Исследование секции ЛУ протонов методом импульсного электронного моделирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

рте

, О ©И '3®

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО - ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КОЗЛЮК ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 621.384.

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕКЦИИ ЛУ ПРОТОНОВ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

0.1.04.20 - физика пучков заряяенных т-1стщ

На правах рукописи

и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992 г

Работа выполнена б Институте химической кинетики и горения Сибирского отделения РАН

Научный руководитель - кандидат техничас-.ких наук В.В.Перов

Официальные оппоненты - доктор технических наук

I,!. А. Завьялов - кандидат технических наук В.А.Останин

Ведущее предприятие - Московский Радиотехнический институт

РАН

Защита состоится "_"_199_г. в _час._мин.

в ауд. на заседании специализированного совета

К-053.03.07 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, 31,

тел.: 324-84-98.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан

■•-Г- ОА&иЛ 199 3 ]

Ученый секретарь специализированного совета А.В.Нестерович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблеш. и .состояние вопроса. В резонансных линейных ускорителях протонов одной яз наиболее значимых систем является ускоряющая секция. Ее параметры во многом, оцределяют эффективность самого ускорителя. Поэтому ваяным этапом при его создания является исследование рабочих характеристик секции. В Институте химической кинетики и горения СО РАН для ЛУ протонов на обратной волне была разработана и создана новая ускоряющая секция УС-85, расчитанная на ток инжекцин, равный ~ 0,1 А. В целях повышения коэффициента захвата ускорителя в динамику движения частиц УС-85 на участка группирования заложен относительно невысокий темп ускорения (~0,35 МэВ/м), Несомненно,представляет интерес экспериментальное исследование этой секции при интенсивной нагрузке пучком, что до сих пор не было осуществлено. УС-85 представляет собой распределенную в пространстве динамическую систему со встречным направлением потоков ВЧ энергии к ускоряемых частиц. Такое же встречное направление потоков определяет физический принцип работы ЛОВ л ускоряющих систем с рекуперацией ВЧ энергии. Известно, что в этих устройствах при значительных токах инлекции возникает автокодуляция пучка. Следовательно, при интенсивной нагрузке пучком секции УС-85 з ней, так же как в лампах и рекуператорах, возможны автоколебательные процессы. При импульсной модуляции пучка и ВЧ мощности в ЛУ имеют место переходные процессы, которые ухудшают форму импульса тока пучка, снижают КПД ускорителя.'Разработка простых и эффективных методов исследования и создание экспериментальных установок, предназначенных для изучения нестационарных процессов,являются важными задачами. Таким образом, актуальность проблемы заключается в разработке методик, создании установок и осуществлении экспериментального исследования нагруженной секции ЛУ протонов на основе выполненных разработок.

Цель работа. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование методом импульсного электронного моделирования нестационарных процессов в нагруженной секции линейного ускорителя протонов на обратной волне, а также

определенна ее токо-энергетических характеристик в широком диапазоне значений параметров шшекцаонной, высокочастотной и фокусирующей систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана импульсная методика электронного моделирования;

- создана экспериментальная установка - импульсная электронная модель ЛУ;

- впервые в секции ЛУ на обратной волне экспериментально обнаружены автоколебания ускоренного тока пучка, дано объяснение физического механизма этого явления, экспериментально определены области устойчивой работы секции УС-85;

- проведена оптимизация длительности переходного процесса при выводе секции ЛУ на стационарный режим;

- методом импульсного электронного моделирования определены токо-энергетические .характеристики секции УС-85;

- разработана и реализована "горячая" методика измерения относительной амплитуды электрического поля ускоряющей гармоники коротких участков секции переменного шага с длительным взаимодействием частиц и волны, обладающей отрицательной дисперсией, где Е - ускоряющее поле, Р - ВЧ мощность.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в разработке "горячих" методов исследования секции ЛУ протонов на обратной волне, основанных на импульсной модуляции потоков частиц и ВЧ мощности, в создании экспериментальной установки - импульсной электронной модели ЛУ„. С использованием этих методик проведено экспериментальное исследование начального участка секции УС-85. Обнаружено новое для ЛУ на обратной волне явление - автоколебания ускоренного тока пучка. Экспериментально определены области устойчивой работы секции этого ускорителя.

Агообащм работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждалась на 9, II и 12 Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям заряженных частиц (г. Харьков, 1985, 1989 и 1991 г.), на конкурсах научных работ ИШГ СО РАН (г.Новосибирск, 1985, 1990 и 1991 г.).

Публикация. Основные результаты диссертации содержатся в 7-и печатных работах и опубликованы в журналах "Письма

в Ш", "Приборы и техника эксперимента", "Электронная техника", сборниках "Вопросы атомной науки и техники", а таюхе в материалах Всесоюзных семинаров. По материалам диссертации получено два авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Общий объем работы составляет 139 страниц, она содержит 53 рисунка и 4 таблицы. Список датируемой литературы составляет 82 наименования.

В первой главе дано описание импульсной методики электронного моделирования и экспериментальной установки - импульсной электронной модели ЛУ, на которой получены основные результаты настоящей работы. Представлена блок-схема установки, подробно изложены ее узлы, приведены их параметры.

Во второй главе приводится краткое описание ускоряющей секции УС-85 ЛУ протонов на обратной волне, приведены ее основные ВЧ характеристики. Представлен экспериментальный материал, показывающий возможность возникновения автоколебаний пучка в секции. Дано объяснение физического механизма этого явления. Приводятся области значений параметров инфекционной и высокочастотной систем, в которых наблюдается устойчивое ускорение частиц. Предложена оптимальная по длительности переходного процесса временная диаграмма работы секции ускорителя на обратной волне.

В третьей главе приведены результаты исследования секции УС-85 методом импульсного электронного моделирования. Представлены токо-энергетнческие характеристики при интенсивной нагрузке током зшжекции. Получены предельные значения ускоренных токов пучка при токах инкекции до 1,6 А. Измерены значения КЦЦ секции.

Последняя (четвертак глава посвящена изложению импульсной методики зондирования электронным пучком секции переменного шага с длительным взаимодействием частиц и волны, обладающей отрицательной дисперсией. Целью этого зондирования является определение относительной амплитуды электрического поля ускоряющей гармоники в любом сечении секции после ее сборки. Представлены результаты измерения этой величины для секции УС-85, проведено сравнение с результатам, полученными методом возмущений.

Автор защищает:

1. "Горячие" методики исследования секции ЛУ протонов на обратной волне, основанные на импульсной модуляции потоков частиц и ВЧ мощности.

2. Экспериментальную установку-импульсную электронную модель

ЛУ.

3. Результаты исследования автоколебаний тока пучка,впервые экспериментально обнарукенных в секции ЛУ на обратной волне.

4. Результаты исследования секции УС-85 методом импульсного электронного моделирования, в том числе результаты оптимизации длительности переходного процесса при выводе секции на стационарный режим.

Содержание работы

При разработке и создании секции ЛУ протонов на большой уровень средней мощности значительный интерес представляет их исследование при больших токовых нагрузках пучком. При помощи метода полномасштабного электронного моделирования монно оперативно и относительно просто провести экспериментальное исследование секции ЛУ. Однако моделирование ускорителей с энергиями инжекции до ~ I МэВ, что соответствует энергиям инжекции для электронов до 500 эВ, часто сопряжено с наличием в этих моделях "паразитного" эффекта - существенной нестабильности выходного тока, возникающей при длительной работе с непрерывным электронным пучком. В электронных моделях обычно используют непрерывные потоки частиц, поэтому этот эффект является значительным препятствием на пути увеличения интенсивности тока зондирующего пучка в секции ЛУ.

В работе объяснен механизм, ограничивающий величину тока инаекцш; низковольтного пучка в электронной модели. Ухудшение токопропускания канала секции происходит вследствие электростатического запирания пучка зарядами, осевшими на непроводящих пленках, образующихся на стенках этого канала. Планки - это, в основном, результат напыления продуктов разложения оксидного покрытия раскаленного катода и осавдения продуктов диссоциации паров вакуумного масла.

Вследствие частичного токоосавдения электронов происходит накапливание заряда на этих пленках, приводящее к нестабильности выходного тока пучка.

Разработана импульсная методика электронного моделирования, позволяющая избежать "паразитного" эффекта запирания пучка. Оказалось, что при длительности импульсов тока пучка ~ 10 мкс и скважности ~ 10^ устраняется нестабильность выходного тока и появляется возможность обеспечить интенсивную нагрузку секции током инжекции.

Эта методика реализована на специально разработанной экспериментальной установке - импульсной электронной модели ЛУ. При ее создании был решен ряд ключевых вопросов.

1. В моделировании используются микроамперные пучки прямоугольной формы с крутыми фронтами ( ~ 20 не), Достаточно сложно обеспечить их измерение без ухудшения временных параметров обычными радиотехническими способами. Применение вторично-электронного умножителя ВЭУ-1 в качестве первичного усилителя электронного пучка успешно решает поставленную задачу.

2. Другая проблема возникает при проводке низковольтного электронного пучка на большой длине (~ I м) ив малой апертуре УС (~3 мм) при фокусирующих полях ~40 Гс, соответствующих рабочим полям ускорителя-прототипа. В этой области полей траектории движения частиц оказываются чрезвычайно чувствительными к влиянию "паразитных" полей, наведенных окружающими магнитными массами. В результате тщательного проведения комплекса работ по компенсации удалось достичь нейтрализации поперечных полей, возмущающих траекторию пучка, до уровня ~0,02 Гс, при котором решается проблема проводки.

Рассмотрим последовательность проведения этих работ. Разделим поля на две пространственные составляющие компоненты: однородную и неоднородную. Первая компонента обусловлена однородным полем Земли. Ее легко скомпенсировать при помощи системы контуров, подобных катушкам Гельмгольца. Другая компонента поля наведена окружающими магнитными массами. Она имеет неоднородную пространственную структуру. Ее можно скомпенсировать при помощи большого числа отдель-

ных катушек,ориентированных в пространстве таким образом, что моменты этих катушек нейтрализуют неоднородности магнитного поля. Измерение скомпенсированных Катай проводилось при помощи подвижного датчика магнитных силовых линий, разработанного в ИЯФ СО РАН. Датчик представляет собой кольцевой диполь-ный магнит диаметром ~ 8 мы, закрепленный на карданных подвесах таким образом, что он ыояет свободно вращаться в трех измерениях. На одном из торцов этого магнита закреплено зеркальце, на которое направлен луч лазера, ориентированный вдоль оси системы. Отраженный луч попадает на'экран. По перемещению зайчика на экране можно судить о величине поперечных магнитных палей. Окончательная проверка качества компенсации осуществлялась визуально трассировкой электронного пучка при помощи подвижного экрана, покрытого люминофором.

Приведена блок-схема импульсной.электронной модели. Дано подробное описание ее узлов. Основные параметры экспериментальной установки приведены в таблице I.

Таблица I

1. Длина модели 1200 мм

2. Внутренний диаметр вакуумного объема 250 мм

3. Напряжение инаекции 100 - 1000 В

4. Ток пучка . 0 - 900 мкА

5. Мощность ВЧ питания 0- 700 мВт

6. Напряженность фокусирующего поля 0 - 200 Гс

7. Длительность импульсов тока пучка

и Ш мощности не менее 50 не

8. Временное разрешение системы диагностики 20 не

В настоящее время создана усовершенствованная установка, предназначенная для моделирования секций длиной до 3-х метров.

В работе исследовался начальный участок секции УС-85 длиной ~ 0,7 м, в котором осуществляется группирование и доускорение частиц до энергии ~ 0,9 МэВ. Проектные параметры этого участка ускорителя прототипа и его электронной модели приведены в таблице 2.

Таблица 2

Наименование параметра Расчетные секции ускорителя-прототипа параметры электронной модели

I. Длина, Ь 0,7 м 0,7 м

2. Энергия ишкекщш, Лл/инж 385 кэВ 210 эВ

3. Выходная энергия, ^вых 890 кэВ 486 эВ

4. Ток иняекции, /инж 106 мА 58 мкА

5. Ускоренный ток, /уск 64 мА. 35 мкА

6. Входная ВЧ мощность, Рвх 90 кВт 27 мВт

7. Выходная ВЧ мощность, Рпн 30 кВт 9 мВт

8. Фокусирующее поле, В 8,5 Тл 46 Гс

9. Ширина энергетического спектра пучка ¿V^W 7.9JÍ 7,9/о

УС-85 может рассматриваться как инжекционная часть ускорителя на большие энергии. Поэтому, экспериментальное.изучение токо-энергетических характеристик этой секции представляет большой интерес, в том числе и при интенсивной нагрузке пучком. В качестве справочного материала приведены ВЧ характеристики УС-85. Результаты электронного моделирования секции пересчитаны по формулам подобия к значениям параметров прогонного ускорителя.

При помощи импульсной методики электронного моделирования решена задача экспериментального исследования секции УС-85. При этом впервые в ускоряющей структуре ЛУ на обратной волне обнаружены автоколебования тока пучка. Эти автоколебания (рис.1) имеют четко выраженный период повторения, равный ~ 115 не, что приближенно совпадает с оценкой времени однократного пробега по структуре ВЧ мощности и ускоряемого пучка. На рис. 2 представлена осцилограмма проходящей ВЧ мощности, соответствующая наблюдае -мым автоколебаниям пучка. Отчетливо видно поглощение про -

ускоренного пучка

Рис. 2. Фотография осцилограммы проходящей ВЧ мощности при интенсивной нагрузке секции ЛУ пучком

ходящего сигнала пучком. Кроме того, в работе представлены фотографии фазовых соотношений между колебаниями тока пучка и сгибающими проходящей и отраженной ВЧ мощностью, а также - центральной части частотного спектра ВЧ сигнала на выходе секции. Таким образом, результаты экспериментального исследования показывают, что в секции И на обратной волне при определенных условиях возможно возникновение незатухающих колебаний - автоколебаний пучка.

Природа этого явления заключена в нарушении энергетического баланса между встречными потоками частиц и ВЧ мощности при ускорении сильноточного пучка. Автоколебания пучка характерны для секций подобного типа. Для исследуемого участка секции автоколебания возникают при двухкратном превышении тока пучка над его проектным значением, равным ~ 60 мА.

Экспериментально определены области значений инфекционной и высокочастотной систем, в которых птоцесс ускорения устойчив.

Для определения величин токов пучка, при которых возможны автоколебания, проведен анализ упрощенной математической модели секции ЛУ. В райках этой модели сделаны приближенные оценки допустимого отклонения тока пучка относительно его проектного значения для секций разной длины. Показано, что требования на стабильность тока инжекции возрастают по мере роста выходной энергии ускорителя.

Проведена оптимизация переходного процесса при выводе секции УС-85 на стационарный режим. Экспериментально получено, что установлению минимальной длительности переходного процесса импульса тока пучка соответствует первоначальное заполнение секции ВЧ модностью и последующей инкекцией в нее частиц пучка.

Моделирование в большом магнитном поле ( ~ 36 ТЛ) показало, что коэффициент захвата частиц при проектных значениях Р^ достигает 70 - 80 % и падает до 40% при перегрузке секции током инжекции I А). Если увеличить уровень входной ВЧ мощности (примерно в десять раз), то величина этого коэффициента восстанавливает свое первоначальное значение.

максимальный ускоренный ток, полученный при моделировании, эквивалентен протонному току величиной в 1,07 А. Ток инфекции составляет 1,65 А.

■ Экспериментально определен КЦк секции. Измеренная величина этого коэффициента составляет ~ 70% и достигается при интенсивной нагрузке секции пучком (I ш ~ 0,5 А). В режиме автоколебаний пучка происходит ограничение роста КЦд.

Проведено измерение зависимости относительной ширины энергетического спектра пучка при изменении в широком диапазоне значений величин 34 мощности, напряжения и тока инжекции. Отклонение напряжения инжекции от его оптимального значения приводит к расширению спектра пучка. Получено, что при токах инжекции, меньших I А, и уровнях входной 34 мощности, меньших 250 кйт, ширина энергетического спектра слабо зависит от величины этого тока, а, в основном, определяется напряженностью электрического поля. Наименьшее зарегистрированное значение спектра пучка поставляет (6 ± 2)%.

Практический интерес для работы ускорителя представляют результаты моделирования секции Ш в слабом фокусирующем магнитном поле 40 Гс), соответствующем проектному полю этого ускорителя. Используя импульсный режим работы электронной пушки в сочетании с достигнутой компенсацией "паразитных" магнитных полей, удалось осуществить прецизионную проводку низковольтного пучка сквозь ускоряющую структуру и выполнить требуемые измерения. Моделирование показало, что коэффициент захвата частиц при расчетном магнитном поле 8,5 Тл составляет (45 + 15) %. Это близко к его проектному значению, равному ~ 60$. Величина этого коэффициента меняется незначительно при существенном росте индукции магнитного поля, что говорит о достаточности выбранной магнитной фокусировки для секции УС-85.

Разработан "горячий" способ измерения относительной амплитуды электрического поля ускоряющей гармоники (Е/ Л5) коротких участков протяженной секции. Метод предназначен для секций переменного шага с длительным взаимодействием частиц и волны, обладающих отрицательной дисперсией.. Он основан на измерении приращения энергии дV частицами в

результате взаимодействия коротких импульсов ВЧ мощности длительностью г с пучком и определении отношения по форЕ / а* \ /

где Рсинхр ~ значение входной БЧ мощности, обеспечивающее синхронное ускорение частиц, находящихся в максимуме ускоряющего поля, «с - полное затухание ВЧ мощности от входа секции до измеряемого участка,

^гр - групповая скорость электромагнитной волны, Уе - скорость электронов, усредненная по длине измеряемого короткого участка,

е - заряд электрона . Погрешность способа оценивается на уровне 10 - 13 %.

Варьирование напряжения иняекции пучка приводит к изменению начала отсчета измеряемого ускоряющего участка вдоль структуры. Это позволяет просканировать секцию от начала до конца с целью определения отношения ЕУ ч/Т в зависимости от ее продольной координаты. При помощи этой методики измерено отношение ЕЛ[Р в разных сечениях ускоряющей структуры УС-85. Кроме того, определено отношение Е/лГР выходного участка (длиной 100 мм) этой секции другим "горячим" методом - методом измерения ВЧ характеристик синхронным ускорением электронного пучка. Проведено сравнение величин Е/\|Т с результатами измерения этих яе ВЧ характеристик резонансных макетов секции УС-85, полученными методом возмущений.

Основные результаты работы:

I. Разработаны "горячие" методики исследования секции ЛУ протонов на обратной волне, основанные на импульсной модуляции потоков частиц и ВЧ мощности, а конкретно:

а) импульсная методика электронного моделирования, позволяющая исследовать нестационарные процессы в нагруженной секции ЛУ протонов;

б) способ измерения относительной амплитуды электрического поля ускоряющей гармоники (Е/лГр) предназначенный для локальных участков секции переменного шага, обладающей отрицательной дисперсией, с длительным взаимодействием частиц

и волны.

2. Разработана и создана экспериментальная установка

- импульсная электронная модель ЛУ, реализующая предложенные методики и позволяющая исследовать секции длиной до 3-х мэтров.

3. В секции линейного ускорителя на обратной волне впервые экспериментально обнаружены автоколебания ускоренного тока пучка. Дано объяснение физического механизма этого явления. Экспериментально определены области значений параметров высокочастной и инфекционной систем, при которых процесс ускорения устойчив.

4. Методом импульсного электронного моделирования проведено исследование сакции УС-85 и при этом получены следующие основные результаты:

а) показано, что значения параметров ускоренного пучка, в основном соответствуют проектным. При фокусировке частиц большим магнитным полем ( ~ ЗОТл) получен ускоренный ток электронного пучка, эквивалентный току протонов величиной более I А. Наибольшее зарегистрированное значение КЩ секции составляет ~ 70/5;

б) оптимизирована временная диаграмма вывода секции ЛУ на стационарный режим. Экспериментально определено, что оптимальная диаграмма работы ЛУ на обратной волне формируется в следующем порядке: вначале ускоряющая структура заполняется ВЧ мощностью, а затем в нее инжектируются частицы пучка.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Козлюк В.В., Пэров В.В. Токо-энергетическке характеристики ускоряющей секции с аномальной дисперсией. - В кн.: Тез. докл. 12-го Всесоюз, семинара по линейным ускорителям заряженных частиц. Харьков, 28-30 мая, 1991, с. 116.

2. Борисенко А.Н., Козлюк В.В., Перов В.В. Использование вторично-электронного умножителя ВЭУ-1 для измерения параметров импульсных электронных пучков. - Приборы и техн. экспзриы., 1988, 'А 2, с. 133 - 135.

3. Перов В.В., Павлов В.М., Козлюк В.В. Тезисы: Измерительный стенд для определения электродинамических характеристик ускоряющих структур. - Вопр. атомн. науки и техн. Сер.: Техн. физич. эксперим., 1979, вып. 1/3, с.7.

4. Гетманов В.Н. Козлюк В.В., Павлов В.М., ПероЕ З.В. Автоматизация определения относительных амплитуд пространственных гармоник периодических СВЧ-структур на базе ЭШ "атектроника-ЮОИ". - Электронная техника. Сер.: Электроника СВЧ, 1982, вып. 7/343, с. 48 - 50.

5. Козлюк В.В. Экспериментальное наблюдение автоколебаний пучка в ускоряющей структуре линейного ускорителя на обратной волне. - Вопр. атомн. науки и техн. Сер.: Ядерно-физические исследования (Теория и эксперим.), 1989, вып. 6/6, с. 67 - 70.

6. Козлюк В.В. Автоколебания пучка в ускоряющей структуре линейного ускорителя на обратной волне. - Письма в ЖТ&, 1991, т. 17, вып. I, с. 75 - 79.

7. A.c. II02478 (СССР). Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур/ В.В.Козлюк, В.В.Перов - Опубл. в Б.И., 1985, JS 24.

8. Козлюк В.В., Перов В.В. применение метода измерения электродинамических характеристик ускоряющих структур синхронным ускорением электронного пучка. - Вопр. атомн. науки и техн. Сер.: Техн. физич. эксперим., 1988, вып. 1/36, с.55-56.

9. A.c. I7II349 (СССР). Способ измерения высокочастотных характеристик ускоряющих структур/ В.В. Козлюк. - Опубл. в Б.И., 1992, И 5.

течатано на ротапринте Института катализа СО РАН, Новосибирск 90

писано в печать 15,06.93 t. листов 1

Заказ N 108

Формат 60x84/16 Тираж 100