Экспериментальное изучение электрической неустойчивости и ее применение в технологии сверхпроводящих резонаторов для ускорителей заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

1. Современные линейные ускорители электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами. Постановка задачи, научная новизна и практическая ценность диссертации

2. Технологические методы увеличения ускоряющих полей в сверхпроводящих резонаторах для ускорителей заряженных частиц

2.1. История вопроса.

2.2. Оксиполирование рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов.

2.3. Электрохимическое полирование сверхпроводящих ниобиевых резонаторов.

3. Экспериментальное исследование электрической неустойчивости в электрохимических системах при обработке ускоряющих СВЧ резонаторов

3.1. Общие черты электрической неустойчивости в системах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

3.2. Автоколебания в электрохимических системах.

3.3. Бифуркационные явления и стохастичность, наблюдаемые при электрохимической обработке ускоряющих резонаторов

4. Разработка новых методов прецизионной и форсированной электрохимической обработки рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов

4.1. Сравнение методов электрохимического полирования СП резонаторов для ускорителей заряженных частиц.

4.2. Разработка экспериментального и технологического оборудования для электрохимической обработки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов.

4.3. Разработка метода форсированного электрохимического полирования ускоряющих резонаторов.

4.4. Разработка метода прецизионного электрохимического полирования сверхпроводящих резонаторов с контролем процесса по виду "пакетов" колебаний тока.

4.5. Оптимизация автоматического режима электрохимического полирования ускоряющих резонаторов на основе ниобия и его сплавов.

4.6. Исследование и разработка технологии сверхпроводящих резонаторов из сплава Н2В.

4.7. Оптимизация режима оксиполирования рабочей поверхности ускоряющих резонаторов.

5. Разработка метода экспресс - контроля эмиссионных свойств рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов

7. Заключение

1. В Отраслевой проблемной лаборатории технологии и исследования сверхпроводящих резонаторов (ОПЛ ТИСПР) при ГНЦ Институте физики высоких энергий при непосредственном участии автора диссертации разработан комплекс экспериментально технологического оборудования для изучения бифуркационных и гистерезисных явлений, а также для обработки рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих СВЧ резонаторов СМ-диапазона.

2. Исследованы явления электрической неустойчивости в системах с отрицательным дифференциальным сопротивлением, а также бифуркационные явления, на основе которых разработан «Способ обработки сверхпроводящего резонатора» [16] с использованием прецизионного электрохимического полирования рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих СВЧ резонаторов с контролем процесса по виду пакетов колебаний тока, описываемых странным аттрактором, что позволило провести автоматизацию процесса.

3. С целью подавления электронной эмиссии для увеличения ускоряющих полей изучено влияние кристаллографической ориентации рабочей поверхности сверхпроводника на эмиссионные свойства, на основе чего разработан «Способ контроля эмиссионных свойств рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов и СВЧ-структур для ускорителей заряженных частиц» [21].

4. Исследованы гистерезисные явления. На основе полученной корреляции между интегральной работой выхода электронов с рабочей поверхности сверхпроводящих резонаторов и образцов с площадью петель гистерезиса разработан экономичный «Способ изготовления сверхпроводящих резонаторов» [22].

5. С целью снижения эмиссионных эффектов в сверхпроводящих ускоряющих СВЧ-резонаторах совместно с фирмой ГИРЕДМЕТ (г. Москва) исследована возможность использования сплава Н2В.

Получена хорошая корреляция между коэффициентом автоэлектронной эмиссии р, микротвердостью рабочей поверхности Нв и КИЯ исходного материала при различных температурах отжига в высоком вакууме.

6. С использованием методов математического планирования эксперимента проведена оптимизация процесса оксиполирования ниобиевых сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, позволяющего очистить поверхностный слой сверхпроводника от примесей тяжелых элементов.

7. Рассмотренные в диссертации технологии и методы используются в совместных работах в рамках международного научно-технического сотрудничества с ТМАР (США), Вуппертальским университетом (Германия) и Корнельским университетом (США), а также при постройке демонстрационного линейного ускорителя электронов (ОИЯИ, г. Дубна), при разработке сверхпроводящего ускорителя электронов, известного за рубежом как 8УААР (сверхпроводящий вертикальный ускоритель для прикладных целей), проект которого разрабатывается совместно сотрудниками ОПЛ ТИСПР при ГНЦ ИФВЭ и кафедрой "Электрофизические установки" МИФИ [10].

8. В диссертацию вошли работы, выполненные автором и при его участии в Отделе линейных ускорителей ИФВЭ (1983 - 1992 годы) и в Отраслевой проблемной лаборатории технологии и исследования сверхпроводящих резонаторов Минатома Российской Федерации при ГНЦ ИФВЭ (1992-1999 годы).

Результаты исследований опубликованы в восьми статьях, в одном препринте ИФВЭ, а также в трех авторских свидетельствах.

9. Научные результаты и возможности новых технологий, а также изделия, изготовленные в ОПЛ ТИСПР с участием автора диссертации, демонстрировались на Международной выставке «Наука-93» (Москва, 1993 г.), на Международной научно-технической выставке - ярмарке идей и технологий «Будущее России» (Протвино, 1994 г.), Международной выставке «Новейшие технологии Подмосковья» (Берлин, 1995 г.), на IV Международной выставке «Атомная промышленность» (Пекин, Китай, 1996 г.), на выставке «Москва - Наукограды - Россия: прорыв в третье тысячелетие» Москва, 1997 г.

В заключение выражаю искреннюю благодарность доктору технических наук Ларисе Михайловне Севрюковой за предложенную мне интересную тему диссертации, научное руководство и постоянное внимание и интерес к работе, а также за замечания, высказанные при подготовке диссертации к печати.

Автор признателен начальнику Отдела линейных ускорителей доктору технических наук профессору Владимиру Александровичу Теплякову и сотрудникам его отдела, а также сотрудникам Отраслевой проблемной лаборатории технологии и исследования сверхпроводящих резонаторов Минатома Российской Федерации при ГНЦ Институт физики высоких энергий за полезные советы при обсуждении полученных результатов.

Благодарю главного инженера электрофизических установок Отраслевой проблемной лаборатории ТИСПР Степана Марковича Пестерева за помощь в проведении эмиссионных измерений на стендах лаборатории.

1. G.Cavalari at all. Status Report on SC RF Cavities at CERN. In: Proc. of the 5th Workshop on RF Superconductivity. - DESY, Hamburg, Germany, August 1991, v. 1, p.23.

2. D.Proch at all. Laboratory Report DESY. In: Proc. of the 6th Workshop on RF Superconductivity. - CEBAF, Newport News, USA, Oct. 1993, v.l,p.77.

3. T.Furuya at all. Activities of RF Superconductivity at KEK. In: Proc. of the 6th Workshop on RF Superconductivity. - CEBAF, Newport News, USA, Oct. 1993, v.l, p.131.

4. Proc. of the 1th International TESLA Workshop. -Cornell University, Itaka, USA, July, 1990.

5. A.H. Диденко, JI.M. Севркжова, А.А. Ятис. Сверхпроводящие ускоряющие СВЧ-структуры. М., Энергоатомиздат, 1981, 208 с.

6. Richter. Operational Experience at the S-DALINAC. In: Proc. of the European Conference on Accelerator Linac. EPAC-96. - Sitges (Barcelona), Spain, 1996, p. 110.

7. R. Legg. Operating Experience at CEBAF. In: Proc. of the European Conference on Accelerator Linac. EPAC - 96. - Sitges (Barcelona), Spain, 1996, p. 130.

8. R. Bonin et al. Activities in RF Superconductivity in Frascati, Genova, Milano Laboratories. In: Proc. of the 4th Workshop on RF Superconductivity. - KEK, Tsukuba, Japan, 1989, p.75.

9. В.М.Ефремов, В.А.Киселев, В.Я.Пахомов, С.М.Пестерев, J1.M. Севрюкова. Эмиссионные свойства новых материалов для сверхпроводящих резонаторов. Сплав Н2В,- В сб.: XIV совещание по ускорителям заряженных частиц . ИФВЭ, Протвино, 1994, с.151-157.

10. Л.М. Севрюкова. Исследование методов увеличения ускоряющих полей в сверхпроводящих резонаторах для ускорителей заряженных частиц. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Протвино, ИФВЭ, 1996.

11. И.Н. Сливков. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М. Энергоатомиздат, 1986.

12. Л.М. Севрюкова. Электрохимическое полирование и анодное оксидирование сверхпроводящих резонаторов. В сб.: Сверхпроводники и их использование в ускорительной технике. - М., Атомиздат, 1975, № 5, с.3-8.

13. Л.М. Севрюкова, В.М. Ефремов. А.с. 1410790, 1985. Способ обработки сверхпроводящего резонатора / ИФВЭ, Протвино. БИ №46,1990, с.233.

14. В.М. Ефремов, Ю.Н. Погорелов, Л.М. Севрюкова. Электрическая неустойчивость при анодном растворении металлов.

15. Явление электрической неустойчивости на постоянном токе. -Препринт ИФВЭ 85-191, Серпухов, 1985.

16. У.М. Efremov, L.M. Sevryukova, М. Hein, L. Ponto. Improved Method for Electrochemical Polishing of Niobium Superconducting Cavities.- In: Proc. of the 5-th Workshop on RF Superconductivity.-DESY, Hamburg, Germany, 1991, v.l, p. 433-456.

17. Л.М. Севрюкова, В.М. Ефремов. А.с. 797274, 1979. Способ контроля эмиссионных свойств рабочей поверхности сверхпроводящего резонатора / ИФВЭ, Протвино, БИ N 32, 1991, с. 273.

18. Баженов, В.М. Ефремов, Л.М. Севрюкова, В.Л. Масалов, Т.Ю. Ри. А.с. 1552948, 1989. Способ изготовления сверхпроводящего резонатора / ИФВЭ, Протвино, БИ N 2, 1991, с. 214.

19. E Mahner, R. Heiderhoff, N. Mintti, H. Piel, L. Sevryukova and V. Efremov (samples). Field Emission measurements on NB cathodes of high purity.- In: Proc. of the 5-th Workshop on RF Superconductivity.-DESY, Hamburg, Germany, 1991, v.l, p. 433-456.

20. V. Efremov, L. Sevryukova. The Electrochemical Technological Possibilities of the IHEP Lab for Technology and Study Superconducting Cavities. Special seminar, January, 21,1991.

21. V.Efremov, O.Matveyeva, S.Pesterev, L.Sevryukova, E. Zarycheisky, I. Zvonarev. Field Emission Properties of the Nb with Thin Oxide Films.- In.: Proc. of the 5-th European Vacuum Conference.-Salamanca, Spain, 1996, p.45.

22. Б.Н.Александров. О факторах, определяющих величину остаточного электросопротивления высокочистых металлов. "Физика металлов и металловедение", 1971, т. 31, вып. 6, с. 1175-1185.

23. И.Бартель, К.Х.Бертель, К.Фишер и др. Сверхпроводимость и электронная структура сверхчистого ниобия. "Физика металлов и металловедение", 1973, т.35, вып.5, с. 921-931.

24. Л.М. Севрюкова, Г.Г. Крючкова, А.А. Ятис. Использование метода оксиполирования в технологии сверхпроводящих резонаторов. В сб.: Сверхпроводящие СВЧ - устройства. М., Атомиздат, 1979, вып.9, с. 16.

25. Л.М.Севрюкова, А.М.Коротков. A.c. N 1064819, 1981. Способ обработки ииобиевого сверхпроводника для высокочастотных применений / ИФВЭ, Протвино, БИ N48, 1983, с. 229.

26. А.Н.Диденко, Л.М. Севрюкова, Г.Я. Стародуб, А.А. Ятис. Исследование электрофизических характеристик защитных покрытий для ниобиевых сверхпроводящих резонаторов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1974, N 7, с.79-84.

27. А.Н. Диденко, Г.Г. Крючкова, Л.М. Севрюкова. Методы обработки и защиты поверхности ниобиевых сверхпроводящих резонаторов.- В сб.: Труды Всесоюзной конференции Разработка и практическое применение электронных ускорителей. -Томск, ТГУ, 1975, с.118-119.

28. О. Matveeva, S. Pesterev, D. Philippov, L. Sevryukova. The Influence of Specially Created Oxide Films and RRR on the Emission Properties of Niobium.- Proc. of the 8-th Workshop on RF Superconductivity, Padua, Italy, oct. 1997, Th-44.

29. J.Halbritter. Particle Accel., 1972, v.3, p. 163.

30. P.B.Wilson. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1973, v.20, p. 1092.

31. J.P.Turneaure. Microwave properties of superconductors. -"Advances Cryog.Eng." 1968, v.13, p.109-115.

32. M.Rabinowitz. Power losses in RF Superconducting cavities. -"SLAC PUB - 963", 1973, p.1-7.

33. G.Dammertz, H.Hahn, J.Halbritter at al. The effect of electron on Supercon-ducting cavities in the GHz region.-"IEEE Trans.Nucl. Sci." 1971, v.18, p.153-158.

34. M.J.Feigenbaum J.Statistical Physics, 1978, v.19, N1, p.25-52.

35. В.А.Дмитриев, E.B.Ржевская. Журнал Физической Химии, 1961, т.35, N4, с.871-878.

36. B.Pointu. Comptes rendus hebdomadaires des seances de 'academie des sciences, 1968, V.C266, N10, p.669-671.

37. В.А.Дмитриев, E.B.Ржевская. Известия Казанского филиала Академии Наук СССР / Серия химических наук, 1959, N5, с. 129142.

38. В.П.Галушко, П.М.Федаш, Е.Я.Байбарова. Известия Казанского филиала Академии Наук СССР/Серия химических наук,1959, N5, с.189-194.

39. В.П.Галушко, В.Д.Мешко, В.Н.Ковтун. Украинский химический журнал, 1972, т.38, N11, с.1100-1103.

40. Г.П.Петров.- Электрохимия. Вып. Исследования по электроосаждению и растворению металлов, 1971, с.92-98.

41. С.О.Изидинов, Ф.Ф.Редько.- Электрохимия, 1971, т.7, вып. 11, с.1610-1613.

42. J.F.Cooper, R.H.Muller, C.W.Jobias. Journal of the Electrochemical Society, 1980, v.127, N8, p.1733-1744.

43. K.S.Indira, S.K.Rangarajan, K.S.Doss. Journal of electroanalitical chemistry and interfacial electrochemistry, 1969, v.21, N1, p.57-68.

44. K.S.Indira. Proceedings of the Indian Academy of Science, 1967, v.56A, N2, p.69-76.

45. J.Osterwald, H.G.Feller. Journal of the Electrochemical Society, 1960, v.107, N5, p.473-474.

46. А.Н.Диденко, Л.М.Севрюкова. Электронная техника/серия 1, Электроника СВЧ, 1976, N4, с.99-104.

47. H.Diepers, H.Martens, O.Schmidt, F.S.Sun. Phys. Lett., 1971, V.37A, N2, p.139-140.

48. A.H. Диденко, Л.М. Севрюкова, A.A. Ятис. Разработка технологи-ческих методов обработки и контроля поверхности сверхпроводников. М.: Наука, 1976, с. 120-123.

49. Л.М.Севрюкова. Основные вопросы технологии сверхпроводящих СВЧ резонаторов. В кн.: Сверхпроводящие СВЧ-устройства. М.: Атомиздат, 1979, с. 13-17.

50. H.Diepers, O.Schmidt. Improvements in or relating to electropolishing. Great Britain Patent, German Priority. Official patent report No. 1298419.

51. H.Martens, H.Diepers, A.Muller. Patent FRG No. 2106628, published 14.02.1974.

52. K.Saito at al. R&D on superconducting cavity at KEK. Proc. of the 4-th Workshop on RF Superconductivity. August 1989, KEK, Tsucuba, Japan, p.635-693.

53. T.Furuya. Preparaion and handling of Superconducting RF cavities. Proc. of the 4-th Workshop on RF Superconductivity. August 1989, KEK, Tsucuba, Japan, p.305-327.

54. Yozo Kojima et al. Superconducting RF activities at KEK. Proc. of the 4-th Workshop on RF Superconductivity. August 1989, KEK,Tsucuba, Japan, p.85-95.

55. B.B.Налимов, Н.А.Чернова. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965, с. 10.

56. L.M.Sevryukova. IHEP Activities on Application of RF Accelerating Cavities. 1. The Complex of Experimental and Technological Equipment. IHEP Preprint 90-131, 24 p.

57. A.I. Ageev, V. M. Efremov, V.A. Kiselev, V. Ya. Pakhomov, S. M. Pesterev, L.M. Sevryukova. Field Emission Properties of the Alloy H2B. Proc. of the VII Workshop on RF Superconductivity. -Gif sur Yvette, France, 1995, p.389-395.

58. А.Н.Диденко, М.В.Мельников, А.К.Какабадзе, JI.M. Севрюкова, Г.Р.Мухина, С.М. Пестерев. Сверхпроводящий ускоряющий резонатор,- А.с. 699682, 1978 / НИИЯФ, Томск, БИ N 7, 1978, с. 57.

59. А.А.Абрикосов. Современное состояние проблемы сверхпроводимости, УФН, 1965, т.87, с. 125-138.