|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E, МВ/м |
|
|
|
|
E, МВ/м |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zz,смсм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z, см |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
z, см |
|
а |
б |
|
|
|||
|
|
|
||||
|
|
|
||||
Рис. 4.13. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (верхние кривые – номинальное, нижние кривые – реальное):
мощность 6МВт (а), энергия 2×3,2 МВт (б)
Исходя из этих данных, можно сделать выводы о том, что наиболее оптимальной для ускорителя на энергию 20 МэВ является схема с питанием от клистрона с мощностью 6 МВт, так как она более короткая и имеет больший КПД.
4.2. Расчет комбинированного ускорителя
Объединить достоинства ускорителя на стоячей и бегущих волнах возможно, используя комбинированную ускоряющую структуру [4.9], где в качестве группирователя используется бипериодическая ускоряющая структура, а затем сгруппированный сгусток попадает в регулярную секцию с бегущей волной. В этом случае длина ускорителя будет короче, чем у работающего на бегущей волне, а также нет необходимости в использовании фокусирующего соленоида и циркулятора.
4.2.1. Расчет группирователя на стоячей волне
В качестве исходного варианта геометрии группирователя были взяты результаты из [4.9], где был использован группирователь, состоящий из трех ячеек с фазовой скоростью в первой, второй, третьей и последующих ячейках соответственно 0.67, 0.42, 0.78. Инжектируемый пучок имеет величину импульсного тока 200 мА и энергию 50 кэВ.
101
Расчеты динамики проводились с помощью программы Parmela. Для создания исходных файлов для Parmela с конфигурациями электрического поля использовалась программа SuperFish [4.10]. С помощью этой программы также проводилась предварительная настройка ускоряющих ячеек на рабочую частоту
5712 МГц.
На начальном этапе были рассчитаны ячейки группирователя и секции с фазовой скоростью, равной скорости света (рис. 4.14), по программе Superfish.
1 ячейка 2 ячейка 3 ячейка Рис. 4.14. Профили ячеек, рассчитанные с помощью программы SuperFish
Результаты расчета собственной добротности, эффективного шунтового сопротивления и пролетного времени приведены в табл.4.13. Здесь же указаны и основные размеры ячеек (без щелей связи).
|
|
ЭДХ ячеек, рассчитанных по программе SuperFish |
Таблица 4.13 |
||||||
|
|
|
|
||||||
Nяч |
βф |
D, мм |
g, |
t, |
rb, мм |
Q |
T |
rш.эф, |
|
мм |
мм |
МОм/м, |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0,67 |
16,58 |
10,58 |
2 |
2,00 |
8015 |
0,706 |
56,81 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
0,42 |
11,02 |
3,02 |
2 |
2,00 |
4116 |
0,945 |
35,68 |
|
3 |
0,78 |
20,47 |
10,47 |
2 |
2,00 |
9006 |
0,832 |
84,31 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
102
На рис. 4.15 – 4.17 приведены результаты расчета динамики после первой, второй, третьей ячеек группирователя. Каждый расчет представлен в виде четырех картинок. В верхней части слева направо указаны фазовый спектр и поперечное сечение пучка. Внизу слева направо приведены фазо-энергетические и энергетические спектры. При расчетах предполагалось, что от импульсной мощности клистрона 4,5 МВт в группирователь идет 220 кВт так, чтобы напряженности поля в ячейках были равны соответственно 6,33; 21,55 и 25,3 МВ/м.
Рис. 4.15. Характеристики пучка после первой ячейки
Рис. 4.16. Характеристики пучка после второй ячейки
103
Рис. 4.17. Характеристики пучка после третьей ячейки
Параметры пучка на выходе группирователя представлены в таблице 4.14. Здесь ε, α, β – параметры Твисса [4.11].
Таблица 4.14
Параметры пучка после прохождения группирователя
Параметр |
Значение |
Энергия, МэВ |
0,629 |
Ширина энергетического спектра, % |
9,1 |
Средняя фаза, град |
26 |
Фазовая протяженность сгустка, град |
14 |
Ток частиц, мА |
141 |
Коэффициент захвата, % |
70,5 |
ε, см*рад |
5,2*10-4 |
α |
-0,85 |
β, см/рад |
3,19 |
Выходные параметры пучка, приведенные в табл. 4.14, были использованы в качестве исходных в программе Hellweg2D. Распределение частиц такого пучка в фазовой плоскости представлено на рис. 4.18.
dx, мрад
x, мм
Рис. 4.18. Распределение частиц пучка в фазовой плоскости после прохождения группирователя
104
4.2.2. Расчет ускорителя на основе КДВ
В первую очередь рассматривался вариант комбинированного ускорителя с КДВ, работающим на виде 2π/3, в качестве ускоряющей структуры. Были рассчитаны ускорители для четырех энергий (5, 10, 15 и 20 МэВ), как со структурами с постоянным импедансом, так и с постоянным градиентом. Для ускорителя на энергию 20 МэВ рассмотрена система от двух генераторов. Ниже приведены полученные результаты расчетов. В процессе расчетов рассматривались ячейки с различным значением радиуса отверстия в диафрагме. ЭДХ таких ячеек приведены в табл.4.15.
Таблица 4.15 Параметры ускоряющих ячеек, используемых для расчета динамики
Параметр |
|
Значение |
|
a/λ |
0,08 |
0,1 |
0,12 |
kcв, % |
0,596 |
1,31 |
2,44 |
rш, MОм/м |
102,4 |
88,9 |
77,4 |
Q0 |
10090 |
10045 |
10070 |
βгр,% |
0,52 |
1,2 |
2,2 |
α, 1/м |
1,14 |
0,508 |
0,272 |
E λ P , Ом1/2 |
802 |
499 |
340,5 |
0 |
|
|
|
rш/Q0, Ом/м |
10150 |
8854 |
7690 |
kп |
1,81 |
1,97 |
2,14 |
Здесь использованы следующие обозначения: а – радиус отверстия в диафрагме, kcв – коэффициент связи, rш – погонное шунтовое сопротивление, Q0 – собственная добротность ячейки, βгр – относительная групповая скорость, α- коэффициент
затухания, |
E0λ |
P |
– |
нормированная |
|
напряженность |
|
электрического |
поля |
в |
ячейке, |
kп |
– |
коэффициент |
|
перенапряженности. |
|
|
|
|
|
||
Для структуры с постоянным импедансом и значений a/λ, указанных в табл. 4.15, была рассчитана динамика частиц в ускорителе с выходной энергией 10, 15, 20 МэВ. Результаты представлены в табл.4.16 – 4.18.
105
Таблица 4.16 Результаты расчета динамики электронов в ускорителе на основе КДВ
с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ
Параметр |
|
Значение |
|
a/λ |
0,08 |
0,1 |
0,12 |
Количество ячеек / длина ускорителя, |
22 / 38,45 |
36 / 62,9 |
56 / 97,87 |
см |
|
|
|
Напряженность поля в первой / в |
31,5/ 18,5 |
19,7 / 11,4 |
13,4 / 8,4 |
последней ячейке, МВ/м |
|
|
|
Максимальная напряженность поля на |
57 |
38,8 |
28,5 |
диафрагме, МВ/м |
|
|
|
Средняя / максимальная энергия, МэВ |
10,0 / 10,22 |
10,0 / 10,3 |
9,99 / 10,9 |
Ускоренный ток, мА |
98 |
92,5 |
94,6 |
Коэффициент захвата, % (полный) |
69,1 |
64,9 |
60,6 |
Энергетический спектр, % |
1,86 |
2,27 |
10,69 |
Фазовая протяженность, град |
11,75 |
13,27 |
15,57 |
Радиус пучка, мм |
3,8 |
7,94 |
9,95 |
Мощность пучка / в нагрузку, МВт |
0,98 / 1,48 |
0,93 / 1,43 |
0,95 / 1,68 |
Таблица 4.17 Результаты расчета динамики электронов в ускорителе на основе КДВ
с постоянным импедансом и выходной энергией 15 МэВ
Параметр |
|
Значение |
|
a/λ |
0,08 |
0,1 |
0,12 |
Количество ячеек / длина |
45 / 78,6 |
71 / 124,1 |
100 / 174,7 |
ускорителя, см |
|
|
|
Напряженность поля в первой / в |
31,5 / 8,5 |
19,7 / 6,0 |
13,7 / 3,1 |
последней ячейке, МВ/м |
|
|
|
Максимальная напряженность поля |
57 |
38,8 |
28,5 |
на диафрагме, МВ/м |
|
|
|
Средняя / максимальная энергия, |
15,0 / 15,2 |
15,0 / 15,4 |
15,0 / 16,8 |
МэВ |
|
|
|
Ускоренный ток, мА |
97,7 |
79,6 |
59,3 |
Коэффициент захвата, % (полный) |
57,8 |
54,5 |
54,28 |
Энергетический спектр, % |
1,45 |
2,9 |
12,65 |
Фазовая протяженность, град |
12,1 |
14,2 |
16,25 |
Радиус пучка, мм |
7,43 |
10,64 |
11,61 |
Мощность пучка / в нагрузку, МВт |
1,46 / 0,29 |
1,2 / 0,4 |
0,89 / 0,95 |
106
Таблица 4.18 Результаты расчета динамики электронов в ускорителе на основе КДВ
с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ
Параметр |
|
Значение |
|
a/λ |
0,08 |
0,1 |
0,12 |
Количествоячеек/ длинаускорителя, см |
90 / 157,3 |
120 / 209,7 |
150 / 262,2 |
Напряженность поля в первой / в |
31,1 / 1,3 |
19,7 / 3,0 |
13,7 / 4,9 |
последней ячейке, МВ/м |
|
|
|
Максимальная напряженность поля на |
57 |
38,8 |
28,5 |
диафрагме, МВ/м |
|
|
|
Средняя / максимальная энергия, МэВ |
20,0 / 20,26 |
20,0/ 20,57 |
20,0/ 22,69 |
Ускоренный ток, мА |
51,8 |
41,8 |
33,0 |
Коэффициент захвата, % (полный) |
44,4 |
44,4 |
48,0 |
Энергетический спектр, % |
1,21 |
3,47 |
12,55 |
Фазовая протяженность, град |
11,45 |
12,98 |
15,91 |
Радиус пучка, мм |
8,81 |
11,03 |
12,68 |
Мощность пучка / в нагрузку, МВт |
1,03 / 0,01 |
0,83 / 0,1 |
0,66 / 0,56 |
С точки зрения динамики КДВ с a/λ=0,08 дает наилучшие результаты, эта структура имеет высокую чувствительность групповой скорости к изменениям частоты. КДВ с a/λ=0,1 обладает меньшей частотной чувствительностью и обеспечивает необходимую энергию пучка, поэтому является приемлемым.
Для ускорителей на энергии 10 и 20 МэВ, соответствующие дуальному режиму, рассчитаны нагрузочные характеристики, (табл. 4.19, 4.20 и рис. 4.19, 4.20).
Таблица 4.19 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
||
a/λ |
|
|
|
0,1 |
|
|
|
Ускоренный ток, мА |
92,5 |
200 |
301 |
|
375 |
464 |
499 |
Средняя энергия, МэВ |
10,0 |
9,01 |
8,01 |
|
7,02 |
6,00 |
5,02 |
Максимальная энергия, МэВ |
10,22 |
9,27 |
8,30 |
|
7,28 |
6,26 |
5,26 |
Коэффициент захвата, % |
64,9 |
61,3 |
58,5 |
|
52,9 |
50,8 |
44,4 |
(полный) |
|
|
|
|
|
|
|
Энергетический спектр, % |
2,27 |
2,23 |
3,15 |
|
3,23 |
4,44 |
4,70 |
Фазовая протяженность, град |
13,27 |
12,34 |
13,24 |
|
13,53 |
13,61 |
13,97 |
Радиус пучка, мм |
5,94 |
6,22 |
9,18 |
|
10,7 |
10,35 |
10,14 |
Мощность пучка, МВт |
0,93 |
1,79 |
2,42 |
|
2,64 |
2,78 |
2,51 |
Мощность в нагрузку, МВт |
1,43 |
0,81 |
0,38 |
|
0,14 |
0,06 |
0,14 |
107
Таблица 4.20 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
||
a/λ |
|
|
|
0,1 |
|
|
|
Ускоренный ток, мА |
41,8 |
50,3 |
58,3 |
|
65,8 |
75,1 |
82,5 |
Средняя энергия, МэВ |
20,0 |
19,02 |
18,00 |
|
17,02 |
16,00 |
15,00 |
Максимальная энергия, МэВ |
20,57 |
19,54 |
18,55 |
|
17,72 |
16,6 |
15,67 |
Коэффициент захвата, % |
44,4 |
42,3 |
40,9 |
|
39,5 |
38,8 |
37,4 |
(полный) |
|
|
|
|
|
|
|
Энергетический спектр, % |
3,47 |
3,48 |
3,64 |
|
4,3 |
4,04 |
3,8 |
Фазовая протяженность, град |
12,98 |
14,5 |
15,29 |
|
13,57 |
11,78 |
10,84 |
Радиус пучка, мм |
11,03 |
10,57 |
10,59 |
|
10,85 |
10,72 |
10,81 |
Мощность пучка, МВт |
0,83 |
0,95 |
1,05 |
|
1,12 |
1,2 |
1,24 |
Мощность в нагрузку, МВт |
0,1 |
0,06 |
0,04 |
|
0,02 |
0,01 |
0,01 |
а |
б |
в
Рис. 4.19. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка
108
а |
б |
в
Рис. 4.20. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка
Для ускорителей на энергию 10 и 20 МэВ были рассчитаны характеристики от уровня входной мощности. Результаты представлены в табл. 4.21, 4.22 и на рис. 4.21, 4.22.
Таблица 4.21 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 10 МэВ
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
a/λ |
|
|
0,1 |
|
|
Входная мощность, МВт |
4,0 |
4,25 |
4,5 |
4,75 |
5,0 |
Средняя энергия, МэВ |
9,35 |
9,69 |
10,0 |
10,63 |
10,93 |
Максимальная энергия, МэВ |
9,63 |
10,0 |
10,22 |
10,88 |
11,17 |
Ускоренный ток, мА |
90,1 |
92,4 |
92,5 |
92,7 |
93,1 |
Коэффициент захвата, % |
63,4 |
64,2 |
64,9 |
65,4 |
65,7 |
(полный) |
|
|
2,27 |
|
|
Энергетический спектр, % |
2,99 |
2,62 |
1,78 |
1,65 |
|
Фазовая протяженность, град |
13,43 |
12,54 |
13,27 |
11,38 |
10,88 |
Радиус пучка, мм |
6,98 |
6,04 |
5,94 |
6,29 |
7,53 |
Мощность пучка, МВт |
0,84 |
0,9 |
0,93 |
0,99 |
1,02 |
Мощность в нагрузку, МВт |
1,24 |
1,34 |
1,43 |
1,63 |
1,73 |
109
Таблица 4.22 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным импедансом и выходной энергией 20 МэВ
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
a/λ |
|
|
0,1 |
|
|
Входная мощность, МВт |
4,0 |
4,25 |
4,5 |
4,75 |
5,0 |
Средняя энергия, МэВ |
18,47 |
19,22 |
20,0 |
20,72 |
21,45 |
Максимальная энергия, МэВ |
19,16 |
19,84 |
20,57 |
21,22 |
21,87 |
Ускоренный ток, мА |
41,1 |
41,5 |
41,8 |
42,5 |
42,6 |
Коэффициент захвата, % |
43,7 |
44,3 |
44,4 |
45,1 |
45,2 |
(полный) |
|
|
3,47 |
|
|
Энергетический спектр, % |
4,69 |
3,85 |
2,77 |
1,92 |
|
Фазовая протяженность, град |
13,87 |
12,62 |
12,98 |
12,54 |
13,18 |
Радиус пучка, мм |
10,82 |
10,63 |
11,03 |
10,89 |
10,77 |
Мощность пучка, МВт |
0,76 |
0,81 |
0,83 |
0,88 |
0,91 |
Мощность в нагрузку, МВт |
0,08 |
0,09 |
0,1 |
0,11 |
0,12 |
а |
б |
в
Рис. 4.21. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности
110
а |
б |
в
Рис. 4.22. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности
Структура с постоянным градиентом обладает преимуществом по сравнению со структурой с постоянным импедансом, ее длина существенно меньше, она имеет лучшие параметры с точки зрения динамики пучка. Однако ускоряющая структура с постоянным градиентом сложнее в настройке и обладает большей чувствительностью к изменению частоты питающего генератора. Групповая скорость и зависящий от нее коэффициент затухания очень чувствительны к радиусу апертуры, поэтому их зависимость должна записываться в явном виде. В это же время, добротность и шунтовое сопротивление несильно зависят от радиуса отверстия в диафрагме, поэтому будут считаться постоянными.
Для случаев энергий 10 и 20 МэВ были разработаны ускоряющие структуры с постоянным градиентом на основе КДВ для комбинированного ускорителя. Оба ускорителя предназначены для работы в дуальном режиме. Результаты расчетов динамки в этих ускорителях приведены в табл. 4.23.
111
|
|
Таблица 4.23 |
|
Результаты расчета динамики электронов в ускорителях |
|||
с постоянным градиентом |
|
|
|
Параметр |
Значение |
|
|
Средняя / максимальная энергия, МэВ |
10,03 / 10,27 |
20,00 / 22,26 |
|
a/λ в первой / последней ячейке |
0,105 / 0,083 |
0,128 / 0,062 |
|
Количество ячеек / Длина ускорителя, см |
28 / 48,9 |
99 / 173,1 |
|
Максимальная напряженность поля в |
19,3 / 38,6 |
12,7 / 28,6 |
|
структуре / на диафрагме, МВ/м |
|
|
|
|
|
|
|
Ускоренный ток, мА |
91,5 |
24,66 |
|
Коэффициент захвата, % (полный) |
64,1 |
38,7 |
|
Энергетический спектр, % |
1,99 |
14,4 |
|
|
|
|
|
Фазовая протяженность, град |
13,16 |
17,05 |
|
|
|
|
|
Радиус пучка, мм |
5,39 |
6,4 |
|
|
|
|
|
Мощность пучка / в нагрузке, МВт |
0,92 / 1,41 |
0,49 / 0,26 |
|
|
|
|
|
Для ЛУЭ длиной 1,7 м на энергию 20 МэВ значение a/λ =0,062 является неприемлемым из соображений дисперсности структуры. Для этого случая необходимо рассмотреть альтернативные схемы питания. Графики зависимостей реальной и номинальной напряженностей поля в этих структурах представлены на рис. 4.23.
E, МВ/м
z, см |
|
z, см |
|
|
|
а |
б |
|
Рис. 4.23. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (верхние кривые – номинальное, нижние кривые – реальное): энергия 10 МэВ (а), энергия 20 МэВ (б)
112
Структура с постоянным градиентом короче, чем с постоянным импедансом, и имеет сравнительно лучшие характеристики в случае ускорителя на энергию 10 МэВ. В случае энергии 20 МэВ невозможно иметь структуру с начальным радиусом отверстия a/λ=0,105, поэтому по выходным параметрам, за исключением длины, этот ускоритель проигрывает структуре с постоянным импедансом с a/λ=0,10 (см. табл. 4.24, 4.25 и рис. 4.24, 4.25).
Таблица 4.24 Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ
|
Параметр |
|
|
|
|
Значение |
|
|
|
|
||||
|
Ускоренный ток, мА |
91,5 |
|
206 |
|
305 |
|
393 |
|
461 |
|
517 |
|
|
|
Средняя энергия, МэВ |
10,03 |
|
9,01 |
|
8,03 |
|
7,02 |
|
6,00 |
|
5,02 |
|
|
|
Максимальная энергия, МэВ |
10,27 |
|
9,22 |
|
8,26 |
|
7,28 |
|
6,22 |
|
5,21 |
|
|
|
Коэффициент захвата, % |
64,1 |
|
62,2 |
|
60,1 |
|
57,2 |
|
50,7 |
|
46,4 |
|
|
|
(полный) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергетический спектр, % |
1,99 |
|
2,32 |
|
2,5 |
|
2,77 |
|
3,18 |
|
3,72 |
|
|
|
Фазовая протяженность, град |
13,16 |
|
13,27 |
|
13,52 |
|
12,30 |
|
11,47 |
|
11,03 |
|
|
|
Радиус пучка, мм |
5,39 |
|
6,54 |
|
7,68 |
|
7,99 |
|
8,41 |
|
8,62 |
|
|
|
Мощность пучка, МВт |
0,92 |
|
1,85 |
|
2,45 |
|
2,78 |
|
2,76 |
|
2,57 |
|
|
|
Мощность в нагрузку, МВт |
1,41 |
|
0,76 |
|
0,35 |
|
0,12 |
|
0,04 |
|
0,12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.25 |
|||
|
Нагрузочные характеристики ускорителя на основе КДВ |
|
|
|||||||||||
|
с постоянным градиентом и выходной энергией 20 МэВ |
|
|
|||||||||||
|
Параметр |
|
|
|
|
|
Значение |
|
|
|
|
|||
|
Ускоренный ток, мА |
|
24,7 |
|
32,7 |
|
40,2 |
|
46,5 |
|
53,6 |
|
62 |
|
|
Средняя энергия, МэВ |
|
20,0 |
|
19,0 |
|
18,00 |
|
17,02 |
|
16,00 |
|
15,00 |
|
|
Максимальная энергия, |
|
22,26 |
|
21,42 |
|
20,44 |
|
19,54 |
|
18,54 |
|
17,54 |
|
|
МэВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент захвата, % |
|
38,7 |
|
36,6 |
|
35,3 |
|
32,4 |
|
31,7 |
|
31,0 |
|
|
(полный) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергетический спектр, % |
|
14,4 |
|
14,9 |
|
15,5 |
|
15,8 |
|
17,4 |
|
20,1 |
|
|
Фазовая протяженность, |
|
17,05 |
|
17,8 |
|
17,4 |
|
17,5 |
|
17,8 |
|
18,0 |
|
|
град |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Радиус пучка, мм |
|
6,4 |
|
6,3 |
|
6,5 |
|
6,5 |
|
6,5 |
|
6,5 |
|
|
Мощность пучка, МВт |
|
0,49 |
|
0,62 |
|
0,72 |
|
0,79 |
|
0,86 |
|
0,93 |
|
|
Мощность в нагрузку, МВт |
|
0,26 |
|
0,21 |
|
0,17 |
|
0,14 |
|
0,11 |
|
0,10 |
|
113
а |
б |
в
Рис. 4.24. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка
а |
б |
в
Рис. 4.25. Нагрузочные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от тока пучка
114
Для ускорителей на энергию 10 и 20 МэВ были рассчитаны зависимости их характеристик от уровня входной мощности. Результаты представлены в табл. 4.26, 4.27 и на рис. 4.26, 4.27.
Таблица 4.26 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
Входная мощность, МВт |
4,0 |
4,25 |
4,5 |
4,75 |
5,0 |
Средняя энергия, МэВ |
9,38 |
9,71 |
10,03 |
10,34 |
10,65 |
Максимальная энергия, МэВ |
9,63 |
9,98 |
10,27 |
10,56 |
10,85 |
Ускоренный ток, мА |
90,4 |
91,2 |
91,5 |
93,4 |
94,1 |
Коэффициент захвата, % |
63,4 |
64,5 |
64,9 |
65,5 |
66,3 |
(полный) |
|
|
1,99 |
|
|
Энергетический спектр, % |
2,39 |
2,1 |
1,68 |
1,58 |
|
Фазовая протяженность, град |
13,26 |
13,3 |
13,36 |
13,42 |
13,58 |
Радиус пучка, мм |
5,51 |
5,50 |
5,39 |
5,81 |
5,7 |
Мощность пучка, МВт |
0,84 |
0,89 |
0,92 |
0,97 |
1,00 |
Мощность в нагрузку, МВт |
1,22 |
1,31 |
1,41 |
1,51 |
1,6 |
Таблица 4.27 Мощностные характеристики ускорителя на основе КДВ с постоянным градиентом и выходной энергией 20 МэВ
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
Входная мощность, МВт |
4,0 |
4,25 |
4,5 |
4,75 |
5,0 |
Средняя энергия, МэВ |
18,0 |
19,04 |
20,0 |
20,9 |
21,9 |
Максимальная энергия, МэВ |
20,55 |
21,63 |
22,26 |
23,49 |
24,0 |
Ускоренный ток, мА |
23,67 |
24,5 |
24,7 |
24,8 |
25,0 |
Коэффициент захвата, % |
36,7 |
38,1 |
38,7 |
38,8 |
38,9 |
(полный) |
|
|
14,4 |
|
|
Энергетический спектр, % |
17,9 |
15,63 |
12,0 |
11,3 |
|
Фазовая протяженность, град |
18,4 |
17,86 |
17,05 |
16,1 |
16,0 |
Радиус пучка, мм |
6,1 |
6,45 |
6,4 |
6,41 |
6,43 |
Мощность пучка, МВт |
0,43 |
0,47 |
0,49 |
0,52 |
0,55 |
Мощность в нагрузку, МВт |
0,24 |
0,25 |
0,26 |
0,28 |
0,30 |
115
а |
б |
в
Рис. 4.26. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности
а |
б |
в
Рис. 4.27. Мощностные характеристики ускорителя на энергию 20 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от мощности
116
Для ускорителя на энергию 10 МэВ были рассчитаны зависимости выходных характеристик пучка от частоты генератора. Для этого отдельно были рассчитаны частотные характеристики группирователя на стоячей волне (табл.4.28). Результаты расчета динамики частиц в ускорителе приведены в табл.4.29 и на рис.4.28.
Таблица 4.28
Частотные характеристики группирователя
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
Частота генератора, МГц |
5710 |
5711 |
5712 |
5713 |
5714 |
Энергия, МэВ |
0,629 |
0,629 |
0,629 |
0,630 |
0,630 |
Ширина энергетического |
9,1 |
9,1 |
9,1 |
9,1 |
9,1 |
спектра, % |
|
|
|
|
|
Средняя фаза, град |
26 |
26 |
26 |
27 |
27 |
Фазовая протяженность |
14 |
14 |
14 |
14 |
14 |
сгустка, град |
|
|
|
|
|
Ток частиц, мА |
141 |
141 |
141 |
140 |
140 |
Коэффициент захвата, % |
70,5 |
70,5 |
70,5 |
70 |
70 |
ε, см*рад*104 |
6,6 |
5,5 |
5,2 |
5,2 |
7,8 |
α |
-0,81 |
-0,91 |
-0,85 |
-0,92 |
-0,81 |
β, см/рад |
2,71 |
3,32 |
3,19 |
3,34 |
2,44 |
|
|
|
|
Таблица 4.29 |
|
Частотные характеристики ускорителя на основе КДВ |
|
||||
с постоянным градиентом и выходной энергией 10 МэВ |
|
||||
Параметр |
|
|
Значение |
|
|
Частота генератора, МГц |
5710 |
5711 |
5712 |
5713 |
5714 |
Средняя энергия, МэВ |
10,06 |
10,04 |
10,0 |
10,04 |
10,05 |
Максимальная энергия, МэВ |
10,27 |
10,3 |
10,27 |
10,26 |
10,28 |
Ускоренный ток, мА |
87 |
91,3 |
91,5 |
91,3 |
86,8 |
Коэффициент захвата, % |
61,3 |
64,5 |
64,9 |
64,5 |
60,2 |
(полный) |
|
|
1,99 |
|
|
Энергетический спектр, % |
1,81 |
1,88 |
2,066 |
2,18 |
|
Фазовая протяженность, град |
13,1 |
13,33 |
13,36 |
12,36 |
11,7 |
Радиус пучка, мм |
6,1 |
5,62 |
5,39 |
6,1 |
6,54 |
Мощность пучка, МВт |
0,88 |
0,92 |
0,92 |
0,93 |
0,87 |
Мощность в нагрузку, МВт |
1,42 |
1,41 |
1,41 |
1,41 |
1,42 |
117
а) |
б) |
в)
Рис. 4.28. Частотные характеристики ускорителя на энергию 10 МэВ: зависимости энергии (а), коэффициента захвата (б), энергетического спектра (в) от частоты
Из приведенных данных можно видеть, что при небольшой расстройке входного сигнала по частоте и мощности выходные параметры пучка остаются в приемлемых пределах.
a |
б |
в г Рис. 4.29. Основные параметры пучка на выходе ускорителя на энергию 10 МэВ
118
а |
б |
в
Рис. 4.30. Параметры пучка ускорителя на энергию 10 МэВ
Поскольку схема с постоянным градиентом является оптимальным вариантом в случае ускорителя на 10 МэВ, то для этого случая подробно рассмотрены параметры пучка на выходе ускорителя. На рис.4.29 приведены: зависимости энергии (а), фазы (б) частиц по длине ускорителя, продольный (в) и поперечный (г) эмиттансы. На рис. 4.30 показаны фазовый (а) и энергетический (б) спектры на выходе ускорителя, а также зависимость радиального положения частиц по длине ускорителя (в).
Ускорение пучка до энергии 20 МэВ при использовании генератора мощностью 4,5 МВт затруднительно. Для этого случая рассмотрены альтернативные схемы питания, а именно питание от клистрона с мощностью 6 МВт и двухсекционный ускоритель с раздельным питанием от клистронов с мощностью по 3,2 МВт каждый. В обоих случаях рассматриваются структуры с постоянным градиентом. Результаты расчета этих ускорителей приведены в табл. 4.30.
Графики зависимостей напряженностей поля в структурах без нагрузки и с учетом нагрузки пучком представлены на рис.4.31.
119
|
|
|
Таблица 4.30 |
Результаты расчета динамики электронов в ускорителях |
|||
с альтернативной схемой питания |
|
|
|
Параметр |
|
Значение |
|
Средняя / максимальная энергия, МэВ |
20,02 / 21,1 |
|
20, 0 / 21,1 |
a/λ в первой / последней ячейке |
0,126 / 0,082 |
|
0,105 / 0,080 |
Количество ячеек / Длина ускорителя, см |
76 / 132,8 |
|
72 / 125,8 |
Максимальная напряженность поля в |
15,3 / 34,5 |
|
16,1 / 32,2 |
структуре / на диафрагме, МВ/м |
|
|
|
|
|
|
|
Ускоренный ток, мА |
45,5 |
|
45,8 |
|
|
|
|
Коэффициент захвата, % (полный) |
52,8 |
|
52,8 |
|
|
|
|
Энергетический спектр, % |
7,26 |
|
6,7 |
|
|
|
|
Фазовая протяженность, град |
14,7 |
|
14,1 |
|
|
|
|
Радиус пучка, мм |
7,57 |
|
7,41 |
|
|
|
|
Входная мощность, МВт |
6,0 |
|
2×3,2 |
|
|
|
|
Мощность пучка / в нагрузку, МВт |
0,91 / 0,82 |
|
0,92 / 0,86 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E, МВ/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E, МВ/м |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z, см |
z, бсм |
а |
Рис. 4.31. Распределение амплитуды напряженности электрического поля вдоль структуры (нижние кривые – реальное, верхние кривые–номинальное): а – 6 МВт,
б – 2×3,2 МВт
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что для ускорителя на энергию 20 МэВ оптимальной является двухсекционная схема с раздельным питанием, так как такой ускоритель будет более компактным, а энергетический спектр выходного пучка более узким.
120