Требования к инжектируемому пучку

Основными параметрами инжектируемого пучка электронов, которые могут существенно повлиять на его динамику в процессе ускорения и, таким образом, сыграть немаловажную роль в формировании характеристик ускоренного пучка, являются поперечный эмиттанс e и параметры Твисса a_Т и b_Т. Ранее отмечалось, что величина поперечного эмиттанса e, используемая в расчётах составляет e =44 мм×мрад. Оптимизация же инжектируемого пучка электронов производилась путём подбора надлежащих значений параметров a_Т и b_Т. В табл. 5.1.3 приведены результаты соответствующих расчётов.

Таблица 5.1.3. Оптимальные значения параметров инжектируемого пучка электронов.

Анализ устойчивости выходных параметров показал, что вполне допустимы небольшие вариации в пределах a_Т =1,8±0,4 и b_Т =9±3 см/рад. На рис. 5.2.1 показаны поперечный и фазовый портреты пучка на входе в ускоряющую структуру при a_Т =1,8 и b_Т =9 см/рад.

Исходя из полученных данных, можно сформулировать основные требования, которых следует придерживаться при разработке электронной пушки.

· Расстояние от анода электронной пушки до кроссовера - z_кр =2,8 см.

· Допустимые отклонения в положении кроссовера - D z_кр =±0,4 см.

· Среднеквадратичный радиус пучка в кроссовере - < r_кр >=0,56 мм.

· Допустимые отклонения от < r_кр >- D< r_кр >=±0,11 мм.

· Максимальный импульсный ток инжектируемого пучка I₀ =0,8 А.

Рис. 5.1.1. Поперечный и фазовые портреты пучка электронов на входе в ускоряющую структуру.

5.1.3 Динамики пучка с расчётными полями ячеек

По определённым на первом этапе оптимальным значениям длин ускоряющих ячеек и амплитуд СВЧ поля были произведены расчёты распределения поля для геометрии реальных ячеек, оптимизация которых велась параллельно с расчетами динамики пучка. Оптимизация ячеек с осуществлялась с помощью 3-х мерных программ. Для повышения точности результата при расчете динамики пучка распределения полей для найденной геометрии ячеек были пересчитаны с помощью двухмерной программы SUPERFISH [2]. На рис. 5.1.2 приведена зависимость амплитуд продольного ускоряющего поля E_z на оси структуры от продольной координаты z для расчётной геометрии ячеек в сравнении со стандартными полями программы PARMELA, использовавшимися на первом этапе.

Амплитуды продольных электрических полей реальных ячеек имеют более выраженный максимум и узкую локализацию, чем стандартные поля программы PARMELA. По этой причине фактор пролётного времени в случае с полями реальных ячеек оказывается несколько большим. Это обусловливает, в свою очередь, несколько больший прирост энергии на длине структуры с выбранными средними значениями амплитуд продольных электрических полей и небольшую перегруппировку пучка на выходе первой ячейки. Поэтому при расчётах динамики пучка общий уровень поля выбирался таким образом, чтобы обеспечить необходимый прирост энергии на длине структуры. При этом, среднее значение амплитуды ускоряющего поля первой ячейки пришлось несколько уменьшить по отношению к полям других ячеек для достижения оптимальной группировки пучка. Итоговые значения параметров ускоряющих ячеек и пучка электронов на выходе ускорителя приведены в табл. 5.1.4 и 5.1.5 соответственно.

Рис. 5.1.2. Распределение амплитуд продольных электрических полей для расчётной геометрии ускоряющих ячеек в сравнении со стандартными полями программы PARMELA.

Таблица 5.1.4. Значения основных параметров ускоряющих ячеек при расчётах динамики пучка для реальных распределений полей.

Таблица 5.1.5. Основные параметры ускоренного пучка электронов.

Таким образом, коэффициент захвата при расчётах динамики пучка с реальными полями получился на 5% меньше, чем в случае с модельными полями, заложенными в программу PARMELA. Остальные же характеристики ускоренного пучка достаточно близки к тем, которые были получены ранее (см. табл. 5.1.2).

Дальнейший анализ свойств ускоряющей структуры с реальной геометрией ячеек, заключавшийся в исследовании устойчивости характеристик ускоренного пучка по отношению к небольшим изменениям энергии инжекции, тока пучка и общего уровня ускоряющего СВЧ поля, показал, что допустимые значения изменения параметров составляют:

• энергии инжекции - D E₀ =±2 кэВ.

• импульсного тока пучка на входе в структуру I₀ =0,9 А.

• уровня СВЧ поля - ±5%,

С помощью программы SUPERFISH были определены: СВЧ мощность, теряемая в стенках ускоряющей структуры, добротности и шунтовые сопротивления ускоряющих ячеек с коррекцией на эффект щелей связи. Результаты соответствующих расчётов приведены в табл. 5.1.6.

Таблица 5.1.6. Параметры ячеек ускоряющей структуры.

Здесь P _ст – мощность СВЧ потерь в стенках ячеек структуры для выбранных оптимальных средних значений амплитуды продольного ускоряющего поля E_z (см. табл. 5.2.4), P _{ст ,0} – мощность СВЧ потерь в стенках при E_z = 1 МВ/м, Q₀, Z_э – собственная добротность и эффективное шунтовое сопротивление ускоряющих ячеек соответственно. Таким образом, полная импульсная мощность СВЧ потерь в стенках ускоряющей структуры составляет около 1,5 МВт.