5.1.6 Регулирование энергии пучка

Для расширения круга задач, решаемых с помощью ускорителя, важно обеспечить возможность регулирования энергии пучка на его выходе в достаточно широких пределах. В результате проведенных расчетов без фокусирующего поля мы получили жесткие ограничения на величину допустимого изменения амплитуды ускоряющего поля: ±5%. При вариации амплитуды поля энергия пучка на выходе ускорителя будет изменяться примерно в тех же пределах. Ограничения на величину изменения поля были получены при ограничениях на допустимое увеличение радиуса пучка и уменьшение коэффициента захвата. Введение фокусирующего поля позволяет существенно расширить диапазон регулирования энергии. На рис. 5.1.17(а) и (б) представлены зависимости энергии, среднеквадратичного радиуса ускоренного пучка и коэффициента захвата ускорителя от величины общего уровня СВЧ поля при отсутствии и наличии фокусирующего поля. В отсутствие фокусирующего поля (см. рис. 5.1.17(а)) уменьшение общего уровня СВЧ поля ниже 95% от оптимального значения приводит к превышению удвоенным среднеквадратичным радиусом пучка радиуса структуры. При этом среднее значение энергии ускоренного пучка равно E=9,3 МэВ, а коэффициент захвата снижается до 58%. При включении фокусирующего поля рассогласование радиуса пучка с поперечными размерами пролётного канала не наступает даже при снижении общего уровня СВЧ поля до 75% от оптимального значения. При этом энергия ускоренного пучка снижается до 6 МэВ, а коэффициент захвата составляет около 48%. Снижение коэффициента захвата объясняется недостаточной продольной группировкой частиц в первой ускоряющей ячейке и слабой поперечной фокусировкой пучка в группирующей части ускорителя из-за уменьшения амплитудного значения СВЧ поля.

(а) (б)

Рис. 5.1.17. Зависимости энергии, среднеквадратичного радиуса , и коэффициента захвата , от величины общего уровня СВЧ поля при выключенном (а) и включенном (б) фокусирующем поле.

Таким образом, использование фокусирующего витка с током (r₀=7,5 см, I_в=12 кА, B_z,max= 1 кГс, z₀ = 25 см) позволяет варьировать энергию ускоренного пучка в пределах E=610 МэВ с соответствующим изменением коэффициента захвата в пределах K₃=4860%.

5.1.7 Обратная бомбардировка катода

Электроны, не захваченные в режим ускорения, могут с достаточно большой энергией возвращаться на катод, вызывая его перегрев и сокращая срок службы. Данная проблема была изучена нами с помощью программы CST [4]. Расчеты проводились на макете из первых трех с половиной ускоряющих ячеек и трех ячеек связи, показанном на рис. 5.1.18 вместе с изображением распределения частиц в пучке в различные моменты времени.

Рис. 5.1.18. Расчет обратной бомбардировки катода. Стрелками показано распределение ускоряющего поля. Показаны распределения частиц в пучке в различные моменты времени с шагом в один период СВЧ поля.

Рис. 5.1.18 (продолжение). Расчет обратной бомбардировки катода. Стрелками показано распределение ускоряющего поля. Показаны распределения частиц в пучке в различные моменты времени с шагом в один период СВЧ поля.

Генерация частиц производилась с поперечным распределением близким к распределению электронов в начале первой ячейки ускорителя из описанных выше расчетов по программе PARMELA. Пучок был равномерно распределен по времени в течение одного периода СВЧ поля с полным зарядом 200 пКл, что соответствует импульсному току ~ 0,57 А. Начальная энергия электронов была задана равной 50 кэВ. По длине структуры были установлены мониторы пучка, позволяющие регистрировать заряд и энергию пучка в различных точках ускорителя. Также регистрировались заряд и энергия электронов вернувшихся в анодное отверстие пушки. Несколько завышая оценки мощности обратной бомбардировки, мы полагали, что все электроны, вернувшиеся к анодному отверстию, попадут на катод, при этом их энергия уменьшится на величину анодного напряжения.

Зависимость заряда вернувшегося на катод от времени изображена на рис. 5.1.19(а), зависимость энергии электронов вернувшихся на катод (без вычета анодного напряжения) показана на рис. 5.1.19(б). На графиках хорошо видны два пика. Первый пик соответствует электронам, вернувшимся из второй ускоряющей ячейки, второй – электронам прошедшим вторую ячейку и изменившим направление движения в третьей ускоряющей ячейке. Первая ускоряющая ячейка, играющая роль группирователя и имеющая малую амплитуду электрического поля на оси, не приводит к заметному потоку обратно движущихся электронов. Вклад электронов возвращающихся из последующих ячеек также является незначительным.

Результаты расчетов показали, что средняя энергия электронов, возвращающихся на катод, составляет E_кат = 225 кэВ – 50 кэВ =175 кэВ, заряд падающий на катод составляет q_кат = 15 пКл или 7,5 % от полного заряда сгустка. Таким образом, энергия, выделяемая на катоде обратно движущимися электронами за один период, составляет около 2,625 мкДж, импульсная мощность равна 7,5 кВт. На минимальной скважности работы ускорителя, q = 240, средняя мощность, выделяющаяся на катоде, может достигать 30 Вт – т.е. величины, сопоставимой с мощностью накала катода.

(а) (б)

Рис. 5.1.19. Зависимость от времени (а) заряда и (б) энергии электронов вернувшихся на катод от времени.

32