Развитие электронно-оптических систем мощных импульсных клистронов для линейных коллайдеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ.

§1.1 MBGUN - специальный 3D код для численного моделирования релятивистких многоструйных электронных пушек.

§ 1.1.1 Алгоритмы расчета электрических и магнитных полей.

§ 1.1.2 Моделирование интенсивного многоструйного пучка.

§ 1.1.3 Тесты и примеры расчета.

§ 1.2 Расчет аксиально-симметричных электронно-оптических систем.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОЩНОЙ РЕЛЯТИВИСТКОЙ МНОГОСТРУЙНОЙ ПУШКИ ДЛЯ КЛИСТРОНА ВЛЭПП.

§2.1 Структура многоструйного потока.

§ 2.2 Формирование многоструйного пучка. Оптимальный ток.

§ 2.3 Эффекты перераспределения напряжения по ускорительной трубке.

§ 2.4 Результаты экспериментального исследования и обсуждения.

ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

МОЩНЫХ РРМ КЛИСТРОНОВ С ДИОДНЫМИ ПУШКАМИ.

§3.1 Диодная пушка с повышеной сходимостью пучка для мощного

X-band РРМ клистрона.

§3.1 .1 Формирование пучка в ускорительной трубке.

§3.1 .2 Реверсные разборные линзы.

§3.1 .3 Экспериментальное исследование.

§3.2 Оптика Toshiba PPM клистрона.

§3.2.1 Перестраиваемый пучок.ЮЗ

§3.2.2 Гибридные линзы.ПО

Линейные электрон-позитронные коллайдеры в настоящее время являются одним из основных направлений развития физики высоких энергий в мире. Их идея, впервые сформулированная в Российском проекте ВЛЭПП (Встречные Линейные Электрон - Позитронные Пучки), стимулировала появление и развитие таких хорошо известных сейчас проектов, как: NLC (SLAC ,США), JLC ( КЕК, Япония) , CLIC (CERN), TESLA (Германия). Все эти проекты предусматривают создание линейных ускорителей с темпом ускорения ~ 50-150 МэВ/м и полной энергией ~ 0.5-1 ТэВ, "стреляющих" навстречу друг другу сгустками электронов и позитронов.

Ускорители, рассматриваемые в проектах NLC, JLC, ВЛЭПП, представляют собой "классическую" СВЧ структуру Х-диапазона с нормальной проводимостью, работающую в импульсном режиме. Центральной проблемой в таком подходе является проблема мощного СВЧ источника, используемого для питания ускоряющих структур. Для обеспечения требуемого высокого темпа ускорения такие источники должны иметь импульсную выходную мощность не менее 50-100 МВт в течение времени ~1 мксек при частоте повторений -100 Гц. При этом общее число таких приборов на ускорителе должно составлять несколько тысяч [1-4].

В настоящее время в качестве основного типа СВЧ источника для линейного коллайдера рассматриваются мощные импульсные клистроны с РРМ фокусировкой. ( PPM - Periodical Permanent Magnet, русское название МПФС - Магнитная Периодическая Фокусирующая Система) Разработка этих приборов осуществляется в рамках зарубежных проектов NLC, JLC, а также в филиале ИЯФ (г. Протвино) по Российской Программе Физики Высоких Энергий.

Исторически мощные клистроны для линейных ускорителей развивались преимущественно в S - диапазоне (длина волны 10 см). Электронный пучок в них формировался в диодной пушке типа Пирса, а для фокусировки пучка в пролетном канале использовалось соленоидальное магнитное поле. Высоковольтное питание этих приборов осуществлялось при помощи модулятора с характерным импульсным напряжением в несколько сотен киловольт. К началу 90-х годов по этому принципу уже были разработаны и использовались в ускорителях приборы мощностью -50 МВт ( например, клистрон SLAC 5045).

После появления проектов линейных коллайдеров NLC, JLC, ВЛЭПП основные усилия по разработке мощных клистронов стали направляться в Х-диапазон (длина волны ~ 2см). Первые X-Band клистроны, сделанные группами NLC, JLC, так же, как и клистроны S-диапазона, имели соленоидальную фокусировку. При микропервеансе пучка ~ 1.2 и напряжении на модуляторе 400-500 кВ в этих приборах была достигнута выходная мощность ВЧ на уровне 50-75 МВт и, соответственно, электронный КПД 35-43 %. (см. Таблицу 1). Однако мощность, потребляемая соленоидом Х- Band клистрона, оказалась чрезмерно большой. Например, для клистрона XL-4 (SLAC) ее величина составила ~ 20 кВт, соответственно, для ХВ72 (КЕК, Япония) - -30 кВт. При средней выходной мощности ВЧ в несколько десятков кВт полный КПД клистрона (от сети) в этом случае уменьшается, по меньшей мере в двое, что при количестве клистронов в несколько тысяч сильно увеличивает энергетику всего ускорителя. По этой причине вслед за российским проектом ВЛЭПП группами NLC, JLC начали разрабатываться клистроны с РРМ фокусировкой [5].

Укажем также, что переход на РРМ фокусировку перевел на второй план и другие мощные СВЧ источники с соленоидальной фокусировкой (например, Магникон), рассматриваемые ранее как альтернатива клистрону в линейном коллайдере [9,10].

Параметры существующих и развиваемых в настоящее время мощных X-band PPM клистронов с диодными пушками приведены в Таблице 1.

Клистрон XL-4 (SLAC) XB72 (КЕК) XL-PPM (SLAC) 75ХР (SLAC) BINP РРМ (ФИЯФ) Toshiba РРМ (КЕК)

Частота 11.424 Ггц

Тип фокусировки Соленоид Соленоид РРМ РРМ РРМ РРМ

Рабочее Напряжение 400 Кв 466 кВ 470 кВ 490 -548кВ 550 кВ 480-514 Кв

Выходная Мощность 75 МВт 50 МВт 50 МВт 72-84 МВт 77 МВт 72 МВт

Электронный Кпд 43% 35% 55% 43-49% 38% 47%

Микропервеанс 1.2 1.05 -1.3 0.6 0.75 0.93 0.8

Мах. Плотность Тока на катоде 8.75 А/см2 12 А/см2 7.4 А/см2 7.71 А/см2 3.8 А/см2 10. А/см2

Таблица 1. Параметры существующих и развиваемых Х-Ьап<1 клистронов с диодными пушками

В этом классе приборов первый Х-Ьапё РРМ клистрон (ХЬ-РРМ) был построен в 1996 г. в БЬАС. Этот прибор имел относительно малый микропервеанс - 0.6, но на проектном напряжении ~ 470 кВ показал рекордный КПД - 55% при выходной мощности 50 МВт. Успешные испытания ХЬ - РРМ стимулировали развитие другой, более мощной, серии клистронов 8ЬАС - 75ХР, ориентированной на получение мощности 75 МВт. В этих приборах микропервеанс пучка был увеличен до 0.75 и, соответственно, достигнутая выходная мощность ВЧ составила 72-84 МВт. Однако полученный КПД в 75ХР составил в среднем за импульс ВЧ » 43%

Рис.1 Общий вид клистронов SLAC XL-4 -с соленоидальной фокусировкой, XL-PPM -с РРМ фокусировкой при проектной величине да 55%. Причем мощность на уровне 75-80 МВт была достигнута на напряжениях 530-550 кВ, заметно превышающих проектное напряжение 480 кВ.

Все РРМ клистроны, сделанные в SLAC, являются экспериментальными и не имеют водяного охлаждения пролетной трубы. По этой причине частота повторений ВЧ импульсов на них мала и не превышает нескольких герц. Другим их существенным недостатком является большая трудоемкость сборки магнитной системы, что сильно затрудняет их промышленное производство. Так, например в XL-PPM, магнитные линзы, согласующие сформированный пушкой пучок с полем РРМ, выполнены в виде трех аксиально-симметричных катушек. При характерной потребляемой мощности в несколько сот ватт эти катушки требуют принудительного водяного охлаждения, поэтому намотка их непосредственно на клистрон (как предусмотрено) довольно проблематична. Постоянные магниты РРМ в клистронах SLAC выполнены в виде полуколец (около 80 шт.), причем их сборка также осуществляется непосредственно на клистроне [5-8].

Для больших промышленных серий клистронов, требуемых для линейного коллайдера, важным является развитие модульного принципа. Суть здесь заключается в том, что элементы клистрона, не связанные с электровакуумным производством, такие, как РРМ, согласующие магнитные линзы, должны быть выполнены в виде отдельных законченных модулей, сочетающих как простоту их сборки на приборе, так и возможность многократного использования. Такой подход значительно упрощает и удешевляет производство РРМ клистронов, однако требует развития новых оптических (магнитных) систем. Модульный принцип построения магнитной системы может быть реализован в так называемых clamp-on системах, (clamp-on в переводе означает зажим) [5]. В этом случае магнитная система, формирующая аксиально-симметричное поле, как бы "разрезается" на две половинки вдоль пролетной трубы клистрона, а получившиеся от этого части объединяются в модули. Для установки такой системы на прибор необходимо только наложить эти модули на пролетную трубу и сжать их между собой. Принцип clamp-on может быть реализован для сборки постоянных магнитов в РРМ, однако совершенно не подходит для согласующих магнитных линз с токовыми катушками, наматываемыми вокруг оптической оси клистрона. Дальнейшее развитие этого принципа приводит к необходимости изучать и разрабатывать новые типы согласующих линз, а также способы построения оптических систем клистронов с такими линзами.

Еще одной важной задачей для клистронов с диодными пушками является увеличение их срока службы. Срок службы клистрона ограничивается в основном сроком службы катода и при характерной 0 рабочей плотности тока 7-10 А/см (см. Таблицу 1) составляет не более 15

20 тыс. часов. При таких параметрах, как нетрудно убедиться, вся масса клистронов ускорителя (несколько тысяч) должна заменяться через 2-3 года работы. Понижение рабочей плотности тока на катоде и соответстенно увеличение его срока службы может быть достигнуто при использовании электронных пушек с повышенной компрессией. Например, при переходе на плотность тока 3-4 А/см ресурс катода может быть увеличен в несколько раз 50 тыс. часов) [51]. Однако с повышением компрессии начинают возрастать технические трудности разработки пушек. Формируемый электронный пучок становится более чувствительным к качеству сборки прибора, его магнитной системы, качеству катода и т.д. В условиях промышленного производства эти факторы являются крайне нежелательными, поэтому в большинстве существующих и развиваемых в настоящее время клистронах, компрессия электронного пучка по площади невелика и составляет величину (100- 150): 1. Дальнейшее повышение компрессии электронного потока должно сопровождаться развитием новых пушек, менее чувствительных к точности сборки, чем стандартные, а также допускающих коррекцию полученных пучком возмущений ( в случае их присутствия).

Таким образом для РРМ клистронов с диодными пушками к числу основных задач требующих дальнейшего исследования, можно отнести следующие: повышение импульсной и средней выходной ВЧ мощности, повышение КПД, увеличение срока службы, разработка простых и компактных конструкций типа "зажим"(с1ашр-оп), упрощающих промышленный выпуск этих приборов. В целом все эти задачи напрямую связаны со стоимостью всего проекта линейного коллайдера и рассматриваются как основные.

Клистроны BINP1 РРМ и Toshiba РРМ, также указанные в таблице 1, начали разрабатываться несколько позднее клистронов SLAC.

1 BINP-Branch of the Institute of Nuclear Physics

В диссертации рассмотрены оптические системы этих приборов и их элементы. Их развитие было направлено не только на получение высокой ВЧ мощности, но и на решение других, указанных выше задач.

Одним из серьезных недостатков клистронов с диодными пушками является необходимость использования модуляторов с напряжением ~500кВ. Последние являются довольно громоздкими и дорогими устройствами. Современные разработки модуляторов направлены на уменьшение их габаритов и удешевление, однако позволяют рассчитывать на ресурс работы только в ~ 10-15 тыс.часов [5]. Поэтому, несмотря на довольно успешную динамику развития клистронов с диодными пушками, эта схема не является окончательно выбранной для линейного коллайдера. Поиск новых путей осуществляется непрерывно. Например, можно отметить недавно появившийся интерес к многолучевым клистронам, позволяющим повысить в несколько раз первеанс пучка и тем самым при одинаковой мощности понизить рабочее напряжение модулятора [11,13].

Альтернативой модуляторам может служить использование сеточного управления в клистроне, что позволяет создавать более дешевые и компактные схемы высоковольтного питания с постоянным напряжением [12]. В этом случае высоковольтный изолятор клистрона должен находиться под постоянным напряжением, а формирование электронного пучка осуществляется подачей отпирающего импульса на управляющую сетку. Ключевой проблемой на этом пути является проблема формирования электронного пучка. Другими словами, формируемый сеточной пушкой электронный пучок при заданных значениях тока и энергии должен иметь достаточно малый поперечный размер и приемлемый для получения ВЧ фазовый объем.

Недостатки сеточных пушек хорошо известны. Так, например, в электронных пушках с тонкой управляющей сеткой токоперехват на сетку достигает десятков процентов, что приводит не только к ее дополнительному нагреву, но и к появлению заметной доли отраженных электронов, ухудшающих характеристики формируемого пучка. Другой тип - пушки с теневой сеткой не имеют практически токоперехвата, однако из-за своей специфики формируют сильно неламинарные потоки электронов [19]. Серьезную проблему для указанных выше пушек представляет высокая рабочая температура сеток, что требует развития специальных технологий для подавления с них паразитной эмиссии (при постоянном высоком напряжении в сотни киловольт). Для мощных приборов более привлекательными являются многоструйные пушки. Электронный пучок в них как бы складывается из отдельных микролучей, формируемых микропушками (рис.2). Управляющая сетка здесь может быть сделана достаточно толстой, что позволяет организовать с нее эффективный теплоотвод и тем самым решить проблему паразитной эмиссии.

Работы по разработке мощных X-band PPM клистронов с сеточным управлением были выполнены в ИЯФ - ФИЯФ (Новосибирск-Протвино) в рамках программы ВЛЭПП. Электронный пучок в этих приборах с током с 100-150 А формировался многоструйной пушкой в ускорительной трубке при напряжении ~ 1000 кВ. Сопровождение пучка в пролетной трубе клистрона осуществлялось магнитным полем РРМ. Рабочая частота ВЛЭПП клистрона была 14 Ггц. Диаметр пролетного канала 11 мм.

Управляющая сетка

Рис.2 . Схема многоструйной пушки.

Эксперименты по получению ВЧ мощности были выполнены на установке ЭЛИТ-Л2 (ИЯФ, Новосибирск), формирующей колоколообразный импульс высокого напряжения длительностью ~ 100 мксек от трансформатора Тесла. Отпирание пушки клистрона осуществлялось в момент максимума высокого напряжения на время 0.8 мксек. Достигнутая ВЧ мощность на разных версиях этого прибора составила 40-70 МВт [13,14].

Эти работы можно рассматривать как демонстрационные или как показывающие принципиальную возможность получения высокой выходной ВЧ мощности в клистронах с сеточным управлением. Во всех экспериментах на ЭЛИТ Л2 токопрохождение через пролетный канал клистрона находилось на уровне 80-85%. В тоже время прикладываемое непостоянное высокое напряжение от трансформатора Тесла в значительной степени снимало проблему электрической прочности ускорительной трубки.

С точки зрения перспектив мощных клистронов с сеточным управлением очень важным является возможность создания широко апертурного клистрона. Эти работы были выполнены также по программе ВЛЭПП в ОИЯИ (Дубна). Электронный пучок от ЛИУ с током 250 А, энергией 1000 кэВ и длительностью 250 нсек вводился в пролетный канал ВЛЭПП клистрона с диаметром 15 мм (!), т.е. диаметр пролетного канала был увеличен почти в 1.5 раза. Сильное увеличение диаметра пролетного канала, как правило, приводит к появлению и развитию ВЧ неустойчивостей в клистроне, поэтому в трубы канала был вставлен поглотитель на основе жидкого стекла и графита. Достигнутая в экспериментах выходная мощность составила 100 МВт при усилении 80 Дб. ВЧ неустойчивости, причем очень сильные, наблюдались только в экспериментах без поглотителя, после установки поглотителей они полностью исчезли. Отметим, что мощность в 100 МВт, полученная в и этих экспериментах в 1996 г., является рекордной (для Х-диапазона) и в настоящее время [15].

Сочетание широкоапертурного клистрона с сеточным управлением значительно упрощает проблему токопрохождения в приборе и позволяет рассматривать эту схему в качестве серьезного конкурента клистронам с модуляторами.

Дальнейшее развитие этой темы, очевидно, требует изучения возможностей по улучшению свойств, формируемого многоструйной пушкой пучка и исследования клистрона (ускорительной трубки) на реальном постоянном напряжении (именно это является серьезным преимуществом перед модуляторами). Важной задачей является повышение рабочего микропервеанса прибора, что при одинаковой мощности формируемого пучка позволяет понизить величину питающего постоянного напряжения. Для устранения этих проблем необходимо развитие эффективных методов расчета многоструйных пушек, поскольку сложная трехмерная геометрия таких систем с большим количеством мелкоструктурных деталей практически не позволяет проводить их прямой полномасштабный расчет и тем более оптимизацию. В тоже время проектирование по двумерной модели, выполненное первоначально для многоструйной пушки клистрона ВЛЭПП, оказалась слишком грубым.

Заметим, что схема с сеточным управлением на постоянном напряжении довольно давно используется в маломощных клистронах, однако в мощных никогда не применялась. Наиболее мощные приборы (из известных), работающие на этом принципе, формируют пучки мощностью не более 10 МВт. Для клистрона линейного коллайдера как начальный уровень мощности в пучке можно рассматривать величину 80-100 МВт, что при КПД 50-60%, позволяет рассчитывать на достижение ВЧ мощности -50 МВт.

В настоящее время ни один из рассмотенных выше типов клистронов (с диодными пушками и с сеточным управлением) не выбран окончательно для коллайдера. Поэтому с точки зрения перспектив актуальным является развитие обоих, что позволило бы в будущем выбрать наилучший.

Диссертация посвящена развитию электронно-оптических систем мощных импульсных клистронов для линейных коллайдеров. Цели диссертационной работы.

1. Развитие эффективной численной модели для расчета релятивистких многоструйных пушек

2. Численный анализ и экспериментальные исследования при постоянном напряжении оптики мощной релятивисткой многоструйной пушки, обеспечивающей суммарную компрессию более 100 в РРМ клистроне ВЛЭПП.

3. Изучение новых способов построения оптических систем мощных РРМ клистронов с диодными пушками и их элементов, способствующих повышению эффективности использования этих приборов в линейном коллайдере.

Научная новизна и практическая ценность.

1. Предложен и развит в виде кода MBGUN (Multi-Beam Gun) метод расчета многоструйных электронных пушек на основе эквивалентной модели трехмерного интенсивного многоструйного релятивисткого пучка в аксиально-симметричной системе электродов пушки. Показана и реализована возможность построения полностью самосогласованных решений для многоструйной пушки. На основе расчетов реальных оптических систем показано, что MBGUN обеспечивает достаточно высокую скорость решения задач, при этом результаты расчетов значительно лучше соответствуют эксперименту, чем аналогичные, построенные по двумерным моделям.

2. Впервые иследована мощная релятивисткая многоструйная пушка, формирующая пучок в ускорительной трубке при постоянном напряжении и обеспечивающая суммарную компрессию пучка по площади более 100 для РРМ клистрона ВЛЭПП. С целью увеличения тока (первеанса), соответствующего минимуму эмиттанса сформированного пучка, а также для уменьшения величины самого эмиттанса изучены вопросы выбора начальной структуры многоструйного потока, выбора конфигурации электродов в трубке, выбора формы, размеров и конструкций микропушек, формирующих струи. Исследовано влияние на оптику пучка перераспределения напряжения по ускорительной трубке, возникающего в установках с постоянным напряжением при отпирании пушки.

Итогом исследований является разработанная многоструйная пушка, позволяющая обеспечить в РРМ канале клистрона пучок с примерно вдвое большим первеансом и уменьшенным примерно втрое токооседанием. Экспериментально (при постоянном напряжении на трубке) реализован пучок с энергией 700 кэВ мощностью около 100 МВт с указанными выше свойствами. Достигнутая мощность примерно на порядок превышает мощность пучка в известных клистронах с сеточным управлением (при постоянном напряжении) и является экспериментальным потверждением возможности использования сеточного управления в клистронах для линейных коллайдеров.

3. Разработана и исследована диодная пушка с повышенной компрессией, формирующая пучок в ускорительной трубке для мощного BINP РРМ клистрона. В оптической системе пушки апробированы элементы, ослабляющие требования к точности сборки, и позволяющие корректировать возмущения пучка. Найдены режимы, надежно обеспечивающие высокое токопрохождение в клистроне. В пролетной трубе клистрона получен пучок с рекордной для этого класса приборов мощностью более 200 МВт (550 kB, 377А) и токооседанием на уровне 1%. Полная компрессия пучка в приборе составляет примерно (500-600):!, при этом максимальная плотность тока на катоде пушки почти в двое меньше чем в аналогичных приборах и не превышает 4 А/ см

2 BINP-Branch of the Institute of Nuclear Physics

4. В рамках разработки Toshiba PPM клистрона показана возможность создания оптической системы клистрона, которая обеспечивает управление сечением (диаметром) пучка в пролетном канале и одновременно построена в простейшем виде - с одной согласующей магнитной линзой типа "зажим" (clamp-on) и катодной катушкой. При этом равновесный диаметр пучка в пролетном канале может изменяться примерно в 1.5 раза, а пульсации огибающей пучка не превышают (согласно расчетов) 5-6%. Пучок с изменяющимся диаметром позволяет проводить дополнительную и эффективную "подстройку" токопрождения в динамическом режиме и выходной ВЧ мощности (КПД), что потверждено в экспериментах, выполненных в КЕК.

5. Предложен новый тип согласующих магнитных линз типа "зажим" (clamp-on) - гибридные линзы. В конструкции используется комбинация постоянных магнитов и токовых катушек, что обеспечивает пониженное энергопотребление линзы. Показано что, в случае Toshiba PPM клистрона использование гибридной линзы обеспечивает по меньшей мере 10-ти кратное снижение энергопотребления.

Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшей разработке и совершенствовании мощных импульсных клистронов для линейных коллайдеров.

На защиту выносятся следующие результаты.

1. Разработанный в виде кода MBGUN (Multi-Beam Gun) метод расчета многоструйных пушек на основе эквивалентной модели трехмерного интенсивного многоструйного релятивисткого пучка в аксиально-симметричной системе электродов пушки.

2. Результаты численного анализа (с помощью кода MBGUN) и экспериментальных исследований оптики мощной релятивисткой многоструйной пушки, формирующей пучок в ускорительной трубке при постоянном напряжении с суммарной компрессией пучка по площади более 100 для мощного РРМ клистрона ВЛЭПП

3. Результаты исследования диодной пушки, формирующей пучок мощностью более 200 МВт с суммарной компрессией (500-600): 1 в BINP РРМ клистроне, с предложенными элементами, которые ослабляют требования к точности сборки и позволяют корректировать возмущения пучка до входа в РРМ.

4. Результаты исследования предложенной оптической системы Toshiba РРМ клистрона, обеспечивающей управление сечением (диаметром) пучка в пролетном канале и построенной в простейшем виде - с одной согласующей магнитной линзой типа "зажим" (clamp-on) и катодной катушкой.

5. Результаты исследования предложенной согласующей гибридной линзы типа "зажим" (clamp-on), имеющей пониженное энергопотребление за счет сочетания в конструкции постоянных магнитов и токовых катушек.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения.

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом.

1. Предложен и развит в виде кода MBGUN (Multi-Beam Gun) метод расчета многоструйных электронных пушек на основе эквивалентной модели трехмерного интенсивного многолучевого релятивисткого пучка в аксиально-симметричной системе электродов пушки. Разработаны сеточные алгоритмы расчета трехмерных электрических и магнитных полей в цилиндрической системе координат с искуственным выделением усредненного по угловой координате решения, способствующие упрощению расчета. Показана и реализована возможность построения полностью самосогласованных решений для многоструйной пушки путем параметрического сшивания двумерных численных решений для отдельной микропушки, формирующей струю и многоструйного потока в целом. На основе практических расчетов показано, что MBGUN обеспечивает достаточно высокую скорость решения задач (например, для 37-струйной пушки клистрона ВЛЭПП - около 40 мин. на Pentium II/450), при этом получаемые результаты значительно лучше соответствуют эксперименту, чем аналогичные по двумерным моделям.

2. Проведен численный анализ оптики релятивисткой многоструйной пушки, формирующей пучок в ускорительной трубке для мощного РРМ клистрона ВЛЭПП. Введены понятия оптимального тока и первеанса, соответствующие минимальному эмиттансу сформированного пучка. Показано, что минимальный эмиттанс сформированного пучка уменьшается при увеличении коэффициента заполнения многоструйного потока. Сделан вывод о предпочтительности расположения струй на управляющей сетке по схеме максимального заполнения. Установлено, что оптимальный ток пушки может быть повышен как путем увеличения напряженности электрического поля вблизи поверхности управляющей сетки за счет изменения конфигурации электродов, так и путем оптимизации формы и размеров микропушек, формирующих струи. Повышение оптимального тока ограничено сверху электрической прочностью трубки и увеличением неоднородности плотности тока по микрокатодам струй. С учетом указанных выше факторов разработан вариант оптики многоструйной пушки с повышенным оптимальным током (первеансом) примерно в 2 раза большим, чем существоваший первоначально.

3. Аналитически исследован эффект перераспределения напряжения по ускорительной трубке в установках с постоянным напряжением, используемых для высоковольтного питания клистрона ВЛЭПП. Показано, что подгрузка напряжения (уменьшение напряжения), возникающая в момент прохождения импульса тока, распределяется весьма нелинейно по ускорительной трубке, что приводит к снижению оптимального тока многоструйной пушки. Получена количественная оценка этого эффекта. Указаны возможные пути его устранения.

4. Экспериментально исследовано несколько вариантов оптики релятивисткой многоструйной пушки (п.2) на установках с постоянным напряжением. За счет улучшения конструкции микропушек, формирующих струи, токооседание в пролетном канале клистрона с РРМ фокусировкой уменьшено примерно в трое (при суммарной компрессии пучка более 100). Установлено, что расчет с помощью кода MBGUN позволяет предсказывать оптимальный ток (первеанс) с погрешностью не более 5-7% по отношению к эксперименту. В итоговом варианте многоструйной пушки с улучшенной конструкцией микропушек и повышенным оптимальным первеансом (п.2) реализован пучок с энергией 700 кэВ и импульсной мощностью около 100 МВт. Достигнутая мощность примерно на порядок превышает мощность в пучке в известных клистронах с сеточным управлением (при постоянном напряжении) и является экспериментальным потверждением возможности использования сеточного упраления в клистронах для линейных коллайдеров.

5. Разработана и исследована диодная пушка с повышенной компрессией пучка для BINP РРМ клистрона, формирующая пучок в ускорительной трубке. Показана возможность осуществления простой коррекции оптики пучка, за счет изменения положения электростатического экрана, располагаемого вокруг трубки. Апробирована новая краевая "заделка" катода, ослабляющая требования к точность сборки катодного узла и схема согласования пучка в виде дуплета разборных магнитных линз типа "зажим"(с1атр-оп), допускающая коррекцию параметров пучка на входе в РРМ. Проведены измерения размера сформированного пучка и найдены режимы, надежно обеспечивающие высокое токопрохождение в клистроне. В пролетной трубе клистрона реализован пучок с рекордной для этого класса приборов мощностью более 200 МВт (550 кВ, 377А) и токооседанием на уровне 1%. Суммарная компрессия пучка в приборе составляет (500-600): 1, при этом максимальная плотность тока на катоде пушки почти вдвое меньше, чем в аналогичных приборах и не превышает 4 А/ см .

6. В рамках разработки Toshiba РРМ клистрона показана возможность создания оптической системы клистрона, которая обеспечивает управление поперечным сечением (диаметром) пучка в пролетном канале и одновременно построена в простейшем виде - с одной согласующей магнитной линзой типа "зажим" (clamp-on) и катодной катушкой. При этом равновесный диаметр пучка в пролетном канале может изменяться примерно в 1.5 раза, а пульсации огибающей пучка не превышают (согласно расчетов) 5-6%. Пучок с изменяющимся диаметром позволяет проводить дополнительную и эффективную "подстройку" токопрождения в динамическом режиме и выходной ВЧ мощности (КПД) клистрона, что потверждено в экспериментах, выполненных в КЕК.

7. Предложен новый тип согласующих магнитных линз типа "зажим" (clamp-on) -гибридные линзы. В конструкции используется комбинация постоянных магнитов и токовых катушек, что обеспечивает пониженное энергопотребление линзы. Теоретически показано что, использование гибридной линзы в случае Toshiba PPM клистрона обеспечивает по меньшей мере 10-ти кратное снижение энергопотребления. Разработана и исследована реальная конструкция линзы, экспериментально потвердившая результаты расчетов.

Автор выражает искреннюю благодарность директору филиала ИЯФ, члену - корреспонденту РАН Балакину В.Е. за постановку задач и руководство работой; сотруднику Hi 111 "Торий", профессору д.т.н. Петрову Д.М. за ценные замечания; сотрудникам ФИЯФ Валяеву Ю.Д., Фогелю В.Ф., Чибукову Ю.Я., сотрудникам ИЯФ к.ф.-м.н. Яснову Г.И., Кузнецову Г.И.- за полезные обсуждения; всему коллективу ФИЯФ - за оппонирование, ценные замечания, помощь в работе.

Заключение

1. Балакин В.Е., Скринский А.Н. Проект ВЛЭПП.- Вестник АН СССР, 1983, №3, с. 66.

2. Т.О. Raubenhameir " Progress in the Next Linear Collider Design", In Proc. of 20th Linear Accelerator Conference (Linac 2000), Monterey, CA, 2000

3. N.Toge, " JLC Progress", in Proc. of 20th Linear Accelerator Conference (Linac 2000), Monterey, CA, 2000.

4. C. Adolphsen, V. Balakin, Y. H. Chin . A. Larionov et al. Charter 5 X-band RF Power Source./ International Study Group Progress Report on Linear Collider Development // KEK Report 2000-7, SLAC R-559, April, 2000 pp. 150-172.

5. G. Caryotakis "X-band Klystron Development at the Stanford Linear Accelerator Center", Proceedings of the Third Workshop on Pulsed RF Sources for Linear Colliders (RF96), Kandagava, Japan, 1996 , p 81.

6. D.Sprehn, G. Caryotakis, E. Jongewaard, and R. Philips " Periodic Permanent Magnet Development for Lineat Collider X-band Klystron", High Energy Density Microwaves, Pajaro Dunes, California, 1998, p.31.

7. E. Jongewaard , G. Caryotakis, C. Pearson et al " The Next Linear Collider Klystron Development Program", in Proc. of 20th Linear Accelerator Conference (Linac 2000), Monterey, CA, 2000.

8. E.V. Kozyrev, I.G. Makarov, O.A. Nezhevenko et al " The Latest Experience with 7 Ghz Pulsed Magnicon Amplifier", Proceedings of the Third Workshopon Pulsed RF Sources for Linear Colliders (RF96), Kandagava, Japan, 1996, p. 243.

9. Ю.О.А. Nezhevenko, V.P. Yakovlev , J.L. Hirshfield et al "X-band Magnicon Amplifier", In Proc. PAC 99, 1999, p. 1049.

10. D.N. Smithe, M. Bettenhausen, L. Ludeking et al. " 3D Simulations of Multiple Beam Klystron", High Energy Density Microwaves, Pajaro Dunes, California, 1998, p. 117.

11. L.N. Arapov, P.V. Avrakhov, V.E. Balakin, .A.V. Larionov et al. " High Power Sources for VLEPP", in Proc. Pulsed RF Sources for Linear Colliders, Montauk, NY october , 1994 p. 118-121.

12. L. Ives, G. Miram, A.Nordquist et al. " Development of Multiple Beam Electron Guns and High Power Waveguide Windows and Components", High Energy Density Microwaves, Pajaro Dunes, California, 1998, p.327.

13. V.E. Balakin, S.Yu. Kazakov, N.G. Khavin et al. " VLEPP 14 GHz klystron testing", In Proc. of the Third Workshop on Pulsed RF Sources for Linear Colliders(RF96), Kandagava, Japan 1996, p. 110.

14. Развитие теории и проектирования СВЧ электровакуумных приборов/ Силин Р.А., Шатилов B.C., Шишов А.В., Хомич В.Б // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. 1995 вып. 1(465), с.45-70.

15. Электронно-оптическая система с сеточным управлением / И.И.Голеницкий, Л.А.Сапрынская, Я.И.Местечкин и др.// Электронная техника . Сер.1, Электроника СВЧ. 1990.- Вып. 8(432). - с.36-41

16. W.B. Herrmannsfeldt "Development in the Electron Gun Simulation Program, EGUN", in Proc. Pulsed RF Sources for Linear Colliders, Montauk, NY october ,1994 p.383

17. М.А. Тиунов, Б.М. Фомель, В.П. Яковлев " SAM- интерактивная программа для расчета электронных пушек на мини -ЭВМ. Препринт ИЯФ СО АН СССР, № 87-35, Новосибирск, 1987

18. Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1991.

19. Иванов В.Я. Методы автоматизированного проектирования приборов электроники., Новосибирск, 1986.

20. В.П. Ильин Численные методы решения задач электрооптики., Наука, Новосибирск, 1974.

21. Самарский А.А., Николаев Е.С. Методы решения сеточных уравнений. М.: Наука, 1978.

22. Р.Хокни, Дж. Иствуд Численное моделирование методом частиц.,М: Мир, 1987.

23. Ларионов A.B. Программа для численного моделирования транспортировки неаксиально-симметричных электронных пучков в протяженных каналах, препринт ИЯФ СО АН СССР, № 90-19, Новосибирск, 1990.

24. J.H. Billen and L.M. Young, " Poisson Superfish", LA-UR-96-183, 1997.

25. Larionov A. Optic of VLEPP klystron- calculations and experiment // Proc. of International Workshop on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders (RF ' 93), Dubna-Protvino, Russia, 1993, pp. 111-118.

26. JI. H. Арапов, B.E. Балакин, Ю.Г. Бамбуров, . A.B. Ларионов и др., Разработка высокочастотного источника ВЛЭПП // Труды XII Всесоюзного Совещания по Ускорителям Заряженных Частиц , Дубна, 1992, т.2, с.30-34.

27. А.В. Ларионов MBGUN специальный ЗБ-код для численного моделирования сеточных многолучевых пушек. Препринт ФИЯФ № 94-1, Протвино, Мое. Обл., 1994.

28. Илюшин В.Д. Электронная техника., Сер. 1. Электроника СВЧ, 1978, вып. 3, с.70.

29. Илюшин В.Д., Рыбачек В.П. Основные характеристики сбалансированного многоструйного электронного потока в длинном пролетном канале, Радиотехника и Электроника, 1986, вып.6, с. 1205.

30. Ильюшин В.Д., Галицкая И.И., Блейвас И.М. и др. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1980, вып. 12, с. 19.

31. A. Larionov, К. Ouglekov. "DGUN- code for simulation of intensive axialtiisymmetric electron beams", 6 International Computational Accelerator Physics Conference, TU Darmstadt, Germany,2000, p 172.

32. Y.H. Chin " Modeling and design of klystron", In Proc. of the 1998 Linear Accelerator Conference (Linac 98), Chicago, USA, August 23-28, 1998, p.367.

33. Альбертинский Б.И., Свиньин М.П. Каскадные генераторы. М.: Атомиздат, 1980.

34. V.E.Balakin, Y.Y. Chibukov, Y.M.Fursa, A.V. Larionov, Y.R. Yakubov "Investigation of optical system for multy-beam gridded klystron", In proc. Sixth International Workshop on Linear Collider (LC95), Tsukuba, Japan,1995, pp. 1010-1017.

35. V.A.Alexandrov, P.V. Avrakhov, V.E.Balakin,.A.V.Larionov et al. "VLEPP DC voltage grid controlled klystron. Test facility and experimental results", In proc. Sixth International Workshop on Linear Collider (LC95), Tsukuba, Japan, 1995, pp.987-993.

36. V.E. Balakin, Yu.D. Valyaev, A.V.Larionov et al. "Multi-Beam Gridded Gun with Increased Perveance ", In Proc. of the Third Workshop on Pulsed RF Sources for Linear (RF96), Kandagava, Japan 1996, pp. 156-160.

37. В.Е. Балакин, В.Ф. Клюев, Г.И. Кузнецов, A.B. Ларионов, Н.Г. Хавин, Г.И.Яснов, Отработка элементов электронно-оптической системы мощного релятивисткого клистрона // Труды 14 совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1994, т.1, с. 230-235.

38. В.Е. Балакин, Ю.Д. Валяев, A.B. Ларионов и др. Разработка электронно-оптической систкмы мощного релятивиссткого клистрона с сеточным управлением.// Труды 15 совещания по ускорителям заряженных частиц , Протвино, 1996, с. 87-91.

39. G.I. Kuznetsov " А 120 mm Oxide Cathode for Dismountable Vacuum System", In Proc. of the Third Workshop on Pulsed RF Sources for Linear (RF96), Kandagava, Japan 1996, p. 269.

40. V.P. Yakovlev, O.A. Nezhevenko "Limitations on Area Compression of Beams from Pierce Guns", High Energy Density Microwaves, Pajaro Dunes, California, 1998,p.316.

41. Y.H. Chin "Status of X-band klystron development at KEK", Presented at 6th International Study Group Workshop on Next Linear Collider, ISG6, Tsukuba, Japan, November 2000.

42. S. Tokumoto "Some details about the testing of PPM 1", Presented at 6th International Study Group Workshop on Next Linear Collider, ISG6, Tsukuba, Japan, November 2000.

43. Y.H.Chin, M. Akemoto, S. Matsumoto, . A. Larionov et al "Status of the X-band RF power source development for JLC', In Proc. EPAC 2000, Vienna, 2000, p. 456-458.

44. B.E. Балакин, Ю.Д.Валяев, A.B. Ларионов и др. Разработка электронно-оптической системы Тошиба РРМ клистрона, препринт ИФВЭ, №2001-6, Протвино,2001.

45. Термо- и вторично- электронные катоды для электровакуумных и газоразрядных приборов./ JI.A. Ашкинази // Обзоры по электронной технике, Сер. 1, СВЧ-ТЕХНИКА, вып. 5(1673), 1992.

46. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме., М., АТОМИЗДАТ, 1972.

47. И.В. Алямовский. Электронные пучки и электронные пушки., М., Советское радио, 1966