НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ
Митроченко Віктор Володимирович
УДК 621.384.6
ФОРМУВАННЯ ТА ПРИСКОРЕННЯ ПУЧКІВ У ВИСОКОЧАСТОТНИХ ДЖЕРЕЛАХ ЕЛЕКТРОНІВ
01.04.20 – фізика пучків заряджених частинок
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Харків – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут”.
Науковий керівник – кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кушнір Володимир Абрамович. Науково-дослідний комплекс “Прискорювач” ННЦ ХФТІ, начальник лабораторії.
Офіційні опоненти:
доктор фіз.-мат. наук, професор Магда Ігорь Іванович. Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення ННЦ ХФТІ, начальник лабораторії
кандидат фіз. – мат. наук, старший науковий співробітник Чорний Валентин Васильович. Харківський державний університет, завідуючий лабораторією.
Провідна установа:
Науковий фізико-технологічний центр Міністерства освіти та НАН України, м. Харків.
Захист відбудеться “19” жовтня 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 в ННЦ ХФТІ за адресою: м. Харків, вул. Академічна, 1.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ННЦ ХФТІ за адресою: м. Харків, вул. Академічна, 1
Автореферат розісланий “17” вересня 1999р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор фіз.-мат. наук Айзацкий М.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Сучасні експериментальні дослідження в різноманітних областях фізики вимагають якісних електронних пучків, що застосовуються в експериментах. Детальний аналіз тенденцій розвитку методів сучасної експериментальної фізики та прискорювальної техніки показує важливість поліпшення якості пучка на виході лінійних прискорювачів електронів (ЛПЕ), що використовуються як для проведення фундаментальних досліджень, так і для реалізації прикладних програм.
Актуальність теми. Характеристики пучка на виході ЛПЕ в значній мірі визначаються якістю інжектора – системи приладів, що формує електронний пучок в вигляді послідовності згустків з малими повздовжніми та поперечними розмірами. Останнім часом розвиваються схеми побудови інжекторних систем, в яких отримання і формування пучка відбувається в одному високочастотному елементі, який одержав назву високочастотна електронна гармата (ВЧ гармата). Завдяки високій якості пучка високочастотні гармати знайшли застосування в прискорювачах лазерів на вільних електронах, інжекторах в накопичувальні кільця синхротронів, планується їхнє використання в прискорювачах наступної ґенерації, зокрема, в лінійних колайдерах. Разом з тим, дослідження фізичних процесів пов’язаних з формуванням та прискоренням пучка в ВЧ гарматах далекі від завершення. Вони є об’єктом дослідження в багатьох ведучих дослідних центрах миру. В зв’язку з розширенням областей використання прискорювачів електронів в прикладних цілях особливе значення набувають дослідження і розробка ВЧ гармат з термоемісійними катодами, що є простими та компактними. Вони не вимагають дорогого додаткового обладнання. Застосування таких інжекторних систем дозволяє значно спростити конструкцію прискорювача при збереженні високої якості пучка. Незважаючи на велику кількість публікацій присвячених даному напряму, досі багато питань недостатньо повно досліджені, наприклад, шляхи підвищення середнього струму таких інжекторів. В цьому зв’язку дослідження, направлені на створення інжекторних систем на базі високочастотних термоемісійних електронних гармат, як для прецизійних прискорювачів, так і для прискорювачів широкого застосування є актуальними.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження і розробки, результати яких наведені в даній дисертації, виконувалися в рамках Програми робіт по атомній науці і техніці ННЦ ХФТІ на період 1992 – 2000 рр., затвердженої Мінмашпромом і НАН України 23.03. 1993 р., договору № 80/89-35 про науково – дослідну роботу “Теоретичні, експериментальні і дослідно-конструкторські роботи по створенню лінійного прискорювача електронів інжектора технологічного джерела СВ-СКН-600”, проекту ГКНТ України № 09.02. 01/014-92, проектів № 2.4/673 і № 2.5. 1/39 Державного фонду фундаментальних досліджень.
Мета і задачі досліджень. Метою проведених досліджень було отримання нових знань про фізичні процеси, що протікають в високочастотних гарматах з термоемісійним катодом і створення науково обгрунтованих рекомендацій для розробки на їх основі інжекторних системи з високою якістю пучка, як прецизійних прискорювачів, так і прискорювачів широкого застосування. Для досягнення цієї мети було необхідно провести теоретичне і експериментальне дослідження особливостей динаміки електронів в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом, вивчити вплив розподілу електричного поля на осі гармат на характеристики пучка, дослідити ефект бомбардування катода зворотними електронами, виробити шляхи підвищення середнього струму таких гармат, розробити методики експериментального дослідження і настроювання резонансних систем гармат.
Наукова новизна отриманих результатів. На основі теоретичних і експериментальних досліджень отримані нові дані про фізичні процеси в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом.
Вперше на основі числового моделювання динаміки електронів вивчені закономірності впливу форми розподілу поля на осі резонаторної системи ВЧ гармати з термоемісійним катодом на характеристики пучка електронів, як на виході гармати, так і того, що попадає на катод.
Отримані нові дані про нестаціонарні температурні процеси в термоемісійних катодах ВЧ гармат, вперше експериментально досліджено зміну температури поверхні катода під час імпульсу струму.
Вперше досліджені електродинамічні характеристики та характеристики пучка двохрезонаторної термоемісійної ВЧ гармати з електричним типом зв’язку між резонаторами.
Спираючись на проведені дослідження було розроблено концепцію створення інжекторів на основі багаторезонаторних термоемісійних гармат, виходячи з якої запропонована гармата з великим середнім струмом пучка, що може бути використана в якості інжектора технологічного прискорювача електронів.
Розроблена нова методика визначення резонансної частоти НВЧ резонаторів, виготовлена і випробувана відповідна апаратура.
На захист виносяться наступні результати і положення:
1. Результати дослідження впливу розподілу поля на осі резонансних системи високочастотних гармат з термоемісійним катодом на динаміку частинок, що дозволяє вибирати необхідну геометрію резонансної системи для отримання необхідних характеристик електронного пучка.
2. Результати розрахунків і експериментального дослідження нестаціонарних температурних процесів в термоемісійних катодах високочастотних гармат, в тому числі температури поверхні катода за час імпульсу струму, що дозволяє сформулювати рекомендації для створення високочастотних гармат зі середнім струмом пучка в сотні мікроампер.
3. Результати розрахунку резонансної системи, динаміки частинок і характеристик пучка на виході багаторезонаторної високочастотної гармати зі середнім струмом пучка 0.5 мА, що може бути використана в якості інжектора технологічного прискорювача електронів.
4. Результати розрахунків, моделювання динаміки частинок і експериментального дослідження високочастотних гармат з різноманітними резонансними системами, що забезпечили створення джерел електронів прискорювачів ЛПЕ-60 і ЛІК.
5. Програмне забезпечення для розрахунку динаміки частинок в високочастотних електронних гарматах.
6. Методику і апаратуру для автоматичного визначення власної частоти НВЧ резонаторів, що дозволяє вимірювати її зміни з похибкою 1.210-7.
Практичне значення результатів роботи. Результати проведеного в дисертації аналізу та експериментального дослідження показують можливість і перспективність застосування ВЧ гармат з термоемісійним катодом в лінійних прискорювачах електронів. Найбільш ефективно ці пристрої можуть бути застосовані в прискорювачах з малим емітансом при імпульсному струмі в сотні міліампер і тривалості імпульсу в кілька мікросекунд. Оскільки такі прискорювачі широко застосовуються як для вирішення самостійних прикладних і дослідницьких задач, так і в якості інжекторів прискорювачів на високі енергії, то результати дисертації мають велике практичне значення.
Ряд отриманих в ході виконання дисертації результатів вже втілено в діючих прискорювачах. Зокрема, успішно експлуатуються інжектори прискорювачів ЛПЕ-60 [I] (ННЦ ХФТІ, м. Москва, Росія) і ЛІК [II] (ННЦ ХФТІ). Результати, отримані при виконанні дисертації, були використані для поліпшення параметрів Пекінського лазера на вільних електронах (Інститут фізики високих енергій, Пекін, КНР). Розроблена автором програма розрахунку основних характеристик пучка на виході високочастотних гармат і методика визначення резонансних частот використовуються при розрахунках, дослідженні і настройці резонансних систем інжекторів і прискорювальних секцій, в ННЦ ХФТІ. Запропонована автором конструкція термоемісійної високочастотної гармати з високим середнім струмом буде реалізована при виконанні проекту Державного фонду фундаментальних досліджень 2.5.1/39 “Розробка і дослідження інжекторних систем лінійних прискорювачів електронів для фундаментальних досліджень і новітніх технологій”. Отримані в дисертації дані також будуть використані при розробці нових і модернізації існуючих інжекторних систем на базі високочастотних електронних гармат. Зокрема: при розробці лінійного прискорювача–інжектора в джерело синхротронного випромінювання ДСВ-800; при модернізації інжекторної частини прискорювача ЛПЕ-2000; при створенні нових лінійних прискорювачів технологічного призначення. Нові дані про фізичні процеси, що протікають в ВЧ гарматах, викладені в дисертації, можуть бути використані при розв’язанні само узгодженої задачі, що описує динаміку частинок в високочастотних гарматах. Таким чином, дослідження і розробки, виконані в рамках даної дисертації, дозволяють проводити фундаментальні експериментальні дослідження і розробляти сучасні технологічні прискорювачі для реалізації новітніх радіаційних технологій. Вони можуть бути використані в ННЦ ХФТІ, Харківському державному університеті, ІФВЕ (Пекін, КНР), Стенфордському університеті (США), університеті Вандербілта (США) та інших прискорювальних центрах.
Достовірність і обгрунтування отриманих результатів базується на аналізі похибок вимірів і числових розрахунків, погодженості розрахункових і експериментальних результатів, зіставленні отриманих результатів з результатами інших авторів. Достовірність результатів розрахунків забезпечується застосуванням перевірених і відомих програм, їхньою відповідністю результатам експериментів. Достовірність експериментальних результатів забезпечується застосуванням відомих і тестованих методик вимірів, повірених засобів вимірів.
Особистий вклад автора. Здобувачем особисто розроблене програмне забезпечення для моделювання динаміки частинок в ВЧ гарматах, зокрема, створені програма EDINT, додаткова програма для створення вхідного масиву макрочастинок емітованих з термоемісійного катода з урахуванням ефекту Шоттки для програми PARMELA [III], а також програма обробки результатів розрахунку з допомогою PARMELA, що дозволяє знаходити ширину фазового і енергетичного спектрів на виході гармати і ряд інших характеристик. На основі розробленого програмного забезпечення автором виконані дослідження динаміки електронів в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом [3, 7, 10, 11, 13].
Автор приймав безпосередню активну участь в розробці, створенні і експериментальному дослідженні ВЧ гармат прискорювачів ЛПЕ-60 і ЛІК [1, 2, 4, 5, 8, 9, 11, 12], зокрема, ним особисто розроблена методика і апаратура автоматичного визначення резонансної частоти резонансних систем, настроєні резонаторні системи гармат, обчислені та виміряні їх електродинамічні характеристики, досліджена динаміка температури термоемісійного катода, в тому числі за час імпульсу струму. На основі проведених досліджень автором розроблена концепція термоелектронної ВЧ гармати з великим середнім струмом [14,6].
Апробація результатів дисертації. Результати, отримані в ході виконання дисертації, доповідалися на ХII Всесоюзнім семінарі з прискорювачів заряджених частинок, травень 1991 р. Харків [5]; IEEE Particle Accelerator Conference, May 6 – 9, 1991; 14тій Нараді з прискорювачів заряджених частинок, Протвіно, 1994 р. [11]; 14 Харківському семінарі з лінійних прискорювачів заряджених частинок 1995 р. [7 – 9]; Fifth European Particle Accelerator Conference, 10 – 14 June 1996 Sitgec (Barcelona) [12,13]; 1997 Particle Accelerator Conference, 12 – 16 May 1997 Vancouver (Canada) [14]; 15 Міжнароднім семінарі з лінійним прискорювачів заряджених частинок, 16 – 21 вересня 1997 р. Алушта [6,10].
Публікації. Результати, отримані в ході виконання дисертації, опубліковані в 14 роботах, з них 4 в провідних фахових журналах: “Приборы и техника эксперимента” [1,2]; “Радиотехника и электроника” [3]; “Вопросы атомной науки и техники” [4]. Інші – в працях Міжнародних конференцій і семінарів з прискорювачів [5 – 14].
Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, закінчення і додатків. Обсяг основного тексту дисертації 125 сторінок. Дисертація містить 54 рисунки, частина з яких займає 14 окремих сторінок, список використаних джерел з 85 найменувань, два додатки на 12 сторінках.
короткий зміст роботи
У вступі обгрунтована актуальність проблеми в області досліджень, безпосередньо пов’язаних з темою дисертації, сформульована мета роботи, наукова новизна та практична цінність одержаних результатів. Там же приведені відомості про апробацію роботи.
В першому розділі роботи на підставі літературного огляду показана необхідність проведення досліджень і обгрунтовано їх напрям.
В другім розділі розглянуто теоретичні та експериментальні методи дослідження фізичних процесів в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом. Якісно описано процеси, які протікають в таких гарматах, показано, що вони сильно зав’язані між собою завдяки залежності струму емісії з катода від напруженості електричного поля та температури катода.
Далі розглянуто рівняння руху електронів в ВЧ полях, спрощення, які можна допустити при моделюванні динаміки частинок в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом. Показано, що для типових умов в термоемісійних ВЧ гарматах – імпульсний струм біля 1 А та напруженість електричного поля на осі в сотні кіловольт на сантиметр, впливом просторового заряду на емітанс пучка можна знехтувати, тому що емітовані з катода електрони швидко прискорюються. Основний вклад в формування емітанса пучка дає надвисокочастотна структура прискорювального поля. Також показано, що для моделювання залежності струму емісії з катода від напруженості електричного поля треба використовувати закон Річардсона Дешмана з урахуванням ефекту Шотки. Для врахування ефекту “навантаження струмом” на амплітуду напруженості поля в резонансній системі гармати був застосований метод, що грунтується на балансі потужності НВЧ джерела, відбитої потужності від резонансної системи, розсіяної потужності в стінках резонаторної системи та потужності пучка. Залежність потужності пучка від амплітуди поля може бути знайдена спираючись на результати моделювання динаміки електронів. Для такого моделювання була розроблена програма EDINT, що інтегрувала рівняння руху електронів в аксіально – симетричному приосьовому електромагнітному полі. Ця програма також дозволяє моделювати динаміку при наявності поперечного постійного магнітного поля. Для врахування особливостей динаміки електронів в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом при моделюванні за допомогою відомої в світі програми PARMELA було розроблено додаткові програми. Одна з них готувала вхідний масив частинок, що генерувався з врахуванням закону емісії катода, а друга дозволяла знаходити інтегральні характеристики вихідного пучка більш адаптованими для ВЧ гармат з термоемісійним катодом методами, ніж це робить графічна програма, що поставляється разом з програмою PARMELA. Перевірка програм показала, що основні результати розрахунків за допомогою EDINT i PARMELA погоджуються між собою в межах 10%.
Далі розглянуто методи експериментального дослідження ВЧ гармат – вимірювання електродинамічних характеристик резонансних систем, вимірювання характеристик пучка. Оцінені похибки вимірювань. Зокрема, розглянуто методики знаходження похибки вимірювання методом малого резонансного збурення напруженості поля в багаторезонаторних системах за рахунок його перерозподілу. Запропоновано для цього використовувати відому програму SUPERFISH [IV], яка знаходить поля та резонансні частоти аксіально-симетричних резонаторів.
Для дослідження електродинамічних характеристик резонансних систем гармат було створено стенд НВЧ вимірів. При проведені досліджень наряду з використанням стандартної апаратури і методик застосовувалися і оригінальні, розроблені автором методики та апаратура, зокрема, методика та прилад автоматичного знаходження резонансних частот резонаторів. Методика базується на аналізі спектральних складових огинаючої частотномодульованого сигналу, що пройшов через резонатор. Якщо середня частота такого сигналу співпадає з власною частотою резонатора, то перша гармоніка модулюючого сигналу дорівнює нулю, а на частотах вище і нижче резонансу її фаза відрізняється на 180. Це дозволяє використати негативний зворотній зв’язок для настройки промислового НВЧ генератора на частоту резонатора. Цей метод відрізняється від відомих тим, що сигнал похибки, який керує частотою НВЧ генератора, виділяється на низькій частоті, що значно спрощує виготовлення нестандартної апаратури і забезпечує високу точність. Випробовування показали, що відносне середньоквадратичне відхилення частоти генератора від резонансної не перевищує 1.210-7. Це дозволяє застосовувати тіла з малим формфактором (наприклад, 7,710-21 Асм2/В) при вимірюванні напруженості поля методом малого резонансного збурення.
Крім приладу для автоматичного знаходження резонансних частот до складу стенду входять вимірювач різниці фаз та відношення рівнів сигналів ФК2-33, НВЧ генератор РГ4-5, частотомір Ч3-66, набір атенюаторів та направлених відгалужувачів. Стенд забезпечує наступні точності вимірів:
– коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ) не гірше 5% при КСХ>1.2;
– ненавантажену добротність резонансних макетів не гірше 1 – 2%;
– ненавантажену добротність резонаторів, зв’язаних з хвилеводом не гірше 5%.
До складу стенду входить розроблений комплекс автоматичного знаходження резонансних частот для вимірювання власних частот резонаторів.
Для дослідження гармат на великому рівні НВЧ потужності було створено спеціальний стенд, що дозволяє проводити їх комплексні випробовування і дослідження основних характеристик пучка (струм, енергетичний спектр, емітанс, просторовий розподіл). Цей стенд може успішно використовуватись при створенні інжекторних приладів і прискорювачів з енергією електронів до 1.5 МеВ.
Третій розділ присвячено дослідженню динаміки електронів в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом. Вплив розподілу електричного поля на осі гармати, що змінювався при зміні геометрії резонатора, на динаміку електронів, вивчався теоретично, шляхом числового моделювання. За основу було взято циліндричний резонатор. Його геометрія змінювалася в районі катода шляхом створення прикатодного конуса з різною глибиною. Також змінювалася довжина циліндричної частини та радіус вихідного отвору. Результати моделювання приведено в безрозмірному вигляді, що дозволяє використовувати їх для аналізу динаміки електронів в ВЧ гарматах, розрахованих для іншої довжини хвилі.
З аналізу отриманих результатів витікають наступні висновки. Для одержання малого емітансу треба забезпечувати значну фокусуючу дію на електрони в прикатодній області. Для цього необхідно формувати розподіл поля з його значенням біля катоду 65% від максимального на осі та оптимально вибирати довжину резонатора. Для напружень електричного поля на осі, що характерні для однорезонаторних ВЧ гармат з термоемісійним катодом, відстань від катода до місця на осі, де поле складає 5% від максимального, повинна дорівнювати четвертій частині довжини хвилі . При цьому можна досягти нормалізованого емітансу 0.09 мрад.
Важливою характеристикою термоемісійної ВЧ гармати є потужність потоку зворотних електронів, що бомбардують катод. Було досліджено вплив розподілу електричного поля на осі на потужність зворотних електронів. Показано, що вибором геометрії однорезонаторної гармати можна зменшити цю потужність в 1.5 рази. Аналіз результатів моделювання динаміки електронів показав, що при конструюванні ВЧ гармати необхідно іти на компроміс між умовами отримання мінімального емітансу пучка і отримання мінімальної потужності потоку зворотних електронів, бо ці умови суперечать один одному.
Проведені розрахунки зміни температури поверхні барій нікелевого (Ba-Ni) і гексабарид лантанового (LaB6) катодів в ВЧ гарматах під впливом потоку зворотних електронів показали, що величина цієї зміни може складати десятки градусів за час імпульсу з тривалістю в кілька мікросекунд. Приріст температури залежить як від матеріалу катода, так і від характеристик потоку електронів. Розрахунки показують, що гексабарид лантановий катод має менший приріст температури, ніж барій нікелевий. Це пов’язано з більшою глибиною проникнення електронів в катод. Крім того, більша робоча температура гексабарид лантанового катода зменшує вплив приросту температури на струм емісії. Результати розрахунків можуть бути використані при виборі типу катода і розрахунку резонансних систем ВЧ гармат. Їх необхідно враховувати при розробці більш складних програм, призначених для розв’язування самоузгодженої задачі динаміки частинок в ВЧ гарматах з термоемісійним катодом.
Потужність потоку зворотних електронів, що бомбардують катод, можна зменшити застосовуючи поперечне магнітне поле. Проведено розрахунки залежності цієї потужності від величини та конфігурації магнітного поля, яка потім була використана для поліпшення характеристик пучка на виході Пекінського лазера на вільних електронах. Слід зауважити, що при застосуванні поперечного магнітного поля пучок зміщується з осі системи, тому необхідно застосовувати щонайменше два коректори положення пучка. Це призводить до ускладнення інжектора та погіршенню характеристик пучка.
Вивчення однорезонаторних термоемісійних ВЧ гармат показало, що вони мають широкі фазовий та енергетичні спектри (типові значення цих величин складає 60 та 50% відповідно). В зв’язку з цим було проведено дослідження можливості застосування додаткових резонаторів для одержання більш згрупованого пучка, який можна було б ефективно прискорювати в структурі з фазовою швидкістю, що дорівнює швидкості світла. З цією метою було проведено дослідження залежності характеристик пучка на виході двохрезонаторної термоемісійної гармати від фази вильоту голови згустку в другий резонатор. Показано, що зміна фази впливає, в основному, на енергетичний розкид. Фазова довжина, при цьому, змінюється мало і складає приблизно 50. Аналізуючи проведені дослідження було розроблено концепцію створення інжекторів на основі багаторезонаторних термоемісійних гармат. Основні рекомендації концепції полягають в наступному.
1. Напруженість поля, при якій електрони набирають енергію біля 1 МеВ на резонатор, є завеликою, приймаючи до уваги величину просторового заряду, яка характерна для таких гармат.
2. Перший резонатор повинен бути коротким, з достатньою напруженістю поля, щоб забезпечити проходження на вхід другого резонатора значної кількості електронів, емітованих з катода.
3. В другому резонаторі не повинно відбуватись велике прискорення, щоб забезпечити можливість групування електронів.
4. Основне прискорення повинно відбуватись в послідуючих резонаторах.
Виходячи з цієї концепції була розрахована гармата 10-см діапазону, що складається з трьох прискорювальних резонаторів. Зв’язок між резонаторами забезпечується через центральний отвір для прольоту пучка і резонатори зв’язку з нульовим полем. Гармата забезпечує при струмі 0.5 А енергію електронів 900 кеВ, фазову довжину згустків і ширину енергетичного спектру 43 і 34% відповідно, нормалізований емітанс 11 мммрад.
Базуючись на отриманих результатах можна зробити висновок, що зменшення потужності зворотних електронів шляхом вибору розподілу поля на осі і застосування гексабарид-лантанового катода є ефективним методом боротьби з впливом ефекту зворотного бомбардування на характеристики пучка. Так запропонована багаторезонаторна ВЧ гармата має розподіл електричного поля на осі, що дозволяє істотно зменшити потужність потоку зворотних електронів. При імпульсному струмі на виході 0.5 А величина цієї потужності складе 21 кВт, а в разі використання кільцевого катода – 13 кВт. Таким чином, середній струм пучка може бути доведений до 0.5 мА (імпульсний струм 0.5 А, частота повторення імпульсів 300 Гц, тривалість імпульсів 3.3 мкс). Тому ця гармата може бути застосована як інжектор технологічного прискорювача.
Базуючись на проведеному вивчені динаміки електронів в термоемісійних ВЧ гарматах були визначені вихідні дані для розробки інжекторів прискорювачів ЛПЕ-60 та ЛІК. В подальшому ці інжектори були використані для експериментального дослідження формування та прискорення електронів в ВЧ гарматах з різними типами резонансної системи. В прискорювачі ЛПЕ-60 було запропоновано застосувати однорезонаторну гармату. Для неї були розраховані характеристики пучка та їх залежність від напруженості електричного поля на осі, що дало змогу, зокрема, знайти залежність максимальної енергії електронів на виході від вихідного струму для ряду потужностей НВЧ живлення (“навантажувальна” характеристика).
Для задоволення вимог, які були поставлені до інжектора прискорювача ЛІК, необхідно застосувати двохрезонаторну ВЧ гармату. Пучок з її виходу треба інжектувати безпосередньо в прискорювальну секцію з фазовою швидкістю, що дорівнює швидкості світла. Крім того, для забезпечення роботи прискорювача в широкім діапазоні тривалостей імпульсу струму, необхідна універсальна гармата, що могла би працювати в режимах термоелектронної та фотоелектронної емісії катода. Все це було враховане при виборі резонансної системи гармати. Для зміни режимів роботи гармати було передбачено зміну розподілу поля на осі за рахунок зміни частоти резонаторів за допомогою спеціальних плунжерів. Було розраховано характеристики пучка, їх залежності від співвідношення напруженості поля в резонаторах і максимальної напруженості поля на осі, “навантажувальна” характеристика.
Обчислені характеристики ВЧ гармат для прискорювачів ЛПЕ-60 і ЛІК повністю задовольняють вимогам до інжекторів цих прискорювачів.
Четвертий розділ присвячено експериментальному дослідженню термоемісійних ВЧ гармат з різними типами резонансних систем.
Дослідження складались з кількох етапів, а саме: виготовлення та настройка резонансних систем однорезонаторної гармати прискорювача ЛПЕ-60 та двохрезонаторної гармати прискорювача ЛІК, дослідження електродинамічних характеристик гармат на малому рівні потужності, випробовування гармат на великому рівні потужності, дослідження характеристик пучка та ефекту зворотного бомбардування.
При виготовлені резонансних систем гармат застосовувалися макетування та метод послідовного приближення з вимірюванням електродинамічних характеристик на кожному кроку та знаходженням даних для наступного кроку. На підставі проведеного аналізу похибок виміру розподілу поля в двохрезонаторній гарматі були вибрані умови, що забезпечують максимальну точність вимірів. Вимірювання показали, що робоча частота, коефіцієнти зв’язку з хвилеводом, розподіли поля на осі резонансних систем гармат, коефіцієнт зв’язку резонаторів двохрезонаторної гармати відповідають заданим. Результати вимірів знаходяться в добрій відповідності з розрахунковими даними. Наприклад, розрахункове і виміряне значення коефіцієнта що, визначає напруженість поля в резонансній системі, для однорезонаторної гармати співпадають в межах 2%, а для двохрезонаторної гармати ці величини співпадають в межах 3 – 5%, в залежності від співвідношення полів в резонаторах. Одержані при в ході настройки залежності, зокрема, залежність коефіцієнту зв’язку та частоти резонансної системи від геометричних розмірів елемента зв’язку хвилеводу з резонатором можуть бути і були використані в подальшому при створенні інжектора прискорювача КПТ [V]. Дані, отримані в ході дослідження електродинамічних характеристик двохрезонаторної ВЧ гармати, дозволяють оперативно формувати необхідне при проведенні експериментів на прискорювачі ЛІК співвідношення полів в резонаторах.
Випробовування та дослідження ВЧ гармат на великому рівні НВЧ потужності проводилися на спеціальних стендах та в складі прискорювачів. Проведені комплексні випробовування створених ВЧ гармат при значних напруженостях електричного поля (до 56 МВ/м) показали, що вибрані конструкції резонаторів, допоміжних елементів і технологія їхнього виготовлення забезпечують високу електричну міцність, дозволяючи одержувати пучки з енергією частинок порядку 106 еВ. В ході проведення експериментів з пучком були виміряні його основні характеристики на виході гармат. Проведено дослідження залежності струму і енергії пучка від потужності НВЧ живлення і струму розжарення катода, показано вплив ефекту “навантаження струмом” на характеристики пучка. Виміряний эмітанс пучка. Отримані результати погоджуються з розрахунковими даними. Зокрема, енергія частинок на виході однорезонаторної ВЧ гармати прискорювача ЛПЕ-60 в максимумі розподілу при вихідному струмі 1 А і потужності НВЧ живлення 1 МВт складала 400 кеВ при розрахунковому значенні – 420 кеВ. Проведені експериментальні дослідження характеристик пучка показали, що однорезонаторна ВЧ гармата прискорювача ЛПЕ-60 і двохрезонаторна ВЧ гармата прискорювача ЛІК повністю задовольняють поставленим при їхній розробці вимогам.
Проведено експериментальні дослідження ефекту зворотного бомбардування ВЧ гармат з Ba-Ni і LaB6 катодами. Експерименти з LaB6 катодом проводилися на випробовувальнім стенді в лабораторії лазера на вільних електронах Пекінського інституту фізики високих енергій (КНР). Вивчено залежності зміни температури катода під впливом потоку зворотних електронів від частоти повторення імпульсів і напруженості поперечного магнітного поля. Досліджено приріст температури поверхні катода за час імпульсу струму. Показано, що без застосування додаткових засобів зниження потужності потоку зворотних електронів на катод зміна температури катода за час імпульсу складає десятки градусів. Зміна середньої температури катода досягає ста градусів, що обмежує частоту повторення імпульсів величиною 12.5 – 25 Гц. Результати вимірів погоджуються з розрахунковими даними.
Проведені експерименти підтвердили правильність підходів і методів, які були застосовані для розрахунків характеристик резонансних систем гармат та пучка електронів, показали можливість і перспективність застосування ВЧ гармат з термоемісійним катодом в лінійних прискорювачах електронів.
В висновках сформульовано основні результати та положення по роботі.
висновки
В дисертації на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень отримані нові дані про фізичні процеси і процеси формування пучка в ВЧ гарматах з термоемісійнім катодом. Основні результати роботи зводяться до наступного.
1. Спираючись на результатах числового моделювання динаміки електронів, вивчені закономірності впливу форми розподілу поля на осі резонаторної системи ВЧ гармати з термоемісійним катодом на характеристики електронів, що досягають виходу гармати і тих, що попадають на катод. Показано, що для отримання мінімального емітансу необхідно застосовувати значний фокусуючий вплив на електрони в прикатодній області, формуючи розподіл поля з його значенням у катода приблизно 65% від максимального значення на осі, і оптимально вибираючи довжину резонатора. Відстань від катода до місця на осі, де величина поля рівна 5% максимального значення, складає приблизно 0.25. При цьому можна отримати значення нормалізованого емітансу пучка 0.09 мрад. Умови отримання мінімального емітансу пучка і отримання мінімальної потужності потоку зворотних електронів суперечать один одному, тому при конструюванні ВЧ гармати з термоемісійним катодом необхідно іти на компроміс виходячи з конкретних вимог на характеристики пучка.
2. Проведене дослідження ефекту зворотного бомбардування катода, отримані дані про нестаціонарні температурні процеси в термоемісійних катодах. Показано, що величина імпульсної потужності, що виділяється в катоді під впливом зворотних електронів, може складати 60 – 200 кВт, в залежності від конкретних умов. Оцінений імпульсний розігрів Ba-Ni і LaB6 катодів під впливом зворотних електронів. Показано, що він може складати десятки градусів. Виміряна зміна температури поверхні LaB6 катода за час імпульсу струму. Результати вимірів добре погоджуються з результатами розрахунків. Виходячи з отриманих результатів, можна зробити висновок, що зменшення потужності зворотних електронів що влучають на катод шляхом вибору розподілу поля і застосування LaB6 катода є ефективними засобами боротьби з впливом зворотних електронів на характеристики пучка. Виходячи з цього, була запропонована конструкція багаторезонаторної високочастотної гармати з середнім струмом пучка 0.5 мА (тривалість імпульсів струму 3.3 мкс, частота повторення 300 Гц), максимальною енергією електронів 0.9 МеВ, що може бути використана в якості інжектора технологічного прискорювача електронів.
3. В результаті проведених досліджень розроблені, створені і успішно експлуатуються в нинішній час високочастотні гармати прискорювачів ЛПЕ-60 та ЛІК. Характеристики пучка гармат приведено нижче:
Однорезонаторна гармата прискорювача ЛПЕ-60:
Імпульсний струм на виході – 1.1 А;
Енергія електронів – від 100 до 750 кеВ;
Нормалізований емітанс – 10 мммрад.
Двохрезонаторна гармата прискорювача ЛІК:
Вихідний струм – 1.5 А;
Енергія пучка – 600 кеВ;
Нормалізований емітанс – 16 мммрад.
Характеристики гармат добре погоджуються з розрахунковими даними.
4. Для дослідження електродинамічних характеристик резонансних систем гармат була розроблена методика визначення резонансної частоти НВЧ резонаторів, виготовлена і випробувана відповідна апаратура. Вимірювальний комплекс, що реалізує цю методику, дозволяє вимірювати резонансну частоту з випадковою відносною похибкою 1.210-7.
Обгрунтування і достовірність отриманих результатів базується на аналізі похибок вимірів і числових розрахунків, погодженості розрахункових і експериментальних результатів, зіставленні отриманих результатів з результатами інших авторів. Достовірність результатів розрахунків забезпечується застосуванням тестованих і відомих програм. Достовірність експериментальних результатів забезпечується застосуванням відомих і тестованих методик вимірів, повірених засобів вимірів.
Розроблені високочастотні гармати успішно використовуються в складі прискорювачів ЛПЕ-60 і ЛІК. Запропонована багаторезонаторна високочастотна гармата з високим середнім струмом буде реалізована в ході виконання проекту Державного фонду фундаментальних досліджень 2.5. 1/39 “Розробка і дослідження інжекторних систем лінійних прискорювачів електронів для фундаментальних досліджень і новітніх технологій”. Методики і результати дослідження електродинамічних характеристик резонансних систем були використані при розробці і створенні інжектора технологічного прискорювача КПТ. Вони також можуть бути використані при розробці інжекторів, які включають в себе резонаторні системи. Вимірювальний комплекс з автоматичним знаходженням резонансної частоти використовується в ННЦ ХФТІ для настройки елементів прискорювальних секцій в резонаторних макетах.
список цитованої в авторефераті літератури
I. Довбня А.Н., Жигло В.Ф., Коллеров Э.П. и др. Экспериментальное исследование параметров пучка компактного 60 МэВ ускорителя электронов //Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). –1991. –Вып. 3(21). – С. 3 – 9.
II. Aizatsky N.I., Biller E.Z., Dovbnya A.N. et al. Operating performances and current status of the laser injector complex (LIC) // Proc. of the XVIII International Linear Accelerator Conference. -Geneva (Switzerland). –1996. –Р. 116-118.
III. Young L.M. PARMELA . –Los Alamos: 1996. –93 c. (препринт / Los Alamos National Laboratory, LA-UR-96-1835).
IV. Billen J.H. and Young L.M. POISSON/SUPERFISH on PC compatibles//Proc. 1993 Particle Accelerator Conff. –Washington (USA). –1993. –P. 790 – 792.
V. Aizatsky N.I., Akchurin Yu.I., Gurin V.A. et. al. KUT-industrial technological accelerator // Труды 14 совещания по ускорителям заряженных частиц. –Т.4. –Протвино. –1994. –C. 259-263.
список опублікованих праць за темою дисертації
1. Айзацкий Н.И., Биллер Е.З., Довбня А..Н., Кушнир В.А., Митроченко В.В. Высокочастотная пушка для линейного ускорителя электронов // Приборы и техника эксперимента. –1997. – №1. –С. 34-38.
2. Кушнир В.А., Митроченко В.В. Методика автоматического определения собственной частоты резонатора //Приборы и техника эксперимента. – 1998. – №2. –С. 67 – 70
3. Айзацкий Н.И., Ганн В.В., Довбня А.Н., Кушнир В.А., Митроченко В.В., Пережогин С.А., Нестационарные температурные процессы в термоэмиссионных катодах высокочастотных пушек //Радиотехника и электроника. – 1998. – том 43. – №1. – С. 112 – 117.
4. Довбня А.Н., Жигло В.Ф., Коллеров Э.П., Кушнир В.А., Митроченко В.В., Чернышов В.В., Степин Д.Л., Тур Ю.Д. Экспериментальное исследование параметров пучка компактного 60 МэВ ускорителя электронов //Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно- физические исследования (теория и эксперимент). –1991. –Вып. 3(21). – С. 3 – 9.
5. Демидов Н.В., Демин В.С., Довбня А.Н., Кушнир В.А., Мельниченко В.В., Митроченко В.В., Момот В.А., Селезнев В.В., Степин Д.Л., Тур Ю.Д. Высокочастотная электронная пушка с барий-никелевым оксидным катодом // Вопросы атомной науки и техники”, сер.Ядерно- физические исследования (теория и эксперимент) –1992. –Вып. 4(25). –С. 80 – 83.
6. Митроченко В.В. Термоэмиссионная высокочастотная пушка с высокой частотой повторения импульсов тока // Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно- физические исследования. –1997. –Вып. 2,3 (30,31). –С. 195 – 197.
7. Кушнир В.А., Митроченко В.В. Результаты численного моделирования динамики частиц в двухрезонаторной высокочастотной пушке // Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно- физические исследования (теория и эксперимент). –1997. –Вып. 1(29). –С. 36 – 42.
8. Айзацкий Н.И., Кушнир В.А., Митроченко В.В. Результаты расчета электродинамических характеристик и настройки двухрезонаторной высокочастотной пушки // Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно- физические исследования (теория и эксперимент). –1997. –Вып. 1(28). –С. 48 – 52.
9. Айзацкий Н.И., Биллер Е.З., Довбня А..Н., Кушнир В.А., Митроченко В.В. Универсальная двухрезонаторная высокочастотная пушка // Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно- физические исследования (теория и эксперимент). –1997. –Вып. 1(28). –С. 43 – 47.
10. Кушнир В.А., Митроченко В.В. Исследование динамики электронов в высокочастотных пушках //Вопросы атомной науки и техники, сер. Ядерно- физические исследования. –1997. –Вып. 2,3 (29,30). –С. 96 – 98.
11. Kushnir V.A., Wang-Gang, Mitrochenko V.V. Reducing the back bombarding effect in a thermionic RF-gun // Труды 14 совещания по ускорителям заряженных частиц. –Т3. –Протвино. –1994. –С. 97 – 102.
12. Aizatsky N.I., Biller E.Z., Dovbnya A.N., Kushnir V.A., Mitrochenko V.V. Two-cell RF gun for a high-brightness linac // Proc. of fifth European Particle Accelerator Conference. Vol. 2. –Sitges (Barcelona, Spain). –1996. –P. 1553 –1555.
13. Kushnir V.A., Mitrochenko V.V. Simulation of beam performances of the two-cell RF gun // Proc. of fifth European Particle Accelerator Conference. Vol. 2. –Sitges (Barcelona, Spain). –1996. –P. 1414 – 1416.
14. Mitrochenko V.V. Thermionic RF Gun with High Duty Factor // Proc. of the 17th Particle Accelerator Conference. – Vol. 3. – Vancouver (Canada). –1997. – P. 2817 – 2819.
Анотація
Митроченко В.В. Формування та прискорення пучків у високочастотних джерелах електронів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття ступеня кандидата фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.20. – фізика пучків заряджених частинок. – Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 1999.
Дисертація присвячена дослідженню процесів формування та прискорення пучків в високочастотних джерелах електронів з термоемісійним катодом (далі ВЧ гарматах). На основі математичного моделювання та експериментальних досліджень розглянуто аспекти одержання пучків електронів з прецизійними характеристиками. Запропонована концепція побудови багаторезонаторних ВЧ гармат та розрахована на її основі ВЧ гармата з великим середнім струмом. Досліджено ефект зворотного бомбардування та методи його зменшення, вивчено нестаціонарні процеси в термоемісійних катодах. Проведено експериментальні дослідження створених однорезонаторної та двохрезонаторної ВЧ гармат – інжекторів діючих прискорювачів.
Ключові слова: ВЧ гармата, інжектор електронів, катод.
Аннотация
Митроченко В.В. Формирование и ускорение пучков в высокочастотных источниках электронов. – 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, 1999.
Диссертация посвящена исследованию процессов формирования и ускорения пучков в высокочастотных источниках электронов с термоэмиссионным катодом (дальше ВЧ пушки). В последнее время развиваются схемы построения инжекторных систем линейных ускорителей электронов, в которых получение и формирование пучка происходит в одном высокочастотном элементе, получившем название высокочастотная электронная пушка. В этих пушках источник электронов (в рассмотренном случае – термоэмиссионный катод) расположен непосредственно в высокочастотном резонаторе с высокой напряженностью электрического поля. В отличие от традиционных инжекторов, высокочастотные источники электронов являются компактными не требующими громоздкого высоковольтного оборудования. Они позволяют непосредственно на выходе пушки получать плотные электронные сгустки с малым эмиттансом и достаточно высокой энергией частиц пучка. В диссертации рассмотрены теоретические и экспериментальные методы исследования физических процессов в ВЧ пушках с термоэмиссионным катодом. Описаны процессы, которые протекают в таких пушках, показано, что они сильно связаны между собой благодаря зависимости тока эмиссии с катода от напряженности электрического поля и температуры катода. Рассмотрены уравнения движения электронов в ВЧ полях, упрощения, которое можно допустить при моделировании динамики частиц в ВЧ пушках с термоэмиссионным катодом. Показано, что для типичных условий в термоэмиссионных ВЧ пушках – импульсный ток около 1 А и напряженность электрического поля на оси в сотни киловольт на сантиметр, влиянием пространственного заряда на эмиттанс пучка можно пренебречь, так как эмитированные с катода электроны быстро ускоряются. Основной вклад в формирование эмиттанса пучка дает сверхвысокочастотная структура ускоряющего поля. Также показано, что для моделирования зависимости тока эмиссии с катода от напряженности электрического поля нужно использовать закон Ричардсона – Дешмана с учетом эффекта Шоттки. Для учета эффекта “подгрузки током” на амплитуду напряженности поля в резонансной системе пушки применен метод, основанный на балансе мощности СВЧ источника, отраженной мощности от резонансной системы, рассеянной мощности в стенках резонаторной системы и мощности пучка. Зависимость мощности пучка от амплитуды поля была найдена, опираясь на результаты моделирования динамики электронов. Для такого моделирования была разработана программа EDINT, которая интегрировала уравнения движения электронов в аксиально-симметричном приосевом электромагнитном поле. Эта программа также позволяет моделировать динамику при наличии поперечного постоянного магнитного поля. Для учета особенностей динамики электронов в ВЧ пушках с термоэмиссионным катодом при моделировании с помощью известной в мире программы PARMELA были разработаны дополнительные программы. Путем математического моделирования динамики электронов определено оптимальное распределение ускоряющего поля на оси однорезонаторной ВЧ пушки. На основе математического моделирования и экспериментальных исследований рассмотрены аспекты получения пучков электронов с прецизионными характеристиками. Предложена концепция построения многорезонаторных ВЧ пушек и рассчитана на ее основе ВЧ пушка с большим средним током.
В диссертации приведены результаты экспериментального исследования электромагнитных характеристик резонансных систем ВЧ пушек различных типов. Разработаны методы настройки таких систем с целью получения заданного распределения электрического поля на оси. Предложена и создана система прецизионного измерения собственных частот резонаторов. Исследован эффект обратной бомбардировки и методы его уменьшения, изучены нестационарные процессы в термоэмиссионных катодах. Впервые проведены измерения прироста температуры поверхности катода в течение импульса тока. Проведены экспериментальные исследования созданных однорезонаторной и двухрезонаторной ВЧ пушек – инжекторов действующих ускорителей. Изучены основные закономерности изменения основных характеристик пучка в зависимости от параметров ВЧ питания и температуры катода. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с расчетными данными.
Результаты проведенного в диссертации анализа и экспериментального исследования показывают возможность и перспективность применения ВЧ пушек с термоэмиссионным катодом в линейных ускорителях электронов, как для фундаментальных исследований, так и для решения прикладных задач.
Ключевые слова: ВЧ пушка, инжектор электронов, катод
Abstract
Mitrochenko V.V. Forming and accelerating of beams in radio-frequency sources of electrons. – Manuscript.
Thesis on competition of a degree of the candidate of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.20. – physics of beams of charged partiсles. – National Science Center the Kharkov Institute of Physics and Technology, Kharkov, 1999.
The thesis is devoted to a research of processes of forming and acceleration of beams in radio-frequency sources of electrons with a thermionic cathode (further RF guns). Aspects of obtainting of electron beams with precision performances have been considered on the basis of computer simulation and experimental researches. The concept of composition of multicavity RF guns was offered and the gun with a large average current was designed on its basis. The effect of back bombardment and methods of its decreasing as wall as non-stationary processes in thermionic cathodes were investigated . The experimental researches of created the single-cavity and the two-cavity RF guns – injectors of the acting accelerators were carried out.
Key words: RF gun, electron injector, cathode.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
