Исследование ускоряющей структуры линейного ускорителя комплекса ВЛЭПП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

§ I. Темп ускорения в линейном ускорителе.

§ 2. Факторы, ограничивающие темп ускорения.

§ 3. Постановка задачи.

§ 4. Краткое содержание диссертации.

ГЛАВА. I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОЧНОСТИ ОДИНОЧНОГО РЕЗОНАТОРА.

§ I. Стенд для измерения электрической прочности одиночного резонатора.

§ 2. Экспериментальный резонатор.II

§ 3. Измерения на малом уровне мощности.

§ 4. Стенд для измерения распределения поля в ускоряющей структуре.

§ 5. Приготовление поверхности экспериментальных образцов.

§ 6. Измерение электрической прочности одиночного резонатора.

ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПА УСКОРЕНИЯ В СЕКЦИИ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ ВЛЭПП.

§ I. Экспериментальная установка и методика изучения электрической прочности секции линейного ускорителя ВЛЭПП.

§ 2. Результаты измерений.

ГЛАВА Ш. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СЕКЦИИ ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ

И ВЛИЯНИЕ ИХ НА ТЕМП УСКОРЕНИЯ.

Современные линейные ускорители с энергией свыше I ГэВ имеют темп ускорения 10 * 15 МэВ/м [2-4]. Предельно возможный темп ускорения ограничивается электрической прочностью ускоряющей структуры. Напряженность электрического поля в резонаторе микротрона составляет 0,6 МВ/см [ю] . Однако опыт показывает [12] , что после нескольких десятков часов непрерывной работы электрическая прочность резонатора начинает падать. На коротких ускоряющих структурах (длиной менее I метра) получен темп до 200 МВ/м [24,23] . Темп ускорения связан с напряженностью электрического поля на поверхности структуры. Предельное электрическое поле на поверхности является функцией многих переменных (частота, длительность импульса, материала, обработки и т.д.). Разнообразия перечисленных факторов определяет большой разброс в экспериментальных значениях предельных полей на поверхности ускоряющих структур.

§ 2. Факторы, ограничивающие темп ускорения

Основное ограничение темпа ускорения в линейных ускорителях это электрическая прочность ускоряющей структуры. Существующие источники СВЧ-мощности допускают компоновку и размещение вблизи ускоряющей структуры и выходная мощность этих устройств достаточна для обеспечения темпа ускорения существенно больше 10 МэВ/м. В качестве ускоряющей структуры обычно используют круглый волновод нагруженный дисками. Коэффициент перенапряжения таких структур доходит до 6 * 8 [2,4] . Поэтому поле на поверхности диафрагм <-^1,0 МВ/см. Такие поля близки к предельным электрическим полям для медной поверхности в вакууме. Оставшиеся на поверхности ускоряющей структуры микронеровности и различные загрязнения приводят к локальному увеличению действующего в зазоре электрического поля и являются интенсивными источниками автоэмиссионных электронов. На ускорение автоэмиссионных электронов расходуется значительная мощность. Поскольку фаза вылета автоэмиссионных электронов не совпадает с синхронной фазой ускорения, то эти электроны искажают выходной энергетический спектр ускорителя и увеличивают радиационный фон.

К снижению электрической прочности, по-видимому, приводит и токооседание на диафрагмы ускоряющей структуры. Выбор рабочей частоты и вида колебаний оказывает влияние на электрическую прочность ускоряющей структуры. В более длинноволновом диапазоо не 10 Гц предельные электрические поля на поверхности составляют 0,25 МВ/см [б] . На основе общих соображений можно считать, что предельная напряженность электрического поля на поверхности ускоряющей структуры должна возрастать с увеличением частоты. Большое распространение получили полуэмпирические критерии [7,8] в которых нарушения изоляционной прочности вакуумного промежутка связываются с разрушениями электродов, вызванными высокоэнергичными частицами (электронами или ионами). Например, критерий Килпатрика, одинаковый для любых электродных материалов v / Г г- г ю5

W £ ее/) (-1.7 • — ) 1,8 • Ю14 где Е - напряженность электрического поля (В/см),

U/- максимальная энергия, которую может приобрести частица (электрон или протон) в данном зазоре(эВ. При больших полях Е МВ/см критерий можно упростить:

Е к ) £

Эмиссионный электрон стартует с нулевой скоростью и его энергия т.е. получаем ЕПр0^ ^ -1/2 ^ £Ы(з0р режима ускорения также влияет на электрическую прочность структуры. Так при ff -виде колебаний автоэмиссионные электроны между диафрагмами приобретают энергию меньшую чем при любом другом режиме и разрушения, вызванные ими будут минимальные. Следовательно темп ускорения и долговечность ускоряющей структуры в ~ХГ -режиме будет выше.

§ 3. Постановка задачи

Характерная особенность вакуумной изоляции состоит в большом разбросе экспериментальных значений основных параметров, характеризующих состояние вакуумного промежутка. Например, пробивное напряжение,измеренное при неизменных внешних условиях и одних и тех же электродов, может различаться в три раза. Сильная зависимость качества вакуумной изоляции от технологии изготовления и режима эксплуатации объясняются самой природой процессов, приводящих к нарушению изоляции и решающим образом зависящих от состояния поверхности электродов [э] . Присутствие окислов, инородных включений и адсорбированных паров органических соединений в некоторых случаях существенно ухудшает качество вакуумной изоляции. Значительна так же роль микрорельефа поверхности. Однако подавляющее большинство методов контроля качества поверхности обеспечивают получение лишь усредненных характеристик, которые,как правило, не отражают наличия на поверхности слабых мест.

В связи с этим была поставлена работа по определению максимальной напряженности электрического поля на медной поверхности в вакууме. Контроль качества приготовления поверхности производится по конечному эффекту, т.е. по напряженности электрического поля на поверхности. Для того, что бы получить воспроизводимне результаты необходимо, либо контролировать основные параметры влияющие на результат, либо иметь процедуру измерения, оставляющую внешние условия неизменными. В настоящей работе выбран последний способ. Одиночный резонатор, геометрия которого выбрана из условия получения максимальной напряженности электрического поля на плоской поверхности, выполнен разборным. Исследуемый образец имеет простую форму, технологичен. Парциальный состав остаточного газа можно контролировать. Сборка резонатор-ного узла производится в пылезащитной камере.

§ 4. Краткое содержание диссертации

В первой главе диссертации содержится описание экспериментальной установки для изучения электрической прочности одиночного резонатора 10 см диапазона. Описывается экспериментальный резонатор, специальной формы и имеющий максимальное электрическое поле на плоской поверхности. Для проведения сравнительных измерений и упрощения процедуры приготовления экспериментального образца резонатор выполнен разборным. Резонатор состоит из основания со специальным профилем и сменной плоской крышки. Контакт крышки с основанием обеспечивается гидравлическим прижимом и является вакуумноплотным. Описывается методика приготовления экспериментальных образцов. Измерение электрического поля на поверхности образца производится тремя различными методами.

Во второй главе рассматриваются вопросы электрической прочности ускоряющих структур линейных ускорителей СВЧ-диапазона. Сделан обзор современного состояния вакуумного пробоя. На основе анализа экспериментальных данных, полученных на одиночном резонаторе и рассмотрения существующей технологии производства мощных СВЧ-приборов выбрана методика исследования ускоряющих структур линейного ускорителя. Описывается экспериментальный стенд для изучения возможностей достижения максимального темпа ускорения. Приводятся экспериментальные результаты по исследованию секций линейного ускорителя ВЛЭППа. Показано, что при соблюдении требований вакуумной технологии, обработки алмазным инструментом и сборки ускоряющих структур в обеспыленных боксах достижимы темпы ускорения .90 МэВ/см на секциях состоящих из многих резонаторов. Описывается методика исследования максимального темпа ускорения в секции ВЛЭПП.

В третьей главе рассматриваются критерии выбора способа приготовления поверхности ускоряющих структур, имеющих высокий темп ускорения. На основе анализа экспериментальных данных и устоявшихся положений теории вакуумного пробоя выбирается профиль ускоряющих резонаторов, режим тренировки. Показано влияние выбора основных параметров линейного ускорителя на максимально достижимый темп ускорения. Рассмотрен вопрос долговечности ускоряющей структуры.

В приложении описываются элементы экспериментальной установки, работающие при высоком уровне мощности. Рассмотрены способы соединения волноводов, изменения фазы и направленный ответвитель в вакуумном исполнении допускающих прогрев до "J" = 300°С.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [14, 15,16,17] и докладывались на У1, УШ и IX Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц.

Основные результаты опубликованы в работах [14,15,16,17] докладывались на У1, УШ и IX Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц.

В заключении я считаю своим приятным долгом выразить благодарность директору Института академику А.Н.Скринскому за предоставленную возможность работать по данной тематике и стимулирующий интерес к работе.

Я глубоко благодарен своему научному руководителю Балаки-ну В.Е. за постановку задачи и многочисленные полезные обсуждения.

Считаю также своим приятным долгом выразить благодарность товарищам по работе: Семенову Ю.И., Новохатскому А.В., Соляку Н.А., Яснову Г.И., Кожемякину А.В., Клюеву В.Ф., Аржанову Н.А., Михееву Н.В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертации экспериментально исследована ускоряющая секция линейного ускорителя ВЛЭПП.

1. ^удкер Г.И., Балакин В.Е., Скринский А.Н. -В кн. Будкер Г.И. Собрание трудов. М.: Наука, 1982, с. 418.

2. Линейный ускоритель электронов на энергию 2 ГэВ ФТИ АН УССР. /Вишняков В.А., Гришаев И.А. и др. -В кн.: Труды П Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1970, т.1, М., Наука, 1972, с.66.

3. Proceedings of the SLC workshop on experimental use of the SLAC linear collider. March 1982. Stanford: Stanford linear accelerator center, 1982 (SLAC - 247).

4. Loew G.A. Present and Future Developments on the SLAC three kilometer accelerator. - In: Proc. of the X International conference on high energy accelerator.

5. Halpern J. et al. Phys. Rev., 688(A) (1946).

6. Поляков Б.И. и др. "Тр. РТИ АН СССР", I, 93(1959)

7. Kilpatrick W.D. Rev. Scient. Inst., 28, No 10, 824 (1957).

8. Cranberg L. ,J# Appl. Phys., 23, No 5, 518 (1952).

9. Сливков И.Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М., Атом-издат, 1972, 14с.

10. Капица С.П., Мелехин В.Н. Микротрон. М.: Наука, 1969 г.

11. Матора И.М., Харьюзов Р.В. 0 согласовании резонатора микротрона с волноводным трактом. -Дубна, 1967. -18 с (Препринт-ОИЯИ Р9-3567).

12. Матора И.М., Харьюзов Р.В. К вопросу об электрической прочности ускоряющего резонатора сильноточного микротрона.-Пуб-на, 1968.-12 с.(Препринт/ОИЯЙ Р9-4206).

13. Микротрон лаборатории нейтронной физики ОИЯИ./В.Д.Ананьев, П.С.Анцупов, И.М.Штора и др. -Дубна, 1967.- 40с-(Препринт/ ОШЭД Р9-3283).

14. Балакин В.Е., Брежнев О.Н., Новохатский А.В., Семенов Ю.И. Ускоряющая структура МЭППа. Исследование максимально достижимого темпа ускорения. В кн.: Труды У1 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1978. -Дубна, 1979, с.140.

15. Испытание ускоряющей секции линейного ускорителя ВЛЭПП/Бала-кин В.Е., Бамбуров Ю.Г., Брежнев О.Н. и др. -В кн.: Труды

16. УШ Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1982. -Дубна, 1983, т.2, с.410.

17. Исследование предельного темпа ускорения в линейном ускорителе ВЛЭПП./Балакин В.Е., Брежнев О.Н. и др. -В кн.: Труды IX Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1984.- в печати.

18. Accelerating structure of a colliding Linear Electron-Positron Beam (VLEPP). Investigation of the maximum attainable acceleration rate./V.E.Balakin, O.N.Brezhnev, A.V.Novokhatsky, Yu.I.Semenov.

19. Новосибирск, 1979. -Юс. -(Препринт/Ин-т ядерной физики CO АН СССР; ИЯФ 79-83).

20. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Сов.раддао, 1957.

21. Pound R.V. Frequency Stabilization of Microwave Oscillators.-Proc. I. R. E., 1947, p. 1405.

22. Радионовский А.Л., Трещиков Д.С. "Электронная техника", ср.1, вып.7, 47(1967).

23. Луфт Б.Д., Щустина А.Л. Очистка деталей электронных приборов. -М.: Энергия 1968, 320с.

24. Wilson P.B. Prospects for very high gradient linac-col-lider. IEEE Trans, on Nucl. Science,vol. NS-28, No 3, June 1981.

25. Wang J.W. and Loew G.A. Measurements of ultimate accelerating gradients in the slac disk-loaded structure. -slac/ap-26 January 1985 (ap).

26. Vagine V.A. Standing wave high gradient accelerator structure. ieee Trans, on Nuclear Science, vol. NS-24, No 3, June 1977.

27. SLAC Linear Collider, Conceptual Design Report, SLAC-229.

28. ТапаЪе E. Voltage Breakdown in S-Band Linear Accelerator Cavities. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-30, p. 3551, 1983.

29. Tanabe E. Breakdown in High-gradient Accelerator Cavities p. 403. In: Proc. of the 1984 Linear Accelerator Conference. Lufthansa-Schu-lungszentrum Seeheim, Fed. Rep. of Germany May 7-11 1984.

30. Испытание диафрагмированных волноводов ЛУЭ при больших градиентах полей/О.В.Волчков, Е.К.1Усев и др.-В кн.: Труды УШ Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1982. -Дубна, 1983, т.2, с.22.

31. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах. М., Изд-во иностр. литерат., I960.

32. Дашенков В.М., Ильин B.C. Об измерении сопротивлений связи замедляющих систем с помощью бисерных зондов. -"Электронная техника", 1966, сер.1, вып.1, с.85.

33. Nakamura М. Measurements on the disk-loaded waveguide, -Journ. of Appl. Phys. Japan, 1968, v. 7, No 2, p. 173.

34. Ямпольский И.Р. Исследование гибридной волны ЕН методом нерезонансных возмущений, -^урн.тех. физ., 1970, т.47, № 12, с.2213.

35. Испытания макета ускоряющей секции с кольцевыми резонаторами связи на высоком уровне мощности./Ю.Д.Иванов, В.Г.Кульман и др. В кн.: Труды 1У Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. М., Наука, 1975.

36. Кухаркин Е.С., Сестрорецкий Б.В. Электрическая прочность волноводных устройств. М., Высшая школа, 1963.

37. Severin Н.: An Improved Squeeze Section with Constant --Width Region., Z. angew. Phys., 1954, £, p. 262.

38. Bracewell R.N.: Step Discontinuities in Disk Transmission Lines, Proc. I.R.E., 1954, p. 1543.

39. Whimnery J.R. and Stinson D.C.: Radial Line Discontinuities, Proc. I.R.E., 1955, £3, p. 46.

40. Surdin K.: Directive Couplers in Waveguides, J.I.E.E., 1946, 22 P* IIIA> 4, p. 725.

41. Voss W.G.: Modified Mwo-Hole Directional Coupler, Electronic Radio Engr., 1959, 2£» p. 28.

42. Левин JI. Современная теория волноводов. Пер.с англ., под ред. Э.Л.Дурштейна. ИЛ, 1954.

43. Brady J.J., Pearson M.D. and Peoples S.: Squeere-Section Phase Shifter for Microwave Measurements, Rev. Sci. Inst., 1952, 22, p. 601.

44. Ахиезер А.И. 0 связи прямоугольных волноводов с помощью отверстия в широкой стенке. ЗГО, т.30, в.7.

45. Maitland A, Journ. Appl. Phys. 22» 2399 (1961).

46. Елинсон М.И. Авто электронная эмиссия. М., Физматгиз, 1958.

47. Тарасова Л.В., Разин А.А. Перенос материала электродов в предпробойной фазе и при электрическом пробое в высоком вакууме. Журн. тех. физика., 29, 967(1959).

48. Николаев Ю.Н. Исследование высоковольтного разряда в вакууме на частоте 25 МГц. Журн. тех. физика, 33 , 479(1963).47. hall g.l., parzen p. proc. ire, £i, no 12, 1769 (1953).

49. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М., Госатомиздат, 1961.

50. Мудролюбов В.Г., Петрунин В.И. Обобщенные соотношения для областей существования модификаций резонансного ВЧ-разряда с учетом кулоновского поля. Журнал техн. физика, 40, $ 5, 1017(1970).

51. Latham R.V. High voltage vacuum insulation the Physical Basis. London: Acad, press. 1981. -245p.

52. Сосунов В.А., Шибаев А.А. Направленные ответвители сверхвысоких частот. Саратов. Приволжское книжное издательство, 1964, 134с.

53. Косарев Е.Л. Измерение ускоряющего резонатора микротрона, В кн.: Электроника больших мощностей, вып.5, 1968.