Содержание к диссертации
Введение 4
1 Обзор ускоряющих структур, разработанных в НИИЯФ
МГУ 8
Технологический ускоритель электронов на энергию 10 МэВ ..8
Двухсторонний разрезной микротрон непрерывного действия на энергию 1.5 ГэВ 11
Компактный разрезной микротрон на энергию 35 МэВ 13
Лазерный микроускоритель 15
Разрезной микротрон на энергию 70 МэВ 18
2 Трехмерный расчет ускоряющих структур с
внутренними ячейками связи 22
Принцип работы временного и частотного модулей MAFIA... 23
Оптимизация геометрии регулярной части 27
Оптимизация геометрии нерегулярной части .....34
Оптимизация геометрии концевой ячейки 41
Расчет узла ввода мощности 43
3 Трехмерные расчеты динамики пучка в ускоряющих
структурах.... 49
Динамика пучка в СВЧ пушке 54
Динамика пучка в нерегулярной части мощного технологического ускорителя 63
4 Высокочастотная квадрупольная фокусировка пучка в
ускоряющих структурах 69
4.1 Расчет оптики пучка в протяженной периодической
ускоряющей структуре с использованием высокочастотной
квадрупольнои фокусировки. 69
Расчет фокусирующих свойств отдельного ускоряющего зазора....70
Оптика пучка в периодической структуре ..77
4.2 Расчет высокочастотной квадрупольнои фокусировки
пучка в ускоряю ще-фокусирующей призматической
бипериодической УС 87
5 Паразитные эффекты в ускоряющих структурах 98
5.1 Кильватерные поля и их влияние на ограничение заряда
сгустка 98
Введение в концепцию кильватерных потенциалов 98
Продольные кильватерные поля 102
Поперечные кильватерные поля 107
5.2 Возникновение вторично-электронного резонансного
разряда 111
Загрузка геометрии и электромагнитных полей из MAFIA 113
Трехмерное моделирование движения электрона в электромагнитном поле 115
Анализ возможности возникновения ВЭРР 120
Заключение 126
Список литературы 128
Введение к работе
Ускорители электронов находят все более широкое применение в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, в медицине, промышленности и экологии. В зависимости от области применения имеют место следующие тенденции развития электронных ускорителей: увеличение ускоряющего градиента, увеличение заряда сгустков, снижение эффектов паразитных полей, уменьшение продольного и поперечного эмиттанса, увеличение коэффициента заполнения рабочего цикла, увеличение эффективности ускорения, увеличение средней мощности пучка. Неотъемлемой составной частью большинства современных ускорительных установок являются высокочастотные ускоряющие структуры. Выбор параметров и оптимизация ускоряющих структур играет важную роль в реализации указанных выше тенденций, что и определяет актуальность темы настоящей диссертации.
В НИИЯФ МГУ совместно с другими организациями, начиная с 1999г,
ведутся работы по созданию ряда ускорителей электронов. В частности,
разработан проект технологического ускорителя электронов на энергию 10
МэВ и мощность пучка 50 кВт [1]. В основе ускорителя лежит
бипериодическая ускоряющая структура со стоячей волной, рассчитанная на
ускорение значительного импульсного тока пучка при низкой скважности. В
Институте ядерной физики Университета г. Майнц (Германия) производятся
работы по наладке и пуску двухстороннего разрезного микротрона
непрерывного действия на энергию 1.5 ГэВ и средний ток пучка 100 мкА [2].
Ускорение пучка обеспечивается бипериодической ускоряющей структурой с
внутренними ячейками связи, разработка и конструирование которой было
осуществлено в НИИЯФ МГУ. Создан ускоритель электронов с большой
яркостью пучка на энергию до 35 МэВ, реализованный по схеме разрезного
микротрона с инжектором на основе СВЧ пушки, ускоритель может работать
как в односгустковом, так и в многосгустковом режимах [3,4]. Разработан
разрезной микротрон на энергию 70 МэВ, в основе которого лежит призматическая бипериодическая ускоряющая структура с высокочастотной квадрупольной фокусировкой [5-14] и поворотные магниты на основе редкоземельного магнитного материала [15-32] . Ведутся работы по созданию лазерного микроускорителя на основе открытого резонатора на длине волны 10.6 мкм [33-43].
При разработке этих ускорителей, либо при их пуске, возникала необходимость в выполнении расчетов электродинамических характеристик и оптических свойств ускоряющих структур.
Основной целью диссертационной работы являлось выполнение расчетов электродинамических характеристик и оптических свойств ускоряющих структур в широком диапазоне длин волн для проектов ускорителей электронов, реализуемых в НИИЯФ МГУ и других организациях.
В качестве инструмента численных расчетов был выбран пакет программ электродинамического моделирования MAFIA, предназначенный для вычисления электромагнитных полей путем численного решения уравнений Максвелла на трехмерной сетке [44-48].
Автор выносит на защиту следующие основные положения: ; 1. Методику и результаты трехмерной оптимизации электродинамических характеристик ускоряющих структур с внутренними ячейками связи для двухстороннего микротрона непрерывного действия на энергию 1.5 ГэВ и мощного технологического ускорителя на энергию 10 МэВ. 1. Результаты расчетов трехмерной динамики пучка в ускоряющих структурах, в том числе результаты исследования дрейфа энергии сгустков СВЧ пушки ускорителя электронов с большой яркостью пучка при работе в многосгустковом режиме и результаты расчета обратной бомбардировки катода мощного технологического ускорителя. 3. Методику и результаты трехмерных расчетов оптики пучка в ускоряющих структурах с высокочастотной квадрупольной фокусировкой, включая результаты расчета оптики лазерного ускорителя
на открытом резонаторе и оптики ускоряющей структуры импульсного разрезного микротрона.
Методику и результаты расчета эффектов продольных и поперечных кильватерных полей лазерного ускорителя на открытом резонаторе, полученные оценки предельного заряда ускоряемых сгустков.
Методику, программу и результаты трехмерного расчета вторично-электронного резонансного разряда, в том числе результаты оценок вероятности разряда для ускоряющей структуры двухстороннего микротрона непрерывного действия на энергию 1.5 ГэВ.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты были использованы при разработке ускоряющих структур для ряда проектов ускорителей электронов, при проведении испытательных и пусковых работ на ускорителях электронов созданных в НИИЯФ МГУ и других организациях. Методики и программы расчета, созданные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке новых проектов ускорителей электронов различного назначения.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе содержится краткое описание ускорителей электронов, при разработке которых, либо при их пуске были использованы результаты, полученные в данной диссертации.
Вторая глава посвящена трехмерным расчетам ускоряющих структур с внутренними ячейками связи. Обычно в структуре линейного ускорителя электронов можно выделить четыре характерные части, к каждой из которых требуется отдельный подход при расчетах: регулярная часть, нерегулярная часть, концевая ячейка и узел ввода мощности. В главе рассматривается методика расчетов по оптимизации геометрии данных частей. Приводятся результаты расчетов реальных узлов ускоряющих структур.
В третьей главе содержится методика трехмерного моделирования динамики пучка в ускоряющих структурах с учетом сил пространственного заряда и электромагнитного поля, генерируемого пучком. Приводятся
результаты расчетов динамики пучка в СВЧ пушке при работе в многосгустковом режиме, а также исследования проблемы обратной бомбардировки катода мощного технологического ускорителя
В четвертой главе рассматривается методика расчета высокочастотной квадрупольной фокусировки пучка в ускоряющих структурах. Приводятся результаты расчета оптики пучка в лазерном микроускорителе на энергию электронов от 10 МэВ до 50 ГэВ, а также описываются расчеты высокочастотной квадрупольной фокусировки пучка в ускоряюще-фокусирующей призматической бипериодической ускоряющей структуре (ПБУС) разрезного микротрона на энергию 70 МэВ.
Пятая глава посвящена анализу паразитных эффектов возникающих в ускоряющих структурах и их влияния на работу ускорителя. Первый раздел главы посвящен анализу кильватерных полей на примере структуры лазерного микроускорителя с длиной волны 10 мкм. Дается оценка влияния кильваерных полей на максимально допустимый заряд сгустка. Вторая часть главы посвящена изучению явления вторично-электронного резонансного разряда. Приводится описание разработанной программы по расчету вероятности возникновения разряда и результаты ее применения.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Все результаты, представленные в диссертации, получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Научная достоверность результатов работы подтверждается хорошим соответствием измеренных характеристик расчетным данным.
Работа выполнена в Отделе электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцина Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова в период с 2000 по 2005 год.
