Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 1 10;12 Исследование колебаний пространственного заряда в установках электронного охлаждения й С.Г. Константинов, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: reva@csd.inp.nsk.su (Поступило в Редакцию 4 апреля 2002 г.) Электронное охлаждение используется для улучшения параметров ионных пучков. Эффективность охлаждения существенно зависит от интенсивности флуктуаций пространственного заряда в пучке. Их наличие на участке охлаждения приводит к стохастическому нагреву ионов, что ведет к ухудшению охлаждения или даже гибели ионного пучка. Описаны результаты экспериментов по исследованию интенсивности флуктуаций пространственного заряда от различных параметров работы охладителя. Предложен механизм возникновения флуктуаций и сделаны оценки возможного влияния зарегистрированных флуктуаций на параметры ионного пучка.

Введение ной 700Ц1000 Gs, и транспортировался вдоль магнитного поля до коллектора электронов (4Ц6). Цифрами на Электронное охлаждение используется для улучшерисунке обозначены: 1 Ч катод, 2 Ч управляющий ния параметров ионных пучков в накопителях [1]. Меэлектрод, 3 Чанод, 4 Ч вакуумная камера, 5 Чпритод основан на использовании холодного электронноколлекторный электрод, 6 Ч супрессор, 7 Ч коллектор, го пучка, движущегося со средней скоростью ионов 8 Ч пробник. Диаметр пучка в зависимости от режима на общем с ионным пучком прямолинейном участке составлял 2Ц3cm.

орбиты. Столкновения ионов с электронами приводят Для измерения шумовых характеристик использовак потере энергии хаотического движения ионов. Для лось несколько экспериментальных схем. Первая схема получения достаточно малого времени охлаждения трепассивная. Шумы пространственного заряда пучка через буется интенсивный электронный пучок с токами в специальную рамку, находящуюся вблизи пучка и именесколько ампер и энергией от нескольких киловольт [2] ющую емкость относительно пучка порядка 1.5 pF, регидо нескольких MeV [3]. Как правило, такие пучки полустрировались спектроанализатором, либо высокочастотчают в системах с рекуперацией энергии, когда пучок ным осциллографом. Вторая схема активная. Колебания ускоряется до полной энергии, а затем энергия электров пучке возбуждались с помощью подачи переменного нов возвращается в источник в замедляющей системе.

напряжения на управляющий электрод (волна, распроЗамедление производится до минимально возможного страняющаяся вдоль по потоку) или на приколлекторзначения в 1Ц5 keV, определяемого пространственным ный электрод (волна, распространяющаяся против потозарядом пучка. Эффективность захвата электронного ка) с последующей регистрацией отклика с коллектора пучка в коллектор, как правило, высока, но все-таки и с рамки, используемой в качестве регистрирующего малая доля электронного пучка может отражаться от пикап электрода.

коллектора и попадать на участок охлаждения. При На рис. 2 показан продольный профиль потенциаэтом могут возникать колебания полей пространственла электрического поля с учетом объемного заряда, ного заряда пучка, вызывающие нагрев ионного пучка.

выполненный для типичных параметров эксперимента Если эти шумы достаточно велики, то электронный пучок может вместо охлаждения вызвать нагрев и потерю части ионов. В данной работе представлены результаты исследования колебаний пространственного заряда, возникающих в установке с прямолинейным магнитным полем. Измерения проводились на стенде по тестированию пушки и коллектора, предназначенных для создания установки электронного охлаждения для Института современной физики (Ланьчжоу, Китай).

Схема установки и методика измерений Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.

Электронный пучок формировался электронной пуш- Рис. 1. Схема установки для исследования колебаний прокой (1Ц4) [4], помещенной в магнитное поле величи- странственого заряда.

92 С.Г. Константинов, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева Неустойчивость В ходе экспериментов по изучению свойств развивающейся неустойчивости были отмечены следующие экспериментальные факты.

1) ДВспышечныйУ характер развития неу с т о й ч и в о с т и. На рис. 3 показана временная осцил лограмма развития неустойчивости. Она была измерена в режиме открытого коллектора, когда Ucoll = Usupr.

Рис. 2. Продольный профиль потенциала на оси установки с Сигнал снимался на высокоомный вход осциллограучетом влияния пространственного заряда.

фа с параллельным подключением конденсатора емкостью 1000 pF. На этой картине можно видеть отдельную ДвспышкуУ неустойчивости длительностью порядка 20 s (70-95 s, кривая 2). Здесь же нарисован Ucoll = 3kV, Usupr = 0.5kV, Ucath = 7kV, Uan = 3.5kV, сигнал, возникающий при прохождении через рамку Ucontr = +0.6V, ток Je = 900 mA). Напряжение каимпульса тока величиной 1 A и длительностью 280 s тода отсчитывается от земли, напряжение коллектора (кривая 1). Видно, что в конце ДвспышкиУ сигнал выхои анода Ч от катода. Потенциал супрессора задается дит на уровень (t = 100 s, кривая 2), отличающийся от делителем напряжения, установленным между коллекпервоначального (t = 50 s, кривая 2) на 30% к сигналу тором и катодом. Положение 0 соответствует напряжеот основного пучка (кривая 1). Это свидетельствует нию супрессора, равному напряжению катода, 1 Ч нао том, что за время ДвспышкиУ неустойчивости часть пряжению коллектора. Расчеты выполнены комплексом вторичных электронов с суммарным зарядом до 30% от программ SAM.

заряда основного пучка была удалена из центральной Из рисунка видно, что с таким профилем потенциала области. Ниже показана динамика развития неустойчивозможно накопление вторичных электронов в области вости при регистрации сигнала на нагрузку 50. В этом между коллектором и анодом. Они могут туда попадать случае сигнал пропорционален dn/dt, поэтому накоплеза счет ионизации остаточного газа или после отра- ния не видно, зато хорошо видны колебания при развижения от коллектора. Упруго- и неупругоотраженные тии неустойчивости. Время нарастания неустойчивости электроны попадают в центральную область, где и на- 5 s, время квазистационарного участка, за которое капливаются. При накоплении пространственного заряда и происходит удаление избыточного пространственного выше некоторого предела развивается неустойчивость, заряда из центральной области, 10 s. Основная частоприводящая к сбросу вторичных электронов. та 70Ц100 mHz.

Рис. 3. Изменение величины пространственного заряда n и dn/dt в области рамки при развитии неустойчивости.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Исследование колебаний пространственного заряда в установках электронного охлаждения Рис. 4. Изменение интенсивности неустойчивости от тока пучка. По оси ординат амплитуда колебаний в a.u. Цифры у кривых Ч значения тока пучка в A.

Рис. 5. Изменение интенсивности неустойчивости в зависимости от режима работы коллектора. По оси ординат Ч амплитуда колебаний в a.u. Цифры у кривых Ч значения напряжения в kV.

Средняя частота вспышек составляет 100Ц1000 Hz, превышении порога хорошо видны отдельные пики гарчто дает оценку среднего тока накопления заряда в монических колебаний, но при дальнейшем увеличении данном режиме на уровне 30Ц300 nA. тока пучка число этих пиков существенно возрастает и 2) Пороговое поведение неустойчивости спектр становится более ДшумнымУ. При дальнейшем по току пучка. На рис. 4 показан набор спектров увеличении тока пучка число и амплитуда пиков уменьколебаний пространственного заряда в зависимости от шаются, и при достаточно большом токе неустойчивость тока пучка. Спектры снимались в режиме, когда к практически пропадает. Изменение магнитного поля изсупрессору прикладывалось напряжение -600 V отно- меняет порог развития неустойчивости с 270 mA при сительно коллектора. Измерения спектра проводились с магнитном поле 700 Gs до 420 mA при 1050 Gs, но не помощью спектр-анализатора СК4-59. меняет его пороговый характер.

Видно, что до тока 300 mA собственных колебаний 3) Влияние коллекторных параметров на в пучке не наблюдается, но при его превышении в неустойчивость. Наиболее резко неустойчивость пучке быстро развивается неустойчивость. При слабом зависит от величины супрессорного напряжения. При Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 94 С.Г. Константинов, В.В. Пархомчук, В.Б. Рева Рис. 6. Изменение спектров вынужденных колебаний в зависимости от тока пучка. По оси ординат Ч амплитуда колебаний в a.u.

Цифры у кривых Ч значения тока пучка в mA.

величине супрессорного напряжения, равной напряже- Механизм накопления зарядов нию коллектора (открытый коллектор), интенсивность неустойчивости максимальна и превышает значение в Таким образом, можно высказать предположение, что других режимах более чем в 10 раз. Однако небольшое в режиме открытого коллектора основную роль в воззапирающее напряжение для электронов (порядка 30 V), никающих колебаниях пространственного заряда играют приложенное к супрессору, кардинально улучшает ситуистинно-вторичные электроны, имеющие энергию внуацию. Дальнейшее увеличение запирающего напряжения три коллектора 10 eV. Родившись в коллекторе, они (вплоть до величин Ucath = Usupr) практически не влияет вдоль поверхности коллектора попадают и накапливана неустойчивость. В режиме открытого коллектора такются в центральной области. При превышении некотоже не удается подавить неустойчивость за счет уменьрой пороговой плотности вторичных частиц возникает шения тока пучка. Даже при токе в 50 mA наблюдаются неустойчивость, выбрасывающая вторичные электроны колебания пространственного заряда в пучке. Изменение из центральной области. При подаче небольшого отримагнитного поля, катодного напряжения и напряжения цательного (относительно коллектора) напряжения на коллектора не изменяет этой картины. Режим с отсупрессорный электрод происходит запирание основной крытым коллектором оставался самым ДшумнымУ при массы вторичных электронов. При этом в силу геопрочих равных условиях.

метрического фактора наибольшее изменение потенциНа поток вторичных электронов можно было повлиала происходит именно вблизи супрессорного электроять путем выбора режима работы коллектора (рис. 5).

да. Его влияние в центре пучка значительно меньше.

Если понизить напряжение коллектора до состояния, Дальнейшее увеличение запирающего напряжения на близкого к образованию в нем виртуального катода, то в супрессоре не влияет на поток истинно вторичных элекэтом случае за счет большого пространственного заряда тронов, и основной вклад в поток частиц из коллектора можно запереть в нем большую часть отраженных дают упруго- и неупругоотраженные электроны большой энергичных электронов.

энергии (> 50 eV).

4) В ы н у ж д е н н ы е к о л е б а н и я. Интересные данные были получены при регистрации вынужденных ко- Роль электронов ионизации, по-видимому, невелика лебаний в предпороговой области развития неустойчиво- (поток электронов ионизации для условий нашего эксперимента может быть оценен величиной 50 nA). Измести. Раскачка подавалась на приколлекторный электрод нение давления в вакуумной камере в 2 раза практически (рис. 1, 5). Вынужденный сигнал снимался с пробника.

не влияло на интенсивность и спектральный состав Регистрировалось распространение внешнего сигнала неустойчивости. Возможность уменьшить интенсивность против потока основного пучка. В области 75Ц100 MHz видно (рис. 6) наличие отклика, связанного со вторичны- неустойчивости за счет выбора напряжения коллектора ми электронами, вылетающими из коллектора. В низко- также свидетельствует о том, что коллектор является частотной области при приближении к порогу наблю- основным поставщиком электронов в центральный учадается вынужденная раскачка собственных колебаний сток. Увеличение пространственного заряда в коллекстолба вторичных электронов. По мере приближения к торе влияет на поток отраженных электронов, но не порогу возрастает амплитуда линий. влияет на поток электронов ионизации.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Исследование колебаний пространственного заряда в установках электронного охлаждения В качестве модели неустойчивости может быть рассмотрена пучковая неустойчивость на запертых частицах. Когда частота волны пространственного заряда пучка = kv0 приближается к собственной частоте колебаний захваченных электронов = n0, возможно появление нарастающих колебаний. Здесь 0 = 4L/v0, L Ч размер электростатической ямы, v0 Ч скорость осцилляций захваченных электронов, n Ч произвольное целое число (набор гармоник появляется из разложения уравнения равномерного движения электрона между электростатическими пробками по гармоническим функциям). Решая дисперсионное уравнение, соответствующее данной модели, можно получить неустойчивые решения для определенных значений волнового вектора.

Рис. 7. Мощность охлаждения и нагрева (ось ординат, Инкремент получившейся неустойчивости линейно рас- cm2/s) при различных амплитудах пульсаций электронного тока Je/Je = = 2, 1, 0.5, 0.25%. Ось абсцисс Ч амплитуда тет с ростом номера моды n и его характерное значение для условий нашего эксперимента Im() =4 10-5 s-1 колебаний иона (cm). Сплошная жирная кривая Ч охлаждение.

(n = 1).

рис. 7 показаны в логарифмическом масштабе для приОхлаждаемая апертура мера мощности нагрева и охлаждения для параметров охладителя, близкого к [4].

Время охлаждения иона, имеющего амплитуду колеИз рис. 7 видно, что при 2% флуктуациях электроннобаний в накопителе определяется выражением [5] го тока охлаждаться будут ионы только с амплитудами менее 3 mm, а все остальные нагреются и погибнут. Для 1/(a2) a < ae, 2(Je/q)reriLnc нормальной эксплуатации охладителя пужно добиться e - (a)= 3 шумов электронного пучка, не превышающих 0.1%, при 45 a2 + a2 / 1/(a2) a > ae, этом критическая амплитуда становится больше 10 cm.

eff (1) Влияние наблюдаемых флуктуаций пространственногде Je Ч ток электронного пучка; q Ч заряд электрона;

го заряда на эффективность охлаждения оценивалась re, ri Ч классические радиусы электрона и иона; Lnc Ч по измеренному среднеквадратичному значению флуккулоновский логарифм; Ч доля участка охлаждения в туаций плотности пространственного заряда. Чтобы исдлине орбиты ионов;, Ч параметры пучков; aeff Ч пользовать оценочную формулу (2), данное значение эффективная амплитуда, ионы с меньшей aeff ампли- пересчитывалось в эквивалентное ему значение флуктудой охлаждаются с минимальным временем; ae Ч туации полного тока пучка (Je = eV0nS). При значерадиус электронного пучка; Ч значение бета функ- нии супрессора 0.8 относительная величина флуктуации ции на участке охлаждения; f Ч частота обращений в тока составляла Je /Je 3 10-4, а при значении супрессора 1.0 (открытый коллектор) Je /Je 210-2.

накопителе.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам