Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов
Возникновение мультипакторных разрядов в диодных промежутках линейного ускорителя ионов без систем стабилизации электродинамических параметров многоячеечной резонаторной структуры является одним из серьёзных возмущающих факторов, когда невозможно достичь не только требуемых характеристик ускоряющих...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10889 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов / Л.Д. Лобзов, Н.Г. Шулика, В.Н. Белан // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 3. — С. 598-609. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859943778199011328 |
|---|---|
| author | Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Белан, В.Н. |
| author_facet | Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Белан, В.Н. |
| citation_txt | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов / Л.Д. Лобзов, Н.Г. Шулика, В.Н. Белан // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 3. — С. 598-609. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Возникновение мультипакторных разрядов в диодных промежутках линейного ускорителя ионов без систем стабилизации электродинамических параметров многоячеечной резонаторной структуры является одним из серьёзных возмущающих факторов, когда невозможно достичь не только требуемых характеристик ускоряющих полей, но и устойчивых ВЧ колебаний в его системе сложно связанных колебательных контуров. При подавлении условий размножения вторичных электронов и устранения возможности нарастания их числа во времени до величин мультипакторных разрядов условия устойчивости ВЧ колебаний и работа всей системы возбуждения ускорителя в целом может быть удовлетворительной. А для многих пуско-наладочных и технологических задач на ускорителе разрешение проблемы подавления паразитных мультипакторных разрядов и достижение устойчивого характера возбуждаемых ВЧ напряжений является завершающим этапом. Экспериментально показано управление низковольтными мультипакторными процессами от максимального их влияния на установление ВЧ напряжений на элементах высокодобротной ускоряющей структуры до полного подавления размножения вторичных электронов с материала электродов и получения устойчивых электродинамических характеристик.
Виникнення мультипакторных розрядів у діодних проміжках лінійного прискорювача іонів без систем стабілізації електродинамічних параметрів багатоячеечної резонаторної структури є одним із серйозних факторів, що обурюють, коли неможливо досягти не тільки необхідних характеристик прискорюючих полів, але й стійких ВЧ коливань у його системі складно зв'язаних коливальних контурів. При придушенні умов розмноження вторинних електронів і усунення можливості збільшення їхнього числа в часі до величин мультипакторных розрядів умови стійкості ВЧ коливань і робота всієї системи збудження прискорювача в цілому може бути задовільною. А для багатьох пусконалагоджувальних і технологічних завдань на прискорювачі вирішення проблеми придушення паразитних мультипакторных розрядів та досягнення сталого характеру збудження ВЧ напруг є завершуючим етапом. Експериментально показане керування низьковольтними мультипакторными процесами від максимального їхнього впливу на встановлення ВЧ напруг на елементах высокодобротної резонаторної структури до повного придушення розмноження вторинних електронів з матеріалу електродів і одержання стійких електродинамічних характеристик.
The appearance of multipacting discharges in diod gaps of multi-cells structure of ion linear accelerator, without system stability electrodynamics parameters, is considered to be one of the main breaking factors of its electrodynamics parameters, when it is impossible to achieve the required characteristics of accelerating fields, but also the stable RF generation in its general system of complex connected oscillatory contours, which is broken by the indicated discharges in one of them. With suppression of conditions of secondary electron multiply and of removing of the possibility of their number growing in time up to the size of multipacting discharges, the conditions of the stable RF generation and work the whole system of accelerator agitation on the whole, may be satisfactory. For many starting-repairing and technological works on the accelerator, the solving of a problem of the suppression of parasite multipacting discharges and the reaching of stable character of RF voltage installation is considered to be the final stage. It is experimentally shown the control of multipactor processes, from their maximal influence on the character of transitional processes of installation of RF voltage on the elements of structure of linear accelerator up to a full suppression resonance multiply electrons with material electrodes and the achievment of nominal amplitudes of accelerating fields in linear accelerator.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:12:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 12, № 3, 2007, с. 598-609 © ИРЭ НАН Украины, 2007
УДК 621.384.6
УПРАВЛЕНИЕ МУЛЬТИПАКТОРНЫМИ РАЗРЯДАМИ В ВЫСОКОДОБРОТНОЙ
СТРУКТУРЕ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ИОНОВ
Л. Д. Лобзов, Н. Г. Шулика, В. Н. Белан
Национальный научный центр Харьковский физико-технический институт
1, ул. Академическая, Харьков, 61108, Украина
E-mail: belan@kipt.kharkov.ua
Возникновение мультипакторных разрядов в диодных промежутках линейного ускорителя ионов без систем стабилиза-
ции электродинамических параметров многоячеечной резонаторной структуры является одним из серьѐзных возмущающих факто-
ров, когда невозможно достичь не только требуемых характеристик ускоряющих полей, но и устойчивых ВЧ колебаний в его сис-
теме сложно связанных колебательных контуров. При подавлении условий размножения вторичных электронов и устранения воз-
можности нарастания их числа во времени до величин мультипакторных разрядов условия устойчивости ВЧ колебаний и работа
всей системы возбуждения ускорителя в целом может быть удовлетворительной. А для многих пуско-наладочных и технологиче-
ских задач на ускорителе разрешение проблемы подавления паразитных мультипакторных разрядов и достижение устойчивого
характера возбуждаемых ВЧ напряжений является завершающим этапом. Экспериментально показано управление низковольтными
мультипакторными процессами от максимального их влияния на установление ВЧ напряжений на элементах высокодобротной
ускоряющей структуры до полного подавления размножения вторичных электронов с материала электродов и получения устойчи-
вых электродинамических характеристик. Ил. 10. Библиогр.: 19 назв.
Ключевые слова: линейный ускоритель ионов, резонаторная структура, единичная ускоряющая ячейка, параллельные
электродные поверхности, переменные электрические поля, вторично-электронная эмиссия, мультипак торный разряд.
С мультипакторными разрядами в линей-
ных ускорителях заряженных частиц обычно стал-
киваются при проведении пуско-наладочных ра-
бот, связанных с вводом ВЧ мощности в многояче-
ечную резонаторную структуру, и достижении
требуемых амплитуд ВЧ полей в еѐ ускоряющих
зазорах. Во многих случаях эти работы выполня-
ются без введѐнных систем общих и специальных
способов стабилизации и управления параметрами
ускорителя [1, 2]. При этом основной задачей ис-
пытания созданной структуры ускорителя Е или
Н-типа и обеспечения устойчивости еѐ электроди-
намических параметров является прохождение
низковольтного мультипактора [3-5, 6], т. е. выбор
метода управления им. Это нужно для сохранения
во времени расчетных электродинамических па-
раметров резонаторной структуры, как оконечной
нагрузки ВЧ системы ускорителя, условий его
согласованного возбуждения, обеспечения усло-
вий генерации ВЧ колебаний в сложно связанных
контурах одно или многокаскадного усилитель-
ного канала, в элементах связей и фидерных ли-
ниях. Последующее увеличение амплитуд основ-
ных электрических полей выше номинальных и
обеспечение устойчивости ВЧ генерации в ли-
нейном ускорителе также связано с резонансны-
ми вторично-электронными разрядами [7]. Их
возникновение возможно в других областях резо-
наторных структур, где при однородных ВЧ элек-
трических полях, необходимых резонансной
электронной мультипакции в имеющихся диод-
ных промежутках, могут быть обеспечены высо-
кие вторично-электронные свойства материала их
электродов, подвергающихся бомбардировке ис-
пускаемыми электронами, что требует разработки
специальных систем, исключающих возможные
аварии на ВЧ ускорителях [8].
Подавление мультипакторных разрядов -
это нарушение амплитудно-фазовых условий,
определяющих границы амплитуд ВЧ напряже-
ний, прилагаемых к диодному промежутку, и фа-
зовую устойчивость вторично-электронных про-
цессов, повторяющихся в каждом полупериоде
поля. Для диодного промежутка длины d, являю-
щегося основным емкостным элементом высоко-
добротной (Q
?1) единичной ускоряющей ячейки
- это выход за пределы диапазона прилагаемых
ВЧ напряжений, относительные амплитуды кото-
рых теоретически определяются величиной ко-
эффициента (0,268-0,318) в интервале фаз каждо-
го полупериода времени от 0 до 65° [9].
Наиболее эффективным ВЧ методом по-
давления мультипакторных разрядов между
электродами и электродными поверхностями
резонаторной ускоряющей структуры, разрабо-
танным в ИПЭНМУ ННЦ ХФТИ, является воз-
буждение в ней одновременно двух ВЧ электри-
ческих полей на основной частоте этой структу-
ры. При этом параметры одного из полей зави-
сят от паразитного воздействия резонансных
вторично-электронных разрядов в резонаторе, а
другого - не зависят [10]. Это обеспечивает не-
прерывный рост суммы их амплитуд в структуре
в любом случае - при мультипакторных разрядах
или без них. Реализация такого ВЧ метода осу-
ществляется созданием в системе ускорителя
двух автоколебательных контуров, образуемых
независимыми положительными обратными свя-
mailto:belan@kipt.kharkov.ua
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
599
зями ВЧ источника с резонатором (ПОСР) и с
его выходом на фидер (ПОСФ).
Основным достоинством нового метода
ВЧ самовозбуждения однорезонаторного ускори-
теля ионов является то, что при этом полностью
сохраняется картина ВЧ полей разработанной
структуры, а амплитуды устанавливающихся ре-
зультирующих полей при неизменных стоках и
истоках электрических силовых линий определя-
ют вторично-электронные свойства еѐ электродов
и электродных поверхностей.
В работе [11] приведены результаты ис-
следований влияния мультипакторных разрядов
на установление ВЧ колебаний многозазорного
резонатора ускорителя при различных способах
автоколебательного возбуждения, без систем ста-
билизации и автоматического регулирования.
Установлено, что простые автоколебательные
схемы ВЧ возбуждения высокодобротной струк-
туры линейного ускорителя без принятия мер,
уменьшающих влияние обратной реакции нагруз-
ки на их работу, являются одновременно и схе-
мами генерации мультипакторных процессов в
однородных электрических полях между участ-
ками параллельных поверхностей его диодных
промежутков, в том числе и электродов уско-
ряющего канала. Применение двух ВЧ полей,
возбуждаемых в резонаторе ВЧ автоколебатель-
ной системой с двумя автоколебательными кон-
турами при заданных коэффициентах их незави-
симых положительных обратных связей, подав-
ляя размножение вторично-электронных процес-
сов во времени, обеспечивает квазипостоянство
параметров указанных диодных промежутков и
соответствующих характеристик ускорителя. В
этой же статье описан механизм возникновения
электронной мультипакции, генерируемой в од-
нородных ВЧ электрических полях диодных про-
межутков структуры, возбуждаемой автоколеба-
тельным контуром с ПОСР, и ее (мультипакции)
подавления при последовательном включении
второго автоколебательного контура с ПОСФ,
являющегося составной частью ВЧ системы ус-
корителя. Но для понимания отдельных результа-
тов, связанных с последствиями мультипакторно-
го эффекта в высокодобротных структурах с вве-
дѐнными металлическими электродами (потенци-
альными эмиттерами), необходимы ещѐ более
полные аргументы того, что в указанных струк-
турах имеют место процессы размножения вто-
ричных электронов, достигающие во времени
величин электронных разрядов, закорачивающих
отдельные электроды. Это вызывает изменение
параметров ускорителя - резонансной частоты и
шунтового сопротивления, падение добротности
и электрических полей в ускоряющих зазорах.
Именно эти электронные процессы и их связь с
указанными параметрами структуры во времени
определяют условия генерации ВЧ напряжений в
автоколебательной системе ускорителя и сущест-
вования тех же мультипакторных процессов в его
единичных ячейках. Вместе с тем, управление
параметрами автоколебательных контуров ВЧ
системы позволяет регулировать условия возбуж-
дения результирующих электрических полей в
ускорителе, уменьшая или увеличивая количество
электронов, порождаемых при бомбардировке
ими электродов. То есть, изменением параметров
автоколебательного контура, в котором условия
ВЧ генерации не зависят от влияния возникаю-
щих возмущающих факторов в резонаторной
структуре, можно управлять еѐ результирующими
напряжениями и, соответственно, интенсивно-
стью возникающих мультипакторных процессов,
за счет изменяющегося коэффициента вторично-
электронной эмиссии материала электродов, бом-
бардируемых электронами малых (Квээ>1) или
больших (Квээ<1) энергий.
В работе экспериментально изучены ис-
кажения импульсов ВЧ напряжений высокодоб-
ротной ускоряющей структуры, возмущенной
мультипакторными разрядами при управлении
ими регулированием результирующих амплитуд
ВЧ полей, возбуждаемых двумя независимыми
ВЧ напряжениями близких или равных частот.
Исследуются также электродинамические пара-
метры резонаторной структуры линейного про-
тонного ускорителя и вторично-электронных то-
ков, образующихся в устойчиво нарастающих или
спадающих ВЧ электрических полях диодных
промежутков его единичных ячеек, возбуждае-
мых новым ВЧ методом.
1. Исследование электродинамических
параметров ВЧ ускоряющей структуры с
мультипакторными свойствами. Исследова-
ние резонаторных характеристик ускоряющей
структуры проводились на однорезонаторном
ускорителе ионов при регулировании основных
параметров двух автоколебательных контуров с
независимыми положительными обратными свя-
зями, определяющих амплитудно-фазовые усло-
вия генерации соответствующих уровней мощ-
ностей общим ВЧ энергетическим источником.
При этом изменялись фазовые соотношения по
кольцевым цепям ВЧ автоколебаний и амплитуд
напряжений, характеризующих коэффициенты
положительных обратных связей в каждом из
контуров.
Структурная схема однорезонаторного
линейного ускорителя с мультипакторными
свойствами, возбуждение которого образовано
двумя ВЧ напряжениями близких или равных
частот, непосредственно суммируемых в высо-
кодобротной структуре и соответственно в еѐ
единичных ячейках с осевыми ускоряющими
зазорами, представлена на рис. 1.
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
600
Рис. 1. Структурная схема резонаторной структуры линейного
ускорителя ионов, возбуждаемого ВЧ автоколебательной
системой с двумя автоколебательными контурами, образуе-
мыми независимыми положительными обратными связями
ВЧ источника с фидером и с резонатором. Р - резонатор мало-
габаритного линейного ускорителя ионов Н - типа; 1 - трех-
каскадный канал усиления ВЧ мощности; 2 - рефлектометр
фидерный; 3 - коаксиальное устройство согласования входно-
го сопротивления резонатора и волнового сопротивления
фидера; 4 - мощный ВЧ ввод; 5 - элемент положительной
обратной связи входа усилительного канала с резонатором
ускорителя; 6 - элемент положительной обратной связи входа
и выхода усилительного канала, установленный в фидере; 7 -
аттенюатор; 8 - фазовращатель коаксиальный; 9 - мост сложе-
ния ВЧ напряжений; 10 - петля измерительная
Трехкаскадный ВЧ усилительный ка-
нал 1, коэффициент усиления которого выбран,
исходя из обеспечения требуемого уровня номи-
нальных амплитуд ускоряющих полей для линей-
ного ускорителя протонов или дейтронов, охва-
чен двумя положительными обратными связями с
установленными элементами 5 в ПОСР и 6 в
ПОСФ.
Регулирование амплитудных и фазовых
соотношений в кольцевых цепях указанных авто-
колебательных контуров обеспечивается атте-
нюаторами 7 и фазовращателями коаксиальными
8. Контроль режима передачи мощности в уско-
ритель осуществляется с помощью измеритель-
ных элементов 10, установленных в резонаторе, а
также измерениями амплитуд напряжений па-
дающей и отраженных волн как в фидерном трак-
те ускорителя с помощью рефлектометров фи-
дерных 2, так и в цепях положительных обратных
связей автоколебательных контуров (на схеме не
указаны). Размеры петли 5 автоколебательного
контура ПОСР, установленной у поверхности
цилиндрического резонатора, были выбраны, ис-
ходя из минимально вносимого возмущения ВЧ
электрических полей и общего магнитного пото-
ка, часть которого пронизывает площадь этой
петли. Размеры петли 6 и степень связи с ВЧ по-
лями фидера выбраны из условий обеспечения
требуемых амплитуд напряжения положительной
обратной связи в контуре ПОСФ и минимальном
возмущении параметров фидера.
Ускоряющая структура Р, представляю-
щая собой высокодобротную (Qо ≈ 5000) резонанс-
ную структуру (fрез ≈
100 МГц) для ускорения ио-
нов, на которой проводились исследования, описа-
на в работе [11]. Торцевые поверхности трубча-
тых электродов определѐнной длины, выпол-
няющие одновременно и экранировку пролетаю-
щих ускоренных частиц от тормозящих электри-
ческих полей, образуют 16 параллельно соединѐн-
ных ускоряющих зазоров структуры на π-волне,
по оси которых могут ускоряться инжектируемые
пучки протонов. Мультипакторные процессы об-
разуются в однородных электрических полях ме-
жду участками плоскопараллельных поверхно-
стей торцов этих электродов, подвергающихся
взаимной бомбардировке электронами, эмити-
руемых при соответствующих направлениях
электрических силовых линий между ними. Дли-
ны первого и второго зазоров равны 1,353 см и
1,753 см, длины предпоследнего и последнего
зазоров - 6,120 см и 6,422 см. Расчетная амплиту-
да напряженности электрического поля, усред-
ненная по зазорам, равна 60 кВ/см. В первом и
последнем зазорах указанная напряженность рав-
на 30 кВ/см (коэффициент поля этих зазоров ра-
вен 0,5). Посчитанный диапазон малых амплитуд
напряжений, прилагаемых к электродам первого
диодного промежутка, при которых возникают
мультипакторные разряды в одном из зазоров
высокодобротного резонатора, находится в пре-
делах (100-105)В.
Исследование влияния контуров с номи-
нальными напряжениями положительных связей
на резонансную частоту ускорителя и КСВ в фи-
дере проводилось при сравнении ВЧ возбуждения
от задающего генератора (ЗГ) с предварительным
усилителем (ПУ) на 200 Вт.
В пределах точности измерений 5 кГц
частота ускорителя не изменяется при подключе-
нии вместо ЗГ с ПУ указанных контуров, что и
подтверждает отсутствие их влияния на его элек-
тродинамические характеристики.
Соотношения амплитуд ВЧ напряжений,
генерируемых контурами ПОСР и ПОСФ, выби-
рались из условия обеспечения устойчивости ха-
рактеристик линейного ускорителя в динамиче-
ском режиме при подавленных мультипакторных
разрядах и величине результирующих ускоряю-
щих полей, определяемых контрольной амплиту-
дой номинального напряжения в резонаторе. Это
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
601
необходимо для автоматического предотвраще-
ния разрушительного воздействия перенапряже-
ний в системах ускорителя, если в них возникнут
любые быстро нарастающие возмущения, резко
ухудшающие согласование в цепях. Мощность,
отбираемая при этом из резонатора, составляет
единицы процентов от мощности, вводимой в
ускоритель.
Изменение фаз положительных обратных
связей в каждом из контуров позволяет регулиро-
вать режимы бегущих волн как в тракте возбуж-
дения ВЧ канала, так и в передающем фидере.
При этом амплитуды падающих и отраженных
волн характеризуют не только условия согласо-
вания входного сопротивления резонатора с вол-
новым импедансом фидера, но и уровень номи-
нальной мощности, поступающей в структуру.
Для протонов амплитуда контрольного ВЧ им-
пульса резонатора Uрез ном = 8,5 В, для дейтронов
Uрез ном = 17 В.
На рис. 2 представлены осциллограммы
основных контрольных напряжений резонаторной
структуры, характеризующих устойчивое возбуж-
дение резонансного ускорителя ВЧ автоколеба-
тельной системой с двумя автоколебательными
контурами. На рис. 3 представлены осциллограм-
мы выходного напряжения частотного смесителя,
схемы измерения с помощью измерительного ге-
нератора, основной частоты ускорителя, возбуж-
даемого указанным ВЧ методом. Детальный ана-
лиз фронта ВЧ импульса напряжения с частотного
смесителя, от частоты биений Δf = 60 кГц (а) с
последующим уменьшением частоты биений до
Δf = 40 кГц (в) не обнаруживает быстрых измене-
ний частоты ускорителя. Постоянная длительность
периода биений указывает на то, что в такой резо-
нансной системе ВЧ самовозбуждения резонатор-
ной структуры существует только одна частота -
основная частота линейного ускорителя.
Требуемая величина напряженности поля
на оси резонаторной ВЧ структуры устанавливает-
ся амплитудой высоковольтного напряжения мо-
дулирующего импульса при настроенных ампли-
тудных и фазовых соотношениях в кольцевых це-
пях контуров ПОСР и ПОСФ. Степень общего
согласования входного сопротивления резонатор-
ной структуры с волновым сопротивлением фиде-
ра, контролируемого минимумами величины ам-
плитуды отраженной волны и коэффициента стоя-
чей волны в тракте, совместно с измерением ос-
новных параметров Uрез и fрез, позволяют поддер-
живать резонансные характеристики ускорителя в
ручном режиме. Наличие в системе возбуждения
линейного ускорителя двух ВЧ автоколебательных
контуров определяют его устойчивую работу как в
режиме эффективных ВЧ «тренировок» резонато-
ра, так и при ускорении заряженных ионов.
Рис. 2. Осциллограммы контрольных напряжений линейного
ускорителя ионов, характеризующие устойчивость его элек-
тродинамических параметров. Масштаб по горизонтали-
50 мксек/дел: (а), (б) - амплитуды напряжений c резонатора
Uрез (верхние) и с частотного смесителя Uсм (нижние) при ве-
личинах частотных отстроек равных 20 кГц (а) и нулю (б).
Масштаб: Uрез - 5 В/дел; Uсм (а, б) - 0,5 В/дел; (в)-амплитуды
контрольных напряжений падающей Uпад(верхняя) и отражен-
ной Uотр (нижняя) волн в фидере. Масштаб: Uпад, - 10 В/дел;
Uотр - 5 В/дел; (г) - амплитуда модулирующего напряжения
выходного каскада, ВЧ системы ускорителя. Масштаб: Uмод -
5 В/дел
Рис. 3. Осциллограммы переднего фронта импульса выходного
напряжения ВЧ смесителя, при разных масштабах развертки
осциллографа и величинах частотных отстроек измерительного
генератора от основной частоты резонансной структуры уско-
рителя. а) - масштаб по горизонтали 50 мкс/дел, ∆f = 60 кГц;
(б), (в) - масштаб по горизонтали 20 мкс/дел, ∆f = 60кГц(б);
40 кГц(в)
В настроенной таким образом ВЧ авто-
колебательной системе многозазорного ускорите-
ля протонов и были проведены эксперименты по
управлению мультипакторными процессами.
Напряжение на индуктивной петле 6 Uпосф
регулировалось путем изменения угла поворота еѐ
плоскости относительно магнитных силовых линий
фидера от параллельного еѐ расположения, прини-
маемого за исходное (0°), до перпендикулярного
(90°). Это позволяет определять коэффициент наво-
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
602
димого на петле напряжения, пропорционально
синусу этого угла, от Uпосф = 0 до Uпосф = Uпосф ном.
При этом обеспечивается перестройка частоты ре-
зонатора, возмущаемого мультипакторными разря-
дами, до его основной частоты [11].
Изменение результирующего напряжения
в резонаторе при вращении петли 6 из одного
крайнего положения в другое (0°-90°-0°) и соот-
ветственно коэффициента положительной обрат-
ной связи ВЧ источника с фидером, определяют
характер (нарастающих или спадающих) вторич-
но-электронных процессов, происходящих в ВЧ
электрических полях ускоряющих зазоров. При
этом представляет интерес выявление искажений
формы ВЧ импульсов резонатора, реально фик-
сируемых измерительной аппаратурой.
В случае резонатора, расстроенного
мультипакторными разрядами, вращение петли 6
от 0° до 90° (подавление мультипактора) позволя-
ет наблюдать реальные искажения импульсов ВЧ
напряжений резонатора от амплитуды
Uпосф ≈ 0,34Uпосф ном и полностью восстановлен-
ных форм импульсов при Uпосф ≈ 0,94Uпосф ном
(коэффициенты 0,34 и 0,94 - синусы углов пово-
рота петли 20° и 70°). В случае устойчивых пара-
метров структуры и полностью подавленной
мультипакции обратное вращение петли 6 от 90°
до 0° (т. е. снова к мультипактору) позволяет на-
блюдать реальные искажения ВЧ импульсов ре-
зонатора от Uпосф ≈ 0,55Uпосф. ном до Uпосф ≤
0,225Uпосф ном (0,225 и 0,55- синусы углов 13° и
33° соответственно). При параллельной ориента-
ции петли 6 относительно магнитных полей фи-
дера и 0° к ним регистрация контрольных напря-
жений резонатора (максимально искаженных
мультипакторными разрядами, возбуждаемых
только автоколебательным контуром ПОСР) не
возможна из-за малости общих амплитуд, возбу-
ждаемых в генераторной системе ВЧ ускорителя.
Таким образом, управление мультипак-
торными разрядами и устойчивостью возбужде-
ния высокодобротной ускоряющей структуры
обеспечивается одновременной генерацией в ре-
зонаторе двух ВЧ напряжений, результирующая
величина которых управляется регулированием
напряжения положительной обратной связи (ко-
эффициента обратной связи) автоколебательного
контура ПОСФ, являющегося составной частью
ВЧ ускорителя. При этом анализ искажений уста-
новления ВЧ полей резонаторной структуры во
времени позволяет судить о характере размноже-
ния вторичных электронов, участвующих в муль-
типакторных процессах. Устойчивое установле-
ние ВЧ полей в ускорителе обеспечивает эффек-
тивную тренировку эмиссионных свойств мате-
риала электродных поверхностей и быстрое дос-
тижение номинальных амплитуд ускоряющих
полей. При этом в любой момент времени ВЧ
возбуждение резонаторной структуры может
быть переведено на генерацию мультипакторного
эффекта и исследования отличительных свойств
возмущений, вносимых в колебательную систему
резонансного ускорителя. Отсутствие здесь лю-
бых других методов изменения электродинамиче-
ских характеристик структуры и собственных
вторично-электронных свойств материала, из ко-
торого она изготовлена, кроме указанного ВЧ
воздействия, очевидно.
На рис. 4 представлена последовательность
осциллограмм результирующих ВЧ напряжений
однорезонаторной многоячеечной ускоряющей
структуры, показывающая реальные искажения
формы и длительности ВЧ импульсов, вызывае-
мых генерацией паразитных мультипакторных
процессов в отдельных диодных промежутках,
при фиксированном изменении от нуля до номи-
нальной амплитуды сигнала положительной свя-
зи в контуре с ПОСФ и неизменных его фазовых
соотношениях. Управление искажениями им-
пульса ВЧ напряжения резонатора от Uрез мин (оп-
ределяемых амплитудами ВЧ напряжения воз-
никновения мультипакции) до Uрез ном (без муль-
типакторных разрядов) позволяет утверждать, что
при этом осуществляется управление числом вы-
хода вторичных электронов, определяющих их
последующее размножение.
При параллельной ориентации петли свя-
зи ПОСФ относительно магнитных линий фидера
и малых, до 20°, наклонах к ним величины наво-
димых напряжений на этой петле, как указано вы-
ше, очень малы (в резонаторе мультипактор, вели-
чина электронного возмущения которого и опре-
деляет амплитуды возбуждаемых в нѐм напряже-
ний). Поэтому осциллограмма с минимальной ре-
зультирующей амплитудой напряжения в резона-
торе, генерируемом контуром с ПОСР, предшест-
вующая рис. 4, а, при выбранной для всех кон-
трольных сигналов одинаковой чувствительности
осциллографа не приводится, поскольку почти
совпадает с линией развѐртки электронного луча.
Это подтверждается также “холодными” измере-
ниями резонансних характеристик и распределе-
ния амплитуд электрических полей по зазорам
структуры, падающих до величин вблизи нуля при
коротком замыкании соседних трубок дрейфа ме-
таллическими проводниками [12].
Эти разряды, наблюдаемые визуально по
свечению в первых зазорах многозазорного уско-
ряющего канала, генерируемые ВЧ автоколеба-
тельной системой с одной положительной обрат-
ной связью ПОСР (при напряжении на элементе 6
Uпосф ≈ 0) имеют условия резонансного развития в
собственных электрических полях структуры и еѐ
ускоряющих зазорах. По мере увеличения на петле
6 напряжения положительной обратной связи в
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
603
контуре с ПОСФ выше Uпосф ≈ 0,34Uпосф ном, меха-
низм развившихся низковольтных мультипактор-
ных разрядов нарушается. При этом появляются
ВЧ импульсы напряжений резонатора с началь-
ным временем задержки возбуждения tз и изме-
няющихся амплитудах по длительности ВЧ им-
пульса. Как следует из рис. 4,а - 4,в при увеличе-
нии амплитуд напряжений Uпосф выше указанно-
го tз ≤ 50 мкс.
Рис. 4. Осциллограммы установления результирующих ам-
плитуд импульсных ВЧ напряжений в резонаторе протонного
ускорителя, возмущѐнного мультипакторными процессами и
разрядами, при номинальных параметрах амплитуды и фазы
автоколебаний в контуре с ПОСР и регулировании амплитуды
напряжения положительной обратной связи на элементе связи
контура с ПОСФ. (а)-(ж): - амплитуды результирующих на-
пряжений резонатора, определяемые напряжениями положи-
тельной обратной связи в контуре ПОСФ, при вращении пет-
ли в фидере от 20°до 70°; (з) - амплитуда напряжения резона-
тора при вращении петли в фидере от 70°до 90°. Масштаб по
горизонтали - 50 мкс/дел; Uрез - 2 В/дел
На этих осциллограммах ВЧ напряжений
резонатора также отчетливо видны отличитель-
ные признаки их неустойчивого установления,
обусловленные подавлением мультипакции. Это
подтверждается теорией мультипакции в диод-
ном промежутке единичной ускоряющей ячейки
[9] указывающей, что нарушение амплитудных и
фазовых диапазонов мультипакции сопровожда-
ется физическим убыванием электронов из разря-
да. При этом происходит переходной процесс
улучшения параметров структуры и увеличения
амплитуд результирующего напряжения, харак-
теризуемых изменением формы и длительности
фронтальной ступеньки ВЧ импульса резонатора
[13-14]. Мультипакторные процессы продолжа-
ются, но с уменьшающимся числом испускаемых
вторичных электронов.
По окончании стола указанных ВЧ им-
пульсов, когда скорость падения амплитуд ре-
зультирующего напряжения максимальна, муль-
типакция лишается резонансных условий разви-
тия, т. е. подавляется, переходя в полевую элек-
тронную нагрузку резонатора в электрических
полях с экспоненциально изменяющимися во
времени амплитудами. А для продолжающихся
переходных процессов в динамически устойчи-
вом резонаторе ускорителя обеспечивается зату-
хание ВЧ колебаний.
С последующим увеличением коэффици-
ента связи в контуре с ПОСФ и увеличением ам-
плитуд электрических полей в зазорах подавле-
ние мультипакции продолжается с сокращением
длительности искажений фронта, уменьшая и
величину возмущения параметров структуры, что
и следует из результирующих импульсов ВЧ на-
пряжений рис. 4,г - 4,ж.
При амплитуде напряжения обратной
связи в контуре с ПОСФ, определяемой соотно-
шением Uпосф 0,94Uпосф ном, условия мульти-
пакции нарушаются полностью, что и следует из
осциллограммы рис. 4,з, а устойчивость установ-
ления импульсных ВЧ напряжений в резонаторе
определяется его реальными медленно изменяю-
щимися в динамическом режиме параметрами.
По мере достижения номинального на-
пряжения обратной связи на петле в фидере до
величины Uпосф ном результирующее напряжение
в резонаторе становится все менее зависимым от
быстрых электронных процессов в его диодных
промежутках. При этом постоянство амплитуд
результирующих ВЧ напряжений в промежутках
с параллельными поверхностями, необходимое
для условий мультипакции при коэффициенте
вторично-электронной эмиссии материала элек-
тродов больше единицы, нарушается с самого
начала нарастания ВЧ возбуждения в каждом
контуре. А механизм размножения мультипак-
торных электронов подавляется с начала их воз-
никновения в каждой половине ВЧ периода поля.
Энергия других вторичных электронов, приобре-
таемая в ВЧ электрических полях с непрерывно
увеличивающейся амплитудой, при этом различ-
на и соответственно бомбардировка ими не мо-
жет обеспечить во времени процессов размноже-
ния электронов из-за Квээ< 1. Различно также и
вызываемое ими энергетическое возбуждение
участков поверхностей, подвергающихся бомбар-
дировке электронами разных энергий. При этом
выход электронов в вакуум, в течение времени
каждого полупериода ускоряющих ВЧ электриче-
ских полей с синусоидально изменяющимися ам-
плитудами, мультипакторных разрядов не обра-
зует. ВЧ энергия, рассеиваемая этими вторичны-
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
604
ми электронами, характеризует в каждый момент
времени активные потери ускоряющей структуры
и соответственно величину ее динамической доб-
ротности во всем диапазоне амплитуд возбуж-
даемых ВЧ полей. При этом форма ВЧ импульса
резонатора линейного ускорителя не содержит
каких-либо признаков возмущения его электро-
динамических параметров.
На рис. 5 представлена зависимость вре-
мени задержки tз установления амплитуд резуль-
тирующих полей в начальной части ВЧ импульса,
от величины сигнала положительной обратной
связи из фидера Uпосф, выраженного в относи-
тельных единицах напряжения. На рис. 6 пред-
ставлена зависимость скорости нарастания фрон-
тальной ступеньки импульса ВЧ напряжения ре-
зонатора, пропорциональной тангенсу угла подъ-
ема фронта, при тех же указанных напряжениях
положительной обратной связи Uпосф.
Рис. 5. Зависимость времени τз установления начальных на-
пряжений в резонаторе с мультипакторными разрядами от
величины амплитуды напряжения Uпосф.
Рис. 6. Зависимость скорости фронта импульса ВЧ напряже-
ния резонатора с мультипакторными разрядами от амплитуды
напряжения Uпосф.
Управление мультипакторными процес-
сами в ускоряющей структуре возможно также и
при переходе от устойчивой электронной нагруз-
ки и высоких амплитуд ускоряющих полей к вто-
рично-электронным разрядам, искажающим ус-
тановление возбуждаемых импульсов ВЧ напря-
жений в структуре, задаваемой величиной изме-
нения еѐ динамических характеристик развив-
шейся интенсивностью разряда.
При обратном регулировании коэффици-
ента обратной связи и уменьшении напряжения
на петле 6 от максимальной величины (соответст-
вующей углу положения петли 90°) до величины
приближающейся к нулю (угол поворота петли
приближается к 0°), вид искажений ВЧ импуль-
сов напряжения резонатора (рис. 4,з - а) может
повторяться, но при особенных условиях. Это
проявляется в том, что при быстром переходе (в
течение смены) от динамически устойчивой элек-
тронной нагрузки к мультипактору, реально
влияющему на характеристики резонатора уско-
рителя, первая фронтальная ступенька (рис. 4,ж)
появляется при установке петли 6 от 90° до 33°,
т. е. при Uпосф ≈ 0,55Uпосф ном. А импульс кон-
трольного ВЧ напряжения резонатора возмущен-
ного вторично-электронными (мультипакторны-
ми) разрядами, реально исчезает с экрана осцил-
лографа (при ранее установленной его чувстви-
тельности), когда угол поворота петли 6 доводит-
ся до 13°, т. е. при Uпосф ≤ 0,225 Uпосф ном.
При продолжительных периодах (поряд-
ка нескольких месяцев) устойчивого возбуждения
ускоряющей структуры новым ВЧ методом, что
может характеризоваться как длительной эффек-
тивной ВЧ «тренировкой» эмиссионных свойств
еѐ электродов и электродных поверхностей,
уменьшение напряжения на петле 6 приводит к
мультипактору непосредственно при еѐ положе-
нии ~ 13° без искажений ВЧ импульса, показы-
ваемых на рис. 4,ж - а. Это указывает на то, что
пока не появятся необходимые условия для воз-
никновения мультипакторных процессов при
уменьшении выходного напряжения, генерируе-
мого контуром ПОСФ, и соответствующем
уменьшении результирующих амплитуд в на-
чальной части ВЧ импульса резонатора, вторич-
но-электронный разряд в структуре не возникает.
Таким образом, экспериментально показа-
но, что обеспечение непрерывного нарастания ре-
зультирующих амплитуд ВЧ полей в ускоряющих
зазорах многоячеечной высокодобротной структу-
ры, возмущенной электронными мультипактор-
ными разрядами, обеспечивает управление интен-
сивностью этих разрядов до полного их перехода
во вторично-электронную нагрузку, определяемую
картиной распределенных электрических полей по
объѐму структуры ускорителя.
2. Измерение токов вторичных элек-
тронов с электродов предпоследних зазоров
ускорителя. Первые результаты исследований
tg
UПОСФ
tЗ
UПОСФ
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
605
вторичной электронной нагрузки в возбуждаемых
ВЧ полях однорезонаторной структуры Н-типа с
параллельно подключенными ускоряющими за-
зорами малогабаритного линейного протонного
ускорителя на энергию W
=
1,5 МэВ, опублико-
ваны в работах [15, 16].
В этих работах показано, что вторично-
электронная нагрузка в динамически устойчивой
[17] вакуумированной ускоряющей структуре -
это наличие в еѐ ВЧ полях, эмитируемых с элек-
тродов и электродных поверхностей, продольных
и радиальных потоков электронов разных энер-
гий, в том числе и электронов, энергии которых
соответствуют амплитудам полей в зазорах. Ука-
занные результаты получены в устойчиво возбу-
ждаемой резонаторной структуре (fрез
≈
150 МГц)
со стабилизацией еѐ электродинамических пара-
метров как за счет использования в автоколеба-
тельных цепях противофазных ВЧ напряжений
[17], так и за счет большого коэффициента усиле-
ния энергетического источника (Ку >
10
6
), усили-
вающего и малые амплитуды ВЧ напряжений
положительной обратной связи из резонатора при
прохождении мультипакции. При этом стабили-
зация динамических характеристик структуры
[18] обеспечивает компенсацию в колебательной
системе резонансного ускорителя любых возму-
щений, в том числе и за счет резонансных элек-
тронных процессов, обусловленных эмиссион-
ными свойствами материала электродов с парал-
лельными поверхностями.
Вместе с этим представляет интерес ис-
следование вторично-электронной нагрузки в
ускоряющих зазорах резонаторной структуры,
возбуждаемой новым ВЧ способом, без извест-
ных систем стабилизации электродинамических
параметров, но при подавленных мультипактор-
ных разрядах, во всем диапазоне достижимых
амплитуд возбуждаемых ВЧ электрических полей
от оси к периферии структуры [10].
На рис. 7 приведены осциллограммы
сигналов соответствующих амплитудам кон-
трольных результирующих ВЧ напряжений в ре-
зонаторе Uрез (верхние), и вторично-электронных
токов Iвээ (нижние). Нижние осциллограммы
представляют собой импульсы токов вторичных
электронов, испускаемых с тех поверхностей
предпоследних ускоряющих диодных промежут-
ков, которые обращены к выходу ускорителя. Из
анализа осциллограмм следует, что с ростом ре-
зультирующих амплитуд полей в резонаторе в
интервале ~(0,5 - 1,5)Uрез ном, устойчиво возбуж-
даемых двумя автоколебательными контурами с
общим ВЧ источником, токи вторичных электро-
нов имеют сложный характер изменения.
В начале и конце ВЧ импульсов резуль-
тирующих напряжений малых амплитуд, в резо-
наторе имеются и малые токи вторичных элек-
тронов (указаны стрелками), характеризующие
инициацию низковольтной электронной мульти-
пакции, которая возникает одновременно во всех
параллельно соединенных зазорах ускоряющего
канала ускорителя и не имеет условий развития в
многоактный процесс паразитного вторично-
электронного разряда.
Рис. 7. Осциллограммы вторично-электронных токов на
выходе резонатора линейного ускорителя, при инициации
мультипакции в ВЧ электрических полях с медленно изме-
няющимися амплитудами. Масштаб по горизонтали -
100 мкс/дел; Uрез - 5 В/дел; Iвээ - 20 мка/дел
При малых амплитудах напряжений и ма-
лой величине динамически устойчивой электрон-
ной нагрузки, высокая добротность резонаторной
структуры изменяется мало. Но с увеличением
амплитуд возбуждаемых напряжений в резонато-
ре увеличивается и величина этой электронной
нагрузки, т. е. увеличиваются активные потери и
соответственно еще более уменьшается доброт-
ность резонатора. Меньшее или большее увели-
чение динамической добротности высокодоброт-
ного резонатора и соответственно скорости на-
растающего ВЧ возбуждения на приведенных
осциллограммах рис. 7 с подавленными мульти-
пакторными процессами показывает отсутствие
их искажающего влияния на характеристики ре-
зонаторной структуры.
Длительность импульсов указанных низ-
коэнергетических вторично-электронных токов
по основанию ~ 10 мкс. Их возникновение во
времени на переднем фронте импульсов ВЧ на-
пряжений, совпадает для всех указанных осцил-
лограмм. А на заднем фронте время их возникно-
вения связано с длительностью расходования за-
пасенной энергии в резонаторе и достижении
требуемых малых величин амплитуд напряжений
мультипакции, прилагаемых к ускоряющим зазо-
рам. То есть, чем больше амплитуда напряжения,
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
606
с которого на заднем фронте начинается процесс
его собственного спадания, тем более длительное
время необходимо для установления в резонаторе
тех малых амплитуд напряжений, которые обес-
печивают инициацию низковольтных мультипак-
торных процессов между участками параллель-
ных поверхностей диодных промежутков с за-
данными длинами ускоряющих зазоров.
Идентичные осциллограммы (измерен-
ные аппаратурой с высоким временным разреше-
нием) контрольных амплитуд ВЧ напряжений
резонатора (нижние) вблизи номинальных вели-
чин и общих токов паразитной вторично-
электронной нагрузки (верхние) с предпоследних
ускоряющих зазоров структуры ускорителя пред-
ставлены на рис. 8. Вторично-электронные свой-
ства электродных поверхностей при этом харак-
теризуются их материалом (высококачественная
медь) при типичных условиях ежедневных ВЧ
«тренировок». Как следует из осциллограмм, ве-
личины токов динамической вторично-
электронной нагрузки, определяются электрона-
ми относительно малых и больших энергий, ус-
коренных при соответствующих по импульсу
амплитудах ВЧ напряжений.
Рис. 8. Парные осциллограммы токов паразитной нагрузки с
предпоследних ускоряющих зазоров (верхние кривые - Iвээ) и
устойчиво возбуждаемых амплитуд ВЧ напряжений (нижние
кривые - Uрез) в резонаторной структуре линейного ускорите-
ля ионов. На верхней паре - ток общей электронной нагрузки,
измеренный цилиндром Фарадея на выходе ускорителя; на
нижней - указанный ток электронной нагрузки, измеренный
цилиндром Фарадея после прохождения алюминиевой фоль-
ги толщиной 5 мкм
На верхней паре осциллограмм при низ-
ких амплитудах ВЧ напряжений на переднем и
заднем фронтах, возбуждаемых в резонаторной
структуре, и соответственно медленных переход-
ных процессах и малых величинах электрических
полей в ускоряющих зазорах на импульсе тока
вторичных электронов также отчетливо видны
инициируемые во времени низковольтные муль-
типакторные процессы.
Поскольку необходимые амплитуды ВЧ
полей в ускоряющих зазорах, обеспечивающие
развитие мультипакторных процессов при спа-
дающем напряжении в резонаторе достигаются
по мере расходования ВЧ энергии, запасенной в
структуре, то эта часть быстро протекающей во
времени резонансно размножающейся электрон-
ной нагрузки возникает (генерируется) отдельно
от основной части токового импульса. Это позво-
ляет проводить ее однозначную диагностику с
помощью алюминиевых мишеней, устанавливае-
мых на пути движения электронов. Толщина ми-
шени выбирается таким образом, чтобы одни
электроны, теряя часть энергии, преодолевали это
торможение и продолжали своѐ дальнейшее дви-
жение, а другие в этой мишени поглощались, от-
дав полностью энергию, приобретѐнную в элек-
трических полях.
На нижней осциллограмме общего токо-
вого импульса рис. 8 низкоэнергетические элек-
тронные всплески (на переднем и заднем фронтах
ВЧ импульса резонатора) отсутствуют по причи-
не полного поглощения в материале мишени -
алюминиевой фольге толщиной 5 мкм, устанав-
ливаемой перед цилиндром Фарадея.
Приведенные осциллограммы являются
экспериментальным подтверждением элементар-
ной теории мультипакторного движения электро-
нов с низкими энергиями между поверхностями
диодных промежутков с малыми расстояниями
при приложенных к ним экспоненциально изме-
няющихся амплитудах нарастающих или спа-
дающих ВЧ напряжений, возбуждаемых в высо-
кодобротной ускоряющей ячейке [12].
В условиях возбуждения резонаторной
структуры новым ВЧ методом были проведены
измерения импульсов вторично-электронных
токов в зависимости от амплитуд устанавли-
вающихся ВЧ напряжений, почти вдвое превы-
шающих номинальное напряжение резонатора,
что необходимо для создания в резонаторной
структуре ВЧ полей, ускоряющих дейтроны.
Увеличение контрольных напряжений резонато-
ра до Uрез ≈ (15 - 16) В также осуществлялось
поднятием амплитуд напряжений на анодах ге-
нераторных ламп усилительного канала.
На рис. 9 приведены осциллограммы им-
пульсов вторично-электронных токов, измерен-
ных на выходе резонатора цилиндром Фарадея,
представляющие общий характер их изменения,
при увеличении амплитуд результирующих ВЧ
напряжений резонатора. До амплитуд напряже-
ний Uрез ~ 0,5Uрез. ном, импульсы вторично-
электронных токов (сверху вниз) повторяют фор-
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
607
му импульсов ВЧ напряжений резонатора (см.
также рис. 7).
Рис. 9. Осциллограммы токов вторичных электронов на выхо-
де ускорителя при разных амплитудах возбуждаемых ВЧ
напряжений в резонаторе и подавленной мультипакции. Мас-
штаб по горизонтали - 50 мкс/дел; Iвээ - 20 мка/дел
Далее по мере увеличения амплитуд на-
пряжений в резонаторе и напряженности элек-
трических полей в зазорах между участками па-
раллельных поверхностей (торцов трубок дрейфа)
ускоряющей структуры центральная часть токо-
вых импульсов уменьшается до некоторого зна-
чения, а затем вновь достигает максимальной
величины и снова уменьшается. При этом на кра-
ях вторично-электронных токовых импульсов в
соответствии с характером нарастания переднего
и спаданием заднего фронтов ВЧ импульсов на-
пряжения резонатора отчетливо видны характер-
ные максимумы этих токов. Это может объяс-
няться быстро протекающим характером измене-
ния амплитуд электрических полей между элек-
тродными поверхностями ускоряющих проме-
жутков и соответственно изменением величин
токов, пропорциональных первым производным
этих ВЧ полей во времени [19].
Уменьшение величин вторично-
электронных токов, регистрируемых на выходе
ускорителя, с увеличением амплитуд электриче-
ских полей в зазорах может объясняться такими
величинами энергий, приобретаемых электрона-
ми в этих полях до пересечения с осью ускоряю-
щего канала, при которых они на больших скоро-
стях пересекают ее и не захватываются продоль-
ной составляющей неоднородных электрических
полей в ускоренное движение.
С целью однозначного подтверждения
характера возникающих между участками парал-
лельных поверхностей трубок дрейфа динамиче-
ских вторично-электронных токов, выходящих по
оси ускорителя, измерение амплитуд токовых
импульсов осуществлялось в двух точках - непо-
средственно за резонатором ускорителя на рас-
стоянии 200 мм от центра последнего зазора и
при удалении на 700 мм.
Максимумы приведенных зависимостей
вторично-электронных токов с предпоследних
ускоряющих зазоров ускорителя от амплитуд ВЧ
напряжений в резонаторе имеют явно выражен-
ный характер независимо от точки измерения.
Это указывает на то, что характер полученных
зависимостей определяется не фокусировкой в
ускоряющих зазорах, а амплитудными условиями
взаимодействия испускаемых электронов с неод-
нородными ВЧ электрическими полями, возбуж-
даемыми на оси этих зазоров.
Графические зависимости амплитуд то-
ков вторичных электронов, измеренных в средней
части импульсов, в зависимости от увеличиваю-
щихся амплитуд ВЧ напряжений в резонаторе
представлены на рис. 10.
Рис. 10. Графические зависимости токов вторичных электро-
нов Iвээ (в средней части токовых импульсов), эмитируемых с
поверхностей электродов предпоследних ускоряющих зазоров
от амплитуд ВЧ напряжений Uрез, возбуждаемых в ускорите-
ле: ○ - цилиндр Фарадея удален от резонатора на 200 мм;
□ - цилиндр Фарадея удален от резонатора на 700 мм
По оси ординат отложены величины
напряжений, измеряемых на сопротивлении
R
=
10 кОм, при протекании токов вторично-
электронной эмиссии Iвээ, регистрируемых цилин-
дром Фарадея. Нижняя кривая с меньшими вели-
чинами амплитуд импульсов вторично-электрон-
ІВЗЗ
Uрез
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
608
ной эмиссии Iвээ характеризуется рассеиванием
вторичных электронов на дополнительно удли-
ненной дистанции пролета в вакууме равной 0,5 м.
Из анализа этих зависимостей следует,
что потоки вторичных электронов, на оси каждо-
го из зазоров с заданными расстояниями между
их поверхностями при увеличении амплитуд воз-
буждаемых ВЧ напряжений уменьшаются, а меж-
ду электродами структуры и еѐ электродными
поверхностями увеличиваются. Наличие вторич-
но-электронных токов в однородных ВЧ электри-
ческих полях между участками параллельных
поверхностей ускоряющих зазоров обеспечивает
непрерывно изменяющееся энергетическое воз-
буждение бомбардируемых областей электродов,
наделяя их свойствами потенциальных эмитте-
ров. При этом в любое время отключения одного
из контуров и приложения к этим электродам
уменьшенных амплитуд ВЧ напряжений, генери-
руемых другим контуром, в начале всех ВЧ им-
пульсов экспоненциально нарастающего напря-
жения высокодобротного резонатора автоматиче-
ски возникает размножение электронов, обра-
зующих во времени мультипакторные разряды с
соответствующими последствиями для всей ко-
лебательной системы ВЧ линейного ускорителя.
Выводы. Исследования электродинами-
ческих параметров ускорителя ионов, возбуждае-
мого ВЧ автоколебательной системой с двумя по-
ложительными обратными связями входа ВЧ ис-
точника с резонатором и с фидером показывают,
что ВЧ метод возбуждения двух ВЧ напряжений
близких частот, суммируемых в ускорителе, обес-
печивает требуемые параметры ускоряющих полей
и резонансные характеристики его высокодоброт-
ной структуры на основной расчетной частоте.
Экспериментально показано, что мульти-
пакторными процессами и разрядами в высокодоб-
ротном резонаторе линейного ускорителя ионов
можно управлять путем сохранения общего харак-
тера скоростей нарастания результирующих ампли-
туд ВЧ полей до тех собственных величин, которые
определяются его медленно изменяющимися
электродинамическими характеристиками, в том
числе и динамически устойчивыми токами вто-
рично-электронной нагрузки.
Показано, что устойчивые вторично-
электронные процессы, образующие низкоэнер-
гетические мультипакторные разряды, могут су-
ществовать до тех пор, пока динамическое со-
стояние бомбардируемых ими областей не будет
дополнено размноженным числом электронов с
большей энергией, приобретающих еѐ в нарас-
тающих электрических полях с увеличивающейся
скоростью их установления. А устойчивые высо-
коэнергетические вторично-электронные процес-
сы без разрядов, образующие электронную на-
грузку в высокодобротной резонаторной структу-
ре, могут существовать до тех пор, пока динами-
ческое состояние бомбардируемых ими областей
не будет нарушено генерацией низкоэнергетиче-
ских электронов, приобретающих энергию в спа-
дающих электрических полях малых амплитуд с
уменьшающейся скоростью их установления.
Показано, что отличительные признаки
установления собственных ВЧ полей в высокодоб-
ротной структуре линейного ускорителя ионов,
возбуждаемого простой ВЧ автоколебательной
системой, при подключении другой независимой
от первой, простой ВЧ автоколебательной систе-
мы с регулируемыми параметрами генерации вы-
ходных напряжений и определяющих соответст-
венно результирующие поля структуры, качест-
венно характеризуют механизм управления муль-
типакторными процессами и разрядами.
1. Мурин Б. П. Стабилизация и регулирование ВЧ полей в ли-
нейных ускорителях ионов. - М.: Атомиздат. - 1971. - 334 с.
2. Бобылёв В. И., Иванов Ю. Д., Мищенко А. Н. и др. Линей-
ный ускоритель ионов И-2. Система высокочастотного
питания // Приборы и техн. эксперимента. - 1967. - №5. -
С.34-39.
3. Гусев Е. В., Хижняк Н. А., Шулика Н. Г. и др. Ускоряющие
Н-резонаторы с высокими электродинамическими характе-
ристиками // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядер-
но-физические исследования. - 1997. - 1, № 2, 3 (29, 30). -
С.187-189.
4. Ауслендер В. Л., Чернов К. Н., Ческидов В. Г. и др. Статус
работ по электронному ускорителю на 5 МэВ, 300квт //
Тез. докл. XIX Международн. семинар по ускорителям за-
ряженных частиц (Алушта 12 - 18 сент. 2005 г.) Харьков. -
2005. - С.31.
5. Венгров Р. М., Кузьмичёв В. Г., Лякин Д. А. Применение
дополнительного контура обратной связи при возбужде-
нии резонатора ускорителя тяжелых ионов в режиме авто-
генерации // XVII Совещание по ускорителям заряженных
частиц. Протвино. - 2000. - 1. - С.130-133.
6. Линейные ускорители ионов. Основные системы / Под
ред. Б. П. Мурина. - М.: Атомиздат, - 1978. - 2. - 320 с.
7. Вещерович В. Г., Седляров В. К., Шемелин В. Д. О подав-
лении вторично-электронного ВЧ разряда в вакуумиро-
ванном резонаторе накопителя ВЭПП-3 // Вопросы атом-
ной науки и техники. Сер. Линейные ускорители. - 1976. -
Вып.1(2). - С.77-79.
8. Пеплов В. В., Шараментов С. И. Система быстрого ава-
рийного выключения мощности в каналах ВЧ питания ос-
новной части ЛУМФ // XIV Совещание по ускорителям
заряженных частиц. - Протвино. - 1994. - 1. - С.256-259.
9. Лобзов Л. Д., Шулика Н. Г, Толстолужский А. П. К теории
электронного мультипакторного разряда в вакуумирован-
ной ячейке линейного ускорителя // Вісн. Харків. Нац. ун-
ту. Сер. Ядра, частинки, поля. - 2005. - №657, вып. 1(26). -
С.36-46.
10. Lobzov L. D., Shulіkа N. G. Method Suppressіng the
Multіpactorіng dіscharges // Problems of Atomіc Scіence and
Technology. Ser. Nuclear Physics Investigations (40). - 2002.
- №2. - P.93 - 94.
11. Лобзов Л. Д., Демченко П.А., Шулика Н.Г и др. Влияние
мультипакторных разрядов на устойчивость установления
автогенераторных ускоряющих полей однорезонаторного
линейного ускорителя ионов // Вісн. Харків. Нац. ун-ту.
Сер. Ядра, частинки, поля. - 2003. - №585, вып.1(21). -
С.78-84.
12. Лобзов Л. Д., Гусев Е. В., Шулика Н. Г. Исследование муль-
типакторных разрядов в резонаторе Н-типа линейного ус-
Л. Д. Лобзов и др. / Управление мультипакторними разрядами…
_________________________________________________________________________________________________________________
609
корителя ионов // Тринадцатое совещание по ускорителям
заряженных частиц. Аннотации докл. Дубна. - 1992. - С.73.
13. Чигинь В. И. Физические механизмы пульсации отрица-
тельной короны: Автореф. дис. …д-ра физ.- мат. наук. -
Харьков, 2007. - 20 с.
14. Попов В. А. Возбуждение резонатора линейного ускорите-
ля ЛУ-20 ЛВЭ ОИЯИ.- Дубна // (Препр. / АН ОИЯИ; №9 -
9061). - 1975. - 12 с.
15. Демченко П. А., Шулика Н. Г. Эмиссионные токи в уско-
рителе ионов с переменно-фазовой фокусировкой // Воп-
росы атомной науки и техники. Сер. Техн. физ. экспери-
мента. - 1984. - Вып.1(18). - С.57-59.
16. Демченко П. А., Ковальчук И. К., Митроченко В. В. и др.
Радиальные электронные потоки в ускоряющей структуре
на Н-волне // Вопросы атомной науки и техники. Сер.
Техн. физ. эксперимента. - 1986. - Вып.2(28). - С.31-33.
17. Двинских В. А. Оценка эффективности автогенераторных
схем измерения динамических параметров СВЧ усилите-
лей // Электронная техника. Сер. 1: Электроника СВЧ. -
1972. - №2. - С.50-54.
18. Лобзов Л. Д., Демченко П. А., Гусев Е. В. и др. Система ВЧ
питания линейного протонного ускорителя на энергию
10 МэВ с модифицированной переменно-фазовой фокуси-
ровкой пучка // Вісн. Харків. Нац. ун-ту. Сер. Ядра, час-
тинки, поля. - 2002. - №569, вып. 3(19). - С.83-87.
19. Федоров Н. Д. Электрические приборы СВЧ и квантовые
приборы. - М.: Атомиздат, 1979. - 288 с.
THE CONTROL OF MULTIPACTING
DISCHARGE IN HIGH QUALITATIVE
STRUCTURE ION LINEAR
ACCELERATOR
L. D. Lobzov, N. G. Shulika, V. N. Belan
The appearance of multipacting discharges in diod gaps of multi-
cells structure of ion linear accelerator, without system stability
electrodynamics parameters, is considered to be one of the main
breaking factors of its electrodynamics parameters, when it is
impossible to achieve the required characteristics of accelerating
fields, but also the stable RF generation in its general system of
complex connected oscillatory contours, which is broken by the
indicated discharges in one of them. With suppression of condi-
tions of secondary electron multiply and of removing of the possi-
bility of their number growing in time up to the size of multipact-
ing discharges, the conditions of the stable RF generation and
work the whole system of accelerator agitation on the whole, may
be satisfactory. For many starting-repairing and technological
works on the accelerator, the solving of a problem of the suppres-
sion of parasite multipacting discharges and the reaching of stable
character of RF voltage installation is considered to be the final
stage. It is experimentally shown the control of multipactor
processes, from their maximal influence on the character of transi-
tional processes of installation of RF voltage on the elements of
structure of linear accelerator up to a full suppression resonance
multiply electrons with material electrodes and the achievment of
nominal amplitudes of accelerating fields in linear accelerator.
Key words: ion linear accelerator, resonator structure, one accele-
rator cell, parallel-plate electrode surfaces, variable electric fields,
secondary electron emission, multipacting discharge.
КЕРУВАННЯ МУЛЬТІПАКТОРНИМИ
РОЗРЯДАМИ В ВИСОКОДОБРОТНІЙ
СТРУКТУРІ ЛІНІЙНОГО
ПРИСКОРЮВАЧА ІОНІВ
Л. Д. Лобзов, М. Г. Шуліка, В. М. Белан
Виникнення мультипакторных розрядів у діодних
проміжках лінійного прискорювача іонів без систем стабіліза-
ції електродинамічних параметрів багатоячеечної резонатор-
ної структури є одним із серйозних факторів, що обурюють,
коли неможливо досягти не тільки необхідних характеристик
прискорюючих полів, але й стійких ВЧ коливань у його системі
складно зв'язаних коливальних контурів. При придушенні умов
розмноження вторинних електронів і усунення можливості
збільшення їхнього числа в часі до величин мультипакторных
розрядів умови стійкості ВЧ коливань і робота всієї системи
збудження прискорювача в цілому може бути задовільною. А
для багатьох пуско-налагоджувальних і технологічних завдань
на прискорювачі вирішення проблеми придушення паразит-
них мультипакторных розрядів та досягнення сталого харак-
теру збудження ВЧ напруг є завершуючим етапом. Експери-
ментально показане керування низьковольтними мультипак-
торными процесами від максимального їхнього впливу на
встановлення ВЧ напруг на елементах высокодобротної резо-
наторної структури до повного придушення розмноження
вторинних електронів з матеріалу електродів і одержання
стійких електродинамічних характеристик.
Ключові слова: лінійний прискорювач іонів, резо-
наторна структура, одинична прискорююча ячейка, паралель-
ні електродні поверхні, змінні електричні поля, вторинно-
електронна емісія, мультипакторний розряд.
Рукопись поступила 2 августа 2007 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10889 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:12:58Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Белан, В.Н. 2010-08-09T14:03:31Z 2010-08-09T14:03:31Z 2007 Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов / Л.Д. Лобзов, Н.Г. Шулика, В.Н. Белан // Радіофізика та електроніка. — 2007. — Т. 12, № 3. — С. 598-609. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10889 621.384.6 Возникновение мультипакторных разрядов в диодных промежутках линейного ускорителя ионов без систем стабилизации электродинамических параметров многоячеечной резонаторной структуры является одним из серьёзных возмущающих факторов, когда невозможно достичь не только требуемых характеристик ускоряющих полей, но и устойчивых ВЧ колебаний в его системе сложно связанных колебательных контуров. При подавлении условий размножения вторичных электронов и устранения возможности нарастания их числа во времени до величин мультипакторных разрядов условия устойчивости ВЧ колебаний и работа всей системы возбуждения ускорителя в целом может быть удовлетворительной. А для многих пуско-наладочных и технологических задач на ускорителе разрешение проблемы подавления паразитных мультипакторных разрядов и достижение устойчивого характера возбуждаемых ВЧ напряжений является завершающим этапом. Экспериментально показано управление низковольтными мультипакторными процессами от максимального их влияния на установление ВЧ напряжений на элементах высокодобротной ускоряющей структуры до полного подавления размножения вторичных электронов с материала электродов и получения устойчивых электродинамических характеристик. Виникнення мультипакторных розрядів у діодних проміжках лінійного прискорювача іонів без систем стабілізації електродинамічних параметрів багатоячеечної резонаторної структури є одним із серйозних факторів, що обурюють, коли неможливо досягти не тільки необхідних характеристик прискорюючих полів, але й стійких ВЧ коливань у його системі складно зв'язаних коливальних контурів. При придушенні умов розмноження вторинних електронів і усунення можливості збільшення їхнього числа в часі до величин мультипакторных розрядів умови стійкості ВЧ коливань і робота всієї системи збудження прискорювача в цілому може бути задовільною. А для багатьох пусконалагоджувальних і технологічних завдань на прискорювачі вирішення проблеми придушення паразитних мультипакторных розрядів та досягнення сталого характеру збудження ВЧ напруг є завершуючим етапом. Експериментально показане керування низьковольтними мультипакторными процесами від максимального їхнього впливу на встановлення ВЧ напруг на елементах высокодобротної резонаторної структури до повного придушення розмноження вторинних електронів з матеріалу електродів і одержання стійких електродинамічних характеристик. The appearance of multipacting discharges in diod gaps of multi-cells structure of ion linear accelerator, without system stability electrodynamics parameters, is considered to be one of the main breaking factors of its electrodynamics parameters, when it is impossible to achieve the required characteristics of accelerating fields, but also the stable RF generation in its general system of complex connected oscillatory contours, which is broken by the indicated discharges in one of them. With suppression of conditions of secondary electron multiply and of removing of the possibility of their number growing in time up to the size of multipacting discharges, the conditions of the stable RF generation and work the whole system of accelerator agitation on the whole, may be satisfactory. For many starting-repairing and technological works on the accelerator, the solving of a problem of the suppression of parasite multipacting discharges and the reaching of stable character of RF voltage installation is considered to be the final stage. It is experimentally shown the control of multipactor processes, from their maximal influence on the character of transitional processes of installation of RF voltage on the elements of structure of linear accelerator up to a full suppression resonance multiply electrons with material electrodes and the achievment of nominal amplitudes of accelerating fields in linear accelerator. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Прикладная радиофизика Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов Керування мультіпакторними розрядами в високодобротній структурі лінійного прискорювача іонів The control of multipacting discharge in high qualitative structure ion linear accelerator Article published earlier |
| spellingShingle | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Белан, В.Н. Прикладная радиофизика |
| title | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов |
| title_alt | Керування мультіпакторними розрядами в високодобротній структурі лінійного прискорювача іонів The control of multipacting discharge in high qualitative structure ion linear accelerator |
| title_full | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов |
| title_fullStr | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов |
| title_full_unstemmed | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов |
| title_short | Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов |
| title_sort | управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов |
| topic | Прикладная радиофизика |
| topic_facet | Прикладная радиофизика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10889 |
| work_keys_str_mv | AT lobzovld upravleniemulʹtipaktornymirazrâdamivvysokodobrotnoistrukturelineinogouskoritelâionov AT šulikang upravleniemulʹtipaktornymirazrâdamivvysokodobrotnoistrukturelineinogouskoritelâionov AT belanvn upravleniemulʹtipaktornymirazrâdamivvysokodobrotnoistrukturelineinogouskoritelâionov AT lobzovld keruvannâmulʹtípaktornimirozrâdamivvisokodobrotníistrukturílíníinogopriskorûvačaíonív AT šulikang keruvannâmulʹtípaktornimirozrâdamivvisokodobrotníistrukturílíníinogopriskorûvačaíonív AT belanvn keruvannâmulʹtípaktornimirozrâdamivvisokodobrotníistrukturílíníinogopriskorûvačaíonív AT lobzovld thecontrolofmultipactingdischargeinhighqualitativestructureionlinearaccelerator AT šulikang thecontrolofmultipactingdischargeinhighqualitativestructureionlinearaccelerator AT belanvn thecontrolofmultipactingdischargeinhighqualitativestructureionlinearaccelerator |