Повышение эффективности кильватерного ускорения заряженных частиц в волноведущей структуре с диэлектрическим заполнением

В настоящей работе рассмотрены, главным образом, задачи генерации электромагнитного излучения короткими сильноточными пучками электронов в регулярных волноводных структурах с диэлектрическим (в том числе и многослойным) заполнением. Данная проблематика напрямую связана с развитием новых методов ускорения пучков заряженных частиц, а именно кильватерного метода ускорения, заключающегося в том, что в ускоряющей структуре, возбуждаемой генераторным сильноточным сгустком низких энергий, ускоряется основной (ведомый) сгусток высоких энергий. Реализация схем кильватерного ускорения возможна как в замедляющих периодических структурах, так и в структурах с диэлектрическим заполнением.

Новые методы ускорения находятся на передовом рубеже ускорительной физики, что вызвано достижением физических пределов напряженности полей и допустимых уровней мощности для традиционных схем. К новым методам ускорениям следует отнести, помимо описанных выше кильватерных схем, ускорение в плазме, причем генерация может осуществляться как электронным сгустком, так и лазерным импульсом. Значительный прогресс достигнут и в ускорении заряженных частиц лазерным импульсом в вакууме. Предложен ряд схем по ускорению поверхностными волнами в диэлектрических прямоугольных структурах в инфракрасном диапазоне частот.

Существенный интерес в области новых методов ускорения сосредоточен на кильватерном ускорении в структурах с диэлектрическим заполнением, имеющих ряд преимуществ: это и удаленность максимума ускоряющего поля от поверхностей структуры (в отличие от периодических вакуумированных структур), и относительно малые отклоняющие поля, ограничивающие длину эффективного ускорения. Сложности обработки поверхности и более низкий порог высокочастотного пробоя по сравнению с металлом преодолевается в последние годы в связи с разработкой новых высокодобротных микроволновых керамических и поликристаллических материалов. Экспериментальные работы по разработке подобных структур требуют генерации сверхкоротких (10−30 пс) сильноточных (10−100 нК) электронных сгустков и проводятся в Аргоннской и Брукхэйвенской.

Национальных Лабораториях США, а также в Йельском и Колумбийском университетах.

Разработка нового высокоградиентного (до 100 МВ/м и более) метода ускорения пучков заряженных частиц является, в свою очередь, фундаментальной проблемой физики линейных ускорителей и необходима для реализации ускорительной структуры электрон-позитронного коллайдера. Настоящая работа связана с изучением возможности решения базовой проблемы для создания такой структуры — разработке кильватерного метода ускорения с высоким коэффициентом трансформации энергии от генераторного сильноточного сгустка (или их последовательности) к ускоряемому сгустку высоких энергий. В диссертации рассматривается теоретическое решение этого вопроса для структуры с диэлектрическим заполнением, причем продемонстрированы возможности применения тех же принципов и для плазменных систем. Работа предусматривает сравнение с последними экспериментальными результатами, полученными на ускорителе AWA (Argonne Wakefield Accelerator) Аргоннской Национальной Лаборатории США.

В последние годы отмечено и еще одно важное отличие структур с керамическим заполнением от традиционных, так, обнаружено, что наличие дополнительного слоя диэлектрика с сегнетоэлектрическими свойствами позволяет осуществлять динамическую подстройку частоты такой системы в процессе проведения эксперимента, что кардинально отличает подобные структуры от всех ранее изученных вакуумированных систем. Эффективность кильватерного ускорения существенным образом определяется параметрами ускорителя и генераторных сгустков и полностью зависит от точности позиционирования пучков и допусков при производстве ускоряющей структуры. При этом возможность подстройки частоты ускоряющего поля в реальном времени работы ускорителя частично снимает эти жесткие физические ограничения и компенсирует разброс геометрических параметров ускорительной структуры. Таким образом, теоретические исследования взаимодействия электронных сгустков со сложными многослойными керамическими системами, состоящими из комбинации микроволновой высокодобротной керамики и сегнетоэлектрика, являются актуальной и необходимой задачей для разработки кильватерных схем ускорения на структурах с диэлектрическим заполнением.

Актуальность этих исследований также диктуется тем, что в целом ряде ускорительных центров в настоящее время проводятся эксперименты по демонстрации эффективности кильватерных методов ускорения, а также изучению особенностей ускорительных структур с диэлектрическим заполнением. Так, на ускорителе А\ГА Аргонской Национальной Лаборатории в 2004;2005 проводится экспериментальная демонстрация метода повышения коэффициента трансформации энергии путем линейного профилирования заряда последовательности из 4-х генераторых сгустков, а также демонстрация возможности подстройки частоты структуры с помощью введения дополнительного сегнетоэлектрического слоя в керамическое заполнение ускорительной секции.

Целью диссертационной работы является исследование кильватерного метода ускорения в диэлектрическом волноводе, в том числе и многослойном, включающем в себя как дополнительный вакуумный зазор, так и сегнетоэлектрический слой с возможностью вариации его диэлектрической проницаемости. Другой целью работы является анализ и разработка методов повышения эффективности кильватерного ускорения, основанных на генерации кильватерного поля последовательностью сгустков с профилированной зарядовой плотностью.

Идеи и разработанные технологии кильватерного (или черенковского) ускорения электронов (метода, при котором структура возбуждается коротким (2040 пикосекунд), плотным (до 100 нКл) электронным сгустком низких энергий), являются одними из наиболее перспективных направлений создания высокоградиентных структур современных линейных ускорителей. Основным вопросом при реализации кильватерного ускорения является повышение коэффициента трансформации энергии Я от генераторных сгустков к ускоряемому сгустку, причем Я — это параметр, показывающий эффективность процесса ускорения и определяемый как отношение максимального приращения энергии электронов в ведомом сгустке к максимальной убыли энергии электронов ведущего сгустка.

Одной из целей диссертационной работы является изучение возможности повышение коэффициента преобразования энергии Я при сохранении высоких градиентов ускорения. В данной работе для повышения эффективности кильватерного ускорения рассматривается теоретический анализ задачи генерации ускоряющего поля профилированной последовательностью сгустков. Предполагалось провести исследование процесса излучения Вавилова-Черенкова 20 пикосекундными сильноточными сгустками в структуре с диэлектрическим заполнением, предложить на основе расчетов параметры экспериментального образца керамического волновода из высокодобротной, электропрочной керамики из современных составов, разработанных ранее для диэлектрических резонаторов в диапазоне частот 10−30 ГГц. Предусмотрен расчет параметров диэлектрического волновода как базового элемента ускорительной структуры для последовательности электронных сгустков с треугольным профилем заряда, что должно обеспечить увеличение величины Я практически в 4 раза по отношению к традиционной линейной ускорительной схеме, где Я <2. Для достижения Я = 7⁸ планируется использовать профилированную последовательность из 4-х сгустков, керамическую структуру с диэлектрической проницаемостью материала ~16 и добротностью ~104 при частоте 13 ГТц.

В работе также проведен анализ возможности управления параметрами ускоряющей структуры в процессе эксперимента, что оказывается возможным при использовании дополнительного сегнетокерамического слоя в диэлектрическом заполнении. Для изменения частотного спектра кильватерного поля предлагается использовать в виде внешнего слоя диэлектрического заполнения ускорительной структуры сегнетоэлектрик, изменение диэлектрической проницаемости которого может осуществляться под действием внешнего электрического поля. Это позволяет оперативно обеспечивать оптимальные фазовые соотношения кильватерной схемы ускорения.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:) Проведен анализ дисперсионного уравнения и структуры кильватерного поля, генерируемого короткими (не более 20 пс) сильноточными (до 100 нКл) электронными сгустками в цилиндрическом волноводе с диэлектрическим заполнением, состоящими как из двух произвольных диэлектрических слоев, так и из керамического слоя с вакуумным зазором между заполнением и боковой стенкой. Получены выражения для электродинамических потерь в подобной структуре, причем потери учитывались как в диэлектрическом заполнении, так и в металлической оболочке ускоряющей структуры.) Проведен анализ возможности повышения коэффициента трансформации (передачи) энергии от генераторного сгустка (в том числе и их последовательности) к ускоряемому пучку. Рассмотрен способ увеличения этого параметра за счет использования ускоряющей последовательности гауссовых сгустков, заряды которых линейно профилированы. При этом исследовались однои многомодовый режимы генерации кильватерного поля.) Предложен механизм компенсации отклонения параметров ускорительной структуры от расчетных за счет подбора оптимальных межсгустковых расстояний и значений зарядов последовательности. Разработана программа автоматического процесса компенсации отклонения параметров диэлектрического волновода от расчетных для ускорителя Аргонской Национальной Лаборатории А\^А.) Изучена возможность динамического управления частотой ускоряющего поля в диэлектрическом волноводе за счет изменения диэлектрической проницаемости дополнительного сегнетоэлектрического слоя.) Предложена оригинальная конфигурация электродов для подачи управляющего электростатического поля на сегнетоэлектрик, что позволяет осуществлять одновременно с подстройкой частоты также и подавление аксиально-несимметричных мод, определяющих величину отклоняющего поля.

Практическая значимость полученных результатов. Проведены теоретический анализ и численные расчеты кильватерной схемы ускорения, реализуемой в диэлектрическом волноводе с частотой 7М0у-моды 13.625 ГГц. Изучена структура кильватерного поля, а также рассмотрены способы повышения коэффициента трансформации энергии от ускоряющего сгустка (последовательности сгустков) к ускоряемому. Все расчеты проводились для параметров работающего ускорителя Аргоннской Национальной Лаборатории (США) и были использованы в процессе подготовки проводящегося в настоящее время (2005 г.) комплекса экспериментов, целью которых является демонстрация возможности повышения коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных схемах. Разработанная в процессе подготовки диссертации программа, предназначенная для автоматической коррекции параметров многосгустковой схемы ускорения, внедрена в процесс управления ускорителем и активно используется персоналом лаборатории АНЛ.

Результаты изученного метода повышения коэффициента трансформации энергии могут быть применены не только к структурам с диэлектрическим заполнением, но и к любой коллинеарной схеме кильватерного ускорения, что показано в диссертации на примере генерации плазменных волн в безграничной плазме.

Рассчитаны параметры многослойного диэлектрического заполнения, предложенного для динамического управления спектром кильватерного поля в процессе проведения эксперимента. В настоящее время возможность управления частотным спектром и, следовательно, возможность коррекции, как неоднородности диэлектрической проницаемости, так и искажений геометрических параметров волновода, экспериментально продемонстрирована на примере прямоугольной диэлектрической структуры в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и планируется к экспериментальной демонстрации на ускорителе AWA Аргоннской Национальной Лаборатории весной 2005 г.

Достоверность полученных результатов обусловлена тем, что в процессе теоретического анализа использовался аппарат уравнений Максвелла и хорошо разработанные и апробированные методы построения решений и их анализа. При численных расчетах осуществлялся контроль их сходимости, уравнения движения частиц интегрировались в конечном виде, что исключало накопление вычислительных неточностей. Проверка правильности полученных выражений осуществлялась путем их сведения к известным предельным случаям.

Отдельно следует отметить, что полученные в работе теоретические расчеты полей и частотного спектра структур полностью согласуются с экспериментальными данными, полученными в последние годы на ускорителе AWA.

Положения, выносимые на защиту.

1. Вклад аксиально-несимметричных мод в ускоряющее поле излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого электронным сгустком в волноводе с диэлектрическим заполнением, увеличивается при отклонении сгустка от оси волновода, при этом аксиально-симметричные моды остаются доминирующими. При малых отклонениях пучка от оси волновода (<0.1 см) отклоняющее (поперечное) поле определяется дипольными модами, однако при значительных отклонениях преобладает вклад мод более высоких порядков.

2. Анализ структуры магнитной компоненты излучения генераторного сгустка показывает, что для уменьшения диссипации энергии кильватерного поля целесообразно использовать вакуумную полость между поверхностью диэлектрика и стенкой волновода. Оптимальная величина этой полости для структуры с 8 = 16 и базовой частотой 13.625 ГГц составляет 100 микрометров.

3. Генерация излучения Вавилова-Черенкова последовательностью из 4-х сгустков при одномодовом режиме работы сопровождается увеличением коэффициента трансформации энергии от генераторной последовательности к ускоряемому сгустку, а при реализации многомодового режима происходит также и возрастание ускоряющего градиента.

4. Разброс геометрических размеров и диэлектрической проницаемости волновода может быть скомпенсирован подстройкой расстояний между сгустками генераторной последовательности, что обеспечивает максимальную эффективность кильватерного ускорения.

5. Ведение в ускорительную структуру с диэлектрическим заполнением дополнительного сегнетоэлекгрического слоя с е = 500 позволяет осуществлять подстройку спектра ускоряющего поля, причем корректировка базовой частоты волновода равной 13.625 ГГц осуществляется в пределах 4.9%.

Содержание диссертации.

В первой главе представлен обзор литературных источников связанных с изучением эффекта Вавилова-Черенкова и кильватерного ускорения заряженных частиц на основе волноведущих систем с заполнением. Отражено современное состояние кильватерных методов ускорения. В конце главы приведены цели и задачи диссертационной работы.

Выводы.

В настоящей главе показана возможность управления частотным спектром кильватерного поля, генерируемого электронным сгустком в ускорительной структуре, посредством изменения диэлектрической проницаемости дополнительного тонкого слоя сегнетоэлекгрика, инкорпорированного в диэлектрическое заполнение ускоряющей структуры. Вариация диэлектрической проницаемости сегнетоэлекгрика осуществляется путем изменения амплитуды внешнего электростатического поля, прикладываемого к микроэлекгродам, нанесенным на внешнюю сторону сегнетоэлекгрика. Уменьшение диэлектрической проницаемости сегнетоэлекгрика ведёт к увеличению частоты и амплитуды кильватерного поля в ускорительной структуре. В свою очередь, энергетические потери ведут к ограничению допустимой толщины сегнетоэлекгрического слоя и снижают возможности динамической частотной регулировки ускоряющей моды структуры с диэлектрическим заполнением. Выбор возможной толщины слоя сегнетоэлекгрика осуществляется исходя из диапазона регулировки частоты кильватерного поля и предельной величины потерь, вызванных введением дополнительного сегнетоэлекгрического слоя.

Конфигурация управляющих сегнетоэлектриком электродов в сочетании с дополнительной поглощающей оболочкой позволяют осуществить наряду со спектральным управлением также и подавления отклоняющих (паразитных) мод волновода для предотвращения развития поперечных неустойчивостей сильноточного сгустка и, тем самым, обеспечения стабилизации пучка.

Предложенная технология многослойных перестраиваемых волноводов может также быть также применена в технологии импульсной компрессии СВЧ импульсов для традиционных ускорительных систем, а также распространена на различные аспекты разработки мощных активных высокочастотных перестраиваемых СВЧ систем. Кроме того, указано на возможное направление для будущих исследований: изучение нелинейных эффектов в многослойных структурах, где высокочастотное кильватерное поле, генерируемое электронным сгустком в диэлектрическом волноводе, взаимодействует с сегнетоэлектрическим слоем, управляя самой системой.

Следует отметить, что возможность оперативной подстройки частоты волновода выгодно отличает структуры диэлектрические волноводы от стандартных вакуумных структур и открывает широкие возможности их использования в ускорительных системах, требующих жесткой синхронизации «волна-пучок».

1. Альтмарк, A.M. Особенности кильватерного ускорения в трёхслойном диэлектрическом волноводе/ A.M. Альтмарк // Пятая всероссий. конф. студентов-радиофизиков: тез. докл., г. С. — Петерб., 11−14 дек., 2001.-СПб.:изд-во СПбГУ, 2001, — С.8−10.

2. Альтмарк, А. М. Возбуждение цилиндрических диэлектрических волноводов релятивистским электронным сгустком/ А. М. Альтмарк, А. Д. Канарейкин, И. JT. Шейнман // Известия СПбГЭТУ. Сер. «Математика. Физика. Химия». -СПб.: изд-во СПбГЭТУ, 2001 г.- Вып. 1. С.13−21.

3. Альтмарк, А. М. Управление частотным спектром в кильватерных волноведущих структурах / А. М. Альтмарк, А. Д. Канарейкин, И. Л. Шейнман // Письма ЖТФ.- 2002. Т. 28, Вып. 21. С. 75−81.

4. Альтмарк, А. М. Управляемая кильватерная ускорительная структура с возможностью селекции мод// А. М. Альтмарк, А. Д. Канарейкин, И. Л. Шейнман// Письма ЖТФ.- 2003. Т. 29, Вып. 20. С. 58−63.

5. Альтмарк, A.M. Теоретическиое и экспериментальное исследование высокоградиентного многопучкового метода ускорения заряженных частиц / А. М. Альтмарк, А. Д. Канарейкин, И. Л. Шейнман // Семинар по физике и астрономии по результатам конкурса грантов 2002 года для молодых ученых С.-Петербурга: тез. докл., С.-Петерб., 3 апр., 2003. СПб.: изд-во СПбГТУ, 2003. — С.53−54.

6. Альтмарк, A.M. Управление частотным спектром диэлектрической ускорительной структуры / A.M. Альтмарк, И. Л. Шейнман, А. Д. Канарейкин // Политехнический симпозиум 2004: Материалы семинаров, С.-Пегерб., 25 мая, 2004. СПб.: изд-во СПбГТУ, 2004. С. 38.

7. Альтмарк, А. М. Управляемая кильватерная ускорительная структура с диэлектрическим заполнением / А. М. Альтмарк, А. Д. Канарейкин, И. Л. Шейнман // ЖТФ. — 2005. Т. 75, Вып. 1. С. 89−98.

8. Altmark, A.M. A Tunable Dielectric Wakefield Accelerating Structure (Управляемая Диэлектрическая Ускорительная Структура)/ A.M. Altmark, A.D.Kanareykin, W. Gai, J. Power, I.L. Sheinman // AIP Conference Proceedings.-2002. № 647. P.565−575.

9. Altmark, A. M. Transformer Ratio Enhancement Experiment (Эксперимент По Повышению Коэффициента Трансформации) / A. M. Altmark, A.D. Kanareykin, W. Gai, J. G Power, E.A. Nenasheva // Proceedings of Particle Accelerator Conference, Portland (USA).- 2003. — P. l894−1896.

10. Altmark, A.M. A Double-Layered, Planar Dielectric Loaded Accelerating Structure (Двухслойная ускорительная прямоугольная кильватерная структура) / A.M. Altmark, A.D. Kanareykin, I.L. Sheinman // Proceedings of Particle Accelerator Conference, Portland (USA).- 2003. — P. 1897−1899.

11. Altmark, A.M. A Tunable Dielectric Loaded Accelerating Structure with Built-in Transverse Mode Suppression (Управляемая диэлектрическая структура с возможностью подавления поперечных мод)/ A.M. Altmark, A.D. Kanareykin, I.L.Sheinman // Proceedings of Particle Accelerator Conference, Portland (USA).- 2003. P. 1891−1893.

12. Altmark, A.M. Frequency Spectrum Control In A Dielectric Wakefield Accelerating Waveguide (Управление частотным спектром диэлектрического кильватерного ускорителя)/ A.M.Altmark, LL. Sheinman, A.D. Kanareykin Physic and Control Conference Proceedings, Saint-Petersburg.- 2003; P.207−210.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен электродинамический анализ задачи возбуждения релятивистским электронным сгустком двухслойного цилиндрического диэлектрического волновода с базовой частотой/=13.625ГГц и волновода с вакуумным зазором между диэлектриком и проводящей стенкой. Показано, что для случая ультрарелятивистских скоростей сгустков толщина вакуумного зазора не влияет на амплитуды и частоты аксиально-симметричных мод ускоряющего поля. Отмечено, что величина потерь в металлических стенках при толщине зазора в 100 мкм структуры уменьшается на величину, достаточную для существенного уменьшения коэффициента затухания (таблица 2.3), при сохранении приемлемых значениях групповой скорости 7М01 моды излучения Вавилова-Черенкова в структуре (0.1−0.2с).

2. Разработан алгоритм расчёта параметров последовательности из 4-х сгустков с линейным зарядовым профилем для повышения коэффициента передачи энергии от генераторной последовательности к ускоряемому сгустку при многомодовом режиме ускорения.

3. Для многосгустковой схемы ускорения, построенной по методу профилированной последовательности, разработан алгоритм компенсации рассогласования частотного спектра посредством изменения расстояний между сгустками в ускоряющей последовательности. Исходя из стандартных параметров ускорительной установки и волноведущей структуры, проведены расчеты оптимальных дистанций между сгустками, соответствующих максимальной величине коэффициента трансформации энергии.

4. Проведен электродинамический анализ кильватерного ускорения в плазме. Показано, что кильватерное ускорение профилированной последовательностью сгустков (10, 30, 50, 70 нКл) применимо также и к процессу генерации плазменных волн, при этом достигаются значительные ускоряющие градиенты (до 570 МВ/м) при коэффициенте трансформации энергии 7.1.

5. Проведен анализ дисперсионного уравнения и получено выражение для кильватерного поля в волноводе с диэлектрическим заполнением и с дополнительным сегнетоэлектрическим слоем. Показана возможность управления частотным спектром кильватерного поля, генерируемого электронным сгустком в ускорительной структуре (/=13.625 ГТц) посредством изменения диэлектрической проницаемости тонкого сегнетоэлектрического слоя от 400 до 600. При этом частота TMq моды изменяется в пределах 4.9%, что является достаточным для цели компенсации девиации спектра, определяемой заданными допусками на геометрические размеры и диэлектрическую проницаемость волновода. Вариация диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика осуществляется изменением амплитуды внешнего электрического поля (от 0 до 2.4 МВ/м), приложенного к микроэлектродам, нанесенным на внешнюю сторону управляющего слоя.

6. Проведен электродинамический анализ управляемой кильватерной структуры, для которой предложена конфигурация управляющих сегнетоэлектриком электродов, ориентированных вдоль оси волновода и расположенных на внешней стороне сегнетоэлектрического слоя. Данная конфигурация в сочетании с дополнительной поглощающей оболочкой (феррит) позволяет добиться наряду со спектральным управлением также и подавления отклоняющих аксиально-несимметричных мод волновода для поперечной стабилизации пучка. Получено и проанализировано выражение для отклоняющего поля для данной ускорительной структуры.

7. С целью экспериментальной проверки возможности управления исследованы дисперсионные характеристики прямоугольного резонатора, нагруженного диэлектрическим и сегнетоэлектрическим слоями. Изменение диэлектрической проницаемости сегнетоэлекгрической пленки от 450 до 550 частота LSM0-й моды изменяется от 10.05 ГТц до 9.952 ГТц.