Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов

В данном исследовании использована современная схема возбуждения ускорителя двумя идентичными ВЧ-источниками с независимыми положительными обратными связями. Их совместная работа на одну и ту же резонансную нагрузку (основной или возмущенной частоты) позволяет обеспечивать в ней как устойчивое возбу...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Лобзов, Л.Д., Шулика, Н.Г., Коваленко, В.Ф., Белан, В.Н., Шулика, О.Н., Подоляк, А.П., Макарова, Л.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2014
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Вакуумная и твердотельная электроника
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/106069
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов / Л.Д. Лобзов, Н.Г. Шулика, В.Ф. Коваленко, В.Н. Белан, О.Н. Шулика, А.П. Подоляк, Л.Н. Макарова // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 2. — С. 68-76. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-106069
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1060692016-09-17T03:01:41Z Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Коваленко, В.Ф. Белан, В.Н. Шулика, О.Н. Подоляк, А.П. Макарова, Л.Н. Вакуумная и твердотельная электроника В данном исследовании использована современная схема возбуждения ускорителя двумя идентичными ВЧ-источниками с независимыми положительными обратными связями. Их совместная работа на одну и ту же резонансную нагрузку (основной или возмущенной частоты) позволяет обеспечивать в ней как устойчивое возбуждение ВЧ-напряжений, так и подавление мультипакторных процессов и разрядов. На практике это подтверждается тем, что при малых величинах напряжений и, соответственно, на переднем и заднем фронтах импульса электронного тока ВЭЭ присутствует лишь инициация размножения электронов (мультипакторные всплески). У даному дослідженні використано сучасну схему збудження прискорювача двома ідентичними ВЧ-джерелами з незалежними позитивними зворотними зв’язками. Їх спільна робота на одне й те ж резонансне навантаження (основної або збуреної частоти) дозволяє забезпечувати в ній як стійке збудження ВЧ-напруг, так і заглушення мультипакторних процесів і розрядів. На практиці це підтверджується тим, що при малих величинах напруг і, відповідно, на передньому і задньому фронтах імпульсу струму ВЕЕ, присутня лише ініціація розмноження електронів (мультипакторні сплески) In this study a modern accelerator excitation circuit, with two identical RF-sources with independent positive feedbacks is used. They work together on the same resonant load (primary or perturbed frequency) which allows to provide both sustainable RF excitation voltages and suppression of multipactor processes and discharges. In practice, this is confirmed by the fact that for small values of voltages and, consequently, on the leading and trailing edges of the current pulse of SEE, there is only the initiation of electron multiplication (multipactor splash). 2014 Article Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов / Л.Д. Лобзов, Н.Г. Шулика, В.Ф. Коваленко, В.Н. Белан, О.Н. Шулика, А.П. Подоляк, Л.Н. Макарова // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 2. — С. 68-76. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/106069 621.384.6 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Вакуумная и твердотельная электроника Вакуумная и твердотельная электроника
spellingShingle	Вакуумная и твердотельная электроника Вакуумная и твердотельная электроника Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Коваленко, В.Ф. Белан, В.Н. Шулика, О.Н. Подоляк, А.П. Макарова, Л.Н. Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов Радіофізика та електроніка
description	В данном исследовании использована современная схема возбуждения ускорителя двумя идентичными ВЧ-источниками с независимыми положительными обратными связями. Их совместная работа на одну и ту же резонансную нагрузку (основной или возмущенной частоты) позволяет обеспечивать в ней как устойчивое возбуждение ВЧ-напряжений, так и подавление мультипакторных процессов и разрядов. На практике это подтверждается тем, что при малых величинах напряжений и, соответственно, на переднем и заднем фронтах импульса электронного тока ВЭЭ присутствует лишь инициация размножения электронов (мультипакторные всплески).
format	Article
author	Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Коваленко, В.Ф. Белан, В.Н. Шулика, О.Н. Подоляк, А.П. Макарова, Л.Н.
author_facet	Лобзов, Л.Д. Шулика, Н.Г. Коваленко, В.Ф. Белан, В.Н. Шулика, О.Н. Подоляк, А.П. Макарова, Л.Н.
author_sort	Лобзов, Л.Д.
title	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов
title_short	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов
title_full	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов
title_fullStr	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов
title_full_unstemmed	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов
title_sort	мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Вакуумная и твердотельная электроника
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/106069
citation_txt	Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов / Л.Д. Лобзов, Н.Г. Шулика, В.Ф. Коваленко, В.Н. Белан, О.Н. Шулика, А.П. Подоляк, Л.Н. Макарова // Радіофізика та електроніка. — 2014. — Т. 5(19), № 2. — С. 68-76. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT lobzovld mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov AT šulikang mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov AT kovalenkovf mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov AT belanvn mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov AT šulikaon mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov AT podolâkap mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov AT makarovaln mulʹtipaktornyerazrâdyvzazorahuskorâûŝegokanalaidrugihoblastâhrezonatornojstrukturylinejnogouskoritelâionov
first_indexed	2025-07-07T17:54:21Z
last_indexed	2025-07-07T17:54:21Z
_version_	1837011684608180224
fulltext	ВВААККУУУУММННААЯЯ ИИ ТТВВЕЕРРДДООТТЕЕЛЛЬЬННААЯЯ ЭЭЛЛЕЕККТТРРООННИИККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2014. Т. 5(19). № 2 © ИРЭ НАН Украины, 2014 УДК 621.384.6 Л. Д. Лобзов, Н. Г. Шулика, В. Ф. Коваленко, В. Н. Белан, О. Н. Шулика, А. П. Подоляк, Л. Н. Макарова Национальный научный центр Харьковский физико-технический институт 1, ул. Академическая, Харьков, 61108, Украина E-mail: lobzov@kipt.kharkov.ua МУЛЬТИПАКТОРНЫЕ РАЗРЯДЫ В ЗАЗОРАХ УСКОРЯЮЩЕГО КАНАЛА И ДРУГИХ ОБЛАСТЯХ РЕЗОНАТОРНОЙ СТРУКТУРЫ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ИОНОВ Мультипакторные разряды, сопровождаемые размножением электронов вторично-электронной эмиссии (ВЭЭ), дости- гающих электронного замыкания электродов линейного ускорителя ионов (ЛУИ), – нежелательные явления, что требует их обяза- тельного устранения. Замыкания возможны и между электродами других его промежутков. Однако в научной литературе отсутст- вуют сведения, указывающие на нарушения характеристик ускорителя, искажаемых разрядами в разных его областях. В таких случаях визуально выявляют области разрядов за пределами ускоряющего канала и устраняют их. Если и после этого в ускоряю- щих зазорах происходят электронные замыкания электродов, то их устраняют известными доступными методами. В данном иссле- довании использована современная схема возбуждения ускорителя двумя идентичными ВЧ-источниками с независимыми положи- тельными обратными связями. Их совместная работа на одну и ту же резонансную нагрузку (основной или возмущенной частоты) позволяет обеспечивать в ней как устойчивое возбуждение ВЧ-напряжений, так и подавление мультипакторных процессов и разря- дов. На практике это подтверждается тем, что при малых величинах напряжений и, соответственно, на переднем и заднем фронтах импульса электронного тока ВЭЭ присутствует лишь инициация размножения электронов (мультипакторные всплески). Однако и такая устойчивая работа ускорителя была неожиданно нарушена грубыми искажениями импульсов напряжений и токов ВЭЭ. Ос- мотр внутренностей структуры показал, что там происходят интенсивные светящиеся разряды в разных областях – на входе уско- рителя и на его периферии. На входе – это расчетный зазор длины 1,353 см с участками параллельных торцевых поверхностей первых трубок дрейфа. На периферии – это паразитная щель ~ 0,1…0,2 мм (измеренная при вскрытом вакуумном кожухе), образо- ванная поверхностью структуры и концом медной пластины (заплаты, закрывающей ненужное сквозное отверстие), оловянный припой между которыми частично сублимировался. Из искажений импульсов контрольных напряжений и общих токов ВЭЭ стало понятно, что при этом соблюдаются основные закономерности, соответствующие теме данных исследований. Визуальное обозре- ние светимости областей разрядов и анализ характера искажений во времени форм импульсов указанных напряжений и электрон- ных токов позволили однозначно характеризовать оба указанных разряда как мультипакторные, что существенно облегчает их исследование и выбор методов подавления. Результаты исследования расширяют знания об условиях развития и управления муль- типакторными процессами и разрядами в высокодобротных (Q0 >> 1) резонаторных структурах, что является необходимым для обеспечения постоянства во времени характеристик ЛУИ. Ил. 5. Библиогр.: 18 назв. Ключевые слова: ускоряющий промежуток резонаторной структуры, экспоненциальное изменение ВЧ-колебаний во времени, вторично-электронная эмиссия, гибельный мультипакторный разряд. Исследование в Национальном научном центре «Харьковский физико-технический инсти- тут» вторично-электронной эмиссии (ВЭЭ), с неоднозначными вторично-электронными (ВЭ) эмиссионными свойствами собственных электродов резонансной структуры высокочастотного (ВЧ) линейного ускорителя ионов (ЛУИ), при возбуж- дении переменных напряжений, стало возмож- ным в связи с реконструкцией автоколебательной системы (АС) однорезонаторного малогабаритно- го линейного ускорителя дейтронов МЛУД-3 [1]. Так как применяемые в ускорительной технике конца 1970-х гг. однокаскадные ВЧ-авто- генераторы с балластным («гасящим») сопротив- лением [2, 3] были отменены для практического использования, то было принято предложение перейти к АС с известными ВЧ-обратными свя- зями [4]. Такая система ускорителя с одной по- ложительной обратной связью (ПОС) из резона- тора (ПОСР), подключаемой ко входу 3-каскад- ного усилительного канала, и была изначально разработана, изготовлена и настроена в рабочий режим. Однако после подачи постоянного напря- жения импульсного модулятора на аноды генера- торных ламп, нормальная устойчивость установ- ления ВЧ-напряжений, возбуждаемых АС в резо- нансной структуре ускорителя, сохраняется толь- ко в течение первых 10…11 мин. Затем величины амплитуд возбуждаемых напряжений ускорителя быстро уменьшаются до минимальных значений при одновременном сме- щении резонансной частоты резонатора высокой добротности за пределы собственной полосы пропускания. Такое расстроенное во времени состоя- ние ЛУИ с минимальными напряжениями, кото- рые обеспечивают условия развития ВЧ-разрядов между электродами и электродными поверхнос- тями ускоряющей структуры, может продолжать- ся достаточно долго [5]. Поскольку какие-либо другие разряды в резонаторной структуре ЛУИ устранялись пред- варительно (без выяснения их типов и исследова- ния влияния на резонансные характеристики), то естественно было согласиться с тем, что и в уско- рителе Н-типа между параллельными торцевыми поверхностями трубок дрейфа имеют место резо- нансные ВЭ-разряды (в английской терминологии – multipactor effect, discharge [6, 7]). Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 69 Следует отметить, что ВЭ-процессы обычной эмиссии электронов и их размножение до разрядных состояний, хаотически возникаю- щих между произвольными участками поверхнос- тей, обращенных друг к другу торцов трубок дрейфа, – это грубые локальные нарушения фоку- сирующего действия симметрично-азимутальных электрических полей на оси ускорителя [8, 9]. Детальный анализ свойств автогенерато- ров и АС с внутренними и внешними цепями ПОС [10–12] послужил основой разработки новой ВЧ-системы ускорителя с двумя независимыми автоколебательными контурами [13]. Цепи поло- жительных обратных связей (на коаксиальных кабелях типа РК-75-9-12) этих контуров вынесе- ны за пределы мощного усилительного канала и энергоемкой резонаторной структуры ускорителя. Управление параметрами такой структуры регу- лируется амплитудно-фазовыми элементами в этих цепях. Сущность работы новой АС состоит в одновременном возбуждении в резонансной структуре ускорителя двух ВЧ-напряжений на его основной частоте. Параметры одного из напря- жений, в отличие от другого, зависят от паразит- ного воздействия мультипакторных процессов и разрядов в резонаторе. При этом синхронное на- ложение во времени этих напряжений в ускори- теле, приводит к непрерывному увеличению их суммы, экспоненциально нарастающей с мини- мальных величин. Нарушение условий, которые обеспечи- вают размножение эмиссии вторичных электро- нов при малых величинах напряжений, прилагае- мых электродам зазоров ускоряющего канала, подавляет начальное развитие размножения элект- ронов ВЭЭ в зазорах ускоряющего канала ЛУИ. Основным достоинством нового метода ВЧ-возбуждения ускорителя является то, что при этом полностью сохраняется картина аксиальных симметричных ВЧ-полей ускоряющих зазоров и резонаторной структуры в целом. При этом амп- литуды напряжений, прилагаемых к зазорам ус- коряющих электродов, определяют их ВЭ-эмис- сионные свойства и реальные токи вторичных электронов, величины которых могут быть изме- рены экспериментально. Выбрав в качестве контрольных парамет- ров ускорителя импульсы напряжений на оси и электронных токов ВЭ-эмиссии в ускоряющих зазорах на выходе ускорителя, можно однозначно характеризовать его нормальную или искажен- ную работу. Осциллограммы нормальных форм конт- рольных импульсов напряжений и общих токов ВЭЭ, определяющих номинальные характеристи- ки ЛУИ, которые приведены в работе [14], здесь представлены для наглядности на рис. 1. Рис. 1. Осциллограммы импульсов нормальных форм конт- рольных напряжений резонатора UРЕЗ (СН1) и общих токов ВЭЭ IВЭЭ (СН2), измеренных цилиндром Фарадея (верхняя пара) на выходе ускоряющего канала ЛУИ и предварительно задержанных алюминиевой фольгой 5 мкм (нижняя пара), установленной перед цилиндром Фарадея Из него следует, что устойчивое возбуж- дение ЛУИ двумя независимыми ВЧ-автоколеба- тельными контурами – это парные контрольные импульсы ВЧ-напряжений UРЕЗ и общих токов ВЭЭ IВЭЭ, эмитируемых с торцов предпоследних ускоряющих зазоров и выходящих из ускорителя. Здесь IВЭЭ – общий ток электронов ВЭЭ; IMУЛЬТ – мультипакторные токи подавленного размноже- ния электронов при минимальных напряже- ниях UРЕЗ; IСМЕЩ – электронные токи смещения (IСМЕЩ = dU/dt). Наличие на общем импульсе тока IВЭЭ, подавленного размножения эмиссии вторичных электронов во времени может считаться нор- мальной физической характеристикой свойств электродов ускоряющего канала ЛУИ при при- ложенных переменных напряжениях. 1. Условия развития мультипакторных разрядов в разных областях ЛУИ. Структурная схема возбуждения переменных ВЧ-напряжений и подавления размножения электронов ВЭЭ в области ускоряющих зазоров однорезонаторного ЛУИ с одним ВЧ-источником и двумя независи- мыми автоколебательными контурами описана в работе [14]. Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 70 Здесь же, на рис. 2 приводится идентич- ная схема возбуждения резонаторной структуры ускорителя ионов двумя независимыми АС, обра- зуемыми отдельными идентичными мощными ВЧ-усилительными каналами с разными ПОСР и фидера (ПОСФ): R – резонатор ускорителя; fРЕЗ = 100 МГц; Q0 = 5 000; 1 – ВЧ-источник; 2 – модулятор; 3 – согласованный ВЧ-ввод; 4 – элемент положительной обратной связи резо- натора с входом одного из ВЧ-источников; 5 – амплитудно-фазовый регулятор; 6 – переклю- чатель фидерный; 7 – механический привод пере- ключателя фидерного; 8 – мощная активная на- грузка; 9 – рефлектометр фидерный; 10 – элемент положительной обратной связи фидера с входом другого ВЧ-источника; 11 – петля контрольного результирующего напряжения ЛУИ; 12 – ци- линдр Фарадея; 13 – сопротивление измеритель- ное; 14 – осциллограф цифровой; 15 – смотровое окно. Это необходимо для упрощения понимания взаимодействия результирующих напряжений, синхронно возбуждаемых в ВЧ-структуре и об- щих ВЭ-эмиссионных свойств электродов, нахо- дящихся в электрических полях. Каналы усиления ВЧ-напряжений пред- ставлены как автономные с одинаковыми моду- ляторами, ВЧ-каскадами, согласованными ВЧ-вводами и элементами фидерных линий. Величины напряжений U1sin(ωt+ϕ) и U2sin(ωt+ϕ) суммируются непосредственно в резонаторной структуре ускорителя. Ускоритель представлен единичной ячей- кой тороидального резонатора с одним ускоряю- щим зазором длины d1. Электроды и элект- родные поверхности ЛУИ изготовлены из меди высокого качества. Однородные электрические поля ускоря- ющего зазора указаны силовыми линиями, нор- мальными к параллельным торцевым поверхнос- тям трубчатых электродов. Неоднородные элект- рические поля в зазоре указаны провальными к оси силовыми линиями, которые начинаются и заканчиваются на обращенных друг к другу кромках электродов. Продольные составляющие осевых элект- рических полей, предназначенные для пролетаю- щих ионов, обеспечивают ускорение и электро- нов ВЭЭ, эмитируемых в зазор с торцевых по- верхностей, которые обращены как к выходу, так и входу ускорителя. Так как величины напряжений, генери- руемые АС с ПОСФ и ПОСР находятся в соот- ношении UПОСФ ∼ 0,25UПОСР, то начальный рост во времени результирующих напряжений струк- туры ЛУИ обеспечивается АС с ПОСР. Медленное изменение этих малых на- пряжений обеспечивают малые энергии ускорен- ных электронов, эмитируемых с одних элект- родов и приобретающих статус первичных при соприкосновении с другими электродами. При этом коэффициент ВЭ-эмиссии δ электродов и поверхностей ускорителя в начальной части каждого полупериода возбуждаемого напряжения предварительно характеризуется коэффициен- том ВЭЭ δ как δ > 1. В оставшихся частях полупериодов коэффициент δ этих электродов характеризуется как δ < 1. В этих условиях и на- чинается как инициация размножения электронов ВЭЭ, так и обычная их эмиссия с электродов ус- коряющих и других полезных диодных проме- жутков ЛУИ [15, 16]. И в первую очередь такое размножение электронов может достигать устой- чивого электронного замыкания электродов, ко- торые образуют зазоры наименьших длин на вхо- де ускорителя [17, 18]. Рис. 2. Структурная схема однорезонаторного ЛУИ, возбуж- даемого двумя независимыми автоколебательными источни- ками, обеспечивающих как генерацию переменных ВЧ-напря- жений, так и мультипакторных процессов размножения элект- ронов ВЭЭ, достигающих во времени электронного замыка- ния зазоров наименьших длин ускоряющего канала и в пара- зитном зазоре на периферии 2 1 10 6 7 7 8 9 3 15 12 13 11 4 3 R U2 sin (wt+ϕ) U1 sin (wt+ϕ) 5ПОСФ e– e– E0 e– E0 d1 d2 14 9 5 2 1 ПОСР Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 71 Однако, как указано выше, генерация на- пряжений АС с ПОСР + ПОСФ непрерывно уве- личивает величину нарастающего результирую- щего напряжения резонаторной структуры, что вызывает срыв постоянства амплитудных усло- вий размножения электронов ВЭЭ. При этом все электроны, эмитируемые и ускоряемые во всех зазорах ускоряющего канала при увеличиваю- щихся напряжениях текущих полупериодов, обеспечивают обычную ВЭЭ и интенсивное на- гревание электродов во времени. В таких условиях эффективной ВЧ-тре- нировки структуры ускорителя, на его цилиндри- ческой поверхности и возник нежелательный ди- одный промежуток на периферии. Один конец медной плоской пластины (заплаты) с габаритами 20×200 мм, оказавшись на длине ∼ 40 мм без оло- вянного припоя, образовал с поверхностью резо- натора паразитную щель ∼ 0,1 мм (измеренной щупом при комнатной температуре). При этом поверхность пластины, при толщине 2 мм, не бы- ла искажена в течение предыдущих ВЧ-трени- ровок и нагрева. Поскольку тип разряда в первых зазорах ускоряющего канала ускорителя был выявлен ранее, то в указанном случае появилась возмож- ность определения типа другого вакуумного раз- ряда и метода его устранения. Диагностика параметров ВЧ-источников, характеризующих их режимы работ на согласо- ванные активные нагрузки, сосредоточена на на- пряжениях падающих и отраженных волн (UПАД, UОТР), а основных характеристик ЛУИ – на вели- чинах амплитуд и формах импульсов контроль- ных напряжений на оси ускоряющего канала ре- зонатора (UРЕЗ) и общих ВЭ-токов на выходе ус- корителя (IВЭЭ). 2. Исследование во времени искажений контрольных импульсов ЛУИ при мульти- пакторных разрядах в разных его областях. Нарушение нормального ВЧ-возбуждения уско- рителя МЛУД-3 в начале очередной ВЧ-трени- ровки было обнаружено по искажению нормаль- ных форм контрольных импульсов напряжений резонатора UРЕЗ и общих ВЭ-эмиссионных токов с электродов ускоряющего канала IВЭЭ. При осмотре динамического состояния внутреннего объема возмущенного ЛУИ было выявлены интенсивные свечения, происходящие от электронных разрядов как в начальных зазорах ускоряющего канала, так и у поверхности резона- тора вблизи торца верхнего гребенчатого держа- теля (см. рис. 2). Происходит это в полной тиши- не, указывая на то, что при таком электронном замыкании электродов расстроенного ускорителя электрическая прочность его внешних ВЧ-систем и фидерных элементов достаточно высока. В соответствии с реальной угрозой от происходящего и во избежание аварийной ситуа- ции в рассогласованных ВЧ-системах ЛУИ время подачи постоянного высоковольтного напряже- ния было ограничено. Подобная ситуация горе- ния указанных вакуумных разрядов после дости- жения рабочего вакуума в ускорителе повторя- лась и в течение ВЧ-тренировок следующих ра- бочих дней. Оценив относительно безопасное поведе- ние ускоряющей структуры при таких тихих раз- рядах, и была проведена регистрация контроль- ных импульсов UРЕЗ и IВЭЭ. В работе представлены 12 осциллограмм парных импульсов контрольных напряжений ре- зонатора UРЕЗ (нижние кривые) и токов ВЭ-эмиссии в вакууме IВЭЭ (верхние кривые), из- меренных в течение 15 мин ВЧ-тренировки (11:54…12:08). Частота следования импуль- сов 1 имп/с. Масштабы исследуемых сигналов по горизонтали и вертикали указаны в рамках экрана цифрового осциллографа. На рис. 3 показаны осциллограммы пар- ных импульсов указанных напряжений UРЕЗ и общих токов ВЭ эмиссии IВЭЭ в течение времени от 11:54 до 11:57 начала ВЧ-тренировки. Общим для парных осциллограмм 1–4 являются почти нормальные формы передних фронтов импульсов возбуждаемых напряжений, а для осциллограмм 1–3 нормальными по форме и времени спада являются задние фронты указан- ных напряжений. Однако нормальными по об- щим формам и времени их запуска являются только импульсы UРЕЗ и IВЭЭ, представленные на осциллограмме 2. Нормальная инициация подав- ленных мультипакторных токов (указаны стрел- ками) в начале и конце импульса IВЭЭ соответст- вует коротким интервалам времени минимальных величин напряжений переднего и заднего фрон- тов контрольного импульса напряжения UРЕЗ. Запуск импульсов UРЕЗ в течение времени 11:54…11:57 ВЧ-тренировки не устойчив. На ос- циллограммах 1 и 3 это отмечено как укорочение их длительности по основанию на время Δt. Можно полагать, что нарушение времени запуска импульса напряжения UРЕЗ обусловлено начальным изменением форм и амплитуд им- пульсов ВЭ токов IВЭЭ на осциллограммах 1 и 3. Это полностью подтверждается искаженными формами импульсов UРЕЗ и IВЭЭ на последующей осциллограмме 4. Объяснением такому поведению указан- ных импульсов резонаторной структуры, в прош- лом устойчиво возбуждаемой в течение ряда лет, может быть только резкое изменение ВЭ-эмис- сионных свойств электродов и электродных по- верхностей за пределами осевых ускоряющих зазоров. Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 72 Рис. 3. Осциллограммы искаженных форм импульсов напря- жений UРЕЗ (CH2) и общих токов IВЭЭ (CH1) при начальных процессах размножения электронов ВЭЭ, достигающих элект- ронного замыкания первых ускоряющих зазоров и паразитно- го зазора на периферии (11:54…11:57) Можно также предполагать, что продол- жительность времени переднего и заднего фрон- тов импульса напряжения UРЕЗ (осциллограмма 4) оказалась достаточной для размножения ВЭЭ до достижения нежелательного вакуумного разряда на периферии. При этом резкое уменьшение амп- литуды импульса напряжения UРЕЗ, в том числе и на периферии структуры, также обеспечило раз- множение электронов ВЭЭ до электронных раз- рядов в паразитном зазоре. Таким образом, усло- вия развития вакуумных разрядов в зазорах уско- ряющего канала и на периферии ЛУИ, могут счи- таться идентичными. На рис. 4 (осциллограммы 5–8) показано продолжение этапа ВЧ-тренировки ускоряющей резонаторной структуры ЛУИ в условиях сущест- вования ВЭ-эмиссионных разрядов. Общим для этой группы осциллограмм является отсутствие задержки запуска импульсов UРЕЗ, что отчетливо видно по нормальным формам подавленных всплесков размножения электронов на импульсе общего электронного тока IВЭЭ при малых вели- чинах экспоненциально нарастающих напряже- ниях UРЕЗ. Однако условия малых напряжений в резонаторе и размножения электронов ВЭЭ до электронного замыкания электродов на перифе- рии – это моменты срыва нарастания импульсов напряжений на осциллограмме 5. Относительно длительное время их спада – это процессы резко- го уменьшения или увеличения интенсивности указанных разрядов. Конкуренцию этих процес- сов мы наблюдаем при трех неудавшихся попыт- ках восстановления нормального переднего фронта импульса возбуждаемого ВЧ-напря- жения UРЕЗ. Последний его всплеск (регистри- руемый на выходе ЛУИ) иллюстрирует интен- сивные ВЭ-токи в зазорах ускоряющего канала. На осциллограмме 6 (12:00) мы видим промежуточный результат интенсивных ВЭ-про- цессов при ВЧ-тренировке – нормальный запуск импульса напряжения UРЕЗ и форм его переднего и заднего фронтов. Форма стола импульса IВЭЭ указывает на то, что обычная ВЭЭ при максимальных ампли- тудах напряжений, возбуждаемых в резонаторной структуре ЛУИ, лишь уменьшилась по величине, а при минимальных амплитудах напряжений на переднем и заднем фронтах импульса UРЕЗ мульти- пакторные всплески на импульсе общего элект- ронного тока IВЭЭ нормально подавлены. Надо полагать, что условия развития токов ВЭЭ в пара- зитном зазоре на периферии не обеспечили их длительного размножения до величины ВЭ-раз- ряда и импульсы UРЕЗ и IВЭЭ не были искажены. Другими словами, в отсутствие ВЭ-разря- дов в других областях резонаторной структуры, проблемы мультипакторных процессов и разря- дов в ускоряющих зазорах, расположенных на оси линейного ускорителя ионов и возбуждаемо- го АС с ПОСР + ПОСФ, не существует. Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 73 Рис. 4. Осциллограммы искаженных форм импульсов напря- жений UРЕЗ и общих токов IВЭЭ при продолжающихся процес- сах размножения электронов ВЭЭ, достигающих электронно- го замыкания первых зазоров ЛУИ и паразитного зазора на периферии (11:58…12:03) Действие происходящих ВЭ-процессов наблюдается и на осциллограмме 7, где началь- ные части (передние фронты) импульсов UРЕЗ и IВЭЭ также нормальной формы. Это подтверждается последующей частью импульса UРЕЗ на осциллограмме 7, из которой следует, что при минимальных величинах быстро спадающих напряжений, почти постоянных во времени, интенсивность размножения электронов в течение конечной части импульса IВЭЭ доста- точно велика. О том, что в резонаторной структуре одно- временно наблюдаются ВЧ-вакуумные разряды на оси и периферии, указывают хаотические сры- вы возбуждаемых напряжений на импульсе UРЕЗ и интенсивные электронные всплески размножаю- щейся ВЭЭ в течение импульса IВЭЭ на осцилло- грамме 8 (12:03). Заметим, что характер искаже- ний импульсов напряжений и электронных токов ВЭЭ разный. При неоднократном искажении на- растающих фронтов импульсов UРЕЗ всплесков ВЭ-токов на общем импульсе IВЭЭ может быть несколько. При спадающих напряжениях и квази- постоянстве амплитуд, обеспечивающих размно- жение электронов ВЭЭ, имеем один токовый всплеск. На рис. 5 показаны осциллограммы по- следующих искажений возбуждаемых ВЧ-напря- жений (нарушаемых общими мультипакторными процессами), обусловленных одновременным электронным замыканием электродов ускоряю- щего канала и зазора на периферии в течение продолжающегося времени ВЧ-тренировки (12:04…12:08). На осциллограммах 9–11 отчетливо ви- ден нормальный запуск начальных частей перед- них фронтов импульсов напряжений UРЕЗ и соот- ветствующих мультипакторных всплесков в са- мом начале импульсов тока IВЭЭ. На осциллограмме 12 запуск импульса напряжения UРЕЗ задержан на время Δt. При этом интенсивности развивающихся в двух областях ВЧ-разрядов достигают максимальных величин электронных мультипакторных токов, которые расстраивают резонансные свойства высокодоб- ротной резонаторной структуры. Как следует из этой группы осцилло- грамм, минимальные величины напряжений в резонаторной структуре возмущенного ЛУИ, обеспечивают интенсивное размножение элект- ронов ВЭЭ с электродов ускоряющих зазоров наименьших длин на входе ускоряющего канала и паразитного зазора на периферии. В более длин- ных ускоряющих зазорах при указанных напря- жениях и обычных условиях ВЭЭ, величины об- щих электронных токов в структуре ЛУИ невели- ки, что не может обеспечивать во времени высо- кую эффективность ВЧ-тренировки его электро- дов и поверхностей. Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 74 Рис. 5. Осциллограммы искаженных форм импульсов напря- жений UРЕЗ и общих токов ВЭ эмиссии IВЭЭ при продолжаю- щихся процессах размножения электронов, достигших одно- временно устойчивого электронного замыкания первых зазо- ров ускоряющего канала и паразитного зазора на периферии ЛУИ, возбуждаемого двумя независимыми АС (12:04…12:08) Таким образом, наличие в периферийных областях ЛУИ узких диодных промежутков, об- разуемых как нарушением технологии монтажа элементов структуры, так и неплотным прилега- нием подвижных контактов устройств, регули- рующих параметры структуры, приводит к воз- никновению ВЭ-разрядов не только в этих про- межутках, но и на оси структуры. Во времени это сопровождается грубым искажением форм конт- рольных импульсов возбуждаемых напряжений, не давая возможности проводить эксперимен- тальные работы по ускорению ионов. По окончании регистрации грубо нару- шенной работы ЛУИ, искаженной мультипактор- ными разрядами, замыкающих зазоры наимень- ших длин как полезных, так и паразитных про- межутков, был проведен демонтаж днища резона- торной структуры и осмотр образовавшегося в нем другого зазора, длина которого почти на два порядка меньше длины первого зазора. Причина искажения контрольных сигна- лов UРЕЗ и IВЭЭ ускорителя оказалась очевидной, обусловленной нарушением технологии соедине- ния медной заплаты с цилиндрической поверх- ностью резонатора. В связи с этим метод устра- нения паразитного разряда был предложен наи- более простой – мягкий оловянный припой, соединяющий медную заплату с поверхностью резонатора, был полностью заменен твердым медно-фосфорным. При этом устойчивость ВЧ-возбуждения резонаторной структуры уско- рителя МЛУД-3 и подавленные условия размно- жения числа низкоэнергетических электронов ВЭЭ (мультипакторных разрядов, достигающих ВЧ-пробоев) при сохранении обычной эмиссии вторичных электронов с параллельных электро- дов, находящихся в электрических полях, была восстановлена. Выводы. Проведенные исследования по- казывают, что нежелательное возникновение в периферийных областях резонаторной структуры ускорителя ионов, других вакуумных ВЧ-разря- дов может также инициировать условия развития интенсивных мультипакторных разрядов между торцевыми поверхностями кольцевых трубчатых электродов ускоряющего канала ЛУИ. Устранение ВЧ-разрядов в ЛУИ, в том числе и мультипакторных, необходимо для устра- нения дефокусирующего действия аксиально- симметричных ВЧ-полей на оси ускорителя, на- рушаемых хаотически возникающими точечными электронными замыканиями торцевых поверхно- стей трубок дрейфа. Из анализа искажений во времени форм контрольных импульсов напряжений и общих токов ВЭ-эмиссии экспериментально подтверж- дается, что скорости электронных мультипактор- ных процессов и разрядов гораздо больше на- Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 75 чальных скоростей возбуждаемых ВЧ-напря- жений, экспоненциально нарастающих во време- ни с минимальных величин в высокодобротной резонаторной структуре линейного ускорителя. Следует особо отметить, что подавление условий размножения электронов ВЭЭ при малых величинах напряжений в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структу- ры ЛУИ, весьма необходимо для успешной реа- лизации метода переменно-фазовой фокусировки и достижения одновременной радиальной фазо- вой устойчивости движения ускоренных пучков ионов. В заключение следует напомнить, что при изготовлении элементов энергоемких резона- торных структур (экспериментальных, техноло- гических) и ускорителей для фундаментальных исследований, использование разнородных ме- таллов и мягких припоев не допустимо. Библиографический список 1. Проект реконструкции ускоряющей структуры малогаба- ритного линейного ускорителя дейтронов / А. С. Белей, Е. В. Гусев, В. Н. Дериповский и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Техника физ. эксперимента. – 1987. – Вып. 4(35). – С. 8–10. 2. Федотов А. П. К вопросу о возбуждении колебаний в высокодобротном объемном резонаторе от автогенератора / А. П. Федотов, Б. К. Шембель // Радиотехника и электрон. – 1956. – № 12. – С. 1474–1477. 3. Линейные ускорители ионов / Д. В. Каретников, И. Н. Слив- ков, В. А. Тепляков и др. – М.: Госатомиздат, 1962. – 208 с. 4. Линейные ускорители ионов: в 2 т. Т. 2. / под ред. Б. П. Мурина. – М.: Атомиздат, 1978. – 320 с. 5. Лобзов Л. Д. Мультипакторные разряды в резонаторе Н-типа линейного ускорителя ионов / Л. Д. Лобзов, Н. Г. Шулика // XIV Совещание по ускорителям заряжен- ных частиц. – Протвино, 1994. – Т. 1. – С. 209–212. 6. Berkeley Proton Linear Accelerator / L. W. Alvarez, H. Bradner, J. V. Franck et al. // Review of Scientific Instru- ments. – 1955. – 26, iss. 2. – P. 128. 7. Linear accelerators / Ed. by P. M. Lapostolle and A. L. Septier. – Amsterdam, 1970. – 1204 p. 8. Файнберг Л. Я. Переменно-фазовая фокусировка в линей- ных ускорителях / Л. Я. Файнберг // Журн. техн. физики. – 1959. – 29, № 5. – С. 568–579. 9. Капчинский И. М. Динамика частиц в линейных резонанс- ных ускорителях / И. М. Капчинский. – М: Атомиздат, 1966. – 310 с. 10. Попов В. А. Возбуждение резонатора линейного ускорите- ля ЛУ-20 ЛВЭ ОИЯИ / В. А. Попов. – Дубна: Объединен- ный ин-т ядерных исследований, 1975. – 11с. – (Препр. / ОИЯИ № 9-9061). 11. Вещерович В. Г. О подавлении вторично-электронного ВЧ-разряда в вакуумированном резонаторе накопителя ВЭПП-3 / В. Г. Вещерович, В. К. Седляров, В. Д. Шеме- лин // Вопросы вакуумной науки и техники. Сер. Линей- ные ускорители. – 1976. – Вып. 1(2). – С. 77–79. 12. Венгров Р. М. Применение дополнительного контура обратной связи при возбуждении резонатора ускорителя тяжелых ионов в режиме автогенерации / Р. М. Венгров, В. Г. Кузмичев, Д. А. Лякин // XVII Совещ. по ускорителям заряженных частиц. – Протвино, 2000. – Т. 1. – С. 130–133. 13. Пат. SU №1700783 А1. Высокочастотный генератор / Л. Д. Лобзов, Ю. П. Мазалов, Н. Г. Шулика. – БИ № 47. – 1991. – С. 239. 14. Влияние мультипакторных разрядов на устойчивость ус- тановления автогенераторных ускоряющих полей одноре- зонаторного линейного ускорителя ионов / Л. Д. Лобзов, П. А. Демченко, Н. Г. Шулика и др. // Вісн. Харків. ун-ту. Сер. фізична. Ядра, частинки, поля. – 2003.– № 585, вып. 1(21). – С. 78–84. 15. Лобзов Л. Д. К теории электронного мультипакторного разряда в вакуумированной ячейке линейного ускорителя / Л. Д. Лобзов, А. П. Толстолужский, Н. Г. Шулика // Вісн. Харків. ун-ту. Сер. фізична. Ядра, частинки, поля. – 2005. – № 657, вып. 1(26). – С. 36–46. 16. Лобзов Л. Д. Параметры вторично-электронных процессов в однородных ВЧ-СВЧ электрических полях резонатор- ных структур / Л. Д. Лобзов // Радиофизика и электрон. – 2011. – 2(16), № 1. – С. 70–76. 17. Лобзов Л. Д. Управление мультипакторными разрядами в высокодобротной структуре линейного ускорителя ионов / Л. Д. Лобзов, Н. Г. Шулика, В. Н. Белан // Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 2007. – 12, № 3.– С. 598–609. 18. Duration of multipacting processes and discharges in the linac of ions / L. D. Lobzov, N. G. Shulika, O. N. Shulika, V. N. Belan // Problems of atomic science and technology. Ser. Nucear Physics Investigations. – 2009. – Iss. 52, N 5(63). – P. 154–158. Рукопись поступила 10.12.2013. L. D. Lobzov, N. G. Shulika, V. F. Kovalenko, V. N. Belan, O. N. Shulika, A. P. Podolak, L. N. Makarova MULTIPACTOR DISCHARGES IN GAPS OF THE ACCELERATION CHANNEL AND OTHER AREAS OF RESONATOR STRUCTURE OF THE LINEAR ION ACCELERATOR Multipactor discharges, accompanied by electron re- production of secondary electron emission (SEE) and reaching electron close of electrodes in linear ion accelerator (LINAC) are undesirable phenomena that must be removed. The closes are possible between the electrodes of its other areas. However, in the scientific literature there is no information on disruption of the accelerator characteristics, distorted by discharges in its different areas. In such cases, discharge areas outside the acceleration chan- nel are identified and eliminated. If after that the electron closes of the electrodes in accelerating gaps still occur, they are eliminated by the known and available methods. In this study a modern acce- lerator excitation circuit, with two identical RF-sources with inde- pendent positive feedbacks is used. They work together on the same resonant load (primary or perturbed frequency) which allows to provide both sustainable RF excitation voltages and suppression of multipactor processes and discharges. In practice, this is con- firmed by the fact that for small values of voltages and, conse- quently, on the leading and trailing edges of the current pulse of SEE, there is only the initiation of electron multiplication (multi- pactor splash). However, such a stable operation of the accelerator was disturbed by gross distortion of pulse voltages and currents of SEE. Examination of the internal structure showed that there are intense glow discharges in other areas of the accelerator – at the entrance and its periphery. At the entrance it is the calculated gap of length 1.353 cm with sections of parallel end surfaces of the first drift tubes. In the periphery it is a parasitic slot ~ 0.1...0.2 mm (at opening va- cuum jacket), formed by the surface structure and the end of the copper plate (patch that closes the unnecessary through hole); the tin solder between them was partially sublimated. From the analy- sis of pulse distortion of control voltages and common currents of Л. Д. Лобзов и др. / Мультипакторные разряды в зазорах… _________________________________________________________________________________________________________________ 76 SEE, it became clear that the basic rules relevant to the research subject are observed. Visual display of the time luminosity of the discharge and a character of these distortions forms of voltages and currents electronic, allowed to characterize uniquely both discharges as the multipactor, which greatly facilitates their re- search and selection of methods for removal. Results of the inves- tigations extend knowledge of the conditions of development and control of multipactor processes in high–Q (Q0 >> 1) resonator structures, which is essential for provision constancy in time cha- racteristics of a linear ion accelerator. Key words: accelerating gap resonator structure, expo- nential change in RF oscillations in time, secondary electron emis- sion, dangerous multipactor discharge. Л. Д. Лобзов, Н. Г. Шуліка, В. Ф. Коваленко, В. Н. Белан, О. Н. Шуліка, А. П. Подоляк, Л. Н. Макарова МУЛЬТИПАКТОРНІ РОЗРЯДИ В ЗАЗОРАХ ПРИСКОРЮЮЧОГО КАНАЛУ ТА ІНШИХ ОБЛАСТЯХ РЕЗОНАТОРНОЇ СТРУКТУРИ ЛІНІЙНОГО ПРИСКОРЮВАЧА ІОНІВ Мультипакторні розряди, що супроводжуються роз- множенням електронів вторинно-електронної емісії (ВЕЕ), досягаючи електронного замикання електродів лінійного прискорювача іонів (ЛПІ), – небажані явища, що вимагають їх обов’язкового усунення. Замикання можливі й між електро- дами інших його проміжків. Однак у науковій літературі від- сутні відомості, що вказують на порушення характеристик прискорювача, спотвореного розрядами в різних його облас- тях. У таких випадках візуально виявляють області розрядів за межами прискорюючого каналу й усувають їх. Якщо й після цього в його зазорах відбуваються електронні замикання електродів, то їх усувають відомими доступними методами. У даному дослідженні використано сучасну схему збудження прискорювача двома ідентичними ВЧ-джерелами з незалеж- ними позитивними зворотними зв’язками. Їх спільна робота на одне й те ж резонансне навантаження (основної або збуре- ної частоти) дозволяє забезпечувати в ній як стійке збудження ВЧ-напруг, так і заглушення мультипакторних процесів і розрядів. На практиці це підтверджується тим, що при малих величинах напруг і, відповідно, на передньому і задньому фронтах імпульсу струму ВЕЕ, присутня лише ініціація роз- множення електронів (мультипакторні сплески). Однак і така стійка робота прискорювача була несподівано порушена гру- бими спотвореннями імпульсів напруг і струмів ВЕЕ. Огляд середини структури показав, що там відбуваються інтенсивні світлові розряди в різних областях прискорювача – на вході та на його периферії. На вході – це розрахунковий зазор довжини 1,353 см з ділянками паралельних торцевих поверхонь перших трубок дрейфу. На периферії – це паразитна щілина ~ 0,1...0,2 мм (виміряна при розкритому вакуумному кожусі), що утворена поверхнею структури і кінцем мідної пластини (латки, що закриває непотрібний наскрізний отвір), олов’яний припій між якими частково сублімувався. З аналізу спотворень імпульсів контрольних напруг і загальних струмів ВЕЕ стало зрозуміло, що при цьому дотримуються основні закономірності, відпові- дні темі даних досліджень. Візуальний огляд світності облас- тей розрядів і аналіз характеру спотворень форм імпульсів зазначених напруг і електронних струмів дозволили однозна- чно характеризувати обидва зазначених розряда як мульти- пакторні, що суттєво полегшує їх дослідження та вибір мето- дів заглушення. Результати дослідження розширюють знання про умови розвитку й управління мультипакторними проце- сами в високодобротних (Q0 >> 1) резонаторних структурах, що є необхідним для забезпечення сталості в часі характерис- тик ЛПІ. Ключові слова: прискорюючий проміжок резона- торної структури, експоненціальна зміна ВЧ-коливань у часі, вторинно-електронна емісія, згубний мультипакторний розряд.

Мультипакторные разряды в зазорах ускоряющего канала и других областях резонаторной структуры линейного ускорителя ионов

Institution

Ähnliche Einträge