Динамика электронного пучка в инжекторе лазерного ускорителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Горохов, Алексей Михайлович

• Горохов, Алексей Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Горохов, Алексей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ.

Взаимодействие заряда со свободной волной.

Классификация лазерных ускорителей.

Лазерное ускорение в вакууме.

Лазерное ускорение в дальней зоне.

Ускорение в ближней зоне.

Плазменные ускорители.

Ускорение кильватерной волной, созданной заряженным сгусткомдрайвером (PWFA).

Ускорение в плазме, возбужденной лазерным импульсом.

Вывод.

ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНЫЙ МИКРОУСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ.

Описание микроускорителя.

Принцип действия микроускорителя.

Особенности ускорения частиц в диапазоне длин волн лазерного излучения.

Величина поперечного эмиттанса пучка для лазерного ускорителя.

Длина сгустка для лазерного ускорителя.

Заряд сгустка и средний ток пучка.

Эффект пространственного заряда.

Роль кильватерных полей.

Квантовый эффект, возникающий при формировании сгустков.

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА.

Электронная пушка с термокатодом.

Методика расчета электронной пушки.

Схема электронной пушки.

Оценка напряженности поля на поверхности катода.

Параметры электронной пушки.

Расчет параметров пучка электронов.

Электронная пушка на основе автокатода.

Схема электронной пушки на основе автокатода.

Методика расчета электрического поля в электронной пушке.

Метод расчета движения электронов в электронной пушке.

Параметры пучка на выходе электронной пушки.

Сравнение параметров двух рассчитанных электронных пушек.

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ГРУППИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Полигармонический группирователь для лазерного ускорителя.

Механизм группирования.

Численное моделирование процесса группирования.

Формирование полигармонического поля.

Выводы.

ГЛАВА 5. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА.

Расчет ускоряющей структуры.

Динамика сгустка электронов в ускоряющей структуре.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика электронного пучка в инжекторе лазерного ускорителя»

Актуальность работы. Увеличение энергии электронного пучка за пределы порядка 1 ТэВ, необходимое для дальнейшего прогресса физики высоких энергий, возможно лишь при существенном росте темпа набора энергии частиц по сравнению с достижимой на сегодняшний день величиной 50-100 МэВ/м. Поскольку градиент энергии в линейном ускорителе растет обратно пропорционально где А - длина волны ускоряющего поля, то одним из путей увеличения темпа набора энергии является переход от длин волн электромагнитного поля порядка 0.2-0.01 м к Л порядка 10 цм, где существуют мощные СОг лазеры, способные обеспечить градиент энергии до 1-10 ГэВ/м. К настоящему времени предложены десятки схем лазерного ускорения (например работы [1,2,3,4]), а также схемы плазменного ускорения [5], однако во всех случаях рассматривается движение ультрарелятивистского пучка начиная с энергий 1-10 ГэВ, проблема же формирования коротких нерелятивистских сгустков длиной 1 цм и менее, с малым поперечным эмиттансом в рамках концепции лазерного ускорения оставалась за рамками обсуждаемых вопросов.

Задачи, решаемые при расчете динамики пучка в начальной части лазерного микроускорителя электронов, сходны с задачами, которые необходимо решать при расчетах ускорителей электронов в диапазоне длин волн 3-30 см, широко используемых в настоящее время. В частности, необходимо обеспечить формирование и ускорение сгустков электронов с минимальными потерями, сконцентрировав частицы в минимальном продольном и поперечном фазовом объеме.

Линейные размеры ускорителя прямо пропорциональны длине волны ускоряющего поля, поэтому при переходе от рассмотрения теории ускорителей с темпом набора энергии частиц порядка 10-50 МэВ/м к рассмотрению теории ускорителей нового поколения с темпом набора энергии более 1 ГэВ/м, размеры ускоряющей структуры для этих ускорителей необходимо масштабировать в соответствии с длиной волны Я. Однако, уменьшение длины волны ускоряющего поля в лазерном ускорителе в 104-105 раз по сравнению с обычными ускорителями вносит ряд новых особенностей в процесс ускорения электронов, что требует детальных исследований динамики пучка.

Отличия ускорителей, работающих в диапазоне длин волн лазерного излучения (1-10 цм), от обычных ускорителей заключаются в следующем. Во-первых, вследствие уменьшения длины волны ускоряющего поля необходимо уменьшать апертуру ускоряющей структуры. Поэтому возникает необходимость формировать сгустки электронов с чрезвычайно малым поперечным эмиттансом. Так для ускоряющей структуры с апертурой порядка нескольких микрон, с учетом того, что длина самой ускоряющей структуры может составлять сотни и тысячи длин волн, поперечный эмиттанс пучка может составлять величины порядка 1-Ю3 — 1*10"5 мм-мрад. Во-вторых, чем меньше длина волны ускоряющего поля, тем меньше должен быть продольный эмиттанс пучка, который зависит от длины сгустка. В-третьих, увеличивается влияние сил пространственного заряда: так как размеры сгустков малы (порядка микрон), взаимодействие электронов в сгустке, вследствие небольшого расстояния между ними, велико. В-четвертых, в диапазоне длин волн ускоряющего поля 1-10 цм существенно возрастает влияние паразитных, или, так называемых, кильватерных полей, величина которых пропорциональна А,3 для продольной составляющей поля и пропорциональна X2 для поперечных составляющих. В-пятых, при ускорении электронов в полях на длинах волн в диапазоне лазерного излучения возможны проявления квантового эффекта, суть которого заключается в том, что, согласно соотношению неопределенности Гайзенберга (AW-Al>%), невозможно получить короткий сгусток электронов длиной А1 с малым разбросом по энергии AW, если произведение длины сгустка и величины разброса по энергиям электронов пучка меньше, чем постоянная Планка h.

Цель работы. К настоящему моменту времени существует большой объем работ, выполненных в области физики лазерных ускорителей, которые, в основном, имеют теоретический характер и предлагают концептуальные схемы ускорения электронных сгустков ультрарелятивистских энергий, не затрагивая процессы формирования и ускорения пучка с небольшой энергией. Целью данной работы является рассмотрение процесса формирования коротких сгустков нерелятивистского электронного пучка с малым поперечным эмиттансом и захвата их в режим ускорения в лазерном микроускорителе.

В данной работе проведено численное моделирование процесса формирования пучка для лазерного ускорителя: получение электронного пучка с малым эмиттансом в электронной пушке; согласование параметров пучка электронной пушки с параметрами пучка, которые требуются на входе в ускоряющую структуру, получение коротких сгустков из непрерывного потока электронов с помощью группирователя; ускорение нерелятивистского пучка до релятивистских энергий.

Электронные пушки, использующиеся в качестве источников электронов для современных ускорителей с темпом набора энергии 10-50МэВ/м не могут удовлетворять требованиям, предъявляемым к электронным источникам для ускорителей нового поколения, так как поперечные размеры пучка на выходе из этих источников (составляющие порядка миллиметров) гораздо больше размеров пучка, необходимого для ускорителей нового поколения (порядка микрон). Возникает потребность в качественно новых электронных источниках, которые будут обеспечивать пучок электронов с необходимыми характеристиками. В работе предложена одна из возможных схем электронной пушки, которая, согласно численным расчетам, способна создавать электронный пучок с эмиттансом менее 1 мм-мрад.

Для преобразования непрерывного электронного пучка в сгустки, следующие друг за другом с определенным интервалом, в работе проанализированы два метода группирования частиц. Рассматривается метод группирования, основанный на модуляции скоростей электронов потока в узком щелевом зазоре, а также метод группирования электронов, основанный на многочастотной модуляции скоростей электронов электромагнитным полем лазерного луча в свободном пространстве.

В качестве ускоряющей структуры используется структура с переменным периодом, состоящая из чередующихся резонаторов и дрейфовых промежутков, длины которых подобраны так, чтобы поле, созданное в этих резонаторах было согласовано со скоростью электронов, двигающихся в этой структуре.

Практическая значимость. В работе рассмотрен полный цикл ускорения электронов, начиная с момента их вылета с поверхности катода до получения пучков электронов релятивистских энергий. Для расчетов использовалось численное моделирование для каждого из этапов рассматриваемой модели. В результате были получены схема электронной пушки, проведены оценки ее параметров; параметры для ускоряющей структуры инжектора, состоящей из 20 ячеек; произведен расчет различных схем группирования электронного пучка, проведено сравнение их эффективности.

Автор защищает:

• методику и результаты расчета электронной пушки с автокатодом, которая обеспечивает на выходе пучок электронов с эмиттансом порядка 10'5 мм-мрад;

• методику и результаты расчета предложенного полигармонического группирователя, эффективно преобразующего непрерывный монохроматический пучок в узкие сгустки электронов, длиной порядка 1 цм;

• методику и результаты расчета ускоряющей структуры инжектора для лазерного микроускорителя на длине волны 10 цм.

• результаты расчета динамики пучка в электронной пушке, в группирователе и в структуре лазерного ускорителя.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Горохов, Алексей Михайлович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Проанализированы особенности ускорения электронов в диапазоне длин волн лазерного излучения. Проведены оценки а) величины поперечного эмиттанса пучка для лазерного ускорителя, с Л составляющей 10 -10 мм-мрад; б) продольного размера сгустка, пригодного для ускорения в структуре, который должен быть меньше чем Л/10 ~ 1 цм; в) электрического заряда, переносимого сгустком, составляющий величину 10"17-10*14 Кл; г) минимальной амплитуды модуляции электронного пучка по энергиям, чтобы минимизировать влияние квантового эффекта, равной 1 эВ.

2. Предложен вариант электронной пушки с автокатодом, которая обеспечивает на выходе пучок электронов с эмиттансом ~10"5 мм-мрад. Представлены результаты расчета электронной автоэмиссионной пушки и динамики электронного пучка в ней. В целях сравнения, рассчитана электронная пушка с термокатодом, эмиттанс пучка на выходе которой порядка 10"2 мм-мрад. Проведено сравнение двух вариантов электронных источников и показано преимущество использования автокатода.

3. Впервые предложен способ группирования частиц в свободном пространстве с использованием трехчастотного лазерного излучения. Проведено численное моделирование динамики пучка электронов с начальной энергией 2 кэВ в трехчастотном группирователе. Проведено сравнение эффективностей трехчастотного группирователя и группирователя на одной гармонике. Показана возможность эффективной группировки электронного пучка в короткие сгустки длиной -А/20 за счет взаимодействия с электромагнитным полем лазерного излучения в открытом пространстве. Для группирователя на одной гармонике коэффициент группирования составляет 35-40%, в то время для трех гармоник он достигает 70%. Показано, что существенную роль в снижении необходимой мощности лазерного излучения и уменьшении длины пространства дрейфа играет движение пучка в пространственно меняющемся потенциале.

4. Впервые рассмотрена проблема формирования коротких нерелятивистских сгустков длиной менее 1 [хм. Проведен расчет инжектора лазерного микроускорителя (на длине волны 10 цм), состоящий из 20 ускоряющих ячеек, длины которых зависят от величины импульса электронов пучка.

5. Проведен расчет продольной и поперечной динамики пучка в электронной пушке, в группирователе и в структуре инжектора лазерного ускорителя. На выходе из ускоряющей структуры получен пучок с энергией 0.38 МэВ. Определен максимальный ток пучка, который может быть ускорен в рассчитанной структуре, составляющий 1 мА. При этом коэффициент захвата электронов пучка в режим устойчивого ускорения, равный -45%.

Благодарности

В заключении автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю - профессору В.И. Шведунову за постоянную поддержку, оказываемую в данной работе. Также автор благодарит к.ф.-м.н. Ю.К. Алексеева за предложенные ценные идеи, использованные в работе, и полезные замечания. Отдельная благодарность профессору Б.С. Ишханову за моральную поддержку и замечания, высказанные в ходе работы. Также автор благодарит всех коллег из Научно Исследовательского Института Ядерной Физики им. Д.В. Скобельцына, с кем приходилось взаимодействовать в ходе работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Горохов, Алексей Михайлович, 2004 год

1. Yu. К. Alekseev and V.I. Shvedunov, "An Open Resonator Particle Accelerator" in Proc. EPAC 2000 Conf., J.-L. Laclare, W. Mitaroff, Ch. Petit-Jean-Genaz, J. Poole, and M. Regler, ets. (World Scientific, Singapore, 2000) p. 892.

2. Yu. K. Alekseev, S.V. Abramov, A.M. Gorokhov, V.I. Shvedunov, A. Vetrov, and D.A. Zayarniy, "Electron Micro-Accelerator", proceedings of 2001 Particle Acceleration Conference, Chicago, USA, 2001, p. 4017.

3. R.L.Byer, T. Plettner, Y.C. Huang et al. "The Laser Driven Electron Accelerator Experiment At Stanford University", proceedings of 1999 Particle Acceleration Conference, New York, USA, 2001, p. 321.

4. W.P. Leemans, E. Esarey, AIP Conf. Proc. 1998, p.472.

5. V.Malka, S.Fritzler, E.Lefebvre, et. al., Science, Vol 298, 22 November 2002, p.1596.

6. Ю.К. Алексеев, A.M. Горохов, Д.А. Заярный, Б.С. Ишханов, В.И. Шведунов, "Полигармонический группирователь для лазерного ускорителя", Приборы и Техника Эксперимента, №. 6, 2003, с. 1-8.

7. Ralph W. A(3mann, "Review of Ultra Gradient Acceleration Schemes, Results of Experiments", CERN. Proceeding of EPAC 2002, Paris, France.

8. C.D. Barnes, E.R. Colby, B.M. Cowan et al. "Laser Acceleration of Electron in Vacuum", SLAC PROPOSAL E-163,2001.

9. Ph. Mine, "Accelerator Schemes Based On Lasers And Plasmas", LPNHE Ecole Polytechnique, France, 1998, p. 103

10. Н.Е. Андреев, JI.M. Горбунов, «Лазерно-плазменное ускорение электронов», УФН, 1999, Том 169, №1

11. А.А. Коломенский, «Лазерное ускорение частиц», Труды 9 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, 1984, том 2, стр. 413.

12. Коломенский А.А., Лебедев А.Н., ДАН СССР, 1962, т.145, с.1259; ЖЭТФ, 1963, т.44, с.261.

13. Коломенский А.А., Лебедев А.Н. ЖЭТФ, 1966, т.50, с. 1101.

14. R.B Palmer, J. Appl. Phys., 43, 3014 (1972)

15. W.D. Kimura, et al., "STELLA Experiment: Design and Model Predictions", in Advanced Accelerator Concepts, Baltimore, MD, AIP Conference Proceedings No. 472, W. Lawson, C. Bellamy, D. Brosius (American Institute of Physics, New York, 1999), p. 563-572.

16. Shimoda K., Appl. Optics, 1962, v.l, p.33.

17. J.A. Edighoffer, W.D. Kimura, R.H. Pantell, M.A. Piestrup, and D.Y. Wang, Phys. Rev., A23,1848 (1981)

18. Fontana, J. R. and Pantell, R. H., J. Appl. Phys. 54,4285^288 (1983).

19. Y. C. Huang, D. Zheng, W. M. Tulloch, and R. L. Byer Proposed structure for a crossed-laser beam, GeV per meter gradient, vacuum electron linear accelerator. Appl. Phys. Lett. 68 (6), 5 February 1996.

20. A. V. Smirnov, D. Yu. Duly, LASER ACCELERATION IN A STRIPED MIRROR WAVEGUIDE, Research Inc., Rancho Palos Verdes, CA 90275, PAC2001.

21. H.C. Гинзбург, И.В. Зотова, A.B. Курицын, «К теории ускорения электронов плазмы в процессе индуцированного рассеяния интенсивной лазерной волны», ЖТФ, 1999, том 69, вып 1, стр 3.

22. R.B. Palmer, Proc. Laser Acceleration of Particles, AIP 91, 179 (1982)

23. A.A. Mikhailichenko, "A concept of a Linac Driven by a Traveling Laser Focus", 7-th Advanced Accelerator Concepts Workshop, AIP 398 Proceedings, p.547.

24. J. Rosenzweig, A. Murokh, and C. Pelligrini, Phys. Rev. Lett., 74, 2467 (1995)

25. Palmer R.B. Part. Accel., 1980, v.l 1, p.81

26. Palmer R.B. Proc. ECPA-RAL Topical Meeting, Oxford, 1982, p.267.

27. D. Zheng, R.L. Byer, "Proposed Waveguide Structure for Laser Driven Electron Acceleration", Advanced Accelerator Conference Proceedings (1994).

28. Векслер В.И., Proc. CERN Symp.High En.Accel., Geneva, CERN, 1956, v.l, p.80; Будкер Г.И., ibid, p.68; ФайнбергЯ.Б., ibid, p.84.

29. Tajima Т., Dawson J.M. Phys. Rev.Lett., 1979, v.43, p.267.

30. Joshi C., Tajima Т., Dawson J.M. et al., Phys.Rev.Lett., 1981, v.47, p.1285.

31. H. Suk, N. Barov, J.B. Rosenzweig, 'Plasma Electron Trapping And Acceleration In A Plasma Wake Field Using A Dencity Transition", Dep. Of Physics And Astronomy, University of California at Los Angeles, California 900095,2001.

32. R.H. Sieman, "Advanced Electron Linacs", Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Stanford, CA 94309 USA, 1997.

33. C. Joshi, "Laser Accelerators: Experiments, Computations And Prospects", Electrical Engineering Department, UCLA, 1997, p. 11

34. R. W. Apmann, "Review Of Ultra High-Gradient Acceleration Schemes, Results Of Experiments", Proc. of EPAC 2002, Paris, France, p.64

35. A.V. Gaponov, M.A. Miller, Sov. Phys. JETP, 7, (1958).

36. Leon C.-L. Lin, J.S. Wurtele, S.C. Chen, "On the Frequency Scalings of RF Guns", IEEE PAC'95, p. 948.

37. Palumbo, L, V. G. Vaccaro, M. Zobov, "Wake fields and impedance", in Fifth Advanced Accelerator Physics Course, CERN 95-06 (1995), p. 331.

38. L.C. Steinhauer and W.D. Kimura, Space Charge Compensation in Laser Particle Accelerators, The American Institute of Physics CP472, Advanced Accelerator Concepts: Eighth Workshop, edited by W. Lawson, C. Bellamy, and D. Brosius, p. 599 (1999).

39. Heino Henke, "Introduction to High Energy Linear Accelerator For Low Emittance Beams", Institute f. Teoretische Electrotechnik, Technische Universitaet Berlin.

40. W.B. Herrmannsfeldt, "Low Emittance Thermionic Electron Guns", SLAC, Standford, California 94309. SLAC-PUB-4843 January 1989 (N).

41. Y. Liang, D. A. Bonnell et al, "Observation of electric field gradients near field-emission cathode arrays", Appl. Phys. Lett. 66(9) 1147 (1995).

42. W.B. Herrmannsfeldt, EGUN An Electron Optics And Gun Design Program, SLAC-Report-331, October 1988.

43. M.J. Loos et al., "Production of ultra-short, high charge, low emittance electron bunches using a 1 GV/m DC gun", Proc. of the 1999 РАС, New York, IEEE, Piscataway, NJ (1999) pp. 3266

44. M.J. de Loos, S.B. van der Geer et al. Production of ultra-short, high charge, low emittance electron bunches using a lGV/m DC gun. Proc. Of the 1999 Part. Acc. Conf., New York, IEEE, Piscataway, NJ (1999) pp. 3266

45. K. Batchelor, J.P. Farrel, and G. Dudnikova et al. "A High Current, High Gradient, Laser Excited, Pulsed Electron Gun", BNL, Upton, NY, p 791.

46. K. Halbach, R.F. Honsinger, "SUPERFISH A Computer Program for Evaluation of RF Cavities with Cylindrical Symmetry", Particle Acelerator 7(4), 213-222 (1976).

47. И. Н. Сливков, «Электроизоляция и разряд в вакууме», Москва, Атомиздат, 1972,144 с.

48. N. A. Vinokurov, "Space Charge", Budker Institute Of Nuclear Physics, Russia, p.8.

49. Thomas Blomberg, HEAT2 A PC-program for heat transfer in two dimensions. Manual with brief theory and examples. HEAT2 version 3.0 and HEAT2W version 1.01 (1998).

50. Julien Barjon, Julien Brault, Bruno Daudin et al., "A 10 keV ELECTRON GUN WITH A MICROTIP ARRAY FOR CATHODOLUMINESCENCE MEASUREMENTS", IVMC-IFES-2002, FRANCE.

51. R.B. Palmer, J. Appl. Phys., 43, 1972, p.3014.

52. H.Schwarz, H.Hora. Modulation of an electron wave by a light wave. // Applied Physics Letters, 1969, v.15, N 11, pp.349-351.

53. А.И.Костиенко, Ю.К.Алексеев, Д.Г.Афонин, С.И.Васильев, А.Ф.Королёв, Г.Ю.Мосолов. Некоторые свойства взаимодействия О-типа между электроном и полем открытого резонатора. М., ВИНИТИ. №2933-83Деп. 1983,41 с.

54. Eiko Takaoka, Kiyoshi Kato, 90o Phase-matched Third-harmonic Generation of the C02 Laser Frequencies in AgGal-xInxSe2., Optics Letters, Vol.24, No.13, pp.902-904 (1999).

55. Gopal C. Bhar, Pathik Kumbhakar, D.V. Satyanarayana, N.S.N. Banerjee, U. Nundy and C.G. Chao, Third harmonic generation of C02 laser radiation in AgGaSe2 crystal., Pranana-J. Phys., Vol.55, No.3, pp.405-412 ( 2000).

56. E.E.Bergmann. Modulation and Demodulation of Particle Beams at Optical Frequencies // II Nuovo Cimento. V.14B, N 2, 11 Aprile 1973, pp.243-259.

57. С.П.Бугаев и др. Взрывная эмиссия электронов. УФН, 1975, т.115, с.101.

58. Ю.К. Алексеев, A.M. Горохов, В.И. Шведунов, «Динамика пучка электронов в линейном микроускорителе», сборник научных трудов «Научная сессия МИФИ-2004», 2004, т. 7, стр. 182.

59. Yury К. Alekseev, Alexey М. Gorokhov, Vasiliy I. Shvedunov, Andrey A. Vetrov, "Beam Dynamics in а 10-цт Linear Accelerator", FEL, Argonne, Illinois, USA, 2002, p.63.