Ускорители заряженных частиц являются в настоящее время не только основным средством исследований в области фундаментальных свойств материи, физики элементарных частиц и атомного ядра, но и находят широкое применение в промышленности, медицине и других сферах деятельности человека. Развитие научной деятельности, как в фундаментальном, так и в прикладном направлениях, стимулирует потребность в дальнейшем и все более тщательном исследовании процессов, определяющих функционирование ускорительной техники, в частности, радиационную стойкость ее узлов и элементов.
Подавляющее число действующих ускорителей спроектировано и изготовлено на основе расчетов, в которых учитывалось только взаимодействие пучка заряженных частиц с ВЧ и магнитными полями. Такой подход был в известной степени оправдан на начальном этапе развития ускорительной техники. Но в последнее время изменились требования, предъявляемые к пучкам: минимальные потери частиц, высокая мощность пучка и др. В этой связи возникает необходимость всестороннего анализа процессов, происходящих в ускоряющих структурах [1].
Не претендуя на полноту картины физических процессов в высокочастотных (ВЧ) системах, можно на основе литературных данных охарактеризовать наиболее важные из них следующим образом.
В ускорителях заряженных частиц, и не только в них, а в любом устройстве, где есть ВЧ поле, как правило, существует ВЧ разряд низкого давления, обусловленный процессами ионизации остаточного газа. Характерная картина плазмообразования в ускоряющем канале ионного ускорителя показана рис. 1.0.1.
На рисунке обозначено: 1″ - ионы, N — молекулы остаточного газа, еиэлектроны, образовавшиеся при ионизации остаточного газа, ею — электроны автоэмиссии, еет — электроны вторичной эмиссии, еф — электроны фотоионизации, есв — свободные электроны, ТИ — тормозное излучение электронов, УФИ — ультрафиолетовое излучение ионного инжектора [1].
Рис. 1.0.1. Характерная картина плазмообразования в ускоряющем канале ионного ускорителя.
Роль первоначального переносчика энергии от ВЧ поля к участкам плазмообразования могут выполнять свободные электроны, всегда имеющиеся в межэлектродном пространстве. Данный механизм подробно описан в имеющейся литературе, однако следует отметить, что в процессе предварительной ионизации немаловажную роль играют электроны вторичной эмиссии, образующиеся главным образом при попадании ионов ускоряемого пучка на поверхность ВЧ электродов. Этот фактор может привести к срыву ВЧ колебаний и быть определяющим с точки зрения работоспособности системы в целом. Это первое [1].
Второе. При достаточно хорошем вакууме и больших напряженностях электрического поля значительную роль может сыграть наличие электронов автоэмиссии, способных в случае отсутствия специальных мер привести также к срыву ВЧ колебаний [1].
Здесь следует разделить процесс плазмообразования на два случая: с пучком и без пучка.
При запуске первых резонансных ускорителей возникали трудности, связанные с вводом ВЧ мощности в резонатор или волновод. Ведь система ВЧ питания линейного ускорителя предназначена для создания мощных электромагнитных полей в самом резонаторе или волноводе.
В работе [1] был зафиксирован эффект отражения мощности на входе в полиаксиальный резонатор, настроенный на частоту 148,5 МГц.
В процессе запуска ускоряющей структуры ИЯИ Сибирского отделения АН РФ, выполненной специально для получения сверхсильных ускоряющих полей, выяснилось, что повышение мощности слабо влияет на рост напряженности вследствие нагрузки резонатора автоэмиссионным током [2].
В ЛУЭ с авторезонансным ускорением основное проявление бесполезного расходования ВЧ мощности связано с горением ВЧ разряда низкого давления [1]. Особенно сильно этот процесс резонансного поглощения мощности проявлялся вблизи области циклотронного резонанса, что может привести к снижению выходной энергии ускоряемой части пучка.
Обычно так называемый мультипакторный разрядный эффект преодолевается после более или менее длительных тренировок резонатора ВЧ полем. В отдельных случаях тренировки могут продолжаться несколько сотен часов [3} Кроме того, преодоление этого эффекта возможно при достаточно быстром нарастании ВЧ поля. Возможна также подача постоянного потенциала на один из электродов. Применяются различные покрытия электродов материалами, имеющими значение коэффициента вторичной эмиссии меньше единицы. Улучшение вакуума также облегчает ввод мощности в резонатор. Насколько эта проблема серьезна, говорит тот факт, что по этой причине некоторые ускорители не были запущены.
В этой связи следует упомянуть и создание в 1952 году сверхмощного резонансного ускорителя на основе резонатора типа Альвареца для наработки плутония [4]. Выйти на проектные параметры разработчикам не удалось из-за низких значений пробойных напряжений в ускоряющих зазорах. В работе [1] представлены два возможных объяснения этому явлению: влияние на электродинамические характеристики (добротность) самой вводимой мощности и наличие мощного магнитного поля в сочетании с сильно развитой поверхностью вакуумного кожуха и резонатора. Резонатор имел диаметр 18 м., трубки дрейфа — 3 м. Авторы [1] впервые указали на специфическую роль магнитного поля. Они доказали, что наличие магнитного поля способствует увеличению длины свободного пробега электронов и, следовательно, возникновению плазмы ВЧ разряда низкого давления в резонаторах и волноводах, приводящей к снижению уровня предельной ВЧ мощности, уменьшению добротности и шунтового сопротивления.
Аналогичной проблемой [1,5], уже связанной с космическим пространством, является трудность осуществления связи со спутниками в СВЧ диапазоне. Известно, что вокруг спутников из-за ВЧ разряда образуется плазменное облако, мешающее работе радиопередающих устройств. Несомненно, что на возникновение разряда оказывает влияние ионизирующее излучение космического пространства.
В работе [6] отмечалось, что влияние на отражение радиоволн от ионосферы Земли зависит от степени ионизации атмосферной среды и частотного диапазона радиоволн.
В работе [7] значительное внимание уделено свойствам электронно-ионной плазмы в высокочастотных полях. Существует большая группа СВЧ приборов, основанных на прохождении сверхвысокочастотного тока через электронно-ионную плазму. В этой работе отмечается, что многие вопросы, связанные с плазмой, остаются невыясненными до сих пор.
Опыт запуска перечисленных выше установок и вопросы, связанные с выявленными трудностями, показывают важность проблем, требующих незамедлительного решения.
Предварительные исследования, проведенные в МИФИ [1], показали, что исследование влияния ионизирующего излучения на газоразрядные и электродинамические характеристики резонаторов помогает решению данных проблем.
В разделе 1 данной диссертации представлено современное представление о физике газового разряда в переменных электромагнитных полях при наличии ионизирующих излучений. Дано описание высокочастотного разряда в отсутствие внешнего ионизирующего излучения. Предлагаются пути и методы решения вопроса воздействия внешних ионизирующих факторов на инициацию и развитие разряда. Приведены результаты экспериментальных исследований и предварительный анализ механизмов влияния излучения на разряд низкого давления в резонаторах.
Второй раздел посвящен математическому моделированию и теоретическому исследованию ВЧ разряда в газе в присутствии внешней ионизации. Проведен анализ факторов влияния ионизирующего излучения на ВЧ разряд в квазистатическом приближении. Приведено решение модифицированных уравнений Больцмана для ионизованного газа применительно к случаю комбинированного воздействия. Обсуждаются результаты тестовых расчетов, проведен анализ полученных результатов.
Третий раздел посвящен экспериментальному исследованию процессов генерации плазмы и перехода к самостоятельному ВЧ разряду в резонаторах под действием внешнего излучения. Изучено влияние статического поля как одного из основных ионизирующих факторов в газонаполненных приборах. Приводятся результаты исследования влияния внешнего ионизирующего излучения на процессы зажигания и горения ВЧ и статического газового разрядов, а также исследования возможности использования ультрафиолетового излучения для инициации газового разряда в ВЧ источнике ионов.
Обсуждаются и комментируются результаты экспериментальных исследований.
Существо и научная новизна диссертации нашла отражение в 5 печатных работах. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на Научных конференциях МИФИ в 2003, 2004 году.
Структура и объем диссертации
.
Материалы диссертации, изложены на 112 страницах, включая 46 рисунков и, состоят из Введения, 3-х разделов, Заключения, а также списка литературы из 66 наименований на 5 страницах.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. С помощью экспериментальных исследований показано влияние внешнего статического электрического поля на величину ВЧ мощности, при которой зажигается разряд. Показано, что до некоторого предела наличие слабого электрического поля способствует диффузии электронов на электроды, тем самым затрудняя ВЧ разряд. Установлено, что, начиная с некоторого значения, достаточно близкого к напряжению зажигания в постоянном электрическом поле, преобладающим механизмом является ионизация, облегчающая условия зажигания ВЧ разряда и пробоя.
2. Установлено, что напряжение зажигания уменьшается, в частности, в 2,5 раза при плотности потока электронов порядка 3.1012 частиц в секунду на квадратный сантиметр. Показано влияние внешнего ионизирующего излучения на мощность, необходимую для зажигания ВЧ разряда. Установлено, что величина мощности может уменьшаться приблизительно в 4 раза при плотности потока электронов порядка 5−1012 электронов в секунду на квадратный сантиметр.
3. Исследовано влияние ультрафиолетового излучения на процесс зажигания ВЧ разряда в газовой камере ВЧ источника ионов и на электродинамические характеристики резонатора с плазменной нагрузкой. Показано, что АЧХ резонатора без облучения и при его наличии существенно отличаются. В частности, существенно изменяется добротность резонатора с плазменной нагрузкой. УФИ стимулирует зажигание разряда, по крайней мере, в исследованном диапазоне значений параметров, что позволяет показать уровень вводимой ВЧ мощности для работы источника, повысив его КПД.
4. Разработан алгоритм решения задачи об учёте внешнего ионизирующего излучения на порог зажигания ВЧ разряда в общем виде. На примере статического поля проанализированы качественные характеристики изменения данной зависимости (смещение «кривой Пашена»). В частности признано целесообразным комбинированное воздействие ВЧ и статического электрического поля рассчитывать с помощью модифицированного уравнения Больцмана для ионизированного газа, в котором коэффициент диффузии электронов и скорость дрейфа в статическом поле связаны с соотношениями, учитывающими «эффективное» значение диффузионной длины.
5. Составлена программа расчета пробойных напряжений газового разряда по полученным уравнениям модифицированного уравнения Больцмана. Проведены тестовые расчеты и проведено сравнение с известными экспериментальными и расчетными результатами. Результаты сравнения представляются удовлетворительными, что дают возможность говорить о разработке отечественного варианта такой программы, обладающей расширенными и выполненной на современном уровне.
6. Предложена и разработана методика экспериментальных исследований ВЧ структур на стадии предварительного моделирования с целью выявления основных факторов, определяющих условии ионизации и зажигания разряда при наличии внешних ионизирующих факторов в комбинированных полях. Данная методика может быть рекомендована к использованию при расчете по разработанной программе на стадии проектирования и при определении характеристик проектируемых ВЧ структур, находящихся в зоне радиации.
3.5. Выводы.
В этом разделе приведен обширный экспериментальный материал, связанный с изучением влияния статического электрического поля как одного из основных ионизирующих факторов в газонаполненных резонаторах. Приведены результаты исследования влияния высокочастотного разряда на электродинамические характеристики резонаторов. Приведены рекомендации по снижению негативного влияния плазмы, обеспечивающие условия стабильного введения мощности необходимого уровня в резонатор.
Заключение
.
В ходе проведения экспериментов на ускорителях отечественными и зарубежными исследователями обнаружено, что наличие ионизованного газа в различных СВЧ приборах препятствует повышению электрической прочности, а ВЧ мощность расходуется на нагрев плазмы ВЧ разряда и ускорение электронов вторичной и автоэлектронной эмиссии. К сожалению, до последнего времени обобщающего анализа и теоретического исследования этих явлений не было. В данной работе сделана попытка восполнить этот пробел.
Показано, что при проектировании и создании ускорителей приходится обращать серьезное внимание на такие проблемы, как борьба с плазмой ВЧ разряда. Приведены обобщающие представления о физике газового разряда в переменных электромагнитных полях при наличии ионизирующих излучений. Обсуждены пути и методы решения вопросов воздействия ионизирующих факторов на инициацию и развитие разряда в газе при наличии ВЧ полей.
Поведено математическое моделирование и теоретическое исследование ВЧ разряда в газе в присутствии внешней ионизации.
Получено модифицированное уравнение Больцмана для ионизированного газа для случая комбинированного воздействия, т. е. при наличии ВЧ полей и ионизирующего излучения. Приведены результаты тестовых испытаний, полученных для этого уравнения. При этом следует отметить, что практически полностью отсутствовали сведения о влиянии ионизирующего излучения на процессы образования плазмы в электродинамических структурах, а нестабильность работы ускорителей при введении пучка объяснялась только ухудшением вакуума при попадании ореола пучка на стенки канала транспортировки.
В диссертации приведен обширный экспериментальный материал. Изучено влияние статического электрического поля как одного из основных ионизирующих факторов в газонаполненных резонаторах. Приведены рекомендации по снижению негативного влияния плазмы, обеспечивающие условия стабильного введения мощности необходимого уровня в резонатор.
Приведены результаты исследования влияния высокочастотного разряда на электродинамические характеристики резонаторов. Приведены результаты исследования влияния внешнего ионизирующего излучения на процессы зажигания и горения ВЧ и статического газового разрядов, а также исследования возможности использования ультрафиолетового излучения для инициации газового разряда в ВЧ источнике ионов.
Вопросы, рассмотренные в данной работе, содержат результаты труда ряда сотрудников РУЦ МИФИ. При изложении разных аспектов указанных проблем бывает довольно сложно избежать частичного использования результатов, полученных коллегами по работе. Автор приносит глубокую благодарность всему коллективу РУЦ МИФИ, с которыми он много лет работал по тематикам, отраженным в данной работе. Особо следует отметить вклад Татариновой Н. В. и Лубкова В. М. Автор пользуется случаем выразить глубочайшую признательность и сердечную благодарность зам. научного руководителя РУЦ доктору математических наук Александру Владимировичу Нестеровичу. При работе с Нестеровичем А. В. в течение более 5 лет автор данной диссертации всегда испытывал дружеское участие и поддержку при постановке и решении многих научно-технических проблем, часть которых нашли отражение в данной диссертации, написаной под его научным руководством.
