Высокочастотные дефлекторы на бегущей волне для диагностики пучков заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ
|
Смирнов, Александр Юрьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2014
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.20
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Смирнов Александр Юрьевич
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДЕФЛЕКТОРЫ НА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ
ЧАСТИЦ
Специальность 01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Автор:
г г май гон
Москва-2014
005548604
Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Собенин Николай Павлович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией электронных пучков Научно-
исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского
им. Д.В. Скобе Государственного им. М.В. Ломоносова
университета
Шведунов Василий Иванович
кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории ускорительных устройств федерального государственного бюджетного учреждения науки Физический институт им. П.Н. Лебедева
Российской академии наук Карев Александр Иванович
Ведущая организация:
Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «ТОРИЙ», Москва
Защита состоится «4» июня 2014 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон (499)324-84-98.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ и на сайте http://ods.mephi.ru.
Автореферат разослан «23> апреля 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1. Актуальность темы
В настоящее время наблюдается дальнейшее увеличение интереса к новым возможностям, которые открывают источники мощного электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны. К таким источникам относятся, прежде всего, генераторы монохроматического когерентного излучения -рентгеновские лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В этих установках получают излучение с длиной волны от 1 мм до 0,1 нм. Так, на ЛСЭ FLASH (Free-electron LASer in Hamburg), Германия, в 2010 г. получено излучение с длиной волны 4,1 нм [1], что лежит в области мягкого рентгена. Жесткого рентгена с длиной волны менее 1 нм удалось достичь в 2009 г. на ЛСЭ LCLS (Linac Coherent Light Source) в Стэнфордском центре линейных ускорителей, США [2]. В 2011 г., был произведен запуск компактного ЛСЭ SACLA (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser), Япония, оперирующий с длиной волны менее 1 А [2].
Подобные установки находят широкое применение в атомной и молекулярной спектроскопии, при изучении структур ДНК, в белковой кристаллографии, при исследовании механизма быстропротекающих химических процессов [3] и т.д. Иными словами, важность создания установок ЛСЭ как средств для дальнейшего познания человеком окружающего мира трудно переоценить.
Тема настоящей работы относится к созданию высокочастотных дефлекторов для метрики ускоренных пучков уникального ускорительного комплекса Европейского лазера на свободных электронах XFEL (X-ray Free-electron Laser), DESY (Deutsche Electronen-SYnctrotron), Гамбург, Германия [4]. Строительство XFEL началось в 2009 г., а запуск планируется в 2017 г. Проект представляет собой линейный ускоритель электронов длиной 1,7 км на энергию до 17,5 ГэВ с последующим получением синхротронного излучения (СИ) в ондуляторах. В этих ондуляторах рентгеновское излучение будет генерироваться самоусиливающейся спонтанной эмиссией, т.е. в процессе взаимодействия электрона с излучением, создаваемым соседними электронами.
Задача комплекса XFEL - получить СИ с перестраиваемой длиной волны от 4 до 0,05 нм, длительностью импульса до 100 фс и частотой повторений до 27 кГц [5]. Такая рекордная по сравнению с другими ЛСЭ частота вспышек позволит исследовать химические реакции, протекающие слишком быстро для исследования иными методами. Планируется создать до 5 каналов вывода фотонных пучков с 10 экспериментальными станциями, в которых будут вестись научные исследования в области физики, химии, материаловедении, биологии и нанотехнологии.
Однако помимо высокой частоты вспышек СИ, важным достоинством XFEL будет также высокая средняя яркость излучения -1,6х 1025 фотоны/с/мм2/мрад/0,1%(Д>Л.). Пиковая яркость составит величину порядка
1033 фотопы/с/мм2/мрад/0,1%(ДХЛ.), что в миллиард раз выше по сравнению с существующими ЛСЭ [5].
Для получения столь высокой яркости и когерентности СИ в XFEL используются электронные пучки с чрезвычайно малой продольной длиной - до 20 мкм, получаемые путем последовательного сжатия начального пучка длиной 2 мм. Для сравнения можно привести значения среднеквадратичных длин сгустков, используемых, например, в ускорителе LCLS (Linac Coherent Light Source) и в линейном коллайдере NLC (Next Linear Collider) в SLAC. В LCLS она составляет 24 мкм (80 фс) [6], а в NLC - 90 мкм (300 фс) [7].
Актуальной задачей для будущих и существующих в настоящее время лазеров на свободных электронах и линейных коллайдеров является измерение и контроль характеристик коротких электронных сгустков. Следовательно, для контроля и прецизионной диагностики пучков в режиме реального времени необходимо иметь измерительную аппаратуру, не нарушающую основной цикл ускорения частиц.
Измерения параметров столь коротких сгустков при помощи электронно-оптических камер практически неосуществимы. Поэтому необходимо использование поперечного ВЧ поля, воздействующего на электронный сгусток, что позволяет по отклонениям пучка в течение импульса, зафиксированного мониторами, получить не только данные об абсолютной длине сгустка, но и выявить важные временные связи в других фазовых пространствах, а также измерить среднеквадратичные размеры пучка во временных срезах. Устройства, в которых на частицы действует поперечное высокочастотное электромагнитное поле, называются ВЧ дефлекторами.
ВЧ дефлекторы являются составляющими многих действующих и создаваемых ускорительных установок и применяются в циклических и линейных ускорителях как легких так и тяжелых частиц (электронов, протонов, ионов, античастиц). Конструкции ВЧ дефлекторов, предназначенных для применения в различных установках, разрабатываются и реализуются с учетом решаемых задач в конкретных ускорительных комплексах. Общим свойством всех ВЧ дефлекторов является отсутствие продольного электрического поля на оси структуры при значительном поперечном электрическом поле. Такая конфигурация поля обеспечивается возбуждением аксиально несимметричного (дипольного) типа волны.
Основные направления применения ВЧ дефлекторов сводятся к решению следующих задач [8]: вывод частиц из ускоряющих секций (режим кика), сепарация ускоренных частиц по энергии и массе, трансформация сгустков частиц для измерения их характеристик, формирование сгустков частиц с малой длительностью и малой угловой и фазовой расходимостью.
В создаваемом в DESY при участии РФ комплексе XFEL предусмотрены три диагностические станции, расположенные в инжекторной части ускорителя (где длина пучка составляет а.=2 мм) и непосредственно после установок, сжимающих пучок (az=l 10 мкм и 20 мкм). В этих установках ВЧ дефлектора должен быть и сложный протяженный ВЧ тракт, работающий при высоких уровнях ВЧ мощности. Разработка как самих отклоняющих структур, так и различных сложных элементов ВЧ тракта представляет несомненный интерес при создании этого уникального
ускорительного комплекса. Для отработки процесса проектирования и технологических процессов изготовления ВЧ дефлекторов XFEL служит дефлектор для фотоинжектора PITZ (Photo Injector Test facility Zeuthen), Цойтен, Германия [9].
1.2. Цель работы
Целью диссертации является исследование, разработка и создание ВЧ дефлектора для PITZ и проектирование элементов мощного ВЧ тракта, удовлетворяющего требованиям эксплуатации в ускорительном комплексе XFEL. В рамках работы по разработке этих устройств рассматриваются следующие вопросы:
1. Расчет электродинамических характеристик (ЭДХ) ячеек отклоняющих секций с различными способами стабилизации плоскости поляризации дипольной волны с целью определения оптимального варианта для дефлекторов PITZ и XFEL;
2. Расчет конструкций устройств ввода ВЧ мощности (трансформаторов типа волны - ТТВ) в дефлекторы с заданным и симметризованным полем в ячейке ТТВ и настройкой на рабочей частоте;
3. Создание методики измерения поперечного шунтового сопротивления в отклоняющих структурах ВЧ дефлекторов с использованием метода малых возмущений;
4. Разработка программы настройки отклоняющей структуры с ТТВ на режим бегущей волны с использованием метода эквивалентных схем;
5. Разработка методики настройки отклоняющей структуры с ТТВ ВЧ дефлектора на минимальное отражение на входе структуры и минимальное изменение амплитуды и фазы отклоняющего поля от номинальных значений;
6. Изготовление и настройка ВЧ дефлектора для PITZ, состоящего из 14 отклоняющих ячеек и 2 ячеек ввода мощности;
7. Разработка алгоритма автоматизированного измерительного комплекса для исследования ЭДХ отклоняющих структур ВЧ дефлекторов;
8. Проектирование и настройка элементов ВЧ трактов дефлекторов.
1.3. Научная новизна результатов
1. Предложена новая конструкция отклоняющей структуры с выточками в обечайке.
2. Предложено новое устройство с запредельным вспомогательным волноводом, а также с уменьшенной длиной переходной ячейки.
3. Впервые разработана и апробирована программа численного анализа ВЧ дефлекторов на бегущей волне с использованием метода эквивалентных схем.
4. Предложена и испытана на практике новая методика измерения амплитуд поперечного высокочастотного электрического и магнитного поля для определения поперечного шунтового сопротивления.
1.4. Научно-практическая значимость работы
1. На основе полученных результатов численного и экспериментального анализа электродинамических характеристик отклоняющих ячеек и ячеек ввода мощности была принята универсальная конструкция этих ячеек, из которых будут собраны все требуемые дефлекторы для комплекса XFEL;
2. На основе полученных результатов в ООО «Нано Инвест» изготовлен и настроен дефлектор, состоящий из 16 ячеек, удовлетворяющий техническим требованиям инжекторной части XFEL, и введенный в эксплуатацию в ускорительный тракт фотоинжектора PITZ;
3. Изготовлены, настроены и введены в эксплуатацию следующие элементы ВЧ тракта ВЧ дефлекторов: волноводно-полосковый и коаксиально-полосковый направленный ответвитель, вакуумное керамическое окно, волноводная поглощающая нагрузка и U-образный отрезок волновода с заданной фазовой длиной;
4. Создана программа расчета ЭДХ и моделирования отклоняющей секции на бегущей волне, основанной на методе эквивалентных схем, позволяющая сокращать время настройки изготовленных секций с большим числом ячеек.
1.5. Положения, выносимые на защиту
1. Результаты численного анализа ЭДХ ячеек регулярной части ВЧ дефлекторов с различными способами стабилизации плоскости поляризации дипольной волны;
2. Результаты численных расчетов устройств ввода ВЧ мощности в отклоняющие структуры;
3. Программа расчета ЭДХ и моделирования отклоняющей секции на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем;
4. Результаты экспериментального исследования ЭДХ изготовленных ячеек ВЧ дефлектора PITZ;
5. Методика измерения поперечного шунтового сопротивления;
6. Результаты экспериментальной настройки изготовленного 16-ячеечного дефлектора для PITZ на режим бегущей волны;
7. Результаты расчетов и экспериментального исследования элементов ВЧ тракта дефлекторов - направленных ответвителей, керамических окон, поглощающей нагрузки.
1.6. Достоверность научных результатов и выводов
Достоверность полученных результатов подтверждена использованием в процессе расчетов программ, хорошо зарекомендовавших себя в ускорительных центрах мира, а также соответствием экспериментальным данным.
1.7. Лнчный вклад соискателя
Автор принимал непосредственное участие в моделировании конструкций ячеек отклоняющей структуры и расчетном исследовании их ЭДХ с последующей оптимизацией под требования на дефлекторы XFEL. Им была написана программа расчета и анализа отклоняющих структур на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем.
В рамках экспериментальной части работы автором лично была разработана методика измерения поперечных высокочастотных электромагнитных полей в изготовленном резонансном макете, проведены экспериментальные исследования качества изготовленных ячеек, проведены измерения всех необходимых ЭДХ этих ячеек, а также проведена экспериментальная настройка изготовленного дефлектора для PITZ с алюминиевыми прототипами устройств ввода ВЧ мощности на режим бегущей волны.
1.8. Апробация работы
Международные конференции и семинары, на которых были представлены результаты работ по теме диссертации, включают в себя:
• XXII и XXIII Международные совещания по ускорителям заряженных частиц IWCPА, Алушта, Украина, в 2011 и 2013 гг.
• II Международная конференция по ускорителям заряженных частиц IPAC'10, Сан-Себастьян, Испания, в 2011 г.
• XXIII Российская конференция по ускорителям заряженных частиц RuPAC'12, Санкт-Петербург, в 2012 г.
• XXV и XXVI Международная конференция по линейным ускорителям заряженных частиц LINAC' 10 и LINAC' 12, Тель-Авив, Израиль, в 2012 г.
• Научные сессии НИЯУ МИФИ, Москва, в 2011, 2012, 2013 и 2014 гг.
1.9. Публикации
По теме диссертации опубликованы свыше 15 печатных работ, из них 7 статей в рецензируемых журналах, включённых в перечень ВАК РФ, 5 статей опубликованы в
периодических научных изданиях, индексируемые в Web of Science, и 10 статей, индексируемых Scopus.
1.10. Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 178 страниц основного текста, 105 рисунков, 28 таблиц и список литературы, состоящий из 53 наименований.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обсуждается актуальность выбора темы, и состояние исследуемой научной области в настоящий момент времени, также формулируются основные цели и задачи диссертации. Описана новизна полученных результатов, и приводятся положения, выносимые на защиту.
В главе 1 описаны применения ВЧ дефлекторов для определения параметров продольной длины пучка, измерения его разброса энергии и поперечного эмиттанса, основанные на свойстве поперечного напряжения вводить корреляцию между продольной и поперечной координатами сгустка (см. рис. 1).
Поперечный отклоняющий импульс, который приобретает сгусток в дефлекторе I, приводит к смещению центра масс каждого из его поперечных срезов, пропорциональному продольной координате срезов, отсчитываемой от центра сгустка. Пусть фаза поперечного напряжения У± 2 подобрана так, что центр пучка 3 находится в его нулевом значении, тогда начало и хвост сгустка подвергнутся взаимообратным линейным отклонениям - 4 и 5, соответственно.
Рисунок 1 - Корреляция между продольной и поперечной координатами сгустка, вызванная поперечным напряжением в ВЧ дефлекторе
ИЗМ
Связь между продольной координатой частицы пучка z (значение з=0 соответствует центру пучка) и вертикальному положению у на экране б следующее [8]:
y = R34 siní — г + ф] ~ i?34 1 i sin ф + --^соэф ¡. (1)
Ele ^c J z«x Ele\ c )
где ш - угловая частота отклоняющего напряжения, ф - его фаза по отношению к положению пучка (если пучок находится в нулевом значении напряжения, то ф=0 либо л), Vl - амплитуда отклоняющего напряжения, Е - энергия пучка в эВ, -функция передачи, равная
| Я34 = ДФ (В °бщеМ слУчае^' (2)
[Л34 = L (для простого дрейфового промежутка), где р,,вчд и (3v3KpaH - значения вертикальной Р-функции (характеристика огибающей ускоренного пучка) в координате дефлектора и экрана соответственно, ДФ - набег фазы бетатронных колебаний между дефлектором и экраном, L — длина дрейфового промежутка.
Координата центра масс сгустка v0 и его среднеквадратическая вертикальная протяженность ст"зм, измеренная на экране, определяются следующими выражениями:
У0 = ■R34~!—s¡n(P (3)
Ele
<м=|Ям|^-^Нф|аг (4)
Elе с
Выражения (1 -4) показывают, что продольную протяженность сгустка можно определить, измерив его поперечную протяженность с помощью ВЧ дефлектора.
Пример изображений пучка и его профиля на экране, находящемся на оси
Рисунок 2 - Изображения 30 ГэВ пучка с стг на экране и его профили [7]: I - при У±=0 (ВЧ дефлектор выключен), 2 - при У±=10 МВ
Приведены детальные описания режимов работы отклоняющих ВЧ структур в виде КДВ на бегущей и стоячей волнах. На рис. 3 показаны силовые линии электрического и магнитного поля рабочей дипольной волны таких ВЧ дефлекторов -Ец. Приводятся определения основных ЭДХ отклоняющих структур: дисперсионная характеристика ДО), частотные разделения между взаимно-ортогональными поляризациями волны Еп АА=5о-/ь Д^Усп/г и Д/3=/о~/з (гДе Л и Я~ частоты видов колебаний 2л/3 и я рабочей поляризации, соответственно, /] и /2 — частоты видов колебаний 2я/3 и п ортогональной поляризации, соответственно), групповая и фазовая скорость, добротность О, время заполнения структуры ВЧ мощностью (время нарастания импульса т„), коэффициент потерь а, поперечное шунтовое сопротивление гш1 (гш1эфф для структур на стоячей волне), приведенная напряженность отклоняющего поля ЕЛР112.
Рисунок 3 - Одиночная ячейка ВЧ дефлектора на стоячей (а) и бегущей волне (б) с силовыми линиями электрического (£) и магнитного (В) полей волны Е\ |
Дан обзор созданных ранее и функционирующих в настоящее время ВЧ дефлекторов различных частотных диапазонов, работающих как в режиме бегущей, так и в режиме стоячей волны. Помимо рассмотренных конструкций ВЧ дефлекторов на КДВ с волной Еп описывается также и устройство резонансного дефлектора на волне Нп [11].
Глава 2 посвящена численному анализу ЭДХ отклоняющих ячеек с различными способами стабилизации плоскости поляризации рабочей волны с последующей оптимизацией их размеров под требования на ВЧ дефлекторы для ускорительных трактов PITZ и XFEL, приведенные в таблице 1. В XFEL предусмотрены три специальные диагностические станции для измерения характеристик и положения электронного пучка. Диагностические станции должны быть размещены в инжекторе (где энергии ускоренных электронов 130 МэВ) и далее после двух компрессорных секциях пучка ВС1 и ВС2, энергия частиц в которых составляет 500 МэВ и 2000 МэВ. соответственно. ВЧ дефлекторы должны быть установлены во всех трех диагностических секциях для измерения продольного профиля пучка, энергетического спектра и эмиттанса. В тракте фотоинжектора PITZ ВЧ дефлектор требуется также для диагностики электронных пучков.
В
Выбор рабочего частотного диапазона ВЧ дефлекторов целесообразно производить среди тех диапазонов, на которых работают прочие коммерчески доступные ВЧ компоненты: это Ь- (1-2 ГГц), 8- (2-4 ГГц), С- (4-8 ГГц) и Х-диапазон (8-12 ГГц).
Таблица I - Основные установочные параметры на три отклоняющие секции ХИБЬ и
PITZ
Положение PITZ и инжектор XFEL ВС1 ВС2
Энергия пучка, МэВ 130 500 2000
Длина сгустка, мкм 2000 110 25
Временное разрешение, фс 130 20 14
Отклоняющее напряжение, МВ 1,7 18,5 26
Максимальная установочная длина секций, м 0,7 1,6 3,6
Время заполнения, не < 120 <320 <320
Входная мощность, МВт 2,5 26,3 2x20,7
Отклоняющее поле в структуре пропорционально /|/2, следовательно, при работе в более высоком частотном диапазоне можно получить полное отклоняющее напряжение до 26 MB с помощью сравнительно короткой структуры. Времена заполнения ВЧ мощностью в режиме бегущей волны и нарастания импульса в режиме стоячей убывают с частотой как /~"2 и /~"'/2 , соответственно. Однако при работе на высокой частоте возникает ряд сложностей, связанных с механической точностью изготовления изделия, а также с чрезвычайным ростом влияния наведенных полей «ближней зоны» (~/ 3). В силу этих двух причин из рассмотрения исключены частотные диапазоны X и С. Отклоняющие структуры L-диапазона будут обладать слишком большими временами нарастания и заполнения.
Исходя из изложенных выше рассуждений, наиболее подходящий и универсальный тип структуры для всех ВЧ дефлекторов как в PITZ, так и для XFEL, -это КДВ, работающий в S-частотном диапазоне в режиме бегущей волны с набегом фазы 120° на период, являющимся оптимумом между максимальной эффективностью (т.е. значением EiklP112) и приемлемым значением групповой скорости. Сама частота была выбрана равной 2997,2 МГц, т.к. на этой частоте работают многие коммерчески доступные ВЧ устройства, в т.ч. клистроны.
Геометрии рассматриваемых ячеек КДВ для ВЧ дефлекторов показаны на рис. 4. Для ячеек с двумя стабилизирующими отверстиями [10] (см. рис. 4а) исследовали зависимости всех ЭДХ при вариации радиуса апертуры, радиуса и положения стабилизирующих отверстий. При исследовании геометрии с оппозитными выточками в обечайках (см. рис. 46) [12] варьировали угол раствора и глубину этих выточек. Для отклоняющих ячеек с продольными стержнями (см. рис.4в) исследовали влияние диаметра и положения этих стержней, а для ячеек с овальной апертурой (см. рис. 4г) исследовали влияние длины прямолинейного участка апертуры на ЭДХ.
Рисунок 4 - Варианты исполнения ячеек дефлектора для разделения двух поляризаций: а — два отверстия в диафрагме, б - оппозитные выточки в обечайке ячейки, в - продольные стержни, г - овальное апертурное отверстие
Настроенные размеры ячеек и значения их ЭДХ приведены в таблице 2. По результатам расчетов, предпочтительным является вариант с оппозитными выточками в диафрагмах, как наиболее простой с технологической точки зрения. Однако на основании соответствия значений величин ЭДХ требованиям и уже проверенной пригодностью для работы в 8-частотном диапазоне на высоких уровнях ВЧ мощности, окончательным вариантом конструкции выбраны ячейки с двумя стабилизирующими отверстиями в диафрагмах.
Таблица 2 - Геометрические и параметры и ЭДХ отклоняющей структуры с различными способами стабилизации
Параметр Значение
Вариант структуры (см. рис. 4)
1 (а) 2(6) 3 (в) 4 (г) 5 И
Радиус апертуры, мм 21,71 21,5 21,71 20,5 21,5
Радиус обечайки, мм 55,278 55,035 55,700 55,547 54,424
Положение стабилизирующих отверстий, мм 34,81 - - - -
Радиус стабилизирующих отверстий, мм 9,0 - - - -
Длина прямолинейного участка апертуры, мм - - - 1,7 6,5
Угол раствора выточек, ° - 65 - - -
Глубина выточек/диаметр стержней, мм - 1 5 - -
а, 1/м 0,146 0,147 0,118 0,125 0,121
Ргр, % -1,7 -1,7 -1,6 -1,8 1,8
гш1, МОм/м 17,1 17,2 18,1 19,3 17,2
е 11800 12300 12100 12300 11650
ДА, МГц -34,1 -30 -217 -30 -109
Л/2, МГц -24,3 -17 -221 -17 -115
ДА МГц 9,9 10,8 10 12,5 -14,8
Е±ЫР1П, Ом"2 221 225 239 225 221
В основе главы 3 лежит сравнительный численный анализ различных ТТВ, являющихся устройствами ввода ВЧ мощности в отклоняющую структуру, с описанием процесса их настройки на режим бегущей волны.
Конструкции отклоняющих структур, как и ускоряющих структур в виде КДВ, работающих на бегущей волне, имеют одинаковые устройства ввода ВЧ мощности и
вывода в поглощающую нагрузку. В общем случае ТТВ представляют собой стандартный волновод прямоугольного сечения (72x34 мм" - тип WR284 для частотного диапазона S) и переходную ячейку ТТВ. Связь между подводящим волноводом и ячейкой ТТВ является емкостной и осуществляется через окно связи, представляющее собой диафрагму, образованную прямоугольной щелью в обечайке ячейки ТТВ (см. рис. 6). В качестве отклоняющей структуры для PITZ, а также для инжекторной части XFEL, выбран КДВ. состоящий из 16 ячеек, две из которых являются ячейками ТТВ. Дефлектор после компрессора ВС1 (XFEL) будет состоять из 46 ячеек с учетом 2 ТТВ, а дефлектор после ВС2 - из двух таких структур, стоящих последовательно (общее количество ячеек - 92).
На рис. 6 изображены три исследуемых и подлежащих настройке на режим бегущей волны типа ТТВ. Несимметричный ТТВ (рис. 6а) имеет подводящий прямоугольный волновод 1, через который в переходную ячейку 2 подается ВЧ мощность. В случае симметричного ТТВ. изображенного на рис. 66, помимо основного подводящего волновода 1 предусмотрен второй прямоугольный волновод 3, размещенный с противоположной стороны переходной ячейки и служащий для симметризации электромагнитного поля в области пролета пучка.
Рисунок 6 — Конструкции ТТВ: несимметричный (а), симметричный (б) и с запредельным вспомогательным волноводом (е)
Через дополнительный волновод производится вакуумная откачка структуры. В случае симметричного ТТВ чтобы через нижние (вспомогательные) волноводы не проходила ВЧ мощность, в них установлены два металлических бруска 5 толщиной 10 мм и высотой 40 мм. ТТВ. изображенный на рис. бе, отличается тем, что вакуумная откачка производится через вспомогательный волновод б, который соединен с ячейкой ввода мощности и не пропускает волну Hw на рабочей частоте дефлектора, являясь, таким образом, запредельным волноводом на рабочей частоте 2997,2 МГц. Внутренний диаметр пролетной (дрейфовой) трубки 4, соединенной с ячейкой ввода мощности, равен диаметру апертурного отверстия в диафрагме. Во всех случаях подводящий волновод соединен с ячейкой через четвертьволновый адаптер, являющийся отрезком линейно сужающегося прямоугольного волновода.
При настройке 16-ячеечного ВЧ дефлектора для PITZ на режим бегущей волны изменением радиуса обечайки ячейки ТТВ R и ширины окна связи х (эти параметры изменяли одновременно для входного и выходного ТТВ) добивались минимального значения коэффициента равномерности поперечного электрического поля на оси
Е - Е
структуры, определяемого как К = "макс-^^
х100%, минимума разброса набега
/<■ + ^ макс мин
фазы этого поля от 120° на периоде структуры и минимума отражения ^, во входном волноводном порту структуры. Каждый параметр относится к рабочей частоте 2997,2 МГц.
После настройки каждого типа ТТВ сравнивали симметричность отклоняющего поля в области пролета пучка. Показано, что ТТВ с запредельным вспомогательным волноводом оптимален в этом отношении, и он выбран в качестве рабочего варианта для всех остальных проектируемых ВЧ дефлекторов. Динамика изменения параметров К и 5ц при варьировании размеров этого ТТВ И их показана на рис. 7.
52.55 R. мм
-10-, -15 --204-251/3 -30-35 --40-
52.60
-45
52,55 R, мм
52,60
а) б)
Рисунок 7 - Зависимость коэффициента равномерности (а) и коэффициента отражения по входу (б) на частоте 2997,2 МГц от радиуса обечайки ячейки ТТВ К при различных значениях ширины окна связи х
При размерах настроенных ТТВ - й=52,53 мм, л=33,03 мм - на частоте 2997,2 МГц значение Л=0,86%, 5и=-37 дБ, а разброс набега фазы на период не превосходит ±0,5° от номинальной величины 120°.
Описаны расчеты ТТВ с уменьшенной продольной длиной переходной ячейки ТТВ по сравнению с периодом регулярных ячеек О. Показано, что ТТВ с уменьшенной вдвое длиной переходной ячейки (£>/2), показывает прирост эффективности отклонения в 1,5 раза и отсутствие нежелательного поперечного кика в сравнении с ТТВ единичной длины. Последнее наблюдение проиллюстрировано на рис. 8. Оно справедливо при использовании ВЧ дефлектора для разворота пучка.
-1,0 ! V
0 100 200 300 400 500
г, мм
Рисунок 8 - Распределения эквивалентных отклоняющих полей, действующих на центр пучка, находящегося в нулевой фазе волны, вдоль оси 16-ячеечного дефлектора при входной мощности 2,5 МВт для разных длин ячейки ТТВ
На рис. 8 видно, что поперечное поле, «видимое» частицей в центре разворачиваемого сгустка при пролете ячейки ТТВ, заметно уменьшается с уменьшением длины ТТВ.
Приведена математическая модель ВЧ дефлекторов на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем, по которой написана программа моделирования ВЧ дефлекторов с входным и выходным ТТВ в среде LabView. Она позволяет не только рассчитывать распределение амплитуды и фазы поперечной составляющей электрического поля на оси - E(z) и q>(z) - и частотной зависимости коэффициента отражения Sn(f) при известных ЭДХ ячеек регулярной части и ячеек ТТВ. но также позволяет найти оптимальные радиотехнические параметры ячеек ТТВ. обеспечивающие режим бегущей волны в структуре. Показано, что результаты расчетов E(z), cp(z) и 5ц(/) на примере 16-ячеечного ВЧ дефлектора для P1TZ с помощью этой программы и программы трехмерного электродинамического моделирования CST Microwave Studio находятся в хорошем соответствии.
Рисунок 9 - Интерфейс программы анализа отклоняющих структур методом эквивалентных схем
Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию изготовленных узлов ВЧ дефлектора PITZ (14 регулярных ячеек из бескислородной меди и 2 алюминиевых макетов ТТВ - см. рис. 10), являющегося прототипом дефлекторов XFEL. на котором отработаны все технологические аспекты проектирования подобных устройств. Рассмотрены методы измерения ЭДХ и электромагнитных полей отклоняющих структур в режиме бегущей и стоячей волн методом малых возмущений [13-15].
а) б) в)
Рисунок 10 — Изготовленные ячейки для ВЧ дефлектора PITZ (о), 2 алюминиевых ТТВ (б,в)
Для экспериментального определения ЭДХ изготовленного ВЧ дефлектора использован автоматизированный измерительный комплекс (см. рис. 11), состоящий из векторного анализатора Agilent 8753ЕТ 1, подключенного к исследуемой
отклоняющей ВЧ структуре 2, и системы автоматизированной протяжки малого возмущающего тела 3.
Рисунок 11 - Блок-схема и измерительный стенд
Для контроля изготовленных медных ячеек ВЧ дефлектора измерили их резонансные частоты: 1) частоту вида колебаний 2я/3 для каждой ячейки (в 3-ячеечном резонансном макете) и 2) полную дисперсионную характеристику (в 12-ячеечном резонансном макете). Провели измерения распределения отклоняющего поля на оси 12-ячеечного резонатора. Результаты этих измерений показали, что все ячейки изготовлены с достаточной точностью и могут быть использованы в регулярной части дефлектора для PITZ.
Для измерения поперечного электрического и магнитного полей на оси, необходимых для вычисления поперечного шунтового сопротивления в 3-ячеечном резонансном макете, использовали набор различных возмущающих тел, изображенных на рис. 12.
а) б) в)
Рисунок 12 - 3-ячеечный резонатор (я), его осевое сечение (б) и возмущающие тела (в): керамический шар, керамические цилиндры 1 и 2, металлический шар
Керамические тела использованы для измерения электрического поля, металлическое тело - для магнитного. На рис. 13 построены усредненные распределения параметров напряженностей полей вдоль оси исследуемого резонатора, измеренных при помощи этих возмущающих тел.
z, ММ
Рисунок 13 - Усредненные распределения £,v(z) и сц0^д.(г) вдоль оси отклоняющего резонатора
Измеренное значение отношения /?ш±Эфф/(Л вычисленное путем интегрирования измеренных полей, составило (60±5) Ом, а измеренное значение собственной добротности исследуемого трехъячеечного резонатора — (9800±100). Тогда значение погонного поперечного эффективного шунтового сопротивления равно гш±Эфф =(5,8±0,5) МОм/м, что с учетом погрешности и разницы между измеренной и
рассчитанной величиной собственной добротности О согласуется с расчетным значением 6,74 МОм/м. Используя измеренное значение эффективного шунтового сопротивления, вычислили величину нормированной напряженности электрического поля £±Х/Р"~ для трехъячеечного резонатора. Результаты измерений всех ЭДХ и их сравнение с расчетами в CST Microwave Studio приведены в таблице 3.
Результаты измерений ЭДХ изготовленных регулярных ячеек, а также распределений полей в них, хорошо согласуются с результатами расчетов в программе CST Microwave Studio, а также удовлетворяют требованиям на отклоняющую структуру для P1TZ, приведенные в таблице 1.
ЭДХ Расчетное значение Экспериментальное значение
Частота вида колебаний 2л/3/0, МГц 2997,182 2997,447
Относительная фазовая скорость р,|, 1,0 1,000±0,010
Относительная групповая скорость р,р -1,7% (-1,60±0,10)%
Добротность О 11800 9800±100
Коэффициент затухания а, 1/м 0,153 0,180±0,010
Погонное шунтовое поперечное эффективное сопротивление гш±Эфф, МОм/м 6,74 5,8±0,5
Отношение ДшХзфл/О, Ом 57,1 60±5
Нормированная напряженность электрического поля Е±Х/Р"г, Ом"2 242 240±20
Л/,, МГц -34,102 -34,00
АД МГц -24,32 -24,23
А/з, МГц 9,85 9,93
Показаны результаты экспериментальной настройки алюминиевых макетов ТТВ в полной 16-ячеечной сборке ВЧ дефлектора PITZ на режим бегущей волны. Настройку проводили, изменяя ширину окна связи между волноводом и ячейкой выходного ТТВ, а также возмущением ее резонансной частоты с помощью фторопластовых и металлических винтов, добиваясь равномерного распределения поля и минимального разброса набега фазы на периодах структуры. Затем производили настройку одного входного ТТВ с целью уменьшения отражения на рабочей частоте. Итоговые результаты настройки ВЧ дефлектора показаны на рис. 14. На частоте 2997,2 МГц значение коэффициента равномерности поля составило К=2%, отражение по входу Sn=-32 дБ, а разброс набега фаз — не более 2° от номинального значения 120°.
600 800 1000 1200 1400 2 4 6 8 10 12 14
Номер шага Номер диафрагмы
а) б)
Рисунок 14 - Распределения амплитуды (а) и фазы поперечного электрического поля на оси настроенной 16-ячеечной структуры
Возмущение резонансной частоты ТТВ (т.е. глубину погружения настроечных винтов) пересчитали в эквивалентный радиус обечайки ТТВ. Он составил 53,54 мм.
Ширина окна связи - 33,05 мм. Такие размеры приняты для изготовления рабочих медных ТТВ.
Приведены результаты расчетов и измерений узлов ВЧ трактов (см. рис. 15): направленного ответвителя (НО) /, вакуумных керамических окон 2 и поглощающей нагрузки 3. Эти элементы будут применены в установках PITZ и XFEL.
Рисунок 15 - Элементы ВЧ тракта дефлектора PITZ и инжекторной части XFEL
Результаты расчетов и измерений двух спроектированных типов НО (волноводно-полосковый и НО на коаксиально-полосковой линии) приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты расчетов и измерений направленных ответвителей
Параметр Волноводно-полосковый НО НО на коаксиально-полосковой линии
Отражение по входу дБ на частоте 2997,2 МГц -64 -66
Переходное ослабление С, дБ 59 57
Направленность £>, дБ 30 31
Г1о результатам измерений изготовленного окна (рис. 4.37), отражение на рабочей частоте составило -40 дБ, что согласуется с результатами численной настройки. Измеренное согласование поглощающей нагрузки составляет -55 дБ, что также находится в хорошем соответствии с рассчитанным значением -60 дБ. В заключении сформулированы основные результаты работы.
3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Исследованы различные конструкции ячеек ВЧ дефлекторов для стабилизации плоскости поляризации дипольной волны.
2. Рассчитаны конструкции устройств ввода ВЧ мощности в дефлекторы.
3. Разработана методика измерения поперечного шунтового сопротивления в отклоняющих структурах ВЧ дефлекторов с использованием метода малых возмущений.
4. Разработана методика настройки отклоняющей структуры с вводами мощности ВЧ дефлектора на минимальное отражение на входе структуры и минимальное изменение амплитуды и фазы отклоняющего поля от номинальных значений.
5. Созданы программа обработки результатов измерения отклоняющего поля с использованием сетевого анализатора.
6. Разработан и реализован алгоритм в виде блоков управляющих программ автоматизированного измерительного комплекса для исследования электродинамических характеристик сверхпроводящих ускоряющих резонаторов и отклоняющих структур ВЧ дефлекторов.
7. Изготовлен и настроен ВЧ дефлектор, состоящий из 14 ячеек отклоняющей структуры с вводами мощности.
8. Спроектированы и настроены элементы ВЧ тракта дефлекторов.
4. РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ В ЖУРНАЛАХ, ВХОДЯЩИХ В ПЕРЕЧЕНЬ РОССИЙСКИХ РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ НАУЧНЫХ ЖУРНАЛОВ ВАК РФ
1. A.A. Анисимов, АЛО. Смирнов, Н.П. Собенин, A.A. Завадцев, Д.А. Завадцев, В.Л. Кравчук, В.В. Парамонов, Настройка отклоняющей структуры для ВЧ дефлектора в S-частотном диапазоне / Вопросы атомной науки и техники, ISSN 15626016, №4(80), 2012, с. 55-58
2. O.A. Adonev, Е.А. Savin, N.P. Sobenin, A.Yu. Smirnov, RF Deflector Based On Standing Wave And pi/3 Mode / Problems Of Atomic Science And Technology, I. 6, 2013, pp. 106-108
3. M.V. Lalayan, A. Yu. Smirnov, N.P. Sobenin, Formfactor of Beads for SW and TW Perturbation Field Measurement Analysis / Problems Of Atomic Science And Technology, I. 3, 2012, pp. 76-78
4. P.O. Болгов, M.A. Гусарова, Д.С. Каменщиков, M.B. Лалаян, А.Ю. Смирнов, Н.П. Собенин, Волны высших типов в структуре высокочастотного дефлектора / Приборы и техника эксперимента, 2011, №6, с. 71-80
5. S.V. Kutsaev, N.P. Sobenin, A.Yu. Smirnov, D.S. Kamenschikov, M.A. Gusarova, K.I. Nikolskiy, A.A. Zavadtsev, M.V. Lalayan, Design of Hybrid Electron Linac with Standing Wave Buncher and Traveling Wave Structure / Nuclear Instruments and Methods A, V. 636, I.I, 2011, pp. 13-30
6. A.A. Анисимов, M.B. Лалаян, А.Ю. Смирнов, A.C. Собенин, A.A. Завадцев, Д.А. Завадцев, Л.В. Кравчук, В.В. Парамонов, Расчет, изготовление и настройка отклоняющей структуры для ВЧ дефлектора / Ядерная физика и инжиниринг, 2011, Т.2,№2, с. 143-148
7. А.Ю. Смнрнов, O.A. Адоньев, П.В. Бинюков, А.А, Завадцев, С.В. Мациевский, Е.А. Савин, Н.П. Собенин, Анализ высокочастотных дефлекторов на бегущей и стоячей волнах / Вестник НИЯУ МИФИ, Т.З, №1, 2014, с. 78
5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ИЗЛОЖЕННЫЕ В ТРУДАХ РОССИЙСКИХ, МЕЖДУНАРОДНЫХ НАУЧНЫХ ШКОЛАХ, КОНФЕРЕНЦИЯХ И ПРЕПРИНТЕ НИЯУ МИФИ
1. A.Yu. Smirnov, N.P. Sobenin, M.V. Lalayan, The Measurement of Transversal Shunt Impedance of RF Deflector // Труды конференции 1РАС2011, San-Sebastian, Spain, 2011, pp. 163-165
2. A. Smirnov, O. Adonev, N. Sobenin, The Optimization of RF Input Power Coupler // Труды конференции RuPAC2012, Saint-Petersburg, Russia, 2012, pp. 650-652
3. L. Kravchuk, A.Anisimov, D. Churanov, A. Donat, C. Gerth, M. Hoffman, M. Huening, E. Ivanov, W. Koehler, M. Krasilnikov, S. Kutsaev, M. Lalayan, J. Meissner, V. Paramonov, M. Pohl, J. Schultze, A. Smirnov, N. Sobenin, F. Stephan, G. Trowitzsch, M. Urbant, A. Zavadtsev, D. Zavadtsev, R. Wenndorff, Layout of the PITZ Transverse Deflecting System for Longitudinal Phase Space and Slice Emittance Measurements // Труды конференции L1NAC2010, Tsukuba, Japan, 2011, pp. 416-418
4. A. Smirnov, O. Adonev, P. Binyukov, N. Sobenin, The Optimization of RF Input Power Coupler // Труды конференции LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 2012, pp. 528-530
5. N. Sobenin, M. Lalayan, S. Kutsaev, A. Anisimov, A. Smirnov, I. Isaev, Stabilization of Polarization Plane in Traveling Wave Deflectors // Труды конференции IPAC'10, Kyoto, Japan, 2011, pp. 3759-3761
6. A. Anisimov, M. Lalayan, A. Smirnov, N. Sobenin, Input Couplers for the Dipole Mode Periodic Structures // Труды конференции RuPAC-2010, Protvino, Russia, 2011, pp. 328-330
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. S. Schreiber, First Lasing in the Water Window with 4.1 nm at FLASH // Труды конференции FEL2011, Shanghai, China, pp. 130-132
2. H.H. Braun, The Future of X-ray FELs // Труды конференции IPAC2012, New Orleans, Louisiana, USA, pp. 247-251
3. I.A. Vartanyants, I.K. Robinson, I. McNulty, C. David, P. Wocher, Th. Tschentscher, Coherent X-ray Scattering and Lensless Imaging at the European XFEL Facility / Journal of Synchrotron Radiation, V. 14, P. 6, pp. 453-470
4. M. Akarelli, R. Brinkmann et al, The European X-Ray Free-Electron Laser Technical Design Report / DESY, ISBN-978-3-935702-17-1, 2007
5. W. Decking, Status of the European XFEL - Constructing the 17.5 GeV Superconducting Linear Accelerator // Труды конференции LINAC2012, Tel-Aviv, Israel, 2012, pp. 105-109
6. R. Akre et al, A Transverse RF Deflecting Structure for Bunch Length and Phase Space Diagnostics //Труды конференции PAC-01, Chicago, USA, 2001, pp. 2353-2355
7. Y. Nosochkov, Т.О. Raubenheimer, K. Thompson, M. Woods, The Next Linear Collider Extraction Line Design // Труды конференции PAC-99, New York, USA, 1999, pp. 44-46
8. D. Alesini, RF Deflector Based on Sub-Ps Beam Diagnostics: Applications to FEL and Advanced Accelerators / International Journal of Modern Physics A, 2007, V. 22, №22, pp. 3693-3725
9. L. Kravchuk et al, Layout of the PITZ Transverse Deflecting System for Longitudinal Phase Space and Slice Emittance Measurements /I Труды конференции LINAC2010, Tsukuba, Japan, 2011, pp. 416-418
10. G.A. Loevv, O.H. Altenmueller, Design and Application of RF Deflecting Structure at SLAC // PUB-135,1965
11. V.V. Paramonov, L.V. Kravchuk, Effective Standing Wave RF Structure for Charged-Particlc Beam Deflector // Труды конференции LINAC-2006, Knoxvillc, USA, 2006, pp. 457-479
12. A.A. Анисимов и др., Структуры с поперечным отклоняющим полем для лазера на свободных электронах / Приборы и техника эксперимента, 2010, №1, с. 117124
13. J.C. Slater, Microwave Electronics / New York, Van Nostrand, p. 81
14. D. Alesini et al, About Non Resonant Perturbation Field Measurement In Standing Wave Cavities // Труды конференции EPAC08, Genoa, Italy, 2008, pp. 197-201
15. O.A. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Заверев, И.С. Щедрин, Диафрагмированные волноводы: Справочник, 3-е издание/ М.: Энергоатомиздат, 1991,280 С.
Подписано в печать:
03.04.2014
Заказ № 9445 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499)788-78-56 www.autoreferat.ru
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Смирнов Александр Юрьевич
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ДЕФЛЕКТОРЫ НА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
специальность 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д.т.н, профессор Н.П. Собенин
Москва-2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение...................................................................................................................5
Глава 1. Высокочастотные дефлекторы..............................................................14
1.1 Измерение параметров сгустков с помощью ВЧ дефлекторов......14
1.1.1 Измерение длины пучка..............................................................14
1.1.2 Измерение продольного фазового пространства пучка...........20
1.2 Структуры ВЧ дефлекторов...............................................................22
1.2.1 Отклоняющая структура ВЧ дефлектора на стоячей волне...............................................................................................................22
1.2.2 Отклоняющая структура ВЧ дефлектора на бегущей волне...............................................................................................................28
1.3 Обзор существующих ВЧ дефлекторов............................................34
1.3.1 ВЧ дефлекторы на бегущей волне..............................................34
1.3.2 ВЧ дефлекторы на стоячей волне...............................................38
1.4 Выводы.................................................................................................42
Глава 2. Расчет конструкции ячеек для отклоняющих структур.....................44
2.1 Требования к отклоняющим структурам..........................................44
2.2 Структура со стабилизирующими отверстиями..............................48
2.3 Структура с оппозитными выточками в обечайке ячейки.............57
2.4 Структура с продольными стержнями..............................................62
2.5 Структура с овальным апертурным отверстием..............................66
2.6 Выбор отклоняющей структуры........................................................73
Глава 3. Проектирование и настройка высокочастотных дефлекторов..........75
3.1 Устройства ввода мощности в отклоняющие структуры...............75
3.1.1 Устройство трансформатора типа волны..................................76
3.1.2 Численная настройка трансформатора типа волны дефлектора PITZ............................................................................................79
3.1.3 Численная настройка трансформатора типа волны дефлекторов XFEL........................................................................................84
3.2 Влияние длины ячейки трансформатора типа волны на характеристики ВЧ дефлектора.......................................................................87
3.2.1 Расчет отклоняющего потенциала.............................................87
3.2.2 Вариация длины ячейки трансформатора типа волны.............90
3.3 Настройка отклоняющих структур методом эквивалентных
схем.............................................................................................................94
3.3.1 Эквивалентная схема для круглого диафрагмированного волновода на дипольной волне....................................................................94
3.3.2 Оптимизация параметров ячеек входного и выходного трансформатора типа волны......................................................................101
3.3.3 Программа численной настройки трансформаторов типа волны на бегущей волне.............................................................................105
3.4 Анализ наведенных полей в высокочастотном дефлекторе.........109
3.5 Выводы...............................................................................................116
Глава 4. Экспериментальное исследование и настройка ВЧ дефлектора.....118
4.1 Методы измерения электродинамических характеристик отклоняющих структур...................................................................................118
4.1.1 Измерение резонансных частот................................................118
4.1.2 Измерения электромагнитных полей в режиме стоячей волны....................................................................................................121
4.1.3 Измерение электрического поля в режиме бегущей волне... 128
4.1.4 Измерение поперечного шунтового сопротивления..............130
4.2 Измерение электродинамических характеристик ВЧ дефлектора132
4.2.1 Измерения резонансных частот регулярных ячеек................134
4.2.2 Измерение распределения поля в регулярных ячейках.........140
4.2.3 Измерение поперечного шунтового сопротивления..............143
4.3 Настройка трансформаторов типа волны ВЧ дефлектора на режим бегущей волны....................................................................................150
4.4 Элементы высокочастотного тракта для дефлекторов PITZ и XFEL.................................................................................................................158
4.4.1 Направленные ответвители.......................................................160
4.4.2 Керамическое волноводное окно.............................................165
4.4.3 Волноводная поглощающая нагрузка......................................167
4.4.4 и-образный волновод................................................................168
4.5 Выводы...............................................................................................170
Заключение..........................................................................................................172
Список использованной литературы.................................................................174
Введение
В настоящее время наблюдается дальнейшее увеличение интереса к новым возможностям, которые открывают источники мощного электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны. К таким источникам относятся, прежде всего, генераторы монохроматического когерентного излучения - рентгеновские лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). В этих установках получают излучение с длиной волны от 1 мм до 0,1 нм. Так, на ЛСЭ FLASH (Free-electron LASer in Hamburg), Германия, в 2004 г. была получена длина волны 13,5 нм [1], что соответствует ультрафиолетовому излучению. В 2010 г. длину волны удалось сократить до 4,1 нм [2], что лежит в области мягкого рентгена. Жесткого рентгена с длиной волны менее 1 нм удалось достичь в 2009 г. на ЛСЭ LCLS (Linac Coherent Light Source) в Стэнфордской Национальной ускорительной лаборатории, США [3]. В 2011 г., был произведен запуск компактного ЛСЭ SACLA (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser), Япония, оперирующий с длиной волны менее 1 А [3].
Подобные установки находят широкое применение в атомной и молекулярной спектроскопии, при изучении структур ДНК, в белковой кристаллографии, при исследовании механизма быстропротекающих химических процессов [4] и т.д. Иными словами, важность создания установок ЛСЭ как средств для дальнейшего познания человеком окружающего мира трудно переоценить.
Тема настоящей работы относится к созданию уникального ускорительного комплекса Европейского лазера на свободных электронах XFEL (X-ray Free-electron Laser) в лаборатории DESY (Deutsche Electronen-SYnctrotron), Гамбург, Германия [5]. Строительство XFEL началось в 2009 г., а запуск планируется в 2017 г. Проект представляет собой линейный ускоритель электронов длиной 1,7 км на энергию до 17,5 ГэВ с последующим получением синхротронного излучения (СИ) в ондуляторах. В этих
ондуляторах рентгеновское излучение будет генерироваться самоусиливающейся спонтанной эмиссией, т.е. в процессе взаимодействия электрона с излучением, создаваемым соседними электронами.
Задача комплекса XFEL - получить СИ с перестраиваемой длиной волны от 4 до 0,05 нм, длительностью импульса до 100 фс и частотой повторений до 27 кГц [6]. Такая рекордная по сравнению с другими ЛСЭ частота вспышек позволит исследовать химические реакции, протекающие слишком быстро для исследования иными методами. Планируется создать до 5 каналов вывода фотонных пучков с 10 экспериментальными станциями, в которых будут вестись научные исследования в области физики, химии, материаловедении, биологии и нанотехнологии.
Однако помимо высокой частоты вспышек СИ, важным достоинством XFEL будет также высокая средняя яркость излучения -1,6x10 фотоны/с/мм /мрад/0,1%(ДАЛ). Пиковая яркость составит величину
•5-3 fy
порядка 10 фотоны/с/мм /мрад/0,1%(ДАА), что в миллиард раз выше по сравнению с существующими ЛСЭ [6].
Для получения столько высокой яркости и когерентности СИ в XFEL используются электронные пучки с чрезвычайно малой продольной длиной -до 20 мкм, получаемые путем последовательного сжатия начального пучка длиной 2 мм. Для сравнения можно привести значения среднеквадратичных длин сгустков, используемых, например, в ускорителе LCLS (Linac Coherent Light Source) и в линейном коллайдере NLC (Next Linear Collider) в SLAC. В LCLS она составляет 24 мкм (80 фс) [7], а в NLC - 90 мкм (300 фс) [8].
Актуальной задачей для будущих и существующих в настоящее время лазеров на свободных электронах и линейных коллайдеров является измерение и контроль характеристик коротких электронных сгустков. Следовательно, для контроля и прецизионной диагностики пучков в режиме реального времени необходимо иметь измерительную аппаратуру, не нарушающую основной цикл ускорения частиц.
Измерения параметров столь коротких сгустков при помощи электронно-оптических камер практически неосуществимы. Поэтому необходимо использование поперечного ВЧ поля, воздействующего на электронный сгусток, позволяет по отклонениям пучка в течение импульса, зафиксированного мониторами, получить не только данные об абсолютной длине сгустка, но и выявить важные временные связи в других фазовых пространствах, а также измерить среднеквадратичные размеры пучка во временных срезах. Устройства, в которых на частицы действует поперечное высокочастотное электромагнитное поле, называются ВЧ дефлекторами.
ВЧ дефлекторы являются составляющими многих действующих и создаваемых ускорительных установок и применяются в циклических и линейных ускорителях как легких так и тяжелых частиц (электронов, протонов, ионов, античастиц). Конструкции ВЧ дефлекторов, предназначенных для применения в различных установках, разрабатываются и реализуются с учетом решаемых задач в конкретных ускорительных комплексах. Общим свойством всех ВЧ дефлекторов является отсутствие продольного электрического поля на оси структуры при значительном поперечном электрическом поле. Такая конфигурация поля обеспечивается возбуждением аксиально несимметричного (дипольного) типа волны.
Основные направления применения ВЧ дефлекторов сводятся к решению следующих задач [9]:
- вывод частиц из ускоряющих секций (режим кика);
- сепарация ускоренных частиц по энергии и массе;
- трансформация сгустков частиц для измерения их характеристик;
- формирование сгустков частиц с малой длительностью и малой угловой и фазовой расходимостью.
В создаваемом в БЕ8У при участии РФ комплексе ХБЕЬ должны быть три диагностические станции, расположенные в инжекторной части ускорителя (где длина пучка составляет с2=2 мм) и непосредственно после установок, сжимающих пучок (о2=110 мкм и 20 мкм). В этих установках ВЧ
дефлектора должен быть и сложный протяженный ВЧ тракт, работающий при высоких уровнях ВЧ мощности. Разработка как самих отклоняющих структур, так и различных сложных элементов ВЧ тракта представляет несомненный интерес при создании этого уникального ускорительного комплекса. Для отработки процесса проектирования и технологических процессов изготовления ВЧ дефлекторов XFEL служит дефлектор для фотоинжектора PITZ (Photo Injector Test facility Zeuthen), Цойтен, Германия [10].
Целью диссертации является исследование, разработка и создание ВЧ дефлектора и проектирование элементов мощного ВЧ тракта, удовлетворяющего техническим требованиям эксплуатации в ускорительном комплексе XFEL. В рамках работы по разработке этих устройств рассматриваются следующие вопросы:
1. расчет электродинамических характеристик (ЭДХ) ячеек отклоняющих секций с различными способами стабилизации плоскости поляризации дипольной волны с целью определения оптимального варианта для дефлекторов PITZ и XFEL;
2. расчет конструкций устройств ввода ВЧ мощности (трансформаторов типа волны - ТТВ) в дефлекторы с заданным и симметризованным полем в ячейке ТТВ и настройкой на рабочей частоте;
3. создание методики измерения поперечного шунтового сопротивления в отклоняющих структурах ВЧ дефлекторов с использованием метода малых возмущений;
4. разработка программы настройки отклоняющей структуры с ТТВ на режим бегущей волны с использованием метода эквивалентных схем;
5. разработка методики настройки отклоняющей структуры с ТТВ ВЧ дефлектора на минимальное отражение на входе структуры и
минимальное изменение амплитуды и фазы отклоняющего поля от номинальных значений;
6. изготовление и настройка ВЧ дефлектора для PITZ, состоящего из 14 отклоняющих ячеек и 2 ячеек ввода мощности;
7. разработка алгоритма автоматизированного измерительного комплекса для исследования ЭДХ отклоняющих структур ВЧ дефлекторов;
8. проектирование и настройка элементов ВЧ трактов дефлекторов.
Научная новизна результатов исследования сводится к следующим
положениям:
1. Предложена новая конструкция отклоняющей структуры с выточками в обечайке.
2. Предложено новое устройство с запредельным вспомогательным волноводом, а также с уменьшенной длиной переходной ячейки.
3. Впервые разработана и апробирована программа численного анализа ВЧ дефлекторов на бегущей волне с использованием метода эквивалентных схем.
4. Предложена и испытана на практике новая методика измерения амплитуд поперечного высокочастотного электрического и магнитного поля для определения поперечного шунтового сопротивления
Достоверность полученных результатов подтверждена использованием в процессе расчетов программ, хорошо зарекомендовавших себя в научных кругах, а также соответствием экспериментальным данным.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. на основе полученных результатов численного и экспериментального анализа электродинамических характеристик отклоняющих ячеек и ячеек ввода мощности была принята универсальная конструкция этих ячеек, из которых будут собраны все требуемые дефлекторы для комплекса XFEL;
2. на основе полученных результатов изготовлен и настроен дефлектор, состоящий из 16 ячеек, удовлетворяющий техническим требованиям инжекторной части XFEL, и введенный в эксплуатацию в ускорительный тракт фотоинжектора PITZ;
3. Изготовлены, настроены и введены в эксплуатацию следующие элементы ВЧ тракта ВЧ дефлекторов: волноводно-полосковый и коаксиально-полосковый направленный ответвитель, вакуумное керамическое окно, волноводная поглощающая нагрузка и U-образный отрезок волновода с заданной фазовой длиной;
4. Создана программа расчета ЭДХ и моделирования отклоняющей секции на бегущей волне, основанной на методе эквивалентных схем, позволяющая сокращать время настройки изготовленных секций с большим числом ячеек.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в моделировании конструкций ячеек отклоняющей структуры и расчетном исследовании их электродинамических характеристик с последующей оптимизацией под технические требования на дефлекторы XFEL. А также им была написана программа расчета и анализа отклоняющих структур на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем.
В рамках экспериментальной части работы автором лично была разработана методика измерения поперечных высокочастотных электромагнитных полей в изготовленном резонансном макете, проведены экспериментальные исследования качества изготовленных ячеек, проведены измерения всех необходимых ЭДХ этих ячеек, а также проведена экспериментальная настройка изготовленного дефлектора для PITZ с алюминиевыми прототипами устройств ввода ВЧ мощности на режим бегущей волны.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. результаты численного анализа ЭДХ ячеек регулярной части ВЧ дефлекторов с различными способами стабилизации плоскости поляризации дипольной волны;
2. результаты численных расчетов устройств ввода ВЧ мощности в отклоняющие структуры;
3. программа расчета ЭДХ и моделирования отклоняющей секции на бегущей волне, основанная на методе эквивалентных схем;
4. результаты экспериментального исследования ЭДХ изготовленных ячеек ВЧ дефлектора PITZ;
5. методика измерения поперечного шунтового сопротивления;
6. результаты экспериментальной настройки изготовленного 16-ячеечного дефлектора для PITZ на режим бегущей волны;
7. результаты расчетов и экспериментального исследования элементов ВЧ тракта дефлекторов - направленных ответвителей, керамических окон, поглощающей нагрузки.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 53 наименований. Общий объем диссертации составляет 178 страниц, включая 105 рисунков и 28 таблиц.
В главе 1 описаны применения ВЧ дефлекторов для определения параметров продольной длины пучка, измерения его разброса энергии и поперечного эмиттанса, для чего приводятся качественные схемы соответствующих установок. Приведены детальные описания режимов работы отклоняющих ВЧ структур на бегущей и стоячей волнах. Приводятся определения основных ЭДХ, описывающих данные режимы. Дан обзор созданных ранее и функционирующих в настоящее время ВЧ дефлекторов различных частотных диапазонов, работающих как в режиме бегущей, так и в режиме стоячей волны.
Глава 2 посвящена численному анализу ЭДХ отклоняющих ячеек с различными конструкциями, стабилизирующими пло�
