Анализ нагрузки током пучка ускоряющего поля ускорителя ЛУЭ-200 | Известия вузов. Физика. 2020. № 3. DOI: 10.17223/00213411/63/3/152

Анализ нагрузки током пучка ускоряющего поля ускорителя ЛУЭ-200

Обсуждается нагрузка током ускоренного пучка электронов ускоряющих полей в линейном ускорителе ЛУЭ-200 установки ИРЕН Объединённого института ядерных исследований (г. Дубна). ЛУЭ-200 состоит из двух ускоряющих секций на бегущей волне с рабочей частотой 2856 МГц с системами компрессии СВЧ-мощности SLED-типа. Определены пределы величины тока ускоренного пучка для различных длительностей импульсов тока пучка и уровней СВЧ-мощности, вводимой в ускоряющие секции. Результаты расчетов сравниваются с результатами измерений.

Current loading analysis of the accelerating field of the LUE-200 accelerator.pdf Введение Установка ИРЕН [1, 2] Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) является источником фотонейтронов ADS- (Accelerator Driving System) типа с драйвером - ускорителем ЛУЭ-200. Известно, что для электронов с энергией более 25 МэВ выход фотонейтронов из мишени линейно пропорционален энергии электронов. Темп набора энергии пучка ускорителя ЛУЭ-200 ограничен, с одной стороны, пределами электрической прочности ускоряющих структур, а с другой - эффектом нагрузки током пучка ускоряющего поля. Поэтому анализ свойств ускоряющей структуры и поиск оптимальных режимов для ускорителя ЛУЭ-200 с целью повышения мощности пучка и выхода нейтронов из мишени являются весьма актуальной проблемой. Ускоряющие секции ЛУЭ-200 представляют собой диафрагмированные волноводы с постоянным импедансом (постоянной геометрией), состоящие из 85 ячеек. Геометрия и внешний вид отдельной ячейки представлены на рис. 1. Характеристики ускоряющей секции представлены в табл. 1. В работе выполнены расчеты для пучка электронов, ускоренного в одной ускоряющей секции, запитываемой от клистронов трех типов: 5045 SLAC (максимальная мощность в импульсе 63 МВт), Е3730А Toshiba (максимальная импульсная мощность 50 МВт) и ТН2129 Thomson (максимальная импульсная мощность 20 МВт) с учетом использования системы SLED. Рис. 1. Геометрия (а) и внешний вид (б) отдельной ячейки ускоряющей секции Таблица 1 Рабочая частота f0 2855.5 МГц Групповая скорость Vгр = Vгр∙с 0.21∙с Внутренний диаметр ячейки 2b 83.75 мм Длина секции L 2.93 м Диаметр отверстия связи ячеек 2a 25.9 мм Собственная добротность Q0 13200 Толщина диафрагмы 6 мм Шунтовое сопротивление Rsh 51 МОм/м Период D 34.99 мм Собственное время УС a0 = 2Q0/ω0 1.471 мкс Вид колебания θ 2/3 Коэффициент затухания по полю α = 1/a0Vгр 0.108 м-1 Относительная фазовая скорость βф 1 Время заполнения Tf = L/Vгр 0.465 мкс Относительная групповая скорость βгр 0.021 Эффект подгрузки пучком поля ускоряющей структуры с постоянным импедансом Ускоряющее поле на оси структуры с постоянным импедансом (геометрией) вдоль продольной координаты z можно описать суперпозицией двух уравнений [3]: . (1) Первый член уравнения обусловлен полем внешнего генератора: , где - мощность генератора; - шунтовое сопротивление;  - коэффициент потерь в структуре. Второй член уравнения определяет поле, индуцированное в ускоряющей структуре электронным пучком со средним током . Предполагается, что пучок состоит из точечных сгустков (длительность сгустков много меньше длины волны), которые следуют с частотой рабочей моды колебания структуры f0 = ω0/2π. С помощью (1) легко получить потенциал, который приобретет пучок при ускорении в структуре: . (2) Из (2) видно, что существует ток пучка , при котором набор энергии в структуре длиной L будет равен нулю: . (3) Для ускоряющей структуры ЛУЭ-200 в стационарном режиме критические токи, полученные из выражения (3), представлены на рис. 2. Как видно из рисунка, существует сильная зависимость критического тока от мощности генератора. Для импульсного пучка величина критического тока может быть выше, но при этом в пучке будет значительный энергетический разброс, который можно исследовать, используя нестационарный режим возбуждения ускоряющей структуры. Рис. 2. Критический ток, который может быть пропущен через структуру при нулевом градиенте поля в стационарном режиме В нестационарном режиме изменение потенциала пучка будет определяться изменением мощности генератора и полем, индуцированным пучком, следующим уравнением [4]: . (4) Здесь  - время от начала инжекции в ускоряющую структуру первого сгустка пучка , где - длительность тока пучка); - постоянная времени ускоряющей структуры; - добротность структуры; - время заполнения структуры; Vгр - групповая скорость волны ускоряющего поля. Для случая, когда пучок влетает в ускоряющую структуру, уже полностью заполненную СВЧ-мощностью при можно записать , (5) где . Таким образом, в данном случае именно ток пучка и его длительность определяют максимальный энергетический разброс. В случае использования системы SLED [4] СВЧ-мощность, полученная от генератора, не стационарна во времени. Пусть нормализованная амплитуда импульса мощности на входе в ускоряющую структуру определяется зависимостью, показанной на рис. 3. Условием нормировки является , где - мощность генератора. Рис. 3. Импульс СВЧ-мощности на входе в ускоряющую структуру при использовании системы SLED Инверсия фазы для системы SLED осуществляется в момент времени t1 и длится до момента времени t2. В этом случае амплитуду волны Ein, поступающей в нагрузку и нормированную на амплитуду волны генератора Eg, можно записать в виде [5] (6) где , , , Pin - мощность, поступающая в нагрузку; βsl - коэффициент связи резонатора системы SLED; - нагруженная постоянная времени; ω0 - резонасная круговая рабочая частота; - нагруженная добротность; - собственная добротность резонатора. Индекс «sl» указывает, что параметр относится к резонатору системы SLED. Мощность, поступающая в нагрузку, будет записываться как . (7) В ускоряющей структуре будет распространяться волна СВЧ-мощности, определяемая выражением (7) , (8) а поле вдоль структуры, следовательно, определится как . (9) Рассмотрим период времени от момента переворота фазы генератора t1 до момента полного заполнения ускоряющей структуры СВЧ-мощностью, т.е. t1 ≤ t ≤ t1 + Tf. Другими словами, начало времени отсчета выберем за момент времени t1. Тогда потенциал, который приобретает пучок за счет поля внешнего генератора без учета нагрузки током пучка, в соответствии с (9) будет иметь вид , (10) а полный потенциал, приобретаемый пучком после пролета всей ускоряющей структуры с учетом излучения пучка при : . (11) Здесь подразумевается, что пучок всегда инжектируется в начальный момент времени, а импульс возбуждения ускоряющей структуры СВЧ-мощностью может быть сдвинут относительно инжекции пучка на величину t. Рассмотрим возбуждение ускоряющей структуры с параметрами, представленными в табл. 1, от системы компрессии мощности SLED ускорителя ЛУЭ-200 с характеристиками, указанными в табл. 2. Таблица 2 Рабочая частота f0 2855.5 МГц Добротность 86000 Коэффициент связи 5 Выберем время переворота фазы мкс, например, = 31 мкс, а время или = 3.6 мкс. С учетом (6) и (7) огибающая мощности, поступающей из резонаторов системы SLED в секцию, будет иметь вид, представленный на рис. 4. Рис. 4. Эпюры нормированной СВЧ-мощности, поступающей в ускоряющую структуру после системы SLED Рис. 5. Потери энергии пучка при разных токах пучка Ib: кр. 1 - Ib = 1 А; кр. 2 - Ib = 2 А; кр. 3 - Ib = 3 А Рассмотрим пучок с длительностью тока мкс в форме ступенчатого импульса. Без учета нагрузки током пучка оптимальным временем инжекции является момент, когда вся структура полностью заполнена СВЧ-мощностью. С учетом этого будем считать, что пучок инжектируется в ускоряющую структуру в момент времени . На рис. 5 представлены потери энергии частиц пучка , раcсчитанные в соответствии с (4) для различных величин тока ускоренного пучка. Полная энергия , приобретённая частицами пучка в соответствии с (11) после пролета через ускоряющую секцию ЛУЭ-200, рассчитанная в зависимости от длительности тока пучка, представлена на рис. 6 для разных токов и разных клистронов. Диаграммы рассчитаны при условии, что вся СВЧ мощность после умножения в системе SLED поступает в ускоряющую секцию. Рис. 6. Полная энергия, полученная пучком в ускоряющей структуре ЛУЭ-200 для различной СВЧ-мощности генератора (клистрона) и разных токов пучка Ib: а - ТН2129 + SLED, б - Е3730А + SLED, в - 5045 SLAC + SLED; кр. 1 - Ib = 1 А, кр. 2 - Ib = 2 А, кр. 3 - Ib = 3 А Из рис. 6 следует, что для клистрона ТН2129 +SLED (рис. 6, а) и для токов пучка 1, 2 и 3 A средняя энергия и разброс энергии равны 67, 62 и 57 МэВ и 1.2, 16 и 33 % соответственно. Для клистрона Е3730А + SLED (рис. 6, б) эти значения для токов 1, 2 и 3 А равны 108, 104 и 99 МэВ и 4, 5 и 14 % соответственно. А для клистронов 5045 + SLED (рис. 6, в) - 122, 117 и 112 МэВ и 5, 3 и 11 % соответственно для токов пучка 1, 2 и 3 А. Из этих оценок следует, что пучок длительностью 0.1 мкс нагружает ускоряющее поле так, что даже при относительно высокой средней энергии частицы пучка обладают значительным разбросом по энергии. Следует отметить, что полученные результаты качественно согласуются с результатами, полученными в измерениях энергетических спектров пучка ускорителя ЛУЭ-200 после первой ускоряющей секции при работе с клистроном ТН2129 Thomson, работающим с импульсной мощностью 17 МВт с системой SLED [2]. Очевидно, что для полного анализа результатов измерений необходимо учитывать также эффективность группировки пучка в реальном группирователе, который установлен на ускорителе. Такие расчеты проведены в работе [6] и подтверждают справедливость данного предположения. Заключение Из представленных модельных расчетов можно сформулировать следующие краткие выводы: - При уменьшении СВЧ-мощности, поступающей в ускоряющую секцию, происходит не только «сдвиг» энергетического спектра пучка частиц в область меньших энергией, но также расширение спектра, которое может привести как к непропорциональному снижению энергосодержания сгустка в отдельном цикле, так и к непропорциональному уменьшению средней мощности пучка. - Аналитические оценки показывают, что значения критических токов электронного пучка для ускоряющих секций ЛУЭ-200 находятся в диапазоне 3.0-3.5 А, что необходимо учитывать при поиске оптимальных режимов ускорения. - Для оптимизации режимов ускорения на ускорителе ЛУЭ-200 необходимо экспериментально исследовать свойства системы SLED и эффективность работы группирователя ускоряющей системы.

Ключевые слова

линейный ускоритель, клистрон, система компрессии СВЧ-мощности, нагрузка, пучок, Linear accelerator, klystron, microwave power compression system, load, beam

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Сумбаев Анатолий ПавловичОбъединённый институт ядерных исследованийк.ф.-м.н., начальник отдела ОИЯИsumbaev@nf.jinr.ru
Барняков Алексей МихайловичИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАНнауч. сотр. ИЯФ СО РАНskalpel@inbox.ru
Левичев Алексей ЕвгеньевичИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ИЯФ СО РАНA.E.Levichev@inp.nsk.su
Всего: 3

Ссылки

Novokhatski A.V. et al. // Proc. of the 2nd Workshop on JINR Tau-Charm Factory, 27-29 April 1993. - Dubna: JINR, 1994. - P. 197.
Belozerov A.V. et al. // Particles and Atomic Nuclei. Letters. - Dubna: JINR, 2010. - V. 7. - Nо. 7(163). - P. 923-932.
Wangler T. Principles of RF Linear Accelerators. - N.Y.: John Wiley & Sons, 1998. - P. 62-72.
Farkas Z.D. // Proc. of the 9th Int. Conf. on High Energy Accelerators, SLAC, Stanford, CA, May 1974. - 1974. - P. 576-586, SLAC-PUB-1453.
Wang J. // RF Properties of Periodic Accelerating Structures for Linear Colliders, SLACReport-339, July 1989.
Bondarenko T.V. et al. // Particles and Nuclei. Letters. - Dubna: JINR, 2016. - V. 13. - No. 7 (205). - P. 1432-1437.
 Анализ нагрузки током пучка ускоряющего поля ускорителя ЛУЭ-200 | Известия вузов. Физика. 2020. № 3. DOI: 10.17223/00213411/63/3/152

Анализ нагрузки током пучка ускоряющего поля ускорителя ЛУЭ-200 | Известия вузов. Физика. 2020. № 3. DOI: 10.17223/00213411/63/3/152