Ускоряюще-фокусирующая призматическая бипериодическая структура тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Московский Государственный Инженерно-физический институт

(Технический Университет)

УСКОРЯЮЩЕ-ФОКУСИРУЮЩАЯ ПРИЗМАТИЧЕСКАЯ БИПЕРИОДИЧЕСКАЯ

СТРУКТУРА.

Специальность: 01.04.20 -

физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель - доктор технических наук,

на правах рукописи

КОСТИН Денис Викторович

профессор Собенин Н.П.

Москва 1999.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 РАСЧЕТ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ БИПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ. 1 о

1.1 Расчет дисперсионной характеристики ускоряющей структуры. 10

1.2 ВЧ фокусировка в ускоряющей структуре. 1В

;•;-!> • • » • -А

1.3 Аналитический расчет ПБУС.

7. 4 Численный расчет ПБУС. 2 3

2 РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПБУС. 29

2.1 Электродинамические характеристики ПБУС

для разрезного микротрона. 29

2.2 Расчет ускоряющей секции на основе ПБУС. 50

2.3 Расчет волн высших типов в ПБУС. 65

2.4 Динамика электронного пучка в ускорителе

на основе ПБУС. 11

2.5 Расчет ускоряющей структуры для линейного ускорителя непрерывного режима. 86

3 ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК УСКОРЯЮЩЕЙ

СТРУКТУРЫ. 95

3.1 Настройка ускоряющей секции. 95

3.2 Экспериментальное исследование ускоряющей секции на основе ПБУС. 1О1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 11 У

ПРИЛОЖЕНИЯ. 123

/77. Разрезной микротрон на основе ПБУС. 124

П2. Ускоряющая секция для разрезного микротрона на основе ПБУС.

128

Введение.

Развитие технологии получения высокоэнергетичных пучков заряженных частиц приводит как к совершенствованию мощных инструментов исследования фундаментальных свойств материи, которыми являются ускорители, так и к появлению новых способов решения практических задач, напрямую не связанных с научными исследованиями. Ускорители заряженных частиц находят свое применение в промышленности, как для исследования различных объектов, дефектоскопии, так и для получения материалов с новыми уникальными свойствами. Так же известна другая область использования ускорителей, медицина, в этой области применения основные усилия направлены на получение эффективных методов терапии раковых заболеваний. Кроме перечисленных выше применений установок для генерации пучков заряженных частиц существуют некоторые специфические области применения, одной из которых является разработка методов обнаружения определенных веществ, таких как наркотические и взрывчатые вещества.

Требования к основным параметрам электронного пучка, необходимого для реализации системы детектирования взрывчатки и наркотиков, вытекают из физических принципов, лежащих в основе этой системы [11,14]. Так, энергия пучка для идентификации основных элементов, аномально высокая концентрация которых свидетельствует о возможном наличии взрывчатки или наркотиков, должна составлять: для углерода около ЗОМэВ, азота - 50МэВ, кислорода - 70МэВ. Импульсы электронов длительностью несколько микросекунд должны следовать с частотой десятки герц при величине тока в импульсе десятки микроампер. Необходимо иметь возможность перехода от одного значения энергии к другому с частотой следования импульсов пучка. Требования к монохроматичности пучка и величине поперечного эмиттанса весьма умерены: величина энергетического разброса должна лежать в пределах 1%, величина нормализованного поперечного эмиттанса - сотни мм-мрад.

Весьма жесткими являются требования к габаритам, весу, стоимости и экономичности ускорителя для получения электронного пучка с указанными параметрами, установка должна быть компактной, а в ряде случаев транспортабельной. Данное обстоятельство практически исключает возможность использования обычного линейного ускорителя для достижения энергии 70МэВ. При умеренном темпе набора энергии около 15МэВ/м длина ускорителя превысит 5 м, а затраты импульсной СВЧ мощности на создание ускоряющего поля составят более 14МВт. При сокращении длины линейного ускорителя

пропорционально возрастает потребляемая СВЧ мощность, сокращается КПД, при этом общий объем, занимаемый установкой, фактически не сокращается за счет роста габаритов СВЧ источника и модулятора. Помимо этого, с увеличением темпа набора энергии резко возрастают трудности, обусловленные высокой напряженностью электрического поля на поверхности ускоряющей структуры. Существенную проблему для линейного ускорителя представляет необходимость изменения энергии электронного пучка в широких пределах при переходе от одного импульса излучения к другому.

В качестве решения поставленной задачи выбран разрезной микротрон (РМ), сочетающий преимущества линейного и циклического ускорителя и основанный на многократной рециркуляции пучка через линейный ускоритель [2,10,11,12,13,14,15]. РМ позволяет получить пучок электронов с требуемыми параметрами при малых габаритах и высокой эффективности установки. РМ состоит из следующих основных систем: системы инжекции, линейного ускорителя, поворотных магнитов, фокусирующей системы, системы вывода пучка, системы СВЧ питания и модулятора, системы охлаждения, вакуумной системы, системы блокировок, контроля и управления. Более подробно с устройством и принципом действия импульсного РМ на энергию 70МэВ можно ознакомиться в Приложении 1.

Линейный ускоритель для РМ основан на бипериодической ускоряющей структуре (БУС) с внутренними ячейками связи [1,4,5,6,9,27,29]. Максимальным эффективным шунтовым сопротивлением (7(Н80МС>м/м в 8 диапазоне частот) обладает аксиально-симметричная БУС на основе цилиндрических резонаторов, при этом оптимизированный вариант такой структуры имеет радиус ячеек порядка 0.375 X. В РМ для прироста длины орбиты X расстояние между орбитами определяется как Х/л □ 0.318 X. Таким образом, даже без учета толщины стенок ускоряющей структуры, электронный пучок не сможет миновать ускоряющую секцию на возвратном участке первой орбиты. Некоторое снижение радиуса структуры может быть достигнуто за счет удлинения трубок дрейфа БУС, но при этом наблюдается резкое снижение эффективного шунтового сопротивления. Другим путем решения проблемы является усложнение устройства поворотных магнитов таким образом, что на возвратном участке первой орбиты пучок проходит по оси линейного ускорителя [10,12,14]. Этот метод значительно усложняет настройку и эксплуатацию РМ с увеличением общей стоимости системы. Для решения проблемы первой орбиты было предложено отказаться от аксиальной симметрии ускоряющей структуры и использовать призматическую БУС (ПБУС), на основе призматических резонаторов с отношением вертикального размера к горизонтальному 2:1 [13,28]. Таким образом, было достигнуто

уменьшение размера линейного ускорителя в плоскости орбиты РМ, полуширина призматических ячеек при этом составляет порядка 0.271. Переход к ПБУС повлек за собой снижение шунтового сопротивления до величины порядка 5(МОм/м. При этом ПБУС имеет дополнительное преимущество, она обладает свойством квадрупольной ВЧ фокусировки. Фокусировка релятивистского пучка в аксиально-симметричной структуре отсутствует вследствие того, что поперечный импульс релятивистской частицы от радиального электрического поля около пролетных трубок компенсируется импульсом от магнитного поля в центре ячейки. При нарушении осевой симметрии структуры нарушается баланс импульсов электрического и магнитного полей, что и приводит к появлению квадрупольной фокусировки [2,20,21,22,24,26,32,33,34,36]. При пролетных отверстиях вытянутых вертикально фокусировка осуществляется в плоскости орбиты РМ, что еще более упрощает конструкцию ускорителя позволяя отказаться от явно выделенных фокусирующих элементов. Фокусировка в горизонтальной плоскости, как отмечено выше, достигается ВЧ полем линейного ускорителя, в то время как вертикальная фокусировка обеспечивается краевым полем и градиентом поля поворотных магнитов. Для корректировки положения пучка возможна установка корректоров на индивидуальных орбитах или дополнительных фокусирующих элементов на основе постоянных магнитов.

Изучению ПБУС посвящена данная работа. Исследования аксиально-несимметричных ускоряющих структур проводилось ранее в связи с разработкой линейного электронно-позитронного коллайдера в ЗГГц диапазоне частот [21,22,23,24,25], а также линейного коллайдера CLIC (ЗОГГц) [32,33,34]. В этих работах, в частности, исследовались ускоряющие структуры на основе цилиндрических резонаторов с аксиально-несимметричными отверстиями в диафрагмах в виде прямоугольных щелей [21,22,24,32,34], а также прямоугольный диафрагмированный волновод с круглыми отверстиями в диафрагмах [32,33] и эллиптический диафрагмированный волновод [25]. Были проведены расчеты и экспериментальные исследования электродинамических характеристик таких структур, включая исследования фокусирующих свойств для периодических систем на бегущей волне. Кроме того, исследовался диафрагмированный волновод прямоугольного сечения с прямоугольными щелями в диафрагмах [18,19,20].

Данная работа представляет собой углубленное исследование аксиально-несимметричной структуры на основе призматических резонаторов, при этом изучается бипериодическая ускоряющая структура, работающая на стоячей волне. Изучаемая ускоряющая структура обладает как ускоряющими, так и фокусирующими свойствами сочетая в себе преимущества аксиально-симметричных бипериодических и аксиально-

несимметричных периодических ускоряющих структур. Предложенная ускоряющая структура является новой и ранее не использовалась. Проведен детальный расчет такой структуры вместе с расчетом линейного ускорителя для РМ на основе ПБУС. Выполнены экспериментальные исследования ускоряющей секции. Кроме этого проведены дополнительные исследования по применению ПБУС для других целей. Так, для линейного ускорителя электронов непрерывного режима предложено использовать ПБУС с большим коэффициентом связи (до 15%). Проведены исследования на макетах такой структуры.

Автор данной работы защищает:

Методику расчета электродинамических характеристик ускоряюще - фокусирующей призматической бипериодической ускоряющей структуры, алгоритмы расчета структуры с заданными свойствами;

результаты расчета геометрии и электродинамических характеристик ускоряющей секции на основе призматической бипериодической ускоряющей структуры для портативного разрезного микротрона;

• Методику и результаты исследования волн высших типов для ускоряющей секции на основе призматической бипериодической ускоряющей структуры;

• Методику и алгоритмы радиотехнической настройки и экспериментального исследования электродинамических характеристик ускоряющей секции на основе призматической бипериодической ускоряющей структуры, результаты измерения электродинамических характеристик ускоряющей секции на основе призматической бипериодической ускоряющей структуры для разрезного микротрона;

• Результаты исследования призматической бипериодической ускоряющей структуры с большим коэффициентом связи для линейного ускорителя электронов непрерывного режима;

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

В первом разделе рассмотрены электродинамические характеристики бипериодических ускоряющих структур, проведено исследование свойств аксиально-несимметричных ускоряющих структур, возможности фокусировки в таких структурах. Определен алгоритм аналитического расчета ПБУС с заданными параметрами, а также рассмотрены численные методы расчета структуры и их реализация. Аналитический расчет структуры включает расчет дисперсионной характеристики для БУС, коэффициента связи БУС, а также расчет приближенных размеров для ПБУС. Кроме того, определен алгоритм расчета трансформатора типа волны для перехода от призматического резонатора к прямоугольному волноводу. Численные методы расчета позволили точно рассчитать геометрию ПБУС. Для расчета был применен модифицированный метод конечных разностей - метод конечных интегралов, реализованный в пакете прикладных программ математического моделирования электродинамических характеристик MAFIA.

Второй раздел посвящен расчету линейного ускорителя на основе ПБУС. Выполнен расчет зависимости ускоряющих и фокусирующих свойств структуры от ее геометрии. Проведен расчет двух вариантов ПБУС для РМ. Приведена конструкция ПБУС, а также расчетные данные электродинамических характеристик, таких как дисперсионные характеристики ПБУС, значения добротности, коэффициента связи, эффективного шунтового сопротивления, нормированного фокусирующего градиента. В данном разделе проведен расчет ускоряющей секции для РМ на энергию 70МэВ. Определены конструкционные особенности ускоряющей секции вместе с основными радиотехническими параметрами. Проведен расчет трансформатора типа волны для ускоряющей секции. Рассчитаны распределения полей в линейном ускорителе. Далее в этом разделе выполнен расчет волн высших типов в ускоряющей секции на основе ПБУС, исследованы параметры дипольных мод, возбуждаемых в данной структуре. Проведен расчет динамики электронов в ускорителе на основе ПБУС с исследованием квадрупольной фокусировки в исследуемой структуре. Кроме того, выполнено исследование ПБУС с большим коэффициентом связи и рассчитана ускоряющая структура для линейного ускорителя электронов непрерывного действия. Проведен расчет высших типов волн для этой структуры.

Третий раздел содержит результаты экспериментального исследования ускоряющей секции на основе ПБУС. Описаны технологические принципы изготовления ускоряющей структуры. Описана методика радиотехнической настройки ускоряющей секции, способы

выравнивания распределения электрического поля на оси системы, метод и результаты настройки трансформатора типа волны. Рассмотрена методика экспериментального исследования и разработанные алгоритмы обработки результатов измерений радиотехнических параметров ускоряющей секции на основе ПБУС. Приведены данные измерений электродинамических характеристик ускоряющей секции, проведено сравнение с расчетными данными, определены величины и источники погрешностей измерений.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Работа выполнена в Лаборатории Техники Сверхвысоких Частот кафедры Электрофизических Установок факультета Автоматики и Электроники Московского Государственного Инженерно Физического института (Технического Университета) в период с 1995 по 1999 год.

1. РАСЧЕТ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ БИПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ.

1.1. Расчет дисперсионной характеристики ускоряющей

структуры.

Ускоряющая структура, исследованию которой посвящена данная работа, относится к бипериодическим ускоряющим структурам (БУС) [1,4,5,6,9,27,29]. БУС наиболее эффективна при использовании в линейных электронных ускорителях (ЛУЭ), работающих в режиме стоячей волны [1,4,5,8,27]. Рабочим видом колебаний в БУС является вид л/2, при котором ячейки структуры возбуждаются через одну и при значительном уменьшении длины невозбужденных ячеек, называемых ячейками связи, структура поля не изменяется. Но по отношению к ускоряемому пучку эта структура может рассматриваться как структура с видом колебаний, близким к и, что ведет к повышению шунтового сопротивления. Связь между ячейками осуществляется по магнитному полю и обеспечивается щелями связи в диафрагмах, разделяющими ячейки. Особенностью формы ускоряющих ячеек БУС является наличие трубок дрейфа со скругленными торцами, позволяющими увеличить концентрацию электрического поля в области пролета пучка. Рассматриваемая структура относится к БУС с внутренними ячейками связи, расположенными на оси структуры.

Рассмотрим резонансный макет БУС, состоящий из двух ускоряющих полуячеек и одной ячейки связи. В данной системе возбуждается рабочий вид колебаний тс/2. Чертеж резонансного макета, а также его эквивалентная схема представлены на Рис. 1.1.

М М

Рис.1.1. Резонансный макет и его эквивалентная схема.

В данной схеме Ь; и 2С] индуктивность и емкость ускоряющих полуячеек, а ¿2 и С2 соответственно для ячейки связи, потери не учитываются. Собственные частоты ускоряющих ячеек и ячеек связи при этом определяются как

©01 =

1

2Ьг

> а>02 =

1

у 2 Ь2 С2

(1.1)

Обозначая токи, текущие в контурах как г15 г2 и г3 и, пренебрегая связью между

ускоряющими полуячейками, можно получить систему уравнений относительно контурных токов:

(

]й)Ц + —--

У®СХ

\

1Х + ]соШ2 = О

]соШх +

J Ш1УИ 2

2 ]СйЬ2 +

уюС

/2 + ]соШъ = О

(1-2)

2 У

]и)Ьх +

УоуС

/, =0

1 у

После преобразования (1.2) получим

17 2 ^

V

Со

Хх

;

—г=Х2 = 0

л/2

к Х.+

(

42

со,

2 Л 02

СО

Х2+-^Х3 = 0

л/2

(1.3)

4=Х 2 +

л/2

,«01

2 Л

х3=о

где коэффициент связи для бесконечной бипериодической структуры, а

привед�