5.1.4 Учет характеристик электронной пушки

В соответствии с определёнными выше (п. 5.2.2) требованиями к инжектируемому пучку электронов была найдена геометрия электронной пушки (см. Раздел 5.4), показанная на рис. 5.1.3.

Рис. 5.1.3. Геометрия электродов электронной пушки.

При напряжениях U₁ =12,9 кВ на первом аноде и U₂ =50 кВ на втором аноде данная геометрия позволяет получить импульсное значение силы тока I = 0,8 А (микропервеанс P_ = 0,072 мкА/В^3/2_.). Для целей моделирования динамики пучка траектории электронов пушки были дополнительно рассчитаны с помощью программы EGUN [3]. На рис. 5.1.4 показаны траектории электронного пучка в пушке.

На основании полученных характеристик был создан входной файл для программы PARMELA. Это позволило исследовать динамику пучка электронной пушки в ускоряющей структуре. Предполагается, что конструктивно вторым анодом пушки будет служить внешняя торцевая стенка первой ускоряющей ячейки. Поэтому параметры пучка в сечении Z =29 мм электронной пушки являются входными для ускоряющей структуры. По эквипотенциальным линиям, изображённым на рис. 5.1.4, нетрудно заметить, что существует небольшое провисание потенциала вблизи оси симметрии в области второго анода, которое приводит к отличию энергии инжекции от проектного значения в сечении Z =29 мм (E_z=29 =39 кэВ).

Рис 5.1.4. Траектории электронного пучка в пушке.

По этой причине для получения входного файла к программе PARMELA использовалось сечение Z =36 мм, в котором энергия пучка электронов E_z=36 =49 кэВ. При этом амплитуда СВЧ полей в первой ускоряющей ячейке на расстоянии 7 мм от её начала (что соответствует Z =36 мм) достаточно мала, поэтому оказалось возможным исследование динамики пучка в ускоряющей структуре с укороченной на 7 мм первой ячейкой без существенного искажения реальной картины.

Рис. 5.1.5. Изображение и фазовый портреты пучка электронов на входе в первую ячейку (Z =36 мм).

На рис. 5.1.5, 5.1.6 и 5.1.7 показаны изображения, фазовые и энергетические портреты на входах в первую и вторую ячейку и выходе ускоряющей структуры, соответственно. Основные параметры ускоренного пучка представлены в табл. 5.2.7.

Таблица 5.2.7. Основные параметры ускоренного пучка электронов.

E, МэВ	 , град.	E, МэВ	Кз, %	<r>, мм	<D>, мрад	<N>,мммрад
9,914	25	0,6	60	1,868	1,205	32,5

Таким образом, основные характеристики пучка достаточно близки к проектным. Из рис. 5.1.7 видно, что поперечные размеры пучка на выходе ускорителя близки к размерам апертуры. Тем не менее, в области r=56 мм находится лишь 1% от общего числа ускоренных частиц. В табл. 5.1.8 показана расчётная мощность, выделяемая в ячейках ускоряющей структуры за счёт потерь частиц из процесса ускорения.

Таблица 5.1.8. Импульсная мощность, выделяемая в ячейках ускоряющей структуры за счёт потерь частиц из процесса ускорения.

№ ячейки	P, кВт	№ ячейки	P, кВт	№ ячейки	P, кВт
1	0.00000	9	4.50330	17	1.12812
2	0.04079	10	5.01249	18	1.73086
3	0.15067	11	4.05080	19	1.26760
4	2.05500	12	3.80438	20	0.06327
5	9.20108	13	3.83290	21	0.04932
6	8.21184	14	4.26786	22	0.04040
7	9.02832	15	1.85402	23	0.03274
8	6.22562	16	1.49753	24	0.04239
					68.0913

Дальнейший анализ свойств ускоряющей структуры с реальной геометрией ячеек и электронной пушки заключался в исследовании устойчивости характеристик ускоренного пучка по отношению к небольшим изменениям напряжений на первом и втором анодах пушки U₁ и U₂. Оказалось, что: а) возможны небольшие вариации напряжения U₁ в пределах U₁ =2 кВ; б) допустимы изменения импульсного значения входного тока в пределах I₀ =0,61,0 А, которые соответствуют изменениям напряжения U₂ в пределах U₂ =2 кВ; в) допустимы вариации общего уровня напряжения на анодах электронной пушки в пределах 3%.

Для оценки продольной группировки частиц в процессе ускорения на рис. 5.1.8 показан энергетический спектр ускоренного пучка (полное количество частиц, используемое в расчётах, составляло 10000).

Рис. 5.1.8. Энергетический спектр ускоренного пучка электронов.

Рис. 5.1.9. Зависимости среднеквадратичного размера пучка от номера ускоряющей ячейки для импульсных значений входных токов I₀ = 0 А и I₀ = 0,8 А

По рис. 5.1.9, на котором представлены зависимости среднеквадратичного размера пучка от номера ускоряющей ячейки для импульсных токов инжекции I₀ = 0 А и I₀ = 0,8 А, можно оценить влияние сил пространственного заряда на выходные характеристики сгустков электронов.

Таким образом, в результате произведённых расчётов были получены следующие характеристики электронной пушки, ускоряющей структуры и ускоренного пучка электронов:

1. Напряжение на первом аноде электронной пушки U₁ =50 кВ.

2. Напряжение на втором аноде электронной пушки U₂ =12,9 кВ.

3. Импульсное значение тока пушки I =0,8 А.

4. Средняя энергия ускоренного пучка электронов - E=9,914 МэВ.

5. Коэффициент захвата - К_з=60%.

6. Величина энергетического разброса на выходе структуры - E=0,6 МэВ.

7. Фазовая ширина ускоренного сгустка -  =25.

8. Среднеквадратичный радиус пучка на выходе структуры - <r>=1,87 мм.

9. Среднеквадратичный нормализованный эмиттанс - <_N>=32,5 мммрад.

10. Среднеквадратичная расходимость ускоренного пучка - <D>=1,205 мрад.

11. Допустимые изменения напряжения U₁ - U₁ =2 кВ.

12. Допустимые изменения напряжения U₂ - U₂=2 кВ.

13. Допустимое значение импульсного тока пучка на входе в структуру - I₀=1,0 А.

14. Допустимые вариации общего уровня напряжения на анодах пушки- 3%.

15. Импульсная мощность потерь пучка- P_ =68,1 кВт.

16. Импульсная мощность СВЧ потерь в ускоряющей структуре - 1,5 МВт.

17. Допустимые изменения общего уровня СВЧ поля - 5%

Для практического применения ускорителя необходимо знать размеры пучка на различном расстоянии от его выхода, в частности, чтобы оценить плотность тепловых потерь на выходном окне. На рис. 5.1.10 показана зависимость среднеквадратичного радиуса пучка от расстояния. Отметим, что практически все частицы пучка находятся в пределах трех среднеквадратичных радиусов.

Рис. 5.1.10. Изменение среднеквадратичного радиуса пучка с расстоянием от выхода ускоряющей структуры.