Содержание к диссертации
Введение
1. Источник электромагнитного излучения терагерцового диапазона 19
1.1 Общее описание установки 19
1.1.1 Фотокатод 21
1.1.2 Лазерная система 28
1.1.3 Система СВЧ питания 31
1.2 Ускоряющая структура 32
1.2.1 Фотоинжектор 34
1.2.2 Ускоряющая секция на бегущей волне на основе круглого диафрагмированного волновода 45
1.2.3 Ускоряющая секция на основе круглого диафрагмированного волновода с магнитной связью 50
1.2.4 Резонатор на бегущей волне 60
1.2.5 Бипериодическая ускоряющая структура 78
2. Моделирование динамики электронов в ускоряющей структуре генератора электромагнитного излучения терагерцового диапазона 83
2.1. Программа BEAMDULAC-BL для расчета динамики электронов 83
2.2. Учет поля излучения 86
2.3. Учет собственного поля объемного заряда пучка 87
2.4. Анализ динамики электронов в ускоряющих структурах генератора терагерцового излучения 91
3. Излучающая система генератора электромагнитного излучения терагерцового диапазона 105
3.1. Аналитический расчет излучения, наведенного сгустком 105
3.2. Капиллярная замедляющая структура 110
3.3. Излучающая антенная система 120
4. Источник узкополосного рентгеновского излучения для рентгенографии
Общее описание установки
Каналирование электронов и генерация излучения
Рентгеновская оптика
Отклоняющий магнит
Расчет дозовых нагрузок от источника
Заключение
Литература
- Лазерная система
- Учет поля излучения
- Капиллярная замедляющая структура
- Каналирование электронов и генерация излучения
Введение к работе
Актуальность и степень проработанности работы
В последнее десятилетие наблюдается резкий рост числа фундаментальных и прикладных работ в области генерации и применения электромагнитного излучения (ЭМИ) в интервале длин волн от 1 мм до 30 мкм, что соответствует частотному диапазону 300 ГГц – 10 ТГц. Эта область лежит между фотоникой и электроникой, перекрываясь с длинноволновым далеким инфракрасным излучением и высокочастотными миллиметровыми волнами.
В отличие от последних, ТГц область электромагнитных волн до последнего времени оставалась практически неизученной, что связано с крайне малым количеством как достаточно мощных источников терагерцового излучения, так и приёмников, способных зарегистрировать излучение в данной области спектра. В настоящее время существует целое семейство компактных источников электромагнитного излучения малой мощности (от микроватт до сотен милливатт), которые могут работать в субмиллиметровом диапазоне. Сюда относятся лампы бегущей волны, карсинотроны, клинотроны, оротроны и излучатели на основе эффекта Смита-Парселла. Твердотельные приборы (резонансно-туннельные диоды, органические структуры, OLED диоды) и ТГц-лазеры являются также приборами непрерывной генерации, которым присущи жесткие ограничения по максимальной мощности. Подобные уровни мощности позволяют обеспечивать работу в системах томографов, микроскопов, фармацевтических интроскопов.
ЭМИ ТГц диапазона в настоящее время перспективно для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической томографии с разрешением во времени (T-ray imaging). ТГц томография и спектроскопия в настоящее время - особо востребованные области применения ТГц излучения в виду неугасающего интереса в разработке простых устройств обнаружения взрывчатых и наркотических веществ. Так как большинство доступных материалов прозрачны в терагерцовом диапазоне частот диапазоне - ТГц спектроскопия и томография с разрешением во времени могут стать оптимальным средством дистанционного зондирования. Использование терагерцового излучения в
медицине, микроскопии, а также в системах неразрушающего контроля поверхности также является предметом научных исследований.
Широкий класс приложений, в том числе задачи интроскопии крупногабаритных грузов и разработки перспективных видов нелетального воздействия на живые объекты требуют разработки и создания источников излучения терагерцового диапазона с импульсной мощностью, на несколько порядков более высокой, чем разработанные на настоящий момент. Единственными мощными источниками электромагнитного излучения ТГц диапазона долгое время были лишь синхротронные комплексы и лазеры на свободных электронах [1]. За последние годы появились разработки новых типов источников терагерцового излучения высокой мощности, к которым относятся гиротроны и системы генерации ТГц излучения при воздействии сверхмощных лазерных импульсов на твердотельные мишени. Однако источник ТГц излучения, основанный на использовании лазерных импульсов сверхвысокой мощности [2], является крайне крупногабаритным, и не может быть использован в системах, которые требуют компактного источника ЭМИ. Гиротроны [3] же в свою очередь являются компактными, однако работают в режиме одиночных импульсов и не подходят для систем, в которых необходимо получение достаточно высокой частоты повторения. Эти факты говорят об актуальности разработок компактного источника мощного ТГц излучения.
Другим направлением, широко развивающимся в настоящее время,
является генерация узкополосного рентгеновского излучения с энергией 20-
40 кэВ. Множество важных современных медицинских рентгенологических
технологий требуют использования яркого и узкополосного
(квазимонохроматического) рентгеновского источника. Такими
технологиями являются фазово-контрастная визуализация, визуализация с использованием дифракции когерентного рентгеновского излучения, ангиография, дихромография, времяпролетная визуализация, маммография и другие. Использование именно диапазона 20-40 кэВ объясняется тем, что в ангиографии в качестве контрастного вещества используется йод, пик поглощения которого равен 33 кэВ. Соответственно, для исследования необходимо излучение с энергией, равной пику поглощения контраста.
Использование узкополосного рентгеновского источника приводит к снижению дозы, получаемой пациентом и медицинским персоналом и в дополнение к этому к повышению качества изображения. К примеру, при
проведении процедуры ангиографии пациент получает дозу в 180-240 раз выше, чем при радиографии грудной клетки. Основная проблема заключается в широкополосности спектра рентгеновского источника.
Квазимонохроматический спектр рентгеновского излучения не может быть сгенерирован, используя стандартные высоковольтные рентгеновские трубки, спектр которых всегда наряду с монохроматическим характеристическим излучением содержит большой процент некогерентного тормозного излучения. Для проведения медицинских исследований с использованием монохроматического рентгеновского излучения на настоящий момент предложено четыре различных метода: синхротронное и ондуляторное излучение, Комптоновское рассеяние, характеристическое излучение и излучение в кристаллах: излучение при каналировании (КИ), когерентное тормозное излучение, параметрическое рентгеновское излучение и другие [4]. При генерации узкополосного рентгеновского излучения для нужд маммографии, могут быть использованы мозаичные кристаллы, однако эффективность использования такой технологии находится на уровне единиц процентов. Таким образом, генерация узкополосного рентгеновского излучения для нужд медицинской интроскопии является в настоящее время актуальной задачей.
Обе рассматриваемые задачи – генерация излучения терагерцового диапазона и узкополосного рентгеновского излучения - могут быть решены с использованием релятивистских пучков электронов высокой яркости, получаемых в ускорителях. Излучение ТГц диапазона может генерироваться при пролете сгустков квазирелятивистских электронов через черенковские замедляющие капиллярные структуры. Узкополосное рентгеновское излучение генерируют электроны при пролете в ориентированных кристаллах.
Цель диссертации
Целью диссертации является разработка источников
электромагнитного излучения ТГц диапазона частот и источников узкополосного рентгеновского излучения.
В рамках разработки источника ТГц излучения рассматриваются следующие вопросы:
обоснование принципиальной схемы установки;
разработка электродинамической модели ускоряющей системы;
расчет динамики яркого электронного пучка в ускоряющей и замедляющей системах;
анализ спектральных характеристик источника излучения;
расчет излучающей системы ЭМИ ТГц диапазона. В рамках разработки источника узкополосного рентгеновского излучения:
разработка принципиальной схемы установки;
исследование динамики электронов в кристаллической мишени;
разработка принципиальной схемы рентгеновской оптической системы;
анализ спектральных характеристик источника излучения;
анализ дозовых нагрузок, получаемых от источника, с использованием тканеэквивалентных фантомов.
Научная новизна
-
Обоснована схема установки для генерации мощных пикосекундных импульсов электромагнитного излучения ТГц диапазона частот электронным пучком в капиллярных замедляющих структурах.
-
Исследована динамика электронного пучка высокой яркости и пикосекундной длительности в ускоряющей структуре с учетом пространственного заряда пучка и эффекта нагрузки током.
-
Впервые разработана схема установки для генерации узкополосного рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией излучения, основанная на применении излучения при каналировании электронов в кристаллах и поликапиллярной рентгеновской оптики.
-
В рамках классической электродинамики описана динамика электронов в кристаллической мишени, рассчитан спектр излучения, генерируемого пучком электронов в процессе каналирования внутри кристаллической мишени.
Научная и практическая ценность
На основе полученных результатов предложены варианты установок для генерации излучения ТГц диапазона и медицинской установки для ангиографии с использованием узкополосного рентгеновского излучения.
Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, были использованы при выполнении научно-исследовательской работы в рамках договора с открытым акционерным обществом «Московский Радиотехнический Институт Российской Академии Наук».
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты расчетов электродинамических характеристик и геометрии ускоряющих структур установки для генерации ЭМИ ТГц диапазона.
-
Результаты анализа динамики электронных пучков большой яркости в ускоряющей системе генератора ЭМИ ТГц диапазона с учетом влияния поля пространственного заряда и эффекта нагрузки током пучка.
-
Методы и результаты анализа электродинамических характеристик излучающей капиллярной системы установки и результаты оценки параметров генерируемого излучения.
-
Результаты расчетов направленных рупорных антенн, работающих в ТГц диапазоне частот.
-
Компоновочная схема установки для генерации узко полосного рентгеновского излучения с перестраиваемой энергией излучения.
-
Результаты анализа динамики электронов с энергиями 21 и 23 МэВ в кристаллической мишени и результаты исследования характеристик рентгеновского излучения, полученного в процессе каналирования электронов в кристаллической мишени и его фильтрации рентгеновской оптической системой.
Достоверность научных результатов и методы исследования
Достоверность научных результатов обоснована применением современных и общепризнанных программ для анализа электродинамических характеристик ускоряющих структур, излучающего капилляра и ТГц антенн. При исследованиях динамики электронов в ускоряющих структурах и кристаллической мишени были использованы методы, основанные на общепризнанных аналитических моделях. Также достоверность результатов была подтверждена применением как аналитических, так и численных методов, а также верификацией с экспериментальными данными.
Апробация результатов работы
Основные результаты и положения диссертации были представлены на конференциях:
II Международная конференция по ускорителям заряженных частиц IP AC’ 10, Сан-Себастьян, Испания, 2011,
XXVI Международная конференция по линейным ускорителям заряженных частиц LINAC12, Тель-Авив, Израиль, 2012,
Семинар XLIV ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness hadron Beams, HB’10, Моршах, Швейцария, 2010,
Северо-Американская Конференция по ускорителям заряженных частиц NA-PAC13, Пасадена, США,
XXIII Российская конференция по ускорителям заряженных частиц RuPAC’12, Санкт-Петербург, 2012,
XXII, XXIII Международные совещания по ускорителям заряженных частиц IWCPA, Алушта, Украина, 2011, 2013,
X Международный симпозиум по излучению релятивистских электронов в периодических структурах RREPS’13, Чамбарак, Армения, 2013,
«Научная сессия НИЯУ МИФИ», Москва, 2011, 2012, 2013, 2014,
XIV, XV, XVI, XVII Международная телекоммуникационная конференция молодых ученых и студентов «Молодежь и наука», Москва, 2010 - 2014.
Личный вклад автора
Все выносимые на защиту результаты и положения диссертации получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором лично были разработаны модели всех макетов ускоряющих структур, капиллярных структур и излучающих антенн. Также автор непосредственно принимал участие в разработках принципиальных схем установок и методов анализа динамики заряженных частиц в ускоряющих структурах и кристаллических мишенях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и списка литературы, включающего 171 наименование. Общий объем диссертации составляет 182 страницы, включая 102 рисунка и 24 таблицы.
Лазерная система
Ультракороткие ТГц оптические импульсы в настоящее время перспективны для внутренней и внешней связи в интегральных схемах, для целей спектроскопии дальнего ИК диапазона с разрешением во времени и химического определения состава сложных соединений, для создания ТГц радаров, для целей оптической томографии с разрешением во времени (T-ray imaging) [1]. ТГц томография и спектроскопия в настоящее время являются особо востребованной областью применения ТГц излучения в виду неугасающего интереса в разработке простых устройств обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, а так как большинство доступных материалов прозрачны в терагерцовом диапазоне частот диапазоне, ТГц спектроскопия и томография с разрешением во времени могут стать оптимальным средством дистанционного зондирования. Использование терагерцового излучения в медицине [2], микроскопии [3, 4], а также в системах неразрушающего контроля поверхности также является предметом научных исследований.
В медицине терагерцовое излучение может быть использовано для создания ТГц томографов для обследования и определения злокачественных новообразований [5]. Для визуализации опухоли с использованием позитронно-эмиссионных или однофотонных эмиссионных томографов пациенту вводится радиофарм препарат, который негативно влияет на организм человека. В случае терагерцовой томографии введение радиофарм препарата не требуется благодаря тому, что все вещества имеют в терагерцовом диапазоне свои маркеры поглощения и существует возможность получения визуализации злокачественных новообразований за счет информации, полученной в ТГц диапазоне. По сравнению с компьютерной томографией отсутствует дозовая нагрузка на пациента.
Аналогичным образом терагерцовое излучение находит применение в фармацевтике для определения составов лекарственных препаратов, открывая возможность проверки процентного содержания того или иного вещества в составе фармацевтических препаратов без нарушения целостности упаковки в конвейерном режиме работы [6 - 8].
Среди возможных областей применения излучения терагерцового диапазона высокой мощности интерес представляет досмотр крупногабаритных объектов, таких как железнодорожные и морские контейнеры, вагоны, автопоезда. В настоящее время системы интроскопии могут быть реализованы только на основе достаточно мощного источника излучения. При этом использование источника g излучения требует наличия в системе мощного ускорителя электронов с возможностью регулировки энергии в 3-5 раз для реализации возможности онлайн идентификации плотности и атомных номеров объектов системой регистрации излучения и распознавания [9]. Регулировка энергии пучка электронов в широком диапазоне является технически сложной задачей. Некоторые производители инспекционных систем решают ее с использованием нескольких установок, позволяющих ускорять электроны до различных энергий. Другим возможным вариантом является использование источника нейтронов, однако здесь регулировка энергии в широком диапазоне является еще более проблематичной. Кроме того, оба описанных способа интроскопии используют мощные потоки ионизирующего излучения и требуют применения систем защиты персонала от него, причем в обоих случаях не удается ограничиться только локальной защитой ускорителя.
В настоящее время существует целое семейство компактных источников электромагнитного излучения малой мощности (от микроватт до сотен милливатт и единиц ватт), которые могут работать в субмиллиметровом диапазоне. Сюда относятся лампы бегущей волны [10], карсинотроны [11], клинотроны [12], оротроны [13] и излучатели на основе эффекта Смита-Парселла [14 - 15]. Твердотельные приборы (резонансно-туннельные диоды, органические структуры, OLED диоды) и ТГц-лазеры являются также приборами непрерывной генерации, которым присущи жесткие ограничения по максимальной мощности. Подобные уровни мощности позволяют обеспечивать работу в системах томографов, микроскопов, фармацевтических интроскопов.
Также одним из вариантов генерации маломощного ТГц излучения является методика освещения фотополупроводников сверхкороткими лазерными импульсами. В начале 90-х годов было показано, что при освещении некоторых фотополупроводников фемтосекундными импульсами света поверхность образцов излучает когерентные сверхкороткие широкополосные импульсы в дальнем ИК диапазоне спектрах [16 - 19]. ТГц излучение также может генерироваться в процессе коллективного оптического возбуждения электронов в гетероструктурах и квантовых ямах [20 - 22]. Генерация терагерцового излучения путем умножения частоты на полупроводниковых структурах рассматривается в настоящее время в Институте физики микроструктур РАН. В работах рассматривается умножение частоты от различных СВЧ генераторов на основе матрицы планарных диодов Шоттки. Каждый элемент матрицы состоит из двух встречно включенных торцевых диодов Шоттки, интегрированных с широкополосной щелевой антенной. Умножительная матрица имеет около 50000 элементов на 1 см2 площади подложки. Исследована зависимость интенсивности сигнала третьей гармоники накачки импульсного гиротрона с частотой 130 ГГц от размеров умножительной матрицы. Установлено синфазное включение отдельных элементов при генерации третьей гармоники (390 ГГц). Максимальная мощность третьей гармоники составила 60мВт [23 - 24].
Учет поля излучения
Лазеры на неодим-легированных кристаллах, такие, как Nd:YAG, Nd:YLF и Nd:YVO4, широко используются в системах, генерирующих импульсы пикосекундной длительности. Эти системы используют полупроводниковые диоды для накачки, что позволяет достигать стабильности по частоте порядка 1%. Лазеры на Nd:YLF и Nd:YVO4 способны генерировать порядка 40 Вт средней мощности в ИК диапазоне длин волн и более 20 Вт в зеленой области спектра. Таким образом, для GaAs катодов это позволит получить средний ток пучка более 10 мА. Также данный вид лазеров позволяет генерировать как одиночные импульсы, так и последовательность импульсов. Однако минимальная длительность импульсов неодимовых лазеров ограничена десятками пикосекунд, минимально достижимый фронт импульса равен нескольким пикосекундам после конвертации ИК импульса в УФ диапазон. Эта особенность лазеров обуславливается ограниченной полосой пропускания флуоресценции материалов лазера. Чтобы преодолеть это ограничение, необходимо использовать для усилителя материал с большей полосой флуоресценции. Лазеры на титан-сапфировых кристаллах имеют одну из наибольших полос пропускания флуоресценции, что делает данный тип лазеров оптимизированным для генерации фемтосекундных импульсов. Такие лазеры обладают крайне малым временем фронта и спада импульса. Однако, титан-сапфировые лазеры из-за микросекундного времени жизни в возбужденном состоянии, а также из-за отсутствия накачивающих ламп, позволяющих производить накачку импульсами длительностью в сотни микросекунд, не позволяют им работать в режиме генерации пакетов импульсов. Предельные средние значения мощности излучения лазеров с титан-сапфиром находятся на уровне единиц Вт.
Иттербий легированные материалы, такие как Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW и Yb:CaF2, являются еще одним классом лазерных материалов, обладающих шириной полосы пропускания, достаточной для генерации фемтосекундных импульсов. Такие материалы должны накачиваться лазерными диодами с высокой яркостью. Такие лазеры способны обеспечивать максимально возможную мощность лазерного излучения – до 100 Вт средней мощности при использовании тонко-дисковой геометрии Yb:YAG кристалла. Благодаря большому времени жизни ( 100 мкс) в возбужденном состоянии, этот тип лазеров хорошо подходит для генерации макроимпульсов. Определенным отрицательным явлением для данного типа лазера является его низкое значение поперечных размеров для индуцированной эмиссии, которое должно быть скомпенсировано с использованием специальных лазерных преобразователей геометрии импульса, таких как регенеративные или мильтипроходные усилители. Такие системы способны давать энергию больше 20 мкДж в каждом из тысяч микроимпульсов, разделенных микросекундами, которых может быть до 1000 в одном макроимпульсе. 1.1.3. Система СВЧ питания
Система СВЧ питания установки должна обеспечивать мощностью ускоряющую структуру генератора, которая согласно схеме, представленной на рисунке 1.1, состоит из двух ускоряющих секций. Так как в установке применяются ускоряющие структуры на основе круглого диафрагмированного волновода (КДВ), то наиболее оптимальным будет использование СВЧ генератора 10 см диапазона. Такие генераторы наиболее востребованы и не возникает трудностей с подбором необходимого образца, в том числе и отечественного производства. Режим использования ТГц генератора предполагает работу в режиме одиночных пс импульсов тока с частотой повторения до нескольких десятков Гц или цуга пс импульсов. Обычно в ускоряющих структурах на такие частоты и энергии электронов применяются импульсные магнетроны либо клистроны.
Так как система генерации ЭМИ ТГц диапазона в целом позиционируется как компактная, желательно уменьшить размеры системы питания и поэтому оптимальным является применение магнетронов. Магнетроны МИ-256Б, производства НПО «Фаза» (Ростов-на-Дону) [76], или эквивалентные, рассчитанные на импульсную мощность до 2,5 МВт на частоте 3000±5 МГц хорошо подходят для данной системы. Обе секции ускоряющей системы могут быть запитаны от одного магнетрона посредством стандартного 3 дБ делителя мощности. При необходимости существует возможность использования двух магнетронов для питания обеих секций ускоряющей структуры раздельно. При этом магнетроны подключаются к одному модулятору, а мощность поступает во входы ускоряющих секций через фазовращатели независимо.
Капиллярная замедляющая структура
При использовании пластины из фторопласта зависимости не меняют своего характера. Однако, так как у фторопласта диэлектрическая проницаемость ниже, чем у стекла, для достижения того же уровня изменения фазы волны при одинаковом введении пластины необходимо использовать пластину большей толщины. К примеру, для фторопластовой пластины толщиной 6 мм при введении на 12 мм фаза сдвигается на 12 градусов. Того же сдвига по фазе можно достичь при толщине стеклянной пластины, равной 2,5 мм. Коэффициенты отражения от фазовращателя в обоих случаях приблизительно равны, отличие составляет до 0,5 дБ. Для оценки влияния диэлектрической пластины на распространяющиеся в волноводе поля было рассчитано отражение от волноводного перехода для материала пластины с =1. Коэффициент отражения S11 структуры составил 31,81 дБ.
Были разработаны две схемы ввода движения пластины фазовращателя. Конструкция основывается на использовании шагового двигателя. Так как общий вес пластины фазовращателя вместе со стержнями составляет не более 100 г (плотность фторопласта равна 2,20103 кг/м, кварцевого стекла 2,21103 кг/м3), то достаточно использовать маломощный шаговый двигатель. При приведении в движение пластины фазовращателя с использованием зубчатого колеса с диаметром 40 мм будет достаточно использовать шаговые двигателями с квазистатическим синхронизующим моментом, равным или больше 0,2 кгсм. Две рассматриваемые схемы отличаются способом приведения зубчатого колеса в движение шаговым двигателем.
Конструкция первого типа ввода движения изображена на рисунке 1.42 (а). На рисунке пластина (2), к которой присоединены фторопластовые стержни (1), приводится в движение с помощью зубчатого колеса (3), соединенного валом с шаговым двигателем (4) [97]. При вводе вращения зубчатое колесо вращается и двигает металлическую пластину вдоль направляющих (7). Корпус шагового двигателя не является вакуумно-плотным, поэтому он должен быть расположен вне вакуумной камеры (8). Вал вводится в вакуумную камеру через вакуумно-плотный ввод вращательного движения (9).
Второй вариант осуществления движения пластины основывается на шаговом двигателе с вакуумно-плотным корпусом (4) (рисунок 1.42 б) [98]. Такой двигатель может быть помещен внутри вакуумного объема, так как не вызывает загрязнения вакуума масляными парами. Таким образом, вместо ввода движения в вакуум достаточно использовать лишь электрический вакуумный ввод (8), что заметно упрощает конструкцию.
Так как волновод имеет окна связи с блоком, в котором находится система управления фазовращателя, существует необходимость в оценке мощности, проникающей в этот блок. Был рассчитан коэффициент передачи мощности для различных положений пластины фазовращателя и разного диаметра отверстий (рис. 1.43). На рисунке 1.44 приведено распределение амплитуды электрического поля в волноводе и блоке контроля фазовращателя для радиуса отверстий 3,5 мм и расстояния от пластины до стенки волновода, равном 7 мм. Как видно из рисунка, часть мощности, ответвляемой в блок контроля фазовращателя, находится ниже уровня -40 дБ для почти всех значений радиуса отверстий и положения пластины. Эти результаты позволяют утверждать, что блок контроля фазовращателя не подвергается воздействию электромагнитного излучения из волновода. а
Элементы фазовращателя: с обычным шаговым двигателем (а): 1 – диэлектрическая пластина со стержнями, 2 – пластина с рисками для передачи движения фазовращателю, 3 – вал шагового двигателя с зубчатым колесом, 4 – шаговый двигатель, 5 – провода электропитания двигателя, 6 – поддерживающая пластина, 7 – направляющие, 8 – вакуумный кожух, 9 – ввод вращательного движения в вакуум; с вакуумно-плотным шаговым двигателем (б): 8 – электрический вакуумный ввод, 9 – вакуумный кожух
Моделирование ускоряющей структуры с РБВ в первую очередь заключалось в создании кольца, то есть соединении ввода и вывода мощности ускоряющей системы. Для этого к ускоряющей секции были присоединены волноводные сгибы, рассчитанные таким образом, чтобы обеспечивать минимальное отражение на частоте 3000 МГц (рис. 1.45). Коэффициент отражения кольца, исключая ускоряющую структуру, равен S11=-53 дБ при радиусе сгиба волновода 34 мм (относительно широкой стенки, находящейся на внутренней поверхности сгиба). Зависимость коэффициента отражения от волноводного сгиба от его радиуса представлена на рисунке 1.46 (а).
Выбором расстояния между волноводным переходом и волноводным сгибом проводилась настойка размеров РБВ таким образом, чтобы на его длине укладывалось целое число длин волн. В результате настройки на длине резонатора бегущей волны укладывается (5) длин волн. Коэффициент отражения от ускоряющей структуры равен S11 ус=0,0091, коэффициент передачи сигнала через ускоряющую структуру, учитывая потери в медных стенках структуры, равен S21 ус=0,979. Коэффициент отражения от фазовращателя равен 0,028, от остальной части кольца РБВ 11ф=0,00207, а затухание сигнала при прохождении волной фазовращателя и кольца находятся на уровне -60 дБ и их можно не учитывать в расчетах.
В качестве направленного ответвителя могут быть применены волноводы, связанные по узкой и широкой стенке с различными вариантами исполнения отверстий связи между ними. Однако на высокие уровни мощности может быть использован только вариант направленного ответвителя со связью между волноводами по узким (магнитным) стенкам. В этой части волновода электрическое поле минимально и поэтому минимизирована возможность образования пробоя. Модель направленного ответвителя представлена на рисунке 1.46 (б).
Каналирование электронов и генерация излучения
Это означает, что поле излучения, которое видит наблюдатель, формируется с задержкой, вызванной конечной групповой скоростью структуры. При условии, что поперечное движение пучка не рассматривается, фактор потерь для каждого вида колебаний структуры может быть получен непосредственно из уравнения (3.9):
Верхний и нижний пределы интегрирования при этом определяются ступенчатой функцией в квадратных скобках (3.9). Элемент 1 / 1 - vгр(z) / v(z) означает, что для большой положительной групповой скорости, коэффициент потерь, а соответственно и потери на излучение и амплитуда наведенного поля, становится выше по сравнению со случаем, когда групповая скорость значительно ниже скорости движения частиц [134]. Сама же мощность излучения для основного вида колебаний, возбуждающегося в структуре, вычисляется по формуле:
Исходя из проведенного анализа полос пропускания для капиллярной структуры, который приведен ниже в разделе 3.2, ширина полосы пропускания для капилляров в 1 ТГц частотной области не превышают единиц процентов от резонансной частоты. Это позволяет рассматривать исключительно основной вид колебаний капиллярных структур для расчета мощности наведенного излучения по формуле (3.11) для случая одиночного импульса и (3.13) для цуга сгустков. Форм фактор пучка для исследований берется равным F = 0,5[130].
Капиллярная замедляющая структура В качестве излучающей (замедляющей) системы генератора ТГц излучения должна использоваться структура, в которой скорость распространения электромагнитной волны ниже, чем скорость движения заряженных частиц. В этом случае пучок начинает излучать на резонансной частоте замедляющей структуры. Поперечные размеры капилляра должны иметь значения, приблизительно равные длине волны генерируемого излучения, поэтому в качестве замедляющей структуры применяется капилляр с миллиметровым или субмиллиметровым радиусом.
Скорость распространения электромагнитной волны в капилляре определяется групповой скоростью и может быть замедлена различными способами. Первый вариант капилляра - использование диэлектрического покрытия стенок. Второй – использование канала, нагруженного диафрагмами или канала с гофрированной поверхностью [135].
Основными параметрами, характеризующими эффективность капилляра как замедляющей системы, являются отношение погонного шунтового сопротивления структуры к добротности r/Q, групповая скорость волны в структуре гр и резонансная частота F. Для определения полосы частот генерируемого излучения служит параметр F, который определяет частотную ширину полосы пропускания капилляра, в которой коэффициент передачи мощности в капилляре снижается на 3 дБ.
Электродинамическая модель замедляющей структуры для капилляра, заполненного диэлектриком, представлена на рисунке 3.1. Здесь: 1 – вакуумное заполнение, 2 – слой диэлектрика, 3 – металлическая оболочка капилляра. В среде моделирования CST Microwave Studio были построены электродинамические модели замедляющих структур, рассчитанные на резонансную частоту 0,95-0,96 ТГц с диэлектрическими покрытиями. Исследовано несколько типов распространенных диэлектрических материалов. Этот диапазон частот выбран как пример, так как в этой полосе частот имеется окно прозрачности для электромагнитного излучения в атмосфере.
Результаты моделирования капиллярной структуры с диэлектрическим покрытием стенок представлены в таблице 3.1. В таблице также представлены значения наведенной мощности ЭМИ и КПД излучателя при использовании пучка электронов с энергией 5 МэВ, импульсном токе 20 А и длительности импульса 10 пс. Как видно из таблицы, при увеличении диэлектрической проницаемости покрытия и его толщины растет отношение r/Q и снижается значение групповой скорости в структуре. Значение добротности структуры также заметно снижается, что видно при сравнении результатов, полученных для фторопластового и тетротитанат бариевого покрытия стенок (снижение добротности более чем в два раза). Снижение групповой скорости при увеличении толщины слоя диэлектрика и его проницаемости обусловлено тем, что распространение электромагнитной волны в невакуумной среде зависит от ее свойств как
Для исследования зависимости электродинамических характеристик канала от его геометрических параметров был рассмотрен первый вариант капилляра, приведенный в таблице 3.1 (радиус канала 300 мкм, толщина фторопластового покрытия 31 мкм). Была исследована зависимость ЭДХ структуры от толщины диэлектрика (параметр a-b). Результаты исследования представлены на рисунке 3.2. Как видно из рисунков, при увеличении толщины покрытия снижаются значения резонансной частоты, отношения r/Q и групповой скорости. При этом добротность снижается до значения толщины покрытия, равного 70 мкм, а затем начинает возрастать, так как уменьшение добротности вследствие повышения потерь мощности в диэлектрике оказывается ниже, чем ее увеличение за счет уменьшения резонансной частоты. Ширина частотной линии ведет себя обратно пропорционально изменению добротности, что полностью соответствует физическому смыслу добротности.
