Взаимодействие релятивистских электронных пучков с мощными электромагнитными полями квазирегулярных волноводных систем

Вопросам получения и использования СВЧ полей с мощностью в десятки и более гигаватт в последние годы уделяется все возрастающее внимание. Среди проблем, для решения которых требуются столь высокие уровни СВЧ мощности, можно отметить проблему повышения темпа ускорения линейных и циклических ускорителей, увеличение разрешающей способности сепараторов частиц высокой энергии, а также нагрев СВЧ полями плазмы, необходимой для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Существенное увеличение уровня СВЧ мощности стало возможным с разработкой сильноточных ускорителей электронов, генерирующих электронные пучки мощностью в десятки и сотни гигаватт. Использование таких ускорителей в качестве инжекторов традиционных СВЧ генераторов / ЛБВ, магнетроны, клистроны и т. п") позволило достичь уровня СВЧ мощности в несколько гигаватт при длительности импульса в десятки наносекунд [l-З .

Другая возможность достижения высокого уровня СВЧ мощности связана с успехами в исследовании сверхпроводящих материалов, позволяющих создавать высокодобротные накопители СВЧ энергии типа резонаторов стоячей или бегущей волны, в которых циркулирующая мощность может быть усилена на 8 — 9 порядков по сравнению с мощностью питающего генератора 4−6 .

Уникальные свойства сверхпроводящих волноводов и резонаторов открывают широкие возможности их использования в ускорительной технике. В последнее время исследования сверхпроводящих ВЧ систем получили широкую поддержку, поскольку использование обычных ВЧ систем для проектируемых электрон-позитрон-ных накопительных колец высокой энергии потребовало бы чрезмерной мощности, не достигнутой современными источниками.

СВЧ колебаний.

7,8.

Энергетический потенциал, т. е. мощность сильноточного пучка электронов в первом случае, добротность сверхпроводящих резонаторов во втором, позволяют получать СВЧ поля требуемой мощности. Однако, экспериментальные исследования сверхпроводящих волноводных структур на высоком уровне мощности показали, что перенапряжение на поверхности волновода ограничивает уровень СВЧ мощности в результате возникновения высокочастотного поверхностного проооя.

9,10 При исследовании генерации мощных СВЧ электромагнитных полей сильноточными пучками электронов перенапряжение на поверхности структуры также является основным фактором, ограничивающим уровень и длительность СВЧ импульсов. Таким образом, решение проблемы получения и использования СВЧ полей требуемой мощности, прежде всего, связано с понижением перенапряжения на поверхности волновода.

На уровень предельной мощности поля существенно влияет форма структуры. Большая мощность может быть передана по волноводу постоянного поперечного сечения, когда устраняются локальные перенапряжения в волноводе, возникающие при сужении волновода и нагрузке его дисками и штырями. Эффективность энергообмена между СВЧ полем волновода постоянного поперечного сечения и потоком заряженных частиц исследовалась ранее как в ускорителях электронов (авторезонансный ускоритель электронов — АРУ.

11−14 так и в генераторах СВЧ колебаний, а также в.

15−17 П18−21 мазер на циклотронном резонансе — МЦР приборах поперечного типа взаимодействия.

В МЦР и АРУ механизм взаимодействия частиц с СВЧ полем основан на вращательном движении частиц в продольном магнитном поле. Очевидно, что это неприемлемо для ультрарелятивист.

— 5 ских частиц линейных ускорителей. Для МЦР повышение энергии электронов также приводит к проблеме формирования тонкостенных трубчатых пучков со значением питч-фактора, близкого к единице. Следовательно, наряду с требованием повышения «пропускной» способности по мощности, выбор волноводной структуры как для ускорителей, так и для генераторов с сильноточными релятивистскими пучками, должен быть основан на механизме взаимодействия, обеспечивающим эффективный энергообмен при прямолинейном движении частиц.

Взаимодействие потока прямолинейно движущихся электронов с полем бегущей волны Н-типа волновода постоянного прямоугольного сечения происходит в приборах поперечного типа взаимодействия. Однако и в этом случае мощность и диапазон усиливаемых частот ограничены. Причиной является характерное для данных приборов дефокусирующее воздействие магнитной составляющей СВЧ поля, влияние которой наиболее существенно на высоком уровне мощности и при релятивистских скоростях электронов 22 .

Таким образом, для высокомощных СВЧ устройств вожное значение имеет вопрос об устойчивости движения частиц в ускоряющем или усиливаемом электромагнитном поле.

Выполнение перечисленных требований цредставляется возможным при взаимодействии частиц с незамедленными по фазовой скорости электромагнитными волнами Е-типа периодически изогнутого волновода постоянного поперечного сечения.

В результате изгиба волновода прямолинейно движущиеся частицы периодически проходят в различных точках поперечного сечения волновода. Если с учетом «проскальзывания» частиц по фазе волны период структуры подобрать так, что в один полупериод волны частица проходит в области поперечного сечения волновода, где продольная к траектории частиц электрическая.

— б составляющая поля больше, чем в следующий полупериод, то в целом на периоде структуры частицы будут ускоряться или тормозиться в зависимости от фазы инжекции.

В волноводах постоянного поперечного сечения затухание мощности электромагнитной волны на единицу длины волновода на два-три порядка меньше, чем в диафрагмированных структурах. Поэтому цри их использовании в качестве ускоряющих структур целесообразна рекуперация СВЧ поля 23. В этом случае, когда ускоряющая секция является составной частью высокодобротной резонансной системы, возрастают требования к точности и стабильности параметров волноводной структуры и электронного пучка. Уменьшение токовой нагрузки по сравнению с расчетной, рассогласование системы возбуждения, образование обратной волны — может привести к перенапряжению на поверхности резонансной структуры. Поэтому рассмотрение этих вопросов для высокодобротных ускоряющих систем имеет первостепенное значение.

При использовании структуры для генерации СВЧ полей следует учесть, что наряду с устранением локальных перенапряжений выбором формы волноводной структуры, наиболее существенное повышение «пропускной» способности структуры возможно при переходе к устойчивому возбуждению высших типов колебанийЛЬ-этому следует рассмотреть вопрос о возможности выбора параметров волноводной структуры и пучка электронов, обеспечивающих устойчивое возбуждение заданного высшего типа колебаний.

При рассмотрении отмеченных вопросов необходимо оценить влияние трансформации основного типа колебаний в паразитные моды, возникающие при распространении волн по изогнутому волноводу.

Цель работы составляет:

1. Исследование влияния отклонений от оптимальных значений параметров электродинамической структуры и электронного пучка на интенсивность энергообмена и перенапряжения на поверхности высокодобротных резонансных систем.

2. Анализ эффективности ускорения и динамики движения частиц в поле бегущей электромагнитной волны Е-типа периодически изогнутого волновода постоянного поперечного сечения.

3. Определение особенности распространения волн Етипа в периодически изогнутом волноводе постоянного сечения при взаимодействии с электронным пучком.

Научная новизна;

1. Определено влияние расстройки резонатора по частоте потоком ускоряемых частиц и условие отсутствия перенацряжений в резонаторе, возникающих при снятии токовой нагрузки пучком ускоряемых электронов. Проанализировано влияние отклонений от оптимальных значений параметров системы возбуждения на величину темпа ускорения и напряженность поля на поверхности ускоряющего волновода. Предложен способ компенсации обратной волны, не нарушающий электрической прочности резонатора бегущей волны.

2. Показана возможность существенного увеличения темпа ускорения электронов в поле бегущей волны периодически изогнутого волновода постоянного поперечного сечения. Определена область параметров волновода и пучка, при которых обеспечивается одновременно фазовая и радиальная устойчивость частиц в ускоряющем СВЧ поле. На основании полученных данных предложен новый резонансный ускоритель непрерывного потока электронов.

3. Исследовано распространение по равномерно изогнутому волноводу Е — типов волн. Показана возможность стабилизации.

— 8 амплитуды основной волноводной моды при ее доминирующем взаимодействии с электронным пучком. В приближении малых трансформационных флуктуаций амплитуды основной волноводной моды записаны обобщенные параметры ЛБВ с равномерно изогнутой волноводной структурой постоянного поперечного сечения. Из численного решения дисперсионного уравнения определены параметры волноводной структуры и электронного пучка, обеспечивающие доминирующее взаимодействие с основным типом колебаний.

Научная и практическая ценность.

Результаты, приведенные в диссертационной работе, применялись при экспериментальном исследовании накопителей СВЧ.

23 и энергии на высоком уровне мощности в НИИ ЯФ при ТЛИ могут быть использованы:

1. При создании ускорителей электронов с высокодобротными резонансными структурами.

2. При разработке электрофизической аппаратуры и в физических экспериментах, использующих нецрерывные потоки электронов.

3. При исследовании мощных генераторов СВЧ колебаний на основе сильноточных релятивистских пучков электронов.

Краткое содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена исследованию некоторых вопросов согласования высокодобротных ускоряющих систем.

В п. 1.1 проведен анализ влияния комплексной нагрузки пучком ускоряемых частиц на режим работы резонаторов. Определена величина расстройки резонатора по частоте, происходящей при пролете сгустков ускоряемых частиц в некоторой равновесной фазе, и показано ее влияние на величину ускоряющего напряжения. Получены условия оптимального согласования резонатора с волноводным трактом и электронным пучком. Также рассмотрена ускоряющая система без нагрузки пучком, настроенная на максимум ускоряющего напряжения при заданных значениях тока и равновесной фазы. В этом случае показано, что за счет расстройки резонатора не только по величине коэффициента связи, но и по частоте, напряжение, развиваемое в резонаторе, может быть меньше, чем в случае резонатора, нагруженного пучком.

Для обеспечения максимальной эффективности ускорения набег фазы волны на длине резонатора с учетом взаимодействия электромагнитной волны с ускоряемым электронным пучком должен быть кратен 2ST. Практическая реализация этого условия возможна при включении в резонансное кольцо регулируемого фазовращателя либо подстройкой частоты СВЧ генератора. В первом случае очевидно уменьшение электрической прочности резонатора, во втором — уменьшается направленность излучения от-ветвителя и его согласованность с волноводным трактом.

В п. 1.2 рассмотрено влияние системы возбуждения на характеристики резонатора бегущей волны. Показана возможность компенсации обратной волны путем размещения пассивных отражающих элементов в подводящем волноводном тракте.

Во введении ко второй главе диссертации, в которой рассматривается ускорение электронов в квазирегулярных волноводах постоянного поперечного сечения, кратко сформулированы основные требования, предъявляемые к ускоряющим волноводам высокодобротных резонансных систем.

Приведенные в п. 2.1 результаты исследования эффективности.

24 а также ускорения электронов в волноводном синхротроне анализ соотношения ускоряющего напряжения и напряженности поля на поверхности ускоряющей структуры позволяют обосновать целесообразность поиска и исследований сверхпроводящих ускоряющих структур в виде гладких квазирегулярных волноводных структур постоянного поперечного сечения.

— 10.

В п. 2.1 приведены физические основы механизма взаимодействия прямолинейно движущихся электронов с СВЧ полем равномерно изогнутого волновода постоянного поперечного сечения. Оценена эффективность ускорения частиц, опредёлено соотношение напряженности поля на поверхности и напряженности ускоряющего поля. Показано влияние трансформации на изгибе волновода основного типа колебаний в паразитные моды на напряженность поля на поверхности волновода.

Динамика движения частиц подробно исследована в п. 2.2.На основании представления поля основной ускоряющей волноводной моды в виде совокупности пространственных гармоник, рассмотрена возможность обеспечения высокочастотной фокусировки ускоряемого пучка электронов. Определены параметры ускорителя, при которых выполняются одновременно условия устойчивости фазовых и радиальных колебаний ускоряемых частиц.

Ускорение частиц быстрыми волнами, т. е. когда фазовая скорость ускоряющей волноводной моды больше скорости электронов, позволяет перейти к ускорению СВЧ полем непрерывного потока электронов. Описание и основные свойства предложенной конструкции линейного резонансного ускорителя непрерывного потока электронов изложены в п. 2.3 данной главы диссертации.

В третьей главе диссертации рассмотрено распространение и усиление электромагнитных волн в раномерно изогнутом волноводе постоянного сечения. Вопрос об использовании в СВЧ усилителях волноводных структур постоянного сечения неоднократно привлекал к себе внимание.

Во введении к главе проводится краткий обзор СВЧ усилителей с прямолинейной траекторией электронов, выполненных на основе волноводных структур постоянного поперечного сечения. Рассмотрен механизм взаимрдейетвия электронного потока с СВЧ полем. Анализируются достоинства и недостатки ранее известных.

— II приборов. Предлагается конструкция СВЧ усилителя с электродинамической структурой, исследованной в первом разделе диссертации как ускоряющий волновод линейного ускорителя.

В п. 3.1, 3.2 проведено исследование распространения волн Е-типа по равномерно изогнутому волноводу. Определено влияние электронного потока на трансформацию волноводных мод на изгибе волновода. Показано, что при обеспечении условия доминирующего взаимодействия электронного потока с основной усиливаемой волноводной модой, структура поля стабилизируется.

Обобщенные параметры ЛБВ с волноводной структурой постоянного сечения определены в п. 3.3. Результаты численного решения дисперсионного уравнения для Е типа колебаний приведены в приложении к п. 3.3. На основании расчетных данных выбраны параметры волноводной структуры и электронного пучка, соответствующие максимальному электронному КПД.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации, и положения, выносимые на защиту.

Апробация материалов диссертации.

Основные результаты работы, положенные в основу диссертации, докладывались на Всесоюзной конференции по разработке и практическому применению электронных ускорителей (Томск, 1975), У1, УП Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям (Харьков, 1979 г., 1981 г.), У1 Всесоюзном семинаре по колебательным явлениям в электронных потоках (Ленинград, 1979 г.), УШ Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1982), Ш, 1У Всесоюзных семинарах по релятивистской высокочастотной электронике (Горький, 1983 г., Москва, 1984 г.), защищены авторским свидетельством на изобретение [81 и опубликованы в работах.

28−31, 45−46, 51, 61−62, 81, IOl] .

Основные выводы диссертации сводятся к следующему.

1. Для получения максимального коэффициента усиления в высокодобротных ускоряющих резонансных системах при заданном токе и равновесной фазе^, отличной от нуля, необходимо производить подстройку резонатора по частоте на величину Д, определяемую соотношением (I.I.20). При этом при снятии токовой нагрузки резонатор оказывается расстроенным как по величине коэффициента связи, так и по частоте, что устраняет возникновение перенапряжения на поверхности резонатора.

2. Отражения от элементов связи, конечная направленность ответвителя приводят к нарушению режима бегущей волны в резонаторе. Компенсация обратной волны в резонаторе при незначительном уменьшении прямой волны возможна при включении в возбуждающем тракте пассивных элементов с комплексным коэффициентом отражения, определяемым соотношением (1.2.15).

3. Допуская увеличение омических потерь, выбором рабочей частоты в области значений, близких к критической частоте основной волноводной моды, возможно при заданном темпе ускорения существенное уменьшение напряженности поля на поверхности ускоряющей структуры.

4. При ускорении частиц быстрыми волнами выбор равновесной фазы, частоты и амплитуды ускоряющего поля, удовлетворяющих условию (2.2.14), обеспечивает одновременно устойчивость фазовых и радиальных колебаний ускоряемых частиц.

5. Устойчивость движения частиц в ускоряющем СВЧ поле позволяет перейти к резонансному ускорению СВЧ полем непрерывного потока прямолинейно движущихся электронов.

— 118.

6. Факторами, стабилизирующими структуру поля волны, распространяющейся по равномерно изогнутому волноводу, являются выбор рабочей частоты, близкой к критической частоте основной волноводной моды, а также доминирующее взаимодействие электронного пучка с основным типом колебаний.

7. Использование в СВЧ усилителях квазирегулярных волноводных структур постоянного поперечного сечения позволяет устранить локальные перенапряжения на поверхности волновода, ограничивающие мощность прибора в результате возникновения поверхностного высокочастотного пробоя. Пропускная способность по мощности повышается при возбуждении волн Е типа волновода круглого поперечного сечения на частотах, близких к критической.

8. При взаимодействии кольцевых электронных пучков с электромагнитным полем равномерно изогнутого волновода интенсивность взаимодействия с заданным типом колебаний определяется выбором радиусов электронного пучка и спирали центральной линии волновода.

9. Усилитель со структурой постоянного сечения сохраняет свойства широкополосности и не критичен к разбросу параметров электронного пучка.

Положения, выносимые на защиту.

I. Проанализировано влияние отклонений от оптимальных значений параметров системы возбуждения на величину темпа ускорения и напряженность поля на поверхности ускоряющего волновода. Определено влияние расстройки резонатора по частоте потоком ускоряемых частиц и условие отсутствия перенапряжений в резонаторе, возникающих при снятии токовой нагрузки пучком ускоряемых электронов. Предложен способ компенсации обратной волны, не нарушающий электрической прочности резонатора бегущей волны.

— 119.

2. Исследовано взаимодействие электронов с бегущей волной периодически изогнутого волновода постоянного поперечного сечения. Показана возможность существенного увеличения темпа ускорения в ускоряющих системах, выполненных на основе квазирегулярных волноводных структур постоянного поперечного сечения. Определена область параметров волновода и пучка, при которой обеспечивается одновременно фазовая и радиальная устойчивость частиц в ускоряющем СВЧ поле. Предложен новый резонансный ускоритель непрерывного потока электронов.

3. Исследовано распространение по равномерно изогнутому волноводу Е типов волн. Показана возможность стабилизации амплитуды основной волноводной моды при ее доминирующем взаимодействии с электронным пучком. В приближении малых трансформационных флуктуаций амплитуды основной волноводной моды записаны обобщенные параметры ЛБВ с равномерно изогнутой волноводной структурой постоянного поперечного сечения. Из численного решения дисперсионного уравнения определены параметры волноводной структуры и электронного пучка, обеспечивающие доминирующее взаимодействие с основным типом колебаний.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарить профессора Андрея Николаевича ДЦЦЕНКО за постановку проблемы и общее руководство работойГеннадия Петровича ФОМЕНКО за руководство и постоянную поддержку, а также сотрудников 44 и 41 лабораторий НИИ ядерной физики при ТПИ за обсуждение материалов диссертации и полезные советы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.