Ускоряющая структура с параллельной связью с волноводным возбуждающим резонатором тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

4846744

На правах рукописи

ЛЕВИЧЕВ Алексеи Евгеньевич

УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ С ВОЛНОВОДНЫМ ВОЗБУЖДАЮЩИМ РЕЗОНАТОРОМ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степспи кандидата физико-математических наук

1 9 МАЙ 2011

НОВОСИБИРСК - 2011

4846744

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ЛОГАЧЕВ . Павел Владимирович

доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

БУРДАКОВ

Александр Владимирович

ЛАЛАЯН

Михаил Владимирович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

доктор физико-математических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

кандидат технических наук, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва.

Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

Защита диссертации состоится « I О » Ыуьо(4Я-_2011 г.

в « 13>~ » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан « 5" » ^Ы-СьЛ_2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук / ^.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Ускорители электронов на малые энергии (2-10МэВ) широко применяются для научных и технологических целей: ускорительная техника; техника СВЧ; радиационная химия; физика твердого тела; медицина; обработка пищевых продуктов и отходов; полимерных материалов; стерилизация инструментов; дефектоскопия; таможенный досмотр. Необходимая средняя мощность ускоренного пучка зависит от конкретной цели и лежит в диапазоне 0,1-100 кВт.

Можно отметить, что к настоящему времени в ускорительной технике научные разработки во многих направлениях практически завершены и развитие идет только по совершенствованию ранее предложенных технических решений. Используются и совершенствуются структуры двух типов - бегущих и стоячих волн. Оба эти типа - структуры с последовательной связью.

В этой связи является актуальной разработка ускоряющих структур нового типа на основе новых принципов и идей. Одной из таких структур является ускоряющая структура с параллельной связью. В ней передача СВЧ мощности от генератора происходит сначала в возбуждающий резонатор, от которого параллельным образом питаются ускоряющие резонаторы.

Особенностями ускоряющей структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором, нагруженным реактивными штырями, являются следующие положения. СВЧ мощность подводится к каждому ускоряющему резонатору индивидуально через свою диафрагму связи. Это приводит к возможности получать любое распределение мощности вдоль структуры, варьируя отверстия связи ускоряющих резонаторов. В итоге, в начале ускоряющей структуры можно уменьшить амплитуду ускоряющего электрического поля, что приводит к уменьшению пробоев. Кроме этого, можно производить ускорение пучка с нерелятивистской энергией без значительного ухудшения его свойств. При пробое в одном из резонаторов структуры выделяется запасенная СВЧ энергия только этого резонатора. При этом работа структуры не нарушается. Центральное отверстие в ускоряющей структуре не используется для передачи СВЧ мощности, поэтому диаметр канала для пролета пучка может быть выбран настолько малым, насколько позволяют возможности фокусировки и динамики пучка. С уменьшением диаметра пролетного отверстия в центре резонатора уменьшается коэффициент перенапряжения. Ускоряющая структура с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором конструктивно позволяет сформировать значительное магнитное поле постоянными магнитами, которое создается только вблизи оси пучка, что приводит к существенному снижению веса фокусирующей магнитной системы. Связь между резонаторами по

электромагнитному полю отсутствует, благодаря этому можно рассчитывать резонаторы каждый в отдельности, без учета влияния других резонаторов, в том числе и на наличие высших типов мод колебаний. По всем остальным показателям, таким как градиент ускорения, возможность охлаждения и др. ускоряющая структура с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором не отличается от структур с последовательным способом передачи мощности.

Таким образом, как с точки зрения развития ускорительной техники, так и с точки зрения создания линейных ускорителей электронов с новыми возможностями и свойствами, задача по созданию представляемой ускоряющей структуры является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы являлось:

Разработка метода расчета электродинамических характеристик ускоряющей структуры нового типа, в которой связь генератора СВЧ мощности с ускоряющими резонаторами осуществляется через общий проходной волноводный резонатор, нагруженный реактивными штырями.

Разработка конструкции структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором.

Настройка и исследование структуры на низком уровне мощности.

Настройка и исследование структуры на высоком уровне мощности.

Разработка макета ускорителя электронов с использованием структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором.

Экспериментальная проверка параметров структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором с пучком электронов в режиме запасенной энергии.

Личный вклад автора

Личное участие автора в получении результатов, составляющих основу диссертации, является определяющим. Им непосредственно разработана теоретическая модель ускоряющей структуры. Рассчитаны электродинамические параметры системы. Спроектирована ускоряющая структура. Произведена настройка на низком и высоком уровне СВЧ мощности. Автор принимал активное и ключевое участие в создании СВЧ стенда и получении электронного пучка на выходе ускорителя.

Научная новизна

Впервые разработана модель структуры с параллельной связью нового типа, в которой подвод СВЧ мощности к ускоряющим резонаторам осуществляется через общий проходной объемный волноводный резонатор, нагруженный реактивными штырями.

Впервые расчетным и экспериментальным путем исследована ускоряющая структура с параллельной связью нового типа.

Впервые предложен и применен для экспериментальных исследований способ измерения межрезонаторного коэффициента связи системы двух связанных резонаторов без необходимости определения частот и- и 0-мод колебаний в резонаторах.

Впервые с помощью ускоряющей структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором, нагруженным реактивными штырями, работающей в режиме запасенной энергии, получен ускоренный электронный пучок с параметрами: энергией электронов до 4 МэВ; импульсным током до 0,3 А; длительностью импульсов тока - 2,5 не.

Научная и практическая ценность

На основе теоретического описания модели связанных резонаторов получено выражение, позволяющее измерять коэффициент связи между связанными резонаторами, которое может использоваться для построения частотных фильтров, ускоряющих структур и т.п. Создан макет ускоряющей структуры нового типа, на основе которого можно разрабатывать прототип электронного линейного ускорителя как для научных, так и для промышленных целей. Создан ускорительный стенд, включающий ускоряющую структуру, который предполагается применить для радиационно-химических исследований в Учреждении Российской академии наук Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН.

Основные положения, выносимые на защиту

Метод расчета электродинамических характеристик ускоряющей структуры с параллельной связью.

Способ измерения межрезонаторного коэффициента связи системы двух связанных резонаторов.

Конструкция ускоряющей структуры с параллельной связью.

Результаты настройки и исследования ускоряющей структуры на низком уровне СВЧ мощности, результаты сравнения измеренных данных с расчетными параметрами.

Результаты тестирования ускоряющей структуры при высоком СВЧ уровне мощности до 2,5 МВт, а также результаты тестирования с пучком электронов.

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных при ускорении пучка электронов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на семинаре в Учреждении Российской

академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск), на Российских и Международных научных конференциях: Russian Particle Accelerator Conference, RUPAC'06 (Novosibirsk, Russia, 2006); European Particle Accelerator Conference, EPAC'08 (Genoa, Italy, 2008); International Particle Accelerator Conference, IP AC'10 (Kyoto, Japan, 2010). Кроме этого, результаты диссертационной работы содержатся в статьях в 2 реферируемых научных журналах и одном патенте.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 31 наименования, изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены недостатки существующих ускоряющих структур. Описаны преимущества ускоряющей структуры с параллельным способом питания ускоряющих резонаторов, а также сделан краткий исторический обзор развития таких структур. Рассмотрена в общем виде разработанная ускоряющая структура с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором, нагруженным реактивными штырями. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена система из N-связанных резонаторов, получены выражения для амплитудно-частотных и фазочастоных характеристик резонаторов в общем виде. На основе этого более подробно рассмотрен одиночный резонатор и система из двух связанных резонаторов. Получены выражения для запасенных энергий внутри пары резонаторов. Рассмотрена проблема связи между резонаторами, режимы «пересвязи» и «недосвязи» с внешним СВЧ-волноводом. Описан коэффициент связи между резонаторами и способ его измерения. Приводится обоснование применения данной концепции для расчета ускоряющей структуры с параллельной связью с волноводным возбуждающим резонатором, нагруженным реактивными штырями.

Во второй главе описаны отверстия связи между двумя связанными резонаторами. Получены выражения для оценки геометрических размеров отверстий связи в зависимости от значения коэффициента связи между резонаторами. Рассмотрена возможность применения данных выражений конкретно для ускоряющей структуры с параллельной связью с учетом влияния реактивных штырей в общем возбуждающем резонаторе.

В третьей главе на основе полученной амплитудно-частотной характеристики и преобразования Лапласа для пары связанных резонаторов приводится описание переходного процесса отраженного от резонаторов сигнала. Показано различие между переходным процессом в одиночном

возбуждающем резонаторе и системой связанных резонаторов. С помощью полученных результатов дана оценка времени установления колебаний в ускоряющей структуре с параллельной связью.

Четвертая глава посвящена непосредственному расчету ускоряющей структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором на энергию до 5 МэВ с помощью разработанного метода, основанного на двух связанных резонаторах. Структура состоит из пяти ускоряющих резонаторов и одного волноводного возбуждающего резонатора, нагруженного реактивными штырями. Первые два, по ходу пучка, ускоряющие резонаторы имеют переменную геометрию, что необходимо для фазирования электронного пучка с энергией инжекции 50 кэВ с ускоряющим электрическим полем.

Приводятся рассчитанные параметры всех резонаторов системы, включая высоту реактивных штырей возбуждающего волноводного резонатора. Из анализа динамики частиц определены наиболее оптимальные значения амплитуд электрических полей в резонаторах для достижения энергии 5 МэВ. Исходя из этого, подобраны коэффициенты связи между возбуждающим и ускоряющими резонаторами, а также с подводящим СВЧ волноводом. При выбранных значениях коэффициентов связи 13% мощности генератора должно поглощаться в возбуждающем, а 87% - в ускоряющих резонаторах.

Оценены геометрические размеры для отверстий связи между ускоряющими резонаторами и возбуждающим резонатором. Получена зависимость амплитуды отраженной волны от структуры при переходном процессе. Описана конструкция фокусирующей системы с использованием постоянных магнитов с радиальной намагниченностью. Приводится распределение магнитного поля на оси ускоряющих резонаторов. Амплитудное значение магнитного поля не превышает 0,77 кГс.

В пятой главе описано изготовление и настройка ускоряющей структуры. Показаны составные части устройства с геометрическими размерами. Описан способ крепления их между собой с помощью индиевого уплотнения. Продемонстрирована изготовленная ускоряющая структура с параллельной связью на проектную энергию 5 МэВ.

Описана процедура настройки и измерения параметров резонаторов. Приведены ее результаты в виде таблицы с собственными добротностями, частотами и коэффициентами связи резонаторов, а также амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Отличие проектного значения суммарного коэффициента связи возбуждающего резонатора с ускоряющими от измеренного равно 15%. Разность расчетных собственных добротностей ускоряющих резонаторов от полученных - 12%. Частоты ускоряющих резонаторов отличаются не более чем на 20 кГц, за исключением первого, по ходу пучка, резонатора, который является самым низкодобротным. Отличие его частоты равно 52 кГц. Максимальная разность частот возбуждающего и ускоряющих резонаторов - 83 кГц. Рабочая частота ускоряющей структуры

составила 2454,706 МГц. Коэффициент связи с подводящим волноводом равен 0,86, что меньше проектного значения на 14%. На рабочей частоте сдвиг фаз между ускоряющими резонаторами отличается от к не более чем на ±6%.

На основе измеренных коэффициентов связи между возбуждающим резонатором и ускоряющими сделан вывод о мощностях потерь в системе: 19% мощности генератора теряется в возбуждающем резонаторе; 80% - в ускоряющих; 1% - отражается от структуры. Кроме этого, с учетом все тех же измеренных коэффициентов связи получены значения амплитуд электрического поля в ускоряющих резонаторах. В связи с этим произведен расчет динамики пучка в режиме л- и 2л-инжекции. При входной мощности

2.5 МВт энергия пучка составляет 4,7 МэВ, разброс по энергиям менее 1%, захват 100% при использовании группирующего резонатора и я-инжекции. В случае 2зг-инжекции средняя энергия составляет 4,1 МэВ, разброс по энергиям около 30%, захват пучка в районе 50%.

Приводится результат измерения магнитного поля фокусирующей системы ускоряющей структуры на основе постоянных магнитов с радиальной намагниченностью. Рассчитанная амплитуда магнитного поля на оси резонаторов от измеренной отличается не более чем на 13%.

В шестой главе приводится описание стенда ускорителя с клистроном КИУ-111 и инжектором электронов. Параметры клистрона: импульсная мощность 5 МВт, средняя - 5 кВт, рабочая частота 2450 МГц. Волноводный тракт включает в себя ферритовый вентиль с коэффициентом ослабления -20 дБ, волноводное вакуумное окно и два волноводно-коаксиальных ответвителя. Коэффициенты ответвления и направленности ответвителей: для падающей волны —76 дБ и 23 дБ соответственно, для отраженной волны -75,6 дБ и 26 дБ соответственно.

Инжекционная система содержит трехэлектродную пушку, группирующий резонатор, магнитную линзу, вакуумный тракт транспортировки пучка, систему подачи СВЧ сигнала на пушку. Рабочие параметры системы: напряжение до 60 кВ; импульсный ток 1 А; средний ток до 1 мА.

В данной главе также приводятся результаты тренировки ускоряющей структуры с параллельной связью при больших значениях СВЧ мощности до

2.6 МВт. В конце главы описаны зависимость выходного тока электронов длительностью 2,5 не (2тс-инжекция) от мощности клистрона, измеренная энергия и поперечный профиль пучка. Получено значение средней энергии 4 МэВ при 2,5 МВт мощности генератора, захват пучка близкий к 50%, который слабо зависит от энергии частиц.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.Е. Levichev, Yu.D. Chemousov. The prototype's characteristics of the cavity for excitation of parallel RF accelerating structure. - Proceedings of RuPAC 2006, JACoW publication, p. 197-199.

2. A.E. Levichev, V.M. Pavlov, V.I. Ivannikov, I.V. Shebolaev, Yu.D. Chernousov. Prototype of Parallel Coupled Accelerating Structure. -Proceedings of EPAC 2008, JACoW publication, p. 2737-2739.

3. Черноусов Ю.Д., Иванников В.И., Шеболаев И.В., Левичев А.Е, Павлов В.М. Способ определения коэффициента межрезонаторной связи системы двух связанных резонаторов. - Патент на изобретение, №2368986, Б.И. 2009, №27, с.1.

4. А.Е. Levichev, V.M. Pavlov, V.I. Ivannikov, I.V. Shebolaev, Yu.D. Chernousov. Characteristics of the Parallel Coupled Accelerating Structure. -Proceedings of IPAC 2010, JACoW publication, p.3765-3767.

5. Ю.Д. Черноусов, В.И. Иванников, И.В. Шеболаев, А.Е. Левичев, В.М. Павлов. Полосовые характеристики связанных резонаторов. // Р.Э., 2010, том 55, №7, с. 1-7.

6. Ю.Д. Черноусов, А.Е. Левичев, В.М. Павлов, Г.К. Шамуилов. Тонкая диафрагма в прямоугольном волноводе. // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2011, том 6, выпуск 1, с.44-49.

ЛЕВИЧЕВ Алексей Евгеньевич

Ускоряющая структура с параллельной связью с волноводным возбуяедающим резонатором

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 25.04.2011 г. Подписано в печать 26.04.2011 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.6 печ.л., 0.5 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 12_

Обработано на ПК и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ

1.1. Система N последовательно связанных резонаторов

1.2. Характеристики одиночного резонатора вблизи резонанса

1.3. Характеристики системы двух связанных резонаторов вблизи резонанса

1.4. Два связанных резонатора с одинаковыми собственными частотами

1.4.1. Режим работы на резонансной частоте

1.4.2. Коэффициент связи между резонаторами

1.4.3. Режим работы вблизи резонансной частоты

1.5. Два связанных резонатора с разными собственными частотами

1.6. Измерение АЧХ и ФЧХ связанных резонатора

1.7. Связь возбуждающего резонатора с несколькими резонаторами параллельным образом

ГЛАВА 2. СВЯЗЬ МЕЖРЕЗОНАТОРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА СВЯЗИ С РАЗМЕРАМИ ОТВЕРСТИЯ ДИАФРАГМЫ СВЯЗИ

2.1. Связь межрезонаторного коэффициента связи с отверстием связи»

2.2. Отверстие межрезонаторной связи в структуре с параллельной связью

ГЛАВА 3. ПЕРЕХОДНОЙ ПРОЦЕСС В СИСТЕМЕ ДВУХ СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРОВ

3.1. Преобразование Лапласа

3.2. Анализ переходного процесса в связанных резонаторах

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ

4.1. Расчет параметров резонаторов

4.2. Описание программы для расчета динамики частиц в ускоряющей; структуре

4.3. Расчет динами пучка в ускоряющей структуре

4.4. Полосовые характеристики резонаторов ускоряющей структуры

4.5. Расчет переходного процесса в ускоряющей структуре

4.6. Отверстия связи между возбуждающим и ускоряющими резонаторами

4.7. Фокусирующая система ускоряющей структуры

ГЛАВА 5. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И НАСТРОЙКА УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ

5.1. Изготовление структуры

5.2. Измерения и настройка ускоряющей структуры с параллельной связью

5.3. Фокусирующая система ускоряющей структуры

ГЛАВА 6. СТЕНД УСКОРИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ

6.1. Клистрон КИУ

6.2. Волноводный тракт

6.3. Вакуумное волноводное окно

6.4. Инжекционная система

6.5. Ускоряющая структура с параллельной связью

6.6. Режим ускорителя 95 6.6.1. Тренировка ускоряющей структуры 95 6.6.1. Ускорение пучка электронов

К настоящему времени в ускорительной технике научные разработки во многих направлениях практически завершены и развитие идет только по совершенствованию ранее предложенных технических решений. Это почти в полной мере касается и ускоряющих структур, применяемых для ускорения электронов. Используются и совершенствуются структуры двух типов — бегущих и стоячих волн. Однако оба эти типа - структуры с последовательной связью, со всеми свойственными этому способу подвода мощности к ускоряющим резонаторам недостатками и не решенными проблемами.

Это проблемы пробоя (в том числе значительного превышения максимального поля на поверхности структуры над ускоряющим полем на оси структуры), проблемы локального импульсного перегрева и разрушения поверхности в районе элементов связи, проблемы возбуждения высших типов колебаний в полосах прозрачности структуры, проблемы обеспечения фокусировки ускоряемых частиц, особенно на начальной стадии ускорения, проблемы создания заданного распределения, поля вдоль оси структуры (например, равномерного) при ее значительной длине.

В этой связи является актуальной разработка ускоряющих структур нового типа на основе новых принципов и идей. Одной из таких структур является ускоряющая структура с параллельной связью.

Первая статья по структуре с параллельной связью была опубликована в 1977 году [1]. Ускорение электронов осуществлялось в резонаторах, последовательно расположенных друг за другом. Для подвода мощности использовалась коаксиальная линия, при этом все резонаторы были подсоединены к ней параллельно, каждый через свой индивидуальный ввод. Расстояние между точками подключения в линии и между резонаторами равно полудлине волны в коаксиальной линии. Поскольку фазовая скорость в коаксиальной линии без заполнения равна скорости света в вакууме, и такую же скорость имеют релятивистские электроны, автоматически обеспечивался, синхронизм ускоряющего поля в резонаторах и ускоряемых частиц. В технической литературе данная структура иногда называется' также «корнельской», поскольку была создана в Корнельском университете.

В 1989 году в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН для разрезного микротрона была создана ускоряющая система на основе «корнельской» структуры [2]. Параметры, которые удалось достичь, приведены ниже: энергия инжекции 40 кэВ, потребляемая мощность 2 МВт, длительность импульса 30 мкс, ток пучка 50 мА, энергия пучка 6 МэВ, импульсная мощность в пучке 300 кВт, поперечный эмиттанс пучка 0.8 см-мрад, рабочая частота 915 МГц.

Основным ограничением, остановившим развитие ускоряющих структур «корнельского» типа, был низкий уровень СВЧ мощности, который можно подвести к ускоряющим резонаторам. Из-за топологии электромагнитного поля в возбуждающей коаксиальной линии (концентрации электрического поля к центральному проводнику), с определенного значения входной мощности возникают пробои, не позволяющие дальше поднимать энергию пучка. Это обстоятельство исключает возможность создания ускорителя на значительную энергию.

Ограничение, вызванное наличием коаксиальной линии в качестве возбуждающего элемента для ускоряющих резонаторов, можно снять, применив прямоугольный волновод. Прямая замена коаксиальной линии на такой волновод в данном случае невозможна, поскольку в волноводе фазовая скорость больше скорости света, что нарушает синхронизм ускоряемых частиц с электромагнитным полем. Синхронизации частиц и ускоряющего поля можно добиться, если использовать концепцию обратного ввода мощности (В\¥ЬАЕ) [3]. В этом случае, в качестве возбуждающего элемента подойдет отрезок полого прямоугольного волновода [4]. Ввод СВЧ мощности и ввод пучка осуществляется с противоположных концов ускоряющей структуры, за счет чего обеспечивается синхронизм волны и частиц.

При такой схеме ускоряющей структуры каждый резонатор, включенный в боковую стенку волновода, отражает, что искажает структуру поля и нарушает процесс ускорения пучка. Для согласования в предложенной структуре с параллельной связью [4] могут применяться индуктивные, емкостные согласующие элементы, резонаторы могут объединяться в неотражающие пары. Однако, кроме этого, амплитуда волны падает вдоль волновода возбуждения, что обусловлено бегущим режимом волны в нем и последовательным отбором мощности. Ускоряющие резонаторы оказываются в разных условиях по возбуждению. Это приводит к необходимости подбора для каждого резонатора индивидуального коэффициента связи. Указанные недостатки структуры с параллельной связью, использующей концепцию обратного ввода СВЧ мощности и полый прямоугольный волновод с бегущим режимом волны в нем, сильно усложняют ее изготовление и настройку.

Кроме собственно ускоряющих структур с параллельной связью, стоит также отметить СВЧ схему ускоряющих резонаторов, разработанную в Институте ядерной физики СО РАН для коллайдера ВЭПП-4М и микротрона рекуператора установки Лазера на свободных электронов Сибирского центра фотохимических исследований [5,6]. Ускоряющие резонаторы, работающие на частоте 180 МГц с модой колебания Е0ю, питаются СВЧ мощностью с помощью коаксиальных линий параллельным образом от одного общего волновода. Поперечный размер волновода 95.6x45 см , что обеспечивает равенство длины волны в волноводе удвоенному значению длины волны в свободном пространстве. Расстояние между резонаторами равно длине волны в свободном пространстве. С учетом данных свойств достигается равенство ответвляемых мощностей в резонаторы и разность фаз колебаний п. Здесь главное отличие от ускоряющей структуры с параллельной связью, рассматриваемой в данной работе, состоит в отсутствии общего коэффициента связи резонаторов с питающим СВЧ мощностью волноводом. Тем не менее, идеология передачи мощности в ускоряющие резонаторы близка к схеме, используемой в ускоряющей структуре с параллельной связью.

В данной диссертационной работе описана ускоряющая структура с параллельной связью, в которой в качестве элемента возбуждения используется прямоугольный волноводный резонатор, нагруженный реактивными штырями. В этом случае можно достичь значения длины волны в волноводе, из которого выполнен возбуждающий резонатор, близкой к длине волны в свободном пространстве. При таком соотношении величин длин волн автоматически достигается режим синхронизации пучка и ускоряющего поля в ускоряющей структуре.

Описываемая структура состоит из последовательно расположенных друг за другом ускоряющих резонаторов, резонатора возбуждения и элемента ввода СВЧ мощности. Резонаторы возбуждаются через отверстия связи в стенке, примыкающей к возбуждающему резонатору. Связь осуществляется по магнитному полю. Возбуждающий резонатор выполнен из стандартного прямоугольного волновода сечением 72x34 мм2, закороченного на конце. Для уменьшения расстояния между максимумами магнитного поля до расчетного значения в возбуждающем резонаторе имеются реактивные штыри. Продольные размеры нескольких первых ускоряющих резонаторов можно делать переменными, что позволяет ускорять электроны, начиная с нерелятивистских скоростей.

В промежутки между резонаторами можно встроить постоянные магниты с радиальной намагниченностью для создания фокусирующего магнитного поля. Для* симметризации магнитного поля используется магнитопровод, выполненный из магнитомягкой стали. Продольная компонента магнитного поля знакопеременна, однако это не влияет на знак фокусирующей силы, поскольку последняя зависит от квадрата продольной компоненты магнитного поля [7];

Особенностями ускоряющей структуры с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором являются следующие положения. СВЧ мощность подводится к каждому ускоряющему резонатору индивидуально через свою диафрагму связи. Это приводит к возможности получать любое распределение мощности вдоль структуры, варьируя отверстия связи ускоряющих резонаторов. В итоге, в первых, по ходу пучка, резонаторах можно уменьшить амплитуду ускоряющего электрического поля, что приводит к уменьшению пробоев. Кроме этого в таком случае можно производить ускорение пучка с нерелятивистской энергией без значительного ухудшения его свойств. При пробое в одном из резонаторов структуры выделяется запасенная СВЧ энергия только этого резонатора, не нарушая работу структуры в целом и не разрушая ее. Центральное отверстие в. ускоряющей структуре не используется для передачи СВЧ мощности, поэтому диаметр канала для пролета пучка может быть выбран настолько малым, насколько позволяют возможности фокусировки и динамики пучка. С уменьшением диаметра пролетного отверстия в центре резонатора уменьшается коэффициент перенапряжения. Ускоряющая- структура с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором конструктивно позволяет сформировать значительное магнитное поле постоянными магнитами, которое создается только вблизи оси пучка, что приводит к существенному снижению веса фокусирующей магнитной системы. Связь между резонаторами по электромагнитному полю отсутствует, благодаря этому можно рассчитывать резонаторы каждый в отдельности, без-учета влияния других резонаторов, в том числе и на наличие высших типов мод. По всем остальным показателям, таким как градиент ускорения, возможность охлаждения и др. ускоряющая структура с параллельной связью с возбуждающим волноводным резонатором не отличается от структур с последовательным способом передачи мощности.

На защиту выносятся следующие положения:

Метод расчета электродинамических характеристик ускоряющей структуры с параллельной связью.

Способ измерения межрезонаторного коэффициента связи системы из двух связанных резонаторов.

Конструкция ускоряющей структуры с параллельной связью.

Результаты настройки и исследования ускоряющей структуры на низком уровне СВЧ мощности, результаты сравнения измеренных данных с расчетными параметрами.

Результаты тестирования ускоряющей структуры при высоком СВЧ уровне мощности до 2.5 МВт, а также результаты тестирования с пучком электронов.

Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных при ускорении пучка электронов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате данной работы был выполнен расчет электродинамических характеристик ускоряющей структуры с параллельной связью с помощью разработанного метода, который включает в себя представление ускоряющей структуры в виде двух связанных резонаторов. Первый резонатор соответствует возбуждающему резонатору ускоряющей структуры, второй — эквивалентен ускоряющим резонаторам по величине поглощаемой мощности и запасенной энергии.

Был получен способ измерения межрезонаторного коэффициента связи системы из двух связанных резонаторов, который заключается в определении коэффициентов связи системы с подводящим СВЧ мощность волноводом при наличии связи между резонаторами И' при ее отсутствии. С помощью измеренных значений величин, связи между ускоряющими резонаторами и возбуждающим резонатором ускоряющей структуры с параллельной связью были получены мощности, поступающие в ускоряющие резонаторы. На основе их определены амплитуды электрических полей на оси резонаторов, произведен расчет динамики частиц в ускоряющей структуре.

Разработана конструкция ускоряющей структуры с параллельной связью в. виде набора- ячеек, состоящих из ускоряющего цилиндрического резонатора с частью волноводного возбуждающего резонатора. Для согласования инжектированных частиц с нерелятивистской энергией 50 кэВ с фазой электрического ускоряющего поля- первые два, по ходу пучка, резонатора имеют переменную длину и выполнены вместе в виде одной составляющей. Между ускоряющими резонаторами располагаются пазы для фокусирующей системы на основе постоянных магнитов, с радиальной намагниченностью. В данном случае ячейки ускоряющей структуры стягиваются с помощью шпилек с использованием индия в качестве электровакуумного уплотнения.

Произведена настройка и исследование ускоряющей структуры на низком уровне СВЧ мощности, получены результаты сравнения измеренных данных с расчетными параметрами. Вычисленный суммарный коэффициент связи возбуждающего резонатора с ускоряющими от измеренного отличается на 15%, рассчитанные собственные добротности ускоряющих резонаторов от измеренных — на 12%, вычисленная амплитуда магнитного поля на оси резонаторов от измеренной — на 13%.

Ускоряющая структура протестирована при высоком СВЧ уровне мощности до 2.5 МВт, а также с пучком электронов. Произведено ускорение коротких импульсов электронов длительностью 2.5 не на полувысоте. Достигнуты средняя энергия пучка 4 МэВ и захват частиц около 50% в режиме 2тг-инжекции. Измерено значение ускоренного тока пучка при различной подводимой мощности, которое во всех случаях близко к 50%. Получен поперечный профиль пучка на выходе ускорителя.

Проделано сопоставление расчетных и экспериментальных данных при ускорении пучка электронов. Рассчитанная энергия пучка при 2я;-инжекции, с учетом экспериментально полученных параметров резонаторов ускоряющей структуры, отличается от измеренной не более чем на 3% при одной и той же мощности клистрона. Захват пучка в обоих случаях близок к 50%.

На данный момент произведен пуск укорителя в режиме 2л;-инжекции пучка электронов. В дальнейшем планируется получить тс-инжекцию пучка с применением группирующего резонатора и СВЧ управления пушки. Кроме этого ведется работа по достижению большой средней мощности клистрона. На основе изготовленной и протестированной ускоряющей структуры с параллельной связью, а также разработанного метода расчета такой структуры в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН делается паяный вариант структуры с параллельной связью с девятью ускоряющими резонаторами и планируемой энергией электронов в районе 9 МэВ.

Анализ полученных данных дает возможность заключить, что созданная ускоряющая структура может применяться в радиационной химии для целей импульсного радиолиза - изучения быстрых радиационно-химических процессов. При достижении значительных средних мощностей пучка возможно использование структуры и для других производственных целей, таких как сканирующие системы, медицина, ювелирная промышленность и др.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю П.В. Логачеву за помощь в создании ускорителя на основе ускоряющей структуры с параллельной связью, а также в написании данной работы, за моральную и не только поддержку, и веру в успех. Автор также признателен В.М. Павлову, которым была выполнена огромная работа над пониманием и созданием ускорителя и всем сотрудникам лаборатории 5-2 Института ядерной физики СО РАН, которые принимали участие в разработке установки.

Отдельную благодарность хочется выразить Ю.Д. Черноусову за весь тот научный и жизненный опыт, который получил автор, за ту помощь и позитивный настрой, которые сопутствовали нашей совместной работе. Кроме этого, автор благодарен И.В. Шеболаеву, В.И. Иванникову и другим сотрудникам Института химической кинетики и горения СО РАН, благодаря которым удалось сделать рабочий ускорительный стенд и получить ускоренный пучок электронов.

1. R.M. Sundelin, J.L.Krchgessner, and M.Tiger Parallel Coupled Structure. 1.EE Trans.on Nucl.Science, Vol. NS-24, No.3, 1977, p.1686

2. B.E. Акимов, П.Д. Воблый, M.M. Карлинер и др. Ускоряющая система разрезного микротрона. Препринт ИЯФ 89-162

3. Tsinghua Accelerator Labi. Research on a 16 MeV backward traveling wave (BTW) electron linac. Proceedings of LINAC 2002.

4. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Ускоряющая структура с параллельной связью. ЖТФД986, т.56, N12, с.2407.

5. Е. Gorniker, P. Abramsky and etc. RF System of VEPP4M Electron Positron Collider. Proceedings of РАС 1995, JACoW publication, pp. 1681-1683

6. V.S.Arbuzov, E.I.Gorniker and etc. Accelerating RF system of microtron-recuperator for FEL. Proceedings of RuPAC XIX, JACoW publication, pp. 318-320

7. Дж. Лоусон. Физика пучков заряженных частиц. «Мир», М., 1980

8. Ю. Д. Черноусов, В. И. Иванников, И. В. Шеболаев, А. Е. Левичев, В.М. Павлов. Полосовые характеристики связанных резонаторов. Р.Э., 2010, том 55, № 7, с. 1-7'

9. Карлинер М.М. Электродинамика СВЧ. Курс лекций. Новосибирск. Изд. НГУ, 1999.

10. Левин Л. Теория волноводов. М.: Радио и связь, 1981.

11. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. //ЖТФ. 1996. т. 66. N5. с. 162

12. Ю. Д. Черноусов, А. Е. Левичев, В.М. Павлов, Г.К. Шамуилов. Тонкая диафрагма в прямоугольном волноводе. Вестник НГУ. Серия: Физика. 2011, том 6, выпуск 1, с. 44-49.

13. Альтман Дж. Устройства СВЧ. М.: Мир, 1968.

14. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа, 1970.

15. Иванников В. И., Черноусов Ю. Д., Шеболаев И. В.//РЭ. 2000. Т. 45. № 2. с. 180.

16. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. Энергия, М., 1969

17. Зверев Б.В., Собенин Н.П. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. М.: Энергоатомиздат, 1993.

18. Thomas P. Wangler, RF Linear Accelerators, (WILEY-VCH, Weinheim, 2008).

19. Черноусов Ю. Д., Иванников В. И., Шеболаев И. В., Левичев А.Е, Павлов В.М. Способ определения коэффициента межрезонаторной связи системы двух связанных резонаторов. Патент на изобретение, №2368986, Б.И. 2009, №27, с. 1.

20. J. С. Slater. Microwave Electronics (D. Van Nostrand Company, Inc., New York, 1950) p. 80

21. H. A. Bethe, "Theory of Diffraction by Small Holes", Phys. Rev., Vol. 66, PP. 163-182, 1944.

22. J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, 2nd ed. Wiley, New York, 1975, p 410

23. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц. Теория поля. «Наука», М., 1988

24. J. Gao, "Analytical formula for the resonant frequency changes due to opening aperture on cavity wall", Nucl. Instr. and Methods, A311 (1992), pp. 437-443.

25. A.E. Levichev, Yu.D. Chernousov. The prototype's characteristics of the cavity for excitation of parallel RF accelerating structure. Proceedings of RuPAC 2006, JACoW publication, pp. 197-199

26. D.G.Myakishev, V.P.Yuakovlev. An interactive code SLANS for evaluation of RF-cavities and accelerator structure // IEEE Particle Acceleratorб П О ^

27. Conference. May 6-9, 1991, San-Francisco, California. 91CH3038-7, Conference Record, v. 5, p. 3002-3004

28. Ч.Бэдсел, А. Ленгдон. Физика плазмы и численное моделирование. Энергоатомиздат, М., 1989

29. А.Е. Levichev, V.M. Pavlov, V.I. Ivannikov, I.V. Shebolaev, Yu.M. Chernousov. Prototype of Parallel Coupled Accelerating Structure. Proceedings ofEPAC 2008, JACoW publication, pp. 2737-2739

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

31. А.Е. Levichev, V.M. Pavlov, V.I. Ivannikov, I.V. Shebolaev, Yu.M. Chernousov. Characteristics of the Parallel Coupled Accelerating Structure. Proceedings of IPAC 2010, JACoW publication, pp. 3765-3767

32. Кл. Группен. Детекторы элементарных частиц. Перевод с английского Н.Ю. Эйдельман, Ю.И. Эйдельман, под ред. JI.M. Курдадзе. Сибирский хронограф. Новосибирск, 1999