Взаимодействие и динамика электромагнитных волн и релятивистских электронных сгустков в волноводных структурах со сложным заполнением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, доктор физико-математических наук Канарейкин, Алексей Дмитриевич

• Канарейкин, Алексей Дмитриевич
• доктор физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Канарейкин, Алексей Дмитриевич

Содержание

Введение

Глава 1. Современное состояние кильватерного метода ускорения заряженных частиц в волноводной структуре с диэлектрическим заполнением

1.1 Релятивистский характер рассматриваемых задач

1.2. Излучение Вавилова-Черенкова

1.3. Переходное излучение

1.4. Излучение релятивистских частиц в волноводе

1.5. Релятивистская СВЧ электроника

1.6. Коллективные методы ускорения

1.7 Кильватерные методы ускорения

1.8 Кильватерное ускорение в плазме

1.9. Кильватерное ускорение в структурах с диэлектрическим заполнением.

История вопроса

1.10. Кильватерное ускорение в структурах с диэлектрическим заполнением. Современное состояние

Глава 2. Генерация излучения Вавилова-Черенкова сильноточными электронными сгустками в структурах с однородным диэлектрическим заполнением 59 2.1. Постановка задачи. Кильватерные поля релятивистского электронного сгустка

2.2 Генерация излучения Вавилова-Черенкова коротким сильноточным сгустком в цилиндрическом волноводе с многослойным диэлектрическим заполнением

2.3 Спектральный состав и поля излучения сильноточных электронных сгустков в структуре с однородным диэлектрическим заполнением

2.4 Продольная компонента электрического поля излучения Вавилова-Черенкова в волноводе с однородным диэлектрическим заполнением

2.5 Поперечные компоненты электрического поля излучения Вавилова-Черенкова электронного сгустка в структуре с однородным диэлектрическим заполнением 79 2.6. Характеристики ускорительных структур с диэлектрическим заполнением 88 2.7 Разработка волноводных структур с однородным диэлектрическим заполнением для генерации излучения Вавилова-Черенкова и ускорения заряженных частиц

Глава 3. Генерация излучения Вавилова-Черенкова в волн овод ных структурах со сложным диэлектрическим заполнением. Многосгустковая генерация

3.1 Поля излучения Вавилова-Черенкова в цилиндрическом волноводе с многослойным диэлектрическим заполнением при наличии вакуумного канала вдоль оси

3.2 Влияние вакуумного слоя на уровень СВЧ потерь в структуре с заполнением

3.3 Использование многослойного диэлектрического заполнения для уменьшения потерь мощности в ускорительных структурах с диэлектриком 146 3.4. Разработка и экспериментальная демонстрация многослойной ускоряющей структуры для уменьшения потерь СВЧ мощности

3.5 Генерация кильватерного излучения в многомодовой ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением

3.6 Принцип суперпозиции кильватерных полей

Глава 4. Повышение коэффициента трансформации при кильватерном ускорении в структуре с диэлектрическим заполнением

4.1 Понятие коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации одиночного симметричного гауссова сгустка

4.2 Методы увеличения коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации последовательности сгустков с профилированной зарядовой плотностью

4.3 Повышение коэффициента трансформации при многосгустковой генерации.

4.4 Моделирование эксперимента по повышению коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных ускорительных схемах. Оптимизация параметров ускорительной схемы

4.5 Экспериментальная демонстрация увеличения коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных ускорительных схемах

Глава 5. Управляемая кильватерная ускорительная структура с диэлектрическим заполнением

5.1 Принцип контроля частоты ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением

5.2 Разработка сегнетоэлектрического материала для создания управляемой ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением

5.3 Экспериментальная демонстрация управляемой цилиндрической ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением

5.4 Применение В5Т(М) сегнетоэлектрического материала в системах управления, коммутации и оптимизации СВЧ излучения высокой мощности для целей ускорительной физики

Глава 6. Моделирование динамики электронных сгустков в ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением

6.1. Поперечная неустойчивость электронных сгустков в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением

6.2. Динамика частиц и развитие поперечной неустойчивости частиц одиночного сгустка в структурах с диэлектрическим заполнением

6.3 Методы подавления поперечной неустойчивости одиночного сгустка в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением

6.4 Контроль поперечной неустойчивости последовательности сгустков в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением 308 6.5. Экспериментальная программа по изучению поперечной неустойчивости в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением и меры по предотвращению развития ВВи неустойчивости на ускорителе А\\^А

Глава 7. Нелинейные свойства ряда материалов и их применения в задачах кильватерного ускорения

7.1 Нелинейные эффекты при генерации кильватерного излучения сильноточным сгустком в структурах с диэлектрическим заполнением

7.2 Активные материалы в области СВЧ частот и возможность их применения в кильватерном ускорении заряженных частиц 326 Заключение 331 Приложение I 335 Приложение II 338 Приложение III 349 Приложение IV 351 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие и динамика электромагнитных волн и релятивистских электронных сгустков в волноводных структурах со сложным заполнением»

Актуальность темы, цели и задачи работы. В настоящей работе теоретически и экспериментально изучены как процессы генерации электромагнитного излучения короткими сильноточными пучками электронов в регулярных волноводных структурах с диэлектрическим (в том числе и многослойным) заполнением, так и задачи нелинейной динамики электронных релятивистских сгустков в подобных структурах. Данная область исследования напрямую связана с развитием сильноточной электроники и ускорительной физики, и является определяющей как для задач генерации излучения Вавилова-Черенкова последовательностями сильноточных электронных сгустков, так и для применений этого излучения к реализации новых методов ускорения пучков заряженных частиц и разработке источников ультракоротких импульсов рентгеновского излучения (X-ГЕЬ).

Необходимость разработки новых методов ускорения пучков заряженных частиц обусловлена достижением физических пределов напряженности полей и допустимых уровней мощности для традиционных схем. К новым методам ускорения частиц следует отнести и кильватерный метод ускорения, заключающийся в том, что в ускоряющей структуре, возбуждаемой генераторным сильноточным сгустком низких энергий, ускоряется основной (ведомый) сгусток высоких энергий. Реализация схем кильватерного ускорения возможна как в структурах с диэлектрическим заполнением, так и в замедляющих периодических структурах и в плазме. Причем при осуществлении кильватерного метода в плазме генерация кильватерной волны может осуществляться как электронным сгустком, так и лазерным импульсом.

Весьма перспективным является метод кильватерного ускорения в структурах с диэлектрическим заполнением. Указанный метод обладает рядом существенных преимуществ: это и удаленность максимума ускоряющего поля от поверхностей структуры (в отличие от периодических цельнометаллических структур), и возможность контроля пучка путем предотвращения развития поперечных неустойчивостей, ограничивающих полный ток сгустка и длину эффективного ускорения. Успехи в области разработки новых высокодобротных микроволновых керамических и поликристаллических материалов позволяют преодолевать сложности обработки поверхности и достичь приемлемых значений порога высокочастотного пробоя. Отметим, что проблема высокочастотной прочности материалов также решается использованием коротких СВЧ (< 10 не) или ТГц (< 1 не) импульсов ускоряющего поля. Экспериментальные работы по разработке подобных структур, требующих генерации сверхкоротких (0,05-1,00 мм) сильноточных (1-60 нКл) электронных сгустков, проводятся в ряде ускорительных центров в настоящее время.

Создание источника ускоренных частиц (электронов) на энергии 1-10 ГэВ с параметрами, требуемыми для лазеров на свободных электронах рентгеновского диапазона (при использовании принятых в настоящее время технологий), требует использования ускорительного комплекса с характерными размерами в 3-5 км (пример - комплекс ЬСЬ8 на основе трехкилометрового ускорителя БЬАС). Необходимым инструментом для приближения к указанным уровням энергий и параметрам пучка, а также частоты повторения и длительностей сгустков, является компактный ускорительный комплекс с темпами ускорения, значительно превышающими достигнутые к настоящему времени. Разработка для этих целей нового метода ускорения пучков заряженных частиц с ускоряющими градиентами более 200-300 МэВ/м в диапазоне частот от сотен ГГц до 1 ТГц является фундаментальной и междисциплинарной проблемой. Генерация излучения Вавилова-Черенкова в структурах с диэлектрическим заполнением является наиболее перспективным методом формирования ускоряющих полей в ТГц диапазоне (0.1-0.7 ТГц) на коротких (< 1 не) импульсах кильватерного поля.

Разработка нового высокоградиентного метода ускорения пучков заряженных частиц является, в свою очередь, фундаментальной проблемой физики линейных ускорителей и может быть применима для реализации ускорительной структуры будущего электрон-позитронного коллайдера на энергии 3 ТэВ и более. При этом базовой проблемой для создания такой структуры является разработка кильватерного метода ускорения с высоким коэффициентом трансформации энергии от генераторного сильноточного сгустка (или их последовательности) к ускоряемому сгустку высоких энергий. В настоящей работе рассматривается вопрос повышения коэффициента трансформации для структур с диэлектрическим заполнением, причем продемонстрированы возможности применения тех же принципов и для плазменных кильватерных схем. В последние годы отмечено и еще одно важное отличие волноводов с диэлектрическим заполнением от традиционных ускорительных структур. Обнаружено, что наличие дополнительного слоя диэлектрика с сегнетоэлектрическими свойствами позволяет осуществлять динамическую подстройку частоты такой системы непосредственно в процессе проведения эксперимента. Эффективность кильватерного ускорения существенным образом определяется параметрами ускорителя и генераторных сгустков и полностью зависит от точности позиционирования пучков и допусков при производстве ускоряющей структуры. Возможность подстройки частоты ускоряющего поля в реальном времени работы ускорителя частично снимает эти жесткие ограничения и компенсирует 6 разброс геометрических параметров ускорительной структуры. Таким образом, исследование вопросов генерации излучения электронными сгустками в волноводах с многослойным заполнением, содержащих нелинейный элемент, является актуальной и необходимой задачей при разработке управляемых ускорительных структур с заполнением.

Актуальность исследований по данной тематике определяется и тем обстоятельством, что в целом ряде ускорительных центров в настоящее время проводятся эксперименты по разработке кильватерных методов ускорения и изучению особенностей ускорительных структур с диэлектрическим заполнением. Это ускорительный комплекс Аргоннской Национальной Лаборатории (Чикаго, США), где во взаимодействии с СПбГЭТУ "ЛЭТИ" проведена серия экспериментов по получению высоких (более 100 МВ/м) ускоряющих градиентов в структурах на частоты 10-30 ГГц, развитию схем с высоким коэффициентом трансформации, а также впервые проведена демонстрация управляемой структуры с заполнением. В ЦЕРН (Женева, Швейцария) ведется разработка генераторной секции на частоту 12 ГГц на основе структуры с диэлектриком (кварц) для проекта коллайдера СЫС. Отдельного внимания заслуживает серия экспериментов (также с участием СПбГЭТУ "ЛЭТИ") по генерации ускоряющих полей ТГц диапазона в структурах с диэлектрическим заполнением на ускорителе В1МЬ/АТГ и получению сверхсильных (> 1 ГВ/м) ускоряющих градиентов на ускорителе БЬАС Стэнфордского университета (Стэнфорд, США).

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование генерации электромагнитного излучения короткими сильноточными пучками электронов в регулярных волноводных структурах со сложным диэлектрическим заполнением и анализ задач нелинейной динамики электронных релятивистских сгустков в подобных структурах. Данная работа направлена на решение комплексной проблемы создания ускорителя на принципе кильватерного ускорения в структурах с заполнением будущего линейного коллайдера для физики высоких энергий. Отметим, что анализируемый в работе принцип ускорения может служить основой для генераторного модуля источника ультракоротких импульсов рентгеновского излучения на базе ЛСЭ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Теоретический анализ излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого последовательностью коротких сильноточных электронных сгустков в волноводных системах различных сечений, представляющих собой волновод с диэлектрическим заполнением и вакуумным каналом для пролета электронного пучка. Создание математического обеспечения для оптимизации параметров 7 ускоряющих структур в зависимости от условий эксперимента по демонстрации кильватерного ускорения в структурах с заполнением.

2. Разработка высокоградиентного метода ускорения пучков заряженных частиц в структурах с заполнением из линейного диэлектрика. Расчет параметров, разработка и изготовление ряда ускорительных структур на основе волноводов из микроволновой керамики, кварца и синтетического алмаза. Проведение экспериментов с разработанными структурами на пучке ускорителей А1МЬ/А\\^А и В1ЧЬ/АТР, анализ экспериментальных данных и их сравнение с результатами теоретических расчетов.

3. Численный анализ многосгустковой генерации в структурах с диэлектрическим заполнением. Расчет ускоряющих градиентов в многомодовых структурах с диэлектрическим заполнением. Анализ генерации излучения Вавилова-Черенкова в структурах с многослойным заполнением. Изучение возможности применения многослойного заполнения для уменьшения потерь мощности при ускорении в структурах с диэлектрическим заполнением.

4. Разработка многомодовой структуры с диэлектрическим заполнением и проведение экспериментов по генерации кильватерного излучения в указанной структуре на пучке ускорителя АША, анализ экспериментальных данных. Разработка многослойной структуры и экспериментальная демонстрация уменьшения потерь мощности в указанной структуре по сравнению со структурой с однородным заполнением.

5. Аналитическое изучение кильватерного метода ускорения с высоким коэффициентом трансформации энергии от генераторного сильноточного сгустка (и их последовательности) к ускоряемому сгустку. Анализ и разработка методов повышения эффективности кильватерного ускорения, основанных на генерации кильватерного поля последовательностью сгустков с профилированной зарядовой плотностью.

6. Проведение на ускорителе А\¥А эксперимента по демонстрации возможности повышения коэффициента трансформации при коллинеарном кильватерном ускорении в структуре с диэлектрическим заполнением, анализ результатов эксперимента и их сравнение с данными моделирования.

7. Численное моделирование возможности контроля частоты ускорительной структуры на основе использования метода дополнительных сегнетоэлектрических слоев. Анализ возможности применения В5Т сегнетокерамики для компенсации отклонения частоты структуры от требуемой как результат вариации температуры 8 и/или постоянного электрического поля в слое нелинейного материала заполнения структуры.

8. Разработка управляемой ускоряющей структуры с дополнительным нелинейным (сегнетоэлектрическим) слоем и проведение эксперимента на ускорителе А\¥А по демонстрации возможности контроля частоты ускоряющей моды при кильватерном ускорении в структурах с заполнением; анализ данных эксперимента.

9. Численное моделирование процесса развития поперечных (ВЕШ) неустойчивостей ведущего сгустка при генерации кильватерного излучения в структурах с заполнением. Разработка математического обеспечения оптимизации фокусирующих систем для контроля устойчивости ведущих сгустков в подобных структурах. Анализ устойчивости сгустков в условиях проведения экспериментов на ускорителях АТЧЬ/АША и БЬАС/РАСЕТ.

10. Численное моделирование задач нелинейного процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским сгустком электронов в структурах с заполнением из нелинейного материала. Данная ситуация реализуется при условии, когда поля генерации достаточно велики, чтобы изменять диэлектрическую проницаемость заполнения структуры непосредственно в процессе генерации. Моделирование эксперимента по взаимодействию электронного сгустка с активной средой заполнения структуры и измерение свойств возможных активных материалов для подобного эксперимента.

Практическая значимость настоящей работы определяется тем, что в ней предложены решения ряда проблем, которые являются базовыми для создания ускорителя на принципе кильватерного ускорения в структурах с заполнением.

Применение методов и технологий кильватерного ускорения в структурах с заполнением планируется использовать в ускорительных схемах, в которых в качестве источника ускоряющего поля структуры служит излучение Вавилова-Черенкова, генерируемое сильноточным сгустком низких энергий в структуре с диэлектриком, причем ускорение последующего сгустка может происходить как в той же структуре (коллинеарная схема), так и в отдельной секции, электродинамически связанной с генераторной (двухпучковое ускорение). Отметим, что для структур с диэлектрическим заполнением принципиально важно использование короткого импульса СВЧ или ТГц излучения, что реализуется в настоящее время в ряде кильватерных схем, таких, как схемы, использующие диэлектрик для разработки ускоряющих секций будущего 9 линейного коллайдера для физики высоких энергий, а также для создания генераторного модуля источника ультракоротких импульсов рентгеновского излучения на базе лазера на свободных электронах.

Для реализации отмеченных выше схем проведен теоретический анализ и практический расчет задач генерации излучения Вавилова-Черенкова релятивистским электронным сгустком (или последовательностью сгустков) в цилиндрическом и прямоугольном диэлектрическом волноводах для изучения структуры кильватерного поля, оптимизации параметров кильватерных ускоряющих структур, анализа методов повышения коэффициента трансформации энергии от ведущего сгустка к ускоряемому, контроля частоты ускоряющей моды структуры и поперечной устойчивости генераторных сгустков кильватерного ускорителя.

В рамках настоящей работы все расчеты проводились для параметров ускорителей AWA Аргоннской национальной лаборатории, ATF Брукхэвенской национальной лаборатории и SLAC Стэнфордского университета и были использованы в процессе подготовки комплекса экспериментов по демонстрации кильватерного ускорения в многомодовой структуре с заполнением, повышения коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных схемах, управляемой ускорительной структуре с диэлектрическим заполнением и в ряде экспериментов по разработке систем контроля пучка и предотвращения развития поперечных неустойчивостей генераторных сгустков в кильватерных схемах ускорения.

Разработанный в процессе подготовки диссертации комплекс программ оптимизации параметров ускорительных структур с заполнением, автоматической коррекции отклонения параметров ускорения от оптимальных, контроля частоты ускоряющей моды и поперечной устойчивости сильноточного пучка был использован в процессе разработки ускоряющих структур в СПбГЭТУ "ЛЭТИ", а также в процессе подготовки и проведения экспериментов по кильватерному ускорению на ускорительных комплексах ускорителей AWA Аргоннской национальной лаборатории, ATF Брукхэвенской национальной лаборатории, лаборатории SLAC Стэнфордского университета.

В настоящее время возможность получения высоких градиентов в структурах с диэлектриком, повышения коэффициента трансформации энергии, а также управления частотным спектром (и, следовательно, возможность коррекции параметров волновода) экспериментально продемонстрирована на примере цилиндрических и прямоугольных ускорительных структур с диэлектрическим заполнением в рамках пучковых экспериментов на ускорителях АМ'А Аргоннской и АТР Брукхэвенской национальных лабораторий США.

Отметим, что результаты изученного метода повышения коэффициента трансформации энергии могут быть применены не только к структурам с диэлектрическим заполнением, но и к любой коллинеарной схеме кильватерного ускорения, что показано в диссертации на примере генерации кильватерного поля в безграничной плазме и подтверждено в рамках эксперимента группы Р.Ми§£П на ускорителе ВЫЬ/АТР.

В рамках выполнения настоящей работы получены два патента Российской Федерации и два патента США.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы, показана практическая значимость полученных результатов, указаны объекты исследования, даны сведения о структуре и содержании работы и приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературных источников, связанных с историей открытия и последующего изучения эффекта Вавилова-Черенкова, анализом задач излучения Вавилова-Черенкова в волноводах и резонаторах, рассмотрены кратко литературные источники по теме переходного излучения на границе двух сред. Представлен анализ отдельных работ из области сильноточной релятивистской электроники, связанных с тематикой настоящей диссертации. Особое место уделено работам отечественной школы радиофизики и физики ускорителей по развитию исследований в области коллективных методов ускорения, прослежена их связь с развитием кильватерных методов ускорения в мире, и проведено обсуждение базовых публикаций по методам кильватерного ускорения в плазме и цельнометаллических структурах. Приведен анализ современного состояния методов кильватерного ускорения при генерации излучения в плазме как сгустком заряженных частиц (протонов и электронов), так и коротким импульсом мощного лазера.

Приводится история публикации работ и анализ полученных результатов по изучению генерации излучения Вавилова-Черенкова в волноводах с диэлектрическим заполнением и кильватерного ускорения заряженных частиц в структурах с диэлектриком. Представлен обзор основных публикаций по теоретическому моделированию и экспериментальным исследованиям в данной области. Проведен анализ статей с результатами использования диэлектрических материалов высокой СВЧ и ТГц

11 прочности в экспериментальных работах, выполненных на различных ускорителях. Отражено современное состояние кильватерных методов ускорения в целом и в структурах с диэлектрическим заполнением в частности.

Во второй главе рассмотрены задачи генерации излучения Вавилова-Черенкова в структурах с диэлектрическим заполнением. Отмечено, что в своей основе структура на основе диэлектрика - это цилиндрический, диэлектрический волновод (керамический, или же изготовленный из искусственного алмаза или кварца), окруженный, в свою очередь, проводящим металлической (как правило, медной) оболочкой. Подобным структурам в последние годы уделяется повышенное внимание в связи с целым рядом преимуществ, которые подобные структуры имеют в применении к кильватерным методам ускорения в их сравнении (при коротком импульсе генерации) со структурами, разработанными по стандартной технологии (цельнометаллические структуры).

Важным достоинством структуры с заполнением является то, что максимальное значение электрического поля СВЧ волны достигается на оси структуры, а не на границе диафрагм, как в традиционных ускорительных секциях. Структура с диэлектрическим заполнением не содержит периодических, резонансных элементов, требующих удовлетворения крайне жестким допускам на геометрию системы. Это также означает широкую полосу пропускания структур с диэлектриком в сравнении с цельнометаллическими структурами. Указанные преимущества особенно существенны в высокочастотной области, где важным фактором становиться выигрыш в потерях мощности у структур с диэлектриком. Еще раз отметим, что обсуждаются кильватерные методы ускорения, при реализации которых структура возбуждается сгустком заряженных частиц (как правило, электронным пучком), а формируемый при этом импульс кильватерного поля имеет относительно малую длительность (т< 10-20 не).

К важным достоинствам структур с заполнением следует также отнести и возможность подавления паразитных, дипольных (НЕМ11) мод, приводящих к отклонению пучка от оси структуры и, как следствие, к потере или самого генераторного сгустка, или (при неполном прохождении структуры) его части. Отмечено, что структуры с заполнением гораздо менее чувствительны по отношению к развитию поперечных (ВВи) неустойчивостей по сравнению с цельнометаллическими структурами.

Во второй главе рассмотрены задачи генерации излучения Вавилова-Черенкова электронным сгустком с гауссовым распределением зарядовой плотности и проходящим параллельно оси двумерного цилиндрического волновода с диэлектрическим заполнением. Рассмотрены задачи возбуждения гауссовым сгустком цилиндра с идеально проводящими стенками с однородно заполненным диэлектриком с соосным вакуумным

12 каналом для пролета пучка, причем сгусток проходит как вдоль оси структуры, так и со смещением параллельно оси цилиндра. Аналогичный расчет для прямоугольного волновода приведен в приложении.

Приводится электродинамический анализ процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова релятивистским электронным сгустком в цилиндрическом волноводе с диэлектрическим заполнением. На основе уравнений Максвелла получены выражения поля излучения Вавилова-Черенкова (кильватерного поля), генерируемого релятивистским электронным сгустком в однослойном волноводе с диэлектрическим заполнением, причем в качестве потенциальных функций использованы продольные компоненты электрического Е2 и магнитного Н2 полей.

С использованием аналитически полученных выражений были проведены численные расчеты амплитуды и частотного спектра кильватерного поля, возбуждаемого как точечным, так и пространственно-протяженным (гауссовым) сгустком заряда ¿7=100 нКл в диэлектрическом волноводе. Геометрические размеры волновода и величина диэлектрической проницаемости заполнения выбраны исходя из возможностей технологии производства высокодобротной микроволновой керамики и технических характеристик ускорителя А\¥А Аргонной национальной лаборатории (частота первой ТМ01 моды ускоряющего поля равна 13.625 ГГц). Отмечено, что указанная структура была впоследствии использована для демонстрации высокого коэффициента трансформации энергии в коллинеарных ускорительных схемах.

Из анализа многомодовой структуры кильватерного поля следует, что при малых отклонениях сгустка от оси волновода ускоряющее поле Е: является суперпозицией аксиально-симметричных мод, а отклоняющее поле является суперпозицией дипольных мод и мод более высоких порядков. При увеличении смещения сгустка относительно оси волновода ТМо„ моды по-прежнему вносят определяющий вклад в ускоряющее поле, в то время как отклоняющее поле в большей степени определяется модами высоких азимутальных порядков.

Для оценки параметров ускорительной структуры были определены и рассчитаны принятые в практике кильватерного ускорения характеристики: групповая скорость, энергетические потери, коэффициент затухания, шунтовой импеданс и добротность. Показано, что в диапазоне частот 10-30 ГГц при использовании в волноводе высокодобротной керамики с tgS~ 1 х10~4 энергетические потери определяются в основном долей энергии, рассеиваемой в металлической оболочке волновода (медь).

На основе полученных аналитических решений разработан комплекс программ для получения всех компонент излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого точечными, гауссовыми и асимметричными (треугольного профиля) сгустками в структурах с однородным заполнением. Важным свойством указанного комплекса программ является возможность вычислять и оптимизировать характеристики структур с учетом электродинамических потерь как в материале заполнения, так и в металле стенок волновода.

На основе указанного комплекса программ проведен теоретический анализ и оптимизация параметров волновода с диэлектрическим заполнением ГГц и ТГц диапазонов для практической разработки и экспериментального исследования кильватерных ускорительных структур на пучке сильноточного ускорителя электронов. Для оценки параметров указанных структур были определены и оптимизированы для анализируемых кильватерных схем характеристики волноводов с диэлектрическим заполнением: групповая скорость, потери мощности, коэффициент затухания, шунтовой импеданс и добротность.

Рассмотрены свойства композитных диэлектрических материалов, применяемых для разработки указанных структур. Представлены результаты разработки структур, выполненных из кварцевого заполнения, а также приведены параметры впервые разработанных ускоряющих кильватерных структур на основе искусственного алмаза, необходимых для получения особо высоких (> ГВ/м) ускоряющих градиентов при обеспечении требуемой частоты следования сгустков. Приведены результаты экспериментов как с использованием структур в диапазоне частот 10-30 ГГц, так и структур, разработанных для ТГц диапазона. В частности, в кильватерной структуре в диапазоне частот 20-30 ГГц впервые получена амплитуда ускоряющего поля, превышающая 100 МВ/м. Впервые проведены эксперименты по кильватерному ускорению в структуре ТГц диапазона с заполнением из поликристаллического алмаза (выращенного СУО методом). Продемонстрирован принцип ускорения с использованием ускоряемого (ведомого) сгустка, а также проведен анализ изменения энергии ускоряемых сгустков как результат воздействия на сгусток кильватерных полей излучения Вавилова-Черенкова.

В третьей главе представлены результаты анализа задач генерации излучения Вавилова-Черенкова в волноводах с многослойным заполнением. Структуры из нескольких слоев диэлектрика рассмотрены с целью уменьшения потерь мощности при ускорении в волноводе с диэлектрическим заполнением, причем при подобном подходе использовался принцип Брэгга, хорошо известный в оптике. Рассмотрена и

14 экспериментально исследована многослойная структура, геометрия которой позволяет за счет брэгговской рефракции значительно уменьшить СВЧ потери при генерации излучения Вавилова-Черенкова, и, тем самым, повысить эффективность ускорения в структурах с диэлектриком. Рассмотрены задачи с многослойными конфигурациями диэлектрика заполнения. В частности, рассмотрен диэлектрический волновод с дополнительным внешним слоем диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью, причем указанный слой примыкает к металлической поверхности (между керамическим заполнением и стенкой волновода). В работе исследовалось влияние параметров дополнительного слоя на кильватерное поле и основные характеристики ускорительной структуры.

В данной главе показано, что наличие указанного слоя уменьшает величину тангенциальной составляющей магнитного поля на границе с металлом и, соответственно, улучшает фактор потерь в металлической оболочке структуры.

В главе 3 также представлен анализ многосгустковой генерации в структурах с диэлектрическим заполнением и приведен расчет ускоряющих градиентов в многомодовых структурах с диэлектрическим заполнением. При рассмотрении генерации кильватерного излучения сгустком с продольным гауссовым распределением заряда (модель реального сгустка) было исследовано влияние длины сгустка на значимое количество возбуждаемых мод. Численными расчетами была определена наименьшая длина сгустка, при которой реализуется одномодовый режим, являющийся оптимальным при построении многосгустковой схемы ускорения для данного типа структур. Приведены сравнения с экспериментальными данными и теоретическими расчетами полей кильватерного поля в диэлектрическом волноводе, проведенными ранее в рамках работ на ускорителе А\УА.

Для данной серии экспериментов была разработана многомодовая ускоряющая структура, причем диэлектрическая проницаемость структуры определялась требованием минимизации групповой скорости кильватерной волны в волноводе. При заданных значениях диэлектрической проницаемости и внутреннего радиуса оптимизация внешнего радиуса позволяла определить частоту ТМ01 моды как кратную частоте следования сгустков (1.3 ГГц), что необходимо для генерации многосгустковой последовательности.

Разработка многомодовой структуры с диэлектрическим заполнением позволила провести ряд экспериментов по многосгустковой генерации кильватерного излучения в указанной структуре на пучке ускорителя А\¥А, причем анализ экспериментальных данных показал хорошее совпадение с результатами расчетов. Полученный энергетический спектр последовательности после ее прохождения через структуру, и

15 измененный вследствие взаимодействия частиц сгустков с кильватерными полями последовательности, показал соответствие экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

В четвертой главе рассматривается проблема повышения эффективности кильватерного ускорения. Следует отметить, что качество кильватерной схемы оценивается двумя основными критериями: ускоряющий градиент и коэффициент трансформации энергии от ведущего сгустка к сгустку ускоряемому. Баланс этих двух базовых параметров и определяет критерии при выборе и оптимизации кильватерных ускорительных структур.

В главе 4 представлен комплекс работ, в результате которого впервые продемонстрирован в эксперименте коэффициент трансформации Я > 2 в схемах кильватерного ускорения при условии, что и генераторный, и ускоряемый пучки проходят по одной и той же прямой (коллинеарная схема ускорения). Таким образом, впервые экспериментально преодолен предел так называемой "кильватерной теоремы" и продемонстрирован в эксперименте способ эффективной передачи энергии от генераторного сгустка к ускоряемому посредством профилирования заряда последовательности. Указанный эксперимент проведен на пучке энергией 15 МэВ ускорителя А\\^А Аргоннской национальной лаборатории на ускорительной структуре с диэлектрическим заполнением, обеспечивающим частоту ускоряющей моды в 13.625 ГГц.

Во вводной части главы определены критерии, которыми характеризуется эффективность ускорения: величина ускоряющего градиента и коэффициент трансформации энергии от генераторного сгустка к ускоряемому сгустку, определяемого отношением максимального ускоряющего поля за сгустком Е* к максимальному тормозящему полю внутри сгустка ЕГ : К - Ел2 •

Коэффициент трансформации показывает долю энергии, которую возможно передать от ускоряющего (генераторного) сгустка (или их последовательности) к ускоряемому для единицы заряда и на единице длины пролета в структуре. В разделе рассматривается возможность увеличения этого параметра, или, иными словами, увеличение доли энергии, передаваемой от генераторного сгустка к ускоряемому посредством их взаимодействия с ускоряющей структурой, что обеспечивает эффективность реализации кильватерных методов ускорения пучков заряженных частиц. Показано, что обсуждаемые методы применимы при использовании любого кильватерного метода ускорения вне зависимости от типа ускорительной структуры (металлической, с диэлектрическим заполнением, или иной), причем тот же подход изучается для его реализации при кильватерном ускорении в плазме. В данной главе рассмотрен вариант ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением, а также приведен наиболее типичный пример применения обсуждаемого подхода для ускорения в плазме.

Теоретически известно, что создание несимметричного внутреннего профиля заряда генераторного сгустка позволяет увеличить долю энергии, передаваемой ускоряемому сгустку, поскольку для такого зарядового профиля все частицы сгустка находятся в приблизительно одинаковом тормозящем поле. В работе рассмотрен теоретически, экспериментально обоснован и продемонстрирован в пучковом эксперименте способ получения аналогичного эффекта с помощью последовательности коротких электронных пучков с профилированием заряда всей последовательности, а не единичного сгустка. Каждый сгусток последовательности имеет симметричное распределение собственной зарядовой плотности, в то время как сама последовательность дает несимметричный (линейно нарастающий) зарядовый профиль. Этот подход позволил успешно реализовать экспериментальный проект по повышению эффективности кильватерного ускорения в ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением на ускорителе AWA Аргоннской национальной лаборатории.

В работе рассматривается кильватерное ускорение профилированной последовательностью симметричных сгустков, называемой ЛВ7-последовательностью (Ramped Bunch Train). Это последовательность сгустков, заряд которых поступательно возрастает от первого сгустка к последующему, причем соотношение зарядов для рассматриваемых случаев, как правило, составляет 1:3:5:7.

Для демонстрации увеличения коэффициента трансформации в коллинеарной кильватерной схеме ускорения требуется генерация последовательности сгустков с профилированной зарядовой плотностью, реализованная на основе фотоинжектора ускорителя. На первом этапе был собран делитель лазерного импульса для генерации последовательности лазерных импульсов, причем далее указанная последовательность передавалась по системе зеркал на фотоинжектор ускорителя AWA, работающий на частоте 1.3 ГГц. Этот подход позволил обеспечить генерацию последовательности с параметрами и допусками на них, требуемыми для детектирования коэффициента трансформации.

Сформированные подобным образом три электронных сгустка были разделены расстоянием, соответствующим периоду, задаваемому частотой управляющего клистрона фотоинжектора на частоту 1.3 ГГц, причем указанный интервал мог корректироваться длиной плеч в оптическом делителе; иными словами, интервал мог быть изменен (подстроен) с помощью оптической линии задержки.

Заряды ведущих сгустков при первоначальной генерации составили (по данным измерений) 8 нКл и 20 нКл соответственно, причем длина сгустков была измерена черенковским счетчиком по стандартной процедуре и составила о2 ~ 1.5-2.0 мм в зависимости от заряда, что соответствует условию равного тормозящего поля внутри каждого из ведущих сгустков. При осуществлении генерации и транспортировки первого и второго сгустков в ускорителе, их заряды, их отношение, а также их позиции друг относительно друга были оптимизированы на основе численного моделирования. Замедляющее поле внутри каждого из сгустков было подобрано так, чтобы его амплитуды были одинаковы внутри каждого из сгустков. Пробный сгусток с зарядом в 1 нКл следовал с задержкой 1,54 не (2*Хо) за ведущими сгустками для детектирования полей как всей последовательности, так и каждого из генераторных сгустков в отдельности (что достигалось перекрытием одного из плеч оптического делителя в фотоинжекторе). В измерениях планировалось установить величину тормозящего поля внутри сгустков, максимальное ускоряющее поля за первым сгустком, а также за всей последовательностью, что, в свою очередь, обеспечивало увеличение коэффициента трансформации (по сравнению с его значением для случая с одиночным генераторным сгустком) в 1.7 раза с Л/=1.8 до 3.1.

Приведенный результат демонстрирует первый пример получения коэффициента трансформации И>2 за счет использования последовательности из сгустков с линейным профилем зарядовой плотности. Проведенный эксперимент открывает принципиально новые возможности как для генерации излучении Вавилова-Черенкова в задачах кильватерного ускорения, так и для эффективной экстракции энергии излучения от ведущей (генераторной) последовательности к ускоряемому сгустку.

В заключительной части главы показано, что предложенный механизм повышения коэффициента трансформации может быть применен к любой коллинеарной схеме кильватерного ускорения. Для примера в работе рассмотрена многосгустковая генерация в плазме и ускорение сгустка в плазменной волне плотности.

В пятой главе приведено описание и представлены результаты первого эксперимента по кильватерному ускорению в управляемой структуре с диэлектрическим заполнением. Управление параметрами волновода достигается введением в заполнение дополнительного слоя нелинейного материала, диэлектрическая постоянная которого зависит как от температуры, так и от приложенного к слою постоянного электрического поля. В процессе проведения эксперимента измерялась энергия ускоряемого сгустка

18 свидетеля"), проходящего через структуру с фиксированной задержкой относительно ведущего (генераторного) сгустка, при этом температура структуры варьировалась от 20°С до 70°С. Зафиксировано изменение энергии, соответствующее сдвигу фазы ускоряющего поля на величину, соответствующую смещению более чем половину длины волны ускоряющей моды структуры

Управляемая (или перестраиваемая) ускорительная структура с диэлектрическим заполнением позволяет произвести компенсацию сдвига частоты ускоряющей моды волновода, вызванного отклонением геометрии структуры от допусков на механические и геометрические параметры волновода, а так же на допустимые отклонения значений диэлектрической проницаемости заполнения структуры. Частота традиционной цельнометаллической резонаторной структуры настраивается тонким механическим и температурным воздействием на геометрию структуры с автоматической системой контроля давления и температуры, что позволяет фиксировать частоту ускоряющей моды. Для структуры с диэлектрическим заполнением такой подход невозможен, поскольку диэлектрический слой внутри структуры не может быть подвержен механической деформации с контролем давления, а при температурной подстройке не происходит существенного изменения частоты ускоряющей моды, поскольку диэлектрическая проницаемость линейных микроволновых материалов (керамика, кварц или алмаз) практически не меняется в рабочих диапазонах температур структуры.

Очевидно, что разработка способа управления частотой ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением (ее подстройки) является актуальной задачей, а создание подобной управляемой структуры необходимо для оптимизации метода контроля и компенсации ухода частотного спектра диэлектрического волновода в его применении к задачам ускорения пучков заряженных частиц. Способ управления электродинамическими параметрами ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением был предложен автором настоящей работы и запатентован в Российской Федерации и в США. Ключевым компонентом такой структуры должно являться диэлектрическое заполнение (полное или частичное), выполненное из материалов, обладающих нелинейными свойствами. Волновод с диэлектрическим заполнением обладает важным параметром, определяющим частоту ускоряющей моды волновода - это диэлектрическая проницаемость заполнения. Если же диэлектрическое заполнение (или его часть, например - слой) состоит из нелинейного диэлектрика, при внешнем воздействии на который происходит изменение электродинамических параметров такого слоя, то становится возможной подстройка ускоряющей моды структуры и, соответственно, создание автоматической системы контроля частоты ускорителя. Под

19 внешним воздействием на такой слой понимается как вариация температуры структуры (что аналогично системам настройки цельнометаллических ускоряющих структур), так и (если требуется быстрая подстройка) управление диэлектрической проницаемостью дополнительного слоя путем приложения внешнего поля. Отметим, что цельнометаллические "традиционные" ускорительные структуры лишены подобной возможности.

Для реализации подобной идеи потребовалась разработка специального композитного материала на основе ВБТ сегнетоэлектрика с добавлением сложного комплекса линейной микроволновой керамики, причем материал специально был создан для решения задачи об обеспечении управляемости структур с диэлектрическим заполнением. Разработанный материал также запатентован в Российской Федерации и США. В главе 5 кратко приводится процесс разработки материала для подобного слоя, описывается процесс оптимизации СВЧ характеристик подобного материала, приведены параметры структур на стоячей и бегущей волнах с использованием композитного материала, описан процесс производства структур и их тестирования на СВЧ стенде как при условии вариации температуры структуры, так и при подаче внешнего управляющего напряжения на сегнетоэлектрический слой.

Разработанная в рамках выполнения работы структура была испытана непосредственно в пучковом эксперименте на ускорителе А\\^А, где была впервые экспериментально продемонстрирована возможность подстройки частоты кильватерной структуры непосредственно в процессе ускорения сильноточного электронного сгустка. При проведении эксперимента измерялась энергия ускоряемого сгустка ("свидетеля"), проходящего через структуру с фиксированной задержкой относительно ведущего (генераторного) сгустка, при этом температура структуры варьировалась в пределах 50°С от комнатной. Зафиксировано изменение энергии, соответствующее сдвигу фазы ускоряющего поля на величину, превышающую половину длины волны ускоряющей моды структуры.

В последней части главы отмечено, что композитный сегнетоэлектрический материал, разработанный первоначально для реализации управляемой структуры с диэлектрическим заполнением, нашел свое применение и для ускорительных структур с внешним СВЧ источником питания (без кильватерной генерации). На основе композитного нелинейного материала были разработаны фазовращатели и тюнеры для систем управления СВЧ мощностью линейного ускорителя на частотах 1.3 ГГц, 11.4 ГГц и 34.0 ГГц соответственно. На основе полученных решений, и после оптимизации свойств нелинейного материала к условиям задачи, указанные устройства были выполнены в виде

20 прототипов и продемонстрированы экспериментально на СВЧ стенде малой мощности. В заключительной части главы кратко приводятся результаты этих исследований.

В шестой главе отмечено, что структуры с заполнением гораздо менее чувствительны по отношению к развитию поперечных (BBU) неустойчивостей по сравнению с цельнометаллическими структурами. Имеющиеся технологии экспериментально подтвердили возможность подавления нежелательных мод структуры как при ускорении одиночного сгустка, так и при реализации многосгустковых схем ускорения. Отмечено, что для металлических диафрагмированных структур проблема поперечной устойчивости кильватерных генераторных сгустков не может быть решена подобным, относительно простым способом, и требует разработки сложных фокусирующих систем. Малый диаметр структуры с заполнением (фактор диэлектрической проницаемости е позволяет уменьшить апертуру для данной частоты ускоряющей моды) позволяет обеспечить требуемую фокусировку пучка внутри такой структуры, что необходимо для контроля поперечной неустойчивости. Указанный подход не всегда возможно осуществить в традиционных структурах без заполнения из-за большого диаметра ее апертуры.

Рассмотрены задачи динамики коротких сильноточных электронных сгустков при их прохождении через кильватерный ускоритель с диэлектрическим заполнением. Рассмотрено как самовоздействие сгустка (односгустковая неустойчивость типа head-tail), так и многопучковые неустойчивости для задач генерации последовательностью сгустков. Расчеты проводились для структур частотами ускоряющих мод волновода 13.625, 15.4 и 26.0 ГГц для одиночного ускоряющего сгустка и профилированной последовательности сгустков с параметрами, соответствующими ускорителю AWA Аргоннской национальной лаборатории. На основе проведенного моделирования предложена схема компенсации неустойчивости и рассчитана схема фокусировки с FODO системой подавления неустойчивости. Численным моделированием проведено тестирование данной схемы для наиболее интересных случаев профилированной последовательности сгустков (2-6-10-14)нКл и (10-30-50-70)нКл, обеспечивающих максимальный коэффициент трансформации энергии (7.5-7.8) от ускоряющего пучка к ускоряемому сгустку.

Для анализа устойчивости и оценки энергетического разброса был разработан алгоритм моделирования динамики сильноточных электронных сгустков, основанный на понятии макрочастиц в применении к сильноточным сгусткам с эффектом самовоздействия (самосогласованная задача). На основе этого алгоритма разработана и внедрена в практику программа BBU3000 для моделирования динамики сильноточных сгустков в процессах генерации и кильватерного ускорения в структурах с диэлектриком.

21

Программа позволяет проследить динамику пучков для произвольной последовательности сгустков с возможностью вариации их зарядов, расстояний между ними, геометрии каждого сгустка в отдельности, а также с возможностью моделирования эффектов квадрупольной и соленоидальной фокусировок. Программа учитывает эффекты генерации черенковского кильватерного излучения в ускоряющей структуре и эффекты самовоздействия сгустков как результат их взаимодействия с этим излучением. Основное внимание уделено задачам поперечной устойчивости сгустков и контроля энергетического разброса и эмиттанса пучка при выходе сгустка из ускорительной структуры.

Как пример анализа динамики частиц одиночного сгустка рассмотрена система макрочастиц, формирующая гауссову последовательность с общим зарядом в 100 нКл, ст2= 0.4 см и с2= 0.1 см соответственно. Установлена и оценена радиальная зависимость отклоняющей силы на единицу заряда сгустка, что позволило подобрать оптимальные параметры для распределения заряда в последовательности сгустков и тем самым оптимизировать контроль поперечных неустойчивостей в процессе прохождения сгустков вдоль ускоряющей секции. Изучена структура поперечных и продольных полей с учетом их влияния на развитие поперечных неустойчивостей.

Проведено моделирование профилированной последовательности из 4-х сгустков с зарядами (10-30-50-70) нКл. Получена оценка для максимального ожидаемого значения коэффициента трансформации Показано, что возможен контроль данной последовательности в ускорительной структуре на частоту 13.625 ГГц только в пределах 23 см ее длины при отсутствии внешней фокусировки, причем к этой дистанции уже 23 % частиц последовательности утрачены. Использование квадрупольной фокусировки по схеме РООО (знакопеременная последовательность квадруполей) позволяет осуществлять контроль за последовательностью в (10-30-50-70) нКл до дистанции в 50-60 см, что соответствует длине ускорительной секции ускорителя А\¥А.

В рамках подготовки эксперимента по демонстрации ускорения с увеличенным коэффициентом трансформации изучена динамика частиц для случая оптимальной последовательности сгустков с зарядовым распределением (2-6-10-14) нКл. Подобное распределение зарядовой плотности позволяет сохранять соотношение зарядов в рамках системы 1:3:5:7, оптимизированной для параметров ускорителя А\¥А и получить максимальное значение коэффициента трансформации 11=1.6 в рамках планируемого эксперимента. Также была изучена возможность применения внешней квадрупольной РООО фокусировки, причем "оптимальная " последовательность не взаимодействует со стенками структуры вплоть до 90 см длины секции.

В рамках настоящей работы получила свое развитие идея об использовании нелинейного заполнения ускоряющей структуры для усиления кильватерных полей за счет нелинейных эффектов при формировании и распространении импульса излучения Вавилова-Черенкова в материале заполнения.

В седьмой главе диссертации приведено численное моделирование задач нелинейного процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским сгустком электронов в структурах с заполнением из нелинейного материала. Данная ситуация реализуется при условии, когда поля генерации достаточно велики, чтобы изменять диэлектрическую проницаемость заполнения структуры непосредственно в процессе генерации. Результаты моделирования эксперимента по взаимодействию электронного сгустка с активной средой заполнения структуры, также как и данные измерений свойств активного материала для подобного эксперимента, также представлены в заключительной седьмой главе настоящей работы.

Положения, выносимые на защиту

1. При генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским электронным сгустком в структурах с диэлектрическим заполнением формируется короткий (< 10 не при частотах 10-30 ГТц и <1 не в диапазоне ~ ТНг) импульс продольного кильватерного поля, причем величина ускоряющего поля может превышать 100 МВ/м в диапазоне частот 10-30 ГГц и превышать 1 ГВ/м в диапазоне 0.3 - 1.0 ТГц.

2. В многомодовой ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением при генерации кильватерного излучения последовательностью сильноточных сгустков происходит увеличение градиента ускоряющего поля за счет когерентного сложения полей отдельных мод, если параметры структуры оптимизированы относительно используемой кильватерной схемы ускорения.

3. Анализ структуры магнитной компоненты электромагнитного поля при реализации ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением и с внешним СВЧ источником показывает, что для уменьшения потерь мощности в структуре целесообразно использовать слой с уменьшенным значением диэлектрической проницаемости между внутренним слоем диэлектрика и проводящей стенкой волновода.

4. При генерации излучения Вавилова-Черенкова последовательностью сгустков с профилированной зарядовой плотностью происходит увеличение коэффициента трансформации энергии от генераторной последовательности к ускоряемому сгустку, так, при коллинеарной схеме ускорения впервые экспериментально наблюдалась величина указанного коэффициента К>2.

5. Разброс геометрических размеров и диэлектрической проницаемости ускоряющей структуры может быть скомпенсирован коррекцией расстояний между сгустками генераторной последовательности, что обеспечивает получение максимального коэффициента трансформации и высокую эффективность кильватерного ускорения соответственно, так, экспериментально получена величина указанного коэффициента для двух сгустков, равная 7?=3.4, что близко к теоретически предсказанному пределу Я<4.

6. Введение в ускорительную структуру с диэлектрическим заполнением дополнительного слоя нелинейного материала (сегнетоэлектрика) позволяет осуществлять контроль (подстройку) спектра ускоряющей компоненты поля при вариации диэлектрической проницаемости нелинейного слоя путем внешнего воздействия изменением температуры структуры и величины приложенного к слою постоянного электрического поля.

7. Длина кильватерной ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением для данных параметров генераторных сгустков главным образом ограничивается развитием поперечных (ВВи) неустойчивостей, приводящих к развалу пучка.

8. Контроль поперечного положения сгустка в структурах с диэлектрическим заполнением осуществляется оптимизацией фокусирующей системы относительно электродинамических параметров ускоряющей структуры, генераторного сгустка (или их последовательности) и реализуемой схемы ускорения.

9. В ускоряющих структурах с заполнением, выполненным из нелинейного материала, диэлектрическая проницаемость которого уменьшается под действием приложенного электрического поля, возникает генерация нелинейной высокочастотной составляющей излучения Вавилова-Черенкова, если амплитуды кильватерных полей генерации превышают критические для данного материала.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 166 научных работ, из них - 32 статьи в реферируемых журналах, 31 статья в сборниках с редакторским рецензированием, 99 публикаций в трудах международных и всероссийских конференций и совещаний, а также 2 патента Российской Федерации и 2 патента США.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Канарейкин, Алексей Дмитриевич

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен аналитический расчет и численное моделирование кильватерных полей для задач излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого последовательностью коротких сильноточных электронных сгустков в волноводных системах цилиндрической и прямоугольной геометрий поперечного сечения. Указанные структуры представляют собой волновод с частичным диэлектрическим заполнением (из микроволновой керамики или кварца) и вакуумным каналом для пролета электронного сгустка. Впервые разработана технология и созданы первые образцы кильватерных ускорительных структур на основе алмазного заполнения (как из поликристаллического материала, так и из монокристалла алмаза).

2. На основе разработанного комплекса программ для оптимизации параметров кильватерных ускоряющих структур ГГц и ТГц диапазонов с заполнением из диэлектрика показано, что при генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским электронным сгустком амплитуда импульса продольного кильватерного поля может превышать 1 ГВ/м (при длине импульса <1 не), а в диапазоне частот 10-30 ГГц - 100 МВ/м (при длине импульса <10 не).

3. В эксперименте впервые продемонстрированы как генерация, так и кильватерное ускорения в ТГц диапазоне в структуре на основе алмаза, причем данные эксперимента показали хорошее совпадение с данными численного моделирования. В диапазоне частот 10-30 ГГц в рамках экспериментального исследования на ускорителе в структурах с диэлектрическим заполнением впервые получены кильватерные ускоряющие поля с амплитудой более 100 МВ/м при длительности импульса поля т~10 не.

4. Аналитически изучен процесс генерации излучения Вавилова-Черенкова в структурах со сложным диэлектрическим заполнением. Анализ полученных выражений для кильватерных полей в подобных структурах показал возможность значительного уменьшения потерь мощности при ускорении в структурах с многослойным диэлектрическим заполнением за счет уменьшения величины магнитного поля в металлической оболочке волновода. Экспериментально получено подтверждение обнаруженного эффекта при измерении потерь в структуре с двухслойным диэлектрическим заполнением.

5. Проведен анализ возможности генерации последовательностью сгустков в структурах с диэлектрическим заполнением, а также расчет ускоряющих градиентов в многомодовых структурах с диэлектриком. В рамках пучкового эксперимента зарегистрирован процесс генерации и когерентного сложения полей излучения от многосгустковой последовательности и большого числа мод структуры. Обнаружен эффект увеличения ускоряющего градиента как за счет многомодовой структуры ускоряющего поля, так и как результат генерации кильватерного поля последовательностью синфазно расположенных сгустков.

6. Выполнен аналитический расчет кильватерных полей и оптимизированы параметры структуры при реализации схемы ускорения с высоким коэффициентом трансформации энергии от генераторного сильноточного сгустка (и их последовательности) к ускоряемому сгустку. Разработана схема проведения подобного эксперимента на основе многосгустковой последовательности с профилированной функцией зарядовой плотности. В рамках пучкового эксперимента впервые продемонстрирован процесс передачи энергии от генераторной последовательности к ускоряемому сгустку с коэффициентом трансформации К>2, а также для последовательности из двух сгустков с коэффициентом 11=3.4, близким к теоретическому пределу Я<4.

7. Предложен новый метод контроля частоты ускоряющей моды кильватерной ускорительной структуры с заполнением на основе использования дополнительного сегнетоэлектрического слоя заполнения структуры, и выполнен аналитический расчет полей в структуре с подобным заполнением. Численный анализ показал возможность корректировки частоты ускоряющего поля в пределах 500-700 МГц в диапазоне частот 12-20 ГГц для ТМо1 ускоряющей моды структуры с заполнением.

8. Разработана и выполнена управляемая ускоряющая структура с дополнительным нелинейным (сегнетоэлектрическим) слоем на частоту 14 ГГц, и осуществлено комплексное экспериментальное исследование параметров указанной структуры в рамках экспериментов на ускорителе А\\^А. Проведена демонстрация возможности контроля частоты ускоряющей моды кильватерной структуры в пределах 15 МГц/°С при вариации ее температуры в пределах 50°С, что соответствует диапазону полупериода (половине длины волны) ускоряющего кильватерного поля. В рамках эксперимента на малой СВЧ мощности показана возможность быстрой (1-10-100 не) коррекции частоты ускоряющей моды структуры за счет параметрического воздействия постоянным электрическим полем на диэлектрическую проницаемость нелинейного слоя заполнения.

9. На основе метода макрочастиц и с использованием аналитических решений для кильватерных функций излучения Вавилова-Черенкова в структурах с заполнением построен алгоритм моделирования процесса развития поперечных (ВВи) неустойчивостей сильноточного релятивистского сгустка в процесс генерации. Разработана программа "ВВШ000" для анализа подобных неустойчивостей и оптимизации параметров фокусирующих систем с целью контроля положения генераторных сгустков и обеспечения эффективности кильватерного ускорения. На основе предложенного алгоритма подтвержден факт наличия подобных неустойчивостей, изучены процессы их развития и условия их подавления при генерации излучения ГГц диапазона для ускорителя АМЬ/АША и излучения ТГц диапазона частот для ускорителя 8ЬАС/ГАСЕТ.

10. Для структур с заполнением показан процесс развития ВВи неустойчивости и представлен анализ коэффициента прохождения частиц как функции интенсивности пучка и величины его смещения от оси структуры для генераторной секции двухпучкого ускорителя на частоты 15.4 ГГц и 26.0 ГГц. Для контроля BBU неустойчивостей в указанной структуре предложены как система FODO фокусировки, так и соленоидальная фокусировка. Показан успешный способ применения указанных систем фокусировки, в результате использования которых эффективная длина ускорения может быть существенно увеличена.

11. Осуществлено численное моделирование задач процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским сгустком электронов в структурах ТГц диапазона с заполнением из нелинейного материала на основе BST сегнетоэлектрика. Обнаружены нелинейные эффект генерации высоких мод и сжатия импульса кильватерного поля, и показана возможность увеличения ускоряющего градиента за счет указанных нелинейных эффектов.

12. Проведено моделирование эксперимента по взаимодействию электронного сгустка с активной средой заполнения структуры. Рассмотрены возможные материалы, активные в области СВЧ частот. Указанные материалы потенциально могут быть использованы в качестве заполнения кильватерной структуры. В процессе проведения комплекса измерений по изучению свойств СВЧ-активных материалов на импульсном ЭПР спектрометре на частоте 9.8 ГГц обнаружен уровень активности материала РСВМ (ц"~2хЮ"4), необходимый для детектирования эффекта в рамках пучкового эксперимента и его последующего использования для усиления кильватерного поля ведущего сгустка.

Благодарность.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность своим научным руководителям профессору К.А.Барсукову и профессору В.Н.Красильникову за советы, рекомендации и помощь в работе. Автор также благодарен своим коллегами по кафедре физики СПбГЭТУ "ЛЭТИ" А.М.Альтмарку, С.С.Батурину и И.Л.Шейнману за плодотворные беседы и совместную творческую работу. Автор также благодарит своих коллег по экспериментальной работе в Аргоннской национальной лаборатории (Чикаго) S.Antipov, W.Gai, C.Jing, J.Power и P.Schoessow. Автор благодарен А.Б.Козыреву, Е.А.Ненашевой, С.Казакову и В.В.Яковлеву за большую помощь в работе с сегнетоэлектрическими материалами и устройствами на их основе. Автор также благодарен всем, кто взял на себя труд прочитать настоящую диссертацию и высказать свои замечания.

Заключение

Целью диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование генерации электромагнитного излучения короткими сильноточными пучка-ми электронов в регулярных волноводных структурах со сложным диэлектрическим заполнением и анализ задач нелинейной динамики электронных релятивистских сгустков в подобных структурах.

Данная работа направлена на решение комплексной проблемы создания ускорителя на принципе кильватерного ускорения в структурах с заполнением как ускоряющей секции будущего линейного коллайдера для физики высоких энергий, а также как генераторного модуля для источника ультракоротких импульсов рентгеновского излучения на базе лазера на свободных электронах.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Канарейкин, Алексей Дмитриевич, 2012 год

1. Батурин С. С., Шейнман И.Л., Альтмарк A.M., Семикин Д.А., Канарейкин А.Д. Генерация кильватерного излучения в диэлектрической ускорительной структуре прямоугольного сечения //Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 9. С. 7-13

2. Батурин С. С., Шейнман И. JL, Альтмарк А. М., Канарейкин А. Д. Кильватерное излучение, генерируемое электронным сгустком в прямоугольном диэлектрическом волноводе // ЖТФ. 2012. вып.5. С. 106-114.

3. W. Gai, P. Schoessow, B.Cole. Experimental Demonstration of Wakefield Effects in Dielectric Structures. Phys. Rev. Lett. - 1988. - V.61. P.

4. G. Power, M. E. Conde, W.Gai, A.D. Kanareykin. First Experimental Measurements Of Wakefields In A Multimode Dielectric Structure Driven By A Train Of Electron Bunches.

5. Phys. Rev., Sp. Topics Accel, and Beams. - 2000. - V.3. - P. 1302.

6. K.L. Bane, P. Chen, and P.B. Wilson, IEEE Trans. Nucl. Sci. 32 (1985), p. 3524

7. C.C. Ваганян, Э.М. Лазиев. B.M. Цаканов. О коэффициенте трансформации в схемах ускорения кильватерным полем. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физич,— 1990,- Т. 15, Вып. 7. С.30-36.

8. J. Power, W. Gai, A.D. Kanareykin. Transformer Ratio Enhancement Using a Ramped Bunch Train in a Collinear Wakefield Accelerator. AIP Conf. Proc.- 2001.- 569. P.605.

9. C. Jing, A. Kanareykin, J. Power, M. Conde, Z. Yusof, P. Shoessow, and W. Gai. Observation of Enhanced Transformer Ratio in Collinear Wakefield Acceleration. Phys. Rev. Lett., v.98, pp. 144801-1, 2007.

10. И.Л.Шейнман, А.Д.Канарейкин. Критерии оптимизации параметров многопучковой схемы кильватерного ускорения. ПЖТФ, 31, 8 , 2005, с 24-31.