Введение к работе
Актуальность темы.
Одно из направлений развития в физике высоких энергий - это дальнейшее повышение энергии электрон-позитронных встречных пучков. Решение этой задачи при помощи циклических ускорителей встречается со все возрастающими трудностями. В первую очередь это связано с резким ростом потерь энергии ускоряемой частицы на синхротронное излучение. В связи с этим, на сегодняшний день считается, что для достижения электронами энергии в сотни ГэВ и выше целесообразно вместо циклических ускорителей использовать линейные.
К настоящему времени существует несколько хорошо разработанных проектов линейных коллайдеров для этих целей. Общая особенность всех этих проектов состоит в том, что все они предполагают использование многокилометровых линейных ускорителей. Практическая реализация ускорителей длинной в несколько десятков километров несомненно будет испытывать серьезные экономические и технические трудности.
Желание иметь как можно меньшую длину ускорителя заставляет стремиться к предельно возможному темпу ускорения. Анализ факторов, ограничивающих предельный темп ускорения, показывает, что ускоряющие структуры, работающие на более высокой частоте, при прочих равных условиях позволяют реализовать более высокий темп ускорения. Однако, переход на более высокую рабочую частоту с соответствующим повышением темпа ускорения приводит к росту суммарной ВЧ-мощности, необходимой для питания ускоряющих структур.
Еще одна особенность, присущая всем проектам, - это огромное число источников ВЧ-мощности, необходимых для питания ускоряющих структур. В тоже время число источников ВЧ-мощности, которое может быть размещено на ускорителе, определяется надежностью и ценой всей ВЧ-системы.. Это накладывает ограничение снизу на величину выходной мощности отдельного ВЧ-источника. Так, например, если принять за приемлемое число источников мощности в этих проектах - 2000, то мощность одного ВЧ-источника должна составлять приблизительно 200 МВт на частоте 2.8 ГГц и 500 МВт - на частоте 30 ГГц.
з /^
Таким образом, желание иметь как можно меньшую длину ускорителя определило основные направления развития СВЧ-энергетики будущих линейных коллайдеров - это продвижение в области более высоких частот и мощностей.
Традиционно в качестве источников ВЧ-мощности для питания будущих линейных коллайдеров предполагается использовать клистроны. Однако, несмотря на заметный прогресс в разработке и создании клистронов, пригодных для питания этих коллайдеров, их параметры не отвечают в полной мере всем необходимым требованиям. Например, наблюдается отставание по уровню выходной мощности. Об этом свидетельствует и возросший в последнее время интерес к системам компрессии ВЧ-мощности, которые позволяют в некоторой степени снизить остроту этой проблемы. Также, на сегодняшний день, полностью отсутствуют публикации о том, что планируются или ведутся работы по созданию мощных клистронов, работающих на частотах выше 14 ГГц.
Такое положение дел с клистронами привело к поиску других источников ВЧ-мощности, пригодных для питания ускорителей. Примером тому могут служить проекты, в которых предполагается использование вспомогательного линейного укорителя для питания основного (проект СПС, CERN).
Другим альтернативным источником ВЧ-мощности для линейных коллайдеров может стать магникон - прибор, в котором модуляция пучка осуществляется путем круговой развертки. В качестве прототипа такого источника в нашем институте предложен, разработан и испытан 7 ГГц магникон. Это СВЧ-усилитель, работающий в режиме удвоения входной частоты.
Одна из особенностей приборов с круговой модуляцией пучка состоит в том, что их эффективность существенно зависит от поперечного размера пучка. Так, в 7 ГГц магниконе для достижения КПД более 50% диаметр пучка на входе в систему развертки не должен превышать 3 мм. При токе пучка 230 А средняя плотностью тока пучка составляет примерно 3 кА/см2, что более чем на два порядка превышает максимальную плотность тока, отбираемую с лучших современных термокатодов. Это означает, что для работы 7 ГГц магникона необходима электронно-оптическая система с высокой степенью компрессии пучка.
Необходимо отметить, что проблема создания электронно-оптической системы с высокой степенью компрессии пучка не является сугубо специфической только для 7 ГТц магникона. Желание работать на все более высоких частотах и с большей ВЧ-мощностью приводит к необходимости использовать электронные пучки со все меньшими поперечными размерами и большей мощностью. Так как повышение мощности, за счет увеличения напряжения на практике имеет ограничение, а эмиссионная способность катодов также ограничена, то начиная с какого-то момента неизбежно возникает необходимость в сжатии электронного пучка.
Цель работы.
Эспериментальное и теоретическое исследование 100 МВт источника электронов с экстремально высокой плотностью тока и получение электронного пучка, пригодного для работы 7 ГГц магникона с высокой эффективностью.
Научная новизна.
Основным научным результатом работы является исследование, разработка и создание электронно-оптической системы, позволяющей формировать мощные релятивистские электронные пучки с плотностью тока на выходе, на несколько порядков превышающей плотность тока с катода. При этом распределение плотности тока, по сечению, пучка достаточно однородно, а поперечный размер определяется, в основном, объемным зарядом. Входящая в состав электронно-оптической системы диодная пушка имеет рекордную величину электростатической компрессии пучка по площади поперечного сечения.
Практическая ценность.
Разработан и создан источник электронов, позволяющий получить в магнитной системе магникона со 120 мм оксидного катода 100 МВт электронный пучок (430 кВ, 235 А) с поперечным размером менее 3 мм. При этом полученный пучок полностью удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым 7 ГГц магниконом к пучку для достижения высокой эффективности. Это, в свою очередь, позволило провести экспериментальное исследование прототипа источника ВЧ-мощности для линейных коллайдеров - 7 ГГц магникона. На сегодняшний день с этим пучком на 7 ГГц магниконе получены проектные параметры (выходная мощность 55 МВт при КПД 56 %).
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. 100 МВт источник электронов 7 ГГц магникона, в котором:
а) в диодной пушке использован сферический оксидный катод
диаметром 120 мм и радиусом кривизны 100 мм;
б) основное сжатие пучка осуществляется за счет электростатической
компрессии в диодной пушке;
в) катод экранирован от магнитного поля соленоида магникона;
г) на выходе получается слабо пульсирующий пучок с поперечным
размером, близким к Бриллюэновскому.
2. Результаты расчетов и проектирования: расчет магнитных полей соле
ноида (внутри и снаружи); расчет динамики пучка в ускоряющем зазоре
диодной пушки и магнитной системе; расчет динамики пучка вблизи
кроссовера (в отсутствие магнитной системы); расчет влияния погреш
ности изготовления деталей электронно-оптической системы на дости
жение основных проектных параметров. Анализ факторов, препятст
вующих достижению высокой компрессии.
Конструктивная схема источника электронов, включающая модулятор, импульсный повышающий трансформатор, диодную пушку, магнитную систему магникона, коллектор.
Устройство, для измерения поперечных размеров электронного пучка с высокой плотностью тока.
Результаты экспериментального исследования 100 МВт источника электронов, показавшие возможность получения слабо пульсирующего электронного пучка, с поперечным размером близким к Бриллюэновскому.
Результаты оптимизации электронно-оптической системы, включающие в себя: модификацию соленоида магникона; результаты численной оптимизации; исследование влияния тепловых уходов, возникающих при нагреве катодного узла, на "качество" формируемого электронного пучка; исследование влияния отклонения центра пучка от оси прибора на точность измерения поперечных размеров пучка.
Апробация работы.
Основные материалы диссертационной работы докладывались на европейской ускорительной конференции ЕР АС 90 (Ницца, 1990), на международной конференции BEAMS 90 (Новосибирск, 1990), на международном совещании RF 96 (Япония, 1996), на национальной ускорительной конференции США РАС 97 (Ванкувер, 1997) и опубликованы в работах [1-7].
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 139 страницах, содержит 56 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 57 наименований.
