Разработка ускоряющей системы и испытания СВЧ устройств ВЛЭПП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

Р Г Б ОД

1 3 МАП Ш6

На правах рукописи

Шемелин Валерий Дмитриевич

РАЗРАБОТКА УСКОРЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ И ИСПЫТАНИЯ СВЧ УСТРОЙСТВ ВЛЭПП

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Балакин -доктор физико-математических наук,

Владимир Егорович член-корреспондент РАН,

ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Карлинер Марлен Моисеевич

Черноусое Юрий Дмитриевич

-доктор физико-математических наук, профессор, ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск

-кандидат технических наук, Институт химической кинетики и горем СО РАН", г. Новосибирск

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ.-Московский инженерно-физический инсэ

Защита диссертации состоится г. в

" /У " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан " 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета академик

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Потребности физики элементарных частиц тимулируют экспериментаторов создавать установки на все более вы-окие энергии взаимодействия ускоряемых частиц.

Качественный скачок в экспериментально доступных энергиях реак-;ий произошел в 60-х годах благодаря освоению метода встречных пуч-:ов. Для этого пришлось создать циклические накопители, обеспечивающие светимость как за счет плотности взаимодействующих пучков так 1 за счет многократного их взаимодействия в циклических машинах.

Однако синхротронное излучение, присущее циклическим ускорители, ограничивает предельно достижимую энергию встречных пучков лектронов и позитронов величиной примерно 2 х 100 ГэВ.

В конце 60-х годов в институте ядерной физики в Новосибирске ;ачато исследование возможности использования встречных линейных лектрон-позптронных пучков для прорыва в область энергии 2x1 ТэВ. 1ри переходе от многократных столкновений в циклических машинах к днократным — в линейном ускорителе — вновь стал вопрос повышения ветимости, так же как и вопрос о быстром наборе необходимой энергии :ри однократном прохождении частиц через ускоритель.

Возникла необходимость на порядок увеличить темп ускорения — до 00 МэВ/м — чтобы сохранить в разумных пределах длину такого уско-штеля и обеспечить субмикронные поперечные размеры сгустков в месте стречи при достаточно высоком заряде — для обеспечения приемлемой ветимости.

Для ускорения таких пучков требуется перейти на более высокие, чем ; традиционных ускорителях, частоты и увеличить мощность источнн-:ов СВЧ на 2-3 порядка.

В конце 80-х годов разработка метода встречных линейных пучков [риобрела международный характер. Кроме России активное участие в тих работах принимают США, Япония, Германия, Швейцария (ЦЕРН).

Одной из важнейших частей ускорителя является СВЧ системе включающая в себя источники питания, ускоряющие секции и соединя ющий их волноводный тракт с устройствами измерения и перераспреде ления мощности.

Ранее было показано (В.Е. Балакин, О.Н. Брежнев, 1985 г.), что пр соблюдении требований вакуумной технологии, при обработке алмазны] инструментом и сборке ускоряющих структур в обеспыленных помеще ниях достижим темп ускорения 90 МэВ/м в секциях, состоящих из мне гих резонаторов.

Особенностью линейного коллайдера на сверхвысокую энергию явл5 ется необходимость серийного изготовления множества сложных устрой ( в том числе ускоряющих секций.

При высокой мощности питания встает вопрос об электрической про1: ности СВЧ устройств, входящих в тракт питания секции.

Основная цель данной работы состояла в разработке ускоряюще секции на рабочую частоту 14 ГГц, изготовление которой может быт осуществлено в условиях серийного производства по технологии, обе< печивающей высокий ускоряющий градиент. Кроме того, была посте влена цель изучить условия обеспечения высокой электрической про1 ности СВЧ тракта и возможности контроля прочности СВЧ устройсп входящих в ускоряющую систему ВЛЭПП.

Научная новизна.

1. Обоснована конструкция, геометрия и допуски на размеры ячеек трансформаторов типа волны для ускоряющей секции ВЛЭПП.

2. Разработана методика измерения собственных частот ячеек стру! туры и секции в целом с учетом влияния атмосферных условий и аг паратурных возможностей, использованная для селективной сборк секций.

3. Изготовлены трансформаторы типа волны на рабочую частоту 1 ГГц и определены требования к ним с учетом необходимого согл; сования н перенапряжений. Разработана диафрагмированная согл; сованная нагрузка для измерений ТТВ, не ухудшающая рабочу полосу.

4. Изготовлены ускоряющие секции коллайдера на 14 ГГц в условия серийного производства по технологии, обеспечивающей высоки ускоряющий градиент.

5. Разработан резонатор бегущей волны на 14 ГГц, обладающий коэффициентом усиления по мощности 5-10 раз и пригодный для испытания СВЧ устройств при мощности порядка 100 МВт.

6. На основе резонансного кольца как подели мощного тракта отработаны элементы вакуумных стыков, обеспечивающие передачу мощности по тракту на уровне более 100 МВт.

7. Проведены исппытания ряда СВЧ устройств: отрезка волновода, выходных окон, направленного ответвите л я — на электрическую прочность при мощности от 40 до 145 МВт.

8. Выполнено компьютерное моделирование процесса накопления мощности в РБВ и аналитические расчеты, дающие новую информацию о потоках энергии в резонансном кольце.

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. В ходе выполнения работы были сформулированы основные требования к конструкции, геометрии и допускам на размеры ячеек и трансформаторов типа волны, изготовлены и проверены измерениями ячейки, трансформаторы и в целом секции для линейного коллайдера ВЛЭПД на 14 ГГц.

2. Использована разработанная автором методика измерения характеристик ячеек ускоряющей структуры, позволившая отобрать ячейки, пригодные для изготовления секций.

3. В условиях серийного производства на специально разработанном для этой целн станке изготовлены ячейки ускоряющей структуры с точностью лучше 1 мкм. Показано соответствие станка техническим требованиям.

4. Изготовлены ускоряющие секции ВЛЭПП по технологии, обеспечивающей высокий ускоряющий градиент.

5. Разработан резонатор бегущей волны с усилением по мощности 510 раз на частоте около 14 ГГц для испытаний элементов СВЧ тракта на предельную мощность.

6. Предложена конструкция вакуумных уплотнений для СВЧ тракта на 14 ГГц, обладающая малыми отражениями и высокой электрической прочностью.

7. Испытаны на предельную мощность резонатор бегущей волны, имеющий форму кольца из гладких отрезков волновода и вставляемые в это кольцо элементы тракта. Резонатор может служить инструментом для испытания вновь разрабатываемых СВЧ устройств.

Автор выносит на защиту следующие результаты работы:

1. При непосредственном участии автора сделан выбор и обоснование конструкции и геометрических размеров ускоряющей секции ВЛЭПП. Автором сделан расчет допусков для ячеек секции и экспериментально обоснованы допуски на трансформатор типа волны.

2. Разработана методика измерения собственных частот ячеек с учетом атмосферных условий, пригодная для комплектации секции на 14 ГГц.

3. Изготовлением на заводе и в мастерских института и контрольными измерениями в лаборатории проверена возможность серийного производства секций линейного коллайдера, обладающих необходимыми электродинамическими, вакуумными и механическими характеристиками.

4. Смоделирован процесс накопления мощности в резонаторе бегущей волны и выполнены аналитические расчеты, дающие дополнительную информацию о потоках энергии в резонансном кольце.

5. На основе резонансного кольца как модели мощного СВЧ тракта отработаны элементы вакуумных стыков, обеспечивающие передачу мощности на уровне 100 МВт на частоте 14 ГГц.

6. Разработан и изготовлен резонатор бегущей волны с усилением по мощности 5-10 раз на частоте 14 ГГц, пригодный для испытаний элементов СВЧ тракта на уровне 100 МВт.

Апробация работы, публикации. Работы, положенные в основу диссертации, изложены в двух препринтах ИЯФ, докладывались и обсуждались на XII, XIII и XIV совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Москва, 1990; Дубна, 1992; Протвино, 1994 г.), на 12 и 13 Харьковских семинарах по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 1991 и 1993 г.г.), на Международных рабочих совещаниях ЬС91 и ЬС95 (Протвино и Цукуба, Япония) и ИГ93 (Дубна - Протвино).

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 56 страницах текста, состоит из введения, двух частей, первая из которых состоит из б, а вторая — из 5 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Текст содержит 24 рисунка, список цитируемой литературы — 54 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, кратко описаны особенности линейного коллайдера на сверхвысокие энергии и сформулированы цели и задачи исследования, связанные с этими особенностями и относящиеся к разработке секции и элементам волноводного тракта, работающим на высоком уровне мощности.

В первой части рассматриваются вопросы, связанные с ускоряющей секцией коллайдера.

В разделе 1.1 рассматривается конструкция, выбор геометрических размеров и представлены результаты расчета основных характеристик секции.

В разделе 1.2 обосновывается выбор допусков на размеры ячеек, определяемый допустимой величиной недобора энергии на каждой секции при отклонении размеров.

В разделе 1.3 сделаны расчеты влияния температуры, давления и влажности окружающего воздуха на значения измеряемых частот резонансных сборок при "холодных" измерениях.

В разделе 1.4 описана методика измерения частоты ячеек на измерительном стенде и порядок комплектации секции из ее ячеек.

Раздел 1.5 посвящен трансформатору типа волны для секции ВЛЭПП. Описана его конструкция, измерения с согласованной диафрагмированной нагрузкой и настройка на рабочую частоту. Описаны работы по определению перенапряженное™, асимметрии полей и измерению импедансной характеристики трансформатора. Представлен анализ требований к допускам на размеры деталей трансформатора. Описаны измерения полосовых характеристик на разработанном для этих целей стенде. Полученные экспериментальные характеристики сопоставлены с компьютерными расчетами, сделанными на основе модели связанных контуров.

В разделе 1.6 описаны работы по серийному изготовлению ячеек для секций ВЛЭПП. Представлены характеристики станка, разработанного

по заказу ИЯФ на Одесском станкостроительном заводе, и результаты его испытаний на Бердском электромеханическом заводе. Согласно проведенным измерениям станок обеспечивает обработку ячеек ускоряющей структуры алмазным резцом с точностью лучше 1 мкм и превосходит по точности в несколько раз использовавшийся для этой цели ранее станок фирмы ЗсЬаиЫщ (Швейцария). Кратко описаны технология соединения деталей секции и измерения прямолинейности секций. Представлены экспериментальные и расчетные характеристики секции.

Вторая часть диссертации посвящена резонатору бегущей волны, предназначенному для испытания элементов СВЧ тракта до их установки в рабочую конструкцию.

В разделе 2.1 рассмотрены основные характеристики РБВ — представлены данные по их расчету и измерению. Обсуждаются особенности резонансного кольца, связанные с переходом в двухсантиметровую область СВЧ диапазона, проводится сравнение с резонатором СЛАКа на 11.4 ГГц.

В разделе 2.2 рассматриваются элементы и детали конструкции резонатора: входной и измерительные направленные ответвителп, фазовращатель, компенсатор отражения.

В разделе 2.3 обсуждаются вопросы технологической подготовки деталей РБВ, необходимой для достижения высокой мощности. Приведен анализ влияния вакуумных уплотнении на отражения в тракте и представлены результаты измерений деформации уплотняющих прокладок при разной высоте их внутреннего отверстия. Описана подготовка поверхности волноводов к испытаниям.

В разделе 2.4 представлены экспериментальные результаты испытаний РБВ при подаче на его вход мощности до 10 МВт. В нспытаталь-ный промежуток резонатора вставлялись последовательно прямой отрезок волновода, направленный ответвитель и два варианта окон. При испытаниях прямого отрезка был достигнут уровень 120 МВт при пробоях примерно в каждом десятом импульсе и уровень 145 МВт в отдельных импульсах. На электрическую прочность отрезка влияло расположение волноводов РБВ: прн вертикальном расположении широких стенок волновода электрическая прочность кольца повысилась примерно на 40%.

Испытания ответвителя и окон проводились прн вертикальном положении широких стенок волновода. В ответвителе получено до 60 МВт импульсной мощности. В первом варианте окна достигнута мощность 10-12 МВт, а после доработок — во втором варианте — 30-40 МВт без пробоев и до 50 МВт в отдельных импульсах.

В разделе 2.5 представлены результаты компьютерного моделирования процесса накопления мощности в резонансном кольце. Показано влияние формы входного импульса мощности на характеристики импульса отраженной волны и волны, падающей в нагрузку. Сравнение с экспериментом подтвердило полученные результаты.

В заключении приводятся основные результаты работы:

По изготовлению ускоряющих секций линейного коллайдера ВЛЭПП на рабочую частоту 14 ГГц.

Сделан выбор геометрических размеров, определены допуски и конструкция секции ВЛЭПП с темпом ускорения 100 МэВ/м.

Предложена и реализована методика измерения собственных частот ячеек структуры и секции в целом. Определено влияние атмосферных условий на измеряемую частоту.

Проведены контрольные измерения, показавшие, что разработанный по заказу ИЯФ токарный станок обеспечивает выполнение требований к точности изготовления при серийном производстве на уровне 1 мкм.

Разработаны трансформаторы типа, волны для ускоряющей секции, рассчитаны и измерены их характеристики.

В экспериментальном производстве ИЯФ найдена и в лаборатории проверена технология соединения секшш из ее элементов, обеспечивающая механические и вакуумные параметры и сохраняющая электродинамические характеристики. Изготовлено 11 секций полностью и прошли полный цикл измерений ячейки для пайки еще 20 секций.

По разработке резонатора бегущей волны для испытаний элементов выходного тракта мощного клистрона.

Показана возможность получения мощности в бегущей волне на частоте 14 ГГц свыше 100 МВт (напряженность поля более 400 кВ/см) в вакуумированном волноводе сечением 17 X 8 мм2.

Выявлено влияние подготовки вакуумных уплотнений на электрическую прочность тракта и влияние положения стенок волновода относительно горизонтальной плоскости.

Освоена методика "бесконтактного" измерения параметров РБВ позволяющая измерять коэффициент усиления и затухание испытываемых элементов без включения в кольцо измерительных ответвителей, которые могут вносить дополнительные потерн и отражения в РБВ.

В результате испытаний элементов тракта выяснены их электрическая прочность: для измерительного направленного ответвителя — СО МВт, для выходного окна клистрона — 40 МВт, и их слабые места. Результаты испытаний позволили улучшить конструкцию окна.

Сделано компьютерное моделирование процесса накопления энергии в резонансном кольце при его импульсном возбуждении с учетом формы импульса. Выявлено влияние этого процесса на форму импульсов в нагрузке и в отраженной волне. Результаты моделирования согласуются с результатами, полученными в эксперименте, и дают возможность определить влияние различных факторов на процесс усиления в импульсном режиме. Модель проверена также путем сравнения с результатами, полученными в СЛАКе.

В приложении приводится расчет электродинамических характеристик резонатора бегущей волны при наличии в нем неоднородности.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Л.Н. Арапов, В.Е. Балакип, В.Ф. Фогель, В.И. Фоминых, В.Д. Ше-мелчн. Разработка ускоряющей секции ВЛЭПП // Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц:-Москва, 3-5 окт. 1990 г. (В 2 т.) - Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, 1992. - Т. 1. - С. 191-194.

2. Jl.ll. Арапов, В.Е. Балакип, В.Ф. Фогель, В.И. Фоминых, В.Д. Ше-мелин. Разработка ускоряющей секции ВЛЭПП. //12 Всесоюзный семинар по линейным ускорителям заряженных частиц, Харьков, 1991.

3. А. V. Minkov, N.P. Sobenin, E.I. Phokin, V.D. Shemelin. Dimension checking of disc loaded waveguide.//Third international workshop on linear colliders (LC91), BINP, Protvino, USSR, September 17-27,1991. V. 3, issue 2, pp. 300-305. BINP, March 1992.

4. В.Е. Балакин, H.A. Соляк, M.A. Авдыее, JI.H. Арапов, B.K. Го-стеев, В.А. Долгашев, А.Н. Косарев, Д.Е. Куклии, A.B. Минкое, В.Д. Шемелин, В.И. Манохин. Состояние работ по серийному изготовлению ускоряющих секций ВЛЭПП. // XIII Совещание пс ускорителям заряженных частиц. ОИЯИ, Дубна, 13-15 окт. 1992 Аннотации докладов. С. 55. Дубна, 1992.

5. В.Е. Балакин, В.Ф. Клюев, А.Н. Лукин, И.Р. Макаров, О.В. Пирогов, С.Л. Самойлов, Н.Г. Хавин, В.Д. Шемелин, Г.И. Ясное. ВЛЭПП. Испытания выходного СВЧ окна для клистрона. Тезисы докладов 13 Харьковского семинара по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 25-28 мая 1993 г.) С. 25. Харьков, 1993.

6. В.Е. Балакин, В.А. Долгашев, С.А. мясоедов, В.Д. Шемелип. ВЛЭПП. Методика разработки трансформатора типа волны. Там же. С. 25.

7. В.Д. Шемелин. Выбор размеров СВЧ окна на большую мощность. Там же. С. 26.

8. V.E. Balakin, V.F. Klyuev, A.N. Lukin, I.R. Makarov, O.V. Pirogov, S.L. Samoilov, N.G. Khavin, V.D. Shemelin, G.I. Yasnov. VLEPP. Tests of output RF window for klystron. International workshop on pulsed RF power sources for linear colliders (RF93). Dubna - Protvino, Russia, July 5-9, 1993. P. 369-372. BINP, July 1993.

9. M.A. Авдыев, В.Е. Балакин, В.А. Долгашев, И.И. Иванов, Л.П. Ка-таенко, А.В. Мипков, С.А. Мясоедов, В.Д. Шемелин. Ускоряющая секция ВЛЭПП на 14 ГГц. Препринт ИЯФ 93-7. Новосибирск, 1993.

10. В.Е. Балакин, С.Ю. Казаков, В.Ф. Клюев, А.Н. Лукин, О.В. Пирогов, С.Л. Самойлов, Н.А. Соляк, В.Е. Теряев, Н.Г. Хавин, В.Д. Шемелин, Г.И. Ясное. Экспериментальные исследования мощного клистрона. Доклад на XIV совещании по ускорителям заряженных частиц. ИФВЭ, Протвино, 25-27 октября 1994 г.

11. Е.Г. Бабкин, В.Е. Балакин, В.Ф. Клюев, А.Н. Лукин, А.В. Мин-ков, О.В. Пирогов, С.Л. Самойлов, Н.Г. Хавин, В.Д. Шемелип, Г.И. Ясное. Резонатор бегущей волны на 14 ГГц с мощностью выше 100 МВт. Препринт ИЯФ 95-48. Новосибирск, 1995.

12. V.E. Baiakin, S.Yu. Kazakov, N.G. Khavin, V.F. Klyuev, A.N. Lukin, A.V. Minkov, O.V. Pirogov, S.L. Samoilov, V.D. Shemelin, N.A. Solyak, V.Ye. Teryayev, G.I. Yasnov. Experiments with VLEPP klystron. Report at the Workshop on linear colliders (LC95). Tsukuba, Japan, March 27-31, 1995.

13. V.E. Balakin, N.G. Khavin, V.F. Klyuev, A.N. Lukin, A.V. Minkov, О. V. Pirogov, S.L. Samoilov, V.D. Shemelin, G.I. Yasnov. Traveling wave resonator testing above 100 MW at 14 GHz. Ibid.