Разработка ускоряющих структур линейных ускорителей прикладного назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат наук Савин, Евгений Александрович

• Савин, Евгений Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Савин, Евгений Александрович

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Ускоряющие структуры линейных электронных ускорителей прикладного назначения

1.1. Основы расчёта укоряющих структур линейных электронных ускорителей

1.2. Линейный ускоритель электронов на энергию 30 МэВ

1.2.1. Общие сведения

1.2.2. Расчет динамики

1.2.3. Расчет геометрии ускоряющей структуры

1.2.4. Настройка ускоряющих секций

1.3. Линейный ускоритель электронов с регулировкой энергии

1.3.1. Вводное

1.3.2. Расчёт группирователя

1.3.3. Дополнительная фокусировка пучка

1.3.4. Регулировка энергии

1.4. Гибридный линейный ускоритель электронов на энергию 10 МэВ

1.4.1. Вводное

1.4.2. Выбор геометрии КДВ-м

1.4.3. Регулировка фазы между группирователем и ускоряющей секцией

1.4.4. Расчёт динамики

Выводы

Глава 2. Генераторно - ускорительный модуль

2.1. Вводное

2.2. Генераторная ячейка ГУМ с волноводным выводом мощности

2.3. Компактный генераторно-ускорительный модуль

2.4. Пример применения генераторного модуля

2.5. Генераторная ячейка

2.5.1. Резонансный макет ячейки генератора и вывод мощности

2.5.2. Выходной сигнал из генераторной ячейки

2.6. Совмещение генераторной ячейки с ускоряющей секцией

Выводы

Глава 3. Микролинаки

3.1. Диэлектрический микролинак

3.1.1. Описание задачи

3.1.2. Геометрия ускоряющей структуры

3.1.3. Настройка ввода мощности в ускоряющую секцию

3.1.4. Выбор диэлектрика и измерение его характеристик

3.2. Ускоряющая секция с большой групповой скоростью

3.2.1. Описание ускорителя

3.2.2. Выбор ускоряющей структуры

3.2.3. Настройка ввода мощности

Выводы

Глава 4. Ускоряющая структура протонного линейного ускорителя с большим градиентом

4.1. Описание задачи и ускорителя

4.2. Ограничение для высоких градиентов, оптимизация структур

4.3. Выбор геометрии структуры для фазовой скорости 0.43

4.3.1. Структура на стоячей волне

3

4.3.2. Структура на обратной бегущей волне

4.4. Тепловые и механические расчеты ячеек для фазовой скорости 0.43

4.5. Оценка требований к ускоряющим секциям

4.6. Ускоряющая структура на минус первой пространственной гармонике с относительной фазовой скоростью 0.3

4.7. Оптимизация выбранной геометрии по параметрам пробоя и по механическим параметрам

4.8. Настройка секции с постоянным градиентом

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ускоряющих структур линейных ускорителей прикладного назначения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

В современном мире большое внимание уделяется безопасности как от террористических угроз, так и от биологически опасных веществ, попадающих в организм человека через продукты питания, медицинские препараты и так далее. Отдельно стоящей областью современных исследований является разработка медицинских установок для лечения опухолей методом лучевой терапии. Для всех этих целей можно применять линейные ускорители электронов (ЛУЭ) на энергии от единиц до десятков МэВ. Наибольшее распространение в мире получили медицинские ЛУЭ с диапазоном энергий от 4 до 50 МэВ [1]. Для увеличения эффективности облучения раковых опухолей, которое сейчас по большей части проводится на ЛУЭ или циклических ускорителях протонов и ионов, большое внимание уделяется разработке ускоряющих структур, позволяющих использовать их в компактных линейных ускорителях протонов и ионов, которые имеют ряд преимуществ перед циклическими.

Промышленные ЛУЭ работают в диапазоне энергий 0.1-10 МэВ, из них для целей стерилизации продуктов используется диапазон 5-10 МэВ. Сейчас происходит активная интеграция линейных ускорителей электронов для стерилизации медицинского оборудования, так как процесс стерилизации электронным пучком в разы быстрее, чем гамма-излучением. Также большую эффективность имеет облучение продуктов питания (от фруктов до мясных продуктов) с помощью электронов или рентгеновского излучения, полученного с помощью ЛУЭ.

ЛУЭ с перестройкой энергии внутри диапазона 2.5-10 МэВ используются в досмотровых комплексах и дефектоскопии. Основными требованиями к таким ЛУЭ является надёжность, эффективность, контроль радиационного поля.

Для целей радиографии, промышленной геофизики, медицины, в настоящее время широко распространены источники гамма-излучения на основе радиоактивных изотопов, таких как 1г-192, Св-137, Со-60, Бе-75 [2], которые, хоть и являются компактными и удобными в использовании, очень опасны, так как не могут быть выключены. А при утечке радиации из такого источника, человек облучается недельной нормой за ~20 минут [3]. Поэтому большое внимание уделяется более безопасным альтернативным источникам, которые могут быть выключены и безопасны для человека и окружающей среды в нерабочем состоянии. Такими источниками являются ЛУЭ, а технологии изготовления и коммерческая доступность источников питания позволяют делать такие установки компактными при работе в Х-частотном диапазоне [4]. Важнейшими задачами при их разработке являются уменьшение цены и сложности изготовления, уменьшение габаритов установки в целом, а также увеличение устойчивости ее параметр к внешним факторам.

Хотя ускоряющие структуры для вышеуказанных применений широко исследованы, существуют много задач, решение которых позволяет упростить и удешевить установки. Например, увеличение КПД, а именно отношение мощности ускоренного пучка к мощности источника, позволяет при меньших затратах энергии получить требуемые мощности пучка. Повышение ускоряющего градиента в установках сокращает их длину, уменьшая цену, однако для этого требуется оптимизировать геометрию существующих ускоряющих ячеек или разработать их новые типы для минимизации электромагнитных полей на поверхности; исследование методов повышения коэффициента связи между ускоряющими ячейками позволяет получить более дешёвые, надёжные и простые структуры

Цели и задачи исследования

1) Разработка и настройка ускоряющих структур и высокочастотного тракта ЛУЭ в Б частотном диапазоне на энергию 30 МэВ и ток 100 мА, состоящего из четырех секций и питаемого двумя клистронами с суммарной импульсной мощностью 12 МВт, что позволяет получить энергетический спектр менее 2% и исключить процесс механической настройки частоты после изготовления.

2) Разработка компактной бипериодической ускоряющей структуры (БУС) ЛУЭ в Б частотном диапазоне на энергии 6-11 МэВ, который во всём диапазоне энергий имеет электронный КПД выше 60% при регулируемой мощности клистрона от 4 до 6 МВт.

3) Исследование возможности создания комбинированного ЛУЭ на энергию 10 МэВ, в котором неиспользованная ВЧ мощность в ускоряющей секции, рассчитанной на работу в режиме бегущей волны, поступает в группирователь из БУС.

4) Разработка схемы соединения ячейки шести лучевого клистрода с ускоряющей секцией, в которой не требуются элементы ВЧ тракта между ними, а также разработка концепта, в котором генераторная и ускоряющая ячейки совмещены.

5) Разработка компактных микролинаков с большой групповой скоростью в Х-частотном диапазоне, предназначенных для замены радиоактивных изотопов для целей радиографии и промышленной геологии.

6) Разработка геометрии ускоряющей секции высокоградиентного (50 МВ/м) медицинского линейного ускорителя протонов и ионов углерода для относительных фазовых скоростей р=0.3-0.7 в Б частотном диапазоне.

Научная новизна

Научная новизна заключается в следующем:

1) Разработаны варианты решений для группирователя, ускоряющей секций и элементов ВЧ тракта ЛУЭ с различными требованиями к его параметрам и целям применения: многосекционный ЛУЭ с узким энергетическим спектром, ЛУЭ с регулировкой энергии и требованиям к высокому значению электронного КПД. Предложена схема ЛУЭ на фиксированную энергию, использующая преимущества группирователя на стоячей волне и ускоряющей секции на бегущей, где группирователь выступает в качестве поглощающей нагрузки.

2) Впервые предложен концепт совмещения генераторной ячейки клистрода с ускоряющей секцией методом комбинирования двух ячеек, -генераторную и одну из ускоряющих, в одну гибридную, что в разы уменьшает размеры установки, также исключая из неё элементы ВЧ тракта.

3) Впервые разработаны ЛУЭ Х-частотного диапазона, основанные на компенсированных структурах с большой групповой скоростью. Это позволяет использовать такие ускорители как источники рентгеновского излучения в условиях экстремальной окружающей среды, а также упрощают процесс изготовления и исключают требования к настройке структур и сложной системе охлаждения.

4) Разработаны геометрии ускоряющих структур на основе БУС и КДВ-м для ионов углерода для относительных фазовых скоростей р=0.3-0.7 в Б-частотном диапазоне, выдерживающие критерии пробоя и имеющие высокое значение шунтового сопротивления при работе на ускоряющем градиенте 50 МВ/м.

Научная и практическая значимость

Значимость работы обусловлена тем, что разработанный четырёхсекционный ЛУЭ с узким энергетическим спектром, включая его ВЧ тракт, изготовлены и настроены, а сам ускоритель успешно запущен. Разработанная схема ЛУЭ с варьированием энергии с повышенным электронным КПД принята в НПП «Торий» за основу при создании ЛУЭ для применения в индустрии и для целей инспекции. Предложенная схема гибридного ЛУЭ с использованием группирователя на стоячей волне в качестве нагрузки потенциально может увеличить эффективность ЛУЭ на фиксированные энергии.

Разработанная методика совмещения многолучевой генераторной ячейки с ускоряющей секцией без использования дополнительных элементов ВЧ тракта открывает новые методы разработки компактных портативных ЛУЭ. В качестве примера рассчитана совмещённая секция клистрода с ускоряющей секцией мезонной фабрики в ИЯИ РАН. Кроме того, изготовлен макет компактного генераторно-ускорительного модуля, измерения характеристик которого показывают соответствие с расчётами.

Разработанная геометрия компактного ЛУЭ в X-частотном диапазоне на малые энергии принята за основу изготовления коммерческих альтернативных источников излучения для целей радиографии и геологии, выпускаемых Radiabeam Technologies для замены таких радиоактивных изотопов как Ir-192.

Разработанная геометрия ускоряющих структур в S-частотном диапазоне принята Аргоннской Национальной лабораторией в качестве секции для ускорения протонов и ионов углерода в секции с относительными фазовыми скоростями р=0.3-0.7 высокоградиентного линейного ускорителя для медицинских целей. Такая технология позволит увеличить эффективность и доступность адронной терапии.

Достоверность

Достоверность результатов численного моделирования, представленных в диссертации, определяется использованием хорошо апробированного программного обеспечения (ASTRA [5], CST Studio [6], PARMELA [7], POISSON SUPERFISH [8]), сравнением результатов расчётов, выполненных с помощью различных программ, проведением расчётов для тестовых моделей с известными характеристиками, тщательной калибровкой измерительной аппаратуры, а также сравнением (где это было возможно) и хорошим совпадением расчётных и экспериментальных характеристик.

Личный вклад автора

Автором проведено численное моделирование динамики электронов от термокатода до выхода в разработанных ЛУЭ. Подобраны длины и амплитуды электрических полей на оси группирующих ячеек для получения требуемых параметров пучка на выходе ЛУЭ. Диссертантом проведена оптимизация электродинамических параметров и геометрии ускоряющих ячеек для разработанных ЛУЭ, комбинация ячеек в ускоряющие секции и финальные расчёты этих секций. Кроме того автор проводил измерения изготовленных ячеек и узлов ВЧ тракта после их изготовления, настройку, комбинацию ячеек в ускоряющие секции.

Для проекта генераторно-ускорительного модуля диссертантом проведены оценки динамики пучка в генераторной ячейке, подбор её геометрии и расчёты электродинамики при различных вариантах совмещения с ускоряющей секции, а также выбор варианта для изготовления и тестов.

Диссертант внёс вклад в оптимизацию трёх видов ускоряющих структур с большой групповой скоростью для микролинаков, устойчивых к внешним воздействиям. Автором проведён ряд измерений по выбору оптимального диэлектрика для использования в метало-диэлектрической структуре. Также

диссертантантом проведены расчёты узлов ввода мощности в различные типы микролинаков.

Для медицинского линейного ускорителя протонов и ионов углерода автором проведены оптимизации геометрии структур на стоячей и бегущей волнах на частоте 2856 МГц и в диапазоне относительных фазовых скоростей Р=0.3-0.7, позволяющие получать градиенты 50 МВ/м, не превышая критериев пробоя ускоряющих структур.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1) Результаты разработки ускоряющих структур для ЛУЭ промышленного назначения, расчёты динамики и геометрии группирователей и ускоряющих секций, одна из которых позволяет получить узкий энергетический спектр на выходе четырёх секционного ЛУЭ на 30 МэВ, вторая - получить высокий электронный КПД для ЛУЭ с регулировкой энергии в диапазоне 6-11 МэВ. Методика и точность расчёта подтверждена приведёнными измерениями частот отдельных изготовленных ячеек и комбинированных секций. Геометрия ячеек и точность расчётов позволили исключить процедуру механической настройки ячеек после их изготовления.

2) Результаты расчёта динамики и геометрии в гибридном ускорителе, использующем преимущества группирователя на стоячей волне и ускоряющей секции на бегущей, где группирователь выступает в качестве поглощающей нагрузки.

3) Результаты оптимизации геометрии ячейки шестилучевого клистрода для получения максимальной выходной мощности, а также расчёт геометрии комбинированного генераторно-ускорительного модуля, совмещающего генераторную и ускоряющую ячейку. Расчёт геометрии и динамики для гибридной структуры компактного ЛУЭ, где одна из ячеек совмещена с генераторной ячейкой. Результаты расчётов подтверждены в изготовленном макете.

4) Результаты оптимизации геометрии отдельных ускоряющих ячеек и полной секции для компактных микролинаков в Х-частотном диапазоне, позволяющих заменить радиоактивные изотопы для целей радиографии и промышленной геологии. Рассмотрен выбор диэлектрика для гибридной компенсированной метало-диэлектрической структуры, а также выбрана металлическая структура с большой групповой скоростью и сравнена с диэлектрической. Точность расчётов подтверждают измерения изготовленных макетов.

5) Результаты оптимизации геометрии ускоряющих ячеек для части медицинского высокоградиентного (50 МВ/м, 2856 МГц) линейного ускорителя протонов и ионов углерода в диапазоне относительных фазовых скоростей р=0.3-0.7. Сравнение эффективности и устойчивости к пробою бипериодической структуры на стоячей волне и структуры на обратной бегущей волне. Методика настройки ускоряющей структуры на -1 пространственной гармонике.

Апробация результатов диссертации

Результаты диссертации представлены на российских и международных конференциях:

- Научная сессия НИЯУ МИФИ, Москва 2012-2015;

- XXV Международное совещание по ускорителям заряженных частиц IWCPA'13, Алушта, Крым, 2013;

- V International Particle Accelerator Conference IPAC'14, Dresden, Germany, 2014;

- XXIV Всероссийская конференция по ускорителям заряженных частиц RUPAC'14, г. Обнинск, Россия, 2014;

- XXVII International Linear Accelerator Conference LINAC'14, Geneva, Switzerland, 2014;

- VI International Particle Accelerator Conference IPAC'15, Richmond, VA, USA, 2015;

- XXV Всероссийская конференция по ускорителям заряженных частиц RUPAC'16, Санкт-Петербург, Россия, 2016;

- VII International Particle Accelerator Conference IPAC'16, Busan, Korea,

2016;

- North American Particle Accelerator Confernence, NAPAC2016, Chicago, IL, USA, 2016;

- XXVIII International Linear Accelerator Conference LINAC'16, East-Lansing, MI, USA, 2016;

- II и III международные конференции «Плазменные, лазерные исследования и технологии» 2016-2017 гг, НИЯУ МИФИ, Москва, Россия.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 31 печатной работе, из которых 13 статей - в рецензируемых журналах, включённых в перечень ВАК РФ, 21 статья опубликована в периодических научных изданиях, индексируемых Web of Science и Scopus.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Её объём составляет 170 страниц, она включает 149 рисунков и 39 таблиц. Список литературы включает 91 наименований.

Первая глава «Ускоряющие структуры линейных электронных ускорителей прикладного назначения» посвящена общим принципам расчёта ускоряющих структур как на стоячей, так и на бегущей волне, указания наиболее популярных геометрий структур. В главе описываются расчёты динамики и геометрии трёх ЛУЭ с различными требованиями, а также результаты настройки и измерения ускоряющих секций для четырёхсекционного ЛУЭ на энергию 30 МэВ.

Во второй главе «Генераторно - ускорительный модуль» приводятся результаты расчётов различных конфигураций ячейки шестилучевого клистрода, а также исследуются методы компактного совмещения этой ячейки с ускоряющей секцией. Приводится геометрия наиболее элегантной схемы совмещения, которая изготовлена из меди и измерена. Кроме того, приведены результаты расчёта использования разработанной генераторной ячейки для питания секции на частоте 991 МГц.

В третьей главе «Микролинаки» приводятся результаты расчётов различных геометрий ускоряющих ячеек и полных секций для компактных микролинаков в Х-частотном диапазоне, позволяющих заменить радиоактивные изотопы для целей радиографии и промышленной геологии. Приведены результаты измерений, проведённых для выбора оптимального типа диэлектрика для гибридной метало-диэлектрической структуры.

В четвёртой главе «Ускоряющая структура протонного линейного ускорителя с большим градиентом» приведены результаты сравнения ускоряющих структур на бегущей и на стоячей волне для использования в секции с Р=0.3-0.7 высокоградиентного (50 МВ/м, 2856 МГц) линейного

ускорителя протонов и ионов углерода для облучения раковых опухолей.

14

Кроме того, для каждой структуры приведены оптимальные геометрии, при которых нет опасности пробоя. Также для р=0.3 приведены расчёты ускоряющей структуры на -1 пространственной гармонике. Заключение содержит основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Глава 1. Ускоряющие структуры линейных электронных

ускорителей прикладного назначения.

1.1. Основы расчёта укоряющих структур линейных электронных ускорителей.

Ускоряющие структуры (УС) линейного ускорителя электронов (ЛУЭ) рассчитываются как на режим работы на бегущей волне (БВ), так и на стоячей волне (СВ). В структуре на БВ устоявшийся режим возникает, когда ВЧ мощность проходит сквозь структуру, что обуславливается временем заполнения

tзап=l/Vгр, (1.1)

где ! - длина УС, а Vгр-групповая скорость.

В структуре на СВ поля нарастают в ячейках через многочисленные отражения. Время, за которое амплитуда поля возрастает до максимума, определяется временной константой

т=2Qн/ю, (1.2)

где Qн- нагруженная добротность резонатора, а ю- рабочая частота.

То есть 95% от максимума электрического поля достигается за 3*т [9,10]. Значения времён заполнения УС зависят от длины и значения групповой скорости для УС на БВ и значения нагруженной добротности для УС на СВ. В ВЧ тракте УС ЛУЭ на СВ предусматривается использование циркулятора. Для УС ЛУЭ с БВ нужен группирователь с внешним фокусирующим магнитным полем. В УС на СВ работает эффект ВЧ фокусировки электрическим полем [11]. Наиболее распространенной УС ЛУЭ на СВ является бипериодическая ускоряющая структура (БУС). В БУС имеет место возмущение электрических полей большими токами, так как при больших затуханиях мощности возбуждаются поля в ячейках связи вблизи ячейки ввода мощности. Помимо влияния на динамику пучка, это приводит к дополнительным потерям в ячейках связи, добротность которых в несколько раз ниже, чем ускоряющих ячеек [12]. Также оптимальный коэффициент связи подводящего волновода к

структуре связан со значением тока и, ввиду возможности пробоя в ВЧ тракте во время переходного процесса, не должен превышать значения 3-4. Соответственно для целей ускорения больших токов предпочтительна структура на бегущей волне.

При разработке УС ЛУЭ, а также высокоэнергетичной части ускорителей протонов, представляет интерес расчет следующих электродинамических характеристик (ЭДХ): дисперсионная характеристика, фазовая и групповая скорости, коэффициент связи, шунтовое сопротивление (продольное и поперечное), добротность, коэффициент затухания СВЧ мощности, максимальное значение электрического и магнитного полей в структуре, перенапряженность электрического поля, нормированное значение напряженности ускоряющего поля и др.

Из геометрических размеров, влияющих на выбор ЭДХ, отметим отношение расстояния ускоряющего зазора к периоду структуры d/L, отношение радиуса отверстия в диафрагме к длине волны аА и отношение толщины диафрагмы к длине волны 1А. Для контроля величины связи между ячейками без изменения радиуса апертуры используют щели, проточенные в диафрагмах в месте концентрации магнитного поля. Структуры с такой связью принято называть КДВ-м [13]. Широкое распространение получила радиальная форма щелей, которая характеризуется шириной ёБ, углом раствора ф и радиусом Яб (рис.1.1).

Рис. 1.1. Основные размеры КДВ с радиальной щелью магнитной связи

Длина ускоряющей ячейки выбирается как

17

_ (ЗфЛв 2п '

(1.3)

где Ь - длина ускоряющей ячейке, Рф -относительная фазовая скорость , X -длина волны в свободном пространстве, 0 - вид колебаний.

Дисперсионная характеристика -это зависимость фазовой скорости электромагнитной волны Уф от частоты f (или ю) или от длины волны в свободном пространстве X [14]. Наиболее распространено графическое изображение дисперсионной характеристики исследуемой УС в виде зависимости частоты от вида колебаний периодической структуры. На рис.1.2 приведены дисперсионные характеристик для КДВ (электрическая связь) и КДВ-м (магнитная связь). Характер дисперсионной зависимости БУС схож с КДВ-м. Для КДВ частота растёт с видом колебаний. Такую зависимость называют положительной. В КДВ-М, из-за превалирования магнитной связи перед электрической через центральное отверстие в диафрагме, зависимость является отрицательной.

Рис.1.2. Примеры дисперсионных зависимостей для КДВ и КДВ-м, настроенных на 0=2п/3 на частоте 2856 МГц

Поскольку предметом рассмотрения являются периодические УС, то следует говорить о дисперсионной характеристике отдельных пространственных гармоник. Из дисперсионной характеристики можно

определить относительные значения фазовой и групповой скорости электромагнитной волны для любой гармоники Рфт=Уф/с и ргрт=угр/с

п _ ^ф™ _ 1/Я р _ ^грж _ ^ п

с 1/Явт' Ргр™ с (1-4)

^вт

Из дисперсионной характеристики можно определить коэффициент связи УС, как

*св = \/п~ ЩЛ/2> (1.5)

где /, //2, /0 - частоты видов колебаний п, п/2 и 0 соответственно [14].

Для характеристики эффективности УС ЛУЭ, работающих в режиме БВ при небольшом токе пучка вводится понятие полного и погонного гш шунтовых сопротивлений

Гш ,

/0 E z (z)

2 dz

Рст^

(1.6)

где Ez(z) - комплексная амплитуда ускоряющего поля; l - длина структуры; Рст - потери мощности в стенках УС, выражаемые как

^ст = 141/12Дст^ = ^/s|tfT|2dS , (1.7)

где

^ст

(1.8)

это сопротивление стенок УС, цст - магнитная проницаемость стенок, а аст -удельная проводимость стенок .

При рассмотрении ускоряющих резонаторов вводится понятие погонного эффективного шунтового сопротивления гшэф, которое учитывает

изменение амплитуды напряженности поля за время пролета частицами резонатора

_ |/0£гЮехр(1к22)^|

гш.эф=^--1, (1.9)

где ^=2л/Х - продольное волновое число.

Связь между шунтовыми сопротивлением:

Гш.эф = гшТ2, (1.10)

где пролетный фактор Т есть

К(2)ехфг2)й2 /(2)|аг] (1.11)

Т =

Важной ЭДХ для ускоряющих резонаторов является собственная добротность

= (1.12)

-"ст

где - энергия, запасенная в электромагнитном поле при резонансе

^зап = 1^0 /|Я|2 М = \Ео /|£|2 М, (1.13)

а Pст - ВЧ мощность, рассеиваемая в стенках резонатора при резонансе, рассчитываемая по формуле (1.7).

Представив энергию, накопленную в объеме резонатора, через амплитуду напряженности магнитного поля нжкс и предположив, что материал стенок и диэлектрика не обладает магнитными свойствами (формула 1.7), то

^0 = (1.14)

Добротность резонатора с учетом полных потерь называют нагруженной:

Qн=^ак (1.15)

-"рас.пол

где р = р + V р - сумма мощностей, рассеянных в резонаторе и

^ рас.пол ст ^^^ расн ^ ^^ ? ± Г Г

нагрузках.

Связь собственной, нагруженной и внешней добротности определяется следующим образом:

1 1 1

яГ^ёТ. (116)

Важным является и параметр в виде отношения шунтового сопротивления к добротности, называемый характеристическим сопротивлением

т^^«^2, (117)

Яш/О зависит от геометрии структуры и не зависит от материала резонатора, частоты.

Потери ВЧ мощности в стенках структуры на БВ характеризуются коэффициентом затухания, который может быть вычислен как

а = (1.18)

Амплитуда напряженности ускоряющего поля является одним из основных параметров ускорителя. При этом принимается во внимание амплитуда напряжённости той гармоники поля, с которой взаимодействует частица. Учитывая, что погонное шунтовое сопротивление в режиме БВ можно выразить через коэффициент затухания

Р-2 р2

г = —— = — (1 19)

можно, подставляя (1.18) в (1.19), получить параметр нормализованной амплитуды ускоряющего поля [15]

£2А 1ыЯ2гш 12яЯгш

= = р^. (1.20)

Этот параметр, в зависимости от выбора переменных, можно представить как функцию (а/Х;Рф) или (аА;0). С помощью параметра Л рассчитывается ускоряющие поля в секциях на БВ при известных ЭДХ ячеек и входной ВЧ мощности.

При разработке геометрии ускоряющих ячеек следует обращать внимание на параметр перенапряжённости электрического поля, равный отношению максимального поля на поверхности УС к ускоряющему градиенту

КЕ=-^, (1.21)

Еуск

где ускоряющий градиент - это интеграл продольной составляющей электрического поля на оси пролёта пучка с учётом время пролётного фактора для секций на СВ. Таким образом, можно нормализовать значение электрического поля на поверхности к требуемому градиенту без перерасчёта амплитуд полей для требуемых входных мощностей.

Кроме оптимизации максимального электрического поля на поверхности важно также оптимизировать максимальное магнитное поле Нтах, которое является источником поверхностных токов и, как следствие, локального импульсного нагрева структуры.

Для структур на БВ принято различать КДВ с постоянным импедансом и постоянным градиентом ускоряющего поля. В первом случае геометрия ускоряющих ячеек является постоянной вдоль секции, во втором - групповая скорость уменьшается от ячейки к ячейке, что обеспечивает постоянную величину ускоряющего поля по длине структуры без учета нагрузки током [9,13].

Для секции с постоянным импедансом с фазовой скоростью, равной скорости света, прирост энергии с учётом нагрузки током 10 рассчитывается по формуле

7 =|!(1-е-)-/0 (1 —1-?-1), (1.22)

УЩТРО ^ Т 4 У 0/ Р0 К Т

где Ро-входная мощность, а 1-длина УС. КПД такого ускорителя рассчитывается как

ч=^=/(1 -еТ)/о - ¥1^о2, (1-23)

где т=а1.

При рассмотрении секции с постоянным градиентом пренебрегают изменением по длине УС как добротности, так и шунтового сопротивления, однако коэффициент затухания меняется очень сильно а~1/угр. Прирост энергии в такой секции при учёте нагрузки током определяется как

= VI- е-2т - /0 /!Ш(--(1.24)

УТЩРО ^ Р0 Ч2 1-е-=т 7

Коэффициент полезного действия

-=т

Ч = /^шVT-F27/о - ^ (-- Т^'о2. (1.25)

Ро ' е '0 Ро (2 1-е-=т

Для структуры с постоянным градиентом можно найти выражение для коэффициента затухания и групповой скорости как функции от координаты ъ

1- е-=т

а(г) =-—-— (1.26)

„(г) = = ^[1-^(1-;-=Т)]. (1.27)

После определения групповых скоростей в секциях, требуемая входная мощность рассчитана из инварианта (1.20). Процесс расчёта динамики частиц и геометрии ячеек в программах численного моделирования похож для структур как на бегущей, так и на стоячей волне, поэтому основы расчёта приведены ниже для ЛУЭ на стоячей волне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Савин, Евгений Александрович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.И. Шведунов, Новое поколение ускорителей электронов НИИЯФ МГУ // НИИ ядерной физики МГУ имени М.В. Ломоносова, 28 мая 2013, ресурс http: //nuclphys .sinp. msu.ru/nseminar/28.05.13.pdf.

2. P. Hayward, Radiography of welds using Selenium 75, IR 192 and X-rays // Proceedings of 12th A-PCNDT, 2006, Auckland, New Zealand, - 5p.

3. R.A. Mintern, J.C. Chaston, Gamma Radiography with Iridium 192 // Platinum metals rev., 1959,3,(1), p. 12-16.

4. S. Boucher et. al, Compact, inexpensive X-band linacs as radioactive isotope source replacements // Proceedings of IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, p. 4136-4138.

5. K. Floettmann, ASTRA. A space charge tracking algorithm // DESY, 2014. http: //desy.de/~mpyflo.

6. CST code // https://www.cst.com. Лицензия RadiaBeam Technologies, LLC.

7. B. Mouton, The PARMELA program. Version 4.03. // LAL/SERA 93-455, 1995.

8. M. Menzel, H. Stokes, User's guide for the POISSON/SUPERFISH. Group of codes. // LA-UR-87-115, 1987.

http: //laacg.lanl .gov/laacg/services/download_sf. phtml

9. P.B. Wilson, High energy electron linacs: Applications to storage ring RF systems and linear colliders // SLAC-PUB-2884 (Rev.) November 1991(A), Stanford University, Stanford, California 94309. - 96 p.

10. G.A. Loew, Elementary principles of linear accelerators, // SLAC-PUB-3221, 1983. - 91 p.

11. T. Wangler, RF Linear accelerators // Wiley series in beam physics and accelerator technology, New York, 1998. - 382 p.

12. V.G. Andreev, V.V. Paramonov, The distortion of the accelerating field distribution in compensated structures due to steady-state beam loading // Proceedings of PAC'95, Dallas, Texas, p. 1702-1704.

13. В.И Каминский, М.В. Лалаян, Н.П. Собенин, Ускоряющие структуры, Учебное пособие // М.: МИФИ, 2005.-294 с.

14. Н.П. Собенин, О.С. Милованов, Техника сверхвысоких частот: изд. 2е, перераб. и доп. // М.: Энергоатомиздат,2007, 543 с.

15. О.А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин, Диафрагмированные волноводы: Справочник // 1-е изд. М: Атомиздат, 1968; 2-е изд. // М: Атомиздат, 1978; 3-е изд., перераб. и доп. // М: Атомиздат, 1991.280 с.

16. E.A. Knapp, B.C. Knapp, J.M. Potter, Standing wave high energy linear accelerator structures // Review of Scientific instruments, 39 979 (1968), p. 979-991.

17. В.Г. Андреев, В.В. Пашковский, Ускоряющая структура с шайбами и трубками дрейфа для протонных линейных ускорителей // Журнал технической физики, Т.40, вып.3, 1970, с.523-528.

18. E.A. Savin, N.P. Sobenin, Biperiodic accelerating structure with inner coupling cells offering an increased coupling coefficient // Technical Physics, 2013, Vol. 58, No. 5, p. 760-765.

19. V.V. Paramonov, The cut disk accelerating structure for high energy linacs // Proceedings of PAC'97, p. 2962-2964.

20. N.P. Sobenin, B.V. Zverev, Electrodynamics characteristics of accelerating cavities // CRC Press, 1999. -288p.

21. Материал с ресурса http://hea.phys.msu.ru/Boss/user-files/gruppirovateli.pdf.

22. V.I. Shvedunov et al., C-band Linac Optimization for a Race-track Microtron // Proceedings of EPAC'08, Genoa, Italy, p.778-780.

23. C. Limborg, Y. Batygin et al., Code comparison for simulations of photo-injectors // Proceedings of particle conference (PAC 03), Portland, OR, May 2003, SLAC-PUB-10735. -3p.

24. C. Limborg et al., Comparison of parmela simulations with longitudinal emittance measurements at the SLAC gun test facility // Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, Portland, Oregon, p.3216-3218.

25. S. Kurennoy, Reliability and Accuracy of PARMELA for RF guns // RHIC e-cooling Workshop, BNL, 2006. LA-UR-06-3672.

26. H. Toru et al., Comparison of PARMELA simulation and measured parameters on SCSS prototype accelerator // Proceedings of 3rd annual meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Sendai, Japan, 2006, p.302-304.

27. ANSYS code: http://www.ansys.com/Products/Electronics/ANSYS-HFSS.

28. C. Nantista, S. Tantawi, V. Dolgashev, Low-Field Accelerator Structure Couplers and Design Techniques // Phys.Rev.ST Accel.Beams 7 (2004) 072001 SLAC-PUB- 10575.-19p.

29 . Завадцев А.А., Савин Е.А., et al., Расчет и настройка линейного ускорителя на 40 МэВ // Приборы и техника эксперимента, 2013, №4, с. 14-23.

30. A. Zavadtsev et al., RELUS-5 electron linac start-up // Proceedings of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, p.113-115.

31. А.А. Завадцев, С.В. Куцаев et al., Система инспекции грузов на основе дуального линейного ускорителя электронов // Приборы и техника эксперимента, 2011, №2, с. 1-9.

32. Е.А. Савин, А.А. Завадцев et al., Высокочастотный тракт линейного ускорителя электронов на 40 МэВ // Вестник НИЯУ МИФИ, 2014, том 3, №1, с. 71 -77.

33. А.Ю. Смирнов, А.А. Завадцев et al., Высокочастотные дефлекторы на бегущей волне для диагностики пучков заряженных частиц // Монография, 2014г., НИЯУ МИФИ, -190 стр.

34. Masao Nakamura, Theory of field strength determination in RF Structures by perturbation techniques // Japanese Journal of Applied Physics , V.7, No2, 1968, p. 146-155.

35. Charles W. Steele, A nonresonant perturbation theory // IEEE Trans. on MTT, Vol. MTT-14, No2, 1966, p.70-74.

36. E. Savin, M.V. Lalayan et al., Development of the software for the accelerating fields in linear structures measurement // Proceedings of RuPAC2014, Obninsk, Kaluga Region, Russia, p. 407-409.

37. Y.J.Pei et al., High power 10 MeV, 25 kW electron linac for irradiation applications // Proceedings of IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, p. 41424144.

38. V. Shvedunov, Low energy electron accelerators application // Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov State University, 10 November 2011. ресурс http://icc.ub.edu/congress/ESP-RUS2011/Talks_Presentations/Plenary_Sessions/10-11-11/Shvedunov.pdf.

39. Информация с ресурса: http://rb.mchs.gov.ru/.

40. D. Tronc, A new electron linac injector design up to 200 MeV // IEEE IPAC1991, 1991, p. 3008.

41. D. Tronc, Linac Accelerating structures // Proceedings of EPAC'94, London, England, 1994, p. 2164.

42. S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin et al., Design of hybrid electron linac with standing wave buncher and traveling wave structure // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 636(1): p. 13-30, Ap^l 2011.

43. D. Alesni et al., The design of a hybrid photoinjector for high brightness beam application // Proceedings of EPAC 20016, Edinburgh, Scotland, p. 2487 - 2489.

44. N.P. Sobenin et al., Magnetic coupled disk loaded waveguide // Proceedings of RuPAC-2010, Protvino, Russia, p.319 - 321.

45 . S.V. Matsievskiy, E.A. Savin et al., Hybrid electron linac with standing and travelling wave accelerating sections // Proceedings of IPAC2016, Busan, Korea, p. 1791-1793.

46. J. Jacob, Tutorial: RF Power Sources // SRF'2009 tutorial program.

47. G. Ya. Kurkin, Other RF power sources // Budker institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia, ресурс: http: //www.inp. nsk.su/students/radio/lectures/CAS/kurkin.pdf

48. Н.Д. Фёдоров, Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: изд. 2е, перераб. и доп. // М: Атомиздат, 1979, с.288.

49. Y. H. Chin, Design and performance of L-band and S-band multi beam klystrons // Proceedings of LINAC08, Victoria, BC, Canada, p. 369-373

50. A. Buenas et al., A high efficiency long pulse multi beam klystron for the tesla linear collider // Proceedings of HEACC 2001, Tsukuba, Japan, p.-3.

51. R. Seviour, Comparative overview of Inductive output tubes // European Spallation Source, 2011, ресурс: http://eval.esss.lu.se/DocDB/0002/000210/001/I0Treview.pdf.

52. M. D. Giacomo, Solid state RF amplifiers for accelerator applications // Particle Accelerator Conference, May 2009, Vancouver, Canada, p. 757-761.

53. J. Jacob, Radio Frequency Solid State Amplifiers // CERN Proceedings of the CAS-CERN Accelerator School: Power converters, Baden, Switzerland, 7-14 May 2014.

54. Ресурс: http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amplifier-classes.html.

55. Андреев В.Г., Определение геометрии структуры со знакопеременным ускоряющим полем на п/2-волне // Журнал технической физики, т.41, вып.4, 1971, с. 788-795.

56. http://www.inr.ru/mmf.html.

57. Парамонов В.В., Диссертация на соискание учёной степени д.ф-м.н. Компенсированные электродинамические структуры для ускорителей заряженных частиц // Москва, МИФИ, 2002 (на правах рукописи).

58. G. Burt, I. Burrows et al., Design and operation of a compact 1 MeV X-band linac // Proceedings of LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, p. 183-185.

59. T. Yamamoto et al., Design of 9.4 GHz 950 KeV X-band linac for nondestructive testing // Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, p. 2358-2360.

60. A.V. Smirnov, E.A. Savin, Hybrid-dielectric, slow wave structure with magnetic coupling and compensation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 820 (2016) p. 48-53.

61. P. Zhou, W. Gai et al., Construction and testing of an 11.4 GHz dielectric structure based traveling wave accelerator // Review of Scientific Instruments, Volume 71, Issue 6. 2000, p. 2301-2304.

62. D. Satoh et al., Dielectric assist accelerating structure // Physical review accelerators and beams, 19, 011302 (2016), p.-9.

63. P. Zhou, L. Xiao et al., A hybrid dielectric and iris loaded periodic accelerating structure // Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, p. 3966-3968.

64. V.V. Paramonov, General relations for mode parameters of compensated structures in the vicinity of operating point // XX International Linac Conference, Monterey, California, p.401-403.

65. S. Dobert, RF- Breakdown in High-Frequency Accelerators // High-Voltage Workshop, SLAC-PUB-10463, 2004, p. 60-63.

66. V. Dolgashev, S. Tantawi, W. Wuensch et al., Results from the CLIC X-band Structure Test Program at NLCTA // PAC 2009, Vancouver, BC, Canada, 2009, SLAC-PUB-13697, p.-4.

67. S. Boucher, A. Smirnov et al., Compact, Inexpensive X-band linacs as radioactive isotope source replacements // Proceedings of IPAC2013, Shanghai, China, p. 37463748.

68. J. Krupka et al., Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures // Meas. Sci. Technol. 10 (1999) p. 387-392.

69. D.W. Ellis, J. Singer, Well logging for Earth Scientists // 2nd edition, Springer 2007, p. 283-284.

70. J.B. Boyce et al., An electron linac as an x-ray source for measuring geological density, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 242 (1986) p. 507-510.

71. J. M. Potter et al., The Klynac: an integrated klystron and linear accelerator // AIP Conference Proceedings 1525, 178 (2013), p. 178-183.

72. J. Haimson, US Patent 4713581, 15 December 1987.

73. В.Е. Балакин, Н.П. Собенин, Н.А. Соляк, Линейные коллайдеры // М.: МИФИ, 1993. -120 с.

74. Z.D. Farkas, P.B. Wilson, Comparison of high group velocity accelerating structures // PAC 1987 Proceedings, p. 1561-1563.

164

75. J.P. Delahaye, I. Wilson et al., CLIC-a two-beam multi-TeV e+- linear collider // XX International Linac Conference, Monterey, California, 2000, p. 6-10.

76. Y.M. Shin et al, Design, Fabrication and RF Testing of Near-THz sheet beam TWTA // Terahertz Science and Technology, Vol.4, No.4, December 2011, p. 181-207.

77. A.V. Smirnov, Precursor wave induced by a bunch in an inter-digital structure // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 572 (2007) p. 561-567.

78 . M.D. Nunes, Hadron therapy Physics and Simulations // New York: SpringerVerlag, 2014, p.-95.

79 . https://www.anl.gov/

80 . http://www.radiabeam.com/

81 . A. Plastun et al., Beam Dynamics Studies for a compact carbon ion linac for therapy // Preprint of LINAC2016, East-Lansing, MI, USA.

82 . P. B. Wilson, RF breakdown in accelerator structures: from plasma spots to surface melting // Proceedings of LINAC 2004, Lubeck, Germany, SLAC-PUB-11086, March 2005, p.-3.

83 . T. Wangler, RF linear accelerators // Wiley series in beam physics and accelerator technology, p.-160.

84 . V.A. Dolgashev et al., RF Breakdown in normal conducting single-cell structures // Contributed to PAC'05, Knoxville, Tennessee, SLAC-PUB-11707,

p-5.

85 . V.A. Dolgashev, High magnetic fields in couplers of X-band accelerating structures // Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, Portland, Oregon, SLAC-PUB-10123.

86 . D.P. Pritzkau, RF Pulsed Heating // A dissertation for the degree of doctor of philosophy.

87 . S. Benedetti et al., RF design of a novel S-Band backward traveling wave linac for proton therapy // Proceedings of LINAC2014, Geneva, Switzerland, p. 992-994.

88 . S. Benedetti et al., Fabrication and testing of a novel S-band backward traveling wave accelerating structure for proton therapy linacs // Preprint of LINAC2016, East-Lansing, MI, USA.

89 . A. Grudiev, S. Calatroni, W. Wuench, New local quantity describing the high gradient limit of accelerating structures // Physical Review Special topics -accelerators and beams, 2009, p.-9.

90 . M.Li, S.J. Zinkle, Physical and Mechanical Properties of Copper and Copper Alloys // Comprehensive Nuclear Materials, Chapter 4, p. 667-690.

91 . D. Tronc, Traveling wave acceleration of protons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A327 (1993) p. 253-255.