Гусарова Мултипакторный разряд в сверхвысокочастотных узлах 2011

Расчет мультипакторного разряда проводился для структуры с ячейками связи на оси, рассчитанной на частоту 5712 МГц, в диапазоне напряженностей электрического поля на оси структуры от 0 до 25 МВ/м. Коэффициент вторичной электронной эмиссии был задан в соответствии со значениями, характерными для меди, прогретой при температуре 300°С [39]. На графике (рис. 4.8) единице нормированного поля соответствует напряженность электрического поля на оси структуры 198 МВ/м. Видно, что возрастание пиков электронной активности присутствует при уровнях напряженности поля 2, 14, 20, 63 и 75 МВ/м (нормировано

0,01, 0,07, 0,1, 0,22, 0,32 и 0,38).

Прямое моделирование мультипакторного разряда и исследование отдельных траекторий движения электронов при опасных уровнях напряженности электрического поля показало, что мультипакторный разряд имеет место в ячейке связи. Характерное распределение электронов в структуре при опасных напряженностях электрического поля на оси структуры показано на рис. 4.9.

Рис.4.9. Область возникновения мультипакторного разряда

Исследование траекторий движения электронов при опасных уровнях поля также показало наличие стабильного мультипакторного разряда в ячейке связи. Примеры полученных траекторий при различных уровнях напряженности электрического поля представлены на рис. 4.10.

71

Рис.4.10. Примеры резонансных траекторий в ячейке связи при различных уровнях напряженности электрического поля: 9,9 МВ/м – (0,05) (а); 14,85 МВ/м (0,075) (б); 39,6 МВ/м (0,2) (в); 87 МВ/м (0,44) (г)

Также были обнаружены менее стабильные траектории в области ускоряющей ячейки, однако характер траекторий указывает на то, что эти уровни мультипакторного разряда могут быть погашены в процессе тренировки резонатора.

Для подавления стабильного мультипакторного разряда в ячейке связи в соответствии с рекомендациями [49] был увеличен радиус апертуры и проведены исследования модифицированной конструкции. На рис. 4.11 представлена конструкция с модифицированной ячейкой связи.

72

Рис.4.11. Конструкция бипериодической ускоряющей структуры с модифицированной ячейкой связи

Результаты расчетов подтвердили эффективность предложенного изменения конструкции в подавлении мультипакторного разряда.

4.4. Ускоряющая структура с шайбами и диафрагмами

Особое место среди бипереодических ускоряющих структур занимает структура с шайбами и диафрагмами, которая имеет на порядок больший коэффициент связи (до 0,5). На рис. 4.12 представлена конструкция структуры с шайбами и диафрагмами, рассчитанная на частоту 901 МГц [50 – 51].

Расчет структуры проводился в диапазоне напряженностей электрического поля на оси структуры от 0 до 115 МВ/м (рис. 4.13). Коэффициент вторичной электронной эмиссии был задан в соответствии со значениями, характерными для меди, прогретой при температуре 300°С [39].

73

Рис.4.12. Бипериодическая ускоряющая структура с шайбами и диафрагмами, рассчитанная на 910 МГц

Рис. 4.13. Опасные уровни поля для теплой ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами, рассчитанной на 910 МГц

Напряженность электрического поля на оси структуры равна 11,4 МВ/м. Возрастание пиков электронной активности присутствуют при уровнях напряженности электрического поля

0,1, 6,3, 19,4, 22,8, 28,5 и 43,3 МВ/м (нормировано 0,01, 0,55, 1,70, 2,00, 2,50 и 3,80).

При уровнях поля порядка 3 МВ/м (0,26) наблюдаются траектории в области штанги – держателя (рис. 4.14). При уровнях порядка 7 МВ/м (0,63) траектории наблюдаются между шайбами

74

(рис. 4.15). При высокой напряженности поля порядка 38 МВ/м (3,3) траектории присутствуют в области дна ускоряющего резонатора (рис. 4.16).

Рис. 4.14. Пример резонансной траектории при уровне поля 3 МВ/м

Рис. 4.15. Пример резонансной траектории при уровне поля 7 МВ/м

Рис. 4.16. Пример резонансной траектории при уровне поля 38 МВ/м

75

Таким образом, можно сделать заключение, что в данной структуре при низких уровнях напряженности электрического поля основной областью возникновения мультипакторного разряда является штанга. При повышении напряженности электрического поля наблюдается нестабильный мультипакторный разряд между шайбами. При высоких уровнях напряженности электрического поля областью возникновения мультипакторного разряда является дно резонатора. Для подавления мультипакторного разряда в области штанги необходимо изменение её геометрии. Мультипакторный разряд в области между шайбами носит нестабильный характер и может быть подавлен в процессе тренировки резонатора. Для подавления мультипакторного разряда при высоких уровнях напряженности электрического поля в области дна резонатора необходимо изменение геометрии ячейки резонатора с цилиндрической на эллиптическую.

4.5. Фотоинжектор PITZ

Фотоинжектор PITZ (Photo Injector Test Facility at DESYZeuthen), рассчитанный на частоту 1300 МГц, разработан в DEZY и представляет собой тестовую модель инжектора, предназначенного для использования в установках лазеров на свободных электронах и линейных коллайдерах [53, 54]. На рис. 4.17 представлена схема фотоинжектора PITZ.

Рис. 4.17. Схема фотоинжектора PITZ

76

Были проведены исследования электрической прочности инжекторного резонатора и влияние внешнего магнитного поля на характер мультипакторного разряда. На рис. 4.18 представлена исследуемая конструкция инжекторного резонатора PITZ.

Рис.4.18. Конструкция инжекторного резонатора PITZ

Рис. 4.19. Опасные уровни поля для инжекторного резонатора PITZ

Расчет структуры проводился в диапазоне напряженностей электрического поля от 0 до 70 МВ/м в центре целой ячейки. Коэффициент вторичной электронной эмиссии был задан в соответствии со значениями, характерными для меди, прогретой при температуре 300°С [39]. На рис. 4.19 приведены результаты расчета.

77

Нормировка поля осуществлялась на напряженность электрического поля в центре целой ячейки (13,7 МВ/м). Возрастание пиков электронной активности присутствует при уровнях напряженности электрического поля 0,14, 15,0, 30,1, 45,2, 59,0 МВ/м (нормировано 0,01, 1,1, 2,2, 3,3, 4,3).

Результаты исследования показали, что при низких уровнях поля (до 20 МВ/м) в структуре присутствуют нестабильные мультипакторные траектории в области ускоряющего резонатора, изображенные на рис.4.20, а. Также возможно возникновение стабильного мультипакторного разряда в области скруглений ячейки резонатора (рис. 4.20, б). Энергия соударения электрона с поверхностью в случае мультипакторного разряда в области скруглений ячейки резонатора составляет 60...70 эВ.

аб

Рис. 4.20. Примеры траектории при уровнях поля до 20 МВ/м:

вобласти ускоряющего резонатора (а),

вобласти скруглений ячейки резонатора (б)

При уровнях поля более 20 МВ/м наблюдаются устойчивые траектории в области перехода между ускоряющим резонатором и коаксиальным волноводом. На рис.4.21 представлены примеры полученных резонансных траекторий при различных уровнях напряженности электрического поля. Энергия соударения электронов с поверхностью составляет порядка 200...300 эВ, что приходится на пиковое значение коэффициента вторичной электронной эмиссии меди, а, следовательно, возникновение мультипакторного разряда имеет большую вероятность.

78

Для подавления мультипакторного разряда было предложено использовать внешнее магнитное поле [54]. На рис. 4.22 представлена конструкция с магнитами. Магнитное поле составляет 0,16 Тл.

а

б

Рис. 4.21. Пример резонансной траектории при различных уровнях поля:

а − 31,5МВ/м (2,3); б − 45,2 МВ/м (3,3)

79

Рис.4.22. Конструкция инжекторного резонатора PITZ с магнитами

Исследование мультипакторных траекторий с учетом внешнего магнитного поля показало, что сильное магнитное поле изменяет траекторию движения электронов в области перехода между ускоряющим резонатором и коаксиальным волноводом и предотвращает развитие мультипакторного разряда. На рис.4.23 представлены результаты расчета траекторий движения при уровнях поля 31,5 и 45,2 МВ/м, для частиц с начальными параметрами, идентичными траекториям, показанным на рис. 4.21.

Из рис. 4.23 видно, что сильное магнитное поле закручивает электрон и способствует затуханию движения, а, следовательно, предотвращает развитие мультипакторного разряда.

Таким образом, применение внешнего магнитного поля позволяет предотвратить развитие мультипакторного разряда в области перехода между ускоряющим резонатором и коаксиальным волноводом. Однако исследование структуры с учетом внешнего магнитного поля при уровнях электрического поля менее 20 МВ/м также показывает наличие стабильных траекторий в области дна ускоряющего резонатора (рис.4.24).

80