Модельный анализ динамики интенсивных потоков частиц для решения задач формирования ионных пучков с высокой яркостью

• Автор: Барминова, Елена Евгеньевна
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил

МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ФОНДИРОВАНИЯ ИОННЫХ ПУЧКОВ С ВЬСОКОЙ ЯРКОСТЬЮ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР РАБОТ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКОВ С ВЫСОКОЙ ЯРКОСТЬЮ В

ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛАХ УСКОРИТЕЛЯ

ГЛАВА II. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛОСКОМ ДИОДЕ

2.1. Ускорение в плоском диоде потока заряженных частиц с ненулевым продольным эмиттансом
ГЛАВА III. ДИНАМИКА НЕРЕЛЯТИВИСТСКИХ СГУСТКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В СТАЦИОНАРНЫХ ПОПЕРЕЧНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
3.1. Двумерная задача о движении сгустка в однородном магнитном поле в отсутствие собственных полей
3.2. Двумерная задача о движении в неоднородном магнитном поле сгустка с большим собственным пространственным зарядом
3.3. Трехмерная задача о преобразовании эмиттансов эллипсоидального сгустка заряженных частиц в поле магнитного квадруполя
ГЛАВА IV. НЕУСТОЙЧИВОСТИ В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ИОНОВ
4.1. Неустойчивость квазинейтрального пучка отрицательных ионов в диоде с сильной обратной связью
4.2. Влияние 5-электронов на устойчивость квазинейтрального пучка
отрицательных ионов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Интенсивные пучки заряженных частиц способны переносить большие плотности энергии и эффективно воздействовать на различные ма-териалы[1-7]. Эти свойства способствуют широкому применению пучков с высокой плотностью заряда в технике и ядерно-физических исследованиях. Для ряда приложений, таких, как приборы СВЧ-электроники, медицинская техника, коллайдеры, ядерно-энергетические установки (ускорители-бридеры и установки УТС), особые требования предъявляются к яркости пучка. При формировании пучка с максимальной яркостью необходимо решать две задачи - повышение плотности тока и снижение выходного поперечного эмиттанса.
Решение проблемы снижения эмиттанса при сохранении высокой интенсивности пучка необходимо и в связи с растущими требованиями к радиационной чистоте эксплуатируемых ускорителей. Представляется актуальным исследование процессов, ведущих к ухудшению эмиттанса, и исследование возможности вытягивания максимального тока при формировании высокоярких интенсивных сгустков заряженных частиц в линейных ускорителях, которые имеют самостоятельное прикладное значение, а также используются в качестве инжекторов крупных ускорительных комплексов.
Одним из основных элементов ускорителя является ускоряющий промежуток (плоский диод), который используется для генерации и начального ускорения частиц. Ограничение тока в диоде определяет верхний предел яркости пучка. В стационарном диоде зависимость максимального тока от напряжения и длины диодного промежутка хорошо описывается законом "3/2", если условия в диоде максимально

приближены к условиям Чайльда-Ленгмюра, а именно, выполнены требования большого аспектного соотношения ускоряющего промежутка, бесконечной эмиссионной способности катода и безынерционности внешней цепи. Исследованию стационарных процессов в плоском диоде посвящены многочисленные работы (см. библ.[8]). Отметим здесь работу [9], где дается кинетическое описание ускоряющего промежутка при помощи самосогласованной функции распределения Р(Н) (Н - гамильтониан частиц). В этой работе проведена полная классификация всех возможных достаточно гладких распределений потенциала, но процессы установления каждого стационарного состояния не обсуждались. В то же время для ряда важных физических приложений (УТС и ускорители нового поколения) интерес представляют именно переходные, нестационарные процессы. Нестационарные состояния в плоском диоде изучены мало[10,11]. В указанных работах в приближении холодной гидродинамики найдено выражение для тока, причем используемое краевое условие для напряженности поля на катоде позволяет считать решение самосогласованным в рамках принятой модели. На основании полученных результатов был сделан вывод, что нестационарный диод способен пропускать больший по плотности ток, чем аналогичный стационарный, однако результаты обеих работ справедливы лишь в случаях очень коротких сгустков и мгновенной эмиссии с катода и применимы только к холодным пучкам. Поэтому представлялось актуальным исследование поведения интенсивного сгустка с ненулевой продольной температурой в самосогласованном поле нестационарного плоского диода.
После начального этапа ускорения поток заряженных частиц проходит различные формирующие секции, цель которых сформировать и

ГЛАВА II. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ПРОЦЕСС УСКОРЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ
ЧАСТИЦ В ПЛОСКОМ ДИОДЕ.
Плоский диод является одним из основных элементов любой ускорительной системы и ряда приборов СВЧ-электроники, где используется для генерации и начального ускорения потоков заряженных частиц [38,48,49,106,107]. Процессы, происходящие в диоде, в значительной степени влияют на параметры формируемого интенсивного пучка, в частности, определяют предел его яркости. Одним из таких процессов является ограничение тока, проходящего
через ускоряющий промежуток.
В стационарном диоде зависимость максимального тока от напряжения и длины диодного промежутка хорошо описывается законом "3/2", если условия в диоде максимально приближены к условиям Чайльда-Ленгмюра: бесконечная эмиссионная способность катода и
безынерционная внешняя цепь [39]. Исследованию стационарных процессов в плоском диоде посвящены многочисленные работы, в том числе [9,39-41], где изучалось влияние на величину установившегося тока конечной температуры пучка. В работе [9], где дается
кинетическое описание ускоряющего промежутка при помощи самосогласованной функции распределения Е(Н) (Н - гамильтониан частиц), были построены семейства всех возможных стационарных
распределений потенциала и определены условия ухода частиц на бесконечность, однако процессы установления каждого стационарного состояния не обсуждались.
Для ряда важных физических приложений ([48,49]) и, в
частности, для ускорителей нового поколения интерес представляют