Динамика электронного пучка в разрезном микротроне-рекуператоре тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ СХЕМА ЛСЭ НА БАЗЕ МИКРОТРОНА-РЕКУПЕРАТОРА.

Специфические требования, предъявляемые к магнитной системе ускорителя.

ГЛАВА 2. ГЕОМЕТРИЯ ВОСЬМИДОРОЖЕЧНОГО РАЗРЕЗНОГО МИКРОТРОНА-РЕКУПЕРАТОРА.

Первая дорожка, раскладка по сепаратриссам.

1 80-градусный поворот с использованием двух магнитов.

Поворот с использованием трех магнитов.

Поворот на восьмой дорожке с использованием четырех магнитов.

Учет конечной толщины края круглого магнита.

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В МАГНИТНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРЕЗНОГО МИКРОТРОНА-РЕКУПЕРАТОРА.

Граничные условия для параметров Твисса на концах общего (ускоряющего) промежутка.

Фокусировка соленоидами на ускоряющем промежутке.

Минимизация (3- и ri-функций в ахроматическом повороте.

Неустойчивость поперечного движения.

Оптимизация продольного движения в разрезном микротроне-рекуператоре.

Неустойчивость продольного движения.

ГЛАВА 4. ДРУГИЕ ЛСЭ И УСКОРИТЕЛИ - РЕЦИРКУЛЯТОРЫ.

Первая очередь ЛСЭ на базе ускорителя-рекуператора на энергию 14 МэВ.

Промышленные ускорители на основе ВЧ-рециркуляторов.

MARS - источник рентгеновского излучения 4-го поколения.

ЛСЭ лаборатории им. Джефферсона.

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) являются устройствами, генерирующими или усиливающими когерентное излучение (см., например, [1] - [4]). В качестве рабочей среды в них используется пучок ультрарелятивистских (т.е. летящих со скоростью, очень близкой к скорости света) электронов, проходящий через знакопеременное периодическое поле ондулятора. ЛСЭ имеют несколько особенностей, отличающих их от других лазеров. Во-первых, длина волны излучения определяется параметрами ондулятора и энергией электронов, а, следовательно, может быть практически любой и плавно перестраиваться. Во-вторых, наличие электронных пучков со средней мощностью порядка десятков мегаватт и средней плотностью мощности до сотни мегаватт на квадратный миллиметр позволяет создавать ЛСЭ средней мощностью до нескольких мегаватт. В-третьих, относительно малая оптическая плотность и "простота" рабочей среды позволяют получать излучение с предельно малой (дифракционной) угловой расходимостью. Эти особенности определяют возможные применения ЛСЭ: спектроскопия, лазерная фотохимия, разделение изотопов, передача энергии на искусственные спутники Земли, лазерная медицина и т.д.

Институт ядерной физики совместно с Институтом химической кинетики и горения ведут создание мощного лазера на свободных электронах для Сибирского центра фотохимических исследований на минимальную длину волны X = 2 мкм. Связь длины волны излучения ЛСЭ с энергией электронного пучка записывается следующем образом:

Aw(l + к2 /2) 2

Я = —-^-, где у - Е! тс , Е -энергия электронов, Aw -период ондулятора, к

2у параметр ондуляторности (для реальных ондуляторов разумное значение к от 1 до 2). Для ондулятора, который рассматривается как кандидат на использование его в ЛСЭ, Xw = 9 см, и, соответственно, необходимая энергия электронного пучка Е ~ 100 МэВ.

Важным элементом ЛСЭ является ускоритель электронов, являющийся источником электронного пучка. Для получения хороших характеристик лазерного излучения необходимо подготовить электронный пучок с заданными параметрами: средней энергией, эмиттансом, энергетическим разбросом, средним и пиковым токами. Одним из наиболее перспективных путей создания мощных ЛСЭ представляется использование разрезного микротрона-рекуператора, где происходит не только ускорение электронов для ЛСЭ, но и последующее замедление отработанного электронного пучка. Однократное использование электронного ггучка позволяет обойти ограничение мощности излучения для ЛСЭ на базе циклических ускорителей. Рассмотрение магнитной системы и особенностей движения электронного пучка в ней представлены в данной работе.

Целями диссертационной работы, являются: выработка требований, предъявляемых к магнитной системе ускорителя-рекуператора для ЛСЭ; исследование различных аспектов движения электронного пучка в магнитной системе многопроходного ускорителя-рекуператора; рассмотрение различных вариантов магнитных систем и выбор наиболее подходящей; разработка проекта магнитной системы ускорителя-рекуператора для ЛСЭ.

В первой главе дается описание общей схемы ЛСЭ на базе ускорителя-рекуператора. Сформулированы проблемы, возникающие при использовании обычных (несверхпроводящих) ВЧ структур в ускорителе-рекуператоре. Перечислены некоторые положительные и отрицательные стороны использования сверхпроводящих ВЧ-структур для многопроходного ускорителя-рекуператора для ЛСЭ. Сформулированы специфические требования на магнитную систему многопроходного ускорителя-рекуператора для ЛСЭ.

Вторая глава посвящена описанию конкретной геометрии восьмидорожечного микроторона-рекуператора на максимальную энергию 98 МэВ для ЛСЭ Центра фотохимических исследований. Выбранная магнитная система удовлетворяет требованиям, сформулированным в первой главе. В главе подробно описана специфика использования круглого магнита в качестве сепарирующего. Приводятся оценки поправок, учитывающих конечную длину края магнита, к геометрии магнитной системы. В третьей главе рассматриваются различные аспекты динамики электронного пучка в микротороне-рекуператоре: ахроматические 180-градусные повороты, одновременная фокусировка пучков разных энергий в одном и том же промежутке, согласование параметров Твисса пучка с магнитной системой ЛСЭ. Представлено моделирование движения пучка на продольной фазовой плоскости в одночастичном приближении и согласование его для использования пучка в ЛСЭ. Приведены оценки устойчивости движения пучка по отношению к некоторым типам коллективных возбуждений. В четвертой главе описаны другие ускорители использующие сходную многопроходную схему ускорения и/или рекуперацию:

• однопроходный ускоритель-рекуператор на максимальную энергию 14 МэВ для ЛСЭ на длину волны 100-200 мкм,

• промышленные ускорители-рециркуляторы на энергию 10 МэВ и средний ток до 120 мА,

• источник рентгеновского излучения четвертого поколения MARS.

• действующий ЛСЭ в лаборатории им. Джефферсона (США). В заключении приведены основные результаты работы.

Заключение

При выполнении данной диссертационной работы получены следующие результаты:

• Изучены особенности одночастичной динамики (поперечной и продольной) в ускорителе-рекуператоре. Выбраны оптимальные параметры магнитной системы ускорителя-рекуператора.

• Проделаны оценки когерентной устойчивости (продольной и поперечной) пучка в ускорителе-рекуператоре с многократным прохождением через ускоряющую ВЧ -структуру.

• Предложен вариант магнитной системы рекуператора с максимальной энергией пучка 98 МэВ в качестве источника электронов для лазера на свободных электронов на длину волны 2-16 мкм.

• Разработан проект магнитной системы первой очереди ускорителя-рекуператора (однооборотный вариант с энергией 14 МэВ) для ЛСЭ на длину волны 120 мкм.

• Рассмотрена возможность создания рециркуляторов с энергией до 10 МэВ на основе ВЧ - резонаторов с частотой 180 МГц для промышленных применений.

1. Агафонов А.В., Лебедев А.Н. Лазеры на свободных электронах. М., Знание, 1987.

2. Винокуров Н.А. Оптический клистрон (теория и эксперемент). Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. Новосибирск, ИЯФ СО АН СССР, 1986.

3. Генераторы когерентного излучения на свободных электронах. Сб. статей, под ред. А.А. Рухадзе. М., Мир, 1983.

4. Маршалл Т.С. Лазеры на свободных электронах. М.Мир 1987.

5. Винокуров Н. А. Мощные лазеры на свободных электронах на основе оптического клистрона. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Новосибирск, 1995.

6. Erg G.I. et al. The project of high power free electron laser using race-track microtron-recuperator. Preprint BudkerlNP 93-75, Novosibirsk, 1993.

7. R.E. Rand. Recirculating Electron Accelerators. University of California, San Francisco, 1984.

8. Ландау Л.Д., Лифшиц У.МТеоретическая физика т. I Механика М. Наука 1988.

9. Ландау Л.Д., Лифшиц У.М. Теоретическая физика т. П Теория поля М. Наука 1988.

10. Коломенский А.А. Физические основы ускорения заряженных частиц. М., Изд-во МГУ, 1980.

11. Лебедев А.Н. Шальное А.В. Основы физики и техники ускорителей. Том 1,2. М., Энергоиздат, 1982.

12. Брук Г. Циклические ускорители заряженных частиц. М., Атомиздат, 1970.

13. Мешков КН. Введение в физику пучков заряженных частиц, учеб. пособие/Новосиб. ун-т. Новосибирск, 1988.60

14. A.S. Sokolov and N.A. Vinokurov Computation of Longitudinal Electron Dinamics in the Recirculating CW RF Accelerator—Recuperator for the High Average Power FEL. Preprint BudkerlNP 93-71, Novosibirsk, 1993.

15. N.A. Vinokurov, A.A. Zholents, W.M. Fawley, and K.-J. Kim Critical Issues for High-Power FEL Based on Microtron Recuperator/Electron Out-Coupling Scheme. SPIE 2988, p. 185 (1997).

16. Капица С.П. и Мелехин В.Н. Микротрон. М., «Наука», 1969.

17. D.A. Kayran, V.N. Korchuganov, G.N. Kulipanov, Е.В. Levichev, V.V. Sajaev, A.N. Skrinsky, P.D. Vobly, and N.A. Vinokurov. Proc. of the 1st Asian Particle Accelerator Conference (APAC 98), KEK, Tsukuba, Japan (1998), p. 704.

18. G.R. Neil et al. Sustained Kilowatt Lasing in a Free-Electron Laser with Same-Cell Energy Recovery. Physical Review Letters v.84 (2000) p.662.