Предварительная оценка длин ячеек

Расчет динамики пучка

Предварительная оценка длин ячеек

Предварительная оценка длин ускоряющих ячеек и соответствующих им амплитуд продольного электрического поля производилась, исходя из следующих основных требований:

1. Номинальная энергия ускоренного пучка электронов - 10 МэВ.

2. Ширина энергетического спектра ускоренного пучка на половине высоты – 0,5 МэВ.

3. Фазовая ширина сгустков ускоренного пучка электронов - 20¸25°.

4. Частота СВЧ поля -2856 МГц.

5. Длина ускоряющей структуры – 1,25 м.

6. Энергия инжекции – 50 кэВ.

7. Импульсный ток ускоренного пучка электронов – 430 мА.

8. Согласованность поперечных размеров пучка электронов с апертурой ускоряющей структуры.

9. Обеспечение максимально возможного коэффициента захвата.

Для выбора вышеуказанных параметров ускоряющей структуры была использована программа PARMELA [1], позволяющая производить расчёты динамики пучка в линейных ускорителях электронов с учетом пространственного заряда и реального распределения ускоряющего поля. При моделировании электромагнитных полей ускоряющих ячеек на первом этапе использовались стандартные поля, заложенные в программе. Из величины проектной длины ускорителя и частоты СВЧ поля следует, что для набора пучком энергии 10 МэВ, структура должна состоять из 24 ускоряющих ячеек. С практической и теоретической точек зрения оказалось удобным разделить ускоряющую структуру на две части: нерегулярную, состоящую из 3-х различных ускоряющих ячеек, и регулярную, в состав которой входят 21 идентичные между собой ячейки. Основными функциями нерегулярной части являются продольная группировка инжектируемого пучка, его поперечная фокусировка и ускорение до скорости близкой к скорости света. Регулярная часть производит дальнейшее ускорение электронного пучка до номинального значения энергии.

Выбор длин и амплитуд ускоряющего СВЧ поля ячеек нерегулярной части производился из следующих основных соображений:

• Первая ячейка должна обеспечивать модуляцию электронов инжектируемого пучка по скорости и их частичную продольную группировку.

• Во второй ячейке должны производиться окончательная группировка и захват сгруппированного пучка в процесс ускорения с целью получения необходимого энергетического спектра на выходе структуры и требуемой фазовой ширины сгустков.

• Значение фазы входа пучка в регулярную часть должно обеспечивать дальнейшее ускорение электронов до номинальной энергии.

В результате, были определены оптимальные значения параметров ускоряющих ячеек структуры, которые представлены в табл. 5.1.1, где № - номер ячейки, L_я - её длина, E_z – среднее значение амплитуды ускоряющего поля на оси ячейки.

Таблица 5.1.1. Значения основных параметров ускоряющих ячеек.

Полученные при этом основные параметры ускоренного пучка электронов представлены в табл. 5.1.2, в которой E – среднее значение энергии пучка, Dj - фазовая ширина сгустков, DE – энергетическая ширина, К_з – коэффициент захвата, определяемый как отношение количества ускоренных частиц в диапазонах Dj и DE к полному количеству частиц на входе в ускоряющую структуру, а < r>, < D>, < e_N >– среднеквадратичные значения радиуса пучка, расходимости и нормализованного эмиттанса соответственно.

Таблица 5.1.2 Основные параметры ускоренного пучка электронов.

Следует отметить, что в качестве параметров Твисса для входного пучка использовались a_Т =1,8, b_Т =8 см/рад при величине ненормализованного эмиттанса e =44 мм мрад (при этом значение нормализованного эмиттанса равно e_N = egb = 20 мм мрад, где g - релятивистский фактор, b - отношение скорости частицы к скорости света). Величина эмиттанса во многом определяется характеристиками катода электронной пушки, которые достаточно хорошо известны. Параметры же a_Т и b_Т подбирались таким образом, чтобы обеспечивалось согласование поперечных размеров ускоряемого сгустка частиц с апертурой структуры, а вариации их значений в небольших пределах не приводили к существенным изменениям основных характеристик ускоренного пучка. Импульсное значение тока инжектируемого пучка при расчётах динамики с учётом пространственного заряда выбиралось равным I₀ =0,7 А, что соответствует импульсному току ускоренного пучка I =0,45 А.

Для определения требований к точности установки параметров ускорителя исследовалась устойчивость характеристик ускоренного пучка по отношению к небольшим изменениям энергии инжекции, тока пучка и общего уровня ускоряющего СВЧ поля в ячейках. При этом выяснилось, что допустимые значения изменения параметров составляют:

• энергии инжекции - DE₀ = ±3 кэВ.

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

• уровня СВЧ поля - ±10%, при соответствующих изменениях энергии пучка в пределах - 9,095¸11,412 МэВ.