Электрофизические процессы при реализации высоких темпов ускорения электронов. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РГ6 ОЙ

- / мар да

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

-ХАРКІВСЬКИЙ Ф13ИКО-ТЕХШЧНИЙ ІНСТИТУТ 'і 0 0.,

2 1 ФЕВ К.

Жіігло Валентин Федорович

УДК 621.384.6

ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ ПРИ РЕАЛІЗАЦІЇ ВИСОКИХ ТЕМПІВ ПРИСКОРЕННЯ ЕЛЕКТРОНІВ

01.04.20 - фізика пучків заряджених частинок

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізнко-математичних наук

Харків -1999

Робота виконана в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут”.'

Науковий керівник:

доктор фізнко-математичних наук, професор Довбня Анатолій Миколайович

Інститут фізики високих енергій і ядерної фізики ННЦ ХФТІ, директор.

Офіційні опоненти:

доктор фіз.-мат, наук Оншценко Іван Миколайович, Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорення ННЦ ХФТІ, зам.дирекгора, кандидат фіз.-мат. наук Волколупов Юрій Якович, Харківський технічний університет радіоелектроніки, професор.

Провідна установа:

Науковий фізико-технологічний центр Міністерства освіти та НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.845.01 в ННЦ ХФТІ за адресою: м. Харків, вул. Академічна, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ННЦ ХФТІ за адресою: м. Харків, вул. Академічна, Г.

Автореферат розісланий іТ • ІУ9.1)р>

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Докторфіз.-мат. наук ^йзацькийМ.1.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сучасний стан фізики високих енергій вимагає створення прискорювачів нового покоління з темпом прискорення вище ІООМеВ/м і високою яскравістю пучка. Однією з проблем на цьому шляху є фізичні процеси в вакуумі і на поверхні прискорювальних структур, що виникають під дією електричного поля і заряджених частинок. Найбільш важливим результатом цих процесів є обмеження темпу прискорення по автоемісійному навантаженню і вакуумному пробою прискорювальних структур. Підвищення темпу прискорення і надійності роботи прискорювачів потребують додаткового дослідження цих явищ та їхнього зв'язку з технологією виготовлення прискорювальних структур.

Актуальність теми.

Високі вимоги до точності виготовлення прискорювальних структур і невирішені проблеми економічності живлення та експлуатації прискорювачів обмежують можливість подальшого скорочення імпульсу або збільшення частоти прискорювального поля для підвищення темпу прискорення. Це зумовлює актуальність вивчення фізичних процесів в сильному електричному полі, що обмежують темп прискорення, та їхньої залежності від вакуумних умов та стан)’ поверхні прискорювальних структур.

Надто важливим є виявлення особливостей процесів, пов'язаних з автоелектронною емісією та неминучими в реальних умовах роботи пробоями. а також з характером забруднення поверхні прискорювальних структур при існуючих і перспективних методах обробки. Використання цих особливостей необхідне для розробки технології виготовлення прискорювачів та режиму їхньої експлуатації, спрямованих на підвищення темпу прискорення. Надії на технлогію виникають завдяки безперервному розвитку методів обробки та чистих вакуумних технологій.

Дослідження процесів в прискорювальних структурах при високому темпі прискорення спрямоване на реалізацію максимальної можливості прискорювачів при рішенні фундаментальних фізичних проблем.

Високий темп прискорення є також умовою зменшення габаритів прикладних прискорювачів, що має економічне значення і розширює їх використання в медицині та прогресивних технологіях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Необхідність дослідження процесів при підвищенні темпу прискорення і розробки технології виготовлення прискорювальних структур виникла при модернізації лінійного прискорювача електронів (ЛПЕ) ЛПЕ-2ГеВ ННЦ ХФТІ для нових фізичних задач. Ці дослідження, що покладені в основу даної дисертації, виконані в рамках НДР “Дослідження можливості підвищення енергії електронів і поліпшення параметрів систем лінійного прискорювача ЛП-2”.

Частина досліджень була виконана при розробці інжектора технологічного джерела синхротронного випромінювання ЛП-60 в НДК “Прискорювач ” ННЦ ХФТІ, а також при надвисокочастотному (НВЧ) тренуванні прискорювальних секцій, призначених для модернізації прискорювача ЛПЕ-2ГеВ ННЦ ХФТІ.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є розвиток методів підвищення темпу прискорення в лінійних прискорювачах електронів. Для досягнення цієї мети необхідно:

— Досліджувати вплив поверхневих забруднень і рельєфу поверхні на передпробійний стан і на динаміку вакуумної ізоляції при великій кількості пробоїв у прискорювачі;

— Досліджувати можливості підвищення електричної міцності при тренуванні вакуумної ізоляції пробоями;

— Виходячи з отриманих результатів і аналізу існуючих методів обробки, вибрати перспективні для прискорювачів методи підвищення їхньої електричної міцності;

— Перевірити ефективність вибраних методів експериментально;

— Шляхом виміру розподілу частоти пробоїв вздовж прискорювальних структур досліджувати вплив неоднорідності їх забруднення на електричну міцність і можливість зниження електричної міцності вторинними пробоями;

— Розробити методику та експериментальне устаткування для рішення поставлених задач.

Наукова новизна отриманих результатів.

Шляхом комплексного дослідження стану вакуумної ізоляції прискорювальних структур ЛПЕ отримані нові відомості про фізичні процеси, що обмежують темп прискорення електронів. У ході виконання роботи вперше:

з

1. Досліджено вплив пробоїв на автоемісійний стан поверхні в вакуумних умовах ЛПЕ. що оброблена по існуючій технології виготовлення прискорювальних структур. Показано, що вольт-амперна характеристика (БАХ) автоелектронної емісії з такої поверхні має гістерезисний характер. Гістрезис характеризує відсутність ефекту Мо.тгера, що відомий в умовах пароструминних насосів, і відповідає наявності тонких органічних плівок, слабко пов'язаних з поверхнею.

Вакуумні пробої призводять до зникнення гістерезису ВАХ і зниження вакуумної ізоляції по електричній міцності і вакуумній провідності. Цей результат пояснюється модифікацією поверхневих забруднень плазмою.

2. В вакуумних умовах ЛПЕ вимірено залежність пробивного поля від кількості пробоїв між мідними електродами, обробленими по можливій технології виготовлення прискорювальних структур, в тому числі: обточеними на верстаті, покритими титаном, нітридом титана і полірованими пучком іонів аргону. У всіх випадках спостерігається стійке зниження вакуумної ізоляції після деякої кількості пробоїв. Ефект пояснюється поверхневим забрудненням. Показано, що походження такого забруднення не пов'язане з попередньою механічною обробкою чи промиванням електродів.

3. В вакуумних умовах ЛПЕ вимірено залежність пробивного поля від параметру шорсткості Иг мідних електродів ' в діапазоні

0.2мкмйІІ2£б.Змкм при великій кількості пробоїв. Показано залежність найбільшого пробивного поля від параметру Иг в діапазоні його значень, що сумірні або менші від кратерів, утворених пробоями. Результат пояснюється залежністю ступеня забруднення від шорсткості поверхні. Показано істотний вплив низькотемперату рного нагрівання на вакуумну ізоляцію при різноманітній, в тому чисті малій, шорсткості поверхні.

4. Експериментально досліджено розподілі частоти пробоїв вздовж прискорювальних структур ЛПЕ. При підвищенні прискорювального поля в структурах з повздовжнім декрементом поля, виявлено зсув піка частоти пробоїв в область слабкого поля. Аналітично встановлено зв'язок явиша, що спостерігається, з функцією розподілу автоемітерів по параметру підсилення поля. Виявлено збудження пробоїв діелектричних вводів НВЧ потужності вакуумними пробоями в прискорювальній структурі. Ефект пояснюється іонізацією в НВЧ полі.

5. В близьких умовах на поверхні вимірено залежності частоти пробоїв від напруженості поля в прискорювальній структурі та в вакуумному діоді. Вказано на якісний збіг цих залежностей і характеру порушення вакуумної ізоляції в постійному та НВЧ полі.

Практичне значення отриманих результатів.

Результати, отримані в даній дисертації, були використані при розробці технології виготовлення гфискорювальних секцій, для модернізації прискорювача ЛПЕ-2ГеВ ННЦ ХФТІ {3,7] і в виробництві прискорювачів в НДК “Прискорювач” ННЦ ХФТІ [4]. Це дозволило збільшити темп прискорення від 10 до 20 МеВ/м [3] і вперше здійснити надійну роботу прискорювача Б-діагшону в такому режимі.

Отримані результати можуть бути використані при розробці прискорювачів та іншого обладнання з високою напруженістю електричного поля.

Методика вимірів, що використана в дисертації, застосовувалась для контролю режиму роботи і тренування прискорювачів, а також при пошуку їхніх ушкоджень і ремонтах.

Особистий внесок здобувша.

Здобувач особисто удосконалив метод акустичної реєстрації пробоїв у прискорювальних структурах шляхом підвищення спрямованості прийому і селекції хвиль акустичним клиновим перетворювачем 12,12]. На основі цього методу автором були розроблені і виготовлені акустичні приймачі з підвищеною точністю визначення місця пробою, вимірено повздовжній розподіл пробоїв в прискорювальних структурах {3,5,7,10,13] і частота пробоїв в залежності від прискорювального поля [3,5,7,8]. На основі отриманих результатів автор дав якісне пояснення зсуву піка частоти пробоїв, що спостерігається при тренуванні прискорювальних структур і процесів в прискорювальних структурах при підвищенні прискорювального поля {3,5,8].

Здобувач виконав виміри і розшифровування масового спектра газу в прискорювальних секціях, подав його інтерпретацію {4,10].

Здобувачем запропоновано вимір гістерезису ВАХ {6,8] для дослідження процесів на поверхні при пробоях і використання низьких напруг для підвищення точності виміру автозмісійних струмів.

Здобувач розробив методику й устаткування для досліджень процесів у постійному полі {3,5,7,8,11], запропонував метод поліпшення рельєфу поверхні шляхом обертання мішені під час її опромінення іонним пучком {1].

Апробація результатів дисертації Результати робіт, що покладені в основу дисертації, подані: на Міжнародній конференції по електричних розрядах і ізоляції у вакуумі -Париж 1988р., на Європейській конференції по прискорювачах зарвджених частинок - Барселона 1996р., на 15-му Міжнародному

семінарі по прискорювачах заряджених частинок - Алушта 1997р., на 8-му (1983р.), 10-му (1987р.), 11-му (1989р.) та 12-му (1991р.) семінарах по прискорювачах заряджених частинок в Харкові.

Публікації.

Основні результати дисертації відбиті в 6-ти статтях наукових журналів фахового видання - [1-6]; в 4-х збірниках матеріалів конференцій - [7-10]; в 3-х збірниках тез - [11-13].

Структура й обсяг дисертації Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, висновку, списку використаних джерел і додатка. Основний обсяг складається з - 128 сторінок, 41 малюнка, 5 таблиць. Список використаних джерел містить 129 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета і постановка задачі, стисло викладені новизна і практичне значення отриманих результатів.

У пертому розділі подано огляд літератури по методах збільшення темпу прискорення електронів та з фізики електричного пробою у вакуумі, розглянуті існуючі методики і перспективність досліджень.

Приводяться теоретичні та експериментальні значення електричної міцності вакуумної ізоляції, отримані на стендах і діючих установках.

Розглянуті відмінність та аналогія фізичних процесів у вакуумі при постійному та НВЧ полях. Відзначається недостача експериментальних даних по механізму процесів в постійному та НВЧ полях в умовах технічного вакууму. Аналізуються особливості вакуумної ізоляції ЛПЕ.

Розглядаються основні проблеми діагностики вакуумної ізоляції, пов'язані з домішками на поверхні в технічному вакуумі.

Основні результати аналізу існуючих даних такі.

У зв'язку з обмеженими можливостями зміни режиму роботи прискорювачів по таких параметрах, як тиск залишкового газу, тривалість імпульсу і частота прнскорювального поля, набувають актуальності дослідження метода підвищення темпу прискорення за рахунок технології виготовлення прискорювальних структур.

Зважаючи на особливості ЛПЕ, пов'язані з неминучістю пробоїв, а також на значення пробоїв для поліпшення вакуумної ізоляції,

необхідно досліджувати їхній вплив на вакуумну ізоляцію при різноманітних технологіях.

Перенос забруднень у вакуумі при електродесорбції і пробоях може бути причиною підвищення їхньої концентрації і зниження пробивного поля. Дослідження цього питання потребує виміру розподілу частоти пробоїв вздовж прискорювальної структури. Визначення місця пробою в довгій структурі ЛПЕ становить інтерес також у ряді питань фізики пробою.

... В другому розділі дисертації дається опис методики дослідження процесів та використаного експериментального обладнання.

Методика заснована на діагностиці вакуумної ізоляції по В АХ автоемісійного струму і частоті пробоїв. Незалежність явища автоелектронної емісії від характеру поля [І] припускає дослідження В АХ у постійному полі. Виходячи з експериментально відомої подоби процесів вибухової емісії в постійному і НВЧ полях [II,ІП], а також відомого результату про максимальну ерозію поверхні в цій фазі пробою [ИДИ], припускається однаковий механізм впливу плазми на поверхню в постійному і НВЧ полях. Такі положення методики дозволяють виконати частину експериментів у постійному електричному полі.

Основними вимогами експериментальної методики є близькість значещ. накопиченої енергії в ланцюзі живлення експериментальної установки і в резонаторному осередку прискорювальної структури, а також близькість вакуумних умов в експерименті і в прискорювачах.

Досліди проведено на двох створених установках (А і Б) з постійним електричним полем, а також на існуючому стенді НВЧ тренування прискорювальних секцій та прискорювачах ЛП-2 і ЛП-60 ННЦ ХФТІ.

Приведено опис установки для виміру пробивних полів (установки

А.). Джерелом живлення є генератор Кокрофта-Уолтона напругою до ІООкВ, що працює на частоті 5кГц. Вакуумна камера відкачується тліагніторозрядним насосом. Попередня відкачка - механічним насосом з азотною пасткою. Передбачено установку в вакуумній камері 22-х пар електродів для усереднення результатів і її прогрів до температури 250°С. Остаточний вакуум - 10‘5-10'7Па.

Коротко описана установка напругою до ЮкВ (установка Б) для дослідження автоемісійних струмів. Зниження напруги живлення обумовлене запобіганням мікророзрядів для підвищення точності вимірів. Вакуумні умови близькі до установки А.

Описано створену установку для полірування поверхні пучком іонів аргону. Установка складається з іонного джерела Пеннінга зі струмом ІмА та енергією іонів аргону 8кеВ. Особливістю обробки є обертання мішені під час опромінення, що підвищує якість рельєфу.

У третьому розділі приведено результати дослідження стану поверхні мідних електродів, що оброблені за існуючою в ЛПЕ технологією. Дослідження виконано по відомій методиці ВАХ автоемісійного струму, доповненій виміром гістерезису ВАХ.

Відзначено характерні нестабільності струму, пов'язані з присутністю забруднень - початковий стрибок струму, короткочасне зростання струму після збільшення поля, низькочастотні флуктуації, гістерезис ВАХ.

Характер гістерезису відрізняється від відомого для

електронегативного адсорбату або ефекту Молтера. Визначення параметрів емісії за діаграмами Фаулера-Нордгейма показало, що гістерезис ВАХ пов'язаний зі зменшенням роботи виходу і зменшенням площі поверхні, що емітує, до значень, нереальних для чистої поверхні або газового адсорбату. У відповідності з прийнятим трактуванням [IV], таке явище пояснюється збільшенням густини адсорбату на вершинах природних автоемітерів та плівковою його структурою. З огляду .на сталість тиску під час вимірів, ефект, що спостерігається, пов'язується з міграцією домішок під дією поля. Запропоновано якісну модель такого явища.

Зазначений характер гістерезису ВАХ не залежить від величини прикладеного поля і спостерігається в полях, близьких до пробою та на порозі виявлення автоелектронної емісії. З урахуванням цього результату, відомих даних про відсутність міграції окислів при кімнатній температурі поверхні [V], характерній для низьких полів, а також аналогії отриманої динаміки ВАХ з відомою при штучному органічному забрудненні, зроблено висновок про слабкий зв'язок з поверхнею та органічний склад адсорбату.

Виходячи з характеру гістерезису, значень площі поверхні, що емітує, і відсутності ефекіу Молтера зроблено висновок, що забруднення мають структуру плівок з товщиною менше 0.5 мкм.

Викладені процеси на поверхні при пробоях. Виявлено два типи пробоїв. Пробої першого типу призводять до миттєвого зменшення автоемісії, що тлумачиться зникнкненням первинного еміиера. Пробої другого типу супроводжуються стрибкоподібним збільшенням автоемісійного струму, що пояснюється утворенням вторинного емітера.

Пробої першого типу (первинні) відбуваються в області низьких полів (до 300кВ/см), на початку тренування пробоями. Така область надалі іменується, як область первинних пробоїв. Пробої другого типу характерні для області високої напруженості поля (порядку 800кВ/см), яка називається, тому, областю вторинних пробоїв. Поряд з різним

характером впливу на провідність вакуумного проміжку в момент утворення, первинні і вторинні емітери відрізняються також характером наступної емісії.

Встановлено, що ВАХ первинних емітерів не відтворюються при збільшенні і зниженні поля, створюючи гістерезис. ВАХ вторинних емітерів у більшості випадків відтворені.

Використовуючи зазначені відмінності в емісії для ідентифікації первинних і вторинних емітерів, встановлено, що вакуумна ізоляція в умовах ЛПЕ після деякої кількості пробоїв визначається вторинними емітерами.

На підставі дослідження динаміки ВАХ і параметрів автоемісії робиться висновок, що механізмом утворення вторинних емітерів, що обмежують електричну міцність вакууму в умовах ЛПЕ, є модифікація структури або складу первинних забруднень під дією плазми.

, Виходячи з загальновизнаної моделі автоелектронного збудження пробоїв, встановлюється аналітичний зв'язок між емісійними властивостями емітерів і залежністю частоти пробоїв від напруженості поля, при рівномірному його підвищенні.

У четвертому розділі, з метою всебічного вивчення явищ в різноманітних умовах та практичного застосування результатів, приведено вплив технології обробки на вакуумні процеси та електричну міцність прискорювадьних структур.

. Аналізується придатність існуючих методів обробки до технології виготовлення і в умовах експлуатації ЛПЕ. До уваги приймаються можливості. сучасного масового виробництва та існуючий режим роботи ЛПЕ. Відзначаються особливі вимоги на геометричні припуски прискорювадьних структур, не сумісні з їх нагріванням до високої температури. Складна форма прискорювальної структури викликає труднощі в використанні газового розряду для поліпшення поверхні в вакуумі. З цього приводу визначаються малопридатними найбільш ефективні засоби поліпшення (кондиціювання) поверхні в вакуумі після попередньої механічної обробки, що успішно застосовуються в малогабаритних лабораторних установках. ... ......

В таких умовах можуть бути доцільними спроби використання вказаних методів вакуумного кондиціювання поверхні на етапі попередньрї обробки деталів прискорювальної структури, перед її пайкою. г., .

Визначаються методи, що потребують дослідження: механічна обробка діамантовим, різцемі абразивом, низькотемпературний

прогрів у вакуумі, нанесення металевих покриттів, бомбардування іонами інертних газів. Приводиться опис використаних в роботі методів і обладнання.

Досліджується вплив методів обробки на допробійний стан вакуумної ізоляції. Отримані параметри автоелектронної емісії такі, як параметр підсилення поля р=200-г300 та ефективна площа емісії А=Ю'г^10‘19м2, вказують на значне забруднення поверхні при всіх технологіях попередньої обробки.

Приведено експериментально отримані значення електричної міцності електродів при обраних технологіях попереднього обробки й вимірені залежності частоти пробоїв від напруженості поля.

Критерієм електричної міцності або пробивного поля вважається електричне поле, що відповідає частоті пробоїв 0.1 за хвилину.

Зважаючи на залежність пробивного поля від кількості пробоїв, за термін тренування приймається момент різкого зниження електричної міцності, та виникнення високої (1-2мА) автоемісії.

Найкращі результати (електрична міцність 900кВ/см) отримані для обробки діамантовим різцем до параметра шорсткості ІІ2=0.2мкм з наступним низькотемпературним прогрівом у вакуумі. Відзначається безупинний ріст електричної міцності з поліпшенням рельєфу поверхні при токарській обробці діамантом.

З експериментально отриманої частоти пробоїв і встановленого раніше аналітичного зв'язку частоти пробоїв з емісійними властивостями емітерів випливає, що елекірична. міцність при тренуванні пробоями, при всіх досліджених технологіях, обмежена не рельєфом, а забрудненням поверхні. Цей висновок поширюється на технології, яе пов'язані з механічною обробкою і промиванням, такі, як іонне полірування і покриття металевими плівками. З цього робиться висновок про нетехнологічне походження забруднень. Гаданими їхніми джерелами є залишковий газ і навколишня атмосфера.

Висловлюються припущення про інші причини зниження електричної міцності. Однією з них, поряд з присутшм забрудненням на поверхні,, може бути вплив роботи виходу основного’ матеріалу електродів, Таким гаданим ефектом пояснюються зв’язок отриманих результатів з існуючими відомостями про. роботу виходу після іонного бомбардування і покриття нітридом титана. Зроблені припущення аналізуються на основі відомих результатів у постійному і НВЧ полях.

Отримані результати можуть бути використані для технології виготовлення структур, що прискорюють. Найбільш істотні висновки з них такі:

— Переважне значення в електричній міцності вакууму в умовах ЛІТЕ має не рельєф поверхні, а присутність органічного забруднення;

— Значення попередньої обробки для збільшення електричної міцності полягає, в основному, не в зменшенні геометричного параметру підсилення поля, а в зниженні сорбційної ємності поверхні;

— Зменшення площі фізичної поверхні шляхом механічної обробки з параметром шорсткості рельєфу Яг й 0.2мкм є ефективним засобом підвищення електричної міцності в вакуумних умовах ЛПЕ;

— Низькотемпературний прогрів у вакуумі може бути засобом підвищення темпу прискорення незалежно від шорсткості поверхні прискорювальних структур;

— Металеві покриття товщиною 2-г-ІОмкм, отримані іонно-плазмовим осадженням, стійкі до пробоїв у полях більше 1400кВ/см;

У п’ятому розділі приведено дослідження вакуумних і поверхневих процесів при НВЧ тренуванні прискорювальних структур. Основна увага звертається на підтвердження результатів, отриманих у постійному полі. Таким підтвердженням може бути структура залежності частоти пробоїв від напруженості поля.

У зв'язку з неоднорідністю прискорювального поля, навіть в структурах з квазіпостійним градієнтом, наприклад, у трансформаторі типу хвилі (ТТХ), такі виміри потребують визначення місця пробою. Розподіл пробоїв необхідний також для виявлення вторинних процесів, викликаних пробоєм.

Для визначення місця пробою в структурі, що прискорює, використовується акустичний сигнал. Надто низькі акустичні властивості прискорювальної структури ЛПЕ зумовлюють значну похибку реєстрації моменту приходу такого сигналу. Зважаючи на значення акустичних досліджень для фізики процесів в прискорювальних структурах, значне місце в роботі відводиться результатам поліпшення цього методу шляхом селекції акустичних хвиль по їхній фазовій швидкості та напрямку розповсюдження.

Приводяться характеристики розроблених акустичних приймачів із клиновим перетворювачем хвиль. Найменша похибка визначення місця пробою ± 9.5см. Коротко описаний стенд для іспиту і тренування прискорювальних секцій ННЦ ХФТІ.

и

Вимірено частоту пробоїв вхідного ТТХ і розподіл частоти пробоїв вздовж структур квазіпостійного градієнту і з повздовжнім декрементом поля.

Залежність частоти пробоїв від напруженості поля має піки, що збігаються по характеру процесів з піками первинних і вторинних пробоїв, виявлених у постійному полі.

Доказом зв’язку отриманих у постійному і НВЧ полях пійв частота пробоїв з властивостями поверхні є переміщення піку частоти пробоїв, в міру тренування прискорювальної секції, в область слабкого'поля. Таке переміщення було виявлене в прискорювальній структурі з повздовжнім декрементом поля. Можливість цього явища показана аналітично для гауссівського розподілу емітерів по параметру підсилення поля.

Шляхом реєстрації акустичного сигналу виявлено збудження пробоїв керамічних НВЧ-вводів потужності пробоями в прискорювальній секції. Цей ефект пояснюється іонізацією залишкового газу в прискорювальній структурі або газу в фідері НВЧ живлення. Дослідження повздовжнього розподілу пробоїв в прискорювальних структурах не виявило вторинних процесів, пов'язаних з виникненням відбитих електромагнітних хвиль або стрибком газового тиску при пробоях.

Досліджено динамік}' складу газу при мультипакції, що вказує на ефективність цього режиму тренування для відчищання поверхні.

Спекір газу, що десорбує при пробоях, підтверджує відомі висновки про недостатню ефективність азотних пасток при форвакуумній відкачці.

У висновку коротко перераховані отримані результати, використані методи і припущення.

Відзначається, що в результаті досліджень обрана технологія обробки поверхонь прискорювальних секцій діамантовим різцем з параметром шорсткості Иг<0.2мкм, що дозволила вдвічі збільшити темп прискорення в прискорювачі Ш1Э-2ГэВ ННЦ ХФТІ та досягти напруженості електричного поля на поверхні прискорювальної структури понад 500кВ/см.

Сформульовані основні результати дисертації. .

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ

— Встановлено, що електричне поле на поверхні прискорювальних структур ЛПЕ обмежене автоелектронною емісією вторинних

емітерів, що виникають в результаті пробоїв.

— Автоемісійні параметри вторинних емітерів при відомих технологіях попередньої обробки визначаються органічним забрудненням поверхні, а не її рельєфом.

— Можливості подальшого збільшення темпу прискорення в ЛПЕ шляхом попереднього обробки поверхні пов'язані зі зменшенням її сорбційної ємності по органічних домішках.

— Вплив десорбції та електромагнітних збурень, викликаних пробоями, на електричну міцність прискорювальних структур не істотний.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ В АВТОРЕФЕРАТІ ЛІТЕРАТУРИ

I. Модинос А. Авто- термо- н вторично-электронная спектроскопия. Пер.с англ. М,: Энергоатомиздат, 1985,- с.319.

II. Андриянов Ю.В., Баздырев В.Н., Борисов Д.А., Жуков В.М. Гененрация пучков заряженных частиц в вакуумном СВЧ-разряде, инициируемом взрывной эмиссией. //РиЭ,-1987,-Т.5, №5,-С. 1040 -1047.

III. Месяц Г.А. Эктоны. Т.2.-Е.: 1994.-243 с.

IV. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. -М.: Энергоатомиздат, 1986.-256 с.

V. Фурсей Г.Н., Карцев Г.К. Стабильность автоэлектронной эмиссии и миграционные процессы, подготавливающие развитие вакуумной дуги // ЖТФ.-1970.-Т.15, №2.-С.310-319.

СПИСОК РОБІТ АВТОРА ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жигло В.Ф., Терехов Б.А. Полировка меди ионами аргона.

//ВАНТ,-1980, -Сер.Техника физ. эксперимента, №2(6), -

С.40-42.

2. Довбня А.Н., Жигло В.Ф. Акустическая локация пробоев в диафрагмированном волноводе ЛУЭ. //В АНТ,-1988,-Сер.Техннка физ. эксперимента., №1(36),-С.49-50.

3. Бнллер Е.З. Борискин В.Н., Вишняков В.А., Гурии В.А., Довбня А.Н., Житло В.Ф. Муфель В.Б., Никитина Т.Ф., Савченко

A.Н., Терехов Б.А., Тур Ю.Д. Исследование электрической прочности и СВЧ-разрядов в ускоряющих структурах ЛУЭ. //ВАНТ,-1990, №10(18),-С.22-26.

4. Довбня А.Н., Кушнир В.А. Степин Д.Л., Тур Ю.Д, Митроченко

B.В., Чернышев В.В., Житло В.Ф., Коллеров Э.П. Экспериментальное исследование параметров пучка компактного 60-МэВ ускорителя электронов. //ВАНТ,-1991,-Сер.Яд. физ.исследования (теория и эксперимент), Ж?(21),-С.З-9.

5. Довбня А.Н., Житло В.Ф. О пространственном и временном

распределении пробоев при ВЧ-тренировке ускоряющих секций. //ВАНТ,-1997,-Сер.Яд. физ.исследования (теория и эксперимент), №1(28),-С.65-70. .

6. Довбня А.Н., Житло В.Ф., Терехов Б.А. О зависимости частоты пробоев в вакууме от напряженности поля. //ВАНТ,-1997,-Сер.Яд. физ.исследования (теория и эксперимент), №1(28),-С.71-78.

7. Biller E.Z. Vishnyakov V.A. Dovbnya A.N., Zhiglo V.F., Mufel’

V.B., Nikitina T.F., Terekhov B.A., Tur Yu.D. Electrical reliability and the RF- breakdown in accelerator sections. // 13-th Int.Symp.on DEIV.-Paris 1988.-P.500-505. ■

8. Dovbnya A.N., Zhiglo V.F. Primary and secondary phenomena during RF-processing of electron linac structures. //EPAC96 proceedings. -Barcelona 1996.-V.3-P.2029-2031.

9. Жигло В.Ф. О бомбардировке катода при спаде напряжения на магнетроне. //ВАНТ,-1997,-Сер.Яд. физ.исследования (теория и эксперимент), №4,5(31.32),-С.32-34.

10. Довбня А.Н., Житло ВФ, Кушнир В.А., Степин Д.Л., Тур Ю.Д.

ВЧ-разряды и десорбция газа в ускоряющей секции с темпом ускорения 20МэВ/м. //ВАНТ,-1992,-Сер.Яд. физ.исследования

(теория и эксперимент), №4(25),-С.55-57.

И. Житло В.Ф., Терехов Б.А. Влияние рельефа поверхности на электрический пробой в вакууме. //ВАНТ,-1983,-Сер.Техника физ. эксперимента, №2(14),-С.105.

12. Довбня А.Н., Жигло В.Ф. Акустическая локация пробоев в диафрагмированном волноводе ЛУЭ. //Тезисы докладов 10-го Всесоюзного семинара по ускорителям заряженных частиц.-Харьков 1987.-С.45.

13. Биллер Е.З. Борискин В.Н., Вишняков В.А.. Гурин В.А., Довбня А.Н., Житло В.Ф. Муфель В.Б.. Никитина Т.Ф., Савченко А Н.,Терехов Б.А., Тур Ю.Д. Исследование электрической прочности и СВЧ-разрядов в ускоряющих структурах ЛУЭ. //Аннотация докладов 11-го Всесоюзного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц,-Харьков 1989. -С.1.

Анотацій

Житло В.Ф. Електрофізичні процеси при реалізації високих темпів прискорення електронів. -Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.20 - фізика пучків заряджених частино*. -

Національний науковий центр Харківський фізмко-технічшій інститут, Харків 1999.

Дисертацію присвячено питанню підвищення темпу прискорення в лінійних прискорювачах електронів. В роботі досліджуються процеси на поверхні і в вакуумі, що обмежують прискорювальне поле. Встановлено, що пробої, разом з відчищанням поверхні призводять до утворення тонких плівок, що зменшують електричну міцність в вакуумі. Причина пов'язана з атмосферним і вакуумним забрудненням.

Дослідження виконано в умовах існуючої технології попередньої обробки та перспективних технологій, що підвищують електричну міцність. Встановлено, що можливості підвищення темпу' прискорення шляхом попередньої обробки поверхні пов’язані зі зменшенням її сорбційної ємності. Основні результати роботи знайшли використання при розробці технології виготовлення прискорювальних структур.

Ключові слова: лінійні прискорювачі, пучки, вакуум,

автоелектронна емісія, пробій, поверхня.

Аннотация

Жигло В.Ф. Электрофизические процессы при реализации высоких темпов ускорения электронов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.20.-физика пучков

заряженных частиц. - Национальный научный центр Харьковский физико-технический институт, Харьков,1999.

Диссертация посвящена вопросу повышения темпа ускорения в линейных ускорителях электронов (ЛУЭ). С этой целью изучаются процессы на поверхности и в вакууме, ограничивающие ускоряющее поле.

Исследования выполнены в условиях традиционной технологии обработки и перспективных технологий, направленных на повышение электрической прочности, в том числе при обработке алмазным резцом, плазменном нанесении покрытий и ионной бомбардировке.

Наилучшие результаты (электрическая прочность 900кВ/см) получены при обработке алмазным резцом с дополнительным прогревом в вакууме до 250°С.

Состав газа при мультипакции и пробоях, а также характер автоэмиссии в типичных условиях ЛУЭ показали значительное органическое загрязнение поверхности после всех способов предварительной обработки.

Установлено, что пробои в вакуумных условиях современных ускорителей, наряду с очисткой поверхности, приводят к образованию пленок, снижающих электрическую прочность. В отличие от аналогичного результата, известного при масляной откачке, такие пленки имеют толщину недостаточную для эффекта Молтера.

Указанный результат распространяется на чистые вакуумные технологии предварительной обработки, исключающие промывку растворителями, такие, как нанесения металлических покрытий и ионная бомбардировка. На этом основании сделан вывод, что источником загрязнений, ограничивающих электрическое поле в вакуумных условиях ЛУЭ, является остаточный газ и окружающая атмосфера. Поэтому, возможности дальнейшего повышения темпа ускорения путем предварительной обработки связываются с уменьшением сорбционной емкости поверхности.

Методом акустической регистрации пробоев измерена зависимость их частоты от напряженности поля в ускоряющей структуре. Отмечается совпадение характера процессов при пробоях в постоянном и СВЧ поле.

Экспериментально и аналитически исследованы закономерности продольного распределения пробоев в ускоряющих структурах.

Обнаружено инициирование пробоев керамических вводов СВЧ* мощности пробоями в ускоряющей секции.

Влияния десорбции или электромагнитных возмущений, вызванных пробоями, на вакуумную изоляцию ускоряющих структур не обнаружено.

На основе полученных результатов выбрана технология обработки ускоряющих структур алмазным резцом, позволившая удвоить темп ускорения в ЛУЭ-2ГэВ ННЦ ХФТИ и получить напряженность поля на поверхности свыше 500кВ/см.

Результаты работы могут быть использованы также для диагностики вакуумной изоляции в ЛУЭ.

Ключевые слова: линейные ускорители, пучки, вакуум,

автоэлектронная эмиссия, пробой, поверхность.

Abstract

Zhiglo V.F. Electrophysical processes during realization of a high gradient acceleration of electrons. -Manuscript.

Thesis for candidate degree by speciality 01.04.20 - physics of charged particles beams. - The National Science Center Kharkiv Institute of Physics and Technology, Kharkiv 1999.

The dissertation is devoted to increasing of accelerating gradient in electron linacs. The surface and vacuum phenomena limiting the accelerating field are investigated. It is established that breakdowns not only clean a surface, but also simultaneously create films reducing the electrical strength. The matter of this phenomenon is connected with atmospheric and vacuum contamination. Traditional and perspective methods of the electrical strength increasing arc investigated. It is shown that possibilities of the accelerating gradient increasing by preliminary processing are connected with a diminution of a surface sorption capacity. The main results of the work have found a use for the teclmology development of the accelerating structures production.

Key words: linac, beams, vacuum, field emission, breakdown, surface.