Прискорення електронних пучків у лінійних структурах із зустрічною хвилею і зворотними зв'язками

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ХАРКІВСЬКИЙ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 621.384

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ПРИСКОРЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧКІВ У ЛІНІЙНИХ СТРУКТУРАХ IЗ ЗУСТРІЧНОЮ ХВИЛЕЮ І ЗВОРОТНИМИ ЗВ'ЯЗКАМИ

01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок

Опанасенко Анатолій Миколайович

ХАРКІВ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут" Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник,

Айзацький Микола Іванович,

Науково-дослідний комплекс "Прискорювач" ННЦ ХФТІ, зам. директора.

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник,

Бомко Василь Олексійович, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення ННЦ ХФТІ, провідний науковий співробітник.

доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник,

Чурюмов Геннадій Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри фізичних основ електронної техніки.

Провідна установа: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, кафедра експериментальної ядерної фізики, Міністерство освіти та науки України, м. Харків.

Захист відбудеться "15" січня 2002  р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 у Національному науковому центрі "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" за адресою: 61108, м. Харків, вул. Академічна, 1.

Автореферат розісланий "27" листопада 2001 р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Карась В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

несинхронний хвиля струм дисперсія

Актуальність теми. Розширення області застосування лінійних резонансних прискорювачів електронів (ЛПЕ) пов'язане з вирішенням проблеми одночасного досягнення високих енергій та високої інтенсивності електронних пучків з високою яскравістю. Важливим чинником, який обмежує підвищення інтенсивності електронних пучків, що прискорюються у періодичних структурах, є когерентне випромінювання частинками пучка електромагнітних коливань. Вплив поля випромінювання на заряджені частинки призводить до відомих ефектів навантаження струмом та поперечної нестійкості пучка.

Одним із нових підходів до вирішення проблеми підвищення інтенсивності короткоімпульсних пучків є пропозиція по зниженню втрат енергії пучка на випромінювання як на основному виді коливань, так і на "паразитних" дипольних видах за рахунок переходу до структур, у яких прискорення здійснюється однією із просторових гармонік [I]. З метою реалізації даного підходу в ННЦ ХФТІ розроблені нові модифікації круглих діафрагмованих хвилеводів (КДХ) 10 см діапазону із зустрічною хвилею (набіг фази на періоді  = 2/3). Особливістю структури із зустрічною хвилею є наявність несинхронної просторової гармоніки, амплітуда якої перевищує амплітуду синхронної. Це спонукає до проведення досліджень специфіки процесу прискорення електронних пучків у структурах такого типу.

В області довгоімпульсних ЛПЕ основним чинником, що обмежує підвищення інтенсивності пучків, є поперечна нестійкість. Збільшення інтенсивності пучка призводить до скорочення оптимальної довжини структури. За цих умов становить інтерес дослідити можливість ефективного прискорення та пригнічення розвитку поперечної нестійкості в однорідних КДХ із зворотним зв'язком за прискорюючим полем та позитивною дисперсією НЕ11 хвиль, які поглинаються селективними навантаженнями.

Підвищення інтенсивності прискорених електронних пучків на нині діючих установках, модернізація або створення нових сильнострумових ЛПЕ для прикладних ядерно-фізичних задач потребує максимального використання наявної технологічної бази. У цьому зв'язку існує потреба в пошуках альтернативних, економічно виправданих та достатньо ефективних методів підвищення інтенсивності пучків. Дослідження в обраному напрямку важливі у зв'язку з потребою багатогалузевого господарського комплексу України в застосуванні різноманітного класу науково-дослідних, технологічних і терапевтичних прискорювачів. Існуючий науково-технічний потенціал, накопичений у ННЦ ХФТІ при створенні й експлуатації ЛПЕ таких, як ЛПЕ 2 ГеВ та ЛПЕ 300 МеВ, а також серії сильнострумових прискорювачів для радіаційних технологій, разом із потенціалом інших підприємств може заповнити сектор ринку України, пов'язаний із виробництвом та застосуванням ЛПЕ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, пов'язані з тематикою діяльності ННЦ ХФТІ (підрозділами - НДК “Прискорювач” та лабораторії ЛПЕ-300 МеВ), де роботи виконувалися в рамках НДР "Розробка фізичного обгрунтування сильнострумового лінійного резонансного прискорювача електронів на енергію 50 МеВ, імпульсний струм 5 А і тривалість імпульсу 10 мікросекунд" (01-52/55-89, 1990 р.); та за державною програмою - "Програма робіт з атомної науки і техніки Національного Наукового Центру "Харківський фізико-технічний інститут" (Постанова Кабінету Міністрів України №558 від 20.07.1993 р.) в рамках тем: "Дослідження та поліпшення характеристик ЛПЕ-300  для забезпечення фундаментальних ядерно-фізичних та прикладних робіт" (1995-1996 р.); "Теоретичне й експериментальне дослідження фізичних процесів та динаміки частинок у прискорювачі "Лазерний інжекторний комплекс" (ЛІК)" (08/35, 1997-1998 р.).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є одержання нових кількісних і якісних закономірностей процесу прискорення інтенсивних пучків у періодичних структурах із зустрічною хвилею та зворотним зв'язком і на їх основі розвиток методів підвищення інтенсивності імпульсних пучків електронів у лінійних резонансних прискорювачах. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі.

В області прискорення короткоімпульсних пучків:

дослідити можливість циркуляції великих потужностей у структурі з типом коливання =2/3 за наявності системи рекуперації НВЧ потужності;

виміряти величину послідовного опору синхронної просторової гармоніки в структурі з типом коливання =2/3;

здійснити прискорення короткоімпульсного пучка з великим зарядом у імпульсі (100 нКл) у структурі з типом коливання =2/3 за наявності системи рекуперації НВЧ потужності;

дослідити вплив несинхронної нульової просторової гармоніки зустрічної хвилі на динаміку частинок;

дослідити специфіку розвитку поперечної нестійкості пучка в структурі з типом коливання =2/3.

В області прискорення інтенсивних довгоімпульсних пучків:

дослідити поведінку критичних і порогових струмів поперечної нестійкості пучка в короткій однорідній структурі в залежності від дисперсії синхронної ЕН11 хвилі та її коефіцієнта відбиття від селективного навантаження, розташованого на торцях прискорюючої структури;

дослідити можливість ефективного прискорення інтенсивного довгоімпульсного електронного пучка в коротких однорідних КДХ з великими коефіцієнтами навантаженості.

Об'єктом дослідження є динаміка прискорення електронних пучків у лінійних резонансних прискорювачах. Як предмет дослідження в дисертації розглядається прискорення електронних пучків у лінійних періодичних структурах із зустрічною хвилею й зворотними зв'язками. Для вирішення поставлених задач використовувалися такі методи: Дослідження можливості циркуляції великих потужностей у структурі із зустрічною хвилею та зворотним зв'язком за прискорюючим полем проводилося шляхом аналізу амплітудно-часових характеристик НВЧ сигналів. Послідовний опір синхронної просторової гармоніки розраховувався за максимальним приростом енергії електронів, прискорених у структурі. Секціонований циліндр Фарадея використовувався для виміру поперечних характеристик пучка. При дослідженні впливу нульової несинхронної просторової гармоніки зустрічної хвилі на динаміку частинок використовувались аналітичний метод усереднення та числові методи. Теорія збудження хвилеводів та резонаторів використовувалася для одержання рівнянь збудження поля дипольної хвилі, які розв'язувалися аналітичними та числовими методами.

Наукова новизна отриманих результатів. У результаті проведення комплексних досліджень отримані нові дані про закономірності процесу прискорення електронних пучків у періодичних структурах із зустрічною хвилею та зворотними зв'язками, що відкривають можливість підвищення інтенсивності імпульсних електронних пучків. У дисертаційній роботі вперше:

Експериментально показано, що періодична прискорююча структура з типом коливання  = 2/3 відрізняється низьким рівнем когерентних втрат енергії пучка на випромінювання в основній смузі, що забезпечує високі, порівняно з традиційними прискорюючими структурами з >0, значення граничного прискореного заряду пучка.

Теоретично показано, що періодична прискорююча структура з типом коливань  = 2/3 відрізняється низьким рівнем когерентних втрат енергії пучка на випромінювання хвиль дипольних видів, що забезпечує високі, у порівнянні з традиційними прискорюючими структурами з >0, значення критичних струмів поперечної нестійкості.

Експериментально показане існування залежності поперечного розміру релятивістського електронного пучка, що прискорюється в періодичній структурі із зустрічною хвилею, від фази синхронної просторової гармоніки. Характер цієї залежності підтверджує наявність фокусування пучка знакозмінним полем несинхронної нульової просторової гармоніки зустрічної хвилі.

Теоретично показано, що несинхронна нульова просторова гармоніка робочого виду коливань структури із зустрічною хвилею істотно впливає на поздовжню динаміку частинок, що рухаються на фазовій площині енергія - фаза в окрузі сепаратриси, яка зумовлена фазовим рухом частинки в полі синхронної гармоніки. Це може призводити до зменшення коефіцієнта захоплення в структурах із зустрічною хвилею при використанні їх як інжекторної секції.

Теоретично отримано залежності величин критичних і порогових струмів поперечної нестійкості довгоімпульсних пучків, що прискорюються в коротких однорідних КДХ, від відношення радіуса каналу пучка a до радіуса хвилеводу b та від коефіцієнта відбиття синхронної ЕН11 хвилі від торців прискорюючої секції. Показано, що перехід до структур із позитивною груповою швидкістю ЕН11 хвиль (a/b>0.42), за умови наявності на торцях цієї структури селективного навантаження дипольних хвиль, призводить до зростання критичних і порогових струмів на декілька порядків.

Теоретично показано, що при наявності рекуперації НВЧ - потужності та селективного поглинання ЕН11 хвиль у КДХ з позитивною дисперсією синхронних ЕН11 хвиль (a/b>0.42) можливе ефективне прискорення з малим ростом поперечного емітанса довгоімпульсних електронних пучків зі струмом в декілька ампер.

Практичне значення отриманих результатів. Результати випробування прискорюючої структури з типом коливання =2/3 при високому рівні потужності, здійснення прискорення пучка із зарядом 100 нКл, а також результати теоретичного дослідження розвитку поперечної нестійкості пучків не тільки підтвердили правильність обраного підходу для збільшення граничного прискореного заряду, але й показали, що на базі таких структур може бути створений короткоімпульсний ЛПЕ із сумарним зарядом макрозгустка більше 500 нКл. Такі прискорювачі необхідні для фундаментальних досліджень з нейтронної спектроскопії й кінетики швидких ядерних і хімічних реакцій, а також для забезпечення випробувань матеріалів і виробів електронної техніки на радіаційну стійкість, імітації інтенсивних короткоімпульсних джерел іонізуючого випромінювання. Для цієї мети виготовлені дві прискорюючі секції типу СТРУМ90, одна з яких установлена на Універсальному інжекторному комплексі в ННЦ ХФТІ. На базі нової версії структури з типом коливання =2/3 (СТРУМ91) успішно діє прискорювач інтенсивних пучків - Лазерний інжекторний комплекс (ЛІК) (ННЦ ХФТІ) [І].

Розроблена математична модель розвитку поперечної нестійкості короткоімпульсних пучків електронів, що прискорюються в структурах із зустрічною хвилею, може використовуватися для оцінки значень критичних і порогових струмів при проектуванні короткоімпульсних ЛПЕ.

Розвинутий метод опису радіального руху зарядженої частинки в поперечному полі несинхронної просторової гармоніки робочого виду коливання в структурах із зустрічною хвилею дозволив пояснити причину залежності параметрів НВЧ фокусування релятивістського пучка від фази синхронної гармоніки, що спостерігається в експерименті та при комп'ютерному моделюванні.

Результати дослідження впливу несинхронної нульової гармоніки зустрічної хвилі на поздовжню динаміку частинок у інжекторній секції вказали на можливість поліпшення фазо-енергетичних характеристик секцій із зустрічною хвилею за рахунок зменшення кута прольоту резонатора вхідного трансформатору типу хвилі (ТТХ).

Розроблена чисельна модель розвитку поперечної нестійкості електронного пучка в одиночній секції та на її основі - модель кумулятивної нестійкості, а також розвинена лінійна теорія можуть використовуватися для проектування сильнострумових довгоімпульсних ЛПЕ. Результати досліджень були покладені в основу фізичного обґрунтування проекту ЛПЕ для лазера на вільних електронах з імпульсним током 5 A, енергією електронів 50 МеВ та тривалістю пучка 10 мкс.

Особистий внесок здобувача. Автор отримав характеристики стаціонарного прискорення в однорідних КДХ із зворотним зв'язком у залежності від відношення a/b [1], розробив чисельні алгоритми рішення системи рівнянь, що описують поперечну динаміку частинок, за допомогою яких одержав залежності розмірів критичних струмів поперечної нестійкості пучків від параметра a/b і від коефіцієнта відбиття синхронної ЕН11 хвилі від торців прискорюючої секції [1,6]. Автор розробив математичну модель прискорення короткоімпульсного електронного пучка й дослідив характеристики поздовжнього руху в умовах ЛПЕ 300 МеВ [2,11]. Здобувач брав участь у експериментальному дослідженні електродинамічних характеристик прискорюючої секції СТРУМ 90 та НВЧ фокусування пучка, провів обробку та аналіз експериментальних даних, на основі яких одержав величину послідовного опору структури й залежність поперечного розміру пучка електронів від фази синхронної просторової гармоніки, розрахував величину граничного заряду пучка й оцінив похибки проведених вимірів [3,5,10,12]. Автор розробив математичну модель поздовжнього руху заряджених частинок у структурі із зустрічною хвилею, за допомогою якої провів аналіз фазових траєкторій частинок і зробив висновок про негативний вплив несинхронної просторової гармоніки на захоплення частинок у структурах з великим кутом прольоту резонатора ТТХ [4].

Апробація результатів дисертації. Результати, отримані в ході виконання дисертації, представлені на: XIII Нараді з прискорювачів заряджених частинок, Росія, Дубна, 1992 р. [10, 11]; IV Європейській конференції з прискорювачів заряджених частинок, Лондон, 1994 р. [12]; XV Міжнародному семінарі з лінійних прискорювачів заряджених частинок, Україна, Алушта, 1997 р. [8, 9]

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 12 публікаціях, з них 7 опубліковано в журналах фахового видання [1-7]; решта 5 - у матеріалах конференцій з прискорювачів заряджених частинок [8-12]. Чотири статті [1-4] задовольняють вимогам ВАК України щодо публікацій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів і висновків. Обсяг повного тексту дисертації займає 172 сторінки. Обсяг, що займають рисунки, складає 11 сторінок, таблиці - 1 сторінка, список використаних джерел із 128 найменувань складає 15 сторінок.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми в області досліджень, безпосередньо пов'язаних із темою дисертації, сформульована мета роботи, наукова новизна та практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі дано літературний огляд методів підвищення інтенсивності електронних пучків у резонансних ЛПЕ. Розглянуто основні фізичні механізми колективного випромінювання зарядженими частинками, яке обмежує досягнення високих енергій і високої інтенсивності електронних пучків у резонансних ЛПЕ. Проведено порівняльний аналіз параметрів короткоімпульсних ЛПЕ. Показано, що підвищення граничного заряду, прискорюваного в структурах на бігучій хвилі, традиційно досягається завдяки зниженню рівня когерентних втрат енергії пучка на випромінювання (за рахунок зниження робочої частоти) та завдяки збільшенню накопленої НВЧ енергії (шляхом зменшення групової швидкості прискорюючої хвилі). Обговорюються залежності граничного заряду від електродинамічних параметрів і геометрії КДХ. Розглянуто новий підхід до вирішення проблеми підвищення інтенсивності короткоімпульсних пучків, що базується на зниженні втрат енергії пучка на випромінювання як на основному виді коливань, так і на дипольних видах за рахунок використання структур, у яких синхронною є (+1) просторова гармоніка (тип коливання =2/3). Обговорюються властивості структур із зустрічною хвилею. Дано огляд методів пригнічення процесу поперечної нестійкості, що є основним чинником, який обмежує підвищення інтенсивності довгоімпульсних пучків.

У другому розділі викладено обґрунтування обраного напрямку досліджень. Сформульовано задачі. Описано методи рішення поставлених задач. Як експериментальний стенд для дослідження структури з типом коливання =2/3 (СТРУМ90) був використаний Універсальний інжекторний комплекс ЛПЕ-300 МеВ (ННЦ ХФТІ). Особливістю стенда є система рекуперації НВЧ потужності. Наводиться опис методики розрахунку послідовного опору синхронної просторової гармоніки. Методика базується на вимірі залежності приросту енергії ультрарелятивістських заряджених частинок, розташованих на гребені прискорюючої хвилі, від величини НВЧ потужності, що подається в секцію при малому струмі пучка. Описано методику експериментального дослідження НВЧ фокусування пучка в досліджуваній прискорюючій секції, яка базується на вимірі поперечних характеристик пучка за допомогою секціонованого циліндра Фарадея. Оцінено похибки вимірювань.

Наведено рівняння руху зарядженої частинки в полі ТМ01 виду в структурі із зустрічною хвилею. Специфіка динаміки релятивістської частинки полягає в тому, що радіальній рух визначається, головним чином, знакозмінним полем несинхронної (нульової) гармоніки, а поздовжнє полем синхронної (+1) гармоніки. Наведено метод усереднення для розв'язання рівнянь руху частинки в знакозмінному полі.

Розроблено модель взаємодії короткоімпульсного пучка ультрарелятивістських заряджених частинок із аксіально-несиметричними хвилями, побудовану на основі представлення поля у частково пересічних областях періодичного хвилеводу та припущення про слабкий зв'язок між ячейками. Розвинутий підхід дозволяє знайти параметр R/Q11 як функцію геометричних розмірів хвилеводу.

Наведено самоузгоджені рівняння збудження ЕН11 хвилі й руху частинок довгоімпульсного пучка. Рівняння дозволяють досліджувати закономірності процесу розвитку поперечної нестійкості в залежності від групової швидкості ЕН11 хвилі та коефіцієнта відбиття її від торців структури.

У третьому розділі дано порівняльний аналіз параметрів звичайних КДХ (тип коливання >0) і КДХ типу СТРУМ (=2/3 ) (див. рис.1). Структура СТРУМ 90 (рис.1б) призначена для прискорення короткоімпульсних пучків із зарядом біля 500 нКл при 20 МВт імпульсної потужності НВЧ джерела з частотою f0=2797 МГц (на рис.1 =сf0 - довжина прискорюючої хвилі, де с -фазова швидкість). Для забезпечення необхідного рівня запасеної енергії передбачається використання системи рекуперації НВЧ потужності. Секція СТРУМ 91 (рис.1в) відрізняється від СТРУМ 90 великою товщиною діафрагм t=2a, що забезпечує малу групову швидкість. Ця структура призначена для прискорення електронних пучків нано- і пікосекундної тривалості без використання схеми рекуперації НВЧ потужності. Наведено результати експериментального дослідження періодичної структури СТРУМ 90 при наявності регульованої системи рекуперації НВЧ потужності. Аналіз амплітудно-часових характеристик НВЧ сигналів, виміряних на вході секції, у навантаженні та на виході джерела НВЧ живлення при настроєному зворотному зв'язку в оптимальний режим рекуперації, показав, що максимальний коефіцієнт збільшення НВЧ потужності в секції складає 3.6 при тривалості імпульсу 2 мкс. Це забезпечило, при потужності джерела 20 МВт, циркуляцію в резонанснім кільці більше 70 МВт НВЧ потужності.

Наведено виміри приросту енергії електронів від потужності, що поступає в досліджувану структуру, при малих струмах пучка. Встановлено, що послідовний опір синхронної (+1) просторової гармоніки складає R124 Ом/см2 20 Ом/см2.

Виміряне значення R указує на низький рівень втрат енергії пучка на випромінювання в основній частотній смузі й забезпечує розмір граничного заряду вище 1000 нКл при потужності живлення резонансного кільця 20 МВт.

Наведено дані експериментів із прискорення електронного пучка із зарядом 100 нКл і тривалістю 10 нсек у секції СТРУМ 90 зі зворотним зв'язком при циркулюючій потужності 50.6 МВт. Аналіз виміряних енергетичних спектрів прискорених електронів підтверджує наявність низьких втрат енергії пучка на випромінювання в структурі з типом коливань =2/3.

У режимі малих струмів за допомогою секціонованого циліндра Фарадея, установленого на відстані 250 см від вихідного торця досліджуваної секції, виміряна залежність коефіцієнта поперечного фокусування ультрарелятивістського пучка Кfocus=02/2 від фази прискорюючої гармоніки ( і 0 - середньоквадратичні радіуси пучка, що вимірюються за наявності НВЧ живлення секції та без такого, відповідно). При значенні циркулюючої НВЧ потужності Р=53 МВт ця залежність подана на рис.2 (експериментальні точки) для початкових енергій електронів пучка Wi=(13 МеВ, 18 МеВ). Спостерігається два максимуми густини пучка для двох значень фаз, симетрично розташованих щодо гребеня хвилі. Підтверджується наявність передбаченого раніше чисельно [II] ефекту фокусування пучків Кfocus>1, що прискорюються в структурах із фазовим набігом <0.

У четвертому розділі наведено результати теоретичного дослідження динаміки заряджених частинок, що прискорюються в періодичних структурах із =2/3. Розглянуто основні закономірності радіального НВЧ фокусування частинок у полі несинхронної нульової просторової гармоніки. Радіальний рух частинки представляє собою суму повільного коливання з великою амплітудою й швидкого - малої амплітуди. Причому, повільні радіальні коливання залежать від початкової фази прискорюючої хвилі. Така залежність обумовлена рівністю по порядку величини радіальної швидкості повільно та швидко осцилюючого руху частинки. В ультрарелятивістськім приближенні знайдені аналітичні вирази для траєкторій частинок.

При урахуванні впливу трансформаторів типу хвилі на радіальний рух пучка, теоретичні результати добре узгоджуються з експериментальними. Положення максимумів експериментального й теоретичного Кfocus збігаються й відповідають кросоверу пучка. У кросовері теоретичне значення Кfocus=. Це пов'язано з ігноруванням фазової довжини згустків та поля просторового заряду. Деяка розбіжність теоретичних кривих із експериментальними точками в області сильної залежності Кfocus від фази пов'язана в основному з наявністю кінцевої фазової довжини згустку.

Розглянуто радіальний рух частинок у секції СТРУМ 91 (=2/3) ЛІК. Ураховано зростання поля зустрічної хвилі уздовж структури та фазове ковзання електронів щодо прискорюючої гармоніки. Знайдені радіальні траєкторії збігаються з розрахованими за допомогою програми PARMELA авторами [ІІІ].

Наведено результати дослідження впливу несинхронної нульової просторової гармоніки робочої хвилі та поля ТТХ на процес захоплення частинок у режим прискорення в інжекторній секції СТРУМ 91. Показано, що вплив нульової гармоніки на частинки може призводити до викиду за межі області захоплення деякого числа електронів, що рухаються на фазовій площині енергія - фаза поблизу сепаратриси, зумовленої фазовим рухом у синхронній хвилі. Для збільшення коефіцієнта захоплення доцільно зменшувати кут прольоту резонатора ТТХ.

Подано результати розрахунку процесу розвитку поперечної нестійкості короткоімпульсного пучка в секції СТРУМ90 (=2/3). Показано, що розвиток поперечної нестійкості пучка варто очікувати на частотах близьких до 4938 МГц EН11 хвилі (2R11/Q11=148.7Ом). Усереднюючи швидкозмінний радіальний рух пучка, викликаний полем (0-ї) несинхронної гармоніки, отримана рекурентна система рівнянь, що описує поперечний рух пучка під дією пондермоторної фокусуючої сили симетричної (0-ї) несинхронної гармоніки та дефокусуючої сили (+1-ї) синхронної гармоніки EН11 хвилі. Результати розв'язання рівнянь у вигляді F=logmax[х(L)/х(0)], логарифма відношення максимального відхилення пучка від осі до початкового відхилення в залежності від заряду пучка, що прискорюється в СТРУМ90 (=2/3) і КДХ із =/2 і 2/3. Видно, що в СТРУМ90 поперечні розміри пучка із зарядом понад 250 нКл значно менші, ніж поперечні розміри пучка, який прискорюється в традиційних КДХ із =/2 і 2/3.

П'ятий розділ присвячений викладу результатів теоретичного дослідження можливості пригнічення процесу поперечної нестійкості довгоімпульсних інтенсивних релятивістських пучків і забезпечення високої ефективності прискорення. Наведені чисельні результати у вигляді залежності відношення критичного струму Icr (тривалістю 10 мкс) до початкової енергії пучка W0, що прискорюється в КДХ (довжиною L=60 см), від a/b у діапазоні (0.350.5) (а и b - радіуси каналу пучка й хвилеводу КДХ відповідно) і від ефективного коефіцієнта відбиття Rref (01) синхронної ЕН11 хвилі від торців прискорюючої секції. Rref є добуток коефіцієнтів відбиття від вхідного та вихідного торців секції. За умови Rref 0.02 перехід до структур із позитивною груповою швидкістю ЕН11 хвилі (a/b>0.42) призводить до зростання критичного струму на декілька порядків.

Викладено лінійну теорію розвитку поперечної нестійкості пучка в однорідній прискорюючій структурі, яка враховує відбиття синхронної ЕН11 хвилі від торців структури.

Отримано рівняння спектра поперечного коливання пучка. На основі рівнянь спектра для КДХ з a/b=0.35 (vg11=0.028c - групова швидкість ЕН11 хвилі) і a/b=0.5 (vg11=0.0565c) знайдені залежності інкрементів і порогових струмів поперечної нестійкості від Rref. Характер цих залежностей указує на відмінну рису структур із vg11>0 у порівнянні зі структурами з vg11<0, яка полягає в можливості значного зниження інкременту та підвищення порогового струму поперечної нестійкості за рахунок застосування селективного навантаження ЕН11 хвилі. На рис.5, 6 зображено залежності відношення порогового струму Ish до початкової енергії W0 пучка від Rref. У структурі з vg11<0 при Rref=0 пороговий струм досягає межі за рахунок внутрішнього зворотного зв'язку. В той час, як у КДХ із vg11>0 зі зменшенням Rref до 0 зворотний зв'язок зникає, тому Ish зростає неосяжно.

Отримані вище результати лягли в основу фізичного обґрунтування ЛПЕ з параметрами: імпульсний струм I=5 А, енергія електронів W=50 МеВ, тривалість імпульсу 10 мкс. Передбачається використання 16-ти КДХ (a/b=0.5) довжиною по L=60 см з типом коливання /2 на робочій частоті 2797 МГц. Показано, що для досягнення електронного к.к.д. прискорення більше ніж 90% при потужності НВЧ джерела Р=16 МВт можна застосувати систему рекуперації НВЧ потужності. Для пригнічення розвитку поперечної нестійкості пропонується встановити на торцях секцій селективні навантаження ЕН11 хвиль. Показано, що для Rref=0.5 нормалізований емітанс пучка зі струмом 5А на виході 16-ти секційного прискорювача не перевищує 10 мм мрад.

ВИСНОВКИ

У дисертації подано нові дані, отримані в ході комплексного дослідження закономірностей процесу прискорення імпульсних електронних пучків у лінійних структурах із зустрічною хвилею й зворотними зв'язками з метою розв'язання наукового завдання з підвищення інтенсивності пучків в резонансних ЛПЕ. Основні висновки зводяться до наступного:

В області прискорення короткоімпульсних електронних пучків:

Експериментально показано, що застосування зворотного зв'язку за прискорюючим полем у структурі із зустрічною хвилею (тип коливання =2/3), за наявності стандартного джерела НВЧ потужності 20 МВт з тривалістю 2 мкс, дозволяє одержувати біля 70 МВт циркулюючої потужності, достатньої для прискорення короткоімпульсних пучків електронів із зарядом вище 500 нКл.

Експериментально виміряне значення послідовного опору прискорюючої (+1) просторової гармоніки структури з типом коливання =2/3, що складає 124 Ом/см2 20 Ом/см2, а також результати аналізу виміряних енергетичних спектрів прискореного електронного пучка із зарядом 100 нКл і тривалістю 10 нсек доводять наявність низьких, у порівнянні з традиційними структурами з >0, втрат енергії пучка на когерентне випромінювання в основній смузі. Це забезпечує, за умов наявності джерела НВЧ з потужністю 20 МВт та зворотного зв'язку за прискорюючим полем, величину граничного прискореного заряду більшу ніж 1000 нКл.

Результати вимірів поперечного розміру пучка ультрарелятивістських електронів у залежності від параметрів прискорюючою хвилі структури з типом коливань =2/3 підтверджують передбачений раніше ефект фокусування пучка в структурах із фазовим набігом <0. Характер виміряної залежності поперечного розміру пучка від фази прискорюючої хвилі якісно й кількісно узгоджується з теорією ефекту НВЧ фокусування, розвинутої в дисертації.

Аналіз фазових траєкторій електронів, прискорюваних у КДХ з типом коливань =2/3 показав, що несинхронна нульова просторова гармоніка робочого виду коливань структури з типом коливань =2/3 істотно впливає на поздовжню динаміку часток, що рухаються на фазовій площині енергія - фаза в окрузі сепаратриси, яка зумовлена фазовим рухом частинки в полі синхронної гармоніки. Це може призводити до зменшення коефіцієнта захоплення в структурах із зустрічною хвилею при їх використанні як інжекторної секції. Для збільшення коефіцієнта захоплення рекомендується зменшувати кут прольоту резонатора ТТХ.

За допомогою розвинутої математичної моделі поперечного руху інтенсивного короткоімпульсного пучка електронів у структурі із зустрічною хвилею показано, що в структурі з =2/3 поперечні розміри пучка із зарядом понад 250 нКл значно менші поперечних розмірів такого ж пучка, що прискорюється в традиційних структурах з типом коливань =/2 і 2/3. Це зумовлено низьким, у порівнянні з традиційними структурами з >0, рівнем когерентних втрат енергії пучка на випромінювання дипольних хвиль в структурі з =2/3.

В області прискорення інтенсивних довгоімпульсних електронних пучків:

Характер отриманих залежностей критичних струмів пучків, прискорених у коротких однорідних КДВ, від параметра a/b (0.35 0.5) і від ефективного коефіцієнта відбиття Rref синхронної ЕН11 хвилі від торців прискорюючої секції показує, що перехід до структур з позитивною груповою швидкістю ЕН11 хвилі (a/b>0.42) призводить до зростання критичного струму на декілька порядків за умови наявності на торцях цієї структури селективного навантаження дипольної хвилі.

На основі розвинутої лінійної теорії поперечної нестійкості релятивістського пучка заряджених частинок у однорідній прискорюючій структурі, яка враховує вплив відбитої від торців структури синхронної ЕН11 хвилі, отримані залежності інкрементів і порогових струмів поперечної нестійкості від коефіцієнта відбиття синхронної ЕН11 хвилі. Характер залежностей указує на те, що структури з позитивною дисперсією ЕН11 хвиль, у порівнянні зі структурами з негативною дисперсію, можуть мати істотно більші величини порогових і критичних струмів за рахунок застосування селективного навантаження.

Шляхом чисельного розрахунку процесу поперечної нестійкості пучка електронів у багатосекційному ЛПЕ та аналізу навантажувальних характеристик показано, що при наявності рекуперації НВЧ - потужності у коротких однорідних КДХ з достатньо великим значенням відношення a/b0.5, що забезпечує позитивну дисперсію синхронних дипольних хвиль, які поглинаються селективними навантаженнями, можна прискорювати довгоімпульсні електронні пучки в декілька ампер з високою ефективністю та низьким поперечним емітансом. Пучки з такими параметрами можуть використовуватися в лазерах на вільних електронах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Айзацкий Н.И., Опанасенко А.Н. Влияние отражений ЕН11-волн на динамику поперечной неустойчивости пучка в ЛУЭ // ВАНТ. Сер.: Ядерно - физические исследования (Теория и эксперимент).- Харьков. - 1991.- Вып.3(21).- С.40-42.

Буляк Е.В., Курилко В.И., Махненко Л.А., Опанасенко А.Н., Рябка П.М. Поперечная динамика короткоимпульсного пучка в секционированном резонансном ЛУЭ // ЖТФ.- 1993.- Т.63, № 6.- С.152-165.

Иванов Г.М., Курилко В.И., Махненко Л.А., Опанасенко А.Н., Рябка П.М., Черенщиков С.А. Экспериментальные исследования электродинамических характеристик ускоряющей структуры СТРУМ-90 // ЖТФ.- 1994.- Т.64, №4.- С.115-123.

Айзацкий Н.И., Кушнир В.А., Опанасенко А.Н. Влияние несинхронных гармоник на продольное движение частиц в ускоряющей секции со встречной волной // Вісник Харківського університету. Серія фізична. "Ядра, частинки, поля". - 2001.- №522.- Вип.2(14).- С.65-69.

Иванов Г.М., Курилко В.И., Махненко Л.А., Опанасенко А.Н., Рябка П.М., Черенщиков С.А. СВЧ фокусировка электронного пучка в ускоряющей структуре 43 // Письма в ЖТФ.- 1993.- Т.19, №12.- С.6-8.

Айзацкий Н.И., Опанасенко А.Н. Подавление поперечной неустойчивости в однородной замедляющей структуре // ЖТФ.- 1994.- Т.64, №4.- С. 79-85.

Опанасенко А.Н. Влияние отражений ЕН11-волн от торцов ускоряющей структуры на динамику поперечной неустойчивости пучка // ЖТФ.- 1994.- Т.64, № 4.- С. 86-92.

Опанасенко А.Н. К вопросу о радиальном движении заряженных частиц в поле несинхронной аксиально-симметричной волны // ВАНТ. Сер.: Ядерно- физические исследования. - Харьков. - 1997. Вып.2,3(29,30).- C.74-76.

Опанасенко А.Н. Поперечная неустойчивость короткоимпульсного пучка в цепочке слабосвязанных резонаторов // ВАНТ. Сер.: Ядерно- физические исследования. - Харьков. - 1997.- Вып.2,3(29,30).- C.102-104.

Айзацкий Н.И., Биллер Е.З., Довбня А.Н., Иванов Г.М., Колот З.М., Курилко В.И., Кушнир В.А., Махненко Л.А., Митроченко В.В., Опанасенко А.Н., Черенщиков С.А. Новые модификации диафрагмированных волноводов для ускорения короткоимпульсных пучков электронов // Труды 13 совещания по ускорителям заряженных частиц.- Дубна .- 1992.- Т.1.- С.205-207.

Буляк Е.В., Курилко В.И., Махненко Л.А., Опанасенко А.Н., Рябка П.М. Поперечная динамика короткоимпульсного пучка в секционированном ЛУЭ // Труды 13 совещания по ускорителям заряженных частиц.- Дубна. - 1992.- Т.1.- С.487-489.

Cherenshchikov S.A., Ivanov G.M., Kurilko V.I., Makhnenko L.A., Opanasenko A.N., Ryabka P.M. Experimental Investigation of Electrodynamic Parameters of Accelerating Structure with 4/3 Operational Phase Shift per Cavity // Abstracts on European Particle Accelerator Conference.- London (UK). - 1994. - P.32.

Айзацкий Н.И., Биллер Е.З., Довбня А.Н. и др. Новые модификации диафрагмированных волноводов для ускорения короткоимпульсных пучков электронов // Труды 13 совещания по ускорителям заряженных частиц.- Дубна. - 1992.- Т.1.- С.205-207.

Айзацкий Н.И., Буляк Е.В., Курилко В.И. Динамика пучка в поле встречной волны // Труды 12 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц.- Дубна. - 1990.- Т.1.- С. 412-415.

Айзацкий Н.И., Кушнир В.А., Митроченко В.В. и др. Высокочастотная фокусировка в ускоряющих структурах с бегущей волной // ВАНТ. Сер.: Ядерно-физические исследования. - Харьков. - 1997.- T.1, Вып.2,3(29,30).- C.72-74.

АНОТАЦІЯ

Опанасенко А.М. Прискорення електронних пучків у лінійних структурах із зустрічною хвилею і зворотними зв'язками. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.20. - фізика пучків заряджених частинок. - Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут", Харків, 2001.

Дисертація присвячена проблемі підвищення інтенсивності імпульсних пучків у лінійних резонансних прискорювачах електронів.

Досліджуються процеси прискорення електронних пучків у періодичних структурах із зустрічною хвилею та в структурах, які відрізняються знаком та значенням групової швидкості синхронних ЕН11 хвиль при наявності зворотного зв'язку за прискорюючим полем. Встановлено, що структура із зустрічною хвилею на основі круглого діафрагмованого хвилеводу (КДХ) (тип коливання  = 2/3), яка запропонована для прискорення короткоімпульсних пучків, відрізняється від традиційних структур із >0 низьким рівнем когерентних втрат енергії пучка на випромінювання як у основній частотній смузі, так і в вищих смугах резонансних дипольних хвиль.

Це зумовлює високі амплітуди критичного заряду поперечної нестійкості та, за наявності рекуперації НВЧ потужності, високі максимальні прискорені заряди.

Показано, що на відміну від традиційних КДХ з малими апертурами (а/b<0.42) використання КДХ з великими апертурами (а/b0.5), які зумовлюють позитивну дисперсію ЕН11 хвиль, що поглинаються селективним навантаженням встановленим на торцях структури, призводить до значного зростання критичного та порогового струмів поперечної нестійкості.

Використання в таких структурах рекуперації НВЧ потужності дає змогу прискорювати довгоімпульсні пучки зі струмом в декілька ампер з високим електронним к.к.д. та низьким зростом емітанса.

Ключові слова: лінійний прискорювач електронів, круглий діафрагмований хвилевід, зустрічна хвиля, зворотний зв'язок, динаміка пучка.

АННОТАЦИЯ

Опанасенко А.Н. Ускорение электронных пучков в линейных структурах со встречной волной и обратными связями. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.20. - физика пучков заряженных частиц. - Национальный научный центр "Харьковский физико-технический институт", Харьков, 2001.

Диссертация посвящена проблеме повышения интенсивности импульсных пучков в линейных резонансных ускорителях электронов (ЛУЭ). С этой целью исследуются процессы ускорения короткоимпульсных электронных пучков в однородных периодических структурах со встречной волной и обратной связью по ускоряющему полю, а также - процессы ускорения длинноимпульсных пучков в традиционных ускоряющих структурах, отличающихся величиной и знаком групповой скорости синхронных ЕН11 волн, поглощаемых установленными на торцах селективными нагрузками. Экспериментально показано, что применение обратной связи по ускоряющему полю в структуре со встречной волной - СТРУМ 90 (представляющей собой круглый диафрагмированный волновод (КДВ) с типом колебания  = 2/3), позволяет, при наличии стандартного источника СВЧ мощности 20 МВт с длительностью 2 мкс, получать около 70 МВт циркулирующей мощности, достаточной для ускорения короткоимпульсных пучков электронов с зарядом выше 500 нКл. Экспериментальные измерения показали, что значение последовательного сопротивления синхронной (+1) пространственной гармоники данной структуры составляет 124 Ом/см2 с точностью 20 Ом/см2. При наличии источника СВЧ мощности 20 МВт и системы рекуперации мощности это обеспечивает величину предельного ускоренного заряда - больше 1000 нКл. Ускорение в структуре с типом колебания  = 2/3 интенсивного электронного пучка с зарядом 100 нКл и длительностью около 10 нсек подтвердили наличие низких потерь энергии пучка на когерентное излучение в основной полосе этой структуры.

Исследовано влияние несинхронной нулевой пространственной гармоники встречной волны на динамику частиц. Измерена зависимость поперечного размера пучка ультрарелятивистских электронов, ускоренных в структуре с типом колебаний =2/3, от фазы и мощности ускоряющей волны. Результаты подтверждают предсказанный ранее эффект фокусировки пучка в структурах с фазовым набегом <0. Развита теория СВЧ фокусировки пучка в поле несинхронной волны с учетом влияния ТТВ. Теоретические результаты количественно и качественно совпадают с данными эксперимента. Показано, что зависимость медленных радиальных колебаний частицы в поле несинхронной гармоники от начальной фазы этой гармоники обусловлена равенством по порядку величины медленной и быстро осциллирующей компонент поперечной скорости частицы.

Проведен расчет фазовых траекторий частиц в инжекторной секции с типом колебаний  = 2/3 с учетом поля ТТВ. Показано, что несинхронная нулевая пространственная гармоника рабочего вида колебаний оказывает существенное влияние на продольную динамику частиц, движущихся на плоскости энергия - фаза в окрестности сепаратрисы, определяемой фазовым движением частицы в поле синхронной гармоники. Это может приводить к уменьшению коэффициента захвата в структурах со встречной волной при их использовании в качестве инжекторной секции. Для увеличения коэффициента захвата целесообразно уменьшать угол пролета резонатора ТТВ.

С помощью развитой в работе математической модели поперечного движения интенсивного короткоимпульсного пучка электронов исследована специфика процесса поперечной неустойчивости пучка в секции с типом колебания  = 2/3 (СТРУМ 90). Показано, что в данной структуре поперечные размеры пучка с зарядом выше 250 нКл значительно меньше поперечных размеров пучка, ускоряемого в обычных КДВ с =/2 и 2/3. Это обусловлено низким уровнем потерь энергии пучка на излучение дипольных волн в структурах с =2/3 по сравнению с традиционными структурами с >0.

Получены зависимости величин критических и пороговых токов поперечной неустойчивости длинноимпульсных пучков, ускоряемых в коротких однородных КДВ, от отношения радиуса канала пучка a к радиусу волновода b и от коэффициента отражения Rref синхронной ЕН11 волны от торцов ускоряющей секции. Показано, что переход к структурам с положительной групповой скоростью ЕН11 волн (а/b>0.42) при наличии на торцах этой структуры селективной нагрузки дипольных волн, приводит к возрастанию критических и пороговых токов на несколько порядков.

На основе развитой линейной теории поперечной неустойчивости релятивистского электронного пучка в однородной ускоряющей структуре, учитывающей влияние отраженной от торцов структуры ЕН11 волны, получены зависимости инкрементов поперечной неустойчивости и пороговых токов от коэффициента отражения Rref синхронной ЕН11 волны. Показано, что с помощью селективной нагрузки ЕН11 волны, установленной на торцах круглого диафрагмированного волновода (КДВ) с a/b=0.35 (дисперсия синхронной ЕН11 волны - отрицательная), можно увеличить пороговый ток максимум в 5.6 раза. Использование в этих условиях КДВ с положительной дисперсией синхронных ЕН11 волн (a/b=0.5) приводит к неограниченному росту порогового тока при стремлении Rref к нулю. Уменьшая Rref от 1 до 0.1, значение порогового тока возрастает в 20 раз.

Проведен численный расчет процесса кумулятивной неустойчивости пучка электронов в многосекционном ЛУЭ на базе однородных КДВ (a/b=0.5) с селективными нагрузками на торцах, а также проведен анализ нагрузочных характеристик структуры с системой рекуперации СВЧ мощности. Показано, что использование системы обратной связи по ускоряющему полю в коротких однородных КДВ, отличающихся большими значениями коэффициента нагружения, обеспечивающих положительную дисперсию синхронных ЕН11 волн, поглощаемых установленными на торцах селективными нагрузками, позволяет ускорять длинноимпульсные интенсивные пучки с токами в несколько ампер с высокой эффективностью и низким ростом поперечного эмиттанса. Пучки с такими параметрами могут использоваться в лазерах на свободных электронах.

Ключевые слова: линейный ускоритель электронов, встречная волна, обратная связь.

ABSTRACT

Opanasenko A.N. The electron beam acceleration in linear structures with counter wave and feedbacks. - Manuscript.

The thesis on competition of a degree of the candidate of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.20. - the physics of beams of charged particles. - National Science Center the Kharkov Institute of Physics and Technology, Kharkov, 2001.

The electron beam acceleration in the rf structures with counter wave and feedbacks is studied. It is proved that the counter wave structure based on the cylindrical disk loaded waveguide with phase advance per cell =2/3, proposed to accelerate high current short pulsed electron beams, differs from others rf structures with >0 a low coherent radiation losses of the beam energy in the pass band of both accelerating and dipole modes. Therefore this counter wave structure provides the high critical beam charges of beam breakup. The employment of rf power feedback in this structure provides the high maximum accelerated charges. It is shown that the use of suppression of HEM11 waves in the disk loaded waveguides with the big apertures (а/b0.5) providing a positive dispersion of HEM11 mode, in contradistinction to the small aperture waveguides (а/b<0.42), leads to increasing the critical and starting currents of beam breakup by several orders of magnitude. The rf power feedback in the such rf structures enables to accelerate high efficiently the long pulsed electron beam with current of a few amperes at low emittance growth.

Key Words: rf electron linac, disk loaded waveguide, counter wave, feedback, beam dynamic.

Размещено на Allbest.ru