Взаимодействие релятивистских электронных пучков с мощными электромагнитными полями квазирегулярных волноводных систем

• Автор: Саяпин, Аркадий Федорович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 131 c. : ил

ГЛАВА I. СОГЛАСОВАНИЕ ВЫСОКОДОБРОТНЫХ УСКОРЯЩИХ СИСТЕМ,
НАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
1.1. Расстройка высокодобротных резонаторов по частоте интенсивными потоками ускоряемых частиц
1.2. Влияние системы возбуждения на характеристики резонатора бегущей волны
ГЛАВА 2. УСКОРЕНИЕ ЧАСТИЦ БЫСТРЫМИ ВОЛНАМИ
2.1. Ускоряющие структуры на основе гладких равномерно изогнутых волноводов
2.2. Высокочастотная фокусировка частиц ускоряющим СВЧ полем
2.3. Резонансное ускорение непрерывного потока прямолинейно движущихся электронов
ГЛАВА 3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В РАВНОМЕРНО ИЗОГНУТЫХ ВОЛНОВОДАХ ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ
3.1. Распространение электромагнитных волн Е типа в равномерно изогнутом волноводе постоянного сечения
3.2. Численный анализ распространения высших волноводных мод
3.3. Взаимодействие электронного пучка с полем равномерно изогнутого волновода
ПРИЛОЖЕНИЕ к п.3.3. Анализ решения дисперсионного
уравнения для Eq3 типа колебаний
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Вопросам получения и использования СВЧ полей с мощностью в десятки и более гигаватт в последние годы уделяется все возрастающее внимание. Среди проблем, для решения которых требуются столь высокие уровни СВЧ мощности, можно отметить проблему повышения темпа ускорения линейных и циклических ускорителей, увеличение разрешающей способности сепараторов частиц высокой энергии, а также нагрев СВЧ полями плазмы, необходи -мой для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Существенное увеличение уровня СВЧ мощности стало возможным с разработкой сильноточных ускорителей электронов, гене -рирующих электронные пучки мощностью в десятки и сотни гигаватт. Использование таких ускорителей в качестве инжекторов традиционных СВЧ генераторов / ЛЕВ, магнетроны, клистроны и т.п.) позволило достичь уровня СВЧ мощности в несколько гигаватт при длительности импульса в десятки наносекунд 1-3 .
Другая возможность достижения высокого уровня СВЧ мощности связана с успехами в исследовании сверхпроводящих материалов, позволяющих создавать высокодобротные накопители СВЧ энергии типа резонаторов стоячей или бегущей волны, в которых циркулирующая мощность может быть усилена на 8 - 9 порядков по сравнению с мощностью питающего генератора 4
Уникальные свойства сверхпроводящих волноводов и резонаторов открывают широкие возможности их использования в ускорительной технике. В последнее время исследования сверхпроводящих ВЧ систем получили широкую поддержку, поскольку использование обычных ВЧ систем для проектируемых электрон-позитрон-ных накопительных колец высокой энергии потребовало бы чрез-

мерной мощности, не достигнутой современными источниками
СВЧ колебаний
7,8
Энергетический потенциал, т.е. мощность сильноточного пучка электронов в первом случае, добротность сверхпроводящих резонаторов во втором, позволяют получать СВЧ поля требуемой мощности. Однако, экспериментальные исследования сверхпроводящих волноводных структур на высоком уровне мощности показали, что перенацряжение на поверхности волновода ограничивает уровень СВЧ мощности в результате возникновения высокочастотного поверхностного проооя
. При исследовании генера9,10
ции мощных СВЧ электромагнитных полей сильноточными пучками электронов перенапряжение на поверхности структуры также является основным фактором, ограничивающим уровень и длитель -ность СВЧ импульсов. Таким образом, решение проблемы получения и использования СВЧ полей требуемой мощности, прежде всего, связано с понижений* перенапряжения на поверхности волновода.
На уровень предельной мощности поля существенно влияет форма структуры. Большая мощность может быть передана по волноводу постоянного поперечного сечения, когда устраняются локальные перенапряжения в волноводе, возникающие при сужении волновода и нагрузке его дисками и штырями. Эффективность энергообмена между СВЧ полем волновода постоянного поперечного сечения и потоком заряженных частиц исследовалась ранее как в ускорителях электронов (авторезонансный ускоритель электронов

), так и в генераторах СВЧ колебаний (мазер на циклотронном резонансе - МЦР |і5-І7 ] ), а также в приборах поперечного типа взаимодействия [і8-2]^
В МЦР и АРУ механизм взаимодействия частиц с СВЧ полем основан на вращательном движении частиц в продольном магнитном поле. Очевидно, что это неприемлемо для ультрарелятивист-

Выражение для мощности (2Л.11) получено для оптимального значения коэффициента связи
( учіи«?)! -пу/г
4<ш'
'г ,7 (2.1.13)
" П ҐҐ
и в предположении, ЧТО ~ 2 6 а
Из (2Л.11) и (2Л.13) видно, что при максимальном значении тока Тп = -?г7г вся мощность СВЧ поля, подаваемая на вход Кщ “
ускоряющего волновода, затрачивается на ускорение электронов, при этом КСопт ~у
В системах с малыми омическими потерями в стенках резонатора эффективность,близкая к единице, может быть достигнута при токах значительно меньших максимального. Нормируем величину ускоряемого тока на его максимальное значение в диафрагмированной структуре /д ==—£- г . Символами * ,
дальнейшем будем отмечать соответственно параметры квази-регулярного и диафрашированного волноводов.
Подставляя С2.І.ІІ) в (2.І.І0), определим

1ПТЛ±1к
^/г

? ' ~,г(Тм иігя($ш.г/їшї)г
1 г ч:) ж
-л (2.1.14)
Для определения 2^ выразим амплитуду электрической составляющей поля на центральной линии волновода 0-0 через мощность поля.