авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Магнитная фокусировка интенсивных релятивистских пучков заряженных частиц

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ду­бас Ле­о­нид Гри­горь­е­вич

Магнитная фокусировка

интенсивных релятивистских пучков заряженных частиц

01.04.20 - фи­зи­ка пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Автор:

кандидата физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации «Институт Теоретической и Экспериментальной Физики».

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, Зенкевич Павел Романович.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, Горев Владимир Васильевич,

доктор физ.-мат. наук,

профессор, Сыресин Евгений Михайлович.

Ведущая организация: Московский Радиотехнический Институт РАН.

Защита состоится " 23 " сентября 2009г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 в Московском инженерно-физическом институте (научно-исследовательском ядерном университете) по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. 

Автореферат разослан " " 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.С. Щедрин

ВВЕДЕНИЕ

Физика интенсивных релятивистских потоков и пучков заряженных частиц относится к наиболее передовым областям научных исследований. Среди различных направлений научных исследований в области импульсной сильноточной физики выделяется техника импульсных интенсивных релятивистских потоков и пучков заряженных частиц с высокой яркостью при ограниченной величине удельной мощности [1].

Интенсивные импульсные пуч­ки ускоренных заряженных частиц по­лу­чи­ли ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние в раз­лич­ных об­лас­тях нау­ки и техники. Это лампы вспышки для и рентгеновского излучения с целью ра­дио­гра­фии и различных промышленных приложений, мощ­ные ла­зе­ры с на­кач­кой элек­трон­ным пуч­ком, ре­ля­ти­ви­ст­ская СВЧ элек­тро­ни­ка, кол­лек­тив­ные ус­ко­ри­те­ли заряженных час­тиц, электронные переключатели тока, тех­но­ло­гия свар­ки и плав­ки ма­те­риа­лов, электронные приборы для научной диагностики.

Множество различных физических явлений, наблюдаемых при воздействии импульсного пучка заряженных частиц на вещество, может быть увеличено, если использовать практический опыт коммутации электрических токов равных или больше десятка килоампер посредством импульсного электронного коммутатора электрического тока, использующего множество ускоряющих устройств с интенсивными релятивистскими электронными пучками [2-5].

Определенный интерес для физики интенсивных релятивистских пучков заряженных частиц представляет исследование различных решений с высокой яркостью при ограниченной величине удельной мощности в некотором фокусирующем канале [6-13]. Одним из раз­лич­ных на­прав­ле­ний в на­уч­ных ис­сле­до­ва­ни­ях вы­де­ля­ет­ся тех­ни­ка им­пульс­ных интенсивных пуч­ков заряженных частиц с вы­со­кой мощ­но­стью. Про­бле­ма соз­да­ния та­ких пуч­ков пред­по­ла­га­ет ис­поль­зо­ва­ние мощ­ного ­уст­рой­ст­ва для генерации, фор­ми­ро­ва­ния и фокусировки пучков заряженных частиц.



Широкое применение в направлении создания мощной импульсной тех­ни­ки находят включатели и выключатели электрического тока, которые предназначены для обострения фронта импульса мощности и согласования устройства нагрузки с источником энергии.

Отметим также различные решения для интенсивных релятивистских пучков заряженных частиц в фокусирующем канале, с целью получения квазинейтрального пучка с высокой удельной мощностью [14], которые представляют интерес для прикладной физики интенсивных релятивистских пучков заряженных частиц.

Целью настоящей работы является исследование задачи расчета ускорительного устройства для инжекции заряженных частиц в магнитный фокусирующий тракт транспортировки, заключающееся в самосогласованном решении уравнений движения потоков и пучков заряженных частиц и уравнений электромагнитного поля с заданными начальными и граничными условиями.

Главная особенность в расчете этого ускорительного устройства заключается в необходимости учета влияния собственного магнитного и электрического поля при формировании и фокусировке потоков и пучков заряженных частиц.

Для магнитной фокусировки интенсивных релятивистских электронных пучков следует подчеркнуть разные возможности, связанные как с концентрацией пучка электронов в кроссовере пучка, так и с возможностью дальнейшей транспортировки пучка без увеличения площади поперечного сечения. Кроме того, разные возможности возникают при использовании внешних магнитных полей или при отсутствии их, когда при фокусировке используются только собственные магнитные поля. Многократное рассеяние электронов пучка приводит к увеличению его эмиттанса и, при наличии фокусировки, к увеличению поперечного размера и к уменьшению удельной мощности потока энергии на единицу площади поперечного сечения.

В основание диссертации положено современное состояние и развитие ускорительной техники для источников мощных потоков и пучков заряженных частиц с различными технологическими целями. Исследование может быть проведено с целью выяснения возможности использования полученных результатов в создании электронного или ионного ускорителя для генераторов когерентного или некогерентного электромагнитного излучения.

Научная новизна работы заключается 1) в получении точного решения для ультрарелятивистского потока заряженных частиц и 2) в статистическом обобщении микроканонического распределения для пучка заряженных частиц.

Практическое значение работы заключается в том, что найденные решения могут быть использованы при расчетах и проектировании мощных устройств с целью генерации, ускорения и фокусировки интенсивных потоков и пучков заряженных частиц, применяемых в генераторной и ускорительной технике, например, они использовались при решении самосогласованной задачи о многократном рассеянии электронов на парах мишени.

В соответствии с вышесказанными задачами в области физики мощных импульсных потоков и пучков заряженных частиц, теоретически решенными в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие положения:

1. Усовершенствована параксиальная мо­де­ль релятивистского элек­трон­ного по­то­ка, ко­то­рая по­зво­ля­ет учесть слабое влия­ние фо­ку­си­рую­щих сил собственного маг­нит­но­го по­ля в ли­ней­ном при­бли­же­нии. Влияние указанных сил приводит к иной зависимости первеанса от релятивистского фактора в ультрарелятивистской асимптотике, которая пропорциональна обратной степенной зависимости ~ 1/k; k>1, где – релятивистский фактор.

2. Усовершенствована мик­ро­ка­но­ни­че­ская мо­дель пуч­ка заряженных частиц посредством операции математической свертки с канонической моделью пуч­ка заряженных частиц, с целью учета дисперсии скоростей заряженных частиц, ко­то­рая по­зво­ля­ет описать мно­го­крат­ное рас­сея­ние пуч­ка заряженных частиц в ли­ней­ном при­бли­же­нии.

3. Ре­ше­на са­мо­со­гла­со­ван­ная за­да­ча мно­го­крат­ного рас­сея­ния пуч­ка заряженных частиц на па­рах ми­ше­ни, об­ра­зуе­мых при на­гре­ве по­верх­но­сти ми­ше­ни пуч­ком, с уче­том соб­ст­вен­но­го маг­нит­но­го по­ля в па­ра­кси­аль­ном при­бли­же­нии. До­ка­за­но, что учет фо­ку­си­ров­ки ква­зи­нейт­раль­но­го пуч­ка соб­ст­вен­ным маг­нит­ным по­лем снимает ограничение удельной мощности пучка воздействующей на испаряемую мишень.

4. До­ка­за­но, что учет фо­ку­си­ров­ки заряженных частиц внешним полем в двуспиральной системе фокусировки является в два раза экономнее простой спиральной системы с точки зрения энергии магнитного поля запасаемого внешней системой магнитной фокусировки.

Структура диссертации состоит из введения, 1 главы, посвященной примерам постановки задачи, 2 главы, посвященной формированию релятивистского электронного потока, 3 главы, посвященной фокусировке неламинарного интенсивного пучка заряженных частиц, 4 главы, посвященной ускорению пучка ионов и плазменного потока в выходном каскаде источника электромагнитной мощности, и заключения.

Диссертация содержит 141 страницу машинописного текста, 20 рисунков и список использованных источников из 130 наименований.

Содержание работы.

В первой главе сформулированы основные вопросы, изучаемые в диссертации, и обоснована их необходимость.

Во второй главе данной диссертации рассматривается параксиальная модель релятивистского электронного потока со слабым собственным магнитным полем [1].

Рассмотрен вопрос о приближенном формировании релятивистского электронного потока. В результате получено аналитическое выражение для релятивистского первеанса электронного потока в виде сходящегося ряда. Релятивистская поправка к величине первеанса соответствует квазистационарному приближению для расчета собственного магнитного поля [7].

В данной диссертации рассматривается модель релятивистского электронного потока со слабым собственным магнитным полем, с учетом баланса фокусирующих сил, что означает существование однокомпонентного ультрарелятивистского параксиального электронного потока в собственном магнитном поле [8].

Предлагаемое решение задачи формирования для релятивистского аксиально-симметричного цилиндрического электронного потока в области тракта ускорения с учетом собственных электрических и магнитных полей в параксиальном приближении относится только к огибающей оболочке сплошного цилиндрического электронного потока. Для решения задачи внутри потока можно дополнительно использовать метод моментов или численное моделирование методом трубок тока и крупных частиц [1].

Приведем основные формулы этой главы:

( 1)

где Ek - число Эйлера;

P - безразмерный релятивистский первеанс;

F - релятивистская поправка к первеансу;

U, J - величины напряжения и тока;

U1, J1 - величины напряжения и тока, равные 511кВ и 1356 А, определяемые «напряжением покоя» электрона и волновым сопротивлением вакуума.

При использовании конечного суммирования в формуле (1) относительная погрешность вычислений определяется количеством используемых членов в исходном разложении в ряд
[7].

( 2)

Пусть электроны потока движутся почти параллельно оси симметрии тракта ускорения и плотность тока примерно постоянна в поперечном сечении потока с конечным поперечным размером. Для тракта ускорения есть приближение малого полного тока электронов или приближение малого поперечного размера элек­тронного потока. При ограничении снизу на величину энергии электронов, или ограничении сверху на величину тока электронов, или при ограничении сверху на поперечный размер электронного потока существует приближенное параксиальное решение.

( 3)

где z, r - продольная и поперечная координаты;

a - радиус боковой граничной линии цилиндрического аксиально-симметричного электронного потока;

j, J - плотность тока и полный ток электронов;

, En - релятивистский фактор и отношение нормальной компоненты напряженности электрического поля к «напряжению покоя» электрона 511кВ.

Выписанное решение, является практически приемлемым для расчета распределения ускоряющего электрического напряжения и нормальной компоненты напряженности электрического поля вдоль боковой граничной линии в тракте дополнительного ускорения ультрарелятивистского цилиндрического аксиально-симметричного электронного потока.





Рассмотрим задачу формирования сплошного цилиндрического аксиально-симметричного потока в тракте ускорения в электрических и магнитных фокусирующих полях. Решение внешней задачи для магнитного поля определяется электрическим током электронов в свободном пространстве. Решение внешней задачи для электрического поля определяется электрическим зарядом электронов в пространстве, ограниченном эмиттером, коллектором и фокусирующими электродами. Граничное условие на поверхности цилиндрической аксиально-симметричной оболочки определяется решением внутренней задачи для огибающей оболочки цилиндрического аксиально-симметричного электронного потока, определенного в формуле (3). Такой электронный ускоритель предназначен для инжекции плотного электронного потока в тракт транспортировки ультрарелятивистского электронного пучка.

Фокусировка электронного потока собственным магнитным полем и компенсация пространственного заряда электронов встречным потоком ионов приводит к наклону эквипотенциальной поверхности анода в сторону катода.

Для сильноточных пучков в многолучевой системе указанная величина первеанса может не соответствовать реальному режиму ускорения с ограничением тока пространственным зарядом электронов потока, однако в единичном модуле величина первеанса должна быть ограничена при использовании параксиального приближения.

Определенное в формуле (3) предлагаемое решение задачи формирования для релятивистского аксиально-симметричного цилиндрического электронного потока в области тракта ускорения с учетом собственных электрических и магнитных полей в параксиальном приближении относится только к огибающей оболочке сплошного цилиндрического электронного потока. Для решения задачи внутри потока можно дополнительно использовать метод моментов или численное моделирование методом трубок тока и крупных частиц.

Эмпирическую зависимость от поперечной координаты для плотности тока, извлекаемого из плоского эмиттера электронов, стартующих с нулевой скоростью, будем аппроксимировать формулой в виде следующего разложения в некоторый ряд.

( 4)

где ak - коэффициенты разложения в ряд, которые определяются из результатов численного моделирования, полученных методом трубок тока;

jz - плотность тока внутри электронного потока;

j0 - плотность тока электронов, стартующих на эмиттере.

Для приближенного расчета можно ограничиться первыми двумя членами в указанном разложении в ряд. В частном случае сплошного аксиально-симметричного потока получаем следующее выражение.

( 5)

где r - поперечная радиальная координата;

2a - диаметр пучка;

J - ток электронного пучка.

Указанные коэффициенты определены из численного моделирования для формирования сплошного аксиально-симметричного цилиндрического электронного потока при ускоряющем напряжении 1000 кВ посредством использования метода трубок тока. Величина тока ограничена значением характерного тока 1356 А, с точки зрения получения приемлемой аппроксимации рассматриваемой приближенной модели.

Здесь следует отметить, что одинаковая амплитуда неравномерности поперечного профиля для распределения плотности тока в ленточном и аксиально-симметричном потоке определяется при различных величинах тока. Величина полного тока может быть достаточно большой при использовании большого отношения поперечной ширины к толщине ленточного потока. Поэтому ленточные потоки могут иметь большую величину тока.

В соответствии с выражением (1) безразмерный первеанс определяется следующей формулой:

J < J123. ( 6)

С точки зрения рассматриваемой приближенной модели, введенная величина безразмерного первеанса электронного потока позволяет ввести понятие интенсивного релятивистского пучка заряженных частиц. Неинтенсивному пучку заряженных частиц соответствует очень малая величина безразмерного первеанса.

В данной диссертации рассматривается модель релятивистского электронного потока со слабым собственным магнитным полем с учетом баланса фокусирующих сил [1,8], что означает существование однокомпонентного ультрарелятивистского параксиального электронного потока в собственном магнитном поле. При этом электроны потока движутся по примерно прямолинейным трубкам тока в тракте ускорения и плотность тока примерно постоянна в поперечном сечении потока с конечным поперечным размером.

В третьей главе данной диссертации рассматривается параксиальная модель релятивистского пучка заряженных частиц с обобщенным микроканоническим распределением частиц в поперечном фазовом пространстве [9, 11, 12].

Рассмотрим инжекцию потока заряженных частиц в тракт транспортировки. В качестве системы транспортировки, например, может быть использована магнитная самофокусировка электронного пучка с компенсацией пространственного заряда. При формировании электронного пучка с высокой удельной мощностью становится существенным эффект дисперсии скоростей частиц пучка.

Причины, приводящие к дисперсии скоростей, носят двойственный характер. Это, прежде всего начальный тепловой прогрев, связанный с существованием теплового разброса скоростей частиц стартующих с твердотельного эмиттера.

При наличии отклонений от законов параксиальной корпускулярной оптики, возможно дополнительное перемешивание траекторий, даже если отсутствует начальная дисперсия скоростей. Здесь целесообразно ввести поперечный вириал пучка, равный по определению удвоенной энергии поперечных бетатронных колебаний заряженных частиц.

Если такое дополнительное перемешивание траекторий носит хаотический характер, то можно говорить о дополнительном статистическом перемешивании пучка. Одним из таких источников статистического перемешивания пучка является многократное упругое рассеяния заряженных частиц на молекулах разреженного газа [14].

Для интенсив­ного пучка в приближении малых пульсаций и отсутствии рассеивающей среды при короткой транспортировке пучка вдоль оси в некотором фокусирующем канале функция распределения частиц по поперечным координатам может быть микроканонической. В этом случае микроканоническое распределение частиц в пучке представляет собой эллипсоид в фазовых поперечных координатах. Тогда кинетическое уравнение для стационарного состояния пучка запишется в однородном виде без учета многократного рассеяния на молекулах разреженного газа.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.