Ускоряющая структура с параллельной связью с волноводным возбуждающим резонатором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Левичев, Алексей Евгеньевич

• Левичев, Алексей Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Левичев, Алексей Евгеньевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ускоряющая структура с параллельной связью с волноводным возбуждающим резонатором»

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 диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Левичев, Алексей Евгеньевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Левичев, Алексей Евгеньевич, 2011 год

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