Транспортировка интенсивных электронных пучков в протяженных каналах сложной структуры при помощи магнитных периодических фокусирующих систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

РГБ «Л

1 Ь МГ 199^

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

9-94-225

На правах рукописи УДК 621.3.032.266

СЕДЫХ Сергей Николаевич

ТРАНСПОРТИРОВКА ИНТЕНСИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ В ПРОТЯЖЕННЫХ КАНАЛАХ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ МАГНИТНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ФОКУСИРУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1994

1 . ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию особенностей транспортировки интенсивных сплошных цилиндрических стациднарных электронных пучков в протяженных каналах сложной структуры. Кроме того, рассматриваются некоторые вопросы транспортировки сгруппированных пучков. Под интенсивными в работе понимаются пучки, на динамику которых оказывают существенное воздействие как силы объемного заряда, так и эмиттанс, а их первеанс ниже электростатического предела вакуумной транспортировки. Структура канала транспортировки может включать многочисленные ускорительные зазоры, СВЧ резонаторы, фланцевые соединения, откачные патрубки й т.д., а также участки поворота пучка. Магнитные периодические фокусирующие системы (МПФС) создают в канале осесимметрйчное распределение продольного магнитного поля с многократным изменением направления. Предполагается, что параметры пучка при его транспортировке через последовательность неоднородностей канала меняются адиабатически.

Актуальность темы. Рассматриваемая проблема лежит на пересечении двух тенденций развития ускорительной техники - увеличения интенсивности пучков, получаемых в традиционных ускорителях, и разработка новых типов ускорителей с целью уменьшения их размеров и массы, повышения КПД, улучшения эксплуатационных характеристик. Первая тенденция часто сопровождается необходимостью использования дополнительных средств фокусировки пучка (например, различные варианты сйльноточного бетатрона), вторая - усложнением структуры канала транспортировки йучка (рейстрековые индукционные ускорители и индукционные ускорители с винтовой орбитой).

Все более шйрокое использование электронных пучков в других областях техники и увеличение их интенсивности выдвигает повышенное треббвания к эффективности транспортировки пучков. Это связано как со стремлением получить высокий КПД всего устройства, так и со сложностью отвода тепла от элемен-

го, она рассматривает только синусоидальное распределение фокусирующего поля, не исследует поведение пучков с произвольным соотношением сил объемного заряда и эмиттанса. Эти ограничения преодолеваются при численном моделировании процессов транспортировки пучка, однако из-за большого числа рассматриваемых параметров и отсутствия способов наглядного представления результатов, аналогичного диаграмме Матье, исследованы могут быть лишь небольшие области параметров. При этом отсутствует целостная картина, нет гарантий оптимальности выбранных параметров МПФС. Кроме того, распределение фокусирующего поля обычно описывается отрезком ряда Фурье, а вопрос о реализации выбранного распределения конкретной магнитной системой разработан недостаточно. Не исследованы также закономерности роста эмиттанса пучка при его транспортировке в канале с МПФС.

Данная работа была стимулирована разработкой системы транспортировки электронного пучка релятивистского СВЧ генератора с группировкой пучка в поворотном магнитном поле и системой преобразования энергии в виде цепочки несвязанных резонаторов. Особенностями этой системы являются необходимость размещения элементов фокусирующей системы под различными потенциалами в ускорителе прямого действия, а также изменение в широких пределах параметров пучка при его транспортировке по основным системам генератора - энергии в ускорителе, мгновенного первеанса в группирователе, средней энергии и эмиттанса (вследствие "динамической расфокусировки") в системе преобразования энергии. При этом необходимо обеспечить устойчивость транспортировки пучка во всем диапазоне параметров, а также в широких пределах менять величину фокусирующего поля для поддержания согласования пучка с каналом транспортировки.

Цель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании процессов, происходящих при транспортировке интенсивных электронных пучков в протяжен-

транспортировки пучка.

3. Обнаружено не описанное в литературе свойство МПФС -существование области параметров, в которой среднеквадратичное поле (и, следовательно, фокусирующая сила) слабо зависит от длины периода системы. Это свойство позволяет ослабить требования к точности установки линз МПФС, уменьшает градиент фокусирующего поля и связанный с ним градиентный дрейф электронов на поворотном участке.

4. Практически осуществлен поворот высокопервеансного электронного пучка на 90° в канале с МПФС. При энергии электронов 200 кэВ и токе пучка 190 А коэффициент токощ)вхождения поворотного участка составил 90%.

Практическая ценность.

1. Доказана возможность применения МПФС для фокусировки интенсивных электронных пучков при их транспортировке по протяженным каналам сложной структуры, включающим поворотные участки.

2. Результаты исследования транспортировки пучка в МПФС в параксиальном приближении могут быть использованы для анализа возможности транспортировки пучков в системах с заданной геометрией магнитов, а также для определения основных параметров магнитной системы, обладающей заданным комплексом свойств, например, обладающей максимальным аксептансом при наличии ограничений на длину периода или их отсутствии, минимальной зависимостью среднеквадратичного поля от длины периода, максимальной допустимой длиной разрыва канала.

3. Результаты численного моделирования транспортировки интенсивных электронных пучков в прямых и поворотных каналах могут быть использованы при разработке систем с минимальными искажениями поперечного профиля пучка в повороте.

4. Показана возможность использования МПФС для эффективной транспортировки электронного пучка релятивистского СВЧ генератора с высокой импульсной мощностью, выбраны ее оптимальные параметры. Предложены варианты фокусирующей

образования энергии.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI и VII Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (Томск, 1986 и 1988 гг.), на IX семинаре-совещании по проблемам технологического применения мощных электронных пучков (Москва, ВЭИ, 1988 г.), на семинарах ИЭиА АН УзССР (Ташкент), ТПИ (Томск), РТИ АН СССР и МРТИ АН СССР (Москва).

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ и б научных отчетов.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она содержит 96 страниц текста, 68 иллюстраций и список литературы из 173 наименований на 21 странице.

2 . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность работы, на основе обзора литературы показывается перспективность МПФС для решения поставленной задачи, анализируется уровень развития теории и техники МПФС, нерешенные проблемы. Там лее формулируется задача диссертационной работы, а также пололсения, выносимые на защиту. Кратко описаны структура и содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена анализу и оптимизации свойств МПФС в параксиальном приближении. В ней численными методами исследуется релятивистское параксиальное уравнение огибающей электронного пучка с радиусом г, обобщенным первеан-сом К и эмиттансом Е в нормализованном (размерностью л«-1) продольном магнитном поле Вп

К Р12

+ = О, (1)

вости для синусоидального распределения поля МПФС (рис. 1) с традиционно используемой диаграммой Матье. Показано, что точно указывая начало первой зоны неустойчивости, диаграмма Матье завышает размеры зон устойчивости высших порядков. Это является следствием линеаризации уравнения (1) при сведении его к уравнению Матье.

Далее в работе обсуждаются возможности использования для транспортировки пучка по каналам сложной структуры МПФС с несинусоидальными распределениями поля. Приведены диаграммы устойчивости для распределений в виде суммы первой и третьей гармоник при различном содержании третьей гармоники. На диаграммах прослежено известное из литературы слияние первой и второй зон устойчивости при содержании третьей гармоники 0.5. Делаются выводы о пригодности предложенных диаграмм для анализа устойчивости транспортировки, а также о преимуществах распределений поля с двумя максимумами на полупериоде.

Предложено рассматривать МПФС как совокупность одиночных магнитных линз, поле каждой из которых описывается с помощью аппроксимации Глазсра

1 + {{г - г0)/4)

при условиях я < Б, N1 < 1100. Здесь Вт = ^N1/1 -амплитуда поля линзы, Л = 0.48/, - полуширина поля на половине амплитуды, I = \/$2 + 0.45£)2 - нормирующая длина, го - координата центра линзы, N1 - число ампер-витков в обмотке возбуждения линзы, /г0 - магнитная проницаемость вакуума, £> - внутренний диаметр корпуса линзы, « - ширина рабочего зазора между полюсными наконечниками. Каждый полупериод МПФС состоит из двух согласно включенных линз (рис.2).

Численно исследована зависимость эффективного поля (и, следовательно, фокусирующей силы) МПФС от относительной полу-

ную длину разрыва канала допускают магнитные системы, изображающие точки которых лежат на одной из ограничивающих прямых. В этих системах на полупериоде имеется один широкий зазор, а не два узких.

В диссертации содержатся результаты численного интегрирования параксиального уравнения огибающей интенсивного пучка в МПФС, составленных,из одиночных линз. На рис. 4 изображена карта линий уровня набега фазы одночастичных колебаний, при котором максимальный радиус пучка вдвое превышает средний (этот набег фазы условно назван "допустимым" набегом фазы). Эта величина характеризует пропускную способность канала в первой области устойчивости при фиксированной длине периода. В области максимальных допустимых набегов фазы (с осевой пунктирной линией на рис. 3 и 4) происходит слияние первой и второй зон устойчивости, аналогичное слиянию при содержании третьей гармоники 0.5. Пересечение осевой линии области максимальных набегов фазы с кривой минимальной чувствительности фокусирующей силы к длине периода (й/Ь = 0.12 и д/Ъ = 0.17) определяет МПФС, оптимальную по двум критериям одновременно. Диаграмма устойчивости для нее приведена на рис. 5. Получены также диаграммы, позволяющие оптимизировать МПФС по числу ампер-витков на единицу длины канала, по пропускной способности при отсутствии ограничений снизу на длину периода МПФС.

В работе приводятся также диаграммы устойчивости для случая рассогласования пучка с каналом транспортировки. Обнаружена область параметров пучка (соответствующая, в частности, замагниченным катодам), в которой влияние рассогласования на относительную амплитуду пульсаций радиуса пучка минимально.

Вторая глава диссертации посвящена численному моделированию и экспериментам по транспортировке интенсивных электронных пучков по каналам сложной структуры. В начале кратко описаны используемый для моделирования магнитных систем

лей экспериментальной системы транспортировки. Измерениями подтверждено существование области слабой зависимости среднеквадратичного поля МПФС от длины периода и уточнены соответствующие параметры магнитной системы. Показано, что использование аппроксимации Глазера для поля Линзы занижает значения среднеквадратичного поля МПФС в этой области на 10% .

В работе описаны состав и основные характеристики экспериментального стенда с электронным пучком при энергии 200 кэВ, током до 240 А и длительностью импульса 2 мкс. Описаны также аппаратура диагностики пучка и методика экспериментов по транспортировке интенсивного пучка по прямому участку с разрывами и по поворотному участку. При микропервеансе пучка около 2 коэффициент токопрохожденпя как прямого участка длиной 1.2 м, так и поворотного участка достиг 90%. Приведены результаты исследования влияния амплитуды фокусирующего и поворотного полей, закона распределения фокусирующего поля, микропервеанса пучка на эффективность транспортировки. Показано соответствие между экспериментальными результатами и данными численного моделирования.

Третья глава диссертации посвящена исследованию возможности применения МПФС для транспортировки электронного пучка релятивистского СВЧ генератора с группировкой пучка в поворотном магнитном поле и с системой отбора энергии в виде цепочки несвязанных резонаторов. Кратко изложены принципы построения и блок-схема генератора с поворотной группировкой пучка и многорезонаторной системой отбора энергии. Оценены требуемые параметры пучка, условия его транспортировки, требования к эффективности транспортировки. Канал транспортировка пучка имеет длину порядка 10 м при диаметре 25 мм, он включает в себя многочисленные ускорительные и СВЧ зазоры, откачные патрубки, соединительные фланцы, участки поворота пучка на 90° и на 360°. Особенностью транспортировки является постепенное изменение в широких пределах параметров пучка -

первой области устойчивости выбранной МПФС, а относительная амплитуда пульсаций огибающех! не превышает 10% . Лишь в конце системы преобразования энергии пучок попадает в область больших кулоновских аберраций.

Далее в работе предложены варианты фокусирующих систем, реализующих выбранные распределения поля й учитывающие особенности функциональных элементов релятивистского СВЧ генератора. Так, для ускорительной трубки с дисковыми изоляторами разработаны радиальные линзы, сочетающие электромагниты и постоянные магниты. Эта комбинация позволяет в широких пределах изменять амплитуду поля при сохранении его распределения, а также обойти проблему питания электромагнитов под высоким потенциалом. Для поворотного группирователя пучка разработаны линзы, надевающиеся на поворотную обмотку, для системы преобразования энергии - линзы, вкладывающиеся в полости тороидальных резонаторов. Приведены результаты измерения распределений фокусирующего поля. Работа проиллюстрирована некоторыми результатами моделирования средствами вычислительного стенда ЛУЧ процессов формирования сгустка в поворотном группирователе и его торможения в системе преобразования энергии, использующих МПФС. Они свидетельствуют о том, что применение МПФС не оказывает отрицательного влияния на продольную динамику сгустков.

В заключении суммируются основные результаты работы, обсуждается их практическая ценность, а также возможные направления дальнейших работ.

3 . ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В параксиальном приближении построены диаграммы устойчивости транспортировки пучков с произвольным соотношением сил объемного заряда и эмиттанса в МПФС с одним и двумя максимумами поля на полупериоде.

2. Исследована связь между основными свойствами распределений магнитного поля МПФС и параметрами магнитных си-

работах:

1. Душин Ю.Ф., Мамет A.M., Попырина Е.А., Седых С.Н. Инжектор электронов микросекундной длительности с энергией 100 кэВ и током до 100 А. - В кн.: Вопросы генерирования СВЧ излучений. - М.: РТИ АН СССР, 1982, с.43-49.

2. Водопьянов Ф.А., Литвинов В.Н., Макаров В.В., Мамет A.M., Седых С.Н. Макет релятивистского СВЧ генератора с пучком на энергию 140 кэВ. - В кн.: Вопросы релятивистской СВЧ электроники. - М.: РТИ АН СССР, 1983, с.29-38.

3. Водопьянов Ф.А., Литвинов В.Н., Мамет A.M., Седых С.Н. Макет релятивистского СВЧ генератора при энергии пучка в импульсе 300 Дж. - В кн.: Вопросы релятивистской СВЧ электроники. - М.: РТИ АН СССР, 1983, с.39-46.

4. Климовская А.И., Иванец В.А., Седых С.Н. и др. Устройство для исследования топографии импульсных магнитных полей с высоким пространственным разрешением. - В кн.: Методы и средства измерения магнитных полей. Тезисы докладов II Всесоюзного совещания. - Л.: ВНИИМ, 1985, с.276.

5. Кузьмичев В.И., Седых С.Н. Комплекс программ для анализа ЭОС с электромагнитами. - В кн.: Моделирование электронных пучков. Межвузовский научно-технический сборник. -Томск: ТПИ, 1986, с.67-72.

6. Литвинов В.Н., Мамет A.M., Седых С.Н. Высокопервеанс-ный диодный бессеточный инжектор электронного пучка. - В кн\: VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. - Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1986, ч.1, с.195-197.

7. Седых С.Н. Транспортировка интенсивного электронного пучка в магнитной периодической фокусирующей системе. - В кн.: VI Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов. - Томск: ИСЭ СО АН СССР, 1986, ч.1, с.198-200.

8. Мамет A.M., Пономарев А.А., Седых С.Н. Экспериментальные исследования ЭОС высокопервеансной электронной пушки. -В кн.: VII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике.

0 3 б 9 12 К

Рис. I. Диаграмма устойчивости Рио. 2. Геометрические соот-

для МПФС с синусоидальным рас- ношения для МПФС, составлен-

пределением поля. ных из одиночных линз.

5.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Рио. 3. Отношение амплитуды поля одиночной линзы к среднеквадратичному полю составленной из таких линз МЮС ткв^Ф.