Разработка эффективных численных методов и программ для расчета элементов СВЧ генераторов и ускоряющих структур Мякишев, Дмитрий Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Повышение темпа ускорения и увеличение нтенсивности пучков ускоряемых частиц являются основными шравлениями развития современной ускорительной техники. Решение этих ідач невозможно без создания мощных и эффективных источников СВЧ ощности, совершенствования и оптимизации элементов ускоряющих СВЧ груктур. В настоящее время трудно представить разработку и роектирование новых источников СВЧ мощности и ускоряющих структур їз использования численного моделирования, которое позволяет тчительно сократить время и материальные затраты при создании новых ВЧ устройств. Возможность численного моделирования прибора на всех гадиях проектирования - от концептуального проекта до конструкторских ізработок - позволяет получить требуемые параметры приборов, близкие к птимальным, и удовлетворить новым, все возрастающим требованиям, оэтому разработка и совершенствование вычислительных методов для рецизионных расчетов элементов СВЧ устройств является актуальной щачей, так как это позволяет более эффективно решать задачи по звершенствованию и созданию новых источников СВЧ мощности и жоряющих структур.

Следует заметить, что до сих пор большинство СВЧ устройств в жорительной технике обладают аксиальной симметрией, поэтому зумерные методы расчета таких устройств сохраняют свою важность и сгуальность. Также важна и возможность расчитать прибор «от начала до энца» - от источника электронов - электронной пушки, до коллектора, шючая расчет СВЧ структуры и взаимодействие электронного пучка с ней.

Электронные пушки являются одним из важнейших элементов ^временных СВЧ генераторов, так, как повышение мощности и |)фективности этих приборов требует применения высокопервеансных и лсокоэнергетичных пучков электронов. Так, например, в 7ГТц СВЧ ;илителе магникон со сплошным магнитным сопровождением, їзработанном в ИЯФ СО РАН, электронный пучок имеет следующие араметры: 430 кВ, 242 А, диаметр 2.5 мм при ведущем магнитном поле 3.8 Гс. В качестве источника электронов в этом магниконе используется яодная пушка с оксидным катодом диаметром 120 мм и электростатической эмпрессией пучка по площади ~ 1000. Создание и оптимизация такой пушки или бы невозможны без прецизионных численных расчетов на всех этапах їзработки.

Другим важным элементом СВЧ генераторов и ускорителей зляются резонаторы и ускоряющие структры. Для ускоряющих структур еобходим прецизионный расчет азимутально-однородных мод, так как оычно этот тип колебаний является рабочим. Современные ускоряющие

резонаторы строятся по одномодовой схеме, для подавления высших мод 1 которых используются поглощающие материалы. Поэтому возможност расчета высших мод в системах с большими потерями является такж актуальной задачей. Помимо решения спектральной задачи (нахождени собственных колебаний) в таких системах, очень полезной являете возможность решения задачи возбуждения, которая позволяет напряму» расчитывать импеданс системы в широком диапазоне частот, что требуете при исследовании устойчивости ускоряемого пучка.

Расчет азимутально-неоднородных мод в аксиально-симметричны, ускоряющих структурах необходим при их разработке, так как азимутально неоднородные моды могут возбуждаться из-за различных нарушена аксиальной симметрии, например, элементов подстройки, щелей связи и др а кроме того они могут возбуждаться ускоряемым пучком при отклонени его от оси системы. Обычно азимутально-неоднородные моды являютс паразитными, приводящими к ухудшению характеристик ускоряющи структур и к снижению поперечной устойчивости пучков. С другой сторош азимутально-неоднородные моды могут использоваться и в качестве рабочи мод в некоторых видах СВЧ устройств, например, в магниконе, гд используется круговая развертка пучка.

В качестве импульсных источников электронов для ускорителе* могут использоваться электронные пушки с сеточным управлением Поэтому самостоятельной задачей является расчет аксиально-симметричньо электронных ВЧ приборов с сеточным управлением, в которых модуляцю электронного потока осуществляется изменением напряжения на сетк< катодно-сеточного узла. Для описания динамики пучка в таких приборах, і также взаимодействия пучка с выходным резонатором, необходим< использовать нестационарную модель пучка.

Помимо вопросов, связанных с созданием методов и вычислительны)

программ для прецизионных расчетов, в диссертации рассматривают^

конкретные задачи исследования и оптимизации электронных пушек и В¹

резонаторов, разрабатываемых в ИЯФ СО РАН и в других научных центрах.

Целью работы является:

1. Создание эффективного метода и вычислительной программы да прецизионного расчета аксиально-симметричных электронных пушек.

2. Создание эффективных методов и вычислительных программ да расчета электродинамических характеристик аксиально-симметричнь; элементов СВЧ генераторов и ускоряющих структур.

3. Разработка метода и создание вычислительной программы для расчет аксиально-симметричных сеточных СВЧ приборов.

4. Использование этих методов и программ для расчета элементов СВ генераторов и элементов ускоряющих структур, разрабатываемых ИЯФ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

5. Разработан метод расчета стационарных электронных пушек, основанный на методе конечных элементов с четырехугольными элементами второго порядка и реализованный в вычислительной программе SUPERSAM.

6. Разработаны методы расчета азимутально-однородных и мультипольных колебаний в аксиально-симметричных элементах ВЧ структур с частичным заполнением диэлектриками и ферромагнетиками, как без потерь так и с потерями в материалах заполнения, и вычислительные программы на базе этих методов (семейство программ SUPERLANS).

7. Разработаны методы и программы SMASON-KOP для расчета аксиально-симметричных нерелятивистских сеточных приборов. Практическая ценность. Программа SUPERSAM применяется при

расчете электронных пушек и коллекторов различных установок, создаваемых в ИЯФ. В частности, программа использовалась для модификации электронной пушки СВЧ генератора магникон, а также активно используется при расчетах электронных пушек и коллекторов для установок электронного охлаждения.

Практически все двумерные расчеты ускоряющих структур, создаваемых в радиофизической лаборатории ИЯФ проводятся с помощью программ семейства SUPERLANS. Например, эти программы применялись при расчете и оптимизации теплых одномодовых резонаторов для источника синхротронного излучения в Nano-Hana и для ускорителя ВЭПП2000.

Вычислительные программы SUPERSAM и семейства SUPERLANS используются не только в ИЯФ, но и в других российских и зарубежных институтах и научных центрах, таких как ИСЭ (Томск), CERN, КЕК, FNAL, CESR.

Апробация работы и публикации. Положенные в основу диссертации результаты докладывались на научных семинарах ИЯФ, на американских ускорительных конференциях РАС91, 95, 97, на конференции по ускорителям на высокие энергии НЕАС92 (Гамбург) , на европейской ускорительной конференции ЕРАС 96 (Барселона); а также на международном совещании по электронному охлаждению на средние энергии МЕЕС97 (Новосибирск), на XII Российской Конференции по использованию синхротронного излучения СИ-98 (Новосибирск), а также опубликованы в журналах и в виде препринтов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Изложена на 184 страницах, содержит 66 рисунков и 8 таблиц. Список литературы состоит из 87 наименований.

Основные результаты, представленные к защите:

8. Разработан метод расчета и вычислительная программа SUPERSAM для расчета стационарных электронных пушек, основанные на методе конечных элементов (МКЭ) с четырехугольными элементами второго порядка.

9. Разработаны методы и вычислительные программы расчета азимутально-однородных и мультипольных колебаний в аксиально-симметричных элементах ВЧ структур с частичным заполнением диэлектриками и ферромагнетиками, как без потерь, так и с потерями в материалах заполнения (семейство программ SUPERLANS).

10. Разработаны вычислительные методы и программы SMASON-KOP для расчета аксиально-симметричных нерелятивистских сеточных приборов типа клистрод. Комплекс программ SMASON позволяет расчитывать нестационарные аксиально-симметричные электронные пушки с сеточным управлением.

11. Проведена оптимизация электронной пушки действующего СВЧ генератора Магникона на 7 ГГц, для получения проектных параметров генератора.

12. Расчитаны варианты электронных пушек с высоким микропервенсом ~5-10 для целей электронного охлаждения.

13. Проведены расчеты перестраиваемого резонатора с тюнером'для проекта LEB SSCL, на базе которых был спроектирован и изготовлен этот резонатор.

14. Исследована электрическая прочность резонаторов мощного СВЧ-генератора магникон на 7 ГГц.

15. Проведено численное моделирование СВЧ генератора типа клистрод.