Введение к работе
Актуальность проблемы и состояние вопроса. Пучки заряженных частиц, фокусируемые продольным магнитным полем, обладают собственными волками поперечного характера - циклотронными волнами. Дисперсионные характеристики этих волн имеют вид
и - hu « ±|П| , Ш
где и - скорость пучка, со и h - частота и постоянная распространения волны, П - циклотронная частота частиц пучка во внешнем магнитном поле. Положительный знак в правой части формулы CD соответствует быстрым циклотронным волнам, отрицательный - медленным циклотронным волнам пучка. Вопросы использования собственных поперечных еолн прямолинейных маг-нитонапразляемых электронных пучков для целей усиления и генерации СВЧ излучения исследовались еще Дж. Пирсом в конце 40-х годов. Однако неустойчивости, связанные с резонансны;-.: взаимодействием медленных циклотронных волн пря?.шх пучков с замедляющими структурами, широкого применения в электронике СВЧ не получили. Более перспективным оказалось предлокепие об использовании циклотронных волн для целей коллективного ускорения ионов (концепция авторезонансного ускорения; М. Слоан и В. Драммонд, 1973 г.З. Ожидается, что коллективные ускорители на циклотронной волне смогут обеспечить темп набора энергии и ионный ток существенно вкие, чем современные линейные ускорители ионов классического типа. Сильноточные конные пучки в диапазоне средних и низких энергий, которые смогут быть получены в коллективных авторезонанскых ускорителях, найдут широкое применение в экспериментальной физике, прикладных и технологических исследованиях, при производстве новых материалов.
Эксперименты по коллективному авторезонансному ускорении ионов проводились в г. Остин Сшт. Техас, США), з ХФТИ и в МРТИ и завершились успешным демонстрационным экспериментом.,
в котором коны были ускорены циклотронной волной трубчатого электронного пучка (Б.И. Иванов к др., МРТИ-ХФТй, 19S9 г.).
Большой вклад в теоретическое изучение свойств циклотронных волн в сильноточных электронных пучках и процесса ускорения ионов внесли группы из г. Лос-Аламос СБ. Годфри и др., США), из ХФТИ (В. Д. Шапиро, В. И. Шевченко, й. Н. Они-щенко и др.) и МРТИ С К.В. Ходатаев и др.). Ведущим методом исследования в теоретических работах стало численное моделирование физических процессов, аналитическое изучение отодвинулось на второй план. Из всех возможных конфигураций электронного пучка в коллективном ускорителе рассматривались только сплошное цилиндрические пучки.
Цель» работы является:
развитие аналитической теории возбуждения и распространения медленных циклотронных волн в магнитонаправляемых электронных пучках (сплошных и трубчатых) в первую очередь с точки зрения использования их в коллективном авторезонансном ускорителе ионов;
исследование иеустойчивоетєй медленных циклотронных волн в структурах волноводного и резонаторного типов;
изучение динамики ионов в поле циклотронной волны Сь трубчатом электронном пучке);
исследование паразитных факторов и проблемы допусков в авторезонансном ускорителе;
сравнение возможностей, открывающихся при использовании сплошного и трубчатого электронных пучков в авторезонакс-ком ускорителе ионов;
изучение ряда смежных вопросов физики волн пространственного заряда в замапшченных пучках, кэ связанных напря-муо с задачей коллективного ускорения ионов.
Научная новизна. В диссертации впервые рассмотрены вопросы коллективного ускорения ионов в медленной циклотронной волне во внутренней полости трубчатого электронного пучка.
Впервые получено решение дисперсионного уравнения и найден явный вид структуры электромагнитного поля циклотронной волны трубчатого электронного пучка.
Впервые исследованы энергетические характеристики циклотронных волн; найдены энергетические соотношения в волнах пространственного заряда.
Впервые исследованы азимутально несимметричные циклотронные волны в электронных пучках.
Впервые рассмотрена задача о динамике ионов в поле медленной циклотронной волны трубчатого пучка; определен оптимальный закон пространственного изменения фазовой скорости пучкозой волны..
Впервые проведено сравнение возможностей сплошного и тонкостенного трубчатого электронных пучков для использования их в коллективном авторезонансном ускорителе ионов.
Впервые исследовано влияние фсноЕой плазмы на дисперсионные характеристики и структуру поля циклотронных волн электронного пучка.
На основе предложенной модификации метода воэмуаекий, позволяющей рассчитывать линейную стадий пучково-резснатор-ного взаимодействия, впервые дана теоретическая интерпретация нескольких экспериментов по возбуждению колебаний в резонаторах, нагруженных магнитонаправляемши электронными пучками.
Впервые указаны ограничения авторезонансного метода ускорения по максимально достияимой амплитуде циклотронной волны, максимальному ионному току, максимальному к.п.д. и ряд ограничения, связанных с проблемой обеспечения допусков на параметры ускорителя.
На защиту выносятся:
-
Результаты теории возбуждения и распространения циклотронных волн в поперечно ограниченных магнитофокусируемых электронных пучках.
-
Применение этих результатов для расчета коллективного авторезонансного ускорителя ионов и для интерпретации ряда экспериментов по возбуждению волн в замагниченных пучках.
-
Модификация теории возмущений, предназначенная для расчета линейной стадии пучково-резонаторного взаимодействия.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при проектирования коллективного ускорителя ионов на медленной циклотронной волне. Предложенные в диссертации методы бесконтактной диагностики пучка могут найти при-'менение в электронных ускорителях классического типа. Подход, развитый з диссертации, и зависимости, полученные на его основе, позволяет объяснить результаты ряда экспериментов по воз-
буздекик волн в магнитонаправляемых электронных пучках и колебаний в резонаторах, пронизываемых такими пучками.
Апробация результатов. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на VIII, IX и XII Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц, I Всесоюзном семинаре по плазменной электронике, IX, XI и XII Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям заряженных частиц, II и VII Всесоазных семинарах по релятивистской высокочастотной электронике, VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике и др.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 30 печатных работ, из них 19 статей в журналах и сборниках научных трудов, 9 публикаций в сборниках трудов семинаров и' конференций, 2 авторских свидетельства.
Структура к объем работы. Диссертация состоит из вве-' дения, девяти глав и заключения. Она содержит 290 страниц текста и 30 иллюстраций. Библиографический список* включает в себя 152 наименования.