3.3.3.Ускоряющие структуры с повышенным коэффициентом связи

Повышение электрической прочности структуры может быть достигнуто добавлением скругления между конусом, сопрягающим носик ячейки с диафрагмой, а также скруглением диафрагмы в области пролетной апертуры со стороны ячейки связи (рис.3.14).

Рис. 3.14. Конфигурация носика ускоряющей ячейки

Характерной особенностью структуры является значительное повышение коэффициента связи между ячейками (до 10,3% для основной части структуры, то есть для ячеек с 3 по 19), что обеспечивает снижение требований на точность изготовления структуры. Дисперсионная характеристика настроенного участка структуры с βф=0,999 изображена на рис. 3.15. Здесь же приведена и зависимость для ненастроенной структуры (с разрывом дисперсионной кривой).

Рис. 3.15. Дисперсионная зависимость для ускоряющей структуры с коэффициентом связи 10%

68

Результаты настройки структуры изображены на рис. 3.16.

Регулярная ячейка AC3-AC3

Вторая группирующая ячейка AC3-AC2

Первая группирующая ячейка AC1-AC2 Рис. 3.16. Распределение поля в ячейках структуры

69

3.4. Характеристики ускорителей с регулировкой энергии

3.4.1. Односекционный ускоритель

Следует рассмотреть характеристики ускорителя с перестройкой энергии от 3 до 9 МэВ, состоящего из одной секции из 19 ускоряющих ячеек. Ниже показано, что за счет изменения тока инжекции можно регулировать энергию ускоренных электронов в широких пределах.

На рис. 3.17 приведены зависимости средней энергии от тока пучка и ВЧ мощности от тока пучка, необходимой для получения энергии ускоренных электронов 9 МэВ.

а б Рис.3.17. Режим НЕ при мощности генератора P=2,5МВ: нагрузка пучком (а), регулировка мощности генератора (б)

В табл. 3.10 представлены соответствующие данные при регулировке энергии электронов в диапазоне 8−10 МэВ (режим НЕ) за счет изменения тока инжекции при мощности генератора 2,5 МВт и неизменном коэффициенте связи подводящего волновода с ускоряющей секцией. Здесь приняты такие обозначения: Iвх, Iп – ток на входе ускорителя и на выходе, kз − коэффициент захвата частиц в процесс ускорения, Wреф,Wмакс,Wср− энергия референсная, максимальная и средняя соответственно, Рп, Рстр, P − мощность пучка, рассеянная в стенках структуры и полная соответственно.

70

Таблица 3.10 Нагрузка пучком в режиме HE при мощности генератора P=2.5МВт

Iвх,	kз, %	Iп,	Wреф,	Wмакс,	Wср,	Pп,	Pстр,	P,
А		А	МэВ	МэВ	МэВ	МВт	МВт	МВт
0,410	48,5	0,199	10,257	10,260	8,047	1,620	0,894	2,515
0,306	50,2	0,154	11,057	11,064	9,028	1,403	1,126	2,529
0,220	51,2	0,113	11,798	11,844	10,013	1,140	1,385	2,525

Iп=0,199 А, Wср=8,047 МэВ

Iп=0,113 А, Wср=10,013 МэВ

Рис. 3.18. Результаты расчета по программе PARMELA

71

На рис. 3.18 приведены результаты расчета по программе Parmela [3.3] характеристик ускоренного пучка на входе ускорителя для варианта с током ускоренного пучка 0,154 А. На нем представлены слева направо и сверху вниз соответственно фазовый спектр, профиль пучка в поперечном сечении, фазоэнергетическое распределение частиц и энергетический спектр.

Аналогичные данные при регулировке энергии электронов в диапазоне 3 − 5 МэВ для мощности 2,5 и 1,9 МВт приведены в табл. 3.11. Зависимость средней энергии от тока пучка приведена на рис. 3.19,а, на рис. 3.19,б представлена зависимость величины мощности ВЧ от тока пучка, необходимой для получения энергии ускоренных электронов 4 МэВ.

а б

Рис.3.19. Характеристики ускорителя в режиме LE: нагрузка током пучка при мощности генератора 2,5 и 1,9 МВт (а), регулировка мощности (б)

Таблица 3.11

Характеристики ускорителя с регулировкой энергии

Iвх, А k , % Iп, А Wреф, Wмакс, Wср, Pп, Pстр, P,

з МэВ МэВ МэВ МВт МВт МВт

2,540	21,5	0,547	5,896	6,120	3,573	2,334	0,176	2,510
1,600	33,5	0,536	6,272	6,397	4,030	2,295	0,224	2,519
1,040	40,7	0,423	7,299	7,364	5,018	2,173	0,348	2,520
1,700	30,8	0,523	5,182	5,363	3,059	1,758	0,129	1,887
1,060	38,1	0,404	6,231	6,328	4,017	1,669	0,223	1,892
0,715	41,8	0,299	7,390	7,439	5,048	1,544	0,352	1,896

72

На рис.3.20 приведены результаты расчета по программе Parmela характеристик ускоренного пучка на входе ускорителя для вариантов при мощности ВЧ 2,5 и 1,9 МВт соответственно.

Iп=0,547 А, Wср=3,573 МэВ, P=2,5 МВт

Iп=0,523 А, Wср=3,059МэВ, P= 1,9 МВт Рис.3.20. Результаты расчета характеристик пучка

73

На рис.3.21 приведены зависимости тока и средней энергии пучка на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты ускоряющей секции для значений ВЧ мощности 1,9 и 2,5 МВт. Важными являются также характеристики по выбору энергии инжекции пучка, изображенные на рис.3.22.

а

б

Рис. 3.21. Зависимости тока (а) и средней энергии пучка (б)

на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты секции

а

б

Рис.3.22 Зависимости тока пучка (а) и средней энергии (б) на выходе ускорителя при вариации напряжения инжекции пучка

На рис. 3.23 показаны выходные спектры для основных режимов работы ускорителей.

74

Рис. 3.23. Энергетические спектры на выходе ускорителя

3.4.2. Двухсекционный ускоритель

Ускорительный комплекс AllSecure [3.4] состоит из двух ускоряющих структур – одна из них содержит 11 ускоряющих ячеек, а вторая, как и вышерассмотренная, состоит из 19 ускоряющих ячеек.

Рассмотрим вариационные характеристики структуры из 11 ускоряющих ячеек. Для такой укороченной структуры рассматривались также два режима – режим низкой энергии, LE (3−5 МэВ), как основной, и режим высокой энергии, HE (9 МэВ). Естественно, что на короткой структуре получить 9 МэВ возможно лишь при увеличении мощности ВЧ генератора в сравнении с ранее рассмотренным максимальным ее значением 2,5 МВт.

В табл. 3.12 представлены результаты расчета вариация тока инжекции для регулировки наиболее вероятной энергии ускоренных электронов в диапазоне 3−5 МэВ при неизменной мощности генератора, фиксированном коэффициенте связи с волноводом и условии, что энергия пучка в импульсе будет не менее 10 Дж во всем диапазоне регулировки. Расчетные данные приведены для значений мощности генератора 2,1 и 2,5 МВт. Зависимость средней энергии от тока пучка для двух уровней ВЧ мощности приведена на рис. 3.24.

На рис. 3.25 представлены зависимости величины мощности ВЧ генератора от тока пучка, необходимой для получения средней энергии ускоренных электронов 4 и 9 МэВ соответственно.

75

Таблица 3.12 Нагрузка пучком в режиме LE при регулировке мощности генератора

Iвх, А	kз, %	Iп, А	Wреф,	Wмакс,	Wср,	Pп,	Pстр,	P,
			МэВ	МэВ	МэВ	МВт	МВт	МВт
1,300	45,2	0,588	4,415	4,441	3,015	1,844	0,222	2,066
0,820	49,0	0,402	5,313	5,317	4,023	1,651	0,395	2,046
0,546	51,7	0,282	6,142	6,158	5,027	1,447	0,617	2,064
1,700	39,4	0,670	4,550	4,578	3,044	2,276	0,226	2,502
1,060	48,1	0,510	5,313	5,317	4,040	2,109	0,399	2,507
0,720	51,4	0,370	6,144	6,159	5,034	1,901	0,619	2,519

Рис. 3.24. Нагрузка пучком в режиме LE при мощности генератора 2,1 и 2,5МВт

а б

Рис. 3.25. Регулировка мощности генератора в режиме LE (а)

и в режиме HE (б)

76

На рис. 3.26 приведены зависимости тока и средней энергии пучка на выходе ускорителя при смещении резонансной частоты ускоряющей секции для значений ВЧ мощности 2,1 и 3,4 МВт.

а б Рис. 3.26. Зависимость тока (а) и средней энергии (б) на выходе ускорителя

при смещении резонансной частоты ускоряющей секции

На рис. 3.27 приведены результаты расчета по программе Parmela характеристик ускоренного пучка на входе ускорителя, а на рис. 3.28 характеристики пучка при различной энергии инжекции пучка.

Рис.3.27. Результаты расчета характеристик ускоренного пучка по программе PARMELA

77

а б Рис. 3.28. Зависимость тока пучка (а) и средней энергии (б)

на выходе ускорителя при вариации напряжения инжекции пучка

3.4.3.Расчеты динамики в ускоряющих структурах

синжектором

Инжектор электронов представляет собой двухэлектродную пушку. Чертеж инжектора приведен на рис. 3.29. Основные параметры: напряжение 40 кВ, ток инжекции 0−2 А.

Рис.3.29. Инжектор с первой группирующей ячейкой ускоряющей структуры

В табл. 3.13 приведены основные параметры пучка: положение кроссовера (Lкр) по отношению к поверхности катода и диаметр пучка (dп) в нем. На рис. 3.30 приведены профиль инжектора и первых трех ускоряющих ячеек БУС. Полученные с помощью

78

программы Poisson SuperFish электростатические поля использовались в программе Parmela для моделирования непрерывной эмиссии электронов с катода и динамики формирования сходящегося пучка.

Таблица 3.13

Параметры пучка в кроссовере

Катодная сборка	Dк, мм	Lкр, мм	dп, мм
1	8	44	1
2	10	48	1
3	11,3	52	1

Рис. 3.30. Профиль инжектора и первых ячеек БУС

Пучок в ходе расчета динамики может задаваться эллиптическими параметрами Куранта-Снайдера, формулы для вычисления которых [3.7]:

ε0 = 2 rвх 2 θ							,	(3.7)
			π
β		=	r2
	0				,			(3.8)
			ε0
α0		= −		β θ		.		(3.9)
					r

Здесь r – радиус пучка на входе в ускоряющую структуру, θ – угол сходимости пучка, а ε0, β0, α0 – эллиптические параметры КурантаСнайдера. При радиусе пучка на аноде 0,732 мм, в кроссовере 0,366 мм и положении кроссовера 14 мм получается ε0 = 0,0024, β0= 2,231 и α0= −0,785. Геометрические размеры пучка в ячейке приведены на рис.3.31.

79