Оптимизация резонаторов линейных ускорителей с учетом высших видов колебаний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение

ГЛАВА I. Развитие итерационной методики расчета параметров резонаторов с целью разработки оптимизирующего комплекса . II

С' I.I. Постановка задачи . II i 1.2. Методика последовательного приближения к границе резонатора на.основе.итерационного метода

§ 1.3. Расчет электродинамических характеристик азимутально-однородных видов колебаний в осесимметричных резонаторах сложной формы

ГЛАВА 2. Оптимизация электродинамических характеристик ускоряющих структур и синтез полигармонических резонаторов 46 у 2.1. Программный комплекс по оптимизации резонаторов с учетом высших видов колебаний

§ 2.2. Численная оптимизация ускоряющих резонаторов линейного ускорителя электронов со стоячей волной

§ 2.3. Оптимизация ЭДХ круглого диафрагмированного волновода

§ 2.4. Синтез полигармонических резонаторов

ГЛАВА 3. Расчет и минимизация амплитуд полей паразитных видов колебаний, возбуждаемых пучком

§ 3.1. Методика расчета амплитуд полей паразитных видов колебаний

•Ü 3.2. Численный анализ генерации электромагнитных полей в рабочих объемах ускорителей

§ 3.3. Программный комплекс для численной минимизации возбуждения паразитных видов колебаний

§ 3.4. Тестирование программного комплекса KROP

Основньми требованиями к ускорителям заряженных частиц (УЗЧ) прикладного назначения являются / I /: высокий КЦЦ установки, большой теш ускорения, надежность, малые размеры и масса излучателя и т.п. Их выполнение невозможно без детальной проработки и оптимизации всех систем ускорителя. С другой стороны, быстрое развитие вычислительной техники и ЭВМ в последнее десятилетие создало условия для успешного решения чрезвычайно сложных вычислительных задач в различных областях техники. Сама возможность постановки многих задач определяется успехами достигнутыми в области создания быстродействующих ЭВМ, а также совершенствованием методов численного анализа.

Особое значение численные методы приобретают при исследовании электродинамических процессов в УЗЧ и электровакуумных приборах (ЭВП) СВЧ вследствие сложности процессов взаимодействия, протекающих в них. Современный этап развития теории электродинамических систем СВЧ характеризуется широким использованием строгих математических методов исследования, привлечением к исследованию процессов взаимодействия в системах методов оптимального управления / 2,3/. Прежде всего это связано с возможностью использования полных и обоснованных математических моделей процессов взаимодействия в электродинамических системах СВЧ для машинной оптимизации параметров систем и создания на этой основе библиотеки стандартных программ оптимизации, обеспечивающих разработку оптимальных по заданному критерию качества СВЧ- систем. При этом необходимо отметить, что задача разработки оптимальной по заданному критерию качества электродинамической системы в большинстве случаев принципиально не может быть решена экспериментальным путем даже при использовании методов оптимального планирования эксперимента из-за неприемлемо большого времени поиска. Наиболее естественным при разработке электродинамических систем представляется сочетание машинной оптимизации конструкции с ее последующей экспериментальной доводкой.

В данной работе исследуются некоторые вопросы, связанные с оптимизацией электродинамических характеристик (ЭДХ) резонаторов, предназначенных прежде всего для целей ускорения, причем для описания электромагнитных полей в резонаторах используется электродинамическое моделирование /4 /, позволяющее проводить всестороннее численное исследование резонаторов при приемлемой простоте получаемых алгоритмов. При этом модель является многомодовой, т.е. имеется возможность анализировать взаимодействие пучков заряженных частиц со спектром электромагнитных колебаний, возбуждаемых в резонаторах, что особенно важно в случае сильноточных пучков. Использование для решения поставленной задачи более наглядного моделирования на основе представления структуры в виде эквивалентной схемы / 5 / нецелесообразно , ввиду того, что данная модель существенно ограничивает возможность оптимизации (сложность учета высших видов колебаний, необходимость определения параметров эквивалентной схемы и т.д.).

Возможны два принципиально различных способа нахождения рещений, удовлетворяющих требованиям оптимальности. Первый из них основывается на целенаправленном переборе и сравнении различных вариантов конфигурации резонатора с целью нахождения оптимального решения. Второй - классический синтез, заключающийся в прямом нахождении формы резонатора, удовлетворяющей необходимому распределению поля. К настоящему моменту в области оптимизации и синтеза параметров резонаторов накоплен достаточно большой опыт, о чем свидетельствует постановка задач синтеза и оптимизации в работах

-6/ б-Ю /. В большинстве из них используются, как правило, аналитические и численно-аналитические методы, которые по мере усложнения исследуемых электродинамических систем оказываются либо неприменимыми, либо не обеспечивающими требуемой точности. Успехи прикладной электродинамики и вычислительной математики сделали возможной разработку численных методов расчета и оптимизации электродинамических систем, основанных на непосредственном решении уравнений электродинамики / II /.

Среди первых программ использованных при оптимизации электродинамических систем следует выделить программу НЕВА / 12 /, предназначенную для оптимизации замедляющих систем типа цепочки связанных резонаторов по дисперсионной кривой и величине сопротивления связи. Необходимо также отметить программу ЕХТЕЬ. / 13 /, позволяющую проводить оптимизацию аксиально-симметричных резонаторов по величине эффективного волнового сопротивления. Причем, это первая и единственная на момент представления настоящей диссертации программа по оптимизации, разработанная на основе электродинамической модели. Однако, она позволяет оптимизировать ЭДХ только низшего вида колебаний, что является существенным ограничением при оптимизации резонаторов, нагруженных сильноточным пучком, поскольку в этом случае необходимо учитывать и высшие виды колебаний. Анализируя современное состояние вопроса, можно отметить, что несмотря на возрастание числа исследователей, занимающихся проблемой расчета и оптимизации ЭДХ резонаторов с учетом высших видов колебаний / 14 -18 /, на момент разработки методик и программ, представленных в настоящей работе, не существовало программы, на основе которой можно было разработать программный комплекс по оптимизации ЭДХ резонаторов с учетом высших видов колебаний.

Одной из важных практических задач в ускорительной технике является создание программного комплекса по оптимизации высокочастотной структуры с точки зрения повышения эффективности взаимодействия пучка заряженных частиц с электромагнитной волной. В линейном ускорителе электронов (ЛУЭ) со стоячей волной в качестве высокочастотной структуры используются резонаторы £\ -образной формы / 19 /, а в ЛУЭ на бегущей волне используется круглый диафрагмированный волновод (ВДВ). Увеличения темпа набора энергии в таких структурах можно добиться путем повышения значения эффективного шунтового сопротивления (ЛУЭ со стоячей волной) или шунтового сопротивления (ЛУЭ на бегущей волне), при этом величина коэффициента перенапряжения электрического поля должна оставаться на уровне, не допускающем высокочастотного пробоя. Попытка оптимизации ЭДХ ВДВ экспериментальным путем предпринята в работе / 20 /, однако, полученные результаты носят частный характер. В работе / 21 / приведены результаты оптимизации резонатора с целью снижения величины коэффициента перенапряжения электрического поля в случае ускорения одиночных сгустков, что позволило повысить мощность высокочастотного питания. На основе программы ЕХТЕЬ / 13 / было проведено исследование зависимости волнового сопротивления резонатора от ширины зазора, при этом вопрос оптимальности формы резонатора по данному критерию качества не рассматривался.

При разработке ряда ускоряющих структур необходимо обеспечить определенное во времени изменение распределения ускоряющего поля в области пролета пучка заряженных частиц. В работе /22/ рассмотрены постановка и решение в общем виде задачи синтеза на ЭВМ полигармонических- резонаторов со специальной во времени формой напряжения на зазоре. Однако, используемая модель дает невысокую точность расчета.

Другой важной задачей при разработке сильноточных ускорителей является минимизация возбуждения пучком заряженных частиц высших видов колебаний, поскольку происходит перекачка энергии пучка в энергию паразитных видов колебаний, увеличивается поперечный эмиттанс и т.д. Вопросу расчета параметров потерь энергии пучка и возбуждению паразитных видов колебаний посвящен ряд работ / 23-27 /, в которых рассматривается расчет генерации паразитных высших видов колебаний одиночным сгустком заряженных частиц или бесконечной периодической последовательностью сгустков. При этом предполагается, что распределение заряда в сгустке имеет гауссову форму, что на практике редко наблюдается. Другим ограничением при практическом применении методик, изложенных в данных работах, является то, что они не позволяют учесть изменение скорости сгустков при пролете через резонатор, что имеет место в сильноточных ускорителях. В связи с этим видна актуальность разработки методик и программ, свободных от этих недостатков, позволяющих не только рассчитывать возбуждение паразитных видов колебаний, но и проводить минимизацию амплитуд полей этих видов колебаний.

В настоящей работе на основе электродинамической модели рассматривается оптимизация ЭДХ высокочастотных структур с учетом высших видов колебаний. Оптимизации подлежат ускоряющие структуры линейных ускорителей как со стоячей волной - бипериодические структуры, так и с бегущей волной - ВДВ. С этим вопросом связана задача численного синтеза полигармонических резонаторов. Также исследуются вопросы возбуждений потоками заряженных частиц высших видов колебаний в резонаторах с целью минимизации потерь на возбуждение паразитных видов колебаний.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

- методика последовательного приближения к границе резонатора для расчета ЭДХ высших видов колебаний на основе итерационного метода;

- результаты оптимизации Л - образного резонатора по величине эффективного щунтового сопротивления и ВДВ по значению коэффициента перенапряжения;

- методика и результаты синтеза резонатора с заданным соотношением значений резонансных частот ряда видов колебаний;

- методики расчета и минимизации возбуждения паразитных видов колебаний в резонаторах.

На основе разработанных методик созданы программные комплексы для расчета ЭДХ высших видов колебаний в осесимметричных резонаторах сложной формы, для оптимизации ЭДХ аксиально-симметричных видов колебаний в осесимметричных резонаторах, для расчета и минимизации потерь энергии пучка на генерацию паразитных аксиально-симметричных видов колебаний в осесимметричных резонаторах.

Программные комплексы и методики численного моделирования внедрены в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, РТИ АН СССР, ИХК и Г СО АН СССР, ХФТИ АН УССР, НЙИЯФ МГУ и используются при разработке электродинамических систем УВЧ.

Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах / 50, 54, 58, 67, 69, 81, 84, 89 / и содержатся в 6 отчетах по хоздоговорной тематике. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ