Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

М.А. Гусарова, В.И. Каминский, М.В. Лалаян, Н.П. Собенин

МУЛЬТИПАКТОРНЫЙ РАЗРЯД

ВСВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УЗЛАХ

ИЭЛЕМЕНТАХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

1

УДК 621.384.6 (075)

БКК 32.85я7

М63

Мультипакторный разряд в сверхвысокочастотных узлах и элементах ускорителей заряженных частиц / М.А. Гусарова, В.И. Каминский, М.В. Лалаян, Н.П. Собенин. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. − 124 с.

Изложены вопросы развития и подавления мультипакторного разряда в сверхвысокочастотных узлах и элементах ускорителей заряженных частиц. В первой главе рассмотрены вопросы развития и последствия мультипакторного разряда в высокочастотных устройствах ускорителей заряженных частиц. Во второй главе рассмотрены физические основы и теории развития мультипакторного разряда. В третьей − приведены основные методы и инструменты численного моделирования разряда. В четвертой − рассмотрены вопросы влияния мультипакторного разряда на характеристики современных ускоряющих структур.

Пособие предназначено для студентов НИЯУ МИФИ кафедры «Электрофизические установки». Также пособие может быть использовано студентами, обучающимися по специальностям, связанным с техникой СВЧ и электрофизическими установками.

Пособие подготовлено в рамках программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент кандидат технических наук А.А. Завадцев

2

ВВЕДЕНИЕ

Исследование высокочастотных разрядов низкого давления помимо самостоятельного научного интереса тесно связано с различными практическими применениями, одним из которых является создание сверхвысокочастотных (СВЧ) устройств, используемых в ускорительной технике. Во многих случаях разрядные процессы могут проявляться как сопутствующий мешающий фактор, нарушающий нормальную работу многих электронных систем. Для того чтобы избежать электрического пробоя используется вакуумная откачка, однако даже высокий вакуум не устраняет возможности возникновения в них специфического разряда, обусловленного процессами вторичной электронной эмиссии, так называемого мультипакторного разряда.

Интерес к изучению мультипакторных разрядов в микроволновых полях был вызван обнаружением низкоэнергетичных электронов в линейных ускорителях. В 1950-е годы был обнаружен [1] резонансный вторично-эмиссионный электронный микроволновый разряд (мультипакторный разряд), возникающий в вакуумных зазорах между металлическими поверхностями в мощных сверхвысокочастотных устройствах, используемых в линейных электронных ускорителях. Возбуждение разрядов сопровождается появлением большого потока низкоэнергетичных электронов в ускорительных промежутках наряду с высокоэнергетичными пучками электронов. Большое количество низкоэнергетичных электронов создает кулоновский заряд в ускорительных промежутках и влияет на расходимость и спектр ускоряемых высокоэнергетичных электронных пучков.

Повышение мощности ВЧ генераторов стимулировало также прикладные и фундаментальные исследования микроволновых разрядов. Эти исследования направлены на повышение электрической прочности выходных диэлектрических окон. Применение различных металлодиэлектрических устройств в вакуумных волноводных трактах при транспортировке в них мощного импульсного микроволнового излучения требует надежных знаний о механизмах возбуждения и подавления микроволновых разрядов в таких системах.

3

Эмпирически найденные методы предотвращения плазменных микроволновых разрядов в вакуумных системах, как правило, сводились к снижению уровня плотности потока ВЧ энергии, падающей на диэлектрики. Для подавления микроволновых разрядов на поверхности диэлектриков применялись также внешние электрические и магнитные поля и/или специальные покрытия, с помощью которых удавалось в ряде случаев предотвращать возникающий в результате микроволновых пробоев переход вторично-эмиссионных электронных разрядов в плазменную стадию.

Выполненные в этом направлении работы привели к определенным положительным результатам. Однако, несмотря на достигнутые успехи, проблема повышения электрической прочности диэлектриков, полупроводников и сложных металлодиэлектрических композитов в сильных ВЧ полях является актуальной и в настоящее время в связи со значительным прогрессом в развитии мощной нерелятивистской и релятивистской сверхвысокочастотной электроники.

Необходимость решения проблем мощной электроники, связанных с генерацией, транспортировкой и выводом микроволнового излучения, инициировала развитие фундаментальных исследований безэлектродных микроволновых разрядов на поверхности твердых тел в вакууме [2].

Исторически явление резонансной вторичной эмиссии (получившее в англоязычной литературе название мультипактора) было впервые обнаружено и описано Фарнсвортом (Farnsworth) в 1934 году [3]. Исследования мультипакторного разряда в газах в 30−40-х годах прошлого столетия привели к появлению первых теорий, дающих объяснение наблюдаемому явлению. К наиболее известным относится теория, выдвинутая в 1936 году Данильсоном (Daniellson), Хеннебургом (Henneburg) и др. [4], которая позволила получить резонансное условие для электронов, эмитирующих с поверхности с нулевой начальной скоростью.

Начало систематического исследования мультипакторного разряда приходится на 1940-е годы и связано с именами ученых

4

Оксфордского университета Гиллом (Gill) и фон-Энгелем (von Engel) [5]. В своей работе они впервые экспериментально обрисовали (наметили в общих чертах) часть области, чувствительной к мультипакторному разряду, и в дополнение выдвинули теорию, в которой учитывался тот факт, что скорость вторичных электронов не равна нулю. Для того чтобы избежать сложностей, связанных с учетом случайного распределения скоростей эмитирующих электронов, был введен постоянный параметр k, равный отношению скорости первичного электрона, ударяющегося о стенку к скорости вторичного, выбиваемого электрона. Такое предположение не имело под собой никакого физического обоснования. Более того, попытки применения теории к эксперименту претерпевали неудачи вплоть до 1950-х годов, когда Хатч (Hatch) и Уильямс (Williams) [4] заново переформулировали теорию, чтобы объяснить неудачу их собственного эксперимента. После чего приемлемое согласование теории и эксперимента было достигнуто. Так как Хатч и Уильямс поддерживали предположение Гилла и фон-Энгеля о постоянстве параметра k, вновь сформулированная теория получила название «константа-k» и именно эта теория в течение нескольких десятилетий считалась классической теорией мультипакторного разряда [1, 6], так как она приносила значительную практическую пользу, позволяя проводить построение кривых восприимчивости.

Позднее Вогхан (Vaughan) [3] выдвинул теорию альтернативную теории «константа-k», основанную скорее на теории Хеннебурга и вытекающую из её первых принципов. В своей теории Вогхан заменяет необоснованное предположение о постоянстве параметра k и делает предположение о моноэнергетичности начальной ненулевой скорости вторичных электронов. Другие исследователи [7,8], занимавшиеся данным вопросом позднее, заимствовали теорию Vaughan, дополняя и расширяя её.

В последующее десятилетие после экспериментов Хатча и Уильямса с СВЧ пробоем [4], мультипакторный разряд был обнаружен во всех типах СВЧ устройств, и его подавление стало основной задачей. В этот период был достигнут прогресс в

5

понимании физики мультипакторного разряда, а также технике его подавления. Однако полученные знания в большинстве своем так и остались в собственности разработчиков, занимающихся промышленным производством, и как следствие лишь малая часть этих знаний доступна в открытой литературе [9].

В связи с необходимостью в процессе построения теоретических моделей, описывающих процесс мультипакторного разряда, учитывать большое количество разносторонних факторов, большую роль в исследовании данного явления играют методы математического моделирования физических процессов. Однако, даже несмотря на колоссальные темпы развития вычислительных мощностей компьютерных систем, исследование непосредственно физики процесса мультипакторного разряда до сих пор остается довольно трудоемкой задачей.

За последние два десятилетия стоит отметить большую работу, которая проводилась в Хельсинском университете (Финляндия) и была посвящена исследованию мультипакторного разряда в коаксиальных линиях. В ходе этой работы была создана программа для расчета мультипакторного разряда в аксиально-симметричных конструкциях [10], которая по сей день используется многими лабораториями мира при расчете аксиально-симметричных СВЧ устройств.

Однако, несмотря на обилие экспериментальных данных, развитие теории мультипакторного разряда шло довольно медленно, и некоторые вопросы, до сих пор являются предметом интенсивных дискуссий.

6

Глава 1. МУЛЬТИПАКТОРНЫЙ РАЗРЯД

ВУСКОРИТЕЛЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

ИМЕТОДЫ ЕГО ПОДАВЛЕНИЯ

1.1.Негативные последствия мультипакторного разряда

иметоды его подавления

Возникновение мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц нарушает их нормальную работу, приводит к потерям СВЧ мощности, увеличению времени тренировки, нагреву структуры, а в некоторых случаях даже к пробою. Особую опасность мультипакторный разряд представляет для сверхпроводящих структур, так как его возникновение может привести к выходу устройства из режима сверхпроводимости из-за нагрева, обусловленного мультипакторным разрядом.

Для подавления мультипакторного разряда в СВЧ устройствах существуют следующие возможности: тренировка устройств СВЧ полями при постепенном увеличении подаваемой СВЧ мощности, применение внешнего электрического или магнитного поля, использование покрытий с малым коэффициентом вторичной эмиссии и изменение геометрии структуры. Тренировка – длительный процесс, который зависит от параметров возникающего разряда и того влияния на локальные загрязнения и свойства поверхности, которое он оказывает. Тренировка является неотъемлемой частью перед запуском любого CВЧ устройства на максимальное значение передаваемой мощности для волноводных устройств или максимальное значение ускоряющего градиента для резонаторов.

В некоторых случаях возможно подавление мультипакторного разряда за счет применения внешнего поля, как, например, в случаях с устройствами вводов мощности, в проектах SNS (Spallation Neutron Source) [11], рис.1.1,а, и TTF-III (Tesla Test Facility coupler type III) [12, 13], рис. 1.1,б, в которых наблюдалось возникновение мультипакторного разряда в коаксиальных линиях. Применение смещения постоянным полем (внешнее напряжение порядка 2...3 кВ), позволило изменить характер движения электронов и предотвратить возникновение мультипакторного

7

разряда. Аналогичная конструкция применена в ускорителе LHC

(Large Hadron Collider) [14].

Рис. 1.1. Схемы устройств ввода мощности: а) SNS; б) TTF-III:

1 – внешний проводник (холодная часть), 2 – центральный проводник (холодная часть), 3 – область СВЧ окна, 4 – внешний проводник (теплая часть), 5 – внутренний проводник (теплая часть), 6 – прямоугольный волновод, 7 – волноводно-коаксиальный переход, 8 – крышка, 9 – керамическое окно,

10 – датчик вакуумметра

Однако в некоторых случаях все приведенные выше меры не способны предотвратить возникновения мультипакторного разряда. В этом случае проблема может быть решена только путем изменения геометрии структуры. Изменение геометрии на данный

8

момент один из наиболее перспективных методов подавления мультипакторного разряда. За счет изменения геометрии происходит изменение в распределении электромагнитных полей, что в свою очередь ведет к изменению траекторий движения электронов в структуре, отклоняя их от резонансных значений. Одним из наиболее ярких примеров подавления мультипакторного разряда с помощью модификаци геометрии стало изменение формы области экватора ускоряющего резонатора с плоской на эллиптическую (рис.1.2). Это позволило, за счет изменившегося распределения магнитного поля, пеерстроить характер траекторий электронов с резонансного на затухающий и предотвратить появление мультипакторного разряда.

Экваториальная область ячейки

Траектории электронов мультипакторного разряда

Ось резонатора

Рис.1.2. Сравнение мультипакторных траекторий в прямоугольной и эллиптической формах СВЧ резонаторов

Возникновение мультипакторного разряда в ускоряющих структурах является одним из факторов, который ограничивает значение укоряющего градиента устройства. Особое внимание в настоящее время уделяется мультипакторному разряду в сверхпроводящих структурах, работающих при криогенных температурах, так как его возникновение может привести к квенчэффекту (выходу устройства из режима сверхпроводимости), что повлечет за собой значительные финансовые и временные потери. Поэтому в процессе выбора той или иной ускоряющей структуры обращается внимание на то, чтобы при всех прочих равных

9

характеристиках в структуре отсутствовал мультипакторный разряд.

1.2.Мультипакторный разряд в сверхпроводящих структурах

Внастоящее время большое внимание уделяется исследованию мультипакторного разряда в сверхпроводящих ускоряющих резонаторах эллиптической и омегообразной формы (рис. 1.3), так как именно в резонаторах данного типа удается получать рекордные значения ускоряющих градиентов [16÷24].

Рис. 1.3. Формы ускоряющих резонаторов эллиптической (а) и омегообразной формы (б)

10