Исследование радиотехнических параметров и методика настройки резонаторов основной части ускорителя мезонной фабрики ИЯИ АН СССР тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ПРОВОДЯЩИМИ

ШАЙБАМИ И ДИАФРАГМАМИ.

1.1. Бипериодические ускоряющие структуры

1.2. Особенности и основные характеристики ускоряющей структуры с проводящими шайбами и диафрагмами.

1.3. Измерение радиотехнических параметров ускоряющей системы

1.4. Обработка результатов радиотехнических измерений.

2. СТАБИЛЬНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УСКОРЯЮЩЕГО ПОЛЯ В СТРУКТУРЕ С ПРОВОДЯЩИМИ ШАЙБАМИ И

ДИАФРАГМАМИ.

2.1. Оценка отклонений частот отсеков структуры при различной точности изготовления модулей.

2.2. Влияние погрешностей изготовления модулей на распределение ускоряющего поля и энергетические характеристики структуры

2.3. Оптимальное расположение по частоте боковых видов колебаний в ускоряющей структуре с шайбами и диафрагмами.

3. НЕРАБОЧИЕ КОЛЕБАНИЯ В ОКРЕСТНОСТИ РАБОЧЕЙ

ВОЛНЫ УСКОРЯЮЩИХ СЕКЦИЙ.

3.1. Определение типа нерабочих колебаний. Дисперсионные свойства

3.2. Зависимость частоты нерабочих колебаний от размеров и конструктивных элементов структуры. Энергетические характеристики.

3.3. Способы смещения нерабочих колебаний по частоте

4. МЕТОДИКА РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ

УСКОРЯЮЩИХ СЕКЦИЙ

4.1. Конструкция и технология изготовления ускоряющих секций

4.2. Настройка ускоряющей секции на рабочую частоту.

4.3. Выравнивание ускоряющего поля по длине секции.

5. РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА УСКОРЯЮЩИХ

РЕЗОНАТОРОВ

5.1. Конструктивные особенности ускоряющего резонатора. Мостовое устройство

5.2. Радиотехнические характеристики резонатора, состоящего из ускоряющих секций и мостовых устройств.

5.3. Методика радиотехнической настройки ускоряющих резонаторов

Широкий крут фундаментальных исследований в области ядерной физики средних энергий, а также ряд прикладных задач обусловили разработку и сооружение сильноточных ускорителей протонов - мезонных фабрик. В СССР в настоящее время близится к завершению сооружение мезонной фабрики Института ядерных исследований АН СССР. Среди основных направлений, по которым будут вестись исследования на мезонной фабрике ИШ АН СССР, можно выделить следующие: поиск фундаментальных взаимодействий с нарушением барионного, лептонного и мюонного квантовых чисел; проблемы квантовой хромодинамики; структура ядра и мезоядерные взаимодействия; физика твердого тела, а также прикладные исследования, необходимые для народного хозяйства и здравоохранения

Основой ускорительно-накопительного комплекса мезонной фабрики ИШ АН СССР является линейный ускоритель протонов и отрицательных ионов водорода на энергию 600 МэВ и суммарный средний ток 0,5 * I мА /2,3/^ дрИ разработке ускорителя решение проблемы экономичности в первую очередь было связано с созданием ускоряющей структуры основной части ускорителя в диапазоне значений энергии 100 -г 600 МэВ с высокой стабильностью распределения ускоряющего поля и достаточно большим щунтовым сопротивлением. В качестве такой структуры была выбрана предложенная В.Г.Андреевым ускоряющая структура с проводящими шайбами и диафрагмами ^ Эта структура обеспечивает высокую стабильность распределения ускоряющего поля, практически не уступая по энергетическим характеристикам известным бипериодическим ускоряющим структурам.

В последнее время наблюдается повышенный интерес к использованию ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами в различных ускорительных установках, среди которых можно назвать следующие: пионный генератор для медицинских исследований pigmi (США)^^, нейтронный генератор snq (ФРГ) электронное накопительное кольцо tristau (Япония) ^ и другие.

Ускоряющая структура с проводящими шайбами и диафрагмами на сегодняшний день по мнению ряда исследователей, например, является оптимальной для высокоэнергетической части сильноточных ускорителей протонов следующего поколения со средними токами порядка сотен миллиампер на энергии до единиц гигаэлектронвольт, предназначенных для решения проблем энергетики - создания электроядерных реакторов и генераторов интенсивных потоков нейтронов. Эта структура впервые реализуется в ускоряющих секциях основной части линейного ускорителя мезонной фабрики ИЯИ АН СССР (ЛУ МФ).

Результаты проведенных в данной работе исследований необходимы для сооружения ускоряющей системы основной части ЛУ МФ ИЯИ АН СССР и могут быть полезны при разработке ускорителей на основе ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами.

Ускоряющая система основной части ЛУ МФ ИЯИ АН СССР состоит из 27 ускоряющих и одного согласующего резонаторов. Большое количество ускоряющих секций структуры с шайбами и диафрагмами (109), каждая из которых содержит в среднем по 22 отдельных модуля, потребовало исследований влияния погрешностей изготовления на радиотехнические параметры структуры и разработки методики настройки, направленных на сокращение времени и трудоёмкости при сооружении ускоряющей системы. Исследование чувствительности распределения ускоряющего поля к различного рода возмущениям необходимо как для выбора правильной технологии изготовления и методики настройки, так и для обеспечения нормальной работоспособности ускорителя. Исследования характеристик нерабочих колебаний в ускоряющей структуре позволяют выбрать способ устранения их нежелательного воздействия на параметры ускоряющей системы и шгут быть полезны при изучении вопроса поперечной неустойчивости пучка заряженных частиц в сильноточных ускорителях.

Изучению данных вопросов и разработке методики радиотехнической настройки ускоряющих резонаторов основной части ЛУ МФ посвящена настоящая работа.

Автор защищает:

- использованную методику экспериментальных исследований и разработанные алгоритмы обработки результатов измерений радиотехнических параметров ускоряющей системы;

- результаты анализа влияния погрешностей изготовления ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами на её радиотехнические параметры;

- результаты определения оптимального с точки зрения стабильности распределения ускоряющего поля расположения боковых видов колебаний по частоте относительно рабочего вида на дисперсионной характеристике ускоряющих секций ЛУ МФ;

- результаты исследования нерабочих колебаний, возбуждающихся в ускоряющих секциях в непосредственной близости по частоте к рабочему виду; способы их смещения по частоте, позволяющие обеспечить настройку ускоряющей системы и нормальное функционирование систем автоматического регулирования;

- методику радиотехнической настройки ускоряющих секций резонаторов основной части ЛУ МФ, позволяющую получить требуемые параметры с минимальными затратами времени на механическую обработку;

- способ выравнивания распределения ускоряющего поля по длине секции с учетом технологических особенностей при пайке в водородной печи;

- методику радиотехнической настройки многозвенной колебательной системы - ускоряющего резонатора основной части ЛУ МФ.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения.

Основные результаты диссертации представлены в 17 опубликованных работах /42,43,46,51,55,61,65,67,68,69,73,74,80,81,82, 90,91/, одном изобретении ^^ и одном отчете о НИР. Результаты докладывались на Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям (г.Харьков) в 1977, 1981 и 1983 годах, на Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (г.Дубна) в 1978 году и (г.Серпухов) в 1982 году, а также на конференции по ускорителям заряженных частиц (США, г.Санта-Фе) в 1983 году.

Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям С.К.Есину и В.Г.Андрееву за постоянное внимание к работе, плодотворные обсуждения и ценные замечания.

Автор признателен младшему научному сотруднику В.В.Парамонову, ведущему инженеру Г.В.Романову, а также всем сотрудникам группы ускоряющих структур и сектора новых разработок и технологии, принимающим участие в изготовлении и радиотехнической настройке ускоряющей системы основной части линейного ускорителя мезонной фабрики ИЯИ АН СССР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Есин С.К., Лобашев В.М. Перспективы исследований на пучках сильноточных ускорителей.- Труды Радиотехнического института АН СССР, JS 16, М., 1973, с.46-55.

2. Линейные ускорители ионов. /Под ред. Б.П.Мурина, т.1. Проблемы и теория.- М.: Атомиздат, 1978, 260с.

3. Линейные ускорители ионов. /Под ред. Б.П.Мурина, т.2. Основные системы.- М.: Атомиздат, 1978, 320с.

4. Андреев В.Г. Определение геометрии структуры со знакопеременным ускоряющим полем на ТС/2-волне.-Журнал технической физики, т.41, вып.4, 1971, с.788-795.

5. Potter J.M. ,Schriber S.О.,Humphry F.J. Experimehtal and. Calculated RF Properties of the Disk-and-Washer Structure. IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. HS-26, 1979, p. 3763-3769.

6. Vetter J.E. A High Intensity Proton Linear Accelerator for the German Spallation Neutron Source (SNQ). IEEE Trans, on Uucl. Sci., v. NS-28, 1981, p. 3455-3457.

7. Disk and Washer Structure for an Electron Storage Ring/Takata K. Inagaki S.,Nakanishi H. et.al.- IEEE Trans, on Nucl. Sci.,v. NS-28, 1981, p.2873-2875.

8. Капчинский И.М. Сильноточные линейные ускорители ионов.-Успехи физических наук. Т.132, вып.4, 1980, с.639-661.

9. Manca J.J. Some New Accelerating Structures for High Current Intensity Accelerators. Los Alamos Sci. Lab. Report.1.-7157, 1978, 11p.

10. Нэгл Д.Е., Нэпп Е.А., Нэпп Б.С. Описание секции ускорителя со стоячей волной с помощью модели связанных осцилляторов. -Приборы для научных исследований. Т.38, № 11, 1967,с.22-26.

11. Нэпп Е.А., Нэпп Б.С., Поттер Д.М. Ускоряющие структуры со стоячей волной для линейных ускорителей на большие энергии.-Приборы для научных исследований. Т.39, J& 7, 1968, с.31-43.

12. Кпарр Е.А. Design, Construction and Testing of RF Structures for a Proton Linear Accelerator. IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. US-12, №3,1965, p.118-125.

13. Милованов O.C., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот.-М.: Атомиздат, 1980, 464с.

14. Worstell H.G. Mechanical Design of LASL Linac Structures (LAMPF). In: Proc. of the 1968 Proton Linear Accel. Conf., USA, Brookhaven, BUL, 1968, p. 1-16.

15. Кульман В.Г., Мирочник Э.А., Пироженко В.М. Ускоряющая структура с кольцевыми резонаторами связи.- Приборы и техника эксперимента, Jfc 4, 1970, с.56-61.

16. Linear Accelerators /Ed. P.M. Lapostolle and A.L. Septier. -Amsterdam: North-Holland Publ. Co., 1970, 1204 p.

17. Нишикава, Джиордано и Картер. Дисперсионные свойства и частотные характеристики неоднородной периодической структуры линейных ускорителей.- Приборы для научных исследований.1. J6 5, 1966, с.114-123.

18. Ускоряющая система резонаторного ЛУЭ на энергию 5 МэВ./ /Завадцев А.А., Зверев Б.В., Нечаев Н.Н. и др. Ускорители. Вып.17, М.: Атомиздат, 1979, с.27-31.

19. Labrie J.-P., McKeown J. The Coaxial Coupled Linac Structure. Nucl. Inatr. and Methods, vol. 193, №3, 1982,p.437-444.

20. Андреев В.Г. Ускоряющая структура для протонного линейного ускорителя на большие энергии.- Журнал технической физики. Т.38, вып.8, 1968, с.1306-1316.

21. Андреев В.Г., Пашковский В.В. Ускоряющая структура с шайбами и трубками дрейфа для протонных линейных ускорителей.-Журнал технической физики. Т.40, вып.З, 1970, с.523-528.

22. А.с. 414760 (СССР). Андреев В.Г., Белугин В.М., Пирожен-ко В.М. Цилиндрический объемный резонатор.- Опубл. в Б.И., 1974, Jfe 5.

23. Парамонов В.В. Представление дисперсионных характеристик ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами.- Препринт ИЯИ АН СССР. П-0338, М., 1984, 16с.

24. Halbach К.Н. and Holsinger R.F. SUPERFISH A Computer Program for Evaluation of RF Cavities with Cylindrical Symmetry. -Particle Accelerators, H°7,1976, p. 213-215.

25. Manca J.J., Knapp E.A. Optimisation of the Disk ahd Washer Structure Accelerating Cavities. Los Alamos Sci. Lab. Report. LA-7407, 1978, 14p.

26. Лихарев A.H., Пироженко В.М. Расчетные параметры ускоряющих секций второй части ускорителя мезонной фабрики.- Труды Радиотехнического института АН СССР, № 25, М., 1976,с. 147-154.

27. Manca J.J., Knapp E.A. TMQ1 Mode Accelerating Cavity Optimisation. Los Alamos Sci. Lab. Report, LA-7323, 1978, 23 p.

28. Schriber S.O. Integral Radial Stems on Aluminium fi =1 Disk-and-Washer Structures. IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. NS-30, №4, 1983, p. 3539-3541.

29. Iwashita Y. Disk and Washer Linac Structure with Biperiodic T-Supports. IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. NS-30, №4, 1983, p. 3542-3544.

30. Вакуумная система мезонной фабрики. Принципы проектирования и основные параметры. /Бацких Г.И., Гуслицков И.К., Иванди-кова Н.И. и др. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0096, М., 1978, 33с.

31. Murin В.P. Radiotechnical Institute Activity in the Linac Field. In: Proc. of the 1976 Proton Linear Accel. Conf., Chalk River, 1976, p. 20-26.

32. Есин С.К., Парамонов В.В. Расчетные характеристики структуры с шайбами и диафрагмами для ЛУЭ на стоячей волне.-Препринт ИЯИ АН СССР. П-0327, М., 1984, 11с.

33. Малогабаритный линейный ускоритель электронов со стоячей волной и мостовой схемой питания./ Викулов В.Ф., Зверев Б.В., Завадцев А.А. и др. Ускорители. Вып.19, М.: Атомиздат, 1980, с.5-И.

34. Ускоряющая структура линейного ускорителя для медицины модели ЛУЭР-ЦОМ. /Бахрушин Ю.П., Ворогушин М.Ф., Николаев В.М. и др.- Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техника физического эксперимента. Вып.2/14/, Харьков, 1983, с.51-54.

35. Manca J.J.,Knapp Е.А.,Swenson D.A. High Energy Accelerating Structures for High Gradient Proton Linac Applications. -IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. NS-24,N°3, 1977, p. 1087-1090.

36. Schriber S.O. High-Beta Linac Structures. Los Alamos Sci. Lab. Report. LA-VR-689, 1979, 9 p.

37. Справочник по диафрагмированным волноводам. Изд. 2-е, переработанное и дополненное./Вальднер О.А., Собенин Н.П., Зверев Б.В., Щедрин И.С.- М.: Атомиздат, 1977, 376с.

38. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах.- М.: Й.ЛГ, I960, 620с.

39. Зверев Б.В., Собенин Н.П., Пономаренко А.Г. Автоматический измерительный комплекс для исследования резонаторов мезон-ной фабрики.- Труды Третьего Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. T.I, М.: Наука, 1973, с.254-256.

40. Мурин Б.Г1. Стабилизация и регулирование высокочастотных полей в линейных ускорителях ионов.- М.: Атомиздат, 1971, 333с.

41. Шараментов С.И., Генератор СВЧ колебаний для прецизионного измерения радиотехнических параметров ускоряющих резонаторов на малом уровне мощности.- Вопросы атомной науки и техники.

42. Серия: Техника физического эксперимента. Вып. 2/14/. Харьков, 1981, с.92.46. (А-3). Кравчук Л.В., Романов Г.В. Обработка результатов радиотехнических измерений при настройке ускоряющих секций.-Препринт ИЯИ АН СССР. П-0203, М., 1981, 8с.

43. Андреев В.Г, Простые способы измерения эквивалентных параметров объемных резонаторов, возбуждаемых на волне TMqjq. -Труды Радиотехнического института АН СССР. Т.4, вып.1, М., 1962, с.19-27.

44. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика.- М.: Наука, 1979, 496с.

45. Вальднер О.А., Власов А.Д., Шальнов А.В. Линейные ускорители.- М.: Атомиздат, 1969, 248с.

46. Андреев В.Г., Белугин В.М., Пироженко В.М. Настройка ускоряющей структуры с проводящими шайбами и диафрагмами.- Труды Радиотехнического института АН СССР, № 16, М., 1974,с.133-137.

47. Андреев В.Г. Возмущение однородного распределения ускоряющего поля по длине структуры с шайбами и диафрагмами.- Труды Радиотехнического института АН СССР. № 28, М., 1977,с. 19-25.

48. Пироженко В.М. Расчет влияния погрешностей изготовления на характеристики ускоряющей структуры.- Труды Радиотехнического института АН СССР. I 9, М., 1972, с.44-54.

49. Викулов В.Ф., Калюжный В.Е. Влияние погрешностей изготовления на характеристики ускоряющих структур со стоячей волной.- Журнал технической физики. Т.50, вып.4, 1980,с.773-779.

50. Пакет программ prud-o для расчета ускоряющих структур./ /Абрамов А.Г., Дайковский А. Г., Ершов Ю.И. и др. Препринт ИФВЭ 83-3, Серпухов, 1983, 21с.

51. Dome G., Lapostolle P. A New Interpretation of Structure Compensation. In: Proc. of the 1968 Proton Linear Accel. Conf., Brookhaven, 1968, p. 445-456.

52. Swain G.R. Tuning Error Sensitivity of Stabilized Linear Accelerator Tanks with Pull Cell Terminations.- Hucl. Instr. and Methods, vol. 68, №1, 1969, p. 1-8.

53. Уилкинсон, Райнш. Справочник алгоритмов на языке АЛГОЛ. Линейная алгебра.- М.: Машиностроение, 1976, 390с.

54. Штейнпшейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах.-М.: Оборонгиз, 1955, П5с.

55. Loew G.A. Electron Linac Instabilities. IEEE Trans, on Nucl. Sci., v. NS-14. №3, 1967, p. 529-540.

56. Дисперсионные свойства круглого диафрагмированного волновода с радиальными разрезами диафрагм ( ^Г/2-тип колебаний). Крамской Г.Д., Зыков А.И., Гришаев И.А., Колот З.М. Журнал технической физики. Т.41, вып.З, 1971, с.567-571.

57. А.С. 793343 (СССР). Андреев В.Г., Белугин В.М., Прохоров Е.Н. Ускоряющая система. Опубл. в Б.И., 1982, № 4.

58. Предварительные результаты комплексных испытаний экспериментального стенда-модуля второй части ускорителя мезонной фабрики. /Андреев В.Г., Белугин В.М., Галкин В.М. и др. -Труды Радиотехнического института АН СССР. 25, М., 1976, с.123-140.

59. Cavity Tuning for the LAMPF 805 MHz Linac. / Swain G.R., Jameson R.A., Kandarian R. et. al. Los Alamos Sci. Lab.

60. Report. LA-DC-72, 1972, 14 p.

61. Зверев Б.В., Рузин В.В. Настройка бипериодической структурыс кольцевыми ячейками связи.- Ускорители. Вып.15, М.: Атомиздат, 1976, с.68-70.

62. Белоусов В.А., Пироженко В.М. Исследование прямоугольных резонасных мостов, используемых для связи между секциями ускорителя. Труды Радиотехнического института АН СССР. № 20, М., 1974, с.56-66.

63. Белоусов В.А., Голубых В.И., Пироженко В.М. Исследование высокочастотной связи ускоряющих секций со стоячей волной.-Труды Радиотехнического института АН СССР. № 16, М., 1974, с.138-146.