Исследование 100 МВт источника электронов с высокой компрессией пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правахрукописи

ЗАПРЯГАЕВ Игорь Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ 100 МВт ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОНОВ С ВЫСОКОЙ КОМПРЕССИЕЙ ПУЧКА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2004

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Козырев — кандидат технических наук,

Евгений Владимирович старший научный сотрудник,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Винокуров

Николай Александрович

Пироженко Виталий Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Московский радиотехнический институт РАН.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Объединенный институт ядерных исследований, г.Дубна.

Защита диссертации состоится "_2_3_" (уЫ-04-СЛ_ 2004 г.

в " 1& " часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01 при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лавретьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан " 20 " __ 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одно из направлений развития в физике высоких энергий - это дальнейшее повышение энергии электрон-позитронных встречных пучков. Решение этой задачи при помощи циклических ускорителей встречается со все возрастающими трудностями. В первую очередь это связано с резким ростом потерь энергии ускоряемой частицы на синхротронное излучение. В связи с этим, на сегодняшний день считается, что для достижения электронами энергии в сотни ГэВ и выше целесообразно вместо циклических ускорителей использовать линейные.

К настоящему времени существует несколько хорошо разработанных проектов линейных коллайдеров для этих целей. Общая особенность всех этих проектов состоит в том, что все они предполагают использование многокилометровых линейных ускорителей. Практическая реализация ускорителей длинной в несколько десятков километров несомненно будет испытывать серьезные экономические и технические трудности.

Желание иметь как можно меньшую длину ускорителя заставляет стремиться к предельно возможному темпу ускорения. Анализ факторов, ограничивающих предельный темп ускорения, показывает, что ускоряющие структуры, работающие на более высокой частоте, при прочих равных условиях позволяют реализовать более высокий темп ускорения. Однако, переход на более высокую рабочую частоту с соответствующим повышением темпа ускорения приводит к росту суммарной ВЧ-мощности, необходимой для питания ускоряющих структур.

Еще одна особенность, присущая всем проектам, - это огромное число источников ВЧ-мощности, необходимых для питания ускоряющих структур. В тоже время число источников ВЧ-мощности, которое может быть размещено на ускорителе, определяется надежностью и ценой всей ВЧ-системы.. Это накладывает ограничение снизу на величину выходной мощности отдельного ВЧ-источника. Так, например, если принять за приемлемое число источников мощности в этих проектах - 2000, то мощность одного ВЧ-источника должна составлять приблизительно 200 МВт на частоте 2.8 ГГц и 500 МВт - на частоте 30 ГГц.

Таким образом, желание иметь как можно меньшую длину ускорителя определило основные направления развития СВЧ-энергетики будущих линейных коллайдеров - это продвижение в области более высоких частот и мощностей.

Традиционно в качестве источников ВЧ-мощности для питания будущих линейных коллайдеров предполагается использовать клистроны. Однако, несмотря на заметный прогресс в разработке и создании клистронов, пригодных для питания этих коллайдеров, их параметры не отвечают в полной мере всем необходимым требованиям. Например, наблюдается отставание по уровню выходной мощности. Об этом свидетельствует и возросший в последнее время интерес к системам компрессии ВЧ-мощности, которые позволяют в некоторой степени снизить остроту этой проблемы. Также, на сегодняшний день, полностью отсутствуют публикации о том, что планируются или ведутся работы по созданию мощных клистронов, работающих на частотах выше 14 ГГц.

Такое положение дел с клистронами привело к поиску других источников ВЧ-мощности, пригодных для питания ускорителей. Примером тому могут служить проекты, в которых предполагается использование вспомогательного линейного укорителя для питания основного (проект CLIC, CERN).

Другим альтернативным источником ВЧ-мощности для линейных коллайдеров может стать магникон - прибор, в котором модуляция пучка осуществляется путем круговой развертки. В качестве прототипа такого источника в нашем институте предложен, разработан и испытан 7 ГГц магникон. Это СВЧ-усилитель, работающий в режиме удвоения входной частоты.

Одна из особенностей приборов с круговой модуляцией пучка состоит в том, что их эффективность существенно зависит от поперечного размера пучка. Так, в 7 ГГц магниконе для достижения КПД более 50% диаметр пучка на входе в систему развертки не должен превышать 3 мм. При токе пучка 230 А средняя плотностью тока пучка составляет примерно 3 кА/см2, что более чем на два порядка превышает максимальную плотность тока, отбираемую с лучших современных термокатодов. Это означает, что для работы 7 ГГц магникона необходима электронно-оптическая система с высокой степенью компрессии пучка.

Необходимо отметить, что проблема создания электронно-оптической системы с высокой степенью компрессии пучка не является сугубо специфической только для 7 ГТц магникона. Желание работать на все более высоких частотах и с большей ВЧ-мощностью приводит к необходимости использовать электронные пучки со все меньшими поперечными размерами и большей мощностью. Так как повышение мощности, за счет увеличения напряжения на практике имеет ограничение, а эмиссионная способность катодов также ограничена, то начиная с какого-то момента неизбежно возникает необходимость в сжатии электронного пучка.

Цель работы.

Эспериментальное и теоретическое исследование 100 МВт источника электронов с экстремально высокой плотностью тока и получение электронного пучка, пригодного для работы 7 ГГц магникона с высокой эффективностью.

Научная новизна.

Основным научным результатом работы является исследование, разработка и создание электронно-оптической системы, позволяющей формировать мощные релятивистские электронные пучки с плотностью тока на выходе, на несколько порядков превышающей плотность тока с катода. При этом распределение плотности тока, по сечению, пучка достаточно однородно, а поперечный размер определяется, в основном, объемным зарядом. Входящая в состав электронно-оптической системы диодная пушка имеет рекордную величину электростатической компрессии пучка по площади поперечного сечения.

Практическая ценность.

Разработан и создан источник электронов, позволяющий получить в магнитной системе магникона со 120 мм оксидного катода 100 МВт электронный пучок (430 кВ, 235 А) с поперечным размером менее 3 мм. При этом полученный пучок полностью удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым 7 ГГц магниконом к пучку для достижения высокой эффективности. Это, в свою очередь, позволило провести экспериментальное исследование прототипа источника ВЧ-мощности для линейных коллайдеров - 7 ГГц магникона. На сегодняшний день с этим пучком на 7 ГГц магниконе получены проектные параметры (выходная мощность 55 МВт при КПД 56 %).

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. 100 МВт источник электронов 7 ГГц магникона, в котором:

а) в диодной пушке использован сферический оксидный катод диаметром 120 мм и радиусом кривизны 100 мм;

б) основное сжатие пучка осуществляется за счет электростатической компрессии в диодной пушке;

в) катод экранирован от магнитного поля соленоида магникона;

г) на выходе получается слабо пульсирующий пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому.

2. Результаты расчетов и проектирования: расчет магнитных полей соленоида (внутри и снаружи); расчет динамики пучка в ускоряющем зазоре диодной пушки и магнитной системе; расчет динамики пучка вблизи кроссовера (в отсутствие магнитной системы); расчет влияния погрешности изготовления деталей электронно-оптической системы на достижение основных проектных параметров. Анализ факторов, препятствующих достижению высокой компрессии.

3. Конструктивная схема источника электронов, включающая модулятор, импульсный повышающий трансформатор, диодную пушку, магнитную систему магникона, коллектор.

4. Устройство, для измерения поперечных размеров электронного пучка с высокой плотностью тока.

5. Результаты экспериментального исследования 100 МВт источника электронов, показавшие возможность получения слабо пульсирующего электронного пучка, с поперечным размером близким к Бриллюэновскому.

6. Результаты оптимизации электронно-оптической системы, включающие в себя: модификацию соленоида магникона; результаты численной оптимизации; исследование влияния тепловых уходов, возникающих при нагреве катодного узла, на "качество" формируемого электронного пучка; исследование влияния отклонения центра пучка от оси прибора на точность измерения поперечных размеров пучка.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы докладывались на европейской ускорительной конференции ЕР АС 90 (Ницца, 1990), на международной конференции BEAMS 90 (Новосибирск, 1990), на международном совещании RF 96 (Япония, 1996), на национальной ускорительной конференции США РАС 97 (Ванкувер, 1997) и опубликованы в работах [1-7].

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 139 страницах, содержит 56 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, сформулированы задачи и цель настоящей работы. Приводятся краткое ее содержание и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается схема и принцип действия 7 ГГц магникона.

Магникон - это электронный СВЧ-усилитель, в котором модуляция пучка осуществляется путем круговой развертки. Отличительная особенность 7 ГГц магникона в том, что он работает в режиме удвоения входной частоты. В этом случае, появляется возможность организовать единое магнитное сопровождение для всех резонаторов магникона, а электронный пучок на всем протяжении прибора будет испытывать фокусирующее (стабилизирующее) воздействие статического продольного магнитного поля.

Далее в главе обсуждается выбор основных параметров источника электронов для 7 ГГц магникона и сформулированы основные требования к электронно-оптической системе 7 ГГц магникона, необходимые для работы этого прибора с высоким КПД.

Один го основных факторов, ограничивающий КПД магникона, - это конечный поперечный размер пучка. Как показывают расчеты динамики электронов в ВЧ-полях, проведенные без учета действия сил объемного заряда, в данном приборе для получения КПД более 50 % необходим пучок с радиусом меньше 1.5 мм. В тоже время, этот радиус не может быть меньше Бриллю-эновского радиуса пучка, который в нашем случае составляет примерно 1 мм. Это означает, что в данном приборе необходимо сформировать почти Брил-люэновский пучок, то есть используя мапштоизолированный катод, сформировать пучок с малым поперечным эмиттансом и тщательно согласованный с ведущим магнитным полем магникона.

Разработка электронной пушки для 7 ГГц магникона велась на базе сферического оксидного катода, диаметром 120 мм и радиусом кривизны 100 мм. Выбор катода таких габаритов обусловлен двумя основными причинами: во-первых, данный катод был уже ранее разработан для ускорителя типа ЭЛИТ-Л2 и хорошо апробирован; во-вторых, обладая необходимым запасом по эмиссии, разрабатываемая пушка рассматривалась нами и как прототип пушки для будущего варианта магникона с мощностью в пучке 300350 МВт.

Выбор катода таких размеров, с одной стороны, облегчает решение задачи по обеспечению требуемой электрической прочности в ускоряющем зазоре электронной пушки. С другой стороны, чтобы сформировать пучок с требуемым диаметром, электронно-оптическая система должна обеспечивать компрессию пучка по площади не менее 1600.

Вторая глава посвящена электронно-оптической системе для формирования электронного пучка с высокой плотностью тока.

В первом параграфе этой главы описывается диодная пушка нового типа позволяющая формировать релятивистские пучки электронов с высокой плотностью тока и малым поперечным эмиттансом. Особенность данной пушки заключается в том, что угол заделки фокусирующего электрода имеет значение, близкое к углу Пирса. Особо следует отметить, что на катоде этой пушки плотность тока эмиссии плавно нарастает от центра к краю катода. Возникающая при этом "прикатодная аберрация", оказывается, имеет такую радиальную зависимость, которая позволяет с высокой точностью компенсировать аберрационные эффекты, вносимые "анодной линзой". Тот факт, что в такой пушке начальный угол сходимости пучка лишь незначительно уменьшается в области ускорения, означает, что электроны набирают здесь большие поперечные скорости. В результате поток электронов остается заметно сходящимся даже после прохождения рассеивающей анодной линзы пушки.

Точная же компенсация аберрационных эффектов приводит к тому, что в пространстве за анодом этот поток становится почти ламинарным, с распределением плотности тока по сечению близким к однородному. Вследствие этого, в дрейфовой трубе за анодом пушки происходит дополнительная, причем довольно значительная, компрессия электронного пучка. При этом распределение плотности тока по сечению пучка в кроссовере остается близким к однородному.

Второй параграф посвящен согласованию электронного пучка, сформированного диодной пушкой, с ведущим магнитным полем магникона. Задачу согласования электронного пучка можно условно разбить на две части: выполнение условий, при которых равновесный радиуса пучка в системе круговой развертки магникона получается минимальным, и получение минимальной амплитуды пульсаций огибающей пучка вокруг этого равновесного радиуса.

В начале параграфа рассмотрено влияние рассеянного магнитного поля и конечного поперечного эмиттанса пучка на равновесный радиус пучка в соленоиде магникона. Проведенные оценки показывают, что наличие на катоде рассеянного магнитного поля даже незначительной величины заметно увеличивает минимальный равновесный диаметр пучка. Далее приведена и описана схема согласования электронного пучка. В параксиальном приближении получены формулы для оптимального положения магнитного экрана относительно катода и оптимального размера отверстия в нем. Анализ полученных формул показывает, что такие параметры пушки как высокая электростатическая компрессия и длиннофокусность позволяют существенно упростить весь процесс проектирования, так как при этом оказывается возможным независимо решать такие задачи, как проектирование самой диодной пушки, экранировка катода и согласованный ввод пучка в магнитное поле.

В третьем параграфе приведены результаты расчетов диодной пушки, с высокой электростатической компрессией и повышенной электрической прочностью и результаты согласования пучка с магнитной системой магни-кона.

Расчет и оптимизация электронно-оптической системы магникона была проведена с помощью пакета программ SAM. Этот процесс включал в себя несколько основных этапов: расчет диодной пушки с высокой электростатической компрессией пучка, расчет магнитных полей, создаваемых соленоидом магникона, и расчет согласованного ввода в него электронного пучка.

При расчете динамики пучка в ускоряющем зазоре пушки не учитывался тепловой разброс скоростей электронов (использовалась модель "холодного" пучка). Однако, по мере сжатия пучка в пушке влияние этого разброса становится существенным. В результате он может привести к заметному увеличению как минимального радиуса пучка в кроссовере пушки, так и минимального равновесного радиуса пучка в ведущем магнитном поле. Поэтому, рас-

чет динамики пучка в пушке вблизи кроссовера, также как и расчет согласованного ввода пучка в магнитное поле, проводились в параксиальном приближении с помощью paiticle-in-cell (PIC) модели пучка. Эта модель позволяет учесть наличие теплового разброса поперечных скоростей электронов (модель "теплого" пучка).

В четвертом параграфе рассмотрено влияние факторов, ограничивающих достижение предельной компрессии.

Наличие на катоде рассеянных магнитных полей даже незначительной величины заметно увеличивает минимальный равновесный диаметр пучка в магнитной системе развертки магникона. В начале параграфа рассмотрены основные источники магнитного поля на катоде. Описаны способы компенсации магнитного поля от этих источников.

В случае согласованного ввода пучка в соленоид мапшкона и отсутствия магнитного поля на катоде минимальный равновесный радиус пучка в магнитном поле соленоида магникона определяется Бриллюэновским радиусом и эффективным поперечным эмиттансом. Непирсовский угол заделки фокусирующего электрода и наличие теплового зазора между катодом и краем фокусирующего электрода, приводят к тому, что уже на катоде эмитируемый пучок имеет ненулевой эффективный поперечный эмиттанс даже в отсутствие теплового разброса поперечных скоростей. Проведенные расчеты показывают, что в нашем случае наибольший вклад в величину эффективного поперечного эмиттанса пучка вносит тепловой разброс скоростей электронов. Рассмотрено также влияние наличия на эмитируемой поверхности катода различного рода неровностей (шероховатостей), которые также могут привести к дополнительному увеличению эффективного поперечного эмит-танса пучка.

При создании пушки подобного типа очень важным является вопрос о том, какие требования должны предъявляться к точности изготовления и юстировки отдельных ее деталей. Чтобы ответить на этот вопрос численно, с помощью программы SAM исследовалась чувствительность таких основных параметров пушки, как ток пучка, компрессия пучка по площади, выходной поперечный эмиттанс электронного пучка к вариации основных геометрических параметров пушки. Результаты этих расчетов представлены в виде графиков. Для наглядности и удобства практического пользования полученными данными часть этих расчетов сведена в таблицу чувствительностей.

В пятом параграфе рассмотрены электрошю-оптические системы для формирования электронных пучков с поперечным размером близким к Брил-люэновскому. Разработанные для 7 ГГц магникона схема электронно-оптической системы, концепция диодной пушки и методика расчета были использованы при разработке и создании других электронно-оптических систем для формирования электронных пучков с предельно малыми поперечными размерами. В первую очередь это относиться к электронно-

оптическим системам для магниконов, так как КПД магниконов существенно зависит от поперечных размеров пучка.

В третьей главе описана конструкция источника электронов для 7 ГГц магникона.

В первом параграфе приведены конструктивные особенности основных узлов источника электронов: модулятора, импульсного повышающего трансформатора, проходного изолятора, диодной пушки, коллектора, вакуумной системы, магнитной системы и системы диагностики пучка.

Второй параграф посвящен экспериментальному исследованию магнитной системы магникона. Описана методика проведения магнитных измерений и конструкция устройств, используемых при проведении этих измерений. Приведены результаты магнитных измерений.

Третий параграф посвящен измерению электрических сигналов. Один из важных параметров при разработке и создании мощного СВЧ-прибора - это его КПД. В связи с этим такие параметры, как ток пучка и ускоряющее напряжение, желательно знать с максимально возможной точностью. Знание этих параметров с максимально возможной точностью оказалось полезным и при экспериментальном исследовании источника электронов для 7 ГГц маг-никона. В данном параграфе приведены принципиальные электрические схемы цепей для измерения ускоряющего напряжения, тока пучка, величины токооседания на устройство для измерения поперечных размеров и т.д. Подробно описаны некоторые конструктивные особенности измерительных цепей. Проведена оценка погрешностей, возникающих при измерении электрических сигналов.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию источника электронов.

В начале главы описаны проблемы, возникшие при выводе источника электронов на проектную мощность. Приведены измеренные формы импульсов ускоряющего напряжения на пушке и тока пучка, приходящего в коллектор, для случая, когда мощность пучка достигает 100 МВт. Показаны зависимости тока пучка и первеанса пушки в зависимости от напряжения на пушке. Приведены результаты измерений по определению минимальной мощности накала, необходимой для получения требуемого тока пучка.

Во втором параграфе описана схема и методика измерения электростатической компрессии пушки путем прожигания пучком отверстия в тонкой металлической пластине. Далее приводится вывод формулы для оценки времени, необходимого для образования отверстия в этой пластине. Согласно этой формуле, время, необходимое для образования отверстия в пластине, изготовленной из танталовой фольги, составляет всего 0.1 мкс, что на порядок меньше времени нарастания ускоряющего напряжения на пушке. Следовательно, образование отверстия в танталовой пластине будет происходить раньше, чем напряжение на пушке достигает номинального значения. Прове-

денные расчеты показывают, что с ростом энергии диаметр пучка в зоне кроссовера уменьшается. Таким образом, диаметр электронного пучка при номинальном напряжении заведомо меньше размера отверстия, прожженного в пластине.

Далее в этом параграфе приводятся экспериментальные результаты, полученные в ходе измерения электростатической компрессии пушки. На рис. 1 приведено увеличенное изображение танталовой пластины с прожженным отверстием, которая была установлена на расстоянии 190 мм от катода. Форма отверстия в пластине свидетельствует о достаточно хорошей аксиальной симметрии пучка. Диаметр отверстия в ней равен приблизительно 4.5 мм, что соответствует электростатической компрессии пучка по площади более 700:1.

Рис. 1. Увеличенное изображение танталовой пластины.

Третий параграф посвящен измерению поперечных размеров пучка в соленоиде магникона.

При проведении измерений поперечных размеров пучка путем прожигания отверстий в металлических пластинах происходит испарение материала мишени, приводящее, с одной стороны, к потере электрической прочности, а с другой - к быстрому отравлению оксидного катода. Помимо того, что этот метод не обеспечивает требуемой точности, он также сопряжён с необходимостью частых развакуумирований для замены мишеней, что делает его малопригодным для исследования пучка в магнитной системе магникона, где необходимо провести большое количество измерений поперечных размеров пучка.

В связи с этим было найдено решение, позволяющее устранить эти недостатки. Суть этого решения в том, чтобы определять поперечные размеры пучка путем определения месторасположения границ пучка. Схема такого устройства для измерения поперечных размеров пучка показана на рис. 2.

Для определения поперечных размеров пучка используются специальные зонды, которые представляют собой графитовые диски со щелью. Ширина щели заведомо больше диаметра пучка. Вращая барабан можно установить нужный графитовый зонд на пути движения пучка. Далее процесс измерения сводится к определению величины перемещения зонда от момента, когда выбранный зонд касается сначала одного края пучка, до момента касания им противоположного края пучка. Вращение барабана осуществляется при помощи привода с шаговым двигателем. Момент касания пучка фиксировался по появлению токооседания на это устройство.

Рис. 2. Схема устройства для измерения поперечных размеров пучка в магнитной системе.

Далее в этом параграфе приведены результаты измерений поперечных размеров пучка в соленоиде магникона, полученные при помощи выше описанного измерительного устройства.

В четвертом параграфе приведены результаты проведения пучка через металлические трубки различного диаметра. В разрабатываемом приборе -

магниконе - пучок должен проходить через резонаторную систему с суммарной длиной ~250 мм и минимальной апертурой 8 мм. Возможность эффективного проведения пучка через такую структуру исследовалась при помощи металлических трубок различного диаметра, устанавливаемых на оси системы вместо измерительных зондов.

В пятом параграфе приведены все основные результаты экспериментального исследования источника электронов. Исходя из приведенных данных, делается вывод о том, что полученный пучок на тот момент времени полностью удовлетворял всем требованиям, предъявляемым к пучку 7 ГГц магни-коном. Таким образом, это позволило перейти к следующему этапу - экспериментальному исследованию самого 7 ГТц магникона.

Пятая глава посвящена оптимизации электронно-оптической системы магникона под новое магнитное поле.

В начале первого параграфа рассматриваются причины, приведшие к необходимости снижения величины магнитного поля в соленоиде магникона. Это снижение привело к увеличению эффективного поперечного размера пучка: увеличилась как величина Брюллиэновского радиуса, так и амплитуда пульсаций огибающей пучка. В связи с тем, что КПД магникона существенным образом зависит от величины поперечного размера пучка, возникла необходимость в оптимизации электронно-оптической системы под новое магнитное поле, так как первоначальная геометрия электронно-оптической системы перестала удовлетворять требованию получения минимального размера пучка.

Во втором параграфе рассматриваются особенности конструкции соленоида магникона, модифицированного под пониженное магнитное поле. Описан более простой метод компенсации поперечного магнитпого поля на оси соленоида. В копце параграфа приведены результаты измерения продольной и поперечной компонент магнитного поля на оси соленоида.

В третьем параграфе приведены результаты численной оптимизации электронно-оптической системы под новое магнитное поле, полученные при помощи программ SuperSAM и BEAM. Основное отличие программы SuperSAM от ранее используемой в том, что при одинаковых вычислительных ресурсах она позволяет более правильно учитывать некоторые эффекты. Так например, применение программы SuperSAM позволило "увидеть" влияние "непирсовского" угла заделки фокусирующего электрода на движение частиц, стартующих с края катода.

При проведении оптимизации электронно-оптической системы предпочтение отдавалось вариантам, требующим минимальных переделок. Поэтому была предпринята попытка достичь желаемых результатов путем подбора новой формы фокусирующего электрода. Основное отличие нового электрода от первоначального состоит в том, что та часть электрода, которая прилегает к катоду, имеет угол, близкий к Пирсовскому. Следующая часть элек-

трода имеет уже другой угол, который меньше Пирсовского. Значение этого угла определялась из соображений получения требуемой величины компрессии пучка. В остальном фокусирующий электрод не претерпел каких-либо существенных изменений.

Однако, одной переделкой фокусирующего электрода не удалось получить минимальных пульсаций электронного пучка в магнитной системе, так как при такой переделке изменилось фокусное расстояние электронной пушки. Для согласования пучка с магнитной системой магникона, пришлось ее отодвинуть на 7.5 мм.

В четвертом параграфе рассмотрено влияние тепловых уходов. После того, как были сформулированы требования к точности изготовлепия и сборки, стало очевидно, что проводимые расчеты тепловых уходов не всегда обеспечивают желаемую точность. Дело в том, что эти расчеты, как правило, основываются на температурном распределении, которое известно лишь приближенно. Улучшить положение могло бы, например, либо непосредственное измерение величин тепловых уходов, либо измерение реального температурного распределения. Однако, в период разработки и создания прибора, проведение каких-либо измерений теплового режима источника электронов не представлялось возможным (для этого необходим, как минимум, действующий источник). Поэтому, когда возникла потребность в проведении оптимизации электронно-оптической системы под новое рабочее магнитное поле, было решено максимальным образом учесть все уже имеющиеся экспериментальные данные по тепловому режиму.

В пятом параграфе приведены результаты измерений поперечных размеров пучка в соленоиде магникона после проведения оптимизации электронно-оптической системы под пониженное магнитное поле. Рассмотрено влияние отклонения центра пучка от оси прибора на результаты измерений поперечных размеров пучка и "качество" формируемого электронного пучка.

В шестом параграфе приведены основные достигнутые результаты, полученные после проведения оптимизации электронно-оптической системы под новое магнитное поле. Из приведенных данных видно, что вновь был получен слабопульсирующий пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому. Это позволило продолжить исследование 7 ГГц магнико-на. Вскоре с этим пучком была достигнута выходная мощность 55 МВт при КПД 56 %, что полностью соответствует проектным параметрам.

В заключении сформулированы научные и практические результаты работы.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Создан 100 МВт импульсный источник электронов для 7 ГГц магникона, в котором была получена рекордная величина компрессии пучка по площади - более 2300:1. В ходе экспериментального исследования источника электронов в магнитной системе мапшкона ( В0 = 4.5 кГс) был получен слабопульсирующий электронный пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому. При этом были достигнуты следующие параметры: эпергия электронов - 433 кэВ; ток пучка - 233 А; диаметр пучка -2.5 мм (Бриллюэновской диаметр - 2 мм); амплитуда пульсаций огибающей пучка - 10 %; плотность тока в пучке - 4.8 кА/см2; плотность мощности в пучке -

2. Получение пучка, полностью удовлетворяющего всем требованиям 7 ГГц мапшкона, позволило приступить к исследованию последнего. В ходе этого исследования на магниконе была достигнута выходная мощность 20 МВт, при эффективности 25 %. Было также установлено, что дальнейшее увеличение эффективности прибора невозможно без снижения ведущего магнитного поля с 4.5 кГс до 3.5-3.8 кГс. После того, как это было сделано, на магниконе была достигнута выходная мощность 30 МВт, при эффективности 35 %. Однако, снижение магнитного поля привело к рассогласованию электронного пучка с магнитной системой и увеличению эффективного поперечного размера пучка. Поэтому дальнейшее увеличение эффективности прибора потребовало провести оптимизацию электронно-оптической системы под новое магнитное поле, так как она перестала удовлетворять требованию получения минимального размера пучка.

3. После проведения оптимизации источника электронов под пониженное магнитное поле вновь был получен слабопульсирующий электронный пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновско-му. При этом были получены следующие параметры пучка: энергия электронов - 420 кэВ; ток пучка - 238 А; диаметр пучка - 2.8 мм (Бриллюэновской диаметр - 2.4 мм); амплитуда пульсаций огибающей пучка -14 %; компрессия пучка по площади - 1800:1; плотность тока в пучке -

плотность мощности в пучке -

4. Пучок, полученный после проведения оптимизации под пониженное магнитное поле, также удовлетворяет всем требованиям, необходимым для работы 7 ГТц мапшкона с высоким КПД. Это позволило продолжить исследование 7 ГТц мапшкона. Вскоре с этим пучком были достигнуты основные проектные параметры: выходная мощность 55 МВт при КПД 56%.

5. Предложена и осуществлена конструкция источника электронов, обеспечившая стабильное получение электронного пучка с рекордными параметрами.

6. Опробован способ компенсации поперечного магнитного поля на оси соленоида путем разворота по азимуту на 180° соседних катушек, из которых он состоит. Предложена и осуществлена конструкция катушек для компенсации внешних магнитных полей в пространстве анод-катод. Опробован способ компенсации магнитного поля соленоида на катоде при помощи компенсирующей катушки.

7. Разработана конструкция простого измерительного устройства и опробована методика, позволяющая многократно проводить измерение поперечного размера мощного электронного пучка с высокой плотностью тока.

8. Разработана и опробована электронно-оптическая схема, позволяющая формировать мощные релятивистские пучки с высокой плотностью тока и с малым поперечным эмиттансом. При этом поперечный размер пучка в магнитной системе близок к пределу, определяемому Бриллюэновским диаметром, а размер катода может в 40-50 раз превышать размер получаемого пучка.

9. Рассмотрены факторы, ограничивающие достижение максимальной компрессии пучка. Произведена оценка требований к точности изготовления и сборки, оценено влияние тепловых уходов на "качество" формируемого

• пучка.

10. Результаты этой работы были успешно использованы при разработке и создании подобных источников электронов для 11.4 ГГц и 34 ГГц магни-конов. Например, устройство для измерения поперечных размеров пучка было взято за основу при создании аналогичного измерителя для 11.4 ГГц магникона.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Electron Optic System for Forming 100MW Beam with High Current Density and Microsecond Pulse Duration for X-Band Magnicon / Y.V. Baryshev, I.V. Kazarezov, ... , I.A. Zapryagaev // Proc. of the Eighth International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS 90), Novosibirsk, USSR, Jule 1990. - World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. - 1991. - Vol. 1. - p. 598603.

2. A 100 MW electron source with extremely high beam area compression / Y.V. Baryshev, I.V. Kazarezov,..., LA. Zapryagaev // NIM. - 1994. - Vol. A340. -p. 241-258.

3. Запрягаев И.А., Казарезов И.В, Козырев Е.В. и др. 100 МВт источник электронов для 7 ГГц импульсного магникона. - Новосибирск: ИЯФ, 1998. - (Препринт / Ин-т ядер, физики им. Г.И. Будкера СО РАН; 98-70).

4. High-Power X-Band Pulse Magnicon / V.E. Acimov, I.V. Kazarezov,..., LA. Zapryagaev // Proceedings of the Second European Particle Accelerator Conference (EPAC 90). - Nice, June 12-16,1990. - Vol.1. - p.1000-1002.

5. The latest experience with 7GHz pulsed magnicon amplifier / E.V. Kozyrev,

1.G. Makarov, ..., LA. Zapryagaev // Proc. of Third Workshop on Pulsed RF Source for Linear Collider (RF96). - Japan, April 1996 (KEK Proceedings 971, April 1997, A). - p.234-242.

6. Kozyrev E.V., Makarov I.G., ..., Zapryagaev LA. 7GHz Pulsed Magnicon: Study and Results // Proc. of Particle Accelerator Conference (РАС 97). -Vancouver, 1997.-Vol. 3. - p. 3114-3116.

7. 7 GHz 55 MW Pulsed Magnicon / E.V. Kozyrev, O.A. Nezhevenko, ..., LA. Zapryagaev // Proc. of the Internatoinal Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, August 1999. - Nizhny Novgorod, 2000. - Vol.

2.-p. 740-746.

ЗАПРЯГАЕВ Игорь Александрович

Исследование 100 МВт источника электронов с высокой компрессией пучка

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 27.04.2004 г. Подписано к печати 30.04.2004 г. Формат 100x90 1/16 Объем 0,9 печ.л., 0,7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 24_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МАГНИКОН

§1.1. Схема и принцип действия 7 ГГц магникона.

§ 1.2. Выбор основных параметров и требования к электроннооптической системе 7 ГГц магникона.

ГЛАВА II. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ

ФОРМИРОВАНИЯ 100 МВТ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ТОКА

§ 2.1. Диодная пушка с высокой электростатической компрессией и повышенной электрической прочностью

§ 2.2. Согласование пучка с магнитной системой магникона.

§ 2.3. Расчет электронно-оптической системы магникона.

§ 2.4. Факторы, ограничивающие достижение предельной компрессии.

§ 2.5. Электронно-оптические системы для формирования электронных пучков с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому.

ГЛАВА III. ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ 7 ГГЦ МАГНИКОНА

§3.1. Конструкция основных узлов источника электронов.

§ 3.2. Экспериментальное исследование магнитной системы магникона.

§ 3.3. Измерение электрических сигналов.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 100 МВТ ПУЧКА

§4.1. Достижение проектной мощности.

§ 4.2. Измерение электростатической компрессии диодной пушки.

§ 4.3. Измерение поперечных размеров пучка в магнитной системе магникона.

§ 4.4. Исследование прохождения пучка через металлические трубки.

§4.5. Достигнутые результаты.

ГЛАВА V. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ МАГНИКОНА

§ 5.1. Необходимость оптимизации электронно-оптической системы магникона.

§ 5.2. Магнитная система магникона под ведущее магнитное поле 3.8 кГс.

§5.3. Расчет электронно-оптической системы.

§5.4. Тепловые уходы.

§ 5.5. Измерение поперечных размеров пучка после модификации электронно-оптической системы магникона.

§ 5.6. Результаты, достигнутые после оптимизации

Дальнейшее повышение энергии электрон-позитронных встречных пучков - одно из основных современных направлений развития в физике высоких энергий. Решение этой задачи при помощи циклических ускорителей встречается со все возрастающими трудностями. В первую очередь это связано с резким ростом потерь энергии ускоряемой частицы на синхротронное излучение.

На сегодняшний день считается, что для достижения электронами энергии в сотни ГэВ и выше целесообразно использовать вместо циклических ускорителей линейные: два линейных ускорителя с высоким темпом ускорения, в которые инжектируются интенсивные пучки электронов и позитронов с чрезвычайно малым фазовым объемом, "стреляют" навстречу друг другу [1].

К настоящему времени существует несколько хорошо разработанных проектов линейных коллайдеров на энергию 0.5-1.0 ТэВ [2, 3]. Основные параметры некоторых наиболее известных проектов приведены в таблице 1 [3]. Для удобства сравнения приведенное в таблице 1 число ^клистрон означает число источников ВЧ-мощности, необходимых для питания ускорителя на энергию 500 ГэВ. Общая особенность для этих проектов заключается в том, что все они предполагают использование многокилометровых линейных ускорителей 10-30 км). Поэтому практическая реализация ускорителей такой длины несомненно будет сталкиваться с серьезными экономическими и техническими трудностями.

Желание иметь как можно меньшую длину ускорителя заставляет стремиться к предельно возможному темпу ускорения. Анализ факторов, ограничивающих предельный темп ускорения, показывает, что ускоряющие структуры, работающие на более высокой частоте, при прочих равных условиях позволяют реализовать более высокий темп ускорения.

Таблица 1

Проект TESLA SBLC JLC NLC TBNLC VLEPP CLIC

F (ГГц) 1.3 2.8 11.4 11.4 11.4 14 30

Е (МВ/м)*1 25 21 73 50 100 100 80

Р (МВт/м)*2 0.21 12.2 100 50 200 120 144

N клистрон*3 604 2517 1660 1968 3938 1400 11233

F поет (Гц) 10 50 150 180 120 300 2530 ускоряющий градиент

2 импульсная ВЧ-мощность на единицу длины ускорителя

3 для JLC и NLC - число систем компрессии ВЧ-мощности, для CLIC - число

Transfer Structure

В [4] показано, что переход на более высокую рабочую частоту с соответствующим повышением темпа ускорения приводит к росту суммарной ВЧ-мощности, необходимой для питания ускоряющих структур. При фиксированной конечной энергии частиц увеличение темпа ускорения означает уменьшение длины ускорителя. Поэтому импульсная ВЧ-мощность на единицу длины растет быстрее, чем суммарная мощность.

Еще одна особенность, присущая всем проектам, - это огромное число источников ВЧ-мощности, необходимых для питания ускоряющих структур (см. таблицу 1). В тоже время максимальное число источников ВЧ-мощности, которое может быть размещено на ускорителе, определяется исходя из надежности и цены всей ВЧ-системы. Это накладывает ограничение на величину выходной мощности отдельного ВЧ-источника снизу. Например, если принять за приемлемое число источников мощности в этих проектах - 2000, то мощность одного ВЧ-источника должна составлять приблизительно 200 МВт на частоте 2.8 ГГц и 500 МВт - на частоте 30 ГГц [4].

Таким образом, желание иметь как можно меньшую длину ускорителя определило основные направления развития СВЧ-энергетики будущих линейных коллайдеров - продвижение в области более высоких частот и мощностей.

Заметим, что продвижение в область более высоких мощностей тенденция более общая и в той или иной степени присущая всем направлениям развития ускорительной техники. Поэтому потребность в мощных, надежных и высокоэффективных источниках ВЧ-мощности будет неуклонно расти.

В качестве источников ВЧ-мощности для питания ускоряющих структур предполагается использовать релятивистские клистроны [5, 6]. Обнаруженные в ходе создания этих приборов возбуждение паразитных мод и ВЧ-пробои в выходном резонаторе долгое время не позволяли достичь заявлявшихся ранее проектных параметров. В настоящее время в этом направлении наблюдается заметный прогресс. В таблице 2 приведены основные параметры клистронов для проектов линейных коллайдеров [3].

Как уже указывалось выше, дальнейшее развитие источников ВЧ-мощности для питания будущих линейных коллайдеров - это продвижение в область более высоких частот и мощностей. Однако, в ближайшее время ожидать этого для клистронов не следует. Об этом свидетельствует и тот факт, что на сегодняшний день полностью отсутствуют публикации о том, что планируются или ведутся работы по созданию либо клистронов с выходной мощностью более 150 МВт, либо мощных клистронов, работающих на частотах выше 14 ГГц. Об этом же говорит и то, что в последнее время интенсивно ведутся работы по созданию систем компрессии ВЧ-мощности [7, 8], которые позволяют несколько снизить остроту проблемы увеличения выходной мощности отдельного прибора.

Создавшаяся ситуация инициировала поиск новых источников ВЧ-мощности, пригодных для питания ускорителей. К таким источникам следует отнести, например, использование вспомогательных линейных укорителей для ВЧ-питания основного ускорителя (проекты TBNLC [3, 10] и CLIC [3, 11]).

Таблица 2

Проект TESLA SBLC JLC NLC VLEPP

Частота, ГГц 1.3 2.8 11.4 11.4 14

Проектная мощность, МВт 7.1 150 135 50 150

Достигнутая мощность, МВт 5.0 150 96/50 67/55 60

Проектная длительность импульса, МКС 1314 2.8 0.5 1.2 0.5

Достигнутая длительность импульса, мкс 2010 3 0.1/0.2 0.05/1.5 0.7

Напряжение, кВ 110 575 600 455 1000

Микропервеанс 0.5 1.2 1.2 0.6 0.25

Другим альтернативным источником ВЧ-мощности для линейных кол-лайдеров может стать магникон - прибор в котором модуляция пучка осуществляется путем круговой развертки [12]. Идея создания приборов с круговой разверткой пучка (гироконов) была предложена академиком Г.И. Будкером в 1967 году. На первом гироконе, созданном в 1970 году, был получен рекордный электронный КПД (около 90 %). Исследования этого тестового гирокона позволили создать два гирокона для электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4: 180 МГц гирокон непрерывного действия, предназначенный для питания ускоряющих резонаторов ВЭПП-4 [13] и импульсный 430 МГц гирокон для питания сильноточного линейного ускорителя [14]. Созданный в 1978 году импульсный гиракон надежно работает по настоящее время.

Дальнейшие попытки усовершенствовать гирокон, привели к появлению нового источника ВЧ-мощности с круговой разверткой пучка - магникона. В магниконе удалось снять часть ограничений, присущих гироконам, и при этом сохранить высокий КПД. Первый магникон [15] был создан в середине 80-х годов в качестве прототипа прибора, работающего в непрерывном режиме. В качестве прототипа источников ВЧ-мощности для линейных кол-лайдеров в ИЯФ СО РАН предложен, разработан и испытан 7 ГГц магникон [16, 17]. Это СВЧ-усилитель работающий в режиме удвоения входной частоты. В таблице 3 приведены основные параметры, достигнутые на наиболее известных приборах с круговой модуляцией пучка.

Для магниконов, работающих в режиме усиления СВЧ-сигнала (915 МГц магникон), наличие пролетного пространства между магнитными системами устройства развертки и выходного резонатора, приводит к необходимости использовать низкопервеансные пучки. В 7 ГГц магниконе сплошное магнитное сопровождение (отсутствие пролетного пространства) позволило не только существенно продвинуться в область более высоких рабочих частот, но и на порядок увеличить первеанс пучка, сделав его близким к первеансу пучков, используемых в мощных клистронах. Проведенный анализ новой схемы магникона (удвоителя частоты) показывает возможность создания прибора с мощностью 300-1000 МВт, работающего в сантиметровом диапазоне длин волн [18].

Успех, достигнутый на 7 ГГц магниконе, стимулировал создание еще двух магниконов: 11.4 ГГц магникон, работающий в режиме удвоения входной частоты [19] и 34 ГГц магникон, работающий в режиме утроения входной частоты [20]. На сегодняшний день 11.4 ГГц магникон создан и находится в стадии вывода на проектные параметры, а 34 ГГц магникон полностью разработан и сейчас находится в стадии изготовления. В таблице 4 приведены основные проектные параметры этих трех магниконов.

Таблица 3

Прибор Гирокон Магникон Магникон (удвоитель)

Выходная частота 0.43 ГГц 0.915 ГГц 7.0 ГГц

Входная частота 0.43 ГГц 0.915 ГГц 3.5 ГГц

Выходная мощность 65 МВт 2.6 МВт 55 МВт

Коэффициент усиления 26 дБ 30 дБ 72 дБ

Электронный КПД 75% 85% 56%

Мощность пучка 86.4 МВт 3.6 МВт 98.2 МВт

Ускоряющее напряжение 1600 кВ 300 кВ 427 кВ

Ток пучка 54 А 12 А 230 А

Длительность импульса 11.5 мкс 30 мкс 1.1 мкс

Частота повторения 1 Гц 2 Гц 2 Гц

Одна из особенностей приборов с круговой модуляцией пучка состоит в том, что их эффективность существенно зависит от поперечного размера пучка [21, 22]. В таблице 4 приведен расчетный КПД и максимальный диаметр пучка, при котором достигается указанный КПД.

В 7 ГГц магниконе для достижения КПД более 50 % диаметр пучка на входе в систему развертки не должен превышать 3 мм [22, 23]. В этом случае средняя плотность тока пучка составляет 3.3 кА/см2, что более чем на два порядка превышает максимальную плотность тока, отбираемую с лучших современных термокатодов. Это означает, что для работы 7 ГГц магникона необходима электронно-оптическая система (ЭОС) с высокой степенью компрессии пучка.

Таблица 4

Лаборатория ИЯФ NRL/ Omega-P Omega-P

Выходная частота 7.0 ГГц 11.424 ГГц 34.273 ГГц

Входная частота 3.5 ГГц 5.712 ГГц 11.424 ГГц

Выходная мощность 50-60 МВт 66 МВт 45 МВт

Коэффициент усиления 50 дБ 62 дБ 55 дБ

Электронный КПД 50-60 % 63% 45 %

Мощность пучка 100 МВт 105 МВт 100 МВт

Ускоряющее напряжение 430 кВ 500 кВ 500 кВ

Ток пучка 235 А 210 А 200 А

Диаметр пучка 2.5-3 мм 1.5 мм 0.8 мм

Длительность импульса 2 мкс 1 мкс 1.5 мкс

Частота повторения 2 Гц 10 Гц 10 Гц

С другой стороны, практический опыт создания СВЧ-приборов, пригодных для питания ускорителей, показывает, что уровень максимальной достигнутой мощности с ростом частоты уменьшается [4]. Такая зависимость величины предельной мощности от частоты связано с тем, что для сохранения эффективной работы этих приборов, с ростом частоты необходимо также уменьшать поперечные размеры пучка. Как правило, это достигается за счет снижения первеанса, что при фиксированном ускоряющем напряжении приводит к уменьшению мощности прибора.

Таким образом, проблема создания электронно-оптической системы с высокой степенью компрессии пучка не является сугубо специфической только для 7 ГГц магникона. Желание работать на все более высоких частотах и с большей ВЧ-мощностью, приводит к необходимости использовать электронные пучки со все меньшими поперечными размерами и большей мощностью. Так как повышение мощности за счет увеличения напряжения на практике имеет ограничение, а эмиссионная способность катодов также ограничена, то, начиная с какого-то момента, неизбежно возникает необходимость в сжатии электронного пучка.

Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование 100 МВт источника электронов с экстремально высокой плотностью тока и получение электронного пучка, пригодного для работы 7 ГГц магникона с высокой эффективностью.

Основным научным результатом работы является исследование, разработка и создание ЭОС, позволяющей формировать мощные релятивистские электронные пучки с плотностью тока на выходе на несколько порядков превышающей плотность тока с катода. При этом распределение плотности тока по сечению пучка достаточно однородно, а поперечный размер определяется, в основном, объемным зарядом [24]. Входящая в состав ЭОС диодная пушка имеет рекордную величину электростатической компрессии пучка.

Практическая ценность. Разработан и создан источник электронов, позволяющий получить в магнитной системе магникона с оксидного катода диаметром 120 мм 100 МВт электронный пучок (430 кВ, 235 А) с поперечным размером менее 3 мм. При этом полученный пучок полностью отвечает всем требованиям, необходимым для работы 7 ГГц магникона с высоким КПД. Это дало возможность провести полное экспериментальное исследование прототипа источника ВЧ-мощности для линейных коллайдеров - 7 ГГц магникона.

Сегодня на 7 ГГц магниконе с этим пучком получены проектные параметры выходная мощность 55 МВт при КПД 56 % [17].

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. 100 МВт источник электронов 7 ГГц магникона, в котором: а) в диодной пушке использован сферический оксидный катод большого размера (диаметром 120 мм и радиусом кривизны 100 мм); б) основное сжатие пучка осуществляется за счет электростатической компрессии диодной пушки; в) катод экранирован от магнитного поля соленоида магникона; г) на выходе получается слабо пульсирующий пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому.

2. Результаты расчетов и проектирования: расчет магнитных полей соленоида (внутри и снаружи); расчет динамики пучка в ускоряющем зазоре диодной пушки и магнитной системе; расчет динамики пучка вблизи кроссовера (в отсутствие магнитной системы); расчет влияния погрешности изготовления деталей ЭОС на достижение основных проектных параметров; анализ факторов препятствующих достижению высокой компрессии.

3. Конструктивная схема источника электронов, включающая модулятор, импульсный повышающий трансформатор, диодную пушку, магнитную систему магникона и коллектор.

4. Устройство для измерения поперечных размеров электронного пучка с высокой плотностью тока.

5. Результаты экспериментального исследования 100 МВт источника электронов, показавшие возможность получения слабо пульсирующего электронного пучка, с поперечным размером близким к Бриллюэновскому.

6. Результаты оптимизации ЭОС, включающие в себя: модификацию соленоида магникона; результаты численной оптимизации; исследование влияния тепловых уходов, возникающих при нагреве катодного узла, на "качество" формируемого электронного пучка; исследование влияния отклонения центра пучка от оси прибора на точность измерения поперечных размеров пучка.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертации описаны результаты разработки и экспериментального исследования источника электронов для 7 ГГц магникона - прототипа альтернативного источника ВЧ-мощности для будущих линейных коллайдеров. В процессе работы получены следующие основные результаты:

1. Создан 100 МВт импульсный источник электронов для 7 ГГц магникона, в котором была получена рекордная величина компрессии пучка по площади

- более 2300:1. В ходе экспериментального исследования источника электронов в магнитной системе магникона (В0 = 4.5 кГс) был получен слабопульсирующий электронный пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому. При этом были достигнуты следующие параметры: энергия электронов - 433 кэВ; ток пучка - 233 А; диаметр пучка - 2.5 мм (Бриллюэновской диаметр - 2 мм); амплитуда пульсаций огибающей пучка

- 10 %; плотность тока в пучке - 4.8 кА/см2; плотность мощности в пучке — 2.1 ГВт/см2.

2. Получение пучка, полностью удовлетворяющего всем требованиям 7 ГГц магникона, позволило приступить к исследованию последнего. В ходе этого исследования на магниконе была достигнута выходная мощность 20 МВт, при эффективности 25 %. Было также установлено, что дальнейшее увеличение эффективности прибора невозможно без снижения ведущего магнитного поля до с 4.5 кГс до 3.5-3.8 кГс. После того, как это было сделано, на магниконе была достигнута выходная мощность 30 МВт, при эффективности 35 %. Однако, снижение магнитного поля привело к рассогласованию электронного пучка с магнитной системой и увеличению эффективного поперечного размера пучка. Поэтому дальнейшее увеличение эффективности прибора потребовало провести оптимизацию ЭОС под новое магнитное поле, так как она перестала удовлетворять требованию получения минимального размера пучка.

3. После проведения оптимизации источника электронов под пониженное магнитное поле (50 = 3.8 кГс) вновь был получен слабопульсирующий электронный пучок с поперечным размером, близким к Бриллюэновскому. При этом были получены следующие параметры пучка: энергия электронов - 420 кэВ; ток пучка - 238 А; диаметр пучка - 2.8 мм (Бриллюэновской диаметр — 2.4 мм); амплитуда пульсаций огибающей пучка - 14 %; компрессия пучка по площади - 1800:1; плотность тока в пучке - 3.9 кА/см2; плотность мощности в пучке - 1.6 ГВт/см2.

4. Пучок, полученный после проведения оптимизации под пониженное магнитное поле, также удовлетворяет всем требованиям, необходимым для работы 7 ГГц магникона с высоким КПД. Это позволило продолжить исследование 7 ГГц магникона. Вскоре с этим пучком были достигнуты основные проектные параметры: выходная мощность 55 МВт при КПД 56 %.

5. Предложена и осуществлена конструкция источника электронов, обеспечившая стабильное получение электронного пучка с рекордными параметрами.

6. Опробован способ компенсации поперечного магнитного поля на оси соленоида путем разворота по азимуту на 180° соседних катушек, из которых он состоит. Предложена и осуществлена конструкция катушек для компенсации внешних магнитных полей в пространстве анод-катод. Опробован способ компенсации магнитного поля соленоида на катоде при помощи компенсирующей катушки.

7. Разработана конструкция простого измерительного устройства и опробована методика, позволяющая многократно проводить измерение поперечного размера мощного электронного пучка с высокой плотностью тока.

8. Разработана и опробована электронно-оптическая схема, позволяющая формировать мощные релятивистские пучки с высокой плотностью тока и с малым поперечным эмиттансом. При этом поперечный размер пучка в магнитной системе близок к пределу, определяемому Бриллюэновским диаметром, а размер катода может в 40-50 раз превышать размер получаемого пучка.

9. Рассмотрены факторы, ограничивающие достижение максимальной компрессии пучка. Произведена оценка требований к точности изготовления и сборки, оценено влияние тепловых уходов на "качество" формируемого пучка.

Ю.Результаты этой работы были успешно использованы при разработке и создании подобных источников электронов для 11.4 ГГц и 34 ГГц магнико-нов. Например, устройство для измерения поперечных размеров пучка было взято за основу при создании аналогичного измерителя для 11.4 ГГц магникона.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю, к.т.н. Козыреву Евгению Владимировичу за обсуждение основных вопросов, изложенных в диссертации, и руководство работой.

Автор искренне благодарит Казарезова И.В., Кузнецова Г.И., Матя-ша Н.В., Мякишева Д.Г., Нежевенко О.А., Никифорова А.А., Персова Б.З., Тиунова М.А., Яковлева В.П., за длительное полезное сотрудничество и непосредственную помощь в работе.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам Института, принимавшим участие в конструировании, создании и запуске источника электронов: Акимову В.Е, Барышеву Ю.В, Беловой Л.Л., Макарову И.Г., Маяцкому А.С., Мелеховой Р.В., Острейко Г.Н., Сердобенцеву Г.В., Степанову В.В., Татарникову Н.Ф., Шамшурину С.В., Эстрину Б.С., Якубову С.В.

1. Балакии В.Е., Будкер Г.И., Скрииский А.Н. О возможности создания установки со встречными электрон-позитронными пучками на сверхвысокие энергии // Труды V1.Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. - Дубна, 1979. - Т. 1. - С. 27-34.

2. G.A. Loew, ed., International Linear Collider Technical Review Committee Report, 1995; available as SLAC-R-95-471, SLAC, Stanfort, CA (1995).

3. Koji Takata Introductory Remarks // Proceedings of Third Workshop on Pulsed RF Sourcer for Linear Colliders (RF96). Hayama, Japan, 1996. - P. 1-7.

4. Palmer R.B. Linear Collider RF: Introduction and Summary // AIP Conference Proceedings 337 (RF94). Montauk, USA, 1994. - P. 1-15.

5. Caryotakis G. Multimegawatt RF power sources for linear colliders // Cof. Rec. of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference. San Francisco, USA, 1991. -Vol. 5.-P. 2928-2932.

6. Vlieks A. RF Power Sources // Proceedings of the Third International Workshop on Linear Colliders (LC91). Protvino, USSR, 1991. - Vol.2. - P. 3-43.

7. Lavine T.L. RF Pulse Compression in the NLC Test Acceleration at SLAC // AIP Conference Proceedings 337 (RF94). Montauk, USA, 1994. - P. 283-292.

8. Wilson P.B. RF Pulse Compression for Future Linear Collider // Ibid. P. 293302.

9. Gyroklystron Development at the University of Maryland / W. Lawson, B. Ho-gan, J. Cheng e. a. // Proceedings of Third Workshop on Pulsed RF Sourcer for Linear Colliders (RF96). Hayama, Japan, 1996. - P. 225-233.

10. RK-TBA Prototype RF Source / T. Houck., D. Anderson, S. Eylon e. a. // Ibid. -P. 339-349.

11. Thorndahl L. Two 352 MHz Push Pull Linac Pairs to Generate two Drive Beams for CLIC Multibunch Operation // Ibid. P. 333-338.

12. Nezhevenko О.A. The Magnicon: a New RF Power Source for Linear Colliders // Cof. Rec. of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference. San Francisco, USA, 1991. - Vol. 5. - P. 2933-2942.

13. Источник позитронов для накопителя ВЭПП-4 / Г.И. Будкер, С.Б. Вассер-ман, И.Г. Вещеревич и др. // Там же. С. 280-283.

14. Магникон / М.М. Карлинер, Е.В Козырев, И.Г. Макаров и др. // Релятивистская высокочастотная электроника: Материалы V Всесоюзного семинара (Новосибирск, 5-7 мая, 1987). Горький, 1988. - С. 141-162.

15. High-Power X-Band Pulse Magnicone / V.E. Acimov, , ., I.A. Zapryagaev // Proceedings of the Second European Particle Accelerator Conference (EPAC 90).-Nice, June 12-16, 1990.-Vol.1.-P. 1000-1002.

16. GHz 55 MW Pulsed Magnicon / E.V. Kozyrev, O.A. Nezhevenko, ., I.A. Zapryagaev // Proc. of the Internatoinal Workshop on Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, August 1999. Nizhny Novgorod, 2000. — Vol. 2. — P. 740-746.

17. The Magnicon an Advanced Version of the Gyrocon / M.M. Karliner., E.V. Kozyrev e. a. // NIM. - 1988. - Vol. A269 - P. 459-473.

18. A 100 MW electron source with extremely high beam area compression / Y.V. Baryshev, I.V. Kazarezov, . , I.A. Zapryagaev // NIM. 1994. - Vol. A340. -P. 241-258.

19. The latest experience with 7GHz pulsed magnicon amplifier / E.V. Kozyrev, I.G. Makarov, ., I.A. Zapryagaev // Proc. of Third Workshop on Pulsed RF Source for Linear Collider (RF96). Japan, April 1996 (KEK Proceedings 97-1, April 1997, A).-P.234-242.

20. Nezhevenko O.A., Yakovlev V.P. Limitation on Area Compression of Beams from Pierce Guns // High Energy Density Microwaves, Pajaro Dunes, California, October 1998. AIP Conference Proceedings, Woodbury, New York, 1999. - P. 316-326.

21. Элементы электронно-оптической системы ускорителя ЭЛИТ-Л2 / В.Е. Ба-лакин, В.М. Долгушин, И.В. Казарезов и др. Новосибирск: ИЯФ, 1978.-(Препринт / Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 84-78).

22. Тиунов М.А. Разработка и численное исследование электронно-оптической системы формирования мощного пучка электронов высокой плотности для магникона сантиметрового диапазона: Дис. на соиск. учен, степени канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 1993.

23. Абдульманов В.Г., Колокольников Ю.М., Мешков И.Н. и др. Электронно-оптическая система источника многозарядных ионов ИМИ-1 // Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1987.-Т. 2.-С. 79-83.

24. Lee T.G. Some Desing Consideration for a 100 MW X-band Klystron // Proceedings of International Workshop on Next Generation Linear Colliders. -Stanford, 1988.

25. Mizuno H., Odagiri J. and Higo T. X-band Klystron Diode Test for Japan Linear Collider (JLC).- Tsukuba, KEK, 1989.- (Preprint/ KEK; 89-114).

26. Кирштейн П.Т., Кайно Г.С., Уотерс У.Е. Формирование электронных пучков. -М: Мир, 1970.

27. Кузнецов Г.И., Тиунов М.А., Яковлев В.П. Диодная пушка с высокой компрессией пучка и повышенной электрической прочностью. — Новосибирск: ИЯФ, 1989. (Препринт / Ин-т ядер, физики им. Г.И. Будкера СО РАН; 89161).

28. Пирс Дж. Р. Теория и расчет электронных пучков: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1956.

29. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. — М.: Наука, 1982.

30. Молоковский С.И., Сушко А.Д., Интенсивные электронные и ионные пучки. М.:Энергоатомиздат, 1991. - 304с.

31. Тиунов М.А., Фомель Б.М., .Яковлев В.П. SAM интерактивная программа для расчета электронных пушек на мини ЭВМ. — Новосибирск: ИЯФ, 1989.- (Препринт / Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 89-159).

32. Рошаль А.С. Моделирование заряженых пучков. — М.: Атомиздат, 1979.

33. Lomax R.J. The Effect of the Inclination of the Focusing Electrodes on Electron Beam Formation // Jounal Electronics and Control. 1959. - Vol.6, № 1.

34. Project of 2856 MHz 80 MW Pulsed Magnicon an efficient rf Source for Linear Colliders / E.V. Kozyrev, G.I. Kuznetsov,., I.A. Zapryagaev // Proc. of the XVII Workshop on Charged Particle Accelerators, Protvino Russia, October 16, 2000, to be published.

35. Ицхоки Я. С. Импульсные устройства. М.: Советское радио, 1959. - 728 с.

36. Вассерман С.Б., Казарезов И.В. и др., Высоковольтный емкостной импульсный накопитель энергии. Новосибирск: ИЯФ, 1980. - (Препринт / Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 80-219).

37. Пискунов Г.С., Тарарышкин С.В., Двадцатичетырехразрядная ЭВМ в стандарте КАМАК. // Автометрия. 1986. - № 4. - С.32-38.

38. Батраков A.M., Козак В.Р., Кругляков М.Э. Регистраторы формы импульсных сигналов серии "S". АЦП 101SK, АЦП 850SK. Новосибирск: ИЯФ, 1988. - (Препринт / Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 88-98).

39. Белов А.Н., Козырев Е.В., Кузнецов Г.И. и др. Источник электронов импульсного магникона. Новосибирск: ИЯФ, 1988. - (Препринт / Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 88-66).

40. Кухлинг X. Справочник по физике / Пер. с нем. под ред. Е. М. Лейкина. -М.: Мир., 1983.-519 с.

41. Тормозная способность электронов и позитронов: Доклад 37 МКРЕ/ под ред. И.Б. Кеирим-Маркуса, М.: Энергоатомиздат, 1987.

42. Протопопов Г.М., Чудаев В.Я. Защита от тормозного излучения электронных ускорителей с энергией 0.5-ЗМэВ.- Новосибирск: ИЯФ, 1987.- (Препринт / Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 87-i 15).

43. Gold S.H., Kinkead А.К., Nezhevenko O.A., e. a. System for Measuring the of High-Current Density Solid Electron Beams // IEEE Transactions on Plasma Science, June 2000. Vol.28, №3. - P. 665-670.

44. Мешков И.Н., Чириков Б.В. Электромагнитное поле / под ред. акад. А.Н. Скринского. Новосибирск: Наука., 1987. - Ч. 1.-271 с.

45. Nezhevenko О. 7GHz Pulsed Magnicon // AIP Conference Proceedings 337 (RF94). Montauk, USA, 1994. - P. 174-183.

46. Kuznetsov G.I. A 120mm Oxide Cathode for Dismountable Vacuum System // Proc. of Third Workshop on Pulsed RF Source for Linear Collider (RF96). Japan, April 1996 (KEK Proceedings 97-1, April 1997, A). - P.262-268.

47. Kozyrev E.V., Makarov I.G.,., Zapryagaev I.A. 7GHz Pulsed Magnicon: Study and Results // Proc. of Particle Accelerator Conference (РАС 97). Vancouver, 1997.-Vol. 3.-P. 3114-3116.