Введение к работе
Актуальность проблемы. Достижение физических пределов при использовании традициошшх методов ускорения пучков заряженных частиц вызвало в последние годы целый ряд работ по исследованию новых методов ускорения, использующих либо энергию лазерного излучения (обращенный лазер на свободных электронах, ускорение на поверхностных волнах, лазерное ускорение в плазме), либо энергию сгустка заряженных частиц.
Из последних наибольший интерес представляет кильватерный метод ускорения, заключающийся в том, что в ускоряющей структуре, возбуадаемой низкоэнергетическим генераторным (ведущим) сгустком с большим зарядом ускоряется основной (ведомый) высокоэнергетический сгусток малого заряда. Для ускорения может быть использована либо волноведущая структура (вакуумированная, с диэлектрическим или ферромагнитным заполнением), либо сплошная среда (плазма).
Наиболее перспективным методом представляется кильватерное ускорение в цилиндрическом волноводе с диэлектрическим заполнением. Такая схема выгодно отличается от вышеперечисленных относительно малыми поперечными полями, простотой реализации и возможностью обеспечения эффективного ускорешія на протяжённых участках траектории. Физической основой метода служит возбуждение ведущим сгустком излучения Вавилова-Черенкова -в волноводе и его использование для ускорения ведомого сгустка.
Экспериментально возможность кильватерного ускорения на эффекте Вавилова-Черенкова показана в 1988 г. в США, в Аргонной Национальной Лаборатории (АНЛ) II], где выявлен ряд преимуществ данного метода по сравнению с описанными выше. В настоящее время в АНЛ реализуется программа создания следующего поколения экспериментального черепковского ускорителя на энергии ведомого сгустка вплоть до ГэВ и заряда ведущего до 100 нКл 121.
При увеличении заряда генераторного сгустка, что необходимо для обеспечения высоких ускоряющих полей, реализация схемы ускорения затрудняется тем, что собственное поле сгустка начиняет влиять на распределение заряда внутри
'- 2 -него, что приводит к'поперечному и (или) продольному развалу сгустка (beam break-up) и, как следствие, огракичвниі аффективной длины ускорения. Поэтому анализ процессов взаимовлияния зарядовой плотности сгустков и генерируемых ими полей является актуальным.
Самосогласованный анализ динамики сгустков позволяет предсказать их деформацию по мере транспорта в ускорителе, а также вычислить разброс энергий частиц сгустка на выходе системы. Актуальность этой проблемы очевидна прежде всего для экспериментальных ускорителей [21, где сгустки энергии '20+150) МэВ генерируют поля до (40+50) МВ/м, и динамические эффекты проявятся на (10~1+1) м эффективной длины ускорения. В комплексе поставленных проблем вопрос прежде не рассматривался и проблема взаимодействия сгустков с собственным полем, как правило, не учитывается. Следует также отметить существенное влияние на эффективность ускорения формы сгустка, чему в настоящей работе также уделяется значительное внимание.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является самосогласованный анализ динамики формы, размеров и энергетического разброса электронных сгустков под влиянием собственных полей в системах ' с излучение^ Вавилова-Черонкова, а также расчЗты динамики сгустков для экспериментального черенковского ускорителя на кильватерные волнах Аргонной Национальной лаборатории США.
Задачи работы.
1. Построение самосогласованного аналитического решения
задачи оо излучении заряженного сгустка в регулярной
волноведущей структуре с диэлектриком.
-
Анализ влияния формы сгустков на эффективность кильватерного ускорения. Расчбт ускоряющих полей, потерь энергии и коэффициента трансформации в приближении жёсткого сгустка как начальных условии для последующего расчета динамики.
-
Разработка алгоритма и программы моделирования самосогласованной динамики сгустков различной форми в ускорителях на кильватерном поле.
-
Анализ продольной одномерной динамики сгустка, ускоряющих полей и коэффициента трансформации для
-з симметричного и асимметричного распределения заряда в экспериментальном черенковском ускорителе АНЛ США.
5. Исследование двумерной (продольно-радиальной) динамики формы сгустков, ускоряющих полей и энергетического разброса для последовательности гауссовых сгустков заряда 100 нКл и энергией 150 МэВ.
Научная новизна результатов, получанных в диссертационной работе, состоит в том, что впервые
в приближении малых изменений скорости на длине формироваїшя в самосогласованной постановке решена задача об излучении заряженного сгустка в регулярной волноведущей системе;
в - приближении жёсткого сгустка рассчитаны поля излучения и потери энергии сгустка с симметричным гауссовым распределением плотности заряда;
исследована зависимость коэффициента трансформации двух гауссовых сгустков от соотношения продольных размеров и длины волны излучения. Найдены условия оптимального кильватерного ускорения сгустками различной формы;
- предложена волноведущая система, обеспечивающая
увеличение коэффициента трансформации за счбт
пространственного разноса траекторий генераторного и
ускоряемого сгустков;
исследована самосогласованная продольная динамчка симметричного и асимметричного сгустков в экспериментальном черенковском кильватерном ускорителе Аргонной Национальной лаборатории США;
исследована самосогласованная двумерная динамика гауссовых сгустков в ускорителе АНЛ США; рассчитана средня» энергия и энергетический разброс сгустков в зависимости от длины ускорителя.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что в ней рассчитана динамика сгустков в действующем экспериментальном черенковском ускорителе на кильватерных волнах АНЛ США. Вычислены эффективная длина ускорения, коэффициент трансформации и энергетический разброс сгустков, указаны оптимальные параметры для ускорения, что является необходимым этапом для последующей экспорименгальной работы.
Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при самосогласованном расчбте черенковских генераторов и других микроволновых устройств, использующих эффект Вавилова-Черепкова.
Достоверность основных результатов и выводов обусловлена тем, что теоретические расчбты полностью согласуются с экспериментальными данными [1];. при численных расчбтах методом макрочастиц осуществлялся контроль сходимости в зависимости от числа частиц и шага по времени; при расчбте продольной дішамики уравнения движения интегрировались в конечном виде, что исключало накопление вычислительных ошибок; осуществлялся контроль средней энергии и потерь сгустка путбм сравнения с результатами, полученными аналитически в приближении жбсткого сгустка.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Задача о возбуждении регулярной диэлектрической волноведущей структуры заряженным сгустком может быть решена в самосогласованной постановке (с учбтом силы реакции собственного поля излучения Вавилова-Черенкова) в приближении малых изменений скорости сгустка на длине формирования излучения. ' Граница применимости метода определяется наличием у волновода частоты отсечки и выракается аналитически через параметры структуры и заряд сгустка.
-
Коэффициент трансформации для генераторного и ускоряемого сгустков симметричной гауссовой формы может быть получен аналитически на основании' строгого энергетического определения. Коэффициент трансформации имеет максимум и может для сгустков с разным стандартным отклонением превышать 2 в случае, когда заряд ускоряющего сгустка больше, чем ускоряемого.
3. Для одного и того же диапазона частот асимметричный
треугольный генераторный сгусток обеспечивает больший
коэффициент трансформации и. более высокое ускоряющее полз по
сршшони» с симметричнум гауссовым.
4. Взаимодействие сгустка с собственным продольным
полем приводит к ограничению эффективной длины ускорения,
что выражается в сильном искажении генерируемых потей.
раззресу частиц по анергиям, потере формы и развалу сгустка;
- Й-при этом асимметричный треугольный сгусток обладает значительно оольшей стабильностью и энергетической однородностью по сравнению с симметричным гауссовим.
5. Анализ двумерной (продольно-радиальной) динамики сгустков в черепковском ускорителе указывают на более жЭсткие ограничения на длину эффективного ускорения со сторони поперечных дефокусирующих полой. Двумерный расчбт позволяет предсказать как поперечное отклонение сгустка, так и его энергетический разброс на выходе из ускорителя.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
Втором всесоюзном совещании по новым методам ускорения, заряжешшх частиц (Нор-Амберд, Армения, 10-14 октября 1989г.);
международной конференции по ускорителям высокой энергии НЕАСС'92 (г. Гамбург, ФРГ, 20-24 июля 1992 г.);
международном рабочем совещании по линейным коллайдерам (г. Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 27-30 июля
1992 г.);
международном семинаре по ускорителям ACCELSEM'92 (г.Харьков, 3-7 октября 1992 г.);
международной конференции по сохранению эмиттанса в линейных коллайдерах (г. Тсукубо, Япония, 19-23 апреля
1993 г.)
Публикации. Результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы-в 2 статьях, 2 тезисах конференций и 1 депонированной рукописи.
Объбм работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов с выводами и заключения; списка литературы, включающего 62 наименования. Основная часть работы изложена на 87 страницах машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок.
