Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных направлений развития физики высокоих энергий в настоящее время являются коллайдеры с линейными электрон-позитронными пучками на сверхвысокие энергии. Главными элементами таких установок являются два линейных ускорителя (электронный и поэитронный) с предельно высоким темпом ускорения ( до 50 * 100 Нэв/м ). Сооружение ускорителей такого класса невозможно без разработки и создания надежного высокоэффективного ВЧ-генератора с импульсной мощностью 100 + 300 МВт ( при длительности импульса ~ 1 мксек ) в диапазоне длин волн 2 + 4 см. Как «дин из перспективных вариантов такого генератора в ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН предложен, разработан и находится в стадии запуска 7 ГГц импульсный магникон - генератор с круговой разверткой пучка. Проектная эффективность данного генератора ~ 50 + 60 Я при мощности электронного пучка 100 МВт.
Отличительной чертой магникона является то, что величина ведущего магнитного поля в нем жестко задана рабочей частотой генератора и энергией электронов пучка. В то же время существенным фактором, определяющим К. П. Д. генератора, является конечный поперечный размер пучка. Вследствие компромисса между повышением энергии электронов и увеличением тока пучка в 7 ГГц магниконе рабочее напряжение было выбрано равным и = 430 кВ, а ток пучка I = 230 А. Вриллюэновский размер такого пучка в- ведущем магнитном поле величиной 4. В кГс около 2 мм. Для получения же К. П. Д. прибора более 50 '/., как показывают расчеты динамики электронов в ВЧ-полях, диаметр пучка не должен превышать 3 мм, то есть средняя плотность тока в пучке должна быть не менее 3. 2 кА/см .
За основу системы формирования пучка в магниконе был выбран имевшийся в наличии в ИЯФ оксидный катод диаметром 120 мм. С одной стороны, запас по эмиссии, обеспечиваемый таким катодом, позволяет в будущем разработать прибор с мощностью в пучке 300+350 МВт. С другой стороны, чтобы сформировать пучок требуе-мого размера, электронно-оптическая система магникона должна обеспечить компрессию пучка по площади не менее, чем в 1500 раз. Причем, поскольку требуемый размер пучка близок к бриллюэновско-му, электронный поток при сжатии должен оставаться ламинарным и быть согласован с ведущим магнитным полем.
Таким образом, одной из ключевых при создании высокоэффек-
тивного 7 ГГц магникона является проблема разработки электронно-оптической системы для формирования сверхплотного 100 МВт пучка С размером, предельно близким к бриллюэновскому.
Решение данной проблемы особенно затрудняет отсутствие аналогичных систем с близкими параметрами. Поэтому прежде всего необходимо было выработать общую концепцию электронно-оптической системы магникона, наиболее простую и надежную в реализации. Основным элементом такой системы была выбрана диодная пушка с микропервеансом О. 83 и с предельно высокой электростатической компрессией пучка по площади (не менее 1000). Кроме того, что в кроссовере такой пушки пучок должен быть предельно близок к .ламинарному и иметь однородное распределение плотности тока, пушка должна также иметь высокое рабочее напряжение (до 450 кВ). Решение данных вопросов потребовало разработки новой общей концепции диодной пушки с высокой компрессией пучка и повышенной электрической прочностью.
В ходе разработки электронно-оптической системы магникона потребовалось также решить вопросы согласования пучка, сформированного пушкой, с ведущим магнитным полем, особенно остро при этом встала проблема экранировки катода пушки от рассеянных магнитных полей.
Основным при решении указанных выше задач являлся метод численного моделирования. При этом, вследствие высоких требований к пучку в магниконе и необходимости перебора большого количества вариантов, особенно высокие требования предъявлялись к точности и быстродействию расчетов. Поэтому получить результаты с требуемой точностью оказалось возможным только посл,е значительного развития существовавших численных методов исследования электронно-оптических систем для формирования интенсивных реля-тивистких пучков заряженных частиц. Кроме того, в настоящее время наиболее удобными и доступными для решения подобных задач стали мини-ЭВН, позволяющие использовать интерактивный режим ввода/вывода информации и машинную графику. Таким образом, разработка электронно-оптической системы 7 ГГЦ магникона потребовала существенного развития численных методов и создания эффективных программ расчета электронно-оптических систем на мини-ЭВМ.
Целью работы является:
1. Разработка концепции, численное исследование и оптимизация электронно-оптической системы 7 ГГц импульсного магникона.
2. Развитие численных методов и создание на их основе эффективных программ для расчета на мини-ЭВМ электронных пушек с высокой компрессией, высоковольтных вводов с изоляторами, магнитных фокусирующих систем, а также программ для расчета динамики интенсивных релятивистких пучков заряженных частиц в длинных электронно-оптических каналах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена конфигурация электродов диодной пушки с высокой электростатической компрессией пучка (свыше 1500) и повышенной электрической прочностью.
-
Исследованы факторы, которые могут привести к ухудшению параметров пушки, а также чувствительность основных физических параметров пушки к вариации геометрии электродов. , .
-
Предложены схема согласования сформированного такой пушкой пучка с однородным ведущим магнитным полем и эффективный метод экранировки катода пушки от рассеянных магнитных полей.
4. Развиты численные методы расчета электростатических и
магнитостатических систем, в том числе электронных пушек с высо
кой компрессией.
Практическая ценность. На основании расчетов выбрана и оптимизирована геометрия электродов диодной пушки для 7 ГГц магникона, на выходе которой 100 МВт электронный пучок имеет диаметр не более 4 мм. Результаты расчетов положены в основу конструкторской разработки.
Разработана магнитная система 7 ГГц магникона, обеспечивающая согласованный ввод и транспортировку 100 МВт электронного пучка, максимальный диаметр которого близок к Ериллюэновскому и не превышает 3 мм.
Разработана численная программа SAM для расчета на мини-ЭВМ широкого класса плоских и аксиально-симметричных электронно-оптических систем.
Разработана численная программа BEAM для анализа на мини-ЭВМ динамики интенсивных релятивистких пучков заряженных частиц в длинных электронно-оптических каналах.
Свою проверку вновь созданные программы прошли при исследовании и оптимизации электронно-оптических систем целого ряда физических установок, разработанных в ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН. В частности, с их помощью проведены численное исследование и оптимизация параметров пучка в источнике электронов 915 МГц
импульсного магникона. Также разработан и оптимизирован инжекци-онный узел линейного ускорителя - форинжектора электронов накопительного комплекса "Сибирь-2".
В настоящее время созданные программы успешно используются в ИЯФ ик. Г.И. Будкера СО РАН при разработке самых различных физических установок.
Апробация работы и публикации. Положенные в основу диссертации результаты докладывались на научных семинарах ИЯФ СО РАН, докладывались на XIII Международной конференции по ускорителям (Новосибирск, 1986 г. ), на VIII Международной конференции по пучкам BEAMS'90 (Новосибирск, 1990 г. ), на Европейской ускорительной конференции ЕРАС-90 (Ницца, 1990 г. ), на Американской ускорительной конференции (Сан-Франциско, 1991 г. ), на 10-м Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 1987 г. ), на 9-м (Ташкент, 1988 г. ) и 10-м (Львов, 1990 г. ) Всесоюзных семинарах по методам расчета электронно -оптических систем , на 11-м Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1989 г. ), а также опубликованы в журналах, сборниках и в виде препринтов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Включает в себя 147 страниц текста, 62 рисунка и 15 таблиц. Список литературы состоит из 47 наименований.
Основные результаты, представленные к защите:
1. Разработка концепции и численное исследование диодной
пушки, позволяющей сочетать высокую электростатическую компрес
сию пучка с повышенной электрической прочностью.
-
Разработка концепции, численное исследование и оптимизация электронно-оптической системы для формирования 100 МВт пучка 7 ГГц импульсного магникона.
-
Развитие методики и создание эффективных программ для расчета широкого класса электростатических и магнитостатических систем, в том числе:
а) высоковольтных вводов с изоляторами;
б) магнитных фокусирующих систем (без учета эффекта насыще
ния ферромагнетиков);
в) электронных пушек с высокой компрессией пучка.
Разработка алгоритмов и создание программ расчета динамики
интенсивных релятивистких пучков заряженных частиц в длинных
электронно-оптических каналах, включающих следующие элементы:
а) трубки дрейфа (в том числе коллекторные системы);
б) ускорительные трубки;
в) магнитные фокусирующие линзы и магнитные системы сопро
вождения.
4. Оптимизация параметров диодной пушки и численное исследование динамики пучка в источнике электронов 915 МГц импульсного магникона. Разработка и оптимизация инжекционного узла линейного ускорителя - форинжектора накопительного комплекса "Сибирь-2".