Прототип электронного фотокатодного ВЧ инжектора со сверхпроводящим резонатором тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ВОЛКОВ Владимир Николаевич

ПРОТОТИП ЭЛЕКТРОННОГО ФОТОКАТОДНОГО ВЧ ИНЖЕКТОРА СО СВЕРХПРОВОДЯЩИМ РЕЗОНАТОРОМ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ииа1Т740Э

НОВОСИБИРСК - 2007

003177409

Работа выполнена в Институте ядерной физики им Г И Будкера СО РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

Петров

Виктор Михайлович

- кандидат технических наук,

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

Винокуров

Николай Александрович

Черноусов Юрий Дмитриевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

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

кандидат технических наук,

Институт химической кинетики и горения,

СО РАН, г Новосибирск

Объединенный институт ядерных исследований, г Дубна

Защита диссертации состоится « » ^C-jC^té^p-^ 2007 г в « 1 ¿ » часов на заседании диссертационного совета Д 003 016 01 Института ядерной физики им Г И Будкера СО РАН

Адрес 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11

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

Автореферат разослан « ¿3 » кЛЛ^'А 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ -мат наук

А А Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для создания излучения высокой мощности и высокой яркости в ЛСЭ и в источит ах СИ, а также для других применений, требуются интенсивные релятивистские электронные пучки с короткими сгустками, обладающими малым эми стансом и большим зарядом Современные возможности позволяют получать сгустки с эмиттансом порядка 1 ж мм мрад и зарядом до 1 нКп с длительностью сгустков -20 псек В настоящее время наиболее интенсивные и высококачественные пучки получают в ускорительных комплексах, состоящих из ВЧ фотопушки и из сверхпроводящего линака До сих пор фотопушки выполнялись с нормально проводящими ускоряющими резонаторами Для того, чтобы получить малый эмиттанс, в этих пушках применяется фокусировка с помощью магнитных полей соленоидов и большого темпа ускорения (порядка 20-30 МэВ/м) Фотопушки с теплыми резонаторами могут работать только в импульсном режиме

Применение сверхпроводящего резонатора в фотопушке позволит работать в непрерывном режиме Применение новых технологий с использованием сверхпроводящих резонаторов обеспечит получение пучков с нормализованным эмиттансом 1 7г мм мрад в сгустках с зарядом в два раза большим (2 нКл) Современные лазерные системы, которые применяются в фотопушках, могут обеспечить частоту повторения этих сгустков до 100 МГц, и ток пучка электронов до -200 мА

Цель работы

- проведение расчетных и инженерных исследований с целью создания ВЧ пушки со сверхпроводящим резонатором, обеспечивающей получение пучков с нормализованным эмиттансом 1 ж мм мрад в сгустках с зарядом больше 2 нКп и с длительностью —20 псек Пучок должен быть согласован с линейным ускорителем (бустером) расположенным не ближе чем 0 5м после пушки Резонансная частота должна быть 1300 МГц Размеры резонатора и форма должны быть адаптированы к имеющемуся технологическому и испытательному оборудованию в НЕБУ Фотокатод должен быть заменяемым Катод должен заменяться в резонаторе, находящемся при температуре 4 2 К в условиях высокого вакуума Для этого должен использоваться стандартный магнитный манипулятор

— разработка и экспериментальное исследование прототипа (экспериментального образца) ВЧ пушки с одноячеечным сверхпроводящим резонатором Получение высокой добротности резонатора до Ю10 Тренировка резонатора возбуждением ускоряющего ВЧ поля в резонаторе с максимальным ускоряющим

градиентом до 12 - 25 МВ/м Проведение испытательных работ по замене фотокатода, находящемся при температуре 4 2 К в условиях высокого вакуума при использовании стандартного магнитного манипулятора Получение в сверхпроводящем резонаторе фото гока до 100 мкА с Теллурид-Цезиевого фотокатода, приготовленного в препарапионной камере и возбуждаемого импульсами лазера с длительностью 5 псек и частотой 26 МГц Исследование влияния работы фотокатода на характеристики сверхпроводящего резонатора

Научная новизна

1. Впервые в мире исследован, разработан и создан сверхпроводящий узел ВЧ фотопушки (см. рис 1), состоящий из ускоряющего резонатора, фильтра пробки и соединяющей их сверхпроводящей трубки (11)

2 Новое применение известного способа деформации резонаторов для настройки их резонансной частоты, в конструкции резонатора фильтра пробки привело к возможности регулировать углубление катода в ускоряющем резонаторе и настраивать тем самым электрическзто ВЧ фокусировку пучка

3 Впервые в мире разработана и исследована конструкция катодного узла (см. рис 2), размещенного в вакуумном корпусе (4) и содержащего узел катодного стержня (6,21,24), позволяющая заменять стержень с фотокатодом без развакуумирования системы при температуре 4 2 К

4 В диссертационной работе впервые в мире разработано и применено охлаждение жидким азотом катодного узла, расположенного в сверхпроводящем резонаторе

5 Обосновано новое применение в катодном узле материалов с разным коэффициентами теплового расширения, позволяющие при замене катодного стержня использовать разогрев катодного узла газообразным азотом для уменьшения давления между стержнем и теплообменником.

6 Впервые в практике работы ВЧ пушек была разработана и применена в конструкции катодного узла электрическая изоляция катода от резонатора по постоянному току

7 Впервые в практике работы ВЧ пушек была разработана и применена в конструкции катодного узла тепловая изоляция между сверхпроводящим узлом и катодным узлом с помощью вакуумного зазора и тонкостенных нержавеющих труб

8 Новая разработка и применение в конструкции фотопушки электрического контакта по ВЧ току между фотокатодом и ускоряющим сверхпроводящим резонатором с помощью отрезка коаксиального волновода с малым волновым сопротивлением, внутренним проводником в котором является катодный стержень, а наружным — трубка сверхпроводящего узла ВЧ пушки (11, рис 1).

9 Первое в мире обоснование, разработка и применение коаксиального фильтра, встроенного в катодный узел Коаксиальный фильтр и сверхпроводящий резонатор фильтра-пробки образуют заградительный фильтр, который предотвращает излучение ВЧ мощности из резонатора при деформировании фильтра пробки в пределах расстояний между его стенками 7 5-8 5 мм (см рис 3, размер Gap), и при любых электрических характеристиках цепей внешнего оборудования, подключаемых к катодному узлу Излученная ВЧ мощность из резонатора через заградительный фильтр не превышает ВЧ мощность, рассеянную в сверхпроводящих стенках резонат opa

10 13 диссертационной работе обосновано, исследовано и разработано в ВЧ фотопушке новое явление электрической ВЧ фокусировки для компенсации роста эмиттанса пучка Рассчитана оптимальная величина углубления катода (2 мм), обеспечивающая получение минимального эмиттанса пучка при компенсации

11 Впервые в мире для ВЧ пушек исследовано и разработано применение вогнутой сферической формы торца катодного стержня с фотокатодом, вдвое увеличивающую эффективность компенсации роста эмиттанса (эмиттанс 1 я мм мрад для 2 нКл, вместо 1 нКл)

12 В диссертационной работе обосновано, исследовано и разработано в ВЧ фотопушке новое явление магнитной ВЧ фокусировки с применением ТЕ моды для компенсации роста эмиттанса пучка Рассчитана оптимальная величина индукции магнитного ВЧ поля ТЕ моды (поля на оси Втах=0 3 Т для ускоряющего поля с Етах=50 МВ/м), обеспечивающая получение минимального эмиттанса пучка - 1 п мм мрад

13 Впервые в мире показано, что фокусирующая сила магнитной ВЧ линзы такая же, как у соленоида, с тем же распределением индукции поля вдоль оси, какую имеют действующие значения магнитного поля ТЕ моды

14 Впервые в мире исследован случай возбуждения ТЕ и ТМ мод в одном резонаторе ТЕ мода возбуждается на частоте некратной частоте ускоряющей моды В этом случае разные сгустки пучка попадают в неодинаковые фазы ТЕ моды Из-за этого эмиттансы сгустков получаются неодинаковые, то есть в пучке появляется пульсация эмиттансов сгустков Величина пульсации эмиттансов сгустков экспоненциально уменьшается с ростом частоты ТЕ моды Ускоряющий резонатор имеет ТЕ021 моду с частотой frE02i ~ 4285 МГц Если применить эту моду для компенсации эмиттанса, то пульсации эмиттансов сгустков будут меньше 3% TE02i мода возбуждается от отдельного генератора, частота которого поддерживается равной резонансной частоте TE0n моды

15 Впервые в мире исследован случай, когда даже при возбуждении ТЕ моды на частоте некратной частоте повторения сгустков, пульсации эмиттанса получаются нулевые Зависимость величины пульсаций от частоты повторения имеет много максимумов и минимумов Однако,

огибающая пульсаций экспоненциально убывает с ростом частоты Можно сконструировать резонатор, имеющий такую резонансную часто гу ТЕ моды, при которой пульсации эмиттанса нулевые.

16 В диссертации по-новому обоснован выбор ТЕ моды для получения необходимой фокусировки Поле моды ТЕ на оси резонатора должно быть Втах~0 3 Т (для ускоряющего поля с Етах=50 МВ/м) При этом индукция поля на поверхности, в суперпозиции с полем ускоряющей моды, не должна превышать Вреау~0 2 Т Этому условию отвечает мода ТЕ021 (см рис §)

17. В диссертации определены новые условия согласования пучка фотопушки с линаком, при которых фотопушку и линак можно расположить в разных криостатах Исследования показали, что это условие выполняется, если фотопушка имеет 3 5 ускоряющих ячейки и Е > 8 МэВ В этом случае кроссовер располагается на расстоянии от фотопушки >0 5 м, а для получения малого эмиттанса, начало линака должно располагаться в кроссовере

18 В диссертации проведены новые аналитические исследования эффекта компенсации роста эмиттанса на основе методов электронной оптики Исследования прояснили закономерности в результатах численного моделирования динамики пучка в ВЧ пушке В частности, показано уменьшении эмиттанса и выравнивание плотности заряда в сгустках при ВЧ фокусировке

Практическая ценность

Основная область применения — инжекторы электронов для линаков ЛСЭ, источников СИ Инжекторы электронных линаков для установок с электронным охлаждением протонов и для других установок Также источники релятивистского электронного пучка для промышленного применения и прикладных исследований

Ниже перечислены некоторые научные центры и установки, в которых проектируется применение ВЧ фотопушек со сверхпроводящими резонаторами, в которых используются результаты, полученные в диссертационной работе (см. список литературы из диссертации)

• FZD [40] - инжектор для сверхпроводящего линака ELBE для ЛСЭ Сгустки должны иметь заряд от 77 пКл до 1 нКл с нормализованным эмитгансом меньше 1 ж мм мрад

• Daresbury, Cornell и др [72] - инжектор для сверхпроводящего микротрона-рекуператора ЛСЭ Средний ток электронного пучка 100 мА с нормализованным эмитгансом меньше 1 ir мм мрад

• BESSY-FEL [73, 74] - инжектор для сверхпроводящего линака ЛСЭ Сгустки должны иметь заряд от 2 5 нКл с нормализованным эмиттансом меньше 1 5 тгмм мрад

• BNL [20, 75] - инжектор для проекта электронного охлаждения RHIC Сгустки должны иметь заряд от 5 нКл с нормализованным эмиггансом меньше 5 тгмм мрад

• AES [76, 77] - инжектор для микротрона-рекуператора ЛСЭ Сгустки должны иметь заряд от 10 нКл с нормализованным эмитгансом меньше 10 хмм мрад

• SASE-FEL [78, 79] Сгустки должны иметь заряд от 1 нКл с нормализованным эмиггансом меньше 1 7гмм мрад

• PKU-FEL [80] - Сгустки должны иметь заряд до 100 пКл с нормализованным эмитгансом меньше 2 тг мм мрад

• CEBAF [81]

Публикации и апробация работы

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, изложены в 12 публикациях, приведенных в списке литературы. Основные результаты работы докладывались на ускорительных конференциях (РАС, ЕР АС, АР АС, FEL) и публиковались в рецензируемых журналах (Nucí Instr and Meth, Physical Review ST AB) Всего по теме диссертации опубликовано 30 работ, 4 из которых опубликованы в рецензируемых журналах [2 ,3, 6, 8], издан препринт [1] (см список литературы, стр 15-16)

На защиту выносятся

1) Конструкция сверхпроводящего узла ВЧ пушки, состоящего из ускоряющего резонатора и резонатора фильтра пробки и связывающей их трубки Ускоряющий резонатор обеспечивает необходимый темп ускорения Фильтр пробка предотвращает проникновение ВЧ мощности в катодный узел ' и во внешние цепи Трубка используется как внешний проводник низкоомной коаксиальной линии для обеспечения ВЧ контакта катода с резонатором За счет продольных деформаций резонатора фильтра пробки изменяется углубление катода в ускоряющем резонаторе и обеспечивается настройка электрической ВЧ фокусировки в фотопушке

2) Конструкция катодного узла, который обеспечивает замену катода без развакуумирования системы Обеспечивает необходимый теплоотвод от катодного стержня к кулеру, охлаждаемому жидким азотом При этом температура фотокатода (самая горячая область катодного узла) превышает температуру жидкого азота на несколько градусов

3) Принцип работы заградительного фильтра, состоящего из фильтра пробкн (сверхпроводящий резонатор) и коаксиального фильтра. Совместная работа коаксиального фильтра и фильтра пробки, деформируемого для настройки ВЧ фокусировки пучка, исключает влияние внешних электрических цепей при любых электрических параметрах этих цепей

4) Способы компенсации эмиттанса Из-за того, что длительность электронных сгустков соизмерима с периодом ускоряющего высокочастотного поля и электронный сгусток имеет значительный заряд, то

поперечный эмитганс растет при удалении от катода, если не применять специальных мер Для того, чтобы скомпенсировать рост эмиттанса, вызванного этими причинами, в которых все действующие на пучок поперечные силы линейны по радиусу, автором предложен способ компенсации роста эмиттанса с помощью электрической и магнитной ВЧ фокусировки

Структура диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование Диссертация содержит 121 страницу машинописного текста, в том числе 50 рисунков и графиков, 20 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризован современный этап развития фогокатодных ВЧ инжекторов, обоснована актуальность ВЧ инжекторов со сверхпроводящими резонаторами, сформулирована цель работы, кратко изложены основные темы диссертации

В первой главе дается описание сверхпроводящего узла ВЧ пушки Сверхпроводящий узел ВЧ пушки (см рис 1) состоит из ускоряющего (4, 5) резонатора, резонатора фильтра пробки (2, 3) и связывающей их трубки (11) Трубка имеет внутренний диаметр 012 мм В эту трубку коакеиально вставлен катодный медный стержень диаметром 010 мм На торцевую

поверхность катодного стержня коакеиально нанесен фотокатод Диаметр фотокатода ~03 мм

Резонатор фильтра пробки расположен между нормально проводящим коаксиальным фильтром, встроенным в катодный узел, и сверхпроводящим резонатором ВЧ пушки Изменяя углубление катода в резонаторе ВЧ пушки, можно настраивать электрическую ВЧ фокусировку пучка Эта регулировка производится сдавливанием или растяжением резонатора фильтра пробки в пределах ±0 5 мм

бобышка, 2-5 - стенки, 6,7,9,12-14 - Детали сверхпроводящею резо-патрубки, 11 - трубка, 8 - отверстия (6 шт) натора для ВЧ пушки изготавливались на экспериментальном производстве ЙЯФ Частично использовались стандартные детали,

Рис 1 Сверхпроводящий узел 1

изготовленные фирмой ACCEL (см. рис.1 - патрубки в правой части узла и правая чашка резонатора). Стенки резонатора делались из листового ниобия штамповкой:. Закругления на краях чашек делались на токарном станке обкаткой краев роликом на специальной цилиндрической матрице по форме повторяющей геометрию соответствующей части резонатора. Трубка выточена из заготовки.

Для сварки ниобиевых частей резонатора использовалась установка вакуумной электронно-лучевой сварки [1], созданная в институте для сварки ниобиевых резонаторов в 1992 году. Вакуум до 10"4 Па с низким парциальным давлением водорода, обеспечивался в установке при помощи диодно-испарительного насоса НМДИ-16/40. Этот насос был разработан в ИЯФ.

В главе 2 дается описание катодного узла и заградительного фильтра.

Катодный узел расположен в цилиндрическом корпусе (4, см. рис.2), охлаждаемом жидким гелием при Т = 2 К. Чтобы уменьшить теплоприток к деталям ВЧ пушки, охлаждаемых жидким гелием, катодный узел со

Рис. 2. Фотокатодная ВЧ пушка со сверхпроводящим резонатором: 1 - фланец крепления катодного узла к корпусу (4); 2, 3 - тонкостенные трубы из нержавеющей стали; 4 - корпус; 5 - внутренний проводник коаксиальной линии из нержавеющей стали; 6 ■• винт из титана; 7 - фиксирующие полукольца; 8 - теплообменник; 9 - диск; 10 - резонатор заграждающего фильтра; 11 - ускоряющий резонатор; 12 -тонкостенная труба; 13,22- вакуумные уплотнения; 14- регулировочные шайбы; 15, 16 - керамические изоляторы; 17 - винты; 18 - кулер с каналом и трубками подачи жидкого азота; 19 - патрон с внутренней резьбой; 20 - винты; 21 - стаканчик с припаянным к нему стержнем (24); 23 - внутренний проводник коаксиальной линии из нержавеющей стали; 24 - катодный стержень.

При этом стержень должен иметь хороший высокочастотный электрический контакт с резонатором Контакт по постоянному току с резонатором должен отсутствовать Это, во-первых, дает возможность измерения тока пучка Во-вторых, позволяет бороться с возможным мультипакторным разрядом в 1 мм промежутке около стержня Такой разряд подавляется, когда на стержень подключено напряжение в несколько киловольт относительно корпуса и сверхпроводящего узла

Катодный стержень должен интенсивно охлаждаться, так как на нем рассеивается ВЧ мощность до 30 Вт с максимальными удельными потерями на фотокатоде 80-100 Вт/см2 Температура катодного узла должна быть достаточно низкой, чтобы поток мощности теплового излучения с кагода на стенки сверхпроводящего резонатора был невелик Для этого теплообменник с закрепленным на нем катодным стержнем, охлаждаются жидким азогом

Так как катод заменяемый, то наряду с тем, что фотокатодный стержень должен сильно прижиматься к теплообменнику во время работы, он должен легко отсоединяться для перемещения в препарационную камеру Во время отсоединения от охлаждающего теплообменника и во время постановки катода на место, давление между стержнем и теплообменником должно быть невелико Это давление ограничено максимальным усилием, которое можно создать с помощью стандартного магнитного (вакуумного) манипулятора при вкручивании стержня в теплообменник Кроме того, усилие должно быть ограничено из-за наличия тонкостенных деталей тепловой развязки между резонатором и корпусом криостата, а также деталей (2, 3) в катодном узле

Для выполнения этих условий, в катодном узле детали выполнены из материалов с разными температурными коэффициентами расширения Ослабление давления между катодным стержнем и теплообменником происходит при разогреве катодного узла газообразным азотом После разогрева катодного узла, манипулятором можно вынуть отработавший катод и заменить его новым катодом После постановки катода, катодный узел вновь замораживается жидким азотом, тогда давление вновь возрастает. Максимальное давление между катодным стержнем и теплообменником ограничено применением пружинящих элементов в конструкции катодного узла

Хороший ВЧ контакт стержня с резонатором обеспечивается в конструкции, состоящей из коаксиальной линии с низким волновым сопротивлением, внутренним проводником в которой является катодный стержень Наружным проводником является трубка, связывающая ускоряющий резонатор и резонатор фильтра пробки

Заградительный фильтр предотвращает проникновение ВЧ мощности из резонатора во внешние цепи Заградительный фильтр представляет собой последовательно включенный сверхпроводящий фильтр пробку и нормально проводящий коаксиальный фильтр, встроенный в катодный узел (см рис. 3).

ft.ll

Сг

фильтр.

Коаксиальный фильтр, состоит из последовательности четверть-волновых отрезков коаксиального фидера с малым и большим волновыми сопротивлениями (см. рис.3, элементы с индексами 1 ^5). Собственная резонансная частота фильтра пробки равна рабочей частоте 1300 МГц, если его зазор равен Оар- 8 мм. Однако для настройки ВЧ фокусировки этот зазор дожжен изменяться на ±0.5 мм. Расчеты показали, что если коаксиальный фильтр будет иметь 5 последовательно включенных отрезков коаксиальной линии с чередующимися волновыми сопротивлениями, то излучаемая мощность во внешние цепи не будет превышать мощность потерь в стенках сверхпроводящего ускоряющего резонатора.

Для расчетов использовалась эквивалентная схема (см. рис.4). Предполагалось,, что внешняя нагрузка может принимать любые значения, соответствующие комплексной полуплоскости сопротивлений с положительными активными сопротивлениями. Сопротивление нагрузки для фильтра пробки определяется конформным преобразованием этой полуплоскости через параметры коаксиального фильтра. Полуплоскость нагрузок коаксиального фильтра преобразуется в круг на плоскости нагрузок фильтра пробки (см. рис.5). Диаметр этого круга лежит на положительной части действительной оси. Максимальное значение активного сопротивления в этой области нагрузок фильтра пробки - 2.4 Ом.

рРг,

Г

1

Рис. 4. Эквивалентная схема заградительного фильтра.

Рис. 5.

Глава 3 посвящена испытаниям прототипа сверхпроводящей ВЧ пушки.

Испытания прототипа сверхпроводящей ВЧ пушки проводились в ОЕБУ и в Россендорфе. Перерыв между этими испытаниями был 2 года. Резонатор в это время хранился под вакуумом.

В Г)Е8У резонатор ВЧ пушки испытывался на стенде, предназначенном для испытания 9-ти ячеечных структур типа ТЕ8ЬА. Испытания проводились в вертикальном криостате при Т = 2 К. В этих испытаниях,

\ ~£ 5

Рис. 6. Крепление катодного стержня.

вместо катодного узла, использовался узел, показанный на рис. 6. Было проведено три испытания: без фотокатодного медного стержня, с чистым медным стержнем без фотослоя и с нанесенным на его горце слоем теллура на молибденовой подложке, имитирующим фо го катод (см. рис. 7).

В первом испытании без стержня была получена собственная добротность на малом уровне ВЧ мощности

о No cathode stern, limited by FE • Cu cathode stem, limned by Quench О Си cathode starn, Mo+To 1эуе< on top, i.

Q=1010. Расчеты показывают, что поверхностное сопротивление в резонаторе фотопушки близко по величине к сопротивлению в резонаторах TESLA. Из-за своей формы, одиночные резонаторы TESLA имеют добротность 2-1010.

Максимальное поле на оси в

Resultsof the Vertical Cavity Testsat DESY TTF, ТЬ=2К /-г; i > .n i,,\

---------'- —^--- резонаторе (hIM,-J I ,\1 В/м)

ограничивалось тепловым пробоем из-за автоэмиссионных токов с края отверстия для стержня.

Во втором испытании, из-за уменьшения напряженности поля на краю отверстия со вставленным стержнем, максимальное поле в резонаторе о' 24' ' Va 1 зУ 1 з'б ' <о Em,» = 33 МВ/'м, ограничение

. MV/m

о * п

CivUv precaution П lOOjiBCP, ВООС.

IÎHM ВОР, К PR <1 ГшЫ ВСР, HPR О HPR

г-

Рис. 7. Результаты испытаний в DESY, Т=2 К.

определялось тепловым пробоем в максимуме магнитного поля на экваторе резонатора Bmax = 0.091 Т. В 9-ти ячеечных резонаторах TESLA максимальные поля ЕШах= 60 МВ/м, Втах = 0.12 Т; в одиночных резонаторах Bmaxv = 0.2. Т. Эти испытания подтвердили, что фильтр пробка хорошо предотвращает проникновение ВЧ мощности из резонатора. В третьем испытании резонатора со стержнем, имеющим слой теллура на молибденовой подложке, была измерена проводимость теллура при температуре 2 К. Она составила стТе=0.007^0.01 1/Ом-м. Пробоя в резонаторе не было. Максимальное: поле в резонаторе (Етах=29 МВ/м) ограничивалось из-за больших токов автоэмиссии из теллура, в условиях ограниченной мощности ВЧ генератора (Р<100 Вт) и при его недостаточно согласованной связи с резонатором. В DESY аналогичные фотокатоды в теплых ВЧ пушках, имея меньшие токи автоэмиссии, работают при Етах=50^-60 МВ/м.

Испытания ВЧ фотопушки при работе с пучком проводились в исследовательском центре Дрездена (FZD) В ускорительной лаборатории FZD специально для этого был создан стенд В состав испытательного стенда входил криогенный стенд с горизонтальным криостатом, лазерная система, система клистронного ВЧ генератора с подводящим волноводом, система диагностики электронного пучка и пульт с автоматизированной системой управления Для снабжения криостата жидким гелием использовалась существующая криогенная система сверхпроводящего ускорителя ELBE Эти эксперименты проводились при температуре 4 2 К Длительность электронных сгустков, эмитированных с фотокатода, была 5 псек Частота повторения - 26 МГц, заряд сгустков - 1 5-20 пКл, средний ток -10—130 мкА, энергия до 1 МэВ

Эксперименты в FZD показали, что характеристики резонатора не изменились в течение длительного срока хранения (2 года) В процессе трехнедельной работы с пучком, характеристики резонатора также не изменились Можно заключить, что при работе с фотокаюдом стенки резонатора не загрязняются В экспериментах была подтверждена работоспособность конструкции катодного узла, использующего принцип теплового расширения разнородных металлов для усиления давления в контакте фотокатодного стержня с теплообменником

Эти испытания прототипа, проведенные впервые, показали, что ВЧ характеристики резонатора (Q, Егаах, Втах) довольно хорошие При дальнейшем продолжении работ над ВЧ фотопушкой со сверхпроводящим резонатором, ее характеристики можно максимально приблизить к рекордным характеристикам резонаторов TESLA

Глава 4 посвящена описанию способов компенсации роста эмиттанса В ВЧ пушках, в начале, малый поперечный нормализованный эмиттанс сгусткоь растет из-за действия в протяженном сгустке сил пространственного заряда и из-за действия переменного электромагнитного поля В нормально проводящих ВЧ пушках, для компенсации роста эмиттанса (emittance compensation) в интенсивном пучке, используется фокусировка пучка с помощью соленоидов В сверхпроводящих резонаторах использование магнитостатического поля проблематично Поэтому проводился поиск других способов фокусировки пучка для компенсации роста его эмиттанса

Чис пенное моделирование динамики сгустков в ВЧ пушке проводилось для сгустков с длительностью 20 псек, имеющих однородную плотность электронов в поперечном сечении Ток в сгустке изменяется по форме трапеции с фронтами длительностью 1 или 2 псек Заряд электронных сгустков 1 или 2 нКл Ускоряющее поле на оси - Етах=50 МВ/м - меньше предельного на текущий момент Индукция магнитного поля на стенках резонатора Вшах< 0 2 Т Для расчетов использовалась программа ASTRA

Для компенсации роста эмитганса пучка в сверхпроводящей ВЧ пушке были предложены электрическая и магнитная ВЧ фокусировки. Электрическая ВЧ фокусировка создается ВЧ полем ускоряющей моды. Магнитная ВЧ фокусировка создается ВЧ полем высшей магнитной моды (ТЕ) в, резонаторе, возбуждаемая от отдельного генератора. Названия электрическая и магнитная ВЧ фоку сировки условные,

Рис. 8. Фотокатодный стержень в отверстии резонатора.

так как все ВЧ поля имеют электромагнитный характер, и это учитывалось в расчетах.

Для того, чтобы получить электрическую ВЧ фокусировку, катод должен быть углублен относительно стенки резонатора, Примерно, на <12 = -2 мм (см. рис.8).

При углублении катода в стенке резонатора происходит искривление силовых линий ускоряющего поля. Радиальные составляющие: этого поля образуют фокусирующую линзу. Оптическая сила этой линзы превышает дефокусирующие силы пространственного заряда возле катода, где из-за малой скорости фотоэлектронов эти силы наибольшие (~1//Зу). При малой скорости фотоэлектронов, интегрально, они получают больший фокусирующий импульс возле катода, чем дефокусирующий импульс сил на остальной части ускоряющего поля. Применение фотокатода со сферической поверхностью, при компенсации эмитганса электрической ВЧ фокусировкой, позволяет получить эмиттанс 1 п мм мрад для сгустков с зарядом в 2 раза зольш™ (2 нКл) по сравнению с плоским катодом (1 нКл).

Магнитная ВЧ фокусировка создается ВЧ полем магнитной моды ТЕ02| (см. рис.9). ТЕ мода возбуждается в резонаторе отдельным ВЧ генератором с мощностью 20-30' Ватт.

Рис. 9. Магнитные силовые линии ТЕ02; моды и электрические линии ТМо10 моды.

Для возбуждения магнитной моды ТЕ021 и ускоряющей моды ТМ.Ш0 используется один I ВВ°Д мощности. Магнитные силовые линии поля ТЕ моды напоминают силовые линии

------------соленоида. Резонатор на частоту ТЕ моды

специально не подстраивается. Частота ТЕ моды (~ 4285 МГц) может быть некратная частоте ускоряющего поля. После компенсации роста эмиттанса магнитной ВЧ фокусировкой (из-за переменного магнитного поля) нормализованные эмиттансы отдельных сгустков отличаются друг от друга меньше 3%. Согласно аналитическим исследованиям, фокусирующая сила

12

такой магнитной ВЧ линзы состоит из двух частей: 1) фокусирующей силы соленоида, имеющего такое же распределение индукции на оси, как распределение действующих значений индукции ТЕ моды; 2) переменной фокусирующей силы соленоида, зависящей от фазы ТЕ моды, которая экспоненциально убывает с ростом частоты ТЕ моды. На рисунках 10 и 11 пульсации эмиттанса обозначены толщиной линий на графиках.

Расчеты показывают, с увеличением углубления катода до 2 мм, эмиттанс уменьшается (см. рис.10). При углублении больше 2 мм, эмиттанс начинает расти, Аналогично при увеличении индукции поля магнитной ТЕ моды до 0.3 Т I см. рис. 11), эмиттанс уменьшается и возрастает при большей индукции. Максимальная индукция в суперпозиции магнитных полей ускоряющей и магнитной мод на стенках не превышает допустимые 0.2 Т (см. рис. 11).

0.5 1.0 1.5 2.0

dZ, mm

Рис. 10. Зависимость эмнтгагеа от углубления катода при ВЧ электрической фокусировке. (1) - 1 нКл, (2) - 2 нКл, дополнительно возбуждена TE02i мода с Bmlx =0.2' Т на оси.

Transverse Emittance

/V': \: 'Г И 1 \ ' \ ( i' * * \ Q=2nC /'

/ х/ Q=lnC

¡1 \ х

L RFgw, — Drift spoct

Г

0.2 0Д5 0.: Bmax, Т

Рис. 11. Зависимость эмитганса от индкции поля ТЕ моды на оси для сгустков 1 нКл. (1) - углубление катода dZ=2 мм , (2) - нет углубления, dZ=0 мм.

Beam Size

Рис. 12. Зависимость эмитганса от расстояния до катода при электри-ческой и магнитной ВЧ фокусировке.

Рис. 13. Зависимость поперечного размера сгустков от расстояния до катода. Кроссовер пучка в минимуме.

При оптимальных режимах получено уменьшение нормализованного эмиттанса в 4+5 раз. ВЧ фокусировка обеспечивает эмиттанс 1 я мм мрад для 2 нКл сгустков. В нормально проводящих ВЧ пушках с магнитостатической

фокусировкой, такой же эмитганс получен в расчетах БЕБУ для сгустков до 1 нКл Кроме того, ВЧ фокусировка обеспечивает оптимальное согласование электронного пучка с линаком, не требующее дополнительной фокусировки после пушки

При компенсации роста эмиттанса, минимальную величину эмитганс сгустков принимает на некотором расстоянии от пушки (см рис 12) Кроссовер пучка располагается чуть ближе этого расстояния (см рис 13) Для получения минимума эмиттанса за линаком, начало ускоряющего поля линака должно располагаться в кроссовере пучка Расстояние от пушки до кроссовера пучка растет с повышением энергии пучка ВЧ пушки и начинает превышать 1 м при 8-10 МэВ Такие энергии можно получить с применением трех дополнительных ускоряющих ячеек в ВЧ пушках Таким образом, ВЧ пушки с несколькими дополнительными ускоряющими ячейками уже можно располагать в отдельном от линака криостате

Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы*

1 В ИЯФ был разработан и изготовлен прототип фотопушки со сверхпроводящим резонатором Успешно решена проблема совмещения со сверхпроводящим резонатором нормально проводящего катодного узла Конструкция катодного узла [10] позволяет осуществлять замену катода без развакуумирования системы Обеспечивает поддержание низкой температуры катода, близкой к 80 К Обеспечивает хороший ВЧ контакт катода с резонатором и изоляцию его от резонатора по постоянному току, позволяющую подключать к нему потенциал в 1 - 2 кВ для подавления мультипакторного разряда

2 Исследован и разработан принцип работы и конструкция заградительного фильтра [12] Данный заградительный фильтр позволяет исключить влияние внешних цепей на работу ВЧ пушки Кроме того, позволяет настраивать электрическую ВЧ фокусировку пучка в ВЧ пушке перемещением фотокатода по оси в пределах ±0 5 мм

3 Разработаны новые технологии получения в фотопушках со сверхпроводящим резонатором интенсивных высококачественных пучков с малым эмиттансом [2, 8, 9, И] Для ВЧ фотопушки разработаны два новых способа ВЧ фокусировки пучка -электрическая и магнитная ВЧ фокусировки Оба способа вместе позволяют получать в ней сгустки с эмиттансом до 1 т мм мрад и с зарядом больше 2 нКл Рассчитаны оптимизированные параметры ВЧ фокусировки, при которой максимальные поля на поверхности резонатора не превышают предельно допустимые величины 0 2 Т

4 Испытания ВЧ характеристик прототипа, проведенные в научном исследовательском центре DESY [3], и испытания фотопушки с пучком, проведенные в научном исследовательском центре в FZD [6, 7], показали хорошую работоспособность всех ее частей и высокие ВЧ характеристики

5 За время работы по данной теме, с целью оптимизации параметров, автором было проведено большое количество численных расчетов (>200) динамики электронного пучка в ВЧ пушках с различными резонаторами, состоящими из 1, 15, 3 5 ячеек Для расчетов использовались современные программы LANS и ASTRA Проведенные аналитические выкладки подтверждают полученные результаты численного моделирования и позволяют сделать выводы обобщающего характера

Основные результаты диссертации, вклад соискателя (автора) в которые имел определяющий характер, опубликованы в следующих работах

• [10, 12] - конструкция сверхпроводящего узла, катодного узла и заградительного фильтра,

• [2, 8, 9, 11] - электрическая и магнитная ВЧ фокусировки пучка, автором рассчитаны варианты фотопушек, обеспечивающих эффект укорочения сгустков до суб-пикосекундной длительности [5] и фотопушек с большим током и низкими требованиями к эмиттансу для применения в промышленности!//J,

• [3, 6, 7] - испытания прототипа ВЧ пушки

• Автор разрабатывал технологию сварки ниобиевого резонатора и непосредственно проводил электронно-лучевую сварку резонатора на установке ИЯФ [1]

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах

1. Бибко С И, Вещеревич В Г, Волков В Н, Карлинер М М , Седляров И К. Сишатулин ШР Автоматизированная установка электроннолучевой сварки // Препринт ИЯФ 93-63, Новосибирск - 1993 - 15 с

2 Janssen D, Volkov V RF focusmg-an instrument for beam quality improvement m super conducting RF guns // Nucleai Instruments and Methods in Physics Research - A 452 -2000 -pp 34-43

3 D. Janssen, V Petrov, V Volkov, et al On the way to a superconducting RF-gun first measurement with the gun cavity // Nuclear Instruments and Methods m Physics Research -A445 -2000 - pp 408-412.

4 Volkov V N , Konstantinov S G, Kudryavtsev A M, Myskin О К, Petrov V M., Tribendis A G, Janssen D Application of auto cathode m a superconducting electron RF injector for the industry accelerators // Procid APAC01.-September 17-21,2001 -Beijing, Chma - pp 170-172

5 Volkov V N Generation of Sub-Picoseconds Electron Bunches in Superconducting RF Photocathode Injector // 2003 Particle Accelerator Conference - May 12-16, 2003, Portland, Oregon USA -pp 2044-2046

6 Janssen D, Petrov V, Volkov V, et al First operation of a superconducting RF-gun // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - A507.-2003 -pp. 314-317

7. D Janssen, S Konstantinov, J Kruchkov, О Myskin, V Peliov, A Tribendis, V Volkov (BINP), et al Measurements of the FZR Superconductmg RF Photoelectron Gun // 2003 Particle Accelerator Conference, May 12-16,2003, Portland, Oregon USA

8 К Flottmann, D Janssen, and V Volkov. Emittance compensation m a superconducting rf gun with a magnetic mode, Phys Rev ST Accel Beams 7, 090702 (2004)

9 Volkov V Photocathode 15 (1, 3 5) cell superconducting RF gun with electric and magnetic RF focusing // Совещание по численным расчетам сверхпроводящих ВЧ пушек - Берлин - 2-3 июня 2005 ■ www Fzd de/projects/ EUROFEL/MeetingBerlin_files/volkov ppt/ - 13 pp

10 VN Volkov, Ya.G Kruichkov.VM Petrov, A G Tribendis, D Tanssen Cathode assembly of superconductmg photocathode RF gun // RUPAC, Novosibirsk -15-18 September 2006

11 V N Volkov, V.M. Petrov, D Janssen Superconductmg photocathode RF guns II RUPAC, Novosibirsk -15-1S September 2006.

12. V N. Volkov, Ya G. Kruichkov, V M. Petrov, A.G. Tribendis, D ianssen Stop-filter of superconducting RF gun cathode assembly // RUPAC, Novosibirsk -15-18 September 2006

ВОЛКОВ Владимир Николаевич

Прототип электронного фотокатодного ВЧ инжектора со сверхпроводящим резонатором

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 16 11 2007 г Подписано к печати 17 11 2007 г Формат 100x90 1/16 Объем 1,0 печ л , 0,8 -изд л Тираж 100 экз Бестатно Заказ № 33

Обработано на IBM PC и распечатано на ротапринте ИЯФ им Г И Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090 пр Академика Лаврентьева, 11

Оглавление

Введение

ВЧ пушки с нормально проводящими резонаторами

ВЧ пушки со сверхпроводящими резонаторами

ВЧ фокусировка

Преимущества сверхпроводящих ВЧ пушек перед теплыми ВЧ пушками

Новые возможности использования сверхпроводящих ВЧ фотопушек

Устройство прототипа сверхпроводящей фотопушки

Работы над прототипом ВЧ пушки

Глава 1. Сверхпроводящий узел высокочастотного инжектора

1.1 Конструкция и изготовление резонаторов

1.1.1 Сверхпроводящие резонаторы

1.1.2 Электронно-лучевая сварка резонаторов

1.1.3 Настройка резонансной частоты

1.2 Ускоряющее ВЧ поле резонатора

1.2.1 Характеристики ускоряющей моды резонатора

1.2.2 Фокусирующее ВЧ поле в прикатодной области

1.2.3 Сферический катод

1.2.4 Зависимость характеристик резонатора от углубления катода

1.2.5 Тепловыделение в медном стержне

1.2.6 Максимальная напряженность электрического поля в резонаторе

1.3 ВЧ характеристики магнитной моды резонатора

1.3.1 Выбор магнитной моды

1.3.2 ВЧ характеристики моды TEo2i 35 1.3.3 Максимальная индукция магнитного ВЧ поля в резонаторе

1.3.4 Выводы

Глава 2. Катодный узел. Заградительный фильтр

2.1 Катодный узел

2.1.1 Конструкция катодного узла

2.1.2 Применение металлов с разными коэффициентами теплового расширения

2.2 Заградительный фильтр

2.2.1 Конструкция заградительного фильтра

2.2.2 Рабочая полоса настроек заградительного фильтра

2.2.3 Точность изготовления коаксиального фильтра

Глава 3. Испытание прототипа ВЧ пушки

3.1 Сравнительные характеристики сверхпроводящих резонаторов

3.2 Подготовка резонатора к испытаниям

3.2.1 Общие замечания

3.2.2 Предварительная очистка

3.2.3 Химическая полировка резонатора

3.3 Методика испытания сверхпроводящего резонатора

3.4 Испытание резонатора в вертикальном криостате

3.4.1 Испытание без фото катодного стержня

3.4.2 Испытание с фотокатодным стержнем без фотокатода

3.4.3 Испытание с фотокатодом

3.5 Испытание ВЧ фотопушки с пучком

3.5.1 Проведение испытаний

3.5.2 Анализ измерений добротности

3.5.3 Потери мощности вследствие автоэмиссии

3.5.4 Анализ нагрузки резонатора пучком

3.5.5 Характеристики фотокатода

3.6 Выводы

Глава 4. Компенсация роста поперечного эмиттанса пучка ВЧ фокусировкой

4.1 Моделирование пучка в ВЧ пушке

4.1.1 Общие замечания

4.1.2 Начальный эмиттанс пучка (термоэмиттанс)

4.2 ВЧ фокусировка электронного пучка

4.2.1 Электрическая ВЧ фокусировка

4.2.2 Магнитная ВЧ фокусировка

4.2.3 Дефокусировка пространственным зарядом

4.3 Аналитическое описание компенсации роста эмиттанса ВЧ фокусировкой

4.4 Численные расчеты эмиттанса

4.4.1 Методика расчетов

4.4.2 Влияние ВЧ фокусировки на компенсацию роста эмиттанса

4.5 Сверхпроводящие 3.5 ячеечные ВЧ фотопушки

4.6 Выводы 113 Заключение

Для создания излучения высокой мощности и высокой яркости в ЛСЭ и в источниках СИ, а также для других применений, требуются интенсивные релятивистские электронные пучки со сгустками, обладающими малым эмиттансом и большим зарядом. Современные возможности в получении высококачественных сгустков приближаются к эмиттансу порядка 1 я мм мрад и заряду 1 нКл.

Эмиттанс и заряд сгустков (Q) определяют яркость электронного пучка [1]:

П„ -£П„ здесь епх и епу - поперечный горизонтальный и вертикальный нормализованные эмиттансы пучка, At - длительность сгустка. Способ повышения яркости пучка - повышение пикового тока (I=Q/At) и снижение поперечного эмиттанса пучка.

Как правило, в ондуляторах нет фокусировки пучка из-за сложностей ее осуществления. Это обстоятельство накладывает дополнительные требования к пучку - его расходимость, определяемая поперечным эмиттансом, должна совпадать с расходимостью светового пучка, определяемой длиной волны излучения [2]:

А (2)

Здесь гх>у = ех или sy. Так при длине волны излучения Х=200А и энергии 100 МэВ (релятивистский фактор у~200), требуемый нормализованный1 эмиттанс должен быть 1.2 п мм мрад [3]. Для получения коротковолнового излучения, эмиттанс должен быть мал.

В настоящее время наиболее интенсивные и высококачественные пучки получают в ускорительных комплексах, состоящих из ВЧ фотопушки и из сверхпроводящего линейного ускорителя (линака). В связи с тем, что нормализованный эмиттанс пучка на выходе из линака

1 Нормализованный поперечный эмиттанс £пх>у=ру8хо,- инвариантная величина, которая сохраняется при ускорении сгустков в ускорителе. При ускорении поперечный эмиттанс (£х-у) уменьшается. Здесь Р — скорость частиц деленная на скорость света и у -релятивистский фактор, отношение полной энергии к энергии покоя частицы. может быть не меньше, чем на его входе, разумно обеспечивать его малую величину еще на стадии инжекции, на низкой энергии в инжекторе. Иначе, для компенсации эмиттанса на высоких энергиях, требуется применение дорогостоящих систем. Как правило, в качестве таких систем применяется дополнительное демпфирующее накопительное кольцо, в котором поперечный эмиттанс пучка за несколько оборотов уменьшается до равновесного значения из-за синхротронного излучения [4]. По стоимости такое кольцо сравнимо со стоимостью линака. Получение высокой мощности пучка в такой системе связано с большими затратами как в экономическом, так и в техническом плане и не всегда возможно.

Таким образом, инжекция интенсивных пучков заряженных частиц, обладающих малым поперечным эмиттансом, является важным фактором для обеспечения эффективности и экономичности линаков ЛСЭ и источников СИ высокой яркости и мощности излучения.

ВЧ пушки с нормально проводящими резонаторами

До сих пор ВЧ фотопушки выполнялись с нормально проводящими ускоряющими резонаторами. В ВЧ пушках, в начале малый поперечный нормализованный эмиттанс сгустков растет из-за действия в протяженном сгустке сил пространственного заряда и переменного электромагнитного поля. Для того, чтобы получить малый эмиттанс, в этих пушках применяется фокусировка с помощью магнитных полей соленоидов [5, 6] и большого темпа ускорения (порядка 20-К30 МэВ/м). При таком темпе ускорения на частоте 1300 МГц, на поверхности резонатора потери мощности достигают 16 кВт/см2. При охлаждении водой с медной поверхности возможно снять мощность не более 500 Вт/см2. Из-за этого фотопушки с теплыми резонаторами могут работать только в импульсном режиме. Высокий темп ускорения в непрерывном режиме можно получить только в сверхпроводящих резонаторах.

На протяжении последних 15-20 лет широкое распространение получили нормально проводящие (не сверхпроводящие) ВЧ пушки на частоту 1300 МГц, с двумя ускоряющими ячейками, так называемые 1.6 ячеечные фотопушки (впервые разработанные в Los Alamos National Laboratory [7] в 1986 году). В первой ячейке, которая на 40% короче второй ячейки, встроен фото катод. Такие ВЧ пушки теперь применяются в DESY (TTF)[8], BNL (ATF) и многих других лабораториях мира [9, 10].

Достаточно хорошо освоенной частотой является частота 1300 МГц, для которой промышленностью выпускаются мощные ВЧ клистроны. На такой частоте, для сохранения монохроматичности энергии, длительность сгустков должна быть не более 20 пикосекунд.

Такие сгустки можно получить только с фотокатода, облучаемого импульсным лазером. Наиболее подходящими фотокатодами, для этой цели, являются теллурид цезиевые (Cs2Te), имеющие на сегодняшний день наибольший квантовый выход (5%-^10%) [11]. Работа выхода таких фотокатодов - 4 эВ. Энергия квантов излучения лазера должна быть выше работы выхода. Наиболее подходящими является четвертая гармоника излучения инфракрасного лазера с длиной волны 266 нм, которую получают при двукратном преобразовании света лазера в устройстве, использующем нелинейные свойства кристалла. Такие лазеры могут работать с частотой повторения до 130 МГц. Средняя мощность излучения 4-ой гармоники в таком режиме, для получения электронных сгустков с зарядом 1 нКл (средний ток пучка 100 мА), составляет порядка 10 Вт.

По сравнению с периодом колебаний высокочастотного ускоряющего напряжения, длительность сгустков 20 псек достаточно мала для обеспечения монохроматичности энергии частиц в нем. Поскольку длительность сгустков мала, то плотность заряда велика и на характеристики пучка начинает влиять воздействие пространственного заряда. Влияние пространственного заряда наиболее сильно в начальной стадии ускорении нерелятивистских пучков, пока энергия частиц не достигла нескольких МэВ. Из-за этого необходим высокий темп ускорения (десятки МэВ на метр).

Высокий ускоряющий градиент электрического поля, который достигнут в ВЧ резонаторах пушки и фокусировка пучка с помощью магнитных полей соленоидов - ключевые факторы в получении электронных сгустков с большим зарядом и малым поперечным эмиттансом в теплых ВЧ пушках.

ВЧ пушки со сверхпроводящими резонаторами

Технология производства сверхпроводящих резонаторов разрабатывается в течение многих лет в DESY и является на сегодняшний день наиболее совершенной технологией производства в промышленных масштабах резонаторов на частоту 1300 МГц [12, 13]. В резонаторах TESLA достигнут рекордный темп ускорения 30 МэВ/м (Етах=60МВ/м). В DESY эти резонаторы применяются на сверхпроводящем линейном ускорителе TTF.

Впервые эксперимент с сурьмяно-цезиевым (Cs3Sb) фотокатодом в сверхпроводящем резонаторе был проведен в 1992 году в Вуппертале [14]. Из-за ограниченного финансирования и недостатка специалистов, эксперимент в основном проводился на существующем модифицированном оборудовании. В частности, в качестве прототипа ВЧ пушки использовалась одна ячейка сверхпроводящего резонатора на 3 ГГц. В состав прототипа также входил катодный фильтр и коаксиальный коллектор пучка, используемый также как ввод ВЧ мощности. Для облучения фотокатода использовался лазер с длиной волны 535 нм. Максимальный ускоряющий градиент был ограничен до 7 МэВ/м из-за электронной автоэмиссии.

Катодный узел и заградительный фильтр имели очень упрощенную конструкцию. Вместе с резонатором и катодом они охлаждались в жидком гелии. Резонатор заградительного фильтра не был сверхпроводящим, коаксиальный фильтр, расширяющий диапазон рабочих настроек, вовсе отсутствовал. В результате заградительный фильтр для работы требовал тщательной настройки и не мог работать при высоких ускоряющих градиентах в резонаторе.

Эксперимент показал, что квантовый выход (CsaSb) фотокатода при температуре 1.9К оставался таким же, как при 300К. Характеристики сверхпроводящего резонатора при работе фотокатода не менялись.

В 1995 году из FZD (научный центр в Дрездене) обратились в ИЯФ с предложением разработать и изготовить прототип ВЧ фотопушки на основе сверхпроводящего резонатора. Ожидалось, что применение сверхпроводящего резонатора позволит работать в непрерывном режиме. А также, применение новых технологий с использованием сверхпроводящих резонаторов обеспечит получение высококачественных пучков с эмиттансом 1 тг мм мрад в сгустках с зарядом больше 2 нКл. Частота повторения сгустков должна быть до 100 МГц. Длительность сгустков 20 псек. Ток электронов в импульсе 100 А. Плотность фототока 1000 А/см2. В случае успешной работы прототипа, предполагалось также разработать конструкцию 3.5 ячеечной сверхпроводящей ВЧ пушки с малым эмиттансом пучка.

В Ч фокусировка

В сверхпроводящих резонаторах применение статического магнитного поля проблематично. Поэтому, при создании сверхпроводящих ВЧ пушек, актуальной задачей является отыскание других способов поперечной фокусировки пучка. Для фокусировки пучка в сверхпроводящей ВЧ пушке были предложены электрическая и магнитная ВЧ фокусировки. Электрическая ВЧ фокусировка создается ВЧ полем ускоряющей моды [15, 16]. Магнитная ВЧ фокусировка создается ВЧ полем высшей магнитной моды (ТЕ) в резонаторе, возбуждаемая от отдельного генератора [17, 18]. Названия электрическая и магнитная ВЧ фокусировки условные, так как все ВЧ поля имеют электромагнитный характер, и это учитывалось в расчетах.

Для того, чтобы получить электрическую ВЧ фокусировку, катод должен быть углублен относительно стенки резонатора примерно на 2 мм. Углубление катода в стенке резонатора производит искривление силовых линий ускоряющего поля, радиальные составляющие этого поля образуют фокусирующую линзу. Разработанная и описанная в диссертации конструкция допускает прецизионную регулировку оптической силы линзы изменением углубления фотокатода в стенке резонатора.

Магнитная ВЧ фокусировка создается ВЧ полем магнитной моды ТЕогь ТЕ мода возбуждается в резонаторе отдельным ВЧ генератором с мощностью 20+30 Ватт. Для возбуждения магнитной моды TE02i и ускоряющей моды ТМою используется один ввод мощности. Магнитные силовые линии поля ТЕ моды напоминают силовые линии соленоида. Фаза ТЕ моды специально не подстраивается, частота ТЕ моды (4285 МГц) может быть не кратная частоте ускоряющего поля. Небольшие флюктуации оптической силы такой ВЧ линзы, за счет переменного ВЧ поля, не значительны (-3%), они экспоненциально уменьшаются с ростом частоты, при выборе магнитной ВЧ моды с более высокой резонансной частотой.

Расчеты показывают, с увеличением углубления катода до 2 мм, эмиттанс уменьшается. При углублении больше 2 мм, эмиттанс начинает расти. Аналогично при увеличении индукции поля магнитной ТЕ моды до 0.3 Т, эмиттанс уменьшается и возрастает при большей индукции. При оптимальных режимах получено уменьшение нормализованного эмиттанса в 4+5 раз. ВЧ фокусировка обеспечивает эмиттанс 1 микрон для 2 нКл сгустков. В нормально проводящих ВЧ пушках с магнитостатической фокусировкой, в расчетах DESY, получен такой же эмиттанс для 1 нКл сгустков. Кроме того, ВЧ фокусировка обеспечивает оптимальное согласование электронного пучка с линаком, не требующее дополнительной фокусировки после пушки [19].

При компенсации роста эмиттанса ВЧ фокусировкой, минимальную величину эмиттанс сгустков принимает на некотором расстоянии от пушки. Кроссовер пучка располагается чуть ближе этого расстояния. Для получения минимума эмиттанса за линаком, начало ускоряющего поля линака должно располагаться в кроссовере пучка [20,21].

Расстояние от пушки до кроссовера пучка растет с повышением энергии пучка ВЧ пушки, и начинают превышать 1 м при 8+10 МэВ. Такие энергии можно получить с применением трех дополнительных ускоряющих ячеек в ВЧ пушках. Таким образом, ВЧ пушки с несколькими дополнительными ускоряющими ячейками уже можно использовать в качестве инжекторов для линаков.

Преимущества сверхпроводящих ВЧ пушек перед теплыми ВЧ пушками

Отметим некоторые преимущественные отличия сверхпроводящих ВЧ пушек по сравнению с нормально проводящими ВЧ пушками:

• Возможность работы в непрерывном режиме или в режиме с такой скважностью, с которой работают современные сверхпроводящие ускорители.

• Из-за практически полного отсутствия потерь в сверхпроводящем резонаторе, почти вся ВЧ мощность, ограниченная по величине возможностями ВЧ ввода, передается в пучок. Это позволяет снабжать электронный пучок ВЧ мощностью в несколько раз большей, чем при использовании нормально проводящих резонаторов, либо использовать генераторы меньшей мощности.

• Возможность создания ВЧ пушек с большим количеством ускоряющих ячеек, которые позволяют получать электронные пучки с существенно более высокой энергией. Нормально проводящие многоячеечные резонаторы имеют трудно преодолимые сложности с их охлаждением.

• Длительное время жизни фотокатодов из-за практически полного отсутствия обратной бомбардировки фотокатода ионами остаточного газа [22], а также из-за полного отсутствия мультипакторного разряда на фотокатоде, возникающего в нормально проводящих ВЧ пушках в моменты включения и отключения ВЧ в прерывистом режиме работы, из-за наличия в них магнитного поля [23].

Новые возможности использования сверхпроводящих ВЧ фотопушек

Использование сверхпроводящих ВЧ пушек открывает уникальные возможности для развития новых технологий получения высококачественных электронных пучков. Численное моделирование предсказывает следующие их варианты:

• Получение электронных сгустков на энергию 10 МэВ с поперечным эмиттансом менее 1 % мм мрад и зарядом более 2 нКл (3.5 ячеечная фотопушка) [24].

• Получение коротких электронных сгустков на энергию 10 МэВ субпикосекундной длительности с пиковым током превышающим 1000 А. Результаты численных расчетов опубликован в работах [25, 26, 27].

• Получение качественных электронных пучков на энергию 4 МэВ со средним током, превышающим 100 мА [18], при частоте повторения сгустков 130 МГц.

11

• Возможность использования фото катода с вторичной эмиссией. Такие фотокатоды [28], при работе в сверхпроводящем резонаторе, имеют повышенный, на два порядка, квантовый выход электронов. Это позволяет применять более простые и дешевые лазерные системы в фотокатодном сверхпроводящем ВЧ инжекторе.

• Создание компактных промышленных ускорителей на энергию до 10 МэВ на основе сверхпроводящей ВЧ пушки, оборудованной автоэмиссионным катодом. Такие ускорители не требуют никаких лазерных систем. Проект такого ускорителя был разработан в ИЯФ по контракту с FZD [29].

Итак, ВЧ пушки на основе сверхпроводящих резонаторов обладают явными преимуществами в эффективности и экономичности, по сравнению с нормально проводящими ВЧ пушками. Кроме того, они способны обеспечить развитие новых технологий производства и инжекции высококачественных пучков.

Устройство прототипа сверхпроводящей фотопушки

В поставленном задании содержались технические ограничения. Резонансная частота должна быть 1300 МГц. Размеры резонатора и форма должны быть адаптированы к имеющемуся технологическому и испытательному оборудованию в DESY. Фотокатод должен быть заменяемым, так как срок его службы невелик. По опыту работы таких катодов в DESY, срок их службы порядка одного месяца [23, 30]. Катод должен был заменяться в резонаторе, находящемся при температуре 4.2 К в условиях высокого вакуума. Для этого должен был использоваться стандартный магнитный манипулятор.

На рисунке 1 показан прототип ВЧ фотопушки со сверхпроводящим резонатором [31].

Т--I - I --I-=-г

I , .V

0 100 200 300 400 500

Рисунок 1. Прототип ВЧ фотопушки со сверхпроводящим резонатором. 1-корпус, 2-заменяемый узел стержня, 3-катодный узел, 4-сверхпроаодящий узел.

Сверхпроводящим узлом ВЧ пушки является ускоряющий резонатор, резонатор фильтра пробки и связывающая их по оси трубка. Трубка имеет внутренний диаметр 012 мм. В эту трубку коаксиально вставлен цилиндрический катодный медный стержень диаметром 010 мм. На торцевую поверхность катодного стержня коаксиально нанесен фотокатод. Диаметр фотокатода ~03 мм.

Резонатор фильтра пробки является переходным элементом между нормально проводящим коаксиальным фильтром, встроенным в катодный узел, и сверхпроводящим резонатором ВЧ пушки. Изменяя углубление катода в резонаторе ВЧ пушки, можно настраивать электрическую ВЧ фокусировку пучка. Эта регулировка производится сдавливанием или растяжением резонатора фильтра пробки в пределах ±0.5 мм. Резонатор фильтра имеет тонкостенный корпус, позволяющий деформировать его вдоль оси на несколько миллиметров.

Амплитуда высокочастотного электрического поля на поверхности фотокатода составляет порядка 20+40 МВ/м. Мощность тепловых потерь вследствие протекания ВЧ тока по медному стержню, в сумме с мощностью поглощаемого в нем лазерного излучения (10 Вт), составляют порядка 30 Вт. Такой теплоприток к жидкому гелию в криостате слишком большой, если учесть, что тепловая мощность, снимаемая со стенок сверхпроводящего резонатора, при температуре 1.9 К, меньше 10 Вт.

Чтобы уменьшить теплоприток к деталям ВЧ пушки, охлаждаемых жидким гелием, катодный узел со стержнем должны быть изолированы от них вакуумным промежутком. При этом стержень должен иметь хороший высокочастотный электрический контакт с резонатором. Контакт по постоянному току с резонатором должен отсутствовать. Это, во-первых, дает возможность измерения тока пучка. Во-вторых, позволяет бороться с возможным мультипакторным разрядом в 1 мм промежутке около стержня. Такой разряд подавляется, когда на стержень подключено напряжение в несколько киловольт.

Катодный стержень должен интенсивно охлаждаться. Температура катодного узла должна быть достаточно низкой, чтобы поток мощности теплового излучения с катода на стенки сверхпроводящего резонатора был невелик. Для этого теплообменник с закрепленным на нем катодным стержнем, охлаждаются жидким азотом.

Так как катод заменяемый, то наряду с тем, что фотокатодный стержень должен сильно прижиматься к радиатору во время работы, он должен легко отсоединяться для перемещения в препарационную камеру. Во время отсоединения от охлаждающего теплообменника и во время постановки катода на место, давление между стержнем и теплообменником должно быть невелико. Это давление ограничено максимальным усилием, которое можно создать с помощью стандартного магнитного (вакуумного) манипулятора при вкручивании стержня в радиатор. Кроме того, усилие должно быть ограничено из-за наличия тонкостенных деталей тепловой развязки между резонатором и корпусом криостата.

Малая величина этого усилия обеспечивается подбором материалов с температурными коэффициентами расширения такими, что при разогреве катодного узла газообразным азотом, давление ослабевает, и манипулятором можно вынуть отработавший катод и заменить его новым катодом. После постановки катода он вновь замораживается жидким азотом, тогда давление вновь возрастает.

Хороший ВЧ контакт стержня с резонатором обеспечивается в конструкции, состоящей из коаксиальной линии с низким волновым сопротивлением, внутренним проводником в которой является катодный стержень. Наружным проводником является трубка, связывающая ускоряющий резонатор и резонатор фильтра пробки.

Заградительный фильтр предотвращает проникновение ВЧ мощности из резонатора во внешние цепи. Заградительный фильтр представляет собой последовательно включенный сверхпроводящий фильтр пробку и нормально проводящий коаксиальный фильтр, встроенный в катодный узел.

Коаксиальный фильтр, состоит из последовательности четвертьволновых отрезков коаксиального фидера с малым и большим волновыми сопротивлениями. Собственная резонансная частота фильтра пробки равна рабочей частоте 1300 МГц, если его зазор равен 8 мм. Однако для настройки ВЧ фокусировки этот зазор дожжен изменяться на ±5 мм. Расчеты показали, что если коаксиальный фильтр будет иметь 5 последовательно включенных отрезков коаксиальной линии с чередующимися волновыми сопротивлениями (см. табл. 2.3), то излучаемая мощность во внешние цепи не будет превышать мощность потерь в стенках сверхпроводящего ускоряющего резонатора. Для расчетов использовалась эквивалентная схема (рис. 2.6). Предполагалось, что внешняя нагрузка может принимать любые значения, соответствующие комплексной полуплоскости сопротивлений с положительными активными сопротивлениями. Сопротивление нагрузки для фильтра пробки определяется конформным преобразованием этой полуплоскости через параметры коаксиального фильтра. Полуплоскость нагрузок коаксиального фильтра преобразуется в круг на плоскости нагрузок фильтра пробки (см. рис. 2.8). Диаметр этого круга лежит на положительной части действительной оси. Максимальное значение активного сопротивления в этой области нагрузок фильтра пробки -2.4 Ом.

Работы над прототипом ВЧ пушки

Детали сверхпроводящего резонатора для ВЧ пушки изготавливались на экспериментальном производстве ИЯФ. Чашки резонатора формовались из листового ниобия по технологии «глубокой вытяжки» [32]. Сварка проводилась на автоматизированной установке электроннолучевой сварки [33], созданной для сварки ниобиевых резонаторов [34]. Для откачки на выкуум применялся магнитодиодный испарительный насос со скоростью откачки водорода 40000 литров в минуту (разработка ИЯФ). Это позволяло получить вакуум до 10~4 Па с низким парциальным давлением водорода, что было важно для качественной сварки ниобия. Разработана технология сварки и успешно проведена электронно-лучевая сварка тонкостенных ниобиевых частей резонатора.

Процедуры химической очистки резонатора при подготовке к испытаниям и проведение криогенных испытаний сверхпроводящего резонатора прототипа проводились на базе технологического оборудования в DESY. Для проведения пучковых испытаний ВЧ пушки, в

Россендорфе был создан испытательный стенд. В состав испытательного стенда входил криостат с системой охлаждения, препарационная вакуумная камера для подготовки фотокатодов, лазерная система для возбуждения тока из фотокатода, клистронный ВЧ генератор, автоматизированная система его управления и система диагностики электронного пучка.

Испытания сверхпроводящего резонатора [35], проведенные с нашим участием в Германии (DESY), показали его высокие характеристики - добротность Ю10 и максимальная напряженность ускоряющего поля на оси Етах=38МВ/м. Максимальная индукция магнитного ВЧ поля на стенках резонатора Втах=0.091 Т. Эти испытания прототипа, проведенные впервые, показали, что ВЧ характеристики резонатора довольно близки к рекордным показателям резонаторов TESLA (Q=2-1010, Emax =60 МВ/м, Bmax=0.2T) [13]. При усовершенствовании технологии подготовки резонаторов, эти характеристики должны улучшаться.

Пучковые испытания проводились на ускорительном стенде в Россендорфе, где успешно эксплуатируется сверхпроводящий ускоритель ELBE на структурах типа TESLA. Эти испытания [35] показали, что состояние сверхпроводящих свойств ВЧ резонатора не изменяется при работе фотокатода. Эффективность работы фотокатода в условиях криогенных температур не хуже, чем при комнатной температуре. Оценена электрическая проводимость слоя Cs2Te. Тепло, выделяющееся в слое и в катодном стержне вследствие ВЧ потерь, достаточно хорошо отводится катодным узлом. Конструкции резонатора и катодного узла показали хорошую работоспособность.

Проведенные работы по исследованию, созданию и испытанию прототипа ВЧ фотопушки подтвердили перспективность создания ВЧ фотопушек со сверхпроводящим резонатором. С использованием концепций, изложенных автором [36], в FZD начались работы по созданию 3.5 ячеечной ВЧ фотопушки для ускорителя ELBE, в которых принимали участие сотрудники ИЯФ. В лаборатории Дарсбери (Англия) проектируется создание аналогичной ВЧ пушки для сверхпроводящего ускорителя-рекуператора ЛСЭ, способной производить 100 мА пучки с малым эмиттансом. Проведенные ими расчеты фотопушки ELBE подтвердили расчеты автора. Во многих других лабораториях (BNL, BESSY и др.) также проектируется применение сверхпроводящих ВЧ пушек для ЛСЭ.

В настоящей работе описана конструкция основных узлов прототипа ВЧ пушки на основе одноячеечного сверхпроводящего резонатора. В первой главе описан сверхпроводящий резонатор; описаны процесс и технология изготовления сверхпроводящего резонатора ВЧ

16 пушки и оборудование, на котором он производился. Во второй главе описан катодный узел и заградительный фильтр. В третьей главе приведены результаты криогенных испытаний сверхпроводящего резонатора ВЧ пушки в вертикальном криостате в DESY, результаты пучковых испытаний прототипа в горизонтальном криостате; приведены оценки и результаты численных расчетов различных аспектов работы резонатора; описаны состав и элементы испытательного криогенного ВЧ стенда для экспериментов с пучком. В последней главе описаны два способа ВЧ фокусировки электронного пучка в сверхпроводящем резонаторе пушки без применения магнитостатических линз - электрическая и магнитная ВЧ фокусировки. Приведено аналитическое обоснованные результатов численного моделирования динамики пучка, демонстрирующие эффективность компенсации роста эмиттанса ВЧ фокусировкой пучка. В заключении обобщен полученный опыт работы с одноячеечной ВЧ пушкой.

Основные результаты работы докладывались на ускорительных конференциях (РАС, ЕР АС, АР AC, FEL) и опубликованы в лицензируемых журналах (Nucl. Instr. and Meth., Physical Review). Всего по теме диссертации опубликовано 30 работ, 4 из которых опубликованы в лицензируемых журналах [16, 24, 35, 37], издан препринт [33].

4.6 Выводы

• Компенсация роста поперечного эмиттанса ВЧ фокусировкой и высокий ускоряющий градиент ВЧ поля, являются ключевыми факторами в получении интенсивных пучков с малым эмиттансом в сверхпроводящих ВЧ пушках.

• Для того, чтобы разместить ВЧ пушку на удаленном расстоянии от ускорителя, в отдельном криостате, энергия пучка в ней должна быть высокой, для этого ВЧ пушка должна иметь многоячеечную ускоряющую структуру.

• ВЧ электрическая и ВЧ магнитная фокусировка по отдельности обеспечивают компенсацию эмиттанса более чем в 2 раза. Совместное их применение обеспечивает компенсацию эмиттанса более чем в 5 раз для 2 нКл сгустков (см. табл. 4.4).

• Оптимальная амплитуда максимума индукции магнитного поля на оси резонатора равна -0.3 Тесла. Оптимальное углубление катода в отверстии резонатора равно ~ -2 мм при максимуме электрического поля на оси 50 МВ/м.

• Фотокатоды со сферической вогнутой поверхностью при ВЧ электрической фокусировке эффективнее плоских - эмиттанс 1 мм мрад получен для 2 нКл сгустков, а в плоских -1 нКл.

• Флуктуации эмитанса с применением ТЕ моды достаточно малы по сравнению с компенсированным эмиттансом (3%), ими можно пренебречь (см. рис. 4.11).

• Область изменения режимов ВЧ пушки, в которой компенсированный эмиттанс пучка остается близким к своему минимуму, достаточно широка (см. табл. 4.3).

• Магнитная мода ТЕ021 типа, имеет наименьшее поле на стенках резонатора по сравнению с другими возможными типами ТЕ колебаний в резонаторе (см. табл. 1.4).

• Суммарная индукция магнитного поля на поверхности не превышает величин, при которых происходит тепловой пробой (< 0.2 Т). Большую роль а этом играет ортогональность векторов электрической и магнитной ВЧ мод, а также несовпадение на поверхности мест с максимумами амплитуд этих мод.

• ВЧ система для возбуждения ТЕ моды в резонаторе сравнительно недорогая, так как не требует высокой мощности генератора (< 30 Вт, см.табл. 1.5) и не требует системы для настройки резонансной частоты резонатора (см. раздел 4.2.2).

Заключение

Диссертационная работа посвящена исследованию, разработке и созданию прототипа электронного фотокатодного ВЧ инжектора со сверхпроводящим ускоряющим резонатором. В работе представлены результаты исследований новой ускоряющей структуры сверхпроводящего резонатора и резонатора фильтра пробки для фотокатодной ВЧ пушки. Конструкции катодного узла. Принцип работы и конструкция заградительного фильтра. Приведены результаты испытаний как резонатора фотопушки, так и всей фотопушки при работе с пучком. С целью получения малого эмиттанса сгустков с большим зарядом, проведены исследования по применению новых методов фокусировки пучка - ВЧ электрической и ВЧ магнитной фокусировке. Исследования проводились как численным моделированием, так и с применением аналитических выкладок.

Испытания ВЧ характеристик прототипа проводились в научном исследовательском центре DESY. Испытания фотопушки с пучком проводились в научном исследовательском центре в FZD. Проведенные испытания показали хорошую работоспособность всех ее частей и высокие ВЧ характеристики. На основе разработанной и испытанной в эксперименте конструкции прототипа ВЧ фотопушки, с учетом использования концепции получения высококачественных интенсивных пучков с малым эмиттансом, во многих лабораториях мира приступают к созданию ВЧ фотоинжекторов со сверхпроводящими резонаторами (FZD, Daresbury, BESSY, BNL и др.).

Помошь, содействие и дружеская поддержка многих людей, как в научном, так и в личном аспектах, позволили автору провести представленные в диссертации исследования и написать саму диссертацию. Поэтому автор считает своим долгом выразить свою искреннюю и глубокую благодарность всем, кто так или иначе причастен к данной работе. В первую очередь автор хочет выразить благодарность своему научному руководителю, к.т.н. В.М.Петрову, изобретательность, критическое мышление и часто неожиданный, но как правило, верный подход к решению научных и технических проблем которого оказали большое влияние на автора, а совместная работа с которым в институте ядерной физики СО РАН сформировала во многом научные интересы автора.

115

Автор приносит свою глубокую благодарность с.н.с. А.Трибендису за помощь в проведении и организации совместных экспериментов в DESY и FZD, широкие знакомства которого среди научного и управленческого состава этих научных центров способствовало быстрому продвижению экспериментов над прототипом сверхпроводящей ВЧ фотопушки; нынешним и бывшим членам группы лаборатории 6-2 ИЯФ за помощь во время проведения и планирования работ и в решении различных вопросов, в особенности И. Седлярову, Г. Куркину, Э. Горникеру, а также М. Карлинеру, В. Вещеревич, Д. Мякишеву; С. Беломестному за полезные замечания, высказанные по тексту диссертации. Успех данной работы был бы невозможен без помощи сотрудников других лабораторий, конструкторов и инженеров НКО ИЯФ и экспериментального производства ИЯФ: А. Бушуева, Я.Крючкова, О. Мыскина, А. Косарева, С. Константинова, М. Тиунова, А. Иванова, а также многих других коллег и сотрудников по Институту ядерной физики СО РАН.

Автор также благодарит дирекцию института за постоянную поддержку и внимание к работе: директора А.Н. Скринского, ученого секретаря A.M. Кудрявцева, также А.Т.Попова.

Автор также благодарит своих коллег из различных исследовательских институтов и организаций, в первую очередь главного заказчика и идейного вдохновителя проекта ВЧ сверхпроводящей фотопушки Д. Янсона (FZD) за научную и материальную помощь в работе; Клауса Флоттманна (DESY) за предоставленное и усовершенствованное программное обеспечение и помощь в расчетах, а также П. вом Штейна, М. Пекелера (ACCEL), А. Матейзена, В.-Д. Мюллера (DESY), X. Бютига, Й. Тайхерта (FZD), Й. Левеллена (BNL).

1. Reiser М. Theory and Design of Charged Particle Beams. Wiley, New York. - 1994. - 600 pp.

2. Маршалл Т., Лазеры на свободных электронах. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 238 с.

3. Smith T.I. Intense low emittance linac beams for free electron lasers // 1986 Linear Accelerator Conference Proceedings. SLAC-Report 303. - 1986. - pp. 421-426.

4. P. Raimondi, A. Wolski. New concepts for damping ring.// EPAC 2002. Paris. -2002. -pp.482484.

5. Carlsten B. New photoelectric injector design for the Los Alamos XUV FEL accelerator // Nuc. Instr.&Meth. 1989. - A 285. - pp. 313-319.

6. Colby E., Rosenzweig J. et al. Design and constructions of high brightness RF photoinjectors for TESLA// 1995 Particle Accelerator Conference. -1995. pp. 967-969.

7. Fraser J.S. et al. A new high brightness electron injector for free-electron lasers driven by RF linacs // Nucl. Instr. & Meth. -1986. A250. -pp. 71-76.

8. Krasilnikov M. et al. Characterization of the electron source at the Photo Injector Test Facility at DESY Zeuthen // Proc. FEL 2003, Tsukuba. Sept. 2003. - pp.333-335

9. Clendenin J.E. RF Photoinjectors // Proc. EPAC 1996. -1996. pp.298-301.

10. Russell Steven J. Overview of High-Brightness, High-Average-Current Photoinjectors for FELs // 24th International Free Electron Laser Conference & 9th FEL Users Workshop. 2002. -40 pp.

11. Travier Ch. High-Brightness Photocathode Electron Sources // AIP Proceedings 335. Nov. 1994.-pp. 57-74.

12. Proch D. et al. Achievement of 35 MY/m in the Superconducting Nine-Cell Cavities for TESLA // TESLA Report 2004-05. 2004. - 7 pp.

13. Proch D. et al., Superconducting TESLA cavities // Physical Review Special Topics -Accelerators and beams, vol.3, 092001. -2000. 25 pp.

14. Michalke A. et al. First Operation of the High Quantum Efficiency Photocathodes Inside Superconducting Cavities // Proceedings of the European Particle Accelerator Conference, Berlin, March 24-28,1992, pp. 1014-1016.

15. Volkov V., Janssen D. RF Focusing an Instrument for Beam Quality Improvement in Superconducting RF Guns // 7th European Particle Accelerator Conference. - Austria Center Vienna. - June 2000. - pp. 2055-2057.

16. Janssen D., Volkov V. RF focusing-an instrument for beam quality improvement in superconducting RF guns // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A 452.2000. pp. 34-43.

17. Volkov V., Janssen D. Emittance compensation in a superconducting RF photoelectron gun by a magnetic RF field // EPAC04, Lucerne, Switzerland. 5-9 July 2004. - pp. 330-332.

18. Floettmann К., Piot Ph. The TESLA X-FEL injector. // Proc. of the PAC2001. Chicago. - 2001. - pp. 2236-2238.

19. Ben-Zvi et al. Emittance compensation of compact superconducting guns and booster linac sistem. // Physical review special topics accelerator and beams 9, 044201. - 2006. - 9 pp.

20. Serafini L., Rosenzweig J.B. Envelop analysis of intense relativistic quasilaminar beams in rf photoinjectors: a theory of emittance compensation // Phys. Rev. E 55. -1977. pp. 7565-7575.

21. Результат численного моделирования динамики ионов водорода в ВЧ поле, проведенное Волковым для ВЧ пушки моикротрона-рекуператора в ИЯФ.

22. J. Н. Han et al. Dark current and multipacting in the photocathode RF guns at PITZ// Proceedings of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee. -2005.- pp.895-897.

23. Floettmann K., Janssen D., Volkov V. Emittance compensation in a superconducting RF gun with a magnetic mode // Phys. Rev. ST Accel. Beams 7, 090702 -2004. 6 pp.

24. Volkov V.N. Ultra short electron bunches with low longitudinal emittance in multi-cell superconducting RF Guns // 2003 Particle Accelerator Conference. May 12-16, 2003, Portland, Oregon USA. - pp. 2041-2043.

25. Volkov V.N. Generation of Sub-Picoseconds Electron Bunches in Superconducting RF Photocathode Injector // 2003 Particle Accelerator Conference. May 12-16, 2003, Portland, Oregon USA. - pp. 2044-2046.

26. V.N.Volkov, D. Janssen. Generation of sub-picosecond electron bunches from superconducting 5.3 cell RF gun and coherent wiggler radiation // PAC2001, Chicago, Illinois, USA. -June 18-20,2001.-pp. 2218-2220.

27. Ben-Zvi I., Chang X., Johnson P.D., Kewisch J., Rao T. Secondary Emission Enhanced Photoinjector // Particle Accelerator Conference 2005. 16.-20.05.2005, Knoxville, Tennessee, USA.-pp. 2711-2713.

28. H.H.Braun, K.Aulenbacher, R. Bossart et al. Results from the CLIC test facility// EPAC96, Sitges, Barselona. -10-14th June 1996.-pp. 42-46.

29. V.N.Volkov, Ya.G.Kruichkov, V.M.Petrov, A.G.Tribendis, D.Janssen. Cathode assembly of superconducting photocathode RF gun. // RUPAC, Novosibirsk. -15-18 September 2006.

30. Joseph L. Kirchgessner. Forming and welding of Niobium for superconducting Cavities// Proceeding of the Third Workshop on RF Superconductivity. -Argone. 1988. - vol. II, pp.533543.

31. Бибко С.И., Вещеревич В.Г., Волков В.Н., Карлинер М.М., Седляров И.К., Сингатулин Ш.Р. Автоматизированная установка электронно-лучевой сварки // Препринт ИЯФ 93-63, Новосибирск. 1993. - 15 с.

32. Janssen D., Volkov V., et al. First operation of a superconducting RF-gun // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. -A507. -2003. pp. 314-317.

33. V.N.Volkov, V.M.Petrov, D.Janssen. Superconducting photocathode RF guns // RUPAC, Novosibirsk. -15-18 September 2006.

34. Janssen D., Volkov V., et al. On the way to a super-conducting RF-gun: first measurement with the gun cavity // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A445. -2000. - pp. 408412.

35. Myakishev D.G., Yakovlev V.P. CLANS2-A Code for Calculation of Multipole Modes in Axisymmetric Cavities with Absorber Ferrites // Proceedings of the Particle Accelerator Conference, New York. 1999. - pp. 2775-2777.

36. M.M. Карлинер, V.G. Veshtcherevich, V.N. Volkov et al. Investigation of superconducting niobium 1170 MHz cavities// Proceeding of the Third Workshop on RF Superconductivity. -Argone. 1988. - vol. II, pp.651-663.i /2

37. Janssen, D., Volkov, V. et al. Status of the 3 cell SRF gun project in Rossendorf // Particle Accelerator Conference 2005. Knoxville, Tennessee, USA. - 16.-20.05.2005. - pp. 1081-1083.

38. Электронно- и ионнолучевая технология: Пер. с англ. М.: Металлургия, под ред. Н.А. Ольшанского, 1968. -443 с.

39. Малков М.П., Данилов И.Б., Зельдович А.Г., Фрадков А.Б. Справочник по физико-техническим основам криогеники М.: Ээнергоатомиздат, 1985. - 431 с.

40. Pagani С. et al. High brightness, long pulse, electron beam production with SC photo-injectors // Nucl. Instr. &Meth. 1994. - A340. - pp. 17-25.

41. Kim К,J. RF and space-charge effects in laser-driven RF electron guns // Nucl. Instr.&Meth. -1989.-A275.-pp.201-218.

42. Мейнке X., Гундлах Ф.В. Радиотехнический справочник: Пер. с Нем. М.: Государственное Энергетическое издательство, 1960. -416 с.

43. Князев Б.А., Кузьмин А.В. Поверхностные электромагнитные волны: основные свойства, формирование, транспортировка. Препринт ИЯФ Р2003-41. - 2003. -27с.

44. Padamsee Н., Knobloch J., Hays Т. RF superconductivity for accelerators. A Willey-Interscience Publication, John Willey & Sons, Inc., Cornell University, Ithaca, New York, 1998. -523 pp.

45. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике. Справочник. -Ленинград: Машиностроение, 1982. 312 с.

46. V.N.Volkov, Ya.G.Kruichkov, V.M.Petrov, A.G.Tribendis, D.Janssen. Stop-filter of superconducting RF gun cathode assembly // RUPAC, Novosibirsk. -15-18 September 2006.

47. Bernard P. et al. Superconducting Niobium sputter-coated copper cavities at 1500 MHz // in Proceedings of the Third European Particle Accelerator Conference, Berlin. 1992. - p. 12691271.

48. Graber J. High gradient superconducting systems // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 350-1994.-pp. 572-581.

49. Padamsee H. et al. New results on RF and DC field emission // Proceedings of the 4th Workshop on rf Superconductivity, Tsukuba, Japan. 1989. - pp. 207-209.

50. Safa H. et al. (Heat treatment of niobium at 1400C) // Proceedings of the 7th Workshop on rf Superconductivity. Gif-sur-Yvette, France. - 1995. -pp. 649-651.

51. Han J. H., Krasilnikov M., Floettmann K. Secondary electron emission in a photocathode rf gun // Phys. Rev. ST Accel. Beams 8, 033501. 8 March 2005. - 9 pp.

52. Janssen D., Btittig H., Evtushenko P., Freitag M., Hartmann В., Lehnert U, Michel P., Quast Т., Reppe В., Schamlott A., Schneider Ch., Schurig R., Teichert J. SRF-Gun Laborbericht / FZ Rossendorf, Germany. den 15.7.2002. - 57 pp.

53. ICildemo M., Calatroni S., Taborelli N., Breakdown and field emission conditioning of Cu, Mo, and W. // Phyzical Review Special Topics Accelerators and Beams.-V.7. 092003. - 2004. - 7 pp.

54. Carlsten B.E., Palmer D.T. Enhanced emittance compensation in a high-frequency RF photoinjector using RF radial focusing // Nucl. Instr. And Meth.- A 425. April 1999. -pp.37-50.

55. Luiten J., Bas van der Geer, M.J. de Loos, Kiewiet F.B., Marnix van der Wiel. How to Realize Uniform Three-Dimensional Ellipsoidal Electron Bunches // Phys. Rev. Lett., 93, (9) 094802-1 -094802-4. -2004.-pp. 123-133.

56. D. Janssen, S. Konstantinov, J. Kruchkov2, O. Myskin, V. Petrov, A. Tribendis, V. Volkov (BINP) et al. Measurements of the FZR Superconducting RF Photoelectron Gun // 2003 Particle Accelerator Conference, May 12-16, 2003, Portland, Oregon USA.

57. J. Sekutowicz et al., Proposed continuous wave recovery operation of an x-ra free electron laser// Physical review special topics accelerator and beams 8, 010701. - 2005. - 12 pp.

58. Floettmann K., Limberg Т., Piot Ph. Generation of ultra short electron bunches by cancellation of nonlinear distortions in the longitudinal phase space // TESLA-FEL Report 2001-06, DESY, Germany. June 12, 2001.- 5 pp.

59. Floettmann K. ASTRA user manual // available on the internet: http://www.desy.de/~mpyflo /Astra dokumentation.

60. Floettmann K. Note on the thermal emittance of electrons emitted by Cesium Telluride photo cathodes // DESY-TESLA-FEL Report 97-01. Feb. 1997. -7 pp.

61. V. Miltchev et al. Transverse emittance measurements at the Photo Injector Test Facility at DEZY Zeuthen// adweb.desy.de/pitz/web/tuovi/tupos09paper.pdf. -2006. -4 pp.

62. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 438 с.

63. Floettmann К. Some basic features of the beam emittance // Phyzical Review Special Topics -Accelerators and Beams. V.6. 034202. - 2003. - 7 pp.

64. Janssen, D. , Patent: DE 10 2004 005 612 Al, Registration 03.12.2004, No. 6897. 3 pp.

65. J.R. Pierce. Rectilinear electron flow in beams//Journal of applied physics, -volume 11. -August, 1940.-pp. 548-554.121

66. Janssen, D., Volkov V., et.al. Technology Challenges for SRF Guns as ERL Sources in View of Rossendorf work // 32 nd Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop on Energy Recovering Linacs ERL 2005. Jefferson Laboratory„Newport News, USA. - 19-23.03.2005.

67. V.Volkov, M.Karliner, V.Petrov, I.Sedlyarov, A.Tribendis, D.Janssen, P.vom Stein, Beam dynamics in RF-gun cavity with a modified first cell // Proceedings of the 1997 РАС, Vancouver, В/С/, Canada. -12-16 May 1997. -pp.2796-2798.

68. Beard C.D. et al. 3-1/2 cell superconducting RF gun simulations.//EPAC 2006, to be published.

69. Kramer D., Jaeschke E., Eberhardt W. The BESSY soft X-ray Free Electron Laser. // Technical Design Report, BESSY, March 2004. {L.H.Yu, J.Wu, NIM A483. 2002. - pp. 493-498.

70. Marhauser F. Photoinjector studies for the BESSY soft X-ray FEL.//Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland. 2004. pp. 315-317.

71. V. Parkhomchuk and I. Ben-Zvi, Brookhaven National Laboratory Report No. C-A/AP/47, 2001.

72. I. Ben-Zvi et al. Extremaly high current, high-brigtness energy recovery linac. // Particle Accelerator Conference 2005. Knoxville, Tennessee, USA. - 16.-20.05.2005. - pp. 1151-1153.

73. Todd A.M.M. et al. State-of-the-art electron guns and injector designs for energy recovery linacs (ERL)// Particle Accelerator Conference 2005. Knoxville, Tennessee, USA. - 16.-20.05.2005. -pp. 2292-2294.

74. M. Ferrario. Frontiers of RF photoinjectors.// Particle Accelerator Conference 2005. Knoxville, Tennessee, USA. - 16.-20.05.2005. - pp. 530-532.

75. M. Ferrario et al., "HOMDYN Study For The LCLS RF Photo-Injector" // Proc. of the 2nd ICFA Adv. Acc.Workshop on "The Physics of High Brightness Beams", UCLA, Nov., 1999, see also SLAC-PUB-8400.

76. Xiang R. et al. DC-SC photoinjector with low emittance at Peking university // Particle Accelerator Conference 2005. Knoxville, Tennessee, USA. - 16.-20.05.2005. - pp. 3325-3327.

77. Kneisel P. et al. Preliminary results from a superconducting photocathode sample cavity // Particle Accelerator Conference 2005. Knoxville, Tennessee, USA. - 16.-20.05.2005. - pp. 2956-2958.