Высшие типы волн и асимметрия СВЧ поля в ускоряющих резонаторах

• Автор: Болгов, Роман Олегович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВОЛНЫ ВЫСШИХ ТИПОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ РЕЗОНАТОРАХ
1 1 Электродинамические характеристики резонаторов
1 2 Расчет внешней добротности
12 1 Метод суперпозиции двух бегущих во пн
122 Резонансный метод
12 3 Метод расчета в переходном режиме
1 3 Наведенный потенциал и параметр потерь
1 4 Программы для расчета электродинамических характеристик волн высших типов
ГЛАВА 2. ПОДАВЛЕНИЕ ВОЛН ВЫСШИХ ТИПОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МНОГОЯЧЕЕЧНЫХ
РЕЗОНАТОРАХ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ
2 1 Сверхпроводящий резонатор линейного ускорителя с большим средним током
2 11 Линейный ускоритепь эпектронов с бопьшим средним током
2 12 Шдентификагрт типов вопн в резонаторе
213 Изменение формы регупярных ячеек
2 14 Оптимизация концевых ячеек резонатора 4
2 2 Сверхпроводящий резонатор линейного ускорителя с рекуперацией энергии
2 2 1 Ускоритепь с рекуперацией энергии
2 22 Расчет эпектродинамических характеристик
2 2 3 Функции чувствитепьности
2 2 4 Демпфирование вопн высших типов
Выводы
ГЛАВА 3. ПОДАВЛЕНИЕ ВОЛН ВЫСШИХ ТИПОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ ОДНОЯЧЕЕЧНОМ РЕЗОНАТОРЕ
3 1 Вводное
3 2 Расчет электродинамических характеристик исходного резонатора
3 3 Резонатор с диафрагмой
3 4 Резонатор с демпфирующими кольцами в трубках дрейфа
3 5 Расчет наведенного потенциала
3 6 Расчет внешней добротности
3 7 Устройства вывода волн высших типов
3 8 Исследование мультипакторного разряда
Выводы
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ АСИММЕТРИИ ПОЛЯ ВВОДОВ МОЩНОСТИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРЕННОГО ПУЧКА
4 1 Определение отклонения пучка
4 2 Анализ динамики пучка при использовании устройств ввода мощности
4 3 Расчет параметра кика на примере одноячеечного сверхпроводящего резонатора
Выводы
ГЛАВА 5. РЕГУЛИРУЕМЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ВВОД БОЛЬШОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ БЕЗ ПОДВИЖНОЙ ЧАСТИ
5 1 Вводное
5 2 Настройка двойного СВЧ окна
5 3 Настройка ввода мощности с использованием феррита
5 4 Настройка полного ввода мощности
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Диссертация направлена на решение проблемы выбора оптимальных конструкций ускоряющих структур при модернизации существующих и разработке инновационных ускорителей заряженных частиц с минимизацией влияния волн высших типов (ВВТ) на характеристики ускоряемых пучков заряженных частиц. Эта задача является актуальной для таких ускорительных комплексов, как мощные источники синхротронного излучения на основе линейных ускорителей электронов с большой средней мощностью ускоренного пучка, ускоряющие структуры высокоэнергетичных протонных (ионных) ускорителей для нужд ядерной физики, ядерной медицины и материаловедении.
Современное развитие ускорителей заряженных частиц характеризуется возрастающими требованиями к параметрам ускоренного пучка. Это обусловлено расширением круга физических проблем, исследуемых с помощью пучков заряженных частиц. В связи с этим целесообразно использовать понятие пучков с прецизионными параметрами. В это понятие вкладываются такие характеристики пучка как узкий энергетический спектр, малые значения продольного и поперечного эмиттанса, высокие значения кратковременной и долговременной стабильности энергии и тока пучка. При этом прецизионные характеристики, как правило, должны быть реализованы при высокой энергии и значительной интенсивности ускоренного пучка.
Количественные значения прецизионных параметров определяются кругом задач, решаемых с помощью конкретной установки.
Мировой опыт показывает, что получение прецизионных параметров пучков необходимо в ускорителях заряженных частиц различного типа -электронов, протонов, ионов. Такими ускорителями являются как циклические, так и линейные. Ускорители могут работать как при нормальной температуре, так и в режиме сверхпроводимости.

Для получения ускоренных пучков с прецизионными характеристиками разработаны и применяются многие методы. К ним относятся параметрическая стабилизация характеристик систем ускорителя, применение систем обратных связей для управления системами ускорителя, формирование пучка на различных стадиях ускорения от инжекции до вывода его на мишень. В достижении прецизионных характеристик пучка существенную функцию выполняет ускоряющая система. В ускоряющих секциях происходит формирование сгустков, их ускорение и, при необходимости, трансформация размеров и формы. В связи с этим исследование физических процессов в ускоряющих секциях позволяет развивать методы повышения качества пучка, получения прецизионных характеристик.
Получение необходимых характеристик пучка в значительной мере определяется влиянием ВВТ. Известно, что при пролёте пучка заряженных частиц в ускоряющей структуре генерируется широкий спектр волн различных типов с разными резонансными частотами. Этот эффект оказывает отрицательное влияние на работу ускорителя, так как при этом часть энергии пучка отдаётся СВЧ полю, но гораздо более существенным является взаимодействие наведенных волн с пучком. Наведённые поля обладают поперечными электрическим и магнитным компонентами на оси и, следовательно, отклоняют следующие сгустки. Это может привести к нестабильности пучка - вызвать значительное увеличение поперечного и продольного эмиттанса пучка и в итоге привести к расширению энергетического спектра частиц и даже к потере частиц на стенках, а при увеличении тока пучка к его полной потере. Демпфирование ВВТ играет все более важную роль в достижении и сохранении низкого эмиттанса и низкой модуляции энергии пучков в ускорителях, особенно в ускорителях, основанных на сверхпроводящей технологии. Очень большие значения собственной добротности из-за сверхпроводящего состояния стенок резонатора, которое является преимуществом перед резонаторами с
нормально проводящими стенками в случае ускоряющей волны, делают

устройства связи. В качестве источника электронов выбрана трехэлектродная пушка с энергией инжекции 100 кэВ. После пушки устанавливается клистронный группирователь, содержащий два независимо питаемых резонатора и обеспечивающий формирование коротких сгустков.
Ускоряющие секции состоят из резонаторов типа TESLA / ILC [2], но несколько видоизменённых по форме [3]. В частности, несколько увеличена апертура для пролета пучка, изменена конфигурация устройств подавления ВВТ. Подробное обсуждение конструктивных особенностей секций проведено ниже. Целесообразность проведения последующей модернизации ускорителя для повышения энергии пучка до 80 - 100 МэВ обусловлена тем, что от источника дальнего ультрафиолета появится возможность перейти к источнику жесткого гамма-излучения.
При введении системы рекуперации энергии пучка с помощью установки магнитов возврата пучка для его повторного ускорения, модернизации криогенной системы ускоритель может обеспечить получение инфракрасного излучения на длинах волн 2 - 200 мкм с мощностью в сотни ватт. Излучение с такими параметрами должно обеспечить передовые исследования по физике, биологии, медицине.
Области применения обосновывают исследования динамики пучков с высокой яркостью в дополнение к пучкам с небольшой яркостью для исследования процессов фоторождения ионов редких изотопов. При этом заряд в сгустке должен составлять 100 пК, частота следования 100 МГц, поперечный приведенный эмиттанс 10 мкм, длина сгустка 1 пс.
Основные параметры ускорительного комплекса суммированы в таблице
2.1. Ввод СВЧ мощности осуществляется через два 60 кВт трансформатора типа волны (ТТВ). Важной является проблема демпфирования ВВТ, особенно в последних четырех резонаторах, которые будут использоваться в режиме многократного прохождения пучка (режим ERL). Поэтому проведены исследования ЭДХ резонаторов в функции их геометрических размеров с целью выбора оптимального варианта, как для рабочей волны, так
и недопущения возникновения «запертых» в резонаторе ВВТ.