Высокочастотные дефлекторы на бегущей волне для диагностики пучков заряженных частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Смирнов, Александр Юрьевич

• Смирнов, Александр Юрьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Смирнов, Александр Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Высокочастотные дефлекторы

1.1 Измерение параметров сгустков с помощью ВЧ дефлекторов

1.1.1 Измерение длины пучка

1.1.2 Измерение продольного фазового пространства пучка

1.2 Структуры ВЧ дефлекторов

1.2.1 Отклоняющая структура ВЧ дефлектора на стоячей волне

1.2.2 Отклоняющая структура ВЧ дефлектора на бегущей волне

1.3 Обзор существующих ВЧ дефлекторов

1.3.1 ВЧ дефлекторы на бегущей волне

1.3.2 ВЧ дефлекторы на стоячей волне

1.4 Выводы

Глава 2. Расчет конструкции ячеек для отклоняющих структур

2.1 Требования к отклоняющим структурам

2.2 Структура со стабилизирующими отверстиями

2.3 Структура с оппозитными выточками в обечайке ячейки

2.4 Структура с продольными стержнями

2.5 Структура с овальным апертурным отверстием

2.6 Выбор отклоняющей структуры

Глава 3. Проектирование и настройка высокочастотных дефлекторов

3.1 Устройства ввода мощности в отклоняющие структуры

3.1.1 Устройство трансформатора типа волны

3.1.2 Численная настройка трансформатора типа волны дефлектора PITZ

3.1.3 Численная настройка трансформатора типа волны дефлекторов XFEL

3.2 Влияние длины ячейки трансформатора типа волны на характеристики ВЧ дефлектора

3.2.1 Расчет отклоняющего потенциала

3.2.2 Вариация длины ячейки трансформатора типа волны

3.3 Настройка отклоняющих структур методом эквивалентных

схем

3.3.1 Эквивалентная схема для круглого диафрагмированного волновода на дипольной волне

3.3.2 Оптимизация параметров ячеек входного и выходного трансформатора типа волны

3.3.3 Программа численной настройки трансформаторов типа волны на бегущей волне

3.4 Анализ наведенных полей в высокочастотном дефлекторе

3.5 Выводы

Глава 4. Экспериментальное исследование и настройка ВЧ дефлектора

4.1 Методы измерения электродинамических характеристик отклоняющих структур

4.1.1 Измерение резонансных частот

4.1.2 Измерения электромагнитных полей в режиме стоячей волны

4.1.3 Измерение электрического поля в режиме бегущей волне

4.1.4 Измерение поперечного шунтового сопротивления

4.2 Измерение электродинамических характеристик ВЧ дефлектора132

4.2.1 Измерения резонансных частот регулярных ячеек

4.2.2 Измерение распределения поля в регулярных ячейках

4.2.3 Измерение поперечного шунтового сопротивления

4.3 Настройка трансформаторов типа волны ВЧ дефлектора на режим бегущей волны

4.4 Элементы высокочастотного тракта для дефлекторов PITZ и XFEL

4.4.1 Направленные ответвители

4.4.2 Керамическое волноводное окно

4.4.3 Волноводная поглощающая нагрузка

4.4.4 и-образный волновод

4.5 Выводы

Заключение

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокочастотные дефлекторы на бегущей волне для диагностики пучков заряженных частиц»

Введение

В настоящее время наблюдается дальнейшее увеличение интереса к новым возможностям, которые открывают источники мощного электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны. К таким источникам относятся, прежде всего, генераторы монохроматического когерентного излучения - рентгеновские лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В этих установках получают излучение с длиной волны от 1 мм до 0,1 нм. Так, на ЛСЭ FLASH (Free-electron LASer in Hamburg), Германия, в 2004 г. была получена длина волны 13,5 нм [1], что соответствует ультрафиолетовому излучению. В 2010 г. длину волны удалось сократить до 4,1 нм [2], что лежит в области мягкого рентгена. Жесткого рентгена с длиной волны менее 1 нм удалось достичь в 2009 г. на ЛСЭ LCLS (Linac Coherent Light Source) в Стэнфордской Национальной ускорительной лаборатории, США [3]. В 2011 г., был произведен запуск компактного ЛСЭ SACLA (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser), Япония, оперирующий с длиной волны менее 1 А [3].

Подобные установки находят широкое применение в атомной и молекулярной спектроскопии, при изучении структур ДНК, в белковой кристаллографии, при исследовании механизма быстропротекающих химических процессов [4] и т.д. Иными словами, важность создания установок ЛСЭ как средств для дальнейшего познания человеком окружающего мира трудно переоценить.

Тема настоящей работы относится к созданию уникального ускорительного комплекса Европейского лазера на свободных электронах XFEL (X-ray Free-electron Laser) в лаборатории DESY (Deutsche Electronen-SYnctrotron), Гамбург, Германия [5]. Строительство XFEL началось в 2009 г., а запуск планируется в 2017 г. Проект представляет собой линейный ускоритель электронов длиной 1,7 км на энергию до 17,5 ГэВ с последующим получением синхротронного излучения (СИ) в ондуляторах. В этих

ондуляторах рентгеновское излучение будет генерироваться самоусиливающейся спонтанной эмиссией, т.е. в процессе взаимодействия электрона с излучением, создаваемым соседними электронами.

Задача комплекса XFEL - получить СИ с перестраиваемой длиной волны от 4 до 0,05 нм, длительностью импульса до 100 фс и частотой повторений до 27 кГц [6]. Такая рекордная по сравнению с другими ЛСЭ частота вспышек позволит исследовать химические реакции, протекающие слишком быстро для исследования иными методами. Планируется создать до 5 каналов вывода фотонных пучков с 10 экспериментальными станциями, в которых будут вестись научные исследования в области физики, химии, материаловедении, биологии и нанотехнологии.

Однако помимо высокой частоты вспышек СИ, важным достоинством XFEL будет также высокая средняя яркость излучения -1,6x10 фотоны/с/мм /мрад/0,1%(ДАЛ). Пиковая яркость составит величину

•5-3 fy

порядка 10 фотоны/с/мм /мрад/0,1%(ДАА), что в миллиард раз выше по сравнению с существующими ЛСЭ [6].

Для получения столько высокой яркости и когерентности СИ в XFEL используются электронные пучки с чрезвычайно малой продольной длиной -до 20 мкм, получаемые путем последовательного сжатия начального пучка длиной 2 мм. Для сравнения можно привести значения среднеквадратичных длин сгустков, используемых, например, в ускорителе LCLS (Linac Coherent Light Source) и в линейном коллайдере NLC (Next Linear Collider) в SLAC. В LCLS она составляет 24 мкм (80 фс) [7], а в NLC - 90 мкм (300 фс) [8].

Актуальной задачей для будущих и существующих в настоящее время лазеров на свободных электронах и линейных коллайдеров является измерение и контроль характеристик коротких электронных сгустков. Следовательно, для контроля и прецизионной диагностики пучков в режиме реального времени необходимо иметь измерительную аппаратуру, не нарушающую основной цикл ускорения частиц.

Измерения параметров столь коротких сгустков при помощи электронно-оптических камер практически неосуществимы. Поэтому необходимо использование поперечного ВЧ поля, воздействующего на электронный сгусток, позволяет по отклонениям пучка в течение импульса, зафиксированного мониторами, получить не только данные об абсолютной длине сгустка, но и выявить важные временные связи в других фазовых пространствах, а также измерить среднеквадратичные размеры пучка во временных срезах. Устройства, в которых на частицы действует поперечное высокочастотное электромагнитное поле, называются ВЧ дефлекторами.

ВЧ дефлекторы являются составляющими многих действующих и создаваемых ускорительных установок и применяются в циклических и линейных ускорителях как легких так и тяжелых частиц (электронов, протонов, ионов, античастиц). Конструкции ВЧ дефлекторов, предназначенных для применения в различных установках, разрабатываются и реализуются с учетом решаемых задач в конкретных ускорительных комплексах. Общим свойством всех ВЧ дефлекторов является отсутствие продольного электрического поля на оси структуры при значительном поперечном электрическом поле. Такая конфигурация поля обеспечивается возбуждением аксиально несимметричного (дипольного) типа волны.

Основные направления применения ВЧ дефлекторов сводятся к решению следующих задач [9]:

- вывод частиц из ускоряющих секций (режим кика);

- сепарация ускоренных частиц по энергии и массе;

- трансформация сгустков частиц для измерения их характеристик;

- формирование сгустков частиц с малой длительностью и малой угловой и фазовой расходимостью.

В создаваемом в БЕ8У при участии РФ комплексе ХБЕЬ должны быть три диагностические станции, расположенные в инжекторной части ускорителя (где длина пучка составляет с2=2 мм) и непосредственно после установок, сжимающих пучок (о2=110 мкм и 20 мкм). В этих установках ВЧ

дефлектора должен быть и сложный протяженный ВЧ тракт, работающий при высоких уровнях ВЧ мощности. Разработка как самих отклоняющих структур, так и различных сложных элементов ВЧ тракта представляет несомненный интерес при создании этого уникального ускорительного комплекса. Для отработки процесса проектирования и технологических процессов изготовления ВЧ дефлекторов XFEL служит дефлектор для фотоинжектора PITZ (Photo Injector Test facility Zeuthen), Цойтен, Германия [10].

Целью диссертации является исследование, разработка и создание ВЧ дефлектора и проектирование элементов мощного ВЧ тракта, удовлетворяющего техническим требованиям эксплуатации в ускорительном комплексе XFEL. В рамках работы по разработке этих устройств рассматриваются следующие вопросы:

1. расчет электродинамических характеристик (ЭДХ) ячеек отклоняющих секций с различными способами стабилизации плоскости поляризации дипольной волны с целью определения оптимального варианта для дефлекторов PITZ и XFEL;

2. расчет конструкций устройств ввода ВЧ мощности (трансформаторов типа волны - ТТВ) в дефлекторы с заданным и симметризованным полем в ячейке ТТВ и настройкой на рабочей частоте;

3. создание методики измерения поперечного шунтового сопротивления в отклоняющих структурах ВЧ дефлекторов с использованием метода малых возмущений;

4. разработка программы настройки отклоняющей структуры с ТТВ на режим бегущей волны с использованием метода эквивалентных схем;

5. разработка методики настройки отклоняющей структуры с ТТВ ВЧ дефлектора на минимальное отражение на входе структуры и

минимальное изменение амплитуды и фазы отклоняющего поля от номинальных значений;

6. изготовление и настройка ВЧ дефлектора для PITZ, состоящего из 14 отклоняющих ячеек и 2 ячеек ввода мощности;

7. разработка алгоритма автоматизированного измерительного комплекса для исследования ЭДХ отклоняющих структур ВЧ дефлекторов;

8. проектирование и настройка элементов ВЧ трактов дефлекторов.

Научная новизна результатов исследования сводится к следующим

положениям:

1. Предложена новая конструкция отклоняющей структуры с выточками в обечайке.

2. Предложено новое устройство с запредельным вспомогательным волноводом, а также с уменьшенной длиной переходной ячейки.

3. Впервые разработана и апробирована программа численного анализа ВЧ дефлекторов на бегущей волне с использованием метода эквивалентных схем.

4. Предложена и испытана на практике новая методика измерения амплитуд поперечного высокочастотного электрического и магнитного поля для определения поперечного шунтового сопротивления

Достоверность полученных результатов подтверждена использованием в процессе расчетов программ, хорошо зарекомендовавших себя в научных кругах, а также соответствием экспериментальным данным.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. на основе полученных результатов численного и экспериментального анализа электродинамических характеристик отклоняющих ячеек и ячеек ввода мощности была принята универсальная конструкция этих ячеек, из которых будут собраны все требуемые дефлекторы для комплекса XFEL;

2. на основе полученных результатов изготовлен и настроен дефлектор, состоящий из 16 ячеек, удовлетворяющий техническим требованиям инжекторной части XFEL, и введенный в эксплуатацию в ускорительный тракт фотоинжектора PITZ;

3. Изготовлены, настроены и введены в эксплуатацию следующие элементы ВЧ тракта ВЧ дефлекторов: волноводно-полосковый и коаксиально-полосковый направленный ответвитель, вакуумное керамическое окно, волноводная поглощающая нагрузка и U-образный отрезок волновода с заданной фазовой длиной;

4. Создана программа расчета ЭДХ и моделирования отклоняющей секции на бегущей волне, основанной на методе эквивалентных схем, позволяющая сокращать время настройки изготовленных секций с большим числом ячеек.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в моделировании конструкций ячеек отклоняющей структуры и расчетном исследовании их электродинамических характеристик с последующей оптимизацией под технические требования на дефлекторы XFEL. А также им была написана программа расчета и анализа отклоняющих структур на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем.

В рамках экспериментальной части работы автором лично была разработана методика измерения поперечных высокочастотных электромагнитных полей в изготовленном резонансном макете, проведены экспериментальные исследования качества изготовленных ячеек, проведены измерения всех необходимых ЭДХ этих ячеек, а также проведена экспериментальная настройка изготовленного дефлектора для PITZ с алюминиевыми прототипами устройств ввода ВЧ мощности на режим бегущей волны.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. результаты численного анализа ЭДХ ячеек регулярной части ВЧ дефлекторов с различными способами стабилизации плоскости поляризации дипольной волны;

2. результаты численных расчетов устройств ввода ВЧ мощности в отклоняющие структуры;

3. программа расчета ЭДХ и моделирования отклоняющей секции на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем;

4. результаты экспериментального исследования ЭДХ изготовленных ячеек ВЧ дефлектора PITZ;

5. методика измерения поперечного шунтового сопротивления;

6. результаты экспериментальной настройки изготовленного 16-ячеечного дефлектора для PITZ на режим бегущей волны;

7. результаты расчетов и экспериментального исследования элементов ВЧ тракта дефлекторов - направленных ответвителей, керамических окон, поглощающей нагрузки.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 53 наименований. Общий объем диссертации составляет 178 страниц, включая 105 рисунков и 28 таблиц.

В главе 1 описаны применения ВЧ дефлекторов для определения параметров продольной длины пучка, измерения его разброса энергии и поперечного эмиттанса, для чего приводятся качественные схемы соответствующих установок. Приведены детальные описания режимов работы отклоняющих ВЧ структур на бегущей и стоячей волнах. Приводятся определения основных ЭДХ, описывающих данные режимы. Дан обзор созданных ранее и функционирующих в настоящее время ВЧ дефлекторов различных частотных диапазонов, работающих как в режиме бегущей, так и в режиме стоячей волны.

Глава 2 посвящена численному анализу ЭДХ отклоняющих ячеек с различными конструкциями, стабилизирующими плоскость поляризации

рабочей волны, с оптимизацией их размеров под требования на дефлекторы для XFEL. Показаны настроенные размеры ячеек и сравнение этих конструкций в контексте технологических особенностей их изготовления и пригодности для эксплуатации в отклоняющих структурах XFEL. Обоснован выбор конструкции отклоняющей структуры.

В основе главы 3 лежит сравнительный численный анализ различных ТТВ, являющихся устройствами ввода ВЧ мощности в отклоняющую структуру, с описанием процесса их настройки на режим бегущей волны. Описаны расчеты ТТВ с уменьшенной продольной длиной переходной ячейки ТТВ, приведена математическая модель дефлекторов на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем. По этой математической модели написана программа расчета электродинамических характеристик таких ВЧ дефлекторов. Приведено сравнение результатов расчетов по этой программе и по программе численного моделирования CST Microwave Studio. Отдельное внимание уделено численному анализу волн высших типов и наведенных полей.

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию изготовленных узлов ВЧ дефлектора PITZ, являющегося прототипом дефлекторов XFEL, на котором отработаны все технологические аспекты проектирования подобных устройств. Рассмотрены методы измерения ЭДХ и электромагнитных полей отклоняющих структур, работающих в режиме бегущей и стоячей волн. Описаны процессы и результаты измерений ячеек дефлекторов, изготовленных на основе приведенных в главе 2 численных расчетов. Показаны результаты экспериментальной настройки полной сборки ВЧ дефлектора PITZ. Показаны результаты и расчетов измерений некоторых узлов ВЧ трактов, которые будут применены в установках PITZ и XFEL.

По теме диссертации опубликованы свыше 15 печатных работ, из них 7 статей в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 5 статей опубликованы в периодических научных изданиях, индексируемые в Web of Science, и 10 статей, индексируемых Scopus.

Международные конференции и семинары, на которых были представлены результаты работ по теме диссертации, включают в себя:

• XXII и XXIII Международные совещания по ускорителям заряженных частиц 1\УСРА, Алушта, Украина, в 2011 и 2013 гг.

• II Международная конференция по ускорителям заряженных частиц 1РАС10, Сан-Себастьян, Испания, в 2011 г.

• XXIII Российская конференция по ускорителям заряженных частиц ЯиРАС'12, Санкт-Петербург, в 2012 г.

• XXV и XXVI Международная конференция по линейным ускорителям заряженных частиц ЬПЧАС'Ю и ЬГМАС'12, Тель-Авив, Израиль в 2012 г.

• Научные сессии НИЯУ МИФИ, Москва, в 2011, 2012, 2013 и 2014 гг.

Глава 1. Высокочастотные дефлекторы

Высокочастотные дефлекторы могут работать в режиме как бегущей волны (БВ), так и стоячей волны (СВ), как и ускоряющие секции линейных ускорителей электронов. Конструкции ВЧ дефлекторов на бегущей либо стоячей волне существенно различаются, поэтому эти два типа дефлекторов рассмотрены раздельно, а также проведено сравнение их достоинств и недостатков.

Целью анализа различных типов ВЧ дефлекторов является сравнение основных электродинамических характеристик (ЭДХ) и конструктивных особенностей. Результаты анализа могут быть полезными при разработке и модернизации ВЧ дефлекторов, применяемых в различных ускорительных комплексах.

1.1 Измерение параметров сгустков с помощью ВЧ дефлекторов

1.1.1 Измерение длины пучка

С помощью ВЧ дефлекторов возможно осуществить различные типы измерений, основанные на свойстве поперечного напряжения У± вводить корреляцию между продольной и поперечной координатами сгустка (см. рис. 1.1). Пусть фаза поперечного напряжения 2 подобрана так, что центр пучка находится в его нулевом значении, тогда начало и хвост сгустка подвергнутся взаимообратным линейным отклонениям - 4 и 5, соответственно. Поперечный отклоняющий импульс (например, вертикальный), который приобретает сгусток 3 в дефлекторе 7, приводит к смещению центра масс каждого из его поперечных срезов, пропорциональному продольной координате срезов, отсчитываемой от центра сгустка.

Рисунок 1.1 - Корреляция между продольной и поперечной координатами сгустка, вызванная поперечным напряжением в ВЧ дефлекторе

Связь между продольной координатой частицы пучка z (значение соответствует центру пучка) и вертикальному положению у на экране 6 следующее [11]:

где со - угловая частота отклоняющего напряжения, ф - его фаза по отношению к положению пучка (если пучок находится в нулевом значении напряжения, то ср=0, я), У± - амплитуда отклоняющего напряжения, Е -энергия пучка в эВ, К^ - функция передачи, равная

где и Рд,экран — значения вертикальной р-функции (характеристика

огибающей ускоренного пучка) в координате дефлектора и экрана соответственно, АФ - набег фазы бетатронных колебаний между дефлектором и экраном, Ь - длина дрейфового промежутка.

Тогда координата центра масс сгустка у0 и его среднеквадратическая вертикальная протяженность а"зм, измеренная на экране, определяются следующими выражениями:

Бтф + —гсоБф , (1.1)

с )

Д34 = ^рВЧДрэкран з[пАф (в общем сдучае)5

(1.2)

I. 34

_Я34 = Ь (для простого дрейфового промежутка),

(1.3)

стГ=Из4|-^--|созф|аг (1.4)

' Е / е с

Выражения (1.1-1.4) показывают, что продольную протяженность сгустка можно определить, измерив его поперечную протяженность с помощью ВЧ дефлектора.

В частности, они показывают, что можно напрямую откалибровать вертикальное положение на экране по координате среза измеряя на нем положение центра масс пучка .уо при различных фазах ф, полагая |зтф|«1. Тогда из (1) при ф -> 0 имеем:

= . (1.5)

Е/е Е! е с

В выражениях (1.4) и (1.5) можно выделить следующие калибровочные

коэффициенты: К = Щ4 ^ —со5ф и К' = Щ4 ^ —. Тогда К = К'соз(р

Е / е с Е / е с

можно трактовать, как масштабный коэффициент между координатой у на

экране и продольной координатой г.

Пример изображений пучка и его профиля на экране, находящемся на

оси структуры, показан на рис. 1.2 [7].

Зависимость квадрата значения а"зм, измеренного на экране (см.

рис. 1.3а), как функция от К является параболической, причем коэффициент квадратного члена пропорционален квадрату среднеквадратической продольной протяженности пучка:

СУ2у=с22К2. (1.6)

х, мм N

Рисунок 1.2 - Изображения 30 ГэВ пучка с а2 на экране и его профили: 1 -при У±=0 (ВЧ дефлектор выключен), 2 - при ¥±=10 МВ

Область низкой ( Область высокой разрешающей | разрешающей способности | способности

\ 1 Г 1

Га^/ф 1 1 1 « к -ь.

а)

б)

Рисунок 1.3 - Пример зависимости измеренного на экране среднеквадратического размера сгустка от К: а- без учета эмиттанса пучка и разброса энергии, б - с учетом вертикального эмиттанса, в - с учетом эффекта коррелированного распределения энергии

Использование квадратичной формы (1.6) удобно для следующего рассмотрения эффектов ошибок.

Во-первых, в выражениях (1.1) и (1.4) не учтен вертикальный эмиттанс пучка. В реальности поперечное распределение пучка в координате экрана -это суперпозиция профиля отклоненного пучка и вертикального размера его

срезов а^4, как показано на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 - Корреляция между продольной и поперечной координатами сгустка с учетом суперпозиции отклоненного и собственного вертикального размера его срезов

В [12] показано, что измеренное значение среднеквадратического вертикального размера равно

°,=>/Кад)1+(ог)1' <1Л>

где ст®чд задано выражением (1.4), а ст"уч = ^ЭуРангу (еу - вертикальный

эмиттанс пучка). Можно определить разрешающую способность ст^азр, как длину пучка, которая дает на экране среднеквадратический вертикальный размер, равный у/201^4.

Тогда из предыдущих выражений следует, что

с{Е/ё)^Гу

(1.8)

Г±ю|со8ф|^р®чд |зтДФ|

В случае простого дрейфового промежутка длиной Ь это выражение принимает вид

показано на рис. 1.36. На этом графике видны две области: низкой и высокой разрешающей способности, следующие из предыдущих соображений.

В случае некоррелированного распределения энергии частиц в пучке динамику можно описать подобным предыдущим соображениям способом. Пусть разброс энергии равен а£1 / Е, и пучок имеет нулевой вертикальный эмиттанс. Тогда измеренный вертикальный размер пучка на экране равен

(1.9)

График а на экране как функция К в таком случае выглядит, как

(1.10)

где

Е!е

(1.11)

Этот эффект в общем случае незначителен. В случае коррелированного распределения частиц в пучке вида

(1.12)

помехи в измерениях будут следующими [12]:

(1.13)

где

,Е2 экран г> „ ~~ -К-

Е / е

(1.14)

Оба эффекта можно нивелировать в первом приближении с помощью выбора ф=0, что подразумевает установку экрана на оси пучка.

распределения энергии в пучке показывает два различных коэффициента при квадратном члене для двух различных значений фазы ВЧ напряжения (ф=ф0, ф=ф0+я), согласно формуле [12]:

График этой функции представлен на рис. 1.3в. На нем видно, что значения с К>0 получены при ф=ф0, а с К<0 - при ф=ф0+я. Если построить соответствующие параболы в этих двух областях, то принципиально возможно найти длину пучка и коррелированный разброс энергии.

1.1.2 Измерение продольного фазового пространства пучка

Принципиальная схема установки для измерения продольного фазового пространства [12] изображена на рис. 1.5. Согласно ее принципу работы, в ВЧ дефлекторе пучок 1 заряженных частиц 2 сначала растягивается под действием напряжения 3 вертикально по оси у (начало сгустка отклоняется в направлении 5, а хвост - в направлении б), а затем - горизонтально в плоскости Х2 с помощью дипольного магнита 3. Пример эволюции поперечного профиля пучка вдоль траектории его следования при таком методе измерений показан на рис. 1.6.

•у

Поведение <зу на экране как функция К в случае коррелированного

= ^ 1

/

(1.15)

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема установки для измерения продольного фазового пространства пучка с использованием ВЧ дефлектора

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 X, ММ X, мм

а) б) в)

Рисунок 1.6 - Картины поперечного профиля пучка: а - начальный пучок на входе в дефлектор, б - пучок на выходе из ВЧ дефлектора, в - изображение пучка на экране

Дисперсионные свойства магнитного диполя дают возможность полностью охарактеризовать распределение энергии в каждом срезе пучка по изображению на экране 7, позволяя при этом восстановить полную картину продольного фазового пространства. Тогда продольная координата среза пучка г пропорциональна координате у согласно (1.1), а измеренный по изображению размер х будет пропорционален разбросу энергии АЕ/Е. В таком случае разрешающая способность при измерении разброса энергии определяется, как

(АЕ\

V Е ,

экран х

разр

^экран

(1.16)

где гх, р^кран и £)экран - это горизонтальный эмиттанс, (З-функция и

дисперсия в координате экрана, соответственно.

При помощи ВЧ дефлектора также возможно измерять эмиттанс горизонтального среза пучка [13-15]. В этом случае отклоняющее напряжение вводит зависимость между продольной позицией среза и вертикальной координатой, видимой на экране, а сам поперечный эмиттанс измеряют, применяя технику квадрупольного сканирования [16].

1.2 Структуры ВЧ дефлекторов

1.2.1 Отклоняющая структура ВЧ дефлектора на стоячей волне

В ВЧ дефлекторах на СВ используются резонаторы из круглого диафрагмированного волновода (КДВ), возбужденные на волне типа Еи. Максимумы силовых линий электрического и магнитного полей сдвинуты друг относительно друга на Х./4, как показано на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 - Четверть ячейки ВЧ дефлектора на СВ с волной типа Е\ \

Отношение вкладов в отклоняющий потенциал от Е- и В- полей может значительно варьироваться радиусом апертуры в диафрагме от 0 (при очень малых радиусах) до 1 (при больших).

Основные ЭДХ отклоняющих резонаторов на стоячей волне схожи с ЭДХ ускоряющих резонаторов [17]:

а) ./(6) - дисперсионная характеристика - зависимость частоты от вида колебаний волны. Пример дисперсионных характеристик двух поляризаций волны Е\\, рассчитанной в программе С8Т для отклоняющего резонатора, показан на рис. 1.8. На этом графике указаны разделения частот поляризаций: А/,=/0-/х, Л/2=/о-/2 и Д/3=/0-/3, где /0 и /3- частоты видов колебаний 2я/3 и п рабочей поляризации, соответственно, /| и /2 - частоты видов колебаний 2п/3 и я ортогональной (паразитной) поляризации, соответственно.

О 30 60 90 120 150 180 0, градус

Рисунок 1.8 - Дисперсионная зависимость отклоняющей структуры с обратной волной, работающей на виде колебаний 2л/3 с Яа/\=0,2 при частоте 2997,2 МГц (а) и частотные разделения с ортогональной поляризацией (б)

о Рабочая поляризация —Ортогональная поляризация

б) Ргр - групповая скорость электромагнитной волны в структуре определяется как тангенс угла наклона касательной к дисперсионной кривой в координатах (1/Х, 1/А,в):

д(Ю

<х)

в) kCB — коэффициент связи между ячейками, рассчитываемый по формуле:

kCB =l4z^lxi00o/o, (1.18)

/л/2

гДеЛ»Ул/2 ичастоты видов колебаний я, я/2 и 0, соответственно;

г) Q - собственная добротность:

W

Q = (o

РПОТ (1.19)

где Ж - средняя запасенная энергия в резонаторе длиной Ь, Рпот - средняя рассеиваемая мощность на единицу длины, которая определяется как:

Сх Вт/м, (1.20)

и

где Япов - сопротивление поверхности, Нт - тангенциальная составляющая магнитного поля на поверхности ячейки, а интеграл вычисляется по поверхности одиночной ячейки;

д) тн- время нарастания ВЧ импульса, определяемое через добротность

как:

Т. =^-4 с; (1.21)

со я/

е) а - коэффициент затухания электромагнитной волны на единицу длины:

а==~~ —'■> (1.22) м

ж) Vi - отклоняющее напряжение на длине ячейки:

= + $c\iQHx(z)cosgjjfe В (1.23)

(в данном случае интегрирование производится на оси ячейки длиной D), Ey(z) и Hx(z) - распределения амплитуд поперечных компонент электрического и магнитного полей на оси, соответственно;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Смирнов, Александр Юрьевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. S. Schreiber, В. Faaz, К. Honkava, Operation of FLASH at 6.5 nm Wavelength // Труды конференции EPAC'08, Genoa, Italy, pp. 216-218

2. S. Schreiber, First Lasing in the Water Window with 4.1 nm at FLASH // Труды конференции FEL2011, Shanghai, China, pp. 130-132

3. H.H. Braun, The Future of X-ray FELs // Труды конференции IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, pp. 247-251

4. I.A. Vartanyants, I.K. Robinson, I. McNulty, C. David, P. Wocher, Th. Tschentscher, Coherent X-ray Scattering and Lensless Imaging at the European XFEL Facility / Journal of Synchrotron Radiation, V. 14, P. 6, pp. 453-470

5. M. Altarelli, R. Brinkmann et al, The European X-Ray Free-Electron Laser Technical Design Report / DESY, ISBN-978-3-935702-17-1, 2007

6. W. Decking, Status of the European XFEL - Constructing the 17.5 GeV Superconducting Linear Accelerator // Труды конференции LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 2012, pp. 105-109

7. R. Akre et al, A Transverse RF Deflecting Structure for Bunch Length and Phase Space Diagnostics // Труды конференции PAC-01, Chicago, USA, 2001, pp. 2353-2355

8. Y. Nosochkov, Т.О. Raubenheimer, K. Thompson, M. Woods, The Next Linear Collider Extraction Line Design // Труды конференции PAC-99, New York, USA, 1999, pp. 44-46

9. D. Alesini, RF Deflector Based on Sub-Ps Beam Diagnostics: Applications to FEL and Advanced Accelerators / International Journal of Modern Physics A, 2007, V. 22, №22, pp. 3693-3725

10. L. Kravchuk et al, Layout of the PITZ Transverse Deflecting System for Longitudinal Phase Space and Slice Emittance Measurements // Труды конференции LINAC2010, Tsukuba, Japan, 2011, pp. 416-418

11. M. Rohrs et al, Measurement of Slice-Emittance Using Transverse Deflecting Structure // Труды конференции FEL2005, Stanford, USA, 2005, pp. 484-486

12. P. Emma et al, A Transverse Deflecting Structure for Bunch Length and Space Diagnostics / LCLS-TN-00-12, 2000

13. D.H. Dowell et al, Slice Emittance Measurements at the SLAC Gun Test Facility / SLAC-PUB-9540, 2002

14. J.F. Schmerge et al, Transverse-Emittance Measurements on a S-band Photocathode RF Electron Gun / Nuclear Instruments and Methods A, 483, 2002, pp. 301-304

15. X. Qiu et al, Demonstration of Emittance Compensation through the Measurement of the Slice Emittance of a 10 ps Electron Bunch / Phys. Rev. Lett. 76, 20, 1996, pp. 3723-3726

16. C. Limborg et al, A Modified Quadscan Technique for Emitttance Measurement of Space Charge Dominated Beams / SLAC-PUB-10733, 2003

17. Б.В. Зверев, Н.П. Собенин, Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов / М.: Энергоатомиздат, 1993

18. L. Ficcadenti et al, RF Measurements of the Final Brazed SPARC RF Deflector // Труды конференции PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, 2007, pp. 3994-3996

19. O.A. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Заверев, И.С. Щедрин, Диафрагмированные волноводы: Справочник, 3-е издание/М.: Энергоатомиздат, 1991

20. P. Bernard, H. Lengeler, On the Design of Disc-Loaded Waveguides for RF Separators / CERN 68-30, Geneva, 1968

21. G.A. Loew, O.H. Altenmueller, Design and Application of RF Deflecting Structure at SLAC / PUB-135, 1965

22. G.A. Loew, O.H. Altenmueller, R.R. Larsen, Investigations of Travelling Wave Separators for the Stanford Two-Mile Linear Accelerator / SLAC Report 17, SLAC, Stanford (USA), 1963

23. Н.П. Собенин, О.С. Милованов, Техника сверхвысоких частот / М.: Энергоатомиздат, 2007, 543 с.

24. V.V. Paramonov, Deflecting Structures with Minimized Level of Aberrations // Труды конференции LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 2012, pp. 476478

25. M. Rorhs et al, Investigations of the Longitudinal Electron Bunch Structure at the FLASH Linac with a Transverse Deflecting RF-Structure // Труды конференции FEL-06, Berlin, Germany, 2006, pp. 300-303

26. J.W. Dawson et al, Long Pulse, High Power Test of Argonne's RF Separator Deflector Structures // Труды конференции PAC-71, 1971, p. 769-770

27. H. Ego et. al., Transverse C-Band Deflecting Structure For Longitudinal Phase Space Diagnostics in the XFEL/SPRING-8 "SACLA" // Труды конференции IPAC-11, San-Sebastian, Spain, 2011, pp. 1221-1223

28. R. Agustsson et al, X-band Travelling Wave Deflector for Ultra-short Beam Diagnostics // Труды конференции IP AC-10, Kyoto, Japan, 2010, pp. 1206-1208

29. Y. Ding et al, Commissioning of the X-band Transverse Deflector for Femtosecond Electron/X-ray Pulse Length Measurements at LCLS // Труды конференции IPAC-13, Shanghai, China, 2010, pp.2091-2093

30. V.V. Paramonov, L.V. Kravchuk, Effective Standing Wave RF Structure for Charged-Particle Beam Deflector // Труды конференции LINAC-2006, Knoxville, USA, 2006, pp. 457-479

31. M. Conde, H. Chen et al, Commissioning of a 1.3-CHz Deflecting Cavity for Phase Space Exchange at the Argonne Wakefield Accelerator // Труды конференции IPAC-12, New Orleans, USA, 2012, pp.3350-3352

32. G. Burt et al, A Transverse Deflecting Cavity for the Measurement of Short Low Energy Bunches at EBTF // Труды конференции IPAC-12, New Orleans, USA, 2012, pp. 335-337

33. А.Ю. Смирнов и др., Анализ высокочастотных дефлекторов на бегущей и стоячей волнах / Вестник НИЯУ МИФИ, Т.З, №1, 2014, с. 78

34. А.А. Анисимов и др., Структуры с поперечным отклоняющим полем для лазера на свободных электронах / Приборы и техника эксперимента, 2010, №1, с. 117-124

35. N. Sobenin, М. Lalayan et al, Stabilization of Polarization Plane in Traveling Wave Deflectors // Труды конференции IP AC'10, Kyoto, Japan, 2011, pp. 3759-3761

36. D. Alesini et al, The New RF Deflectors for the CTF3 Combiner Ring // Труды конференции PAC09, Vancouver, Canada, pp. 1812-1814

37. W.D. Kilpatrick, Criterion for Vacuum Sparking Designed to Include Both RF and DC / Rev. Sci. Inst., 28, №10, 1957, p.857

38. A. Anisimov et al, Input Couplers for the Dipole Mode Periodic Structures // Труды конференции RuPAC-2010, Protvino, Russia, 2011, pp. 328-330

39. А.А. Анисимов и др., Настройка отклоняющей структуры для ВЧ дефлектора в S-частотном диапазоне / Вопросы атомной науки и техники, ISSN 1562-6016, №4(80), 2012, с. 55-58

40. A. Smirnov, О. Adonev, N. Sobenin, The Optimization of RF Input Power Coupler // Труды конференции RuPAC2012, Saint-Petersburg, Russia, 2012, pp. 650-652

41. A. Smirnov et al, The Optimization of RF Input Power Coupler // Труды конференции LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 2012, pp. 528-530

42. В.Ф. Викулов, B.E. Калюжный, Исследование высокочастотных характеристик ускоряющих секций с бегущей волной на основе резонаторной модели / Журнал технической физики, Т. 52, №11, 1982, с. 2168-2176

43. В.И. Каминский, Н.П. Собенин, Высшие типы волн в элементах ускоряющих структур / М.: МИФИ, 2002, 118 с.

44. F. Herwig, Advances of accelerator physics and technologies / Schopper World Scientific, 1993, 762 p.

45. V.V. Paramonov, The Fine Structure for the Zone of Particle Interaction with a Finite Length Periodic Structure / Труды конференции LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 2012, pp. 473-475

46. P.O. Болгов и др., Волны высших типов в структуре высокочастотного дефлектора / Приборы и техника эксперимента, 2011, №6, с. 71-80

47. Б.Ю. Богданович, В.Е. Калюжный, В.И. Каминский, Н.П. Собенин, Ускоряющие структуры и СВЧ устройства линейных коллайдеров // М.: Энергоатомиздат, 2004, 304 с.

48. J.C. Slater, Microwave Electronics // New York, Van Nostrand, p. 81

49. D. Alesini et al, About Non Resonant Perturbation Field Measurement In Standing Wave Cavities // Труды конференции EPAC08, Genoa, Italy, 2008, pp. 197-201

50. S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin et al, Design of Hybrid Electron Linac with Standing Wave Buncher and Traveling Wave Structure / Nuclear Instruments and Methods A, V. 636,1.1, 2011, pp. 13-30

51. M.V. Lalayan, A. Yu. Smirnov, N.P. Sobenin, Formfactor of Beads for SW and TW Perturbation Field Measurement Analysis / Problems Of Atomic Science And Technology, I. 3, 2012, pp. 76-78

52. A.Yu. Smirnov, N.P. Sobenin, M.V. Lalayan, The Measurement of Transversal Shunt Impedance of RF Deflector // Труды конференции IPAC2011, San-Sebastian, Spain, 2011, pp. 163-165

53. A.A. Анисимов, B.B. Парамонов и др., Расчет, изготовление и настройка отклоняющей структуры для ВЧ дефлектора / Ядерная физика и инжиниринг, 2012, Т.2, №2, с. 143-148