Все крупнейшие ускорительные проекты, разрабатываемые в мире в настоящее время, представляют собой коллайдеры (ускорители на встречных пучках), в которых, по сравнению с ускорителями с неподвижной мишенью, можно достичь больших энергий взаимодействия в системе центра масс.
Для проверки современных теоретических представлений в физике элементарных частиц (теория великого объединения, суперсимметрии), а также обнаружения новых частиц, ответственных за новые типы взаимодействий, требуется выйти на уровень единиц — десятков ТэВ по энергии сталкивающихся частиц и ~ 1033−1034 см~2-с~' по светимости.
На 2007 г. намечен пуск Большого адронного коллайдера — LHC, сооружаемого в Европейском центре ядерных исследований — ЦЕРН. Сталкивающиеся частицыпротоны с энергией 7 ТэВ, протяжённость кольца 27 км. Будут исследованы столкновения при рекордных энергиях, никогда не достигнутых прежде. Это даст возможность исследователям проникнуть ещё глубже в структуру материи • и воспроизвести картину мира ранней Вселенной непосредственно после «большого взрыва» .
Международным физическим сообществом на сегодня принято, что следующим после LHC ускорительным проектом на сверхвысокие энергии должен стать сверхпроводящий линейный электрон-позитронный коллайдер ILC (International Linear Collider) на энергию 0.5−1 ТэВ. Предполагается использовать технологию сверхпроводящих резонаторов, разработанную в рамках проекта TESLA [1, 2]. Поскольку в результате столкновения электронов и позитронов образуется энергия, из которой могут возникать новые частицы, результаты взаимодействия проще интерпретировать, и свойства новых частиц могут быть определены с высокой точностью. Выбор концепции линейного коллайдера обусловлен тем, что в кольцевых ускорителях при тэвных энергиях частиц потери на синхротронное излучение возрастают настолько, что циклическое ускорение электронов не представляется практически осуществимым. Этот проект стал бы идеальным дополнением к LHC по охватываемому спектру исследований по физике частиц и позволил бы изучить другие аспекты тех же проблем.
Одним из наиболее вероятных кандидатов на реализацию в дальнейшей перспективе (после ILC) можно считать проект CLIC (Compact Linear Collider) [3, 4], разрабатываемый в ЦЕРН на базе существующего ускорительного комплекса. Он является наиболее продвинутым по ряду решений. За счёт повышения рабочей частоты до 30 ГГц в основном варианте проекта [5] предусматривается достижение темпа ускорения 150 МэВ/м и энергии частиц 3 ТэВ, что существенно выше, чем в других проектах линейных коллайдеров. Главной целью на сегодня является изучение технической реализации ускорения пучка в структурах с бегущей волной при комнатной температуре, питаемых от вспомогательного драйверного пучка по схеме двухпучкового ускорения.
Проект CLIC построен по схеме двухпучкового коллайдера. Она, а также традиционная схема, представляют два направления, по которым на протяжении ряда лет велась разработка линейных «тёплых» электрон-позитронных коллайдеров.
В традиционной схеме электрон-позитронного коллайдера, принятой в проектах NLC (SLAC, Стэнфорд, США) [6, 7] и JLC (КЕК, Цукуба, Япония) [7, 8], используется клистронная схема СВЧ-питания ускоряющих структур. Это сопряжено с решением ряда технических проблем, главные из которых — необходимость разработки и высокая стоимость мощных клистронов, а также необходимость расположения большого числа согласованных между собой клистронов на протяжении всего ускорителя.
Двухпучковый ускоритель (ДПУ) строится на использованииодного вспомогательного — драйверного — сильноточного электронного пучка с относительно небольшой энергией для генерации высокочастотной электромагнитной мощности, которая подается в ускоряющие структуры для главного пучка.
В работе [9] впервые была высказана идея совмещения генерирующего и ускоряющего устройств в одной установке. Это положило начало изучению одноканального ДПУ, в котором драйверный и главный пучки распространяются в одном общем канале. В работе [10] исследовалась динамика ДПУ с диафрагмированным волноводом в качестве замедляющей системы. В ней СВЧ-поле, возбуждаемое драйверным пучком, служит для ускорения второго (главного) пучка.
Ещё одна разновидность двухпучкового ускорения, в которой драйверный пучок распространяется в плазменном волноводе [11], возможна в ускорителях ионов на бегущей волне, использующих для фокусировки электронный луч.
В расчётах [10] использовался метод «заданного тока», получивший распространение для моделирования СВЧ-систем линейных резонансных ускорителей. Метод базируется том, что пучок хорошо сгруппирован и может быть описан непрерывной последовательностью точечных сгустков, а динамика частиц в каждом сгустке считается неизменной. Метод наиболее эффективен для моделирования динамики ультрарелятивистских пучков, скорость которых практически постоянна. При разработке и оптимизации ускоряющих систем, влияние наведенного поля на пространственно-энергетическое распределение в пучке, форму токового импульса (называемое эффектом «нагрузки током») в данном приближении может быть учтено аналитическими методами.
Как показано в [12], при рассмотрении формирования, группировки и ускорения даже релятивистских пучков в протяжённых системах необходимо точно учитывать изменения скорости частиц и модуляции плотности пучка во внешнем и наведенных полях. Это требует решения самосогласованной задачи.
Самосогласованный расчёт динамики необходим и в СВЧ-электронике при изучении генераторов СВЧ и группирующих устройств. На начальной стадии процесса группировки пучок имеет немодулированную плотность при малом внешнем СВЧ-сигнале. На нелинейной стадии процесса, благодаря существенной нагрузке током, расширяется область синхронизма между пучком и полем волны.
При совмещении двух систем — источника СВЧ-излучения и ускоряемого пучка — в одном канале необходимо рассматривать комплексную задачу, в которой важную роль играет нагрузка электродинамической системы сильноточным драйверным пучком. Такая задача для одноканальной схемы ДПУ решалась в [13]. Показано, что при большом различии токов драйверного и главного пучка, нельзя получить большие значения КПД. Это обусловлено тем, что характерная длина, на которой драйверный пучок отдаёт свою энергию, оказывается много меньше длины, где достигает максимума энергия главного пучка.
Первое предложение о создании ДПУ с пространственно разделенными драйвером и главным ускорителем было сделано Э. Сесслером [14]. В предложенной схеме драйверный сильноточный электронный пучок распространяется по цепочке чередующихся генераторных и доускоряющих секций линейных индукционных ускорителей (ЛИУ). На входе драйвера необходимо обеспечить группировку пучка с энергией порядка десятка МэВ. В генераторной секции происходит возбуждение индуцированного излучения миллиметрового диапазона при прохождении сгруппированного пучка через резонаторы, используемые, например, в лазерах на свободных электронах — ЛСЭ [15] или в релятивистских клистронах [16, 17, 18, 19, 20]. В резонаторе накачивается электромагнитное поле, затем СВЧ-мощность полностью выводится из него для подачи в ускоряющие структуры главного ускорителя. В главном ускорителе электроны (позитроны) ускоряются с большим темпом набора энергии. Энергетические потери драйверного пучка на индуцированное излучение восполняются в доускоряющих секциях ЛИУ, где создаётся продольное электрическое поле. Пара генераторной и доускоряющей секций образует ячейку СВЧ-системы драйвера.
Особенность двухпучкового коллайдера CLIC заключается в том, что используется ультрарелятивистский драйверный пучок, обладающий высокой устойчивостью и не требующий доускорения. Отбор энергии от драйверного пучка осуществляется на большой длине в многочисленных участках вывода СВЧ-мощности.
Ранее в СВЧ-электронике возникло предложение использовать ускоряющее электростатическое поле для повышения КПД слаборелятивистских ламп бегущей волны (ЛБВ) (работы Е. Д. Белявского [21, 22]). В таких режимах усиление волны синхронным с ней электронным пучком происходит при постоянной фазовой скорости волны. Синхронизм пучка с волной поддерживается за счёт механизма, подобного автофазировке в линейных ускорителях.
В первых теоретических исследованиях драйвера ДПУ, включающего восстановление энергетических потерь пучка на индуцированное излучение, взаимодействие описывалось идеализированной моделью — принималось распределенным по всей длине драйвера. Аналитическая модель динамики драйверного пучка в ЛСЭ была построена в [15]- в [23] также рассматривалась динамика распределенного взаимодействия в ЛБВ и режим стационарного преобразования энергии электронов во внешнем ускоряющем поле в энергию электромагнитного излучения.
Однако, идеализированная модель позволяет ответить лишь на принципиальные вопросы. Поскольку реальная СВЧ-система ДПУ должна иметь секционированную структуру, а проходящий по ней электронный пучок значительно короче длины системы, то для описания динамики пучка и волны необходима более реалистичная дискретная модель. Теоретические исследования системы изолированных по СВЧ-полю ячеек, возбуждаемых предварительно сгруппированным пучком, были впервые выполнены в работе [24] и продолжены в [25, 26]. Показано, что последовательное возбуждение ячеек возможно при определенных условиях, зависящих от типа ячейки (примеры: согласованный отрезок волновода без обратной связи, высокодобротный резонатор).
В секции главного ускорителя необходимо вводить СВЧ-мощность в определенных фазах со строгими допусками, что приводит к требованиям на стабильность амплитудных и фазовых характеристик излучения по длине драйвера. Это требует решать сложную проблему временной стабильности драйверного электронного пучка и его воспроизведения от ячейки к ячейке.
В [24] показано, что неидентичность входных сгустков (описываемая пульсациями в энергиях и фазах) приводит к существенным осцилляциям амплитуды поля на выходе каждой генераторной секции и изменению фазы СВЧ-излучения от ячейке к ячейке. Амплитудные осцилляции нарастают от ячейки к ячейке.
В несвязанных между собой ячейках процессы возбуждения резонаторов протекают независимо, и фазы выходного излучения не коррелируют (случайны). Это препятствует воспроизведению пучка на входе в очередную ячейку.
Итак, для разработки драйвера с СВЧ-источниками на основе резонаторов и полным выводом мощности требуется разрешить ряд проблем, связанных с предварительной группировкой релятивистского пучка и обеспечением фазовой и амплитудной стабильности излучения как по времени, так и по длине драйвера.
В [27] показано, что при реальных допусках на параметры драйверного пучка и ЛСЭ погрешности фазы СВЧ-излучения неприемлемы для ввода в главный ускоритель. Для поддержания стабильности фазы предлагается сложная система обратной связи.
Чтобы обеспечить фазовую стабильность при выводе излучения на различных участках драйвера, Э. А. Перелынтейном была предложена схема двухпучкового ускорителя, в котором СВЧ-волна распространяется по всей длине драйвера и нигде не выводится полностью [3*, 4*]. При этом группировка электронов будет сохраняться за счёт автофазировки.
В настоящей диссертации теоретически исследуется схема драйвера такого ДПУ на основе ЛИУ [3*, 4*, 5*, 8*], свободная от трудностей, характерных для драйвера с полным выводом СВЧ-мощности в каждой ячейке драйвера. В этой схеме группировка электронного пучка производится при достаточно низкой начальной энергии (~ 1 МэВ), дальнейшее ускорение сгруппированного пучка до требуемой конечной энергии происходит в сопровождающей усиленной волне. При этом нигде в драйвере не осуществляется полный вывод СВЧ-мощности, и пучок распространяется синхронно с сопровождающей волной.
Существенная особенность новой схемы драйвера состоит в использовании волноводной электродинамической структуры без обратной связи. Поддержание мощности сопровождающей и выводимой волн возможно благодаря наличию «затравочной» волны (из группирователя пучка) и преобразованию энергии пучка во внешнем ускоряющем поле в энергию электромагнитного излучения. Благодаря этому можно использовать достаточно короткие пучки — много короче длины всей СВЧ-системы драйвера, но протяжённее размеров одной ячейки. Это позволяет ослабить ограничение на распространяющуюся СВЧ-мощность, накладываемое пробойными явлениями.
В изучаемой схеме ДПУ достигается высокий темп набора энергии (из каждой ячейки выводится импульсная СВЧ-мощность с пиковым значением порядка 100 МВт при длительности импульса в десятки наносекунд). Эта схема представляет интерес не только для коллайдеров, но и для линейных электронных ускорителей на меньшие энергии.
Группировка осуществляется непосредственно на драйверном пучке, в начале ускорителя, с использованием тех же электродинамических и ускоряющих систем, что и в основной части драйвера. В то же время разработанный группирователь может быть включён в качестве источника электронного пучка для других типов драйверных схем. Исследованы также группирователи электронного пучка другого вида — на лазерах на свободных электронах, которые представляют интерес как инжекторы пучка и источники СВЧ-мощности для линейных электронных ускорителей.
Актуальность диссертационной работы связана с тем, что исследованные в ней вопросы связаны с созданием линейных коллайдеров (новая схема двухпучкового линейного коллайдера), с разработкой источников излучения в миллиметровом диапазоне длин волн и группирователей интенсивных электронных пучков для линейных ускорителей, а также с созданием линейных ускорителей электронов с большим темпом набора энергии.
Целью диссертации является:
— исследование физических процессов в драйвере двухпучкового ускорителя с сопровождающей волной и определение требований к драйверу, обеспечивающих стабильность излучения, выводимого из драйвера для подачи в главный ускоритель;
— исследование особенностей группирователей сильноточных электронных пучков и источников излучения в миллиметровом диапазоне длин волн, которые могут быть использованы как в драйвере ДПУ с сопровождающей волной, так и в других драйверных схемах, а также в линейных электронных ускорителях на сравнительно небольшие энергии.
Научная новизна работы.
Путём численного моделирования исследована новая схема драйвера двухпучкового ускорителя — схема с сопровождающей волной, в которой сильноточный электронный пучок, получая энергию в секциях линейного индукционного ускорителя, преобразует её в СВЧ-мощность для секций главного ускорителя. Впервые подтверждены работоспособность схемы и выявлены её достоинства. Сформулированы требования к устройствам вывода мощности для поддержания фазовой стабильности системы, сделаны оценки для величин разброса набега фазы на ячейку вывода мощности, при котором величины фазовых и амплитудных нестабильностей приемлемы для передачи мощности в главный ускоритель коллайдера.
Разработано программное обеспечение для моделирования группировки пучка и транспортировки сгустков в ЛБВ с учётом энергетического разброса в пучке.
Разработана новая 1.5-мерная модель лазера на свободных электронах, который может быть использован в коллайдерах. Модель не требует существенных вычислительных ресурсов и вместе с тем учитывает главные физические процессы в ЛСЭ-усилителе.
Впервые экспериментально зарегистрирована группировка электронного пучка в группирователе на основе ЛБВ с помощью черепковского излучения.
Практическая ценность работы.
Исследованная схема драйвера двухпучкового ускорителя с сопровождающей волной может быть использована при проектировании линейных коллайдеров и линейных электронных ускорителей с большим темпом набора энергии. Результаты исследований послужили основой выполнения проекта РФФИ № 98−02−17 685, в рамках которого в ОИЯИ реализован группирователь пучка на основе ЛБВ.
Разработанная модель ЛСЭ-усилителя, не требующая существенных вычислительных ресурсов, пригодна для численного моделирования и определения основных параметров усилителя — инкрементов и уровня насыщения. Модель может быть использована при подготовке экспериментов для выбора рабочих параметров усилителей, а также в экспериментальных исследованиях ЛСЭ миллиметровых миллиметрового диапазона (мазеров на свободных электронах — МСЭ), проводимых в ОИЯИ совместно с ИПФ РАН.
В 2001 г. работа автора по теме диссертации была поддержана РФФИ (проект № 01−02−6 249), в рамках программы поддержки молодых учёных и специалистов.
Результаты работы использовались при выполнении других проектов, поддержанных РФФИ (№№ 97−02−16 643, 00−02−17 519, 03−02−16 530).
На защиту выносятся следующие положения.
Выполненное моделирование драйвера ДПУ с сопровождающей волной показывает, что существуют квазистационарные состояния драйверного пучка с сопровождающей волной. Подтверждены следующие достоинства схемы драйвера с сопровождающей волной: 1) отсутствие необходимости осуществлять группировку пучка при высоких энергиях ~ 10 МэВ- 2) отсутствие необходимости разрабатывать группирователь пучка как отдельное устройство- 3) возможность обеспечить в дискретной схеме ДПУ пространственную стабильность СВЧ-мощности. Показана возможность обеспечения фазовой и амплитудной стабильности СВЧ-волны. При выполнении сформулированных требований к устройствам вывода мощности (ограничений на фазовый сдвиг, допусков на амплитудные и фазовые отклонения) удерживается квазистационарное состояние пучка с высокой степенью группировки. Амплитудные и фазовые нестабильности сохраняются на уровне, приемлемом для передачи мощности в главный ускоритель коллайдера.
Моделирование группировки электронного пучка ускорителя ОИЯИ ЛИУ-3000 с энергией в диапазоне 1-^2 МэВ в лампе бегущей волны показывает, что высокая степень группировки может быть достигнута на небольшой длине, а при дальнейшем сопровождении пучка синхронной волной качество группировки сохраняется на протяжении как минимум нескольких метров. На основе моделирования переходного участка драйвера показана возможность экспериментальной проверки многократного вывода мощности при сохранении высокой степени группировки пучка на ускорителе ЛИУ-3000.
Разработанная в приближении спирального движения электронов 1.5-мерная модель ЛСЭ-усилителей со спиральными вигглерами, работающих в разных режимах по отношению к продольному магнитному полю, позволяет получить результаты с точностью, близкой к точности трёхмерного моделирования, используя значительно меньший объем вычислительных ресурсов. Модель учитывает эффекты пространственного заряда и важнейшие процессы, определяющие динамику ЛСЭ-усилителя.
В экспериментах, выполненных с ЛБВ-группирователем для модели драйвера ДПУ на ускорителе ЛИУ-3000 при энергии ~ 0.6 МэВ, получены уровень мощности волны и степень группировки пучка, соответствующие расчётным. Электронные сгустки поддерживаются в сопровождении усиленной СВЧ-волны и разрушаются в отсутствие волны.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1*-18*], докладывались на российских и международных конференциях и семинарах: на VI и VII Европейских конференциях по ускорителям частиц (Стокгольм, Швеция, 1998; Вена, Австрия, 2000), международных конференциях по ускорителям частиц (Ванкувер, Канада, 1997; Нью-Йорк, США, 1999), XVII Международной конференции по ускорителям высоких энергий (Дубна, 1998), 26-й Международной конференции по лазерам на свободных электронах (Триест, Италия, 2004), Международной рабочей встрече «Мощные микроволны в плазме» (Нижний Новгород, 2002), 12-й Международной конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Хайфа, Израиль, 1998), XV и XIX Международных семинарах по линейным ускорителям заряженных частиц (Алушта, Украина, 1997 и 2005), XVII Международном семинаре «Плазменная электроника и новые методы ускорения» (Харьков, Украина, 2000), XIX Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 2004), II, III и VI Научных семинарах памяти В. П. Саранцева (Дубна, 1997, 1999 и Алушта, 2005), VII и IX Всероссийских Школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Звенигород, 2001 и 2003), III—V Научных конференциях молодых учёных и специалистов ОИЯИ (Дубна, 1999, 2000, 2001), а также на научно-методических семинарах ЛФЧ и ЛЯП ОИЯИ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 111 страниц, включая 51 рисунок, 3 таблицы и список литературы на 12 страницах из 102 наименований, 18 из которых посвящены теме диссертации.
Основные результаты работы.
Впервые исследована новая схема драйвера двухпучкового ускорителя — драйвера с сопровождающей волной. В этой схеме сгруппированный электронный пучок распространяется в сопровождении усиленной СВЧ-волны, что обеспечивает автофазировку и устойчивую продольную группировку пучка вдоль всего драйвера. Достоинствами данной схемы являются: возможность обеспечения фазовой и амплитудной стабильности СВЧ-волны, отсутствие необходимости в ускорении пучка до энергий ~ 10 МэВ и группировке при этих энергиях, а также в разработке группирователя пучка как отдельного устройства.
1. В численном моделировании показано, что сильноточный электронный пучок, предварительно сгруппированный на низких энергиях (~ 1 МэВ), может быть ускорен до энергий ~ 10 МэВ при сохранении высокой степени группировки. Далее драйверный пучок может распространяться в сопровождении СВЧ-волны на протяжении сотен метров, сохраняя высокую степень группировки. При этом энергия, передаваемая пучку ускоряющим полем, преобразуется в СВЧ-мощность.
2. Изучена проблема фазовой и амплитудной нестабильностей СВЧ-волны, выводимой из драйвера в главный ускоритель. Получены ограничения на фазовые возмущения в устройствах вывода мощности, при которых нестабильность выводимой волны остается в допустимых пределах.
При систематическом набеге фазы на ячейку вывода мощности в пределах десятка градусов можно удержать квазистационарное состояние драйвера, в котором сохраняется группировка пучка и стабильное преобразование энергии ускоряющего поля в СВЧ-мощность.
При разбросе набега фазы на ячейку вывода мощности на уровне нескольких долей градуса фазовые и амплитудные нестабильности имеют достаточно малый масштаб, приемлемый для передачи мощности в главный ускоритель коллайдера.
Таким образом, показана работоспособность схемы драйвера с сопровождающей волной и подтверждены её достоинства.
3. Для исследования группирователя пучка на лазере на свободных электронах разработана новая 1.5-мерная модель ЛСЭ-усилителей со спиральными вигглерами. Модель применима для ЛСЭ, работающих в различных режимах — как по отношению к влиянию эффектов пространственного заряда, так и в зависимости от внешних полей.
ЛСЭ с ведущим магнитным полем разной ориентации и без него). Определены ограничения на применимость модели и сформулированы оценочные критерии. Разработанная модель успешно испытана путем сравнительного анализа с результатами трехмерных расчётов и в меньшей степени — в сравнении с экспериментальными данными ЛСЭ в различных режимах работы. Модель, учитывающая важнейшие процессы в ЛСЭ-усилителе, позволяет получить результаты с точностью, близкой к точности трехмерного моделирования, требуя значительно меньше вычислительных ресурсов.
4. Теоретически исследованы динамика сильноточного электронного пучка в ЛБВ-группирователе и транспортировка сгруппированного пучка в сопровождающей волне. Получена высокая степень группировки электронного пучка с энергией 1−2 МэВ на расстоянии 0.5−1 м. Показано, что электронные сгустки поддерживаются в сопровождении усиленной СВЧ-волны на расстоянии не менее 5 м и разрушаются в отсутствие волны.
5. Выполнено моделирование динамики ЛБВ-группирователей пучка ускорителя электронов ЛИУ-3000 с энергиями ~ 0.6 и 0.8 МэВ. Экспериментально зарегистрированы группировка пучка с энергией ~ 0.6 МэВ и поддержание сгустков в сопровождении усиленной СВЧ-волны. Уровень мощности волны и степень группировки пучка соответствуют расчётным величинам.
6. В моделировании переходного участка драйвера для пучка ускорителя электронов ЛИУ-3000 показана возможность неоднократного вывода мощности при сохранении высокой степени группировки пучка. Для рабочих параметров пучка выводимая СВЧ-мощность может достигать 10−15 МВт на секцию.
Благодарности.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность за большое внимание и постоянную помощь в научной работе своему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Э. А. Перелыптейну. Также автор благодарит к.ф.-м.н. А. К. Каминского, к.т.н. С. Н. Седых и А. П. Сергеева за сотрудничество в экспериментальной работе, полезные обсуждения и советы, к.ф.-м.н. Л. В. Бобылеву за консультации и помощь при подготовке программного обеспечения для расчётов группирователей пучка, к.ф.-м.н. В. И. Казачу за сотрудничество в выполнении моделирования, к.ф.-м.н. А. Б. Кузнецова за интерес и внимание к работе. Особую благодарность автор выражает члену-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору А. Н. Лебедеву за ценные указания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
