Формирование и ускорение сильноточных электронных пучков в рециркуляторе на основе индукционного ускорителя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

, МП I

.ч-.и .-а

9-94-401

, На правах рукописи УДК 621.3.032.26+621.384.634

МОЛОДОЖЕНЦЕВ Александр Юрьевич

-ФОРМИРОВАНИЕ И УСКОРЕНИЕ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В РЕЦИРКУЛЯТОРЕ НА ОСНОВЕ ИНДУКЦИОННОГО УСКОРИТЕЛЯ

Специальность: 01.04.20 — физика, пучков заряженных -, частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук * ■

Москва 1994

мЩффйШшшвяг

" л ^ , 1 ¿л -

ш

ш

Общая характеристика работы.

Представляемая диссертация основана на материалах работ, выполненых автором в течение 1988 - 1993гг. в ОИЯИ. Она посвящена решению задач формирования сильноточных электронных пучков и транспортировки их в ускорителях-рециркуляторах на основе индукдонного ускорителя.

Актуальность работы определяется важностью практических задач, для решения которых требуются низкоэмиттансные электронно-оптические системы, формирующие потоки заряженных частиц высокого качества, и рециркуляторы, ускоряющие сильноточные электронные пучки.

Задачи формирования и ускорения сильноточных электронных пучков имеют большое практическое значение. В настоящее время исследования, в которых применяются такие пучки, составляют быстро развивающуюся область, а важные приложения сильноточных пучков заряженных частиц простираются от мощных источников когерентного излучения до управляемого термоядерного синтеза с инерционным удержанием. При энергии каждого электрона от долей мегаэлектронвольта до десятков и даже сотен мегаэлектронвольт токи электронных пучков могут принимать значения до десятков килоампер в импульсах длительностью в десятки наносекунд. Импульсные мощности таких пучков достигают порядка нескольких тераватт, а энергия, запасенная в пучке, - порядка нескольких мегаджоулей.

В последнее время на передний план вышли задачи, решение которых позволит формировать и ускорять сильноточные электронные пучки достаточной мощности и хорошего качества. Так,задача формирования электронных пучков высокого качества представляет интерес как с точки зрения разработки и совершенствования отдельных элементов ускорителя -генераторов электромагнитных волн, ионных источников, так и достижения максимальных значений светимости самих ускоряемых пучков. Наиболее интенсивные работы в этой области, ведущиеся в настоящее время, связаны с созданием лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). Качество электронных пучков для этих устройств принято характеризовать с помощью нормализованной яркости. Характерные значения яркости, требуемые для эффективной работы ЛСЭ, составляют ~Ю10А/(м-рад)2.

Известно, что яркость пучка пропорциональна отношению плотности тока пучка j к его температуре, но, в отличие от плотности тока, не может быть увеличена простым повышением жесткости фокусировки.

Для увеличения как яркости пучка, так и плотности тока следует уменьшать его эмиттанс. Квадрат эмиттанса можно представить в виде

Анодные сетки редко используются в пушках с высокой яркостью, так как из-за рассеяния эмиттанс пучка возрастет, однако значительное увеличение напряженности электрического поля на катоде и вытягиваемого тока частично компенсируют этот рост. Так, при использовании молибденовой сетки при токе ~ 1 кА получена яркость ~ 109 А/(м-рад)2.

До сих пор молчаливо подразумевалось, что траектории электронов, стартующих с разных радиусов, более или менее подобны друг другу, т.е. пучок является параксиальным. Для этого необходимо выполнение двух основных условий: различие в продольных скоростях граничного и осевого электронов пренебрежимо мало; поперечные силы линейно зависят от радиуса. Последнее условие является трудновыполнимым, вследствие чего электроны, находящиеся на разных радиусах, получают непропорциональные импульсы и их траектории могут пересечься, что соответствует появлению эмиттанса. Аберрации, вносимые анодной апертурой, в пушках, предназначенных для формирования ламинарных непульсирующих пучков, можно скомпенсировать специальным выбором формы катода. Об одном из механизмов подавления сферических аберраций для пучков, когда можно пренебрень влиянием пространственного заряда потока, также подробно сказано в представляемой работе.

Существуют два подхода к расчету ЭОС - методы анализа и синтеза. Метод анализа заключается в прямом решении уравнений движения частиц в заданных внешних полях и собственных, определенных в процессе вычислений. Он содержит следующие основные этапы: выбор геометрии электродов и конфигурации внешнего магнитного поля; решение уравнения Пуассона для выбранной формы границ и распределения заряда пучка, известного с предыдущей итерации; прогонку пробных частиц в найденных полях и восстановление по полученным траекториям плотностей заряда и тока в пучке; итерационную процедуру. Метод анализа достаточно хорошо развит, однако найти с его помощью оптимальное (с точки зрения уменьшения аберраций пучка) решение трудно ввиду многопараметричности задачи.

Метод синтеза ЭОС позволяет расчитать геометрию электродов и конфигурацию магнитного поля необходимые для формирования пучка с напередзаданными свойствами. Он включает в себя два основных этапа. Первый, называемый внутренней задачей, состоит в построении решения уравнений холодной гидродинамики, обладающего требуемыми характеристиками. Второй (внешняя задача) состоит в определении формы электродов вне пучка, необходимой для реализации этого решения. Математически внешняя задача является задачей Коши для уравнения Лапласса с начальными условиями (потенциал, электрическое поле),

используются бетатроны и их модификации. Однако этот класс ускорителей также имеет ряд недостатков. Так, малая энергия инжекции электронов ограничивает ток пучка в бетатронах. Это связано с тем, что малые бетатронные поля не позволяют удерживать большие токи на малых энергиях. В настоящее время проводятся работы по повышению энергии инжекции электронов для увеличения токов , ускоряемых в бетатронах ( Livermore,Berkeley ).

Для решения задачи ускорения сильноточных электронных пучков при низкой энергии инжекции успешно применяются и различные конфигурации сильных магнитных полей (модифицированные бетатроны, стеллатроны).

В настоящее время при создании ускорителей широко используется принцип рециркуляции пучка через один и тот же ускоряющий элемент.

Сильноточный рециркулятор, в качестве ускоряющего элемента которого используется длинноимпульсная секция линейного индукционного ускорителя, обеспечивающая значительное приращение энергии электронов при одном прохождении пучка через нее (Bacetrack Induction Accelerator), является одним из класса ускорителей-рециркуляторов. При многократном прохождении через ускоряющий элемент RIA сильноточный пучок набирает необходимую энергию. Такой ускоритель объединяет преимущества рециркуляторов и линейных индукционных ускорителей.

Использование длинноимпульсных секций ЛИУ в RIA позволяет ускорять сильноточные пучки до энергий, значительно превышающих характерные для бетатронов значения.

Большое количество публикаций показывает на неослабевающий интерес к такому роду ускорителей.

С помощью таких сильноточных ускорителей могут быть решены интересные задачи как в физике высоких энергий, так и в ядерной физике и в физике кондинсированных сред.

Анализ разных вариантов практического применения сильноточных электронных пучков показал, что для их реализации необходимо формировать и ускорять пучки с энергией 100 т 200МэВ и импульсным током < 2Q0A при длительности импульса ~20нсек. Из представленного материала видно, что для получения таких пучков могут быть успешно использованы сильноточные рециркуляторы на основе длинноимпульсных секций ЛИУ.

прямолинейных участках канала транспортировки. Показано, что использование фокусирующей структуры такого типа совместно с фокусировкой частиц пучка короткими соленоидами, установленными между секциями индукционного ускорителя, позволяет обеспечить эффективное удержание пучка в RIA при значительном (до ±10%) энергетическом разбросе во всем диапазоне энергий от 5МзВ до 70МэВ.

• В диссертации предложены и проанализированы некоторые возможности практического использования сильноточных

ускорителей-рециркуляторов типа RIA как для генерации мощного потока тепловых (и резонансных) нейтронов, так и для генерации мощного позитронного потока. Предложена схема высокопроизводительного инжекционного комплекса Тау-Чарм фабрики, позволяющего обеспечить высокую эффективность подпитки как электронных, так и позитронных сгустков в электрон-позитронных коллайдерах с большим числом сгустков (crab-crossing collision regime).

Тезисы;выносимые автором к защите;

1. На основе стационарной параксиальной теории второго порядка в негеометризованном подходе развит метод синтеза безвихревых ламинарных потоков заряженных частиц, разработаны и реализованы численные алгоритмы синтеза бесфольговых Э00 и ЭОС с анодной фольгой конечной прозрачности.

2. Предложена фокусирующая структура индукционного ускорителя-рециркулятора, позволяющая обеспечить эффективное удержание пучка при его ускорении от 5 до 70 МэВ и допускающая значительный (до ± 10%) энергетический разброс во всем диапазоне энергий.

3. Предложена и расчитана схема мощного нейтронного источника широкого назначения на основе ядерного реактора и сильноточного электронного ускорителя-рециркулятора..

4. Предложена и расчитана схема высокопроизводительного ижекционного комплекса Тау-Чарм фабрики, позволяющая обеспечить требуемую производительность позитронов (5-109 с-1).

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов обусловлена корректностью постановки физических задач и использованных методов расчета различных ЭОС и фокусирующих структур ускорителей-рециркуляторов различных типов и подтверждается совпадением результатов, полученных в диссертации различными методами, согласием с результатами численного моделирования других авторов, а также апробацией основных результатов на Всесоюзных и Международных

Согласно параксиальной теории второго порядка получены соотношения для всех коэффициентов разложения по поперечной координате. В частности, подстановка параксиальных разложений в уравнения безвихревого ламинарного потока приводит к уравнению огибающей (при выполнении требования 11э<<1а ,где 1а - ток Альфена, 1а=Г0тс3/е):

< 72 - ь0> - 41>?0 ТГ + ЧсФп^О«4 '

где бп- нормализованный эмиттанс пучка, х0- величина, определяемая плотностью тока эмиссии с катода и связанная с осевыми значениями безразмерного импульса т>10, магнитного поля Ь0 и приведенного радиуса пучка 9, г0- некоторый характерный радиус. Получены также выражения для коэффициентов высших порядков с учетом конечной прозрачности анодной сетки и дифференциальное/уравнение для аберрационной функции. Таким образом, полученые уравнения позволяют во втором порядке параксиальной теории полностью описать поведение потока, провести анализ сферических аберраций.и найти способ их подавления.

Так, при расчете бесфольговой ЭОС показано, что можно провести минимизацию аберраций потока при определенном виде эмиттирующей поверхности и при опредененной зависимости энергии осевого электрона от продольной координаты.

На основе разработанного математического аппарата создан пакет программ синтеза "ЗУМИЦЗДО", позволяющий решать следующие задачи:

- синтез бесфольговых ЭОС, генерирующих релятивистские электронные потоки с компенсированными аберрациями;

- оптимизация формы электродов по пробойному напряжению.

В отсутствии ведущего магнитного поля и без учета собственных полей пучка, что соответствует потоковому импульсу наносекундной длительности и может быть использовано при создании электронных источников типа ЬааегЧгоп, из уравнения огибающей (1> нетрудно увидеть, что в качестве свободной функции можно выбрать энергию осевого1 электрона Как показано в Главе 1, это дает возможность эффективным образом влиять на аберрации пучка и подбором определенной зависимости энергии осевого электрона от продольной координаты свести их к минимуму.

В качестве примера работы пакета программ "БУ1}ТН_8им" представлены результаты расчета методом синтеза электронной пушки на энергию

,,2 (3^10) 10

potentials in units of .511 kV

0.025 0.02 0.015 0.01 0.005

0}

0> $

i.

£ о

1 r

I ё

•5

Рис.1 Результаты расчета источника релятивистского, электронного потока с компенсированными аберрациями путем выбора некоторой "нужной" функции энергии осевого электрона от продольной координаты (Г0-1) = Ш/х0).

Рис.2 Создание и транспортировка согласованного с ведущим магнитным полем электронного потока с параметрами, указанными в тексте. Расчет проводился по программе синтеза ЭОС с анодной фольгой конечной прозрачности "ЗУЛТЮ01Ь".

F D F D .F

...thé HIgh-Current-Redreulotor.., VAX - VMS versión Bjí/13

I?'

3.09

2.00*

1Л0-

E=5.5 MeV

26/04/83 19J2.48

asno ^

Л

ОЛЮ о

0.809

0.4S0

atoo 0Л90 OJOS

auo ajo» a«n aioo aow <u>

МО 4.00 ■ ím)

Рис.3 Оптические и дисперсионные функции фокусирующей структуры ускорителя-рециркулятора типа В1А (с использованием ведущего магнитного поля в области индукционных секций и поперечного переменного во времени магнитного поля с квадрупольными компонентами типа РБРОР), рассчитанные на энергию 5.5 МэВ (энергия инжекции).

в

5 в

е ¿Лэ

- I,

REPS _

Ф , Ш

Ш

dJa

ЯЕ

НЕ.

ЗБ

ЯЕ

ЗЕ

ЗГЕ

ЯБ

Ъ 1 2

BOOSTER

е+

е

RIA

Рис.5 Схема высокопроизводитёльного инжекционного комплекса Тау-Чарм Фабрики (пояснения в тексте).

3. Ю.И.Алексахин, А.Ю.Молодохенцев, А.И.Сидоров, Сильноточный ускоритель-рециркулятор, как инжектор электронов для интенсивного нейтронного источника. В Трудах XIII Конференции по ускорителям заряженных частиц, Дубна, октябрь 1992.

4. Ю.И.Алексахин, А.Ю.Молодоженцев, Пакет программ синтеза источников электронных поток с компенсированными аберрациями, в Трудах XIII Конференции по ускорителям заряженных частиц, Дубна,октябрь 1992.

5.Alexahin Yu.I.,Molodozhenzev A.Yu., Sidorov A.I. A Scheme of the High-Yield Tau-Charm Factory Injection Complex, in Proc. of the 2nd Workshop on JINR CTAU-Factory (D1,9,13-93-459),27-29 April 1993,Dubna.

Рукопись поступила в издательский отдел 1*2. октября 1994 года.