Взаимодействие и динамика электромагнитных волн и релятивистских электронных сгустков в волноводных структурах со сложным заполнением

СОДЕРЖАНИЕ
Содержание 2
Введение 5
Глава 1. Современное состояние кильватерною метода ускорения заряженных частиц в волноводной структуре с диэлектрическим заполнением 25
1.1 Релятивистский характер рассматриваемых задач 25
1.2. Излучение Вавилова-Черенкова 26
1.3. Переходное излучение 29
1.4. Излучение релятивистских частиц в волноводе 30
1.5. Релятивистская СВЧ электроника 34
1.6. Коллективные методы ускорения 36
1.7 Кильватерные методы ускорения 38
1.8 Кильватерное ускорение в плазме 41
1.9. Кильватерное ускорение в структурах с диэлектрическим заполнением.
История вопроса 45
1.10. Кильватерное ускорение в структурах с диэлектрическим заполнением.
Современное состояние 50
Глава 2. Генерация излучения Вавмлова-Черенкока сильноточными электронными сгустками в структурах с однородным диэлектрическим заполнением 59
2.1. Постановка задачи. Кильватерные поля релятивистского электронного сгустка 61
2.2 Генерация излучения Вавилова-Черенкова коротким сильноточным сгустком в цилиндрическом волноводе с многослойным диэлектрическим заполнением 63
2.3 Спектральный состав и поля излучения сильноточных электронных сгустков в структуре с однородным диэлектрическим заполнением 76
2.4 Продольная компонента электрического поля излучения Вавилова-Черенкова в волноводе с однородным диэлектрическим заполнением 78
2.5 Поперечные компоненты электрического поля излучения Вавилова-Черенкова электронного сгустка в структуре с однородным диэлектрическим заполнением 79
2.6. Характеристики ускорительных структур с диэлектрическим заполнением 88
2.7 Разработка волноводных структур с однородным диэлектрическим заполнением для генерации излучения Вавилова-Черенкова и ускорения заряженных частиц 93
2
Глава 3. Генерация излучения Вавилова-Черенкова в волноводных структурах со сложным диэлектрическим заполнением. Многосгусткокая генерация 138
3.1 Поля излучения Вавилова-Черенкова в цилиндрическом волноводе с многослойным диэлектрическим заполнением при наличии вакуумного канала вдоль оси 138
3.2 Влияние вакуумного слоя на уровень СВЧ потерь в структу ре с заполнением 142
3.3 Использование многослойного диэлектрического заполнения для уменьшения потерь мощности в ускорительных структурах с диэлектриком 146
3.4. Разработка и экспериментальная демонстрация многослойной ускоряющей структуры для уменьшения потерь СВЧ мощности 150
3.5 Генерация кильватерного излучения в многомодовой ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением 162
3.6 Принцип суперпозиции кильватерных полей 168 Глава 4. Повышение коэффициента трансформации при кильватерном ускорслни
в структуре с диэлектрическим заполнением 174
4.1 Понятие коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации одиночною симметричного гауссова сгустка 175
4.2 Методы увеличения коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации последовательности сгустков с профилированной зарядовой плотностью 190
4.3 Повышение коэффициента трансформации при многосгустковой генерации. 194
4.4 Моделирование эксперимента по повышению коэффициента трансформации в коллинсарных кильватерных ускорительных схемах. Оптимизация параметров ускорительной схемы 197
4.5 Экспериментальная демонстрация увеличения коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных ускорительных схемах 211
Глава 5. Управляемая кильватерная ускорительная структура с диэлектрическим заполнением 231
5.1 Принцип контроля частоты ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением 235
5.2 Разработка сегнетоэлектрического материала для создания управляемой ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением 253
5.3 Экспериментальная демонстрация управляемой цилиндрической ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением 256
5.4 Применение ВБ'ПМ) сегнетоэлектрического материала в системах управления, коммутации и оптимизации СВЧ излучения высокой мощности для целей ускорительной физики 272
3
Глава 6. Моделирование динамики электронных сгустков в ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением 282
6.1. Поперечная неустойчивость электронных сгустков в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением 284
6.2. Динамика частиц и развитие поперечной неустойчивости частиц одиночного сгустка в структурах с диэлекгричсским заполнением 297
6.3 Методы подавления поперечной неустойчивости одиночного сгустка в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением 303
6.4 Контроль поперечной неустойчивости последовательности сгустков в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением 308
6.5. Экспериментальная программа по изучению поперечной неустойчивости в кильватерных структурах с диэлектрическим заполнением и меры по предотвращению развития ВВи неустойчивости на ускорителе Л№'Д 310
Глава 7. Нелинейные свойства ряда материалов н их применения в задачах кильватерного ускорения 316
7.1 Нелинейные эффекты при генерации кильватерного излучения сильноточным сгустком в структурах с диэлектрическим заполнением 317
7.2 Активные материалы в области СВЧ частот и возможность их применения в кильватерном ускорении заряженных частиц 326
Заключение 331
Приложение I 335
Приложение II 338
Приложение III 349
Приложение IV 351
Литература 358
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность гемм, цели и залами работы. В настоящей работе теоретически и экспериментально изучены как процессы генерации электромагнитного излучения короткими сильноточными пучками электронов в регулярных волноводных структурах с диэлектрическим (в том числе и многослойным) заполнением, так и задачи нелинейной динамики электронных релятивистских сгустков в подобных структурах. Данная область исследования напрямую связана с развитием сильноточной электроники и ускорительной физики, и является определяющей как для задач генерации излучения Вавилова-Чсренкова последовательностями сильноточных электронных сгустков, так и для применений этого излучения к реализации новых методов ускорения пучков заряженных частиц и разработке источников ультракоротких импульсов рентгеновского излучения (X-РЕЬ).
Необходимость разработки новых методов ускорения пучков заряженных частиц обусловлена достижением физических пределов напряженности полей и допустимых уровней мощности для традиционных схем. К новым методам ускорения частиц следует отнести и кильватерный метод ускорения, заключающийся в том, что в ускоряющей структуре, возбуждаемой генераторным сильноточным сгустком низких энергий, ускоряется основной (ведомый) сгусток высоких энергий. Реализация схем кильватерного ускорения возможна как в структурах с диэлектрическим заполнением, так и в замедляющих периодических структурах и в плазме. Причем при осуществлении кильватерного метода в плазме генерация кильватерной волны может осуществляться как электронным сгустком, так и лазерным импульсом.
Весьма перспективным является метод кильватерного ускорения в структурах с диэлектрическим заполнением. Указанный метод обладает рядом существенных преимуществ: это и удаленность максимума ускоряющего поля от поверхностей структуры (в отличие от периодических цельнометаллических структур), и возможность контроля пучка путем предотвращения развития поперечных неустойчивостей, ограничивающих полный ток сгустка и длину эффективного ускорения. Успехи в области разработки новых высокодобротных микроволновых керамических и поликристаллических материалов позволяют преодолевать сложности обработки поверхности и достичь приемлемых значений порога высокочастотного пробоя. Отметим, что проблема высокочастотной прочности материалов также решается использованием коротких СВЧ (< 10 не) или ТГц (< I не) импульсов ускоряющего поля. Экспериментальные работы по разработке подобных структур, требующих генерации
5
сверхкоротких (0.05-1,00 мм) сильноточных (1-60 нКл) электронных сгустков, проводятся в ряде ускорительных центров в настоящее время.
Создание источника ускоренных частиц (электронов) на энергии 1-10 ГэВ с параметрами, требуемыми для лазеров на свободных электронах рентгеновского диапазона (при использовании принятых в настоящее время технологий), требует использования ускорительного комплекса с характерными размерами в 3-5 км (пример - комплекс ЬСЬЯ на основе трехкилометрового ускорителя БЬАС). Необходимым инструментом для приближения к указанным уровням энергий и параметрам пучка, а также частоты повторения и длительностей сгустков, является компактный ускорительный комплекс с темпами ускорения, значительно превышающими достигнутые к настоящему времени. Разработка для этих целей нового метода ускорения пучков заряженных частиц с ускоряющими градиентами более 200-300 МэВ/м в диапазоне частот от сотен ГГц до I ГГц является фундаментальной и междисциплинарной проблемой. Генерация излучения Вавилова-Черенкова в структурах с диэлектрическим заполнением является наиболее перспективным методом формирования ускоряющих полей в ГГц диапазоне (0.1-0.7 ТГц) на коротких (< I не) импульсах кильватерного ноля.
Разработка нового высокоградие1гтного метода ускорения пучков заряженных частиц является, в свою очередь, фундаментальной проблемой физики линейных ускорителей и может быть применима для реализации ускорительной структуры будущего электрон-позитронного коллайдера на энергии 3 ГэВ и более. При этом базовой проблемой для создания такой структуры является разработка кильватерного метода ускорения с высоким коэффициентом трансформации энергии от генераторного сильноточного сгустка (иди их последовательности) к ускоряемому сгустку высоких энергий. В настоящей работе рассматривается вопрос повышения коэффициента трансформации для структур с диэлектрическим заполнением, причем продемонстрированы возможности применения тех же принципов и для плазменных кильватерных схем.
В последние годы отмечено и еще одно важное отличие волноводов с диэлектрическим заполнением от традиционных ускорительных структур. Обнаружено, что наличие дополнительного слоя диэлектрика с сегнетоэлектрическимм свойствами позволяет осуществлять динамическую подстройку частоты такой системы непосредственно в процессе проведения эксперимента. Эффективность кильватерного ускорения существенным образом определяется параметрами ускорителя и генераторных сгустков и полностью зависит от точности позиционирования пучков и допусков мри производстве ускоряющей структуры. Возможность подстройки частоты ускоряющего поля в реальном нремени работы ускорителя частично снимает эти жесткие ограничения и компенсирует
6
разброс геометрических параметров ускорительной структуры. Таким образом, исследование вопросов генерации излучения электронными сгустками в волноводах с многослойным заполнением, содержащих нелинейный элемент, является актуальной и необходимой задачей при разработке управляемых ускорительных структур с заполнением.
Актуальность исследований по данной тематике определяется и тем обстоятельством, что в целом ряде ускорительных центров в настоящее время проводятся эксперименты но разработке кильватерных методов ускорения и изучению особенностей ускорительных структур с диэлектрическим заполнением. Это ускорительный комплекс Аргоннской Национальной Лаборатории (Чикаго, США), где во взаимодействии с СПбГЭТУ 'кЛЭТИ” проведена серия экспериментов по получению высоких (более 100 МВ/м) ускоряющих градиентов в структурах на частоты 10-30 ГГц, развитию схем с высоким коэффициентом трансформации, а также впервые проведена демонстрация управляемой структуры с заполнением. В ЦЕРН (Женева, Швейцария) ведется разработка генераторной секции на частоту 12 ГГц на основе структуры с диэлектриком (кварц) для проекта коллайдера CLIC. Отдельного внимания заслуживает серия экспериментов (также с участием СПбГЭТУ “ЛЭТИ”) по генерации ускоряющих полей ТГц диапазона в структурах с диэлектрическим заполнением на ускорителе BNL/ATF и получению сверхсильных (> 1 ГВ/м) ускоряющих градиентов на ускорителе SLAC Стэнфордского университета (Стэнфорд, США).
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование генерации электромагнитного излучения короткими сильноточными пучками электронов в регулярных волноводных структурах со сложным диэлектрическим заполнением и анализ задач нелинейной динамики электронных релятивистских сгустков в подобных структурах. Данная работа направлена на решение комплексной проблемы создания ускорителя на принципе кильватерного ускорения в структурах с заполнением будущего линейного коллайдера для физики высоких энергий. Отмстим, что анализируемый в работе принцип ускорения может служить основой для генераторного модуля источника ультракоротких импульсов рентгеновского излучения на базе ЛСЭ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
I. Теоретический анализ излучения Вавилова-Чсренкова, генерируемого последовательностью коротких сильноточных электронных сгустков в волноводных системах различных сечений, представляющих собой волновод с диэлектрическим заполнением и вакуумным каналом для пролета электронного пучка. Создание математического обеспечения для оптимизации параметров
7
ускоряющих структур в зависимости от условий эксперимента по демонстрации кильватерного ускорения в структурах с заполнением.
2. Разработка высокоградиентного метода ускорения пучков заряженных частиц в структурах с заполнением из линейного диэлектрика. Расчет параметров, разработка и изготовление ряда ускорительных структур на основе волноводов из микроволновой керамики, кварца и синтетического алмаза. Проведение экспериментов с разработанными структурами на пучке ускорителей ANL/AWA и BNL/ATF, анализ экспериментальных данных и их сравнение с результатами теоретических расчетов.
3. Численный анализ многосгустковой генерации в структурах с диэлектрическим заполнением. Расчет ускоряющих градиентов в многомодовых структурах с диэлектрическим заполнением. Анализ генерации излучения Вавилова-Чсрснкова в структурах с многослойным заполнением. Изучение возможности применения многослойного заполнения для уменьшения потерь мощности при ускорении в структурах с диэлектрическим заполнением.
4. Разработка многомодовой структуры с диэлектрическим заполнением и проведение экспериментов по генерации кильватерного излучения в указанной структуре на пучке ускорителя А WA, анализ экспериментальных данных. Разработка многослойной структуры и экспериментальная демонстрация уменьшения потерь мощности в указанной структуре по сравнению со структурой с однородным заполнением.
5. Аналитическое изучение кильватерного метода ускорения с высоким коэффициентом трансформации энергии от генераторного сильноточного сгустка (и их последовательности) к ускоряемому сгустку. Анализ и разработка методов повышения эффективности кильватерного ускорения, основанных на генерации кильватерного ноля последовательностью сгустков с профилированной зарядовой плотностью.
6. Проведение на ускорителе AWA эксперимента по демонстрации возможности повышения коэффициента трансформации при коллинеарном кильватерном ускорении в структуре с диэлектрическим заполнением, анализ результатов эксперимента и их сравнение с данными моделирования.
7. Численное моделирование возможности контроля частоты ускорительной структуры на основе использования метода дополнительных ссгнстоэлсктричсских слоев. Анализ возможности применения BST сегнетоксрамики для компенсации отклонения частоты струкгуры от требуемой как результат вариации температуры
8
и/или постоянного электрического поля в слое нелинейного материала заполнения структуры.
8. Разработка управляемой ускоряющей структуры с дополнительным нелинейным (сегиетоэлектрическим) слоем и проведение эксперимента на ускорителе Д\УА по демонстрации возможности контроля частоты ускоряющей моды при кильватерном ускорении в структурах с заполнением; анализ данных эксперимента.
9. Численное моделирование процесса развития поперечных (ВВ11) неустойчивостей ведущего сгустка при генерации кильватерного излучения в структурах с заполнением. Разработка математического обеспечения оптимизации фокусирующих систем для контроля устойчивости ведущих сгустков в подобных структурах. Анализ устойчивости сгустков в условиях проведения экспериментов на ускорителях АМЬ/А\УА и 8ЬАС/ГАСЕТ.
10. Численное моделирование задач нелинейного процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским сгустком электронов в структурах с заполнением из нелинейного материала. Данная ситуация реализуется при условии, когда поля генерации достаточно велики, «ггобы изменять диэлектрическую проницаемость заполнения структуры непосредственно в процессе генерации. Моделирование эксперимента по взаимодействию электронного сгустка с активной средой заполнения структуры и измерение свойств возможных активных материалов для подобного эксперимента.
Практическая значимость настоящей работы определяется тем, что в ней предложены решения ряда проблем, которые являются базовыми для создания ускорителя на принципе кильватерного ускорения в структурах с заполнением.
Применение методов и технологий кильватерного ускорения в структурах с заполнением планируется использовать в ускорительных схемах, в которых в качестве источника ускоряющего поля структуры служит излучение Вавилова-Черенкова, генерируемое сильноточным сгустком низких энергий в структуре с диэлектриком, причем ускорение последующего сгустка может происходить как в той же структуре (коллинеарная схема), так и в отдельной секции, электродинамически связанной с генераторной (двухпучковое ускорение). Отметим, что для структур с диэлектрическим заполнением принципиально важно использование короткого импульса СВЧ или ТГц излучения, что реализуется в настоящее время в ряде кильватерных схем. таких, как схемы, использующие диэлектрик для разработки ускоряющих секций будущего
9
линейного коллайдера для физики высоких энергий, а также для создания генераторного модуля источника ультракоротких импульсов рентгеновского излучения на базе лазера на свободных электронах.
Для реализации отмеченных выше схем проведен теоретический анализ и практический расчет задач генерации излучения Вавилова-Черенкова релятивистским электронным сгустком (или последовательностью сгустков) в цилиндрическом и прямоугольном диэлектрическом волноводах для изучения структуры кильватерного поля, оптимизации параметров кильватерных ускоряющих структур, анализа методов повышения коэффициента трансформации энергии от ведущего сгустка к ускоряемому, контроля частоты ускоряющей моды структуры и поперечной устойчивости генераторных сгустков кильватерного ускорителя.
В рамках настоящей работы все расчеты проводились для параметров ускорителей А№А Аргоннской национальной лаборатории, АТБ Брукхэвенской национальной лаборатории и БРАС Стэнфордского университета и были использованы в процессе подготовки комплекса экспериментов по демонстрации кильватерного ускорения в многомодовой структуре с заполнением, повышения коэффициента трансформации в коллинеарных кильватерных схемах, управляемой ускорительной структуре с диэлектрическим заполнением и в ряде экспериментов по разработке систем контроля пучка и предотвращения развития поперечных неустойчивостей генераторных сгустков в кильватерных схемах ускорения.
Разработанный в процессе подготовки диссертации комплекс программ оптимизации параметров ускорительных структур с заполнением, автоматической коррекции отклонения параметров ускорения от оптимальных, контроля частоты ускоряющей моды и поперечной устойчивости сильноточного пучка был использован в процессе разработки ускоряющих структур в СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, а также в процессе подготовки и проведения экспериментов по кильватерному ускорению на ускорительных комплексах ускорителей А\\'А Аргоннской национальной лаборатории, АТР Брукхэвенской национальной лаборатории, лаборатории БЬАС Стэнфордского университета.
В настоящее время возможность получения высоких градиентов в структурах с диэлектриком, повышения коэффициента трансформации энергии, а также управления частотным спектром (и, следовательно, возможность коррекции параметров волновода) экспериментально продемонстрирована на примере цилиндрических и прямоугольных ускорительных структур с диэлектрическим заполнением в рамках пучковых
10
экспериментов на ускорителях А^'А Аргоннской и АТБ Брукхэвснскон национальных лабораторий США.
Отметим, что результаты изученного метода повышения коэффициента трансформации энергии могут быть применены не только к структурам с диэлектрическим заполнением, но и к любой коллинеарной схеме кильватерного ускорения, что показано в диссертации на примере генерации кильватерного поля в безграничной плазме и подтверждено в рамках эксперимента группы Р.М1^Н на ускорителе ВЫЬ/АТР.
В рамках выполнения настоящей работы получены два патента Российской Федерации и два патента США.
Краткое содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы, показана практическая значимость полученных результатов, указаны объекты исследования, даны сведения о структуре и содержании работы и приведены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор литературных источников, связанных с историей открытия и последующего изучения эффекта Вавилова-Черенкова, анализом задач излучения Вавилова-Черенкова в волноводах и резонаторах, рассмотрены кратко литературные источники по теме переходного излучения на границе двух сред. Представлен анализ отдельных работ из области сильноточной релятивистской электроники, связанных с тематикой настоящей диссертации. Особое место уделено работам отечественной школы радиофизики и физики ускорителей по развитию исследований в области коллективных методов ускорения, прослежена их связь с развитием кильватерных методов ускорения в мире, и проведено обсуждение базовых публикаций по методам кильватерного ускорения в плазме и цельнометаллических структурах. Приведен анализ современного состояния методов кильватерного ускорения при генерации излучения в плазме как сгустком заряженных частиц (протонов и электронов), так и коротким импульсом мощного лазера.
Приводится история публикации работ и анализ полученных результатов по изучению генерации излучения Вавилова-Черенкова в волноводах с диэлектрическим заполнением и кильватерного ускорения заряженных частиц в структурах с диэлектриком. Представлен обзор основных публикаций по теоретическому моделированию и экспериментальным исследованиям в данной области. Проведен анализ статей с результатами использования диэлектрических материалов высокой СВЧ и ТГц
11
прочности в экспериментальных работах, выполненных на различных ускорителях. Отражено современное состояние кильватерных методов ускорения в целом и в структурах с диэлектрическим заполнением в частности.
Во второй главе рассмотрены задачи генерации излучения Вавилова-Черенкова в структурах с диэлектрическим заполнением. Отмечено, что в своей основе структура на основе диэлектрика - это цилиндрический, диэлектрический волновод (керамический, или же изготовленный из искусственного алмаза или кварца), окруженный, в свою очередь, проводящим металлической (как правило, медной) оболочкой. Подобным структурам в последние годы уделяется повышенное внимание в связи с целым рядом преимуществ, которые подобные структуры имеют в применении к кильватерным методам ускорения в их сравнении (при коротком импульсе генерации) со структурами, разработанными по стандартной технологии (цельнометаллические структуры).
Важным достоинством структуры с заполнением является то, что максимальное значение электрического ноля СВЧ волны достигается на оси структуры, а не на границе диафрагм, как в традиционных ускорительных секциях. Структура с диэлектрическим заполнением не содержит периодических, резонансных элементов, требующих удовлетворения крайне жестким допускам на геометрию системы. Это также означает широкую полосу пропускания структур с диэлектриком в сравнении с цельнометаллическими структурами. Указанные преимущества особенно существенны в высокочастотной области, где важным фактором становиться выигрыш в потерях мощности у структур с диэлектриком. Вше раз отметим, что обсуждаются кильватерные методы ускорения, при реализации которых структура возбуждается сгустком заряженных частиц (как правило, электронным пучком), а формируемый при этом импульс кильватерного поля имеет относительно малую длительность (т< 10-20 не).
К важным достоинствам структур с заполнением следует также отнести и возможность подавления паразитных, дипольных (НЕМ 11) мод, приводящих к отклонению пучка от оси структуры и, как следствие, к потере или самого генераторного сгустка, или (при неполном прохождении структуры) его части. Отмечено, что структуры с заполнением гораздо менее чувствительны по отношению к развитию поперечных (ВЕЮ) неустойчивостей по сравнению с цельнометаллическими структурами.
Во второй главе рассмотрены задачи генерации излучения Вавилова-Черенкова электронным сгустком с гауссовым распределением зарядовой плотности и проходящим параллельно оси двумерного цилиндрического волновода с диэлектрическим
заполнением. Рассмотрены задачи возбуждения гауссовым сгустком цилиндра с идеально проводящими стенками с однородно заполненным диэлектриком с соосным вакуумным
12
каналом для пролета пучка, причем сгусток проходит как вдоль оси структуры, так и со смешением параллельно оси цилиндра. Аналогичный расчет для прямоугольного волновода приведен в приложении.
Приводится электродинамический анализ процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова релятивистским электронным сгустком в цилиндрическом волноводе с диэлектрическим заполнением. На основе уравнений Максвелла получены выражения поля излучения Вавилова-Черенкова (кильватерного поля), генерируемого релятивистским электронным сгустком в однослойном волноводе с диэлектрическим заполнением, причем в качестве потенциальных функций использованы продольные компоненты электрического Е2 и магнитного //2 полей.
С использованием аналитически полученных выражений были проведены численные расчеты амплитуды и частотного спектра кильватерною ноля, возбуждаемого как точечным, так и пространственно-протяженным (гауссовым) сгустком заряда <7=100 нКл в диэлектрическом волноводе. Геометрические размеры волновода и величина диэлектрической проницаемости заполнения выбраны исходя из возможностей технологии производства высокодобротной микроволновой керамики и технических характеристик ускорителя А\\'Л Аргонной национальной лаборатории (частота первой ТМ0| моды ускоряющего поля равна 13.625 ГГц). Отмечено, что указанная структура была впоследствии использована для демонстрации высокого коэффициента трансформации энергии в коллинеарных ускорительных схемах.
Из анализа многомодовой структуры кильватерного поля следует, что при малых отклонениях сгустка от оси волновода ускоряющее поле Е: является суперпозицией аксиально-симметричных мод, а отклоняющее поле /^является суперпозицией дипольных мод и мод более высоких порядков. При увеличении смещения сгустка относительно оси волновода ТМоп моды по-прежнему вносят определяющий вклад в ускоряющее поле, в то время как отклоняющее поле в большей степени определяется модами высоких азимутальных порядков.
Для оценки параметров ускорительной структуры были определены и рассчитаны принятые в практике кильватерного ускорения характеристики: групповая скорость, энергетические потери, коэффициент затухания, шунтовой импеданс и добротность. Показано, что в диапазоне частот 10-30 ГГц при использовании в волноводе высокодобротной керамики с /^<5— 1 х 10 4 энергетические потери определяются в основном долей энергии, рассеиваемой в металлической оболочке волновода (медь).
13
На основе полученных аналитических решений разработан комплекс программ для получения всех компонент излучения Вавилова-Чсрснкова, генерируемого точечными, гауссовыми и асимметричными (треугольного профиля) сгустками в структурах с однородным заполнением. Важным свойством указанного комплекса программ является возможность вычислять и оптимизировать характеристики сгрукт>гр с учетом электродинамических потерь как в материале заполнения, так и в металле стенок волновода.
На основе указанного комплекса программ проведем теоретический анализ и оптимизация параметров волновода с диэлектрическим заполнением ГГц и ГГц диапазонов дл я практической разработки и экспериментального исследования кильватерных ускорительных структур на пучке сильноточного ускорителя электронов. Для оценки параметров указанных структур были определены и оптимизированы для анализируемых кильватерных схем характеристики волноводов с диэлектрическим заполнением: групповая скорость, потери мощности, коэффициент затухания, шунтовой импеданс и добротность.
Рассмотрены свойства композитных диэлектрических материалов, применяемых для разработки указанных структур. Представлены результаты разработки структур, выполненных из кварцевого заполнения, а также приведены параметры впервые разработанных ускоряющих кильватерных структур на основе искусственного алмаза, необходимых для получения особо высоких (> ГВ/м) ускоряющих градиентов при обеспечении требуемой частоты следования сгустков. Приведены результаты экспериментов как с использованием структур в диапазоне частот 10-30 ГГц, так и структур, разработанных для ТГц диапазона. В частности, в кильватерной структуре в диапазоне частот 20-30 ГГц впервые получена амплитуда ускоряющего поля, превышающая 100 МВ/м. Впервые проведены эксперименты по кильватерному ускорению в структуре ТГц диапазона с заполнением из поликристаллического алмаза (выращенного СУЭ методом). Продемонстрирован принцип ускорения с использованием ускоряемого (ведомого) сгустка, а также проведен анализ изменения энергии ускоряемых сгустков как результат воздействия на сгусток кильватерных полей излучения Вавилова-Черснкова.
В третьей главе представлены результаты анализа задач генерации излучения Вавилова-Черенкова в волноводах с многослойным заполнением. Структуры из нескольких слоев диэлектрика рассмотрены с целью уменьшения потерь мощности при ускорении в волноводе с диэлектрическим заполнением, причем при подобном подходе использовался принцип Брэгга, хорошо известный в оптике. Рассмотрена и
14
экспериментально исследована многослойная структура, геометрия которой позволяет за счет брэгговской рефракции значительно уменьшить СВЧ потери при генерации излучения Вавилова-Черенкова, и, тем самым, повысить эффективность ускорения в структурах с диэлектриком. Рассмотрены задачи с многослойными конфигурациями диэлектрика заполнения. В частности, рассмотрен диэлектрический волновод с дополнительным внешним слоем диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью, причем указанный слон примыкает к металлической поверхности (между керамическим заполнением и стенкой волновода). В работе исследовалось влияние параметров дополнительного слоя на кильватерное поле и основные характеристики ускорительной структуры.
В данной главе показано, что наличие указанного слоя уменьшает величину тангенциальной составляющей магнитного поля на границе с металлом и, соответственно, улучшает фактор потерь в металлической оболочке структуры.
В главе 3 также представлен анализ многосгусгковой генерации в структурах с диэлектрическим заполнением и приведен расчет ускоряющих градиентов в многомодовых структурах с диэлектрическим заполнением. При рассмотрении генерации кильватерного излучения сгустком с продольным гауссовым распределением заряда (модель реального сгустка) было исследовано влияние длины сгустка на значимое количество возбуждаемых мод. Численными расчетами была определена наименьшая длина сгустка, при которой реализуется одномодовый режим, являющийся оптимальным при построении многосгусгковой схемы ускорения дзя данного типа структур. Приведены сравнения с экспериментальными данными и теоретическими расчетами полей кильватерного поля в диэлектрическом волноводе, проведенными ранее в рамках работ на ускорителе А№'А.
Для данной серии экспериментов была разработана многомодовая ускоряющая структура, причем диэлектрическая проницаемость структуры определялась требованием минимизации групповой скорости кильватерной волны в волноводе. При заданных значениях диэлектрической проницаемости и внутреннего радиуса оптимизация внешнего радиуса позволяла определить частоту ТМ01 моды как кратную частоте следования сгустков (1.3 ГГц), что необходимо для генерации многосгустковой последовательности.
Разработка многомодовой структуры с диэлектрическим заполнением позволила провести ряд экспериментов по многосгустковой генерации кильватерного излучения в указанной структуре на пучке ускорителя А\\/А, причем анализ экспериментальных данных показал хорошее совпадение с результатами расчетов. Полученный энергетический спектр последовательности после ее прохождения через структуру, и
15
измененный вследствие взаимодействия частиц сгустков с кильватерными полями последовательности, показал соответствие экспериментальных данных с результатами численного моделирования.
В четвертой главе рассматривается проблема повышения эффективности кильватерного ускорения. Следует отметить, что качество кильватерной схемы оценивается двумя основными критериями: ускоряющий градиент и коэффициент трансформации энергии от ведущего сгустка к сгустку ускоряемому. Баланс этих двух базовых параметров и определяет критерии при выборе и оптимизации кильватерных ускорительных структур.
В главе 4 представлен комплекс работ, в результате которого впервые продемонстрирован в эксперименте коэффициент трансформации Я > 2 в схемах кильватерного ускорения при условии, что и генераторный, и ускоряемый пучки проходят по одной и той же прямой (коллинеарная схема ускорения). Таким образом, впервые экспериментально преодолен предел так называемой "кильватерной теоремы" и продемонстрирован в эксперименте способ эффективной передачи энергии от генераторного сгустка к ускоряемому посредством профилирования заряда последовательности. Указанный эксперимент проведен на пучке энергией 15 МэВ ускорителя Л\УА Аргомнской национальной лаборатории на ускорительной структуре с диэлектрическим заполнением, обеспечивающим частоту ускоряющей моды в 13.625 ГГц.
Во вводной части главы определены критерии, которыми характеризуется эффективность ускорения: величина ускоряющего градиента и коэффициент
трансформации энергии от генераторного сгустка к ускоряемому сгустку, определяемого
отношением максимального ускоряющего поля за сгустком Е* к максимальному
тормозящему полю внутри сгустка Е7: Л* Е1 /£Г .
Коэффициент трансформации показывает долю энергии, которую возможно передать от ускоряющего (генераторного) сгустка (или их последовательности) к ускоряемому для единицы заряда и на единице длины пролета в структуре. В разделе рассматривается возможность увеличения этого параметра, или, иными словами, увеличение доли энергии, передаваемой от генераторного сгустка к ускоряемому посредством их взаимодействия с ускоряющей структурой, что обеспечивает эффективность реализации кильватерных методов ускорения пучков заряженных частиц. Показано, что обсуждаемые методы применимы при использовании любого кильватерного метода ускорения вне зависимости от типа ускорительной структуры (металлической, с диэлектрическим заполнением, или иной), причем тот же подход
16
изучается для его реализации при кильватерном ускорении в плазме. В данной главе рассмотрен вариант ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением, а также приведен наиболее типичный пример применения обсуждаемого подхода для ускорения в плазме.
Теоретически известно, что создание несимметричного внутреннего профиля заряда генераторного сгустка позволяет увеличить долю энергии, передаваемой ускоряемому сгустку, поскольку для такого зарядового профиля все частицы сгустка находятся в приблизительно одинаковом тормозящем поле. В работе рассмотрен теоретически, экспериментально обоснован и продемонстрирован в пучковом эксперименте способ получения аналог ичного эффекта с помощью последовательности коротких электронных пучков с профилированием заряда всей последовательности, а не единичного сгустка. Каждый сгусток последовательности имеет симметричное распределение собственной зарядовой плотности, в то время как сама последовательность дает несимметричный (линейно нарастающий) зарядовый профиль. Этот подход позволил успешно реализовать экспериментальный проект по повышению эффективности кильватерного ускорения в ускоряющей структуре с диэлектрическим заполнением на
ускорителе AWA Аргоннской национальной лаборатории.
В работе рассматривается кильватерное ускорение профилированной последовательностью симметричных сгустков, называемой /^/'-последовательностью (Ramped Bunch Train). Это последовательность сгустков, заряд которых поступательно возрастает от первого сгустка к последующему, причем соотношение зарядов для рассматриваемых случаев, как правило, составляет 1:3:5:7.
Для демонстрации увеличения коэффициента трансформации в коллинеарной кильватерной схеме ускорения требуется генерация последовательности сгустков с профилированной зарядовой плотностью, реализованная на основе фотоинжектора ускорителя. На первом этапе был собран делитель лазерного импульса для генерации последовательности лазерных импульсов, причем далее указанная последовательность передавалась по системе зеркал на фотоинжектор ускорителя AWA, работающий на частоте 1.3 ГГц. Этот подход позволил обеспечить генерацию последовательности с параметрами и допусками на них, требуемыми для детектирования коэффициента трансформации.
Сформированные подобным образом три электронных сгустка были разделены расстоянием, соответствующим периоду, задаваемому частотой управляющего клистрона фотоинжектора на частот>’ 1.3 ГГц. причем указанный интервал мог корректироваться
17
длиной плеч в оптическом делителе; иными словами, интервал мог быть изменен (подстроен) с помощью оптической линии задержки.
Заряды ведущих сгустков при первоначальной генерации составили (по данным измерений) 8 иКл и 20 нКл соответственно, причем длина сгустков была измерена черенковским счетчиком по стандартной процедуре и составила о* - 1.5-2.0 мм и зависимости от заряда, что соответствует условию равного тормозящего поля внутри каждого из ведущих сгустков. При осуществлении генерации и транспортировки первого и второго сгустков в ускорителе, их заряды, их отношение, а также их позиции друг относительно друга были оптимизированы на основе численного моделирования. Замедляющее ноле внутри каждого из сгустков было подобрано так. чтобы его амплитуды были одинаковы внутри каждого из сгустков. Пробный сгусток с зарядом в I нКл следовал с задержкой 1,54 не (2*Хо) за ведущими сгустками для детектирования полей как всей последовательности, так и каждого из генераторных сгустков в отдельности (что достигалось перекрытием одного из плеч оптического делителя в фотоинжекторе). В измерениях планировалось установить величину тормозящего ноля внутри сгустков, максимальное ускоряющее поля за первым сгустком, а также за всей последовательностью, что, в свою очередь, обеспечивало увеличение коэффициента трансформации (по сравнению с его значением для случая с одиночным генераторным сгустком) в 1.7 раза с /?/=! .8 до 3.1.
Приведенный результат демонстрирует первый пример получения коэффициента трансформации 1<>2 за счет использования последовательности из сгустков с линейным профилем зарядовой плотности. Проведенный эксперимент открывает принципиально новые возможности как для генерации излучении Вавилова-Черенкова в задачах кильватерного ускорения, так и для эффективной экстракции энергии излучения от ведущей (генераторной) последовательности к ускоряемому сгустку.
В заключительной части главы показано, что предложенный механизм повышения коэффициента трансформации может быть применен к любой коллинеарной схеме кильватерного ускорения. Для примера в работе рассмотрена многосгустковая генерация в плазме и ускорение сгустка в плазменной волне плотности.
В пятой главе приведено описание и представлены результаты первого эксперимента по кильватерному ускорению в управляемой структуре с диэлектрическим заполнением. Управление параметрами волновода достигается введением в заполнение дополнительного слоя нелинейного материала, диэлектрическая постоянная которого зависит как от температуры, так и от приложенного к слою постоянного электрического поля. В процессе проведения эксперимента измерялась энергия ускоряемого сгустка
18
(“свидетеля”), проходящего через структуру с фиксированной задержкой относительно ведущего (генераторного) сгустка, при этом температура структуры варьировалась от 20°С до 70°С. Зафиксировано изменение энергии, соответствующее сдвигу фазы ускоряющего поля на величину, соответствующую смещению более чем половину длины волны ускоряющей моды структуры
Управляемая (или перестраиваемая) ускорительная структура с диэлектрическим заполнением позволяет произвести компенсацию сдвига частоты ускоряющей моды волновода, вызванного отклонением геометрии структуры от допусков на механические и геометрические параметры волновода, а так же на допустимые отклонения значений диэлектрической проницаемости заполнения структуры. Частота традиционной цельнометаллической резонаторной структуры настраивается тонким механическим и температурным воздействием на геометрию структуры с автоматической системой контроля давления и температуры, что позволяет фиксировать частоту ускоряющей моды. Для структуры с диэлектрическим заполнением такой подход невозможен, поскольку диэлектрический слой внутри структуры нс может быль подвержен механической деформации с контролем давления, а при температурной подстройке нс происходит существенного изменения частоты ускоряющей моды, поскольку диэлектрическая проницаемость линейных микроволновых материалов (керамика, кварц или алмаз) практически не меняется в рабочих диапазонах температу р структуры.
Очевидно, что разработка способа управления частотой ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением (ее подстройки) является актуальной задачей, а создание подобной управляемой структуры необходимо для оптимизации метода контроля и компенсации ухода частотного спектра диэлектрического волновода в его применении к задачам ускорения пучков заряженных частиц. Способ управления
электродинамическими параметрами ускорительной структуры с диэлектрическим заполнением был предложен автором настоящей работы и запатентован в Российской Федерации и в США. Ключевым компонентом такой структуры должно являться диэлектрическое заполнение (полное или частичное), выполненное из материалов, обладающих нелинейными свойствами. Волновод с диэлектрическим заполнением обладает важным параметром, определяющим частоту ускоряющей моды волновода - это диэлектрическая проницаемость заполнения. Если же диэлектрическое заполнение (или его часть, например - слой) состоит из нелинейного диэлектрика, при внешнем воздействии на который происходит изменение электродинамических параметров такого слоя, то становится возможной подстройка ускоряющей моды структуры и, соответственно, создание автоматической системы контроля частоты ускорителя. Под
19
внешним воздействием на такой слой понимается как вариация температуры структуры (что аналогично системам настройки цельнометаллических ускоряющих структур), так и (если требуется быстрая подстройка) управление диэлектрической проницаемостью дополнительного слоя путем приложения внешнего поля. Отметим, что цельнометаллические “традиционные” ускорительные структуры лишены подобной возможности.
Для реализации подобной идеи потребовалась разработка специального композитного материала на основе В8Т сегнетоэлектрика с добавлением сложного комплекса линейной микроволновой керамики, причем материал специально был создан для решения задачи об обеспечении управляемости структур с диэлектрическим заполнением. Разработанный материал также запатентован в Российской Федерации и США. В главе 5 кратко приводится процесс разработки материала для подобного слоя, описывается процесс оптимизации СВЧ характеристик подобного материала, приведены параметры структур на стоячей и бегущей волнах с использованием композитного материала, описан процесс производства структур и их тестирования на СВЧ стенде как при условии вариации температуры структу ры, так и при подаче внешнею управляющего напряжения на сегнетоэлектричсский слой.
Разработанная в рамках выполнения работы структура была испытана непосредственно и пучковом эксперименте на ускорителе А\УА, где была впервые экспериментально продемонстрирована возможность подстройки частоты кильватерной структуры непосредственно в процессе ускорения сильноточного электронною сгустка. При проведении эксперимента измерялась энергия ускоряемого сгустка (“свидетеля”), проходящего через структуру с фиксированной задержкой относительно ведущего (генераторного) сгустка, при этом температура структуры варьировалась в пределах 50°С от комнатной. Зафиксировано изменение энергии, соответствующее сдвигу фазы ускоряющего поля на величину, превышающую половину длины волны ускоряющей моды структуры.
В последней части главы отмечено, что композитный сегнетоэлектрнческий материал, разработанный первоначально для реализации управляемой структуры с диэлектрическим заполнением, нашел свое применение и для ускорительных структур с внешним СВЧ источником питания (без кильватерной генерации). На основе композитного нелинейного материала были разработаны фазовращатели и тюнеры для систем управления СВЧ мощностью линейного ускорителя на частотах 1.3 ГГц, 11.4 ГГц и 34.0 ГГц соответственно. На основе полученных решений, и после оптимизации свойств нелинейного материала к условиям задачи, указанные устройства были выполнены в виде
20
прототипов и продемонстрированы экспериментально на СВЧ стенде малой мощности. В заключительной части главы кратко приводятся результаты этих исследований.
В шестой главе отмечено, что структуры с заполнением гораздо менее чувствительны по отношению к развитию поперечных (BBU) неустойчивостей по сравнению с цельнометаллическими структурами. Имеющиеся технологии экспериментально подтвердили возможность подавления нежелательных мод структуры как при ускорении одиночного сгустка, так и при реализации многосгустковых схем ускорения. Отмечено, что для металлических диафрагмированных структур проблема поперечной устойчивости кильватерных генераторных сгустков не может быть решена подобным, относительно простым способом, и требует разработки сложных фокусирующих систем. Малый диаметр структуры с заполнением (фактор диэлектрической проницаемости е позволяет уменьшить апертуру для данной частоты ускоряющей моды) позволяет обеспечить требуемую фокусировку пучка внутри такой структуры, что необходимо для контроля поперечной неустойчивости. Указанный подход не всегда возможно осуществить в традиционных структурах без заполнения из-за большого диаметра ее апертуры.
Рассмотрены задачи динамики коротких сильноточных электронных сгустков при их прохождении через кильватерный ускоритель с диэлектрическим заполнением. Рассмотрено как самовоздействне сгустка (односгустковая неустойчивость типа head-tail), так и многопучковые неустойчивости для задач генерации последовательностью сгустков. Расчеты проводились для структур частотами ускоряющих мод волновода 13.625, 15.4 и 26.0 ГГц для одиночного ускоряющего сгустка и профилированной последовательности сгустков с параметрами, соответствующими ускорителю AWA Лргоннской национальной лаборатории. На основе проведенного моделирования предложена схема компенсации неустойчивости и рассчитана схема фокусировки с FODO системой подавления неустойчивости. Численным моделированием проведено тестирование данной схемы для наиболее интересных случаев профилированной последовательности сгустков (2-6-10-14)иКл и (10-30-50-70)нКл, обеспечивающих максимальный коэффициент трансформации энергии (7.5-7.8) от ускоряющего пучка к ускоряемому сгустку.
Для анализа устойчивости и оценки энергетического разброса был разработан алгоритм моделирования динамики сильноточных электронных сгустков, основанный на понятии макрочастиц в применении к сильноточным сгусткам с эффектом самовоздснствия (самосогласованная задача). На основе этого алгоритма разработана и внедрена в практику программа BHU3000 для моделирования динамики сильноточных сгустков в процессах генерации и кильватерного ускорения в структурах с диэлектриком.
21
Программа позволяет проследить динамику пучков для произвольной последовательности сгустков с возможностью вариации их зарядов, расстояний между ними, геометрии каждого сгустка в отдельности, а также с возможностью моделирования эффектов квадрупольной и соленоидальной фокусировок. Программа учитывает эффекты генерации черенковского кильватерного излучения в ускоряющей структуре и эффекты сам о воздействия сгустков как результат их взаимодействия с этим излучением. Основное внимание уделено задачам поперечной устойчивости сгустков и контроля энергетического разброса и эмиттанса пучка при выходе сгустка из ускорительной структуры.
Как пример анализа динамики частиц одиночного сгустка рассмотрена система макрочастиц, формирующая гауссову последовательность с общим зарядом в 100 нКл, о*.
0.4 см и а,.- 0.1 см соответственно. Установлена и оценена радиальная зависимость отклоняющей силы на единицу заряда сгустка, что позволило подобрать оптимальные параметры для распределения заряда в последовательности сгустков и тем самым оптимизировать контроль поперечных неустойчивостей в процессе прохождения сгустков вдоль ускоряющей секции. Изучена структу ра поперечных и продольных полей с учетом их влияния на развитие поперечных неустойчивостей.
Проведено моделирование профилированной последовательности из 4-х сгустков с зарядами (10-30-50-70) нКл. Получена оценка для максимального ожидаемого значения коэффициента трансформации #=7.6. Показано, что возможен контроль данной последовательности в ускорительной структуре на частот)' 13.625 ГГц только в пределах 23 см ее длины при отсутствии внешней фокусировки, причем к этой дистанции уже 23 % частиц последовательности утрачены. Использование квадрупольной фокусировки по схеме РОПО (знакопеременная последовательность квадруполей) позволяет осуществлять контроль за последовательностью в (10-30-50-70) нКл до дистанции в 50-60 см, что соответствует длине ускорительной секции ускорителя А№'А.
В рамках подготовки эксперимента по демонстрации ускорения с увеличенным коэффициентом трансформации изучена динамика частиц для случая оптимальной последовательности сгустков с зарядовым распределением (2-6-10-14) нКл. Подобное распределение зарядовой плотности позволяет сохранять соотношение зарядов в рамках системы 1:3:5:7, оптимизированной для параметров ускорителя А\УА и получить максимальное значение коэффициента трансформации #=7.6 в рамках планируемого эксперимента. Также была изучена возможность применения внешней квадрупольной ГСЮО фокусировки, причем ‘‘оптимальная ” последовательность не взаимодействует со стенками структуры вплоть до 90 см длины секции.
22
В рамках настоящей работы получила свое развитие идея об использовании нелинейного заполнения ускоряющей структуры для усиления кильватерных полей за счет нелинейных эффектов при формировании и распространении импульса излучения Вавилова-Черенкова в материале заполнения.
В седьмой главе диссертации приведено численное моделирование задач нелинейного процесса генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским сгустком электронов в структурах с заполнением из нелинейного материала. Данная ситуация реализуется при условии, когда поля генерации достаточно велики, чтобы изменять диэлектрическую проницаемость заполнения структуры непосредственно в процессе генерации. Результаты моделирования эксперимента по взаимодействию электронного сгустка с активной средой заполнения структуры, также как и данные измерений свойств активного материала для подобного эксперимента, также представлены в заключительной седьмой главе настоящей работы.
Положения, выносимые на защиту
1. При генерации излучения Вавилова-Черенкова сильноточным релятивистским электронным сгустком в структурах с диэлектрическим заполнением формируется короткий (< К) не при частотах 10-30 ГГц и <1 не в диапазоне ~ ТНг) импульс продольного кильватерного поля, причем величина ускоряющего поля может превышать 100 МВ/м в диапазоне частот 10-30 ГГц и превышать 1 ГВ/м в диапазоне 0.3 - 1.0 ГГц.
2. В многомодовой ускоряющей структуре с диэлекгричсским заполнением при генерации кильватерното излучения последовательностью сильноточных сгустков происходит увеличение градиента ускоряющего поля за счет когерентного сложения полей отдельных мод, если параметры структуры оптимизированы относительно используемой кильватерной схемы ускорения.
3. Анализ структуры магнитной компоненты электромагнитного поля при реализации ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением и с внешним СВЧ источником показывает, что для уменьшения потерь мощности в структуре целесообразно использовать слой с уменьшенным значением диэлектрической проницаемости между внутренним слоем диэлектрика и проводящей стенкой волновода.
4. При генерации излучения Вавилова-Черенкова последовательностью сгустков с профилированной зарядовой плотностью происходит увеличение коэффициента
23
трансформации энергии от генераторной последовательности к ускоряемому сгустку, так, при коллинсарной схеме ускорения впервые экспериментально наблюдалась величина указанного коэффициента Я>2.
5. Разброс геометрических размеров и диэлектрической проницаемости ускоряющей структуры может быть скомпенсирован коррекцией расстояний между сгустками генераторной последовательности, что обеспечивает получение максимального коэффициента трансформации и высокую эффективность кильватерного ускорения соответственно, так, экспериментально получена величина указанного коэффициента для двух сгустков, равная Я=3.4, что близко к теоретически предсказанному пределу Я<4.
6. Введение в ускорительную структуру с диэлектрическим заполнением дополнительного слоя нелинейного материала (сегнетоэлектрика) позволяет осуществлять контроль (подстройку) спектра ускоряющей компоненты поля при вариации диэлектрической проницаемости нелинейного слоя путем внешнего воздействия изменением температуры структуры и величины приложенного к слою постоянного электрического поля.
7. Длина кильватерной ускоряющей структуры с диэлектрическим заполнением для данных параметров генераторных сгустков главным образом ограничивается развитием поперечных (ВВи) неустойчивостей, приводящих к развалу пучка.
8. Контроль поперечного положения сгустка в структурах с диэлектрическим заполнением осуществляется оптимизацией фокусирующей системы относительно электродинамических параметров ускоряющей структуры, генераторного сгустка (или их последовательности) и реализуемой схемы ускорения.
9. В ускоряющих структурах с заполнением, выполненным из нелинейного материала, диэлектрическая проницаемость которого уменьшается под действием приложенного электрического поля, возникает генерация нелинейной высокочастотной составляющей излучения Вавилова-Чсрсикова, если амплитуды кильватерных полей генерации превышают критические для данного материала.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 166 научных работ, из них - 32 статьи в реферируемых журналах, 31 статья в сборниках с редакторским рецензированием, 99 публикаций в трудах международных и всероссийских конференций и совещании, а также 2 патента Российской Федерации и 2 патента США.
24
ГЛАВА 1
Современное состояние кильватерного метода ускорения заряженных частиц в волноводной структуре с диэлектрическим заполнением
Введение к Главе 1
Взаимодействие электронных сгустков с электромагнитными полями в волноводных структурах - это область теоретических и экспериментальных исследований физики пучков заряженных частиц, находящая свое применение в ускорительной физике, в задачах генерации СВЧ, миллиметрового и ГГц излучений, в сильноточной релятивистской электронике и физике плазмы.
В последние годы в этой области сформировался новый класс задач, связаннных с анализом вопросов генерации электромагнитного излучения сильноточными релятивистскими сгустками в регулярных структурах с диэлектрическим заполнением. Существенным толчком язя исследований в этом направлении послужили экспериментальные работы в области новых методов ускорения электронных сгустков в плазме и в волноводах с диэлектриком, которые проводятся в ряде ускорительных центров мира в последние десятилетия. В первую очередь следует отметить так называемые “кильватерные” методы, в которых релятивистский сильноточный электронный сгусток возбуждает электромагнитные поля в среде или в структуре, в которых происходит последующее ускорение сгустков высоких энергий. В современной литературе указанный класс задач относится к разделу изучения процессов излучения Вавилова-Черснкова в волноводных структурах и в плазме, а также является логичным развитием работ признанной отечественной школы теоретических и экспериментальных исследований вопросов генерации электромагнитных полей быстрыми заряженными частицами в веществе.
Далее приводится краткий обзор литературных источников по указанной тематике, в силу ограниченного объема раздела не претендующий на полноту и завершенность.
1.1. Релятивистский характер рассматриваемых задач
Кильватерные методы ускорения являются по своей сути релятивистскими и
разрабатываются, в первую очередь, для реализации ускорителей частиц высоких энергий,
линейных коллайдеров и лазеров на свободных электронах. Релятивизм заряженных
частиц в кильватерных методах ускорения является принциальным условием, поскольку
25
энергия генераторного сгустка, много превышающая энергию покоя частицы (электрона), определяет фазовый синхронизм между волной СВЧ поля, генерируемого сильноточным сгустком, и ускоряемыми частицами высоких энергий. Отметим также, что релятивиские энергии определяют продольную и, что особенно существенно, поперечную устойчивость электронных сгустков по отношению к развитию черенковских неустойчивостей при генерации излучения подобным сгустком в ускоряющей структуре.
Релятивистские основания современной электродинамики движущихся сред были обоснованы в классических работах А.Эйнштейна, И.Лауба и Г.Минковского [1-3).
Последующее развитие основополагающих работ [1-3] привело к детальному исследованию задач распространения свободных волн в релятивистки движущихся средах, причем было решено большое число граничных задач по электродинамики движущихся сред. Наиболее подробное изложение состояния проблемы и библиографию по электродинамики движущихся сред за период 1905-1980 гг. можно найти в обзоре Б.М. Болотовского и С.Н. Столярова [41. Для задач настоящей работы важным является также и обзор тех же авторов [5], в котором рассматриваются задачи генерации излучения источниками в релятивистки движущихся средах.
1.2. Излучение Вавнлова-Черепкова
Как уже отмечалось, кильватерные методы ускорения заряженных частиц высоких энергий основаны на эффекте излучениия Вавнлова-Черонкова в различных средах. Краткий обзор литературы по данному разделу представлен далее.
Начало развитию задач об излучении движущихся источников в преломляющей среде положило экспериментальное открытие [9] и исследование [10-11] П.А.Черенковым свечения жидкостей под действием гамма-излучения радия. Было показано, что обнаруженное свечение обладало свойствами, отличающимися от ожидавшихся в эксперименте по наблюдению обычной флуоресценции жидкостей. С.И.Вавиловым было справедливо выдвинуто предположение, что ответственными за новый тип излучения являются электроны, хотя первоначальная гипотеза о тормозном характере нового типа излучения не подтвердилась [12]. Электронная природа излучения была подтверждена экспериментами по влиянию магнитного поля на новый тип свечения [10), а в работе [II) была экспериментально изучена направленность излучения. Теоретическое объяснение свечения, открытого П.А.Черенковым и получившим название излучения Вавилова-Черенкова, было опубликовано в 1937 в работах И.Е.Тамма и И.М.Франка [13-14) и трактовалось как излучение заряда, равномерно движущегося в преломляющей среде со
26
скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде. И.Ь. Гамм и И.М.Франк предложили описание механизма генерации излучения Вавилова-Черенкова и получили выражение для доли энергии, излучаемой частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость света в диэлектрической среде. Необходимо также отметить, что возможность излучения “сверхсветовых ” источников исследовалась задолго до этого еще Хэвисайдом [15] для движения заряда в среде и Зоммерфельдом [16-17] для электрона, движущегося в вакууме со сверхсветовой скоростью.
С появлением работы [13] И.Е.Тамма и И.М.Франка, исследования излучения Вавилова-Черенкова принимают широкий характер и становятся приоритетными в отечественной теоретической физике, физике ускорителей, задачах генерации мощного СВЧ излучения, а также в физике космических лучей. В последующий период был рассмотрен целый ряд задач излучения Вавилова-Черенкова. включая г раничные задачи, что наиболее полно представлено в обзорах Б.М. Болотовского [18-20]. Первое детальное и систематическое описание процессов генерации излучения Вавилова-Черенкова в среде и волноведущих структурах с диэлектрическим заполнением приведено обзорах 118-19]. Отметим, что быстрая частица, движущаяся в вакуумном канале, проходящем в безграничной диэлектрической среде, излучает, как и частица при движении в сплошной среде [18-19,21]. Этот эффект открывает возможности для применения генерации излучения Вавилова-Черенкова для целей ускорительной физики и генерации миллиметровых волн, а также дает принципиальную возможность учитывать только черенковские потери быстрых частиц, поскольку в этом случае отсутствуют как ионизационные потери, так и потери на тормозное излучение. Так, в [18] методически рассмотрена задача о поле движущейся точечной заряженной частицы в изотропной среде, приведены потери энергии заряженной частицы, учтен вклад потерь на излучение Вавилова-Черенкова в полные потери энергии частицы, проанализированы поля излучения и приведены основы квантовой теории изучения быстрых частиц в веществе. Оригинальные работы [22-23] по квантовой теории черенковского излучения положили начало квантовой электродинамики преломляющей среды. Квантовый подход к излучению Вавилова-Черенкова также изложен в более позднем обзоре В.Л Гинзбурга [24] и в его книге [25]. Возвращаясь к обзору [18], отметим представленную там теорию излучения Вавилова-Черенкова в кристаллах, в частности, в одноосном кристалле при параллельном и перпендикулярном движении заряда относительно оси кристалла. Приведен также расчет потерь энергии при излучении заряда в плазме, помещенной в магнитное поле. Обширный список литературы по основопологающим работам в области
27
излучения Вавилова-Черенкова так же представлен в указанном обзоре. Отмечено, что значительное число работ посвящено рассмотрению черепковского излучения в различных средах (в кристаллах, что уже отмечалось, а также в газах, в плазме, в ферромагнетиках и в оптически активных средах).
В [19] рассмотрена теория излучения Вавилова-Черенкова в присутствии границ раздела, причем граничные задачи генерации излучения Вавилова-Черенкова решены для областей с различными диэлектрическими проницаемостями по обе стороны границы. Рассмотрено излучение заряда и диполя, движущихся по оси цилиндрического канала, заполненного диэлектриком. Вычислены потерн энергии частицы и диполя на излучение в подобной системе, рассмотрено движение точечного заряда параллельно оси канала в диэлектрике. Детально изучен эффект Вавилова-Черенкова в линейных периодических структурах, в качестве которой приведен волновод, нагруженный диафрагмами. Тут следует также отметить более поздний обзор по аналогичной тематике [26]. Получено выражение для потерь энергии быстрой частицы в волноводе, заполненном изотропным диэлектриком, и, что наиболее существенно для задач кильватерного ускорения, в волноводе с частичным диэлектрическим заполнением, т.е. при движении заряда в вакуумном канале. При этом не наблюдаются поляризационные потери (составляющие основную долю потерь при движении в диэлектрике), и энергия тратится только на генерацию излучения Вавилова-Черенкова. в том числе на излучение ускоряющей волны. Представлено решение задачи об излучении Вавилова-Черенкова зарядом, движущимся вдоль границы раздела двух сред. Следует также отметить задачу о генерации излучения в волноводе, заполненном анизотропной средой, и расчет поля частицы, движущейся параллельно границе двух сред.
Большой интерес к эффекту Вавилова-Черенкова связан с широким применением этого явления в ускорительной физике, в задачах генерации СВЧ и миллиметровых волн сильноточными электронными пучками, в детекторах элементарных частиц и при исследовании структуры кристаллов. Обзоры по данной проблематике представлены, как уже отмечалось, в работах Б.М. Болотовского [18-19], а также Б.М. Болотовского в соавторстве с Г.В. Воскресенским [26-27], в обзоре В.Л.Гинзбурга [24] и в книгах [25, 28-31]. История вопроса и наиболее значимые результаты теории излучения Вавилова-Черенкова представлены также в сборнике статей И М. Франка [30]. Вопросы теории черепковскою излучения и его приложения к задачам физики высоких энергий наиболее полно изложены в монографии [29]. Новые подходы и недавние результаты в теории излучения Вавилова-Черенкова, а также обзор возможных применений приведены в
28
недавно опубликованной монографии [31]. Отметим также, что в терминах излучения Вавнлова-Черенкова можно описать и многие близкие эффекты излучения и поглощения электромагнитных волн. Это и процесс генерации плазменных волн релятивистскими электронными сгустками, предложенный для целей ускорения Я.Б Файнбсргом [8]. Отметим, что затухание Ландау в бесстокновительной плазме в терминах излучения Вавилова-Черенкова тоже является черепковским поглощением плазменных волн [32]. При наличии границ раздела излучение Вавилова-Черенкова возможно как в вакууме, так и в изотропной плазме, причем источниками излучения в этом случае могут служить не движущийся заряд, а световые “зайчики”, т.е. луч света, бегущий по поверхности (волна поляризации) [25,33]. В средах с бегущим параметром черенковское излучение может генерироваться даже покоящимся источниками электрического или магнитного полей [34].
1.3. Переходное излучение.
В 1945 В.Л Гинзбургом и И.М. Франком был предсказан новый тип излучения равномерно движущихся источников - переходное излучение, возникающее при пересечении границы раздела двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости [35-36]. Отметим, что данное излучение не имеет порогового характера по отношению к скорости частицы и определятся энергией заряда и электродинамическими свойствами границы раздела. Значительный вклад в теорию переходного излучения внесен Г.М.Гарибяном [37] и К.А.Барсуковым [38]. В работе [37] показано, что полная энергия, теряемая частицей при пересечении границы раздела двух сред, растет линейно с лоренц-фактором, или с энергией частицы. Из результатов [38] следовало, что за линейный рост потерь ответственно излучение вперед по движению частицы. Все это стимулировало интенсивное развитие теории переходного излучения с целью его использования для детектирования частиц высоких энерг ий. Линейная зависимость (а при достаточно больших значения лоренц-фактора и квадратичная [39]) интенсивности переходного излучения от энергии частицы делает переходные детекторы единственно пригодными для детектирования ультрарелятивистских частиц и определения их энергии. Указанная возможность привела к появлению большого количества работ, посвященных исследованию различных сторон переходного излучения. Исследовалось переходное излучение частицы, пролетающей через диэлектрическую пластинку в безграничноем пространстве [40,41], волноводе [42-45], через слоистые регулярные [46-48,56] и нерегулярные среды [49,51-52,56], а также при наклонном падении заряда [50].
29
Необходимо отметить, что переходным излучением следует называть не только излучение частиц, пересекающих границу раздела двух сред или более сред, но и излучение источников элекзрических и магнитных полей, движущихся в произвольных неоднородных средах, электромагнитные параметры которых имеют пространственную вариацию. При этом такие виды излучения, как “резонансное” [57-59], “дифракционное” [26] и “квазичеренковскос” [60] оказываются частыми случаями переходного излучения. Библиография работ по переходному излучению до 1983 г. представлена в [61). также есть соответствующие данной тематике обзоры и монографии [53-56].
1.4. Излучение релятивистских частиц в волноводе
Наиболее ранние теоретические работы по различным аспектам чсрснковского и переходного излучений релятивистского заряда в волноводах были выполнены Б.М.Болотовским [18-19] и им же в соавторстве с Г.В Воскресенским [26-27], Я.Б.Файнбергом и Н.А.Хижняком [64], К.А. Барсуковым [38,42-43, 45, 68| , Л.Г.Ломизе [65-66] и Э.М.Лазиевым с соавторами [44,46,67,76]. Отметим, что Ломизе впервые экспериментально исследовал сравнительные характеристики черепковского, переходного и тормозного излучений в волноводе [66].
Как уже отмечалось, при равномерном движении заряда в диэлектрической среде часть его энергии теряется на излучение электромагнитных волн, определяемая двумя механизма этих потерь. Первый из них связан с эффектом Вавидова-Черенкова, а второй -с переходным излучением. Если черепковское излучение имеет пороговый характер и возникает только при скоростях заряда, превышающих фазовую скорость электромагнитной волны в среде, то переходное излучение генерируется при любой скорости частицы. Интенсивность переходного излучения существенно меньше, чем интенсивность излучения Вавилова-Черенкова, так как переходное излучение формируется на конечном отрезке пути заряда, прилегающем к границе раздела и называемом путем или зоной формирования переходного излучения [52-54]. Дисперсионные свойства волновода существенно сказываются на характеристиках как переходного, так и черепковского излучений: возможно появление "запертого" излучения у границы раздела сред, заполняющих волновод [42,43,67]. Зона формирования переходного излучения в волноводе может стать соизмеримой с волноводной длиной волны, что открывает возможность реализации "пространственного параметрического резонанса" с помощью слоистого диэлектрика, заполняющего волновод [44,64] .
30
В приведенных выше работах исследовано излучение, возникающее при произвольном характере движения заряда в волноводе. Дисперсия волновода и наличие металлических границ в поле излучения существенным образом сказываются на его свойствах. Поле в волноводе представляется в виде системы £ и Я волн. В качестве потенциалов электромагнитного поля выбраны продольные составляющие электрического и магнитного полей. Решения волновых уравнений, которым удовлетворяю! потенциалы, представляются в виде разложения в интеграл Фурье по времени, координате и по ортонормированным собственным функциям краевых задач волновода. Уравнения движения частицы входят в выражения для потенциалов.
Для целей настоящей работы важен частный случай движения заряженной частицы параллельно оси волновода, причем в этом случае будут возбуждаться только продольные Е (ТМ) волны. При равномерном движении частицы и выполнении условия Вавилова-Черенкова в волноводе возбуждаются волны с дискретным спектром [19,44]. Если в момент времени г=0 скорость равномерно движущейся частицы скачком меняет свое значение, то в волноводе возникает излучение даже в том случае, если условие Вавилова-Черенкова не удовлетворяется как до скачка, так и после него. Возникающее излучение аналогично переходному, а длина траектории, на которой оно формируется, определяется выражением, имеющим смысл зоны формирования переходного излучения [52-53). В волноводном случае имеется существенная разница между зависимостью зон формирования от скорости частицы по сравнению с бесконечным пространством: на низших модах волн, возбуждаемых в волноводе, длина зоны формирования сравнительно слабо зависит от скорости заряженной частицы. Наиболее долго частица взаимодействует с той группой излученных волн, пакет которых движется с групповой скоростью, равной скорости частицы, а максимум излучения приходится на часготу, которая при нерелятивистских скоростях сдвигается к частоте отсечки волновода [52-53,55,62].
В работах [45,68] рассмотрено излучение заряда, пересекающего волновод перпендикулярно его оси. Получены выражения для полей и энергии излучения и исследовано спектральное распределение излученной энергии на примере волновода с прямоугольным поперечным сечением. Там же обсуждается возможность разделения переходного и черенковского излучений и получено условие, определяющее порог возникновения последнего в рассматриваемом случае [68].
Исторически важной является работа И.М.Франка [69], в которой рассмотрено излучение осциллятора, движущегося в однородной преломляющей среде. В этой статье впервые проведено исследование аномального и сложного эффектов Доплера. Также в
31
этой работе впервые вводится такое важное понятие теории движущихся источников, как длина формирования излучения. Отметим особую важность этого определения для разработки ускорительных структур, возбуждаемых короткими сильноточными электронными сгустками [52-54]. Развитие теории эффекта Доплера и его связи с черенковским излучением можно также найти в известной статье А.И.Ахиезера [70]. В работе [68] К.А. Барсуковым и Л.Г.Нарышкиной была построена теория эффекта Доплера в волноводе для случая движущегося одиночного осциллятора. Для экспериментального наблюдения этого эффекта необходим модулированный по плотности электронный пучок, проходящий по оси волновода, заполненного однородным изотропным диэлектриком в присутствии электромагнитного поля накачки. В работе [72] излагается теория этого эффекта. В [73] приводятся экспериментальные результаты по возбуждению Н-волн (ТВ) в волноводах прямоугольного сечения пучком релятивистских электронов с энергией 50 МэВ. В [73] приводится спектральное распределение энергии излучения и экспериментальные результаты по определению фазовой протяженности сгустков в волноводах.
Ряд работ был посвящен изучению влияния |раниц раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью на характеристики излучения в волноводе. Наличие границы раздела двух однородных сред, заполняющих волновод, вблизи траектории частицы неизбежно сказывается на характеристиках излучения. В общем случае это проявляется в виде некоторой асимметрии излучателя, связанной с тем, что потоки энергии и спектр излученных волн, распространяющихся по обе стороны от траектории частицы, различны. Влияние кусочно-однородного заполнения на характеристики излучения рассмотрено в [46,74]. В работе исследуется пролет частицы перпендикулярно оси волновода и параллельно границе раздела двух полубссконечных сред. Спектр переходного излучения непрерывный и на фоне этого спектра отмечаются пики, связанные с излучением Вавилова-Черенкова. Выбором расстояния до границы раздела можно оптимизировать отбор энергии от частицы на данной частоте и данной моде волновода. При пролете заряда через диэлектрическую пластину в волноводе проявляются четко выраженные резонансные эффекты [46,74]. Существует область частот, внутри которой вся излученная энергия "запирается" в пластине, как и в случае аксиального пролета, рассмотренного К.А. Барсуковым в [38,42]. Такая пластина оказывается эквивалентной резонатору с собственными частотами, определяемыми размерами пластины, поперечными размерами волновода и коэффициентом преломления вещества пластины. Черепковское излучение, генерируемое в пластине, не выходит за ее границы.
32
Спектр этого излучения квазинепрерывный с большим числом спектральных линий в черепковском пике [74].
В ряде работ рассмотрены потери энергии на излучение зарядом, пролетающим по оси волновода, заполненного пространственно-периодической (слоистой) средой. Необходимым условием практического использования переходного излучения является наличие большого числа границ, пересекаемых частицей [46-48,61-62,64]. При определенной периодичности структуры увеличение энергии излучения будет иметь резонансный характер. Это условие было получено Я.Б.Файнбергом и Н.А.Хижняком [64] и названо ими условием параметрического излучения из-за характера взаимодействия между полем заряженной частицы и средой. Отметим, что слоистая среда практически может быть реализована в виде стопки диэлектрических пластин, состоящей из конечного числа периодов. В [46-48] рассматривается излучение заряженной частицы в волноводе, содержащем периодически-неоднородную среду конечной протяженности на основе метода характеристических матриц, позволяющего определять поля свободных волн в произвольном отсеке рассматриваемого набора пластин. Получены условия, позволяющие представить такую стопку в виде эквивалентной анизотропной диэлектрической пластины [46-48,75]. Метод характеристических матриц используется для получения точных аналитических выражений для полей и энергии излучения, генерируемого заряженной частицей, пролетающей по оси рассматриваемого волновода. Показано, что при выполнении условия параметрического излучения [64], последнее превалирует над обычным черенковским. Па частотах, определяемых этим условием, наблюдаются пики излучения, высота которых пропорциональна квадрату числа пластин в стопке, а ширина -обратно пропорциональна числу пластин [75]. Из результатов, полученных в [46-48, 75], следует, что при определенных соотношениях между диэлектрической и магнитной проницаемостями пластин, а также поперечными размерами волновода, стопка оказывается прозрачной в определенной полосе частот при любом значении периода. Показано, что это условие эквивалентно падению волны под углом Брюстера для неограниченного пространства, что позволяет реализовать волноводные фильтры с большой крутизной амплитудно-частотной характеристики.
Вопросы генерации излучения Вавилова-Черенкова в волноводе с диэлектрическим заполнением при наличие резонансной дисперсии среды заполнения и при движении заряда в вакуумном канале были рассмотрено A.B. Тюхтиным в работах [76-78]. Отмечено, что резонансная дисперсия наиболее выражена в случаях, когда толщина диэлектрика мала по сравнению с радиусом волновода и приводит к подавлению
33
возбуждаемых сгустком высших гармоник. В работе [154] рассматривается граничная задача влета частицы из вакуума в плазму в волноводе. Отметим также работу Л.В.Тюхтина с соавтором [155], имеющую более общую направленность, чем излучение в волноводах. В работе анапизирустся новый вид излучения на границе вакуума с анизотропной средой, обладающей дисперсией плазменного типа. Обнаружен новый тип излучения (переходно-черенковское излучение), которое связано с влиянием границы на направленность волны таким образом, что черенковское излучение может распространяться в сторону, противоположную частице, и тем самым возвращаться в вакуум [155].
1.5. Релятивистская СВЧ электроника
В настоящей работе развиты некоторые аспекты физики пучков заряженных частиц, относящиеся к когерентному излучению релятивистских электронных сгустков при их взаимодействии с диэлектрическим заполнением волновода. Актуальность исследуемой темы определяется одной из фундаментальных проблем современной радиофизики - генерацией мощного когерентного микроволнового излучения. Еще в 1947 г. B.JI Гинзбург указал на возможность использования эффектов Доплера и Вавилова-Черснкова для генерации радиоволн в СВЧ диапазоне [79,152], что стимулировало работы по становлению и развитию нового направления в физике - релятивистской электроники, находящейся на стыке физики пучков заряженных частиц и радиофизики [80]. Современное состояние этой области подробно представлено В.Л.Братманом в обзорах [88,103] и В.А.Черепениным в [153]. Отметим также прогресс в разработке приборов для нового и быстро развивающегося терагериового диапазона [84].
Развитие техники сильноточных импульсно-периодических ускорителей заряженных частиц привело к формированию сильноточной релятивистской СВЧ-электроники для реализации энергетических возможностей сильноточных релятивистских электронных пучков. Одним из перспективных источников мощных СВЧ-устройств сантиметрового диапазона длин волн являются генераторы и усилители, основанные на индуцированном черепковском излучении сильноточных релятивистских пучков. Возможность технической реализации методов генерации радиоволн микроволнового диапазона с помощью сильноточных пучков заряженных частиц релятивистских энергий связана с успехам техники ускорителей, позволяющим формировать релятивистские сильноточные сгустки электронов малой фазовой протяженности с энергиями, при которых кулоновское расплывание этих сгустков становится несущественным.
34
Физика сильноточных электронных пучков и релятивистская электроника сформировались в последние десятилетия r отдельную и хорошо разработанную область с большим количеством практических приложений в области разработки мощной СВЧ-тсхники, прежде всего отмстим работы коллектива института прикладной физики РАН, Нижний Новгород, под руководством А.Г.Литвака [84-88,103,107,113J, а также работы коллектива под руководством Г. А Месяца [81-82,89,105-106]. Литература по релятивисткон электронике могла бы составить отдельный объемный раздел, что не входит в задачи этой работы, отметим лишь некоторые базовые публикации, связанные с задачами настоящей работы, где рассматриваются задачи излучения сильноточных релятивистских сгустков в волноводных системах для целей кильватерного ускорения. Физические аспекты таких исследований наиболее полно изложены в сборниках «Релятивистская высокочастотная электроника», регулярно издающихся в Нижнем Новгороде с 1979 [85,112], а также в журнале “Известия Вузов. Радиофизика” [113].
Релятивистская СВЧ электроника развивалась на базе успехов высоковольтной импульсной техники [80-81] и прогресса в разработке сильноточных электронных ускорителей [82-83]. Интенсивные исследования взаимодействия релятивистских электронных потоков с полями СВЧ электродинамических структур привели к созданию как релятивистских аналогов традиционных электронных приборов (JIBB, ЛОВ. клистронов, магнетронов, оротронов, гирорезонансных систем), так и ряда специфических приборов (лазеров на свободных электронах, виркаторов, приборов со скрещенными полями в магнито-изолированных линиях - MILO и др.). Для коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн перспективными - в плане достижения устойчивой высокоэффективной генерации «сверхмощного» когерентного излучения - оказались одномодовые генераторы индуцированного черенковского излучения с непрерывным отбором энергии у прямолинейных трубчатых РЭП [86-87]: увеличение энергии излучения в таких приборах до уровня I кДж существенно для ускорителей, радиолокационных устройств [89-91] и систем их подавления [92], исследование воздействия мощного излучения на плазму [93], накачка газовых лазеров [94] и т.д.
Явление плазменно-пучковой неустойчивости (при которой пучок электронов возбуждает медленную плазменную волну в плазменном волноводе на основе черенковского механизма) было открыто теоретически в 60-х годах [95,96], а затем экспериментально подтверждены в работах [97,98]. В 60-70-х годах в различных лабораториях мира проводились эксперименты по взаимодействию нерелятивистских электронных пучков с плазмой с целью создания СВЧ-усилителей и СВЧ-генераторов. В
35
ХФТИ использовались так называемые замедляющие спирально-плазменные системы [99,100], в которых замедление волны обеспечивалось как наличием плазмы, так и вакуумными замедляющими структурами. В ИРЭ РАН исследовались чисто плазменные СВЧ-приборы, то есть замедление волны обеспечивалось только наличием плазмы [101]. Подробное изложение результатов теории и экспериментов по данной тематике, а также современное состояние плазменной электроники можно найти в работах [102,104].
В заключение данного краткого раздела отметим еще раз его неполноту. Современная релятивистская СВЧ электроника является очень объемной и быстро развивающейся областью, и последние результаты и тенденции ее развития можно найти в обзорах [84,88,103,107] и др.
1.6. Коллективные методы ускорения
Термин “ новые методы ускорения” описывает группу исследований в области физики и техники ускорителей, берущих свое начало с докладов В.И. Векслера [7,108], Г.И. Будкера [109] и Я.Б.Файнберга [8,110] на конференции по ускорителям заряженных частиц в Женеве в 1956 г., оформившихся в самостоятельное направление физики ускорителей с середины 60-х годов. В отличие от традиционных методов, в коллективных методах удержание, фокусировка и ускорение частиц осуществляется полностью или частично электромагнитными нолями, создаваемыми совместным (коллективным) действием множества заряженных частиц [6-8,108-110,112].
Отметим также, что кильватерные методы являются логическим продолжением (или составной частью, как в случае ускорения в плазме) коллективных методов ускорения заряженных частиц в плотных потоках релятивистских частиц. И.Е Таммом в 1939 г. было показано [6], что если заряженную частицу обтекает среда со скоростью, превышающей скорость света в данной среде, то на заряд начинает действовать сила, направленная в сторону движения среды. Это хорошо известное теперь обращение потерь энергии частиц на излучение Вавилова-Черенкова [5], и на основе этого эффекта получили свое развитие современные коллективные методы ускорения, предложенные В.И.Векслером в [7]. Указанная работа имела решающее значение, поскольку в ней было показано, что заряд можно ускорять в плотных пучках релятивистских электронов за счет обращения потерь энергии на возбуждение продольных плазменных волн. Отметим также, что ускорение заряженных частиц продольными волнами плотности н плазме было предложено Я.Б.Фаинбергом [8].
36