаємодії пучка заряджених частинок у ЕН-прискорювачах, у тому числі:

ефекту фазової дискримінації заряджених частинок у нестаціонарних ен-прискорювачах;

ефекту динамічної компресії згустка (банча) в нестаціонарних ен-прискорювачах;

ефективне охолодження електронного згустка у процесі його прискорення у ЕН-прискорювачах.

Практичне значення одержаних результатів. Результатом проведених досліджень став подальший розвиток теорії ЕН-прискорювачів. При цьому запропоновано ряд конструкцій для практичної реалізації цих систем, призначених для прискорення релятивістських електронних пучків (ЕН-прискорювачі), для формування надкоротких (пікосекундних) електронних імпульсів з великою шпаруватістю та ін. Побудована нелінійна теорія запропонованих систем.

Особистий внесок здобувача полягав у аналітичному та числовому розв'язуванні поставлених задач, аналізі отриманих результатів та вивчені літературних джерел. Особисто автором підготовлено дві статті [1,4], три тези доповідей [8-10] та обговорено результати робіт [2,3,5-7].

Апробація результатів дисертації

Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на таких конференціях:

22th International Conference Infrared and Millimeter Waves (Wintergreen, USA, 1997), IEEE MTT-S International Microwave Symposium (Colorado, USA, 1997), Second International Conference of Properties of Surface Layers of Non-Semiconduction Using Particle Beams (Sumy, Ukraine, 1996);12th IEEE International Pulsed Power Conference (Monterey, California, USA, 1999);SPIE's 44th Annual Meeting and Exhibition, Conference on Radiation Sources and Radiation Interactions (Denver, Colorado, USA, 1999), 4th SPIE-The international Symposium on Optical Science and Technology (San Diego, California, USA, 2000).

Публікації. Матеріали дисертації відображені у 17 публікаціях, назви 10 основних наведені у списку опублікованих праць в авторефераті.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і списку використаних джерел із 86 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 155 сторінок, у тому числі 64 рисунки і 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета та визначені основні задачі дослідження, розкриті новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі описано розвиток ідеї ЕН-прискорювачів та їх загальні особливості як класу пристроїв. Розділ складається із трьох підрозділів. У першому з них описана історія обговорюваного напряму досліджень, наведена загальна класифікація ЕН-прискорювачів як класу систем і пояснюється принцип їх дії.

У другому підрозділі розглянуто ряд інших конструкцій ЕН-убітронних систем та зроблено стислий якісний аналіз. Особливу увагу приділено багатоповерховим сотовим ЕН-прискорювачам з незалежними методами генерації ондуляторних магнітного і вихрового електричного полів. Як показав подальший аналіз, саме на їх базі можлива практична реалізація найбільш перспективних прискорювальних систем, у тому числі і особливо компактних ЕН-прискорювачів. Останнє продемонстровано у розділі 3.

Третій підрозділ даного розділу присвячений розгляду загальної математичної моделі, в рамках якої описані ЕН-системи різного типу і ЕН-прискорювачі. Розглянуто математичний апарат, який далі застосовується для проведення числово-аналітичного аналізу різних моделей ЕН-прискорювачів.

У другому розділі побудована нелінійна теорія нестаціонарного лінійно-поляризованого ЕН-прискорювача. Загальна ідея цього класу систем пояснюється на рис.1. Тут заряджена частинка (позитивна , чи від'ємна ) влітаючи на вхід системи, далі рухається під дією магнітного поля . Внаслідок ондуляторної природи останнього її траєкторія також виявляється ондуляторною (наприклад, синусоподібною).

Далі, оскільки магнітне поле є повільно змінним у часі (тобто ), то воно, в свою чергу, генерує також ондуляторне вихрове електричне поле . Як видно з рис.1, фази ондуляцій цього поля та прискорюваної частинки (причому як позитивної, так і від'ємної) збігаються. Як наслідок, у процесі свого руху частинка весь час перебуває під прискорюючою дією електричного поля, поступово збільшуючи свою енергію.

Рис. 1. Схема і принцип дії нестаціонарного лінійно поляризованого ЕН-прискорювача: 1_вектор індукції ондуляторного магнітного поля; 2_вектор напруженості вихрового електричного поля; 3_траєкторія позитивно зарядженої частинки (); 4_вектор швидкості останньої ; 5_траєкторія від'ємно заряд-женої частинки (); 6_електромагніти індуктора.

Розділ складається із двох підрозділів. Перший з них присвячено одночастинковій теорії нестаціонарних лінійно поляризованих ЕН-прискорювачів. З'ясовано, що специфічною рисою таких систем є можливість реалізації тут ефекту захоплення заряджених частинок. Останній реалізується у процесі прискорення частинок у робочому об'ємі прискорювального каналу. Проведений аналіз дозволив з'ясувати, що даний ефект за фізичною суттю є окремим випадком відомого у теорії ондуляторних систем ефекту відбивання частинок від входу ондулятора. Отже виявляється можливим трактувати його як специфічну версію ефекту відбивання, який реалізується всередині ( а не на вході) системи у момент, коли величина наростаючого у часі ондуляторного магнітного поля досягає певного критичного значення .

Показано, що у зазначеній нестаціонарній системі також можлива реалізація ефекту фазової дискримінації. Природа цього ефекту пов'язана з фактом повільного наростання у часі величини ондуляторного магнітного поля . Суть його полягає у такому. Залежно від часової фази вльоту частинки в область взаємодії реалізується або фінітний, або інфінітний тип її руху. Це означає, що система є “відкритою” лише для частинок, час вльоту яких на вхід системи є близьким до моменту, коли функція проходить через нуль. Усі інші частинки або відбиваються від входу, або “захоплюються” далі у процесі прискорення.

У другому підрозділі розглядається багаточастинкова динаміка електронного банча в процесі його прискорення у нестаціонарній моделі, що вивчається. Тут запропоновано систему принципово нового типу, яка призначена для формування надкоротких (у тому числі пікосекундних) інтенсивних електронних імпульсів (банчів) з великою шпаруватістю. Дія цієї системи базується на використанні зазначеного вище ефекту фазової дискримінації, як базового робочого механізму. У кінцевому підсумку, реалізація ефекту фазової дискримінації приводить до "вирізання" пікосекундного банча із початкового банча більшої тривалості. Саме застосування принципу "вирізання" і обумовлює можливість формування пікосекундних електронних банчів з рекордними характеристиками.

Відзначається, що, як показав порівняльний аналіз, можливість створення функціонально рівноцінних систем на основі традиційних методів (побудованих, наприклад, на застосуванні охолоджуваних фотокатодів, мікрохвильових мультигармонічних формувачів і т.д.) на сьогодні є доволі проблематичною. Отже, сформульований новий концептуальний підхід, що базується на принципово інакших фізичних засадах, сам по собі є цікавим, бо відкриває радикально нові шляхи для вирішення зазначеної проблеми. Практична реальність її розв'язання саме таким шляхом і продемонстрована у даному розділі роботі. У тому числі проведений цикл числових експериментів з моделями, достатньо наближених до експериментальних, показав, що системи формування пікосекундних імпульсів з привабливими характеристиками можуть бути побудовані шляхом застосування запропонованих нових ідеології та конкретних конструктивних рішень.

Окрім практичного аспекту проблеми, фізика запропонованих пікосекундних формувачів, як це показано у роботі, є цікавою також і з фундаментальної точки зору. Теорія запропонованих систем побудована на застосуванні методу усереднення Крилова-Боголюбова, що дозволило більшу частину результатів отримати в аналітичній формі. У тому числі, наприклад, отримати ряд критеріїв, які описують динаміку формування пікосекундного електронного банча. Найбільш корисним з них виявився критерій, що реґламентує можливість реалізації у прискорювальному каналі ефекту “захоплення” зарядженої частки:

(1)

, ,

де -початкова безрозмірна швидкість;

-напруженість електричного поля;

- абсолютний заряд електрона;

-швидкість світла у вакуумі;

-початковий імпульс частинки;

-повздовжня координата частинки;

-амплітуда Фурьє-гармоніки вектор-потенціалу системи.

Критерій (1) гарантує, що при його виконанні частинка проходить прискорювальний канал без захоплення. Аналіз критерію показав, що він за своїм фізичним змістом є ніщо інше, як співвідношення поточного циклотронного радіуса частинки у магнитному полі між полюсами електромагніту до чверті періоду ондуляції. Тобто, для того щоб частинка не захоплювалася у прискорювальному каналі, необхідно щоб діаметр її циклотронного обертання був більшим за розмір полюса електромагніту (див. позицію 6 на рис.1).

Показано, що питанням принципової ваги для систем формування пікосекундних імпульсів є компенсація руйнівного впливу кулонівського розштовхування. Саме ця проблема є ключовою при формуванні пікосекундних електронних банчів відомими методами. Як з'ясувалося, у процесі функціонування запропонованого формувача ефект кулонівського розштовхування може (в усякому разі частково) бути компенсованим за рахунок ефекту динамічної компресії банча, можливість реалізації якого описана у дисертації. Саме ця обставина і дає вищезгадані переваги запропонованому формувачу перед традиційними системами. Суть ефекту динамічної компресії полягає у тому, що внаслідок вищезгаданого наростання магнітного поля у часі при "вирізанні" частки переднього фронту банчу отримують дещо менше прискорення, ніж частки заднього фронту - ефект динамічної модуляції банча за швидкістю. Як наслідок, у процесі прискорення передні частки поступово наздоганяють задні. Як результат, відбувається динамічна компресія банча. Даний процес компресії реально припиняється, коли сили кулонівського розштовхування повністю його компенсують. Серія числових експериментів з моделями, близькими до реальних, дозволила дійти висновку, що імпульси тривалістю ~5 пікосекунд при миттєвому струмі до 50А і шпаруватості від 1 до можуть бути реально сформовані за допомогою запропонованого формувача. На сьогодні у відомій науково технічній літературі не описано інших систем, які б дозволили досягти таких або кращих характеристик.

У третьому розділі наведена нелінійна теорія стаціонарних лінійно-поляризованих ондуляторних прискорювачів заряджених частинок. Розділ складається з чотирьох підрозділів. У тому числі, у першому з них проведено аналіз руху частинки в однорідній (за амплітудами полів) системі та показані основні особливості руху електронів, пов'язаних із фактом стаціонарності систем, що вивчаються. Основною характеристикою стаціонарних систем, яка принципово відрізняє їх від нестаціонарних, є застосування тут незалежного методу генерування ондуляторних магнітного та електричного полів.

У другому підрозділі проведено аналіз неоднорідних лінійно поляризованих ЕН-прискорювачів. На основі результатів аналізу фізичних моделей запропоновано дві конструкційні схеми такого типу ЕН-прискорювачів. Перший з них є певною модернізацією схеми нестаціонарного ЕН-прискорювача, наведеного на рис.1. Головна відмінність при цьому полягає у тому, що у стаціонарному випадку використана ідея незалежної генерації ондуляторних магнітного та електричного полів. Отже, тут запропоновано магнітний ондулятор створювати на основі постійних магнітів, а для генерування електричного поля використовувати спеціальні окремі індуктори, які розміщені періодично вздовж поздовжньої осі системи у проміжках між полюсами магнітів. Нагадаємо, оскільки у нестаціонарних системах полюси електромагніту, крім функції повороту частинок, виконують також і роль індукторів для генерування ондуляторного електричного поля, то конструктивно вони повинні бути довгими у поперечному (відносно осі системи) напрямку. На відміну від нестаціонарних ЕН-прискорювачів (див. рис.1) у запропонованій стаціонарній системі магнітні полюси виконують тільки функції повороту і тому можуть бути короткими, охоплюючи безпосередньо тільки область поворотної ділянки траєкторій частинок.

Головна ідея другої із запропонованих конструкційних схем (див. рис.2) полягає у вдосконаленні магнітних поворотних систем. Якщо у першому випадку, як і у випадку нестаціонарних систем заряджені частки влітають у міжполюсний проміжок з боку бічної поверхні полюса (див. рис.1), то у другій із запропонованих стаціонарних схем частки влітають у поворотну область із торцевих боків полюсів. Це дає можливість різко збільшити амплітуди осциляцій частинок у робочому каналі (а значить, і величини прискорення) без збільшення амплітуди ондуляцій магнітного поля. Як наслідок, величина прискорення частинок може бути різко збільшена без суттєвого збільшення загальних габаритів прискорювача.

Схематично загальна ідея такого типу систем проілюстрована на прикладі, наведеному на рис.2.

Рис. 2. Схема і принцип дії однорівневої моделі стаціонарного лінійно поляризованого ЕН-прискорювача з незалежними методами генерування ондулятор-них магнітного та електричного полів: 1_електронна гармата; 2_електронний пучок; 3_індукцій-ний блок; (індуктори); 4-магнітні лінзи, 5_поворотні магніти; 6_система виводу.

Тут електронний пучок 2, що створюється електронною гарматою 1, влітає у перший із прискорювальних каналів, який зроблено в об'ємі прискорювальних блоків (індукторів) 3. Після повороту у поворотному магніті 5 його спрямовують у наступний прискорювальний канал і т.д. Описана конструкція може бути класифікована як однорівнева, бо тут електронний пучок на всіх етапах прискорення рухається в одній і тій самій площині (тобто в межах одного рівня). Крім однорівневих систем, у роботі також запропоновано багаторівневі системи. Конструкції ЕН-прискорювачів даного типу названо авторами сотовими.

Третій підрозділ даного розділу присвячено вирішенню задачі синтезу системи, у якій реалізується задана траєкторія руху частинки. Запропонована загальна схема вирішення цієї задачі, яка враховує характерні особливості ЕН-прискорювальних систем. Наведено приклад практичної реалізації запропонованої схеми.

У четвертому підрозділі розділу 3 вивчається можливість практичної реалізації компактної однорівневої сотової конструкції з великим рівнем прискорення. При цьому розрахунки проводились з урахуванням реальної геометрії базових конструктивних елементів (включаючи крайові поля і вплив екранів для нейтралізації їх впливу) і параметрів типових магнітних матеріалів, що використовувались.

Показано, що саме на базі стаціонарної ЕН-системи можливо створення особливо компактних високоефективних прискорювачів заряджених частинок. Запропоновано варіанти конструкції такого прискорювача для практичної реалізації.

Таблиця 1

Результати числових експериментів з ЕН-прискорювачем електронів

Параметр	Варіант А	Варіант Б
Індукція магнітного поля SmCo5 у поворотних магнітах	до 6.5 кГс	(6-12) кГс
Напруженість електричного поля	5 МВ/м	5 МВ/м
Кінетична енергія електронного пучка на вході	25 кеВ	5 МеВ
Кінетична енергія електронного пучка на виході	5 МеВ	50 МеВ
Кількість прискорювальних каналів	5	12
Кількість поверхів (рівнів) системи	1	2
Період ондуляції ЕН-поля	14 см	36 см
Початковий енергетичний розкид	5 %	0.073 %
Енергетичний розкид у пучку на виході	0.073 %	0.009 %
Тривалість електронного банча	10 нс	10 нс
Сила струму	1 A	1 A
Габарити прискорювального блока	10 4035см	0.411м

Проведено ряд числових експериментів із прискорення електронного пучка у запропонованій конструкції та показано принципову можливість її реалізації. Проведений проектний аналіз показав, що застосування саме цих конструкцій дозволяє розраховувати на створення особливо компактних високоефективних прискорювачів заряджених частинок комерційного призначення.

Два проектних варіанти таких конструкцій (варіанти А та Б відповідно) проілюстровані даними, наведеними у таблиці 1. У випадку варіанта Б, при цьому, передбачається, що конструкція варіанта А виконує роль попередньої прискорювальної секції.

У четвертому розділі запропонована і вивчена система ефективного охолодження на базі ЕН-прискорювача. Відзначено, що як сам ефект ефективного охолодження, так і системи на його основі є дуже цікавими об'єктами вивчення. Запропонована версія ефекту ефективного охолодження побудована на базі механізму селективного прискорення заряджених частинок в схрещеному магнітному і електричному ондуляторних полях, коли частки з більшою енергією прискорюються менше, ніж частинки з меншою енергією.

Відмінністю даної версії ефекту ефективного охолодження є те, що цей фізичний механізм є більш інтенсивним, ніж відомий раніше. Як наслідок, на його базі відкривається можливість побудови компактних і недорогих систем формування пучків з малим енергетичним розкидом у широкому діапазоні енергій (від нерелятивістських до суттєво релятивістських).

Рис. 3. Ілюстрація ефективного охолодження електронного пучка у циркулярно-поляризованому ЕН-прискорювачі: крива 1 описує залежності усередненої (за швидкими осциляціями) кінетич-ної енергії для десяти електронів, що характеризуються різними початковими енергіями, від нормованої координати T; крива 2 характеризує зменшення віднос-ного розкиду по енергії; крива 3 демонструє ефект “замороження” пучка за рахунок збільшення релятивістської маси електронів під час руху у еквівалентному лінійному індукційному прискорювачі.

Параметри: амплітуда магнітного поля 3 кГс, напруженість електрич-ного поля 100 кВ/м, період ондуляцій 10 см, довжина системи 1 м.

Вивчена динаміка ефекту ефективного охолодження у випадку довільної поляризації ондуляторних полів у ЕН-прискорювачах. У тому числі з'ясовано, що у лінійно-поляризованих системах можливе ефективне охолодження лише двох (із трьох) компонент просторового руху банча. У той самий час, у випадках еліптично та циркулярно поляризованих систем можливо досягнення глибокого вирівнювання енергії частинок банчу одночасно за всіма просторовими компонентами його руху. З'ясовано, що найбільша глибина ефективного охолодження досягається у випадках малого діаметра пучка при мінімальних амплітудах поздовжніх компонент ондуляторного магнітного поля.

Наочно динаміка процесу ефективного охолодження у найпростішій однорідній циркулярно поляризованій системі проілюстрована на рис. 3. Тут явно простежується тенденція до поступового зближення енергій електронів у процесі їх прискорення у ЕН-прискорювачі. Крива 2 на рис. 3 ілюструє зменшення відносного енергетичного розкиду пучка під час проходження ЕН-системи. Як бачимо, у даному конкретному випадку відносний розкид зменшується ~80 разів на довжині системи. Для того щоб підкреслити відмінність даного ефекту від звичайного ефекту зменшення відносного енергетичного розкиду, що реалізується за рахунок зростання релятивістських мас частинок у процесі прискорення, на рис.3 наведена крива 3. Розрахунок проведено для моделі еквівалентного (за величиною прискорення) лінійного індукційного прискорювача. Легко бачити суттєву відмінність динаміки процесу прискорення в обох моделях, що свідчить про те, що у випадку з ЕН-прискорювачами ми дійсно маємо справу з принципово новим фізичним явищем.

Розглянуто динаміку цього процесу в фазовому просторі. Показано, що ефективне охолодження може бути трактоване як поворот елемента фазового об'єму пучка, при якому розкид по "імпульсових" координатах зменшується, тоді як розкид по просторових координатах збільшується у відповідності до добре відомої теореми Ліувілля.

ВИСНОВКИ

Отримані у дисертаційній роботі результати можуть бути сформульовані так:

Запропоновані фізична концепція та приклади конструкції стаціонарних ЕН-прискорювачів, у тому числі особливо компактних лінійно-поляризованних ЕН-прискорювачів сотового типу з незалежним збудженням електричного та магнітного ондуляторних полів.

Розроблено нелінійну теорію та проведений детальний аналіз процесів, що мають місце у однорідних та неоднорідних лінійно-поляризованих моделях ЕН-прискорювачів. Дана розгорнута фізична картина процесів, що мають місце у таких системах, причому як у стаціонарному, так і нестаціонарному варіантах їх реалізації.

Виконано ряд числових експериментів з прискорення електронного пучка у стаціонарному лінійно-поляризованому ЕН-прискорювачі сотової конструкції. Показано, що запропоновані конструкції здатні забезпечити можливість реалізації таких систем з рекордно малими габаритами, причому при відносно низький їх вартості і високих експлуатаційних характеристиках.

найдено ряд нових фізичних ефектів, що характеризують динаміку процесів взаємодії пучка заряджених частинок у ЕН-прискорювачах, у тому числі:

- ефекту фазової дискримінації заряджених частинок у нестаціонар-них ен-прискорювачах;

- ефекту динамічної компресії згустка (банча) у нестаціонарних ен-прискорювачах;

- ефекту ефективного охолодження згустка заряджених частинок у процесі його прискорення у стаціонарних та нестаціонарних ЕН-прискорювачах.

Запропоновані фізична концепція, зразок конструкції та показана можливість практичної реалізації ефективних систем для формування надкоротких (у тому числі пікосекундних) інтенсивних електронних банчів з великою шпаруватістю.

Запропоновані фізична концепція, зразок конструкції та показана можливість практичної реалізації систем для ефективного охолодження пучків заряджених частинок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Куліш В.В., Козел П.Б., Крутько О.Б., Губанов І.В. Ієрархічний метод та технічні особливості його застосування у нелінійних задачах електродинаміки. Теорія EH-убітронного прискорювача заряджених частинок // УФЖ.-1998.-Т.43.-№2.-С.133 - 138.

2. Кулиш В.В., Козел П.Б., Крутько О.Б., Губанов И.В. Эффект охлаждения заряженных частиц при их одновременном ускорении в скрещенных ЕН - убитронных полях // Письма в ЖТФ. - 1996. - №17. - С. 62-63.

Kulish V.V., Kosel P.B., Kailyuk A.G., Gubanov I.V. New acceleration principle of charged particles for the electronic need. Quantitative analysis // The International Journal of Infrared and Millimeter Waves. - 1998. - V.19, №2. - P. 106-170.

Куліш В.В., Крутько О.Б., Губанов І.В. Використання ієрархічного підходу до теорії ЕН-убітронних прискорювачів заряджених частинок // Вісник СумДУ.-1997.-№1(7)'.-С. 19-26.

Kulish V.V.,Kosel P.B.,Krutko O.B., Gubanov I.V. New type accelerator for millimeter and infrared electron-wave devices // IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Denver.-1997.-Colorado.- USA.-1997.

Kulish V.V., Kosel P.B., Kolcio N., Gubanov I.V. A compact high-power electron EH-accelerator for experimental realization // 12th IEEE International Pulsed Power Conference.-June 27-30.-Monterey.-1999.- California.-USA.-1999.

Kulish V.V., Kosel P.B., Kolcio N.B., Gubanov I.V. Compact electron EH-accelerator for intensive X-ray flash source // SPIE's 44th Annual Meeting and Exibition, Conference on Radiation Sources and Radiation Interactions.-19 July.-Denver.-1999.-Colorado.-USA.-1999.

Kulish V.V., Kosel P.B., Gubanov I.V. Numerical experimentes with compact EH-accelerative system for generation of picosecond pulses of hard X-ray radiation // International Symposium Scientific Problems of Optics in XXI Sentry-Kiev.-2000.-Kiev.-Ukraine.-2000.

Kulish V.V., Kosel P.B., Ponomariov A.G., Gubanov I.V. Compact electron EH-accelerator for intensive X-ray flash source // International Symposium Scientific Problems of Optics in XXI Sentry-Kiev.-2000.-Kiev.-Ukraine.-2000.

Куліш В.В., Мельник О.Н., Губанов І.В., Орлова О.О. Теорія циркулярно-поляризованих ЕН-прискорювальних систем для формування коротких імпульсів жорсткого рентгенівського випромінювання // International Symposium Scientific Problems of Optics in XXI Sentry-Kiev.-2000.-Kiev.-Ukraine.-2000.

АНОТАЦІЯ

Губанов І.В. Фізика процесів у лінійно-поляризованих індукційних ондуляторних прискорювачах (ЕН-прискорювачах) та системах на їх базі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем.- Сумський державний університет, Суми, 2001.

Робота присвячена вивченню фізичних процесів, розробленню нових моделей і конструкцій систем на базі ЕН-прискорювачів. У тому числі детально вивчена фізика процесів, що реалізується у робочому об'ємі стаціонарних та нестаціонарних ЕН-систем.

Показано, що на базі нестаціонарного ЕН-прискорювача можливе створення системи формування пікосекундних електронних імпульсів великої шпаруватості.

Проведені числові експерименти з прискорення електронного пучка у сотовому ЕН-прискорювачі. Показано, що на базі цієї конструкції можливе створення компактного прискорювача комерційного типу.

Показано, що в ЕН-прискорювачі можлива реалізація ефективного охолодження електронного пучка. Цей ефект є поворотом елемента фазового об'єму пучка.

Ключові слова: ЕН-прискорювач, системи формування, ієрархічні методи, прискорювальний блок, індуктор, фокусуюча магнітна лінза, магнітна поворотна система.

АННОТАЦИЯ

Губанов И.В. Физика процессов в линейно-поляризованных индукционных ондуляторных ускорителях (ЕН-ускорителях) и системах на их базе.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Сумский государственный университет, Сумы-2001.

Работа посвящена изучению физических процессов, разработке новых моделей и конструкций систем, построенных на базе ондуляторных индукционных ускорителей (ЕН-ускорителей) заряженных частиц.

В том числе, в работе детально изучена физика процессов, которые реализуются в рабочем объеме стационарных и нестационарных ЕН-ускорителей. Показано, что в процессе ускорения электронов в нестационарном ЕН-ускорителе возможна реализация эффекта фазовой дискриминации. Суть данного эффекта заключается в том, что в зависимости от времени влета в систему реализуется финитный либо инфинитный тип движения частицы. На базе этого эффекта предложена конструкция системы для формирования сверхкоротких (в т.ч. пикосекундных) интенсивных электронных импульсов большой скважности.

Проведен ряд числовых экспериментов по ускорению электронного пучка в стационарном линейно-поляризованном ЕН-ускорителе сотовой конструкции. Показано, что на базе исследуемой конструкции возможно создание компактного эффективного ускорителя коммерческого типа, предназначенного для широкого промышленного использования. При расчетах динамики электронного потока использовалось числовое моделирование реальных электрического и магнитного ондуляторных полей. При этом учитывались реальные геометрия базовых элементов конструкции, а также свойства материалов, из которых они будут изготовлены. Проведенные исследования позволили изучить модель максимально приближенную к реальности.

Кроме того, проведенные исследования показали, что в рабочем объеме ЕН-ускорителя возможна реализация эффекта эффективного охлаждения потока заряженных частиц. Выяснено, что в основе эффекта эффективного охлаждения лежит физический механизм селективного ускорения, т.е. частицы с большей энергией ускоряются меньше, чем частицы с меньшей энергией. Как результат, энергии частиц на выходе выравниваются. Рассмотрена динамика этого процесса в фазовом пространстве. Показано, что эффект охлаждения можно трактовать как поворот элемента фазового объема пучка, при котором разброс по "импульсным" координатам уменьшается, а разброс по пространственным координатам увеличивается в соответствии с хорошо известной теоремой Лиувилля.

Ключевые слова: ЕН-ускоритель, системы формирования, иерархические методы, ускорительный блок, индуктор, фокусирующая магнитная линза, магнитная поворотная система.

ABSTRACT

Gubanov I.V. Physics of processes in linearly polarized Undulative Inductional Accelerators (EH-accelerators) and systems on their base. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of philosophy degree (Ph. D) in physics and mathemetics on speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems.- Sumy State University, Sumy-2001.

This work is dedicated to the study of physical processes, to the development of new models and theoretical designs, which are based on EH-accelerators.

It is shown that on the basis of a nonstationary EH-accelerator the creation of the system for forming of picosecond electron bunches with large off/on time ratio is possible.

A numerical experiments on acceleration of the electron beam in a honeycomb EH-accelerator are conducted. It is shown that on the basis of this construction the creation of a compact accelerator of commercial type is possible.

It is shown that the realization of effective cooling of the electron beam is possible in the EH-accelerator. This effect is the element turn of phase volume of the beam .

Key words: EH-accelerator, forming system, hierarchic methods, accelerative block, inductor, focusing lens.

Размещено на Allbest.ru

...