Малогабартиные линейные ускорители электронов 3-см диапазона и криогенные ускоряющие структуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ргз од

/ 8 ИЮН 1998

На правах рукописи

САВЕРСКИИ АЛЕКСАНДР ЯКОВЛЕВИЧ

МАЛОГАБАРИТНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОНОВ 3-см ДИАПАЗОНА И КРИОГЕННЫЕ УСКОРЯЮЩИЕ СТРУКТУРЫ.

01.04.20 Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор

Москва 1998 г.

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Щедр) Игорь Сергеевич.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, професс Петренко Виктор Васильевич, Рй "Курчатовский институт"; кандидат техничесю наук, старший научный сотрудник Грызлов Аи толий Васильевич, ГНПП 'Торий".

Ведущая организация:

Московский радиотехнический институт РАН.

Защита состоится 8 июня 1998 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссе -тационного совета К053.03.07 в Московском государственном инженери физическом институте (техническом университете) по адресу 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, конференц-зал, тел. 324-84-98, 323-91-67.

Просим принять участие в работе Совета или прислать отзыв в одн экземпляре, заверенный печатью организации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета

О

И.С.Щедрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Линейные ускорители электронов (ЛУЭ) 3-см диа-юна находят широкое применение в таких областях, где существенным кри->ием является минимальная масса и габариты установки, возможность рабо-с местной биологической защитой или размещение установки в неспециа-зировашгом помещегош. По целому ряду характеристик ЛУЭ 3-см диапазона 1зываются предпочтительнее изотопных источников ионизирующего излуче-з, а в тех случаях, когда требуемая средняя мощность пучка не превышает ■100 Вт, конкурируют с традиционными ЛУЭ 10-см и более длинноволново-диапазона.

Основным негативным фактором, с которым приходится сталкиваться при ¡работке ЛУЭ 3-см диапазона, является возрастающее значение затухания 14-мощности в стенках ускоряющей структуры, поэтому применение охлаж-шя ускоряющих структур из нормалышх металлов до криогенных темпера» является одним из способов повышения эффективности ЛУЭ. Для отличия сверхпроводящих условимся называть такие структуры криогенными. В 1979 г. соавторами из МУЛ МИФИ объявлено о намерении создания тогенного ЛУЭ. В 1985 г. опубликованы результаты исследований высоко-тотных характеристик резонатора 10-см диапазона при Т = 77 К, прове-шых с целью изучения возможности создания ЛУЭ. Совместная работа рм Varian и Clini Therm Corporation, вообще говоря, завершена неудачей: высоком уровне мощности наблюдалось значительное снижение добротой резонатора при азотной температуре. Причину авторы объяснили муль-гакторным эффектом.

После 1990 года опубликованы результаты исследований по созданию крио-ного ускорителя, выполненных в ХФТИ с начала 80-х годов. Здесь следу-отметить значительные успехи в технологии. Однако осталось непонятным, едена ли работа до испытаний на высоком уровне мощности. Диссертационная pafkrra посвяшена решению научных, технических и нологических вопросов проектирования ЛУЭ 3-см диапазона У-33 и 1/33, теоретическому и экспериментальному исследовашпо ВЧ-актериетик криогенных ускоряющих структур с целью повышения эффек-ности ЛУЭ.

Работа выполнена автором в Малой ускорительной лаборатории МИФИ в [ках научно-технических программ ГКНТ СССР "Создание ускорителей за-сенных частиц для народного хозяйства", ГКНО СССР "Новые закономер-ти ядерных взаимодействий", хоздоговоров с БПИ (г. Минск), ВЭИ им. [. Ленина, МАЭ РФ.

1. Предложена оригинальная схема ускоряющей системы, защищенная ав-ским свидетельством, проведено теоретическое и экспериментальное иссле-ание характеристик ускоренного пучка ЛУЭ У-33 и У-31/33.

2. Предложены и апробированы оригинальные методики измерения вы< частотных потерь в ускоряющих резонаторах при комнатной и криоге температурах, .'защищенные авторскими свидетельствами.

3. Создан экспериментальный стенд для исследования криогенных ; ряющих структур, проведено теоретическое и экспериментальное исследо! высокочастотных характеристик криогенного ускоряющего резонатора диапазона, впервые проведены успешные испытания на высоком уровне ности.

1. Осуществлена разработка, создание, экспериментальное исследовав внедрение (подтверждено актом) ускоряющих систем ЛУЭ У-33 и У-31/3: модификации характеристик силовых полупроводниковых приборов.

2. Предложенные методики измерения добротности СВЧ-резонаторо] пользованы при выполнении НИР по разработке и исследованию ЛУЭ, ] тающих при комнатной и криогенной температуре.

3. Выполнен анализ и определены методики расчета высокочастотны рактеристик криогенных ускоряющих структур; выбраны методики обраС поверхности резонатора, позволяющие реализовать расчетные значения верхностного сопротивления; рассмотрена задача об определении оптимаг температуры ускорителя, при которой затраты на ускорение пучка заряже частиц будут минимальны.

4. Создан экспериментальный стенд для исследования криогенных ; ряющих структур; результаты экспериментальных исследований макета ; ряющего резонатора 3-см диапазона на низком и высоком уровне моцц являются основой НИР по созданию криогенного ускорителя электронов.

1. Результаты проектирования ЛУЭ У-33 и У-31/33, расчета и экспер! тального исследования характеристик ускоренного пучка.

2. Способы измерения добротности СВЧ-резонаторов при комната криогенной температуре.

3. Результаты теоретического и экспериментального исследования характеристик криогенных ускоряющих структур.

Декларация личного вклада. Все результаты, изложенные в диссерт; получены при непосредственном участии автора. Лично автором: 1) осу1 влена разработка, создание и экспериментальное исследование ускоряв систем ЛУЭ У-33 и У-31/33, создание и отладка ряда других систем этих новок, теоретическое и экспериментальное исследование характеристик ; ренного пучка, внедрение ЛУЭ У-33 в Истринском филиале ВЭИ и опь эксплуатация установки; 2) предложена оригинальная ускоряющая систе резонаторной нагрузкой; 3) предложено два оригинальных способа изме{ собственной добротности резонатора - методика "кратных сигналов" и а измерения собственной добротности резонатора с изменяемой температ; проанализированы погрешности измерений; 4) все работы по созданию и

рименталъному исследованию ускоряющих структур при криогенных темпе-гурах выполнены лично автором.

АщюбаШ1Я_.рабо'Ш,_Рсзультаты диссертационной работы были представле-i на Конференциях по ускорителям заряженных частиц (РАС 93, ashington, 1993 г.; РАС 95, Dallas, 1995 г.); IX, XII, XIV, XV Всесоюзных яещаниях по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1984г., Москва, 1990 Протвино 1994, 1996 гг.); Ill, V, VI Всесоюзных совещаниях по примене-ю ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград; 1979, 85, 1988 it.); 6-15 Всесоюзных (Международных) семинарах но линейным сорителям (Харьков, 1979-1997 гг.); Научной сессии МИФИ-98. Результаты фаботки ЛУЭ У-33 в составе коллектива Малой ускорительной лаборатории i(t>Vl удостоены диплома II степени ГКНО СССР, 1988 г. Публикации, По теме опубликовано 25 работ. Три технических решения цищены авторскими свидетельствами на изобретение.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, за-очения и приложения; 181 страница, 59 иллюстраций, 12 таблиц, библио-[фия - 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Характеристики линейных ускорителей электронов в значительной степени эеделяются поверхностным сопротивлением металла, из которого изготовле-ускоряющая структура. Увеличение шунтового сопротивления, снижение бовашш к мощности питания и повышение темпа ускорения можно достичь счет уменьшения поверхностного сопротивления при охлаждении ускоряю-х структур до криогенных температур.

Высокочастотные характеристики криогенных ускоряющих структур, свя-ные с изменением поверхностного сопротивления при охлаждении, можно считать, если известна аналогичная величина для комнатной температуры и чение KR(T) - фактор уменьшения СВЧ-потерь при криогенной гемпера-е Т. Изменение собственной частоты резонатора при охлаждении вызвано, »сновном, изменением геометрических размеров, влиянием изменения по-хностного реактанса Х(Т) на величину if можно пренебречь. В круглом франкированном волноводе продольное электрическое поле является функ-й геометрических размеров КДВ и не изменяется вследствие уменьшения ерь. Фазовая, групповая скорость и коэффициент дисперсности КДВ также оделяются геометрическими размерами волновода и остаются неизменными [ уменьшении поверхностного импеданса. Коэффициент связи резонатора с водящими линиями пропорционален фактору улучшения KR(T). Поверхностный импеданс металлов при криогенных температурах следует считывать с учетом влияния аномального скин-эффекта уже при Т=77 К и > ГГц. В области постоянного поверхностного импеданса (для большинства аллов достигается при температуре Т < (40...50) К его значение рассчиты-гся для предельных случаев: зеркального и диффузного отражения электро-

нов проводимости от поверхности металла. В промежуточной между класс ским и аномальным скин-эффектом области фактор улучшения Кк(Т) с рошей точностью можно определить с помощью рядов или интерполяцион соотношений.

Наибольшей поверхностной проводимостью при низких температурах о дают алюминий и медь. Для достижения предельных значений иоверхност проводимости предпочтение следует отдать алюминию. Однако, при этом в честве хладагента необходимо использовать жидкий водород или гелий, температуре кипения жидкого азота поверхностное сопротивление мед алюминия практически одинаково и выбор в пользу того или иного мет; следует делать с учетом различных факторов. Хотя удельная плотность али пия втрое меньше меди, последняя более легко обрабатывается, обла меньшей стоимостью, изготовление СВЧ - устройств из меди хорошо отр тана.

Технология обработки поверхности оказывает решающее влияние на верхностпый импеданс при низких температурах. Известно, что при комна1 температуре отклонение экспериментальных значений поверхностного со: тивления от расчетных для резонаторов, изготовленных методом элек искровой или токарной обработки без какой-либо дополнительной полиро не превышает 20% и возрастает по мере увеличения частоты. При темпера кипения жидкого азота влияние качества поверхности на поверхностное противление оказывается уже весьма существенным, а в области аномаль; скин-эффекта становится решающим. При тщательной обработке поверх» удается добиться величин Кк(Т) близких, а в некоторых случаях и прево дящих значения, рассчитанные для модели диффузного отражения. Доен ние же результатов близких к модели зеркального отражения является о1 сложной задачей, которая в единичных случаях решена при одновремег применении сверхчистых материалов или специальных присадок, обраб< поверхности электрохимическим полированием с последующим отжигом.

Снижение СВЧ-потерь в ускоряющей структуре и быстрое увелич! энергетических затрат на её охлаждение при уменьшении температуры пс ляет сделать предположение о существовании оптимальной рабочей темп туры ускорителя, при которой общие затраты энергии на ускорение э тронного пучка будут минимальными. Численные расчеты для идеальной х дильной машины (рис. 1) показывают, что максимальный энергетический игрыш достигается при температуре которая слабо зав:

от КПД СВЧ-генератора ?/г и максимальной величины фактора улучпи ККм(Г), достигаемой при этой температуре. Однако, само значение ма мального энергетического выигрыша КР существенно зависит от этих п метров. Результаты расчета КР с учетом реальных потерь в холодильных шинах (рис. 2) показывают, что при величинах т)Т> 0,25 значение КР< всем диапазоне температур, хотя в области "оптимальной температуры" г ществует локальный максимум.

ис. 1. Энергетический выигрыш при Рис. 2. Энергетический выигрыш при хлаждении ускорителя идеальной охлаждении ускорителя реальной хо-олодильной машиной. лодильной машиной.

Немаловажен вопрос о возможности достижения расчетных значений по-грхностного сопротивления и на высоком уровне мощности. Характер кипеня хладагента при охлаждении криогенной ускоряющей структуры определяет азность температур греющей поверхности и насыщенной охлаждающей жид-ости. Максимальный тепловой поток, определяемый переходом к пленочному ипению, может быть использован в качестве критерия для оценки величины аксимального ускоряющего поля, которое достижимо в криогенной ускоряющей структуре. Например, при параметрах ускоряющей системы, характерных и ВЛЭПП: Ez< 185 МВ/м. Наибольшее значение ускоряющего поля дости-1ется при температуре жидкого водорода, поскольку при этой температуре актор улучшения уже максимален, а тепловой поток, при котором происхо-гг кризис кипения, такой же, как для азота или кислорода.

Рассмотрим назначение, основные характеристики, •особенности схем УЭ У-33 и У-31/33. Линейные ускорители электронов с питанием от генера->ров трехсантиметрового диапазона с успехом используются для испытания злупроводников на радиационную прочность и модернизации их характери-ик. ЛУЭ У-33 и У-31/33 разработаны для исследования и отработки технологе! оптимизации параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Использование малогабаритных ЛУЭ 3-см диапазона У-33 и У-31/33 с энер-[ей до 2 МэВ и током (10-г40) мкА позволяет оптимизировать характеристи-I СПП, обеспечивая индивидуальное облучение каждого выпрямительного [емента и проведение контрольных измерений в процессе облучения, исклю-1ть операцию разбраковки СПП по группам с одинаковыми характерисгика-{, создавать на базе этих ЛУЭ малогабаритную установку с местной биологи-

ческой защитой, легко встраиваемую в технологическую линию произволе СПП с заданными параметрами. Основные характеристики ЛУЭ У-33 и 31/33 приведены в таблице 1.

Таблиц

Характеристики ЛУЭ У-33 и У-31/33.

№ Наименование параметра У-33 У-31/33

1. Максимальная энергия, МэВ 1,4 2,1

2. Диапазон регулировки энергии, МэВ 0,5 - 1,4 1,0 - 2,1

3. Средний ток пучка, мкА 18 60

4. Импульсный ток пучка, мА 55 90

5. Энергетический спектр, % 10 10 - 15

6. Длина волны генератора СВЧ, см 3,2 3,2

7. Импульсная мощность генератора СВЧ, кВт 250 500

8. Длительность импульса СВЧ, мке 0,5 1,0

9. Длительность импульса пучка, мке 0,4 0,8

10. Напряжение инжекции, кВ 30 - 50 32 - 42

11. Длина ускоряющей системы, мм 760 760

Схемы построения ускорителей в значительной мере похожи. Пита ускоряющей системы осуществляется от магаетронного автогенератора. ЛУЭ У-33 мощность от магнетрона МИ-512 или МИ-84 (250 н-300 кВт) дается через ферриторый циркулятор. Питание ускоряющей секции ЛУЭ 31/33 осуществляется от магнетрона мощностью Р = 500 кВт (МИ-363Б МИ-242Б) через направленный ответвитель.

При создании линейных ускорителей электронов У-33 и У-31/33 использог одинаковая ускоряющая система, созданная на основе КДВ с переменной метрией и первоначально рассчитанная на энергию = 1,4 МэВ для еле;] щих начальных данных: 1) энершя шгжекции 50 кэВ; 2) импульсная мощн< СВЧ-питания 250 кВ; 3) рабочий вид колебаний г) —тг/2; 4) рабочая част генератора СВЧ, Г = 9368 МГц (Я = 3,2 см); 5) дайна КДВ, I = 760 мм. Рас диапазонных характеристик показал, что максимальная энергия в спроекв ванном волноводе достигается не на расчетной частоте, а при величинах ] стройки частоты лГ = (-5...-6) МГц. Этот факт объясняется тем, что на ] четной частоте Г = 9368 МГц средняя фаза ускоренного сгустка на вы; ускоряющего КДВ составляет величину <р =0,4 (23°). На рис. 3 представл графики зависимости средней кинетической энергии пучка МэВ от в< чины расстройки частоты д£, МГц, и трех значений мощности, подводимс секции Р = (0,25, 0,35, 0,5) МВт. При увеличении мощности питания у ряющей секции максимальная энергия ускоренных электронов возрастает < (250 кВт)=1,7 МэВ при д! = -4 МГц до \У (500 кВт)= 2.1 МэВ при &{ = МГц.

V, МэВ

- Р = 500 кВт

— Р = 350 кВт Р = 250 кВт

Рис. 3. График зависимости средней энергии на выходе ускоряющей секции ог величины расстройки частота.

лГ,Л1Гц

-24 -16 -8 0 8 16

Приведенные результаты показывают, что группирующая секция, первона-тьно рассчитанная на энергию = 1,4 МэВ для создания ЛУЭ У-33, может ть использована для создания ЛУЭ У-31/33 на энергаю \У = 2,0 МэВ при ишчении мощности генератора и одновременном уменьшении рабочей часты.

В линейном ускорителе электронов с бегущей волной неиспользованная л ь мощности отводится в поглощающую нагрузку. Для ускорителей с малы-токами отводимая в оконечную нагрузку мощность может быть достаточно шка: для ЛУЭ У-33 и У-31/33 расчетные значения мощности, рассеиваемой нагрузке при токе I < 25 мА достигают 25%. Известны решения, где гавшаяся часть мощности используется для повышения энергии электронио-пучка. Оригинальным решением такой же задачи является ускоряющая сек-г, в которой доускорение пучка осуществляется во внутриволноводной на-'зке, представляющей собой согласованный ускоряющий резонатор, который полняется из отрезка диафрагмированного волновода в режиме стоячей вол-или бипериодической замедляющей системы.

Для повышения энергии выходного пучка в ЛУЭ У-31/33 предложена внут-юлноводная резонансная нагрузка на основе бипериодической замедляющей :темы с ускоряющими резонаторами □-образной формы. Проектирование юнансиой нагрузки выполнялось, когда разработка ЛУЭ У-31/33 была затаена. Поэтому длина резонатора выбрана равной длине внутриволноводной -лощающей нагрузки действующего ускорителя I - 3/2 Л. Бипериодическая юдляющая система с внутренними ячейками связи, содержащая 3 ускоряю-:х резонатора, подключена к выходу КДВ и выполняет роль резонансной рузки. Длина ячейки связи выбирается такой, чтобы обеспечить максималь-й прирост энергии в резонаторе, а остальные размеры - из условия согласо-гия КДВ и резонатора.

Результаты расчета выходных характеристик пучка в ускоряющей секции с онансной и поглощающей нагрузкой, приведены на рис. 4. Графики по-

строены для рабочей частоты ЛУЭ У-31/33 - = 9354 МГц. Мощность, с димая в нагрузку, изменяется от 50 кВт до 130 кВт в рассматриваемом да зоне изменения тока ускоренного пучка, а энергия в ускоряющей секции с зонаторной нагрузкой может быть повышена от 40% до 20%.

УУ, МэВ

3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0

1.8 1.6

Рис. 4. Нагрузочные рактеристики ускоряю секции ЛУЭ У-31/33 с глощающсй и резонанс нагрузкой.

I, мА

40 80 120

Время заполнения ускоряющей секции с резонансной нагрузкой увелич) на I = 0,15 мке (при нагруженной добротности 0 = 4000). Очевидными н статками применения такой нагрузки являются снижение широкополосн( ускоряющей секции и ухудшение спектральных характеристик. Питание у ряющей секции ЛУЭ У-31/33 осуществляется через ферритовый циркуля Поэтому подключение резонансной нагрузки не окажет существенного влш на работу генератора. Таким образом, пожертвовав широкополосностью у ряющей секции, можно в режиме малых токов увеличить энергию электро! го пучка на (20-40)%.

Поскольку измерение потерь занимает важное место при исследова криогенных резонаторов, разработано несколько оригинальных способов и рения собственной добротности, учитывающих специфику 3-см диапазон работы при криогенных температурах.

Способы измерения собственной добротности резонаторов с регулц мыми связями могут быть реализованы на серийной аппаратуре и не греб высокого значения коэффициента передачи К(ш) в измерительном тракте.

При постоянном значении одного из коэффициентов связи (например, зависимость К(ш0) имеет максимум при выполнении условия ¡3{ =1+/92. / логичное условие достижения максимума коэффициента передачи можно з сать при постоянном значении коэффициента связи /51. Использование г условий положено в основу нескольких методик определения собствен добротности резонаторов с регулируемыми связями.

1. Последовательно регулируя входное и выходное устройство связи резона-ра с линиями передач, добиваемся условий, когда < < 1; = 1+/?2 ~ 1. ри этом Q0=2QH, где QH, Q0 - нагруженная и собственная добротность зонатора. Проведя процедуру согласования при постоянном значении /?, »лучим: Q0«4QH.

2. Методика двух максимумов позволяет исключить систематическую по-ешность, связанную с начальным условием /32 1. При использовании обеих юцедур пункта 1:

Viil Vh2

Величина /?2 при первом измерении (QHÍ) может быть выбрана любой, а 0 определяется по двум значениями нагруженной добротности QHl и Qh2, меренным соответствешю при последовательном согласовании резонатора по оду и выходу.

Предложенные методики обладают одинаковым недостатком: поиск значе-й коэффициентов связи, соответствующих условиям согласования, вносит полнительную погрешность в измерения Q0, хотя величины , и отсут-зуют в выражениях для определения собственной добротности. Для точного ределения экстремума функции К(со0) предпочтительно пользоваться мсто-м вилки, что усложняет процедуру измерений.

3. Третья методика - "кратных сигналов" - позволяет отказаться от проце-ры поиска максимума коэффициента передачи. Первое значение нагру-'нной добротности QH, измеряется при произвольных коэффициентах связи. >и неизменном положении одной из связей, например, выходной установим icoe значение входной связи /3,, чтобы коэффициент передачи изменился в раз, и проведем измерение Qh2 •

Процедура регулировки выходной связи может быть выполнена двумя снобами. Регулируя величину выходной связи, установим такое значение /?2, эбы коэффициент передачи изменился в С раз, и проведем измерение Qh3. бственная добротность определяется выражением:

Qh)QH2 ~* Q-iÍQ-aQ«1-!)

Qo=Q

ni

i-i

i—

(2)

Если после второй регулировки и измерения С2н2 восстановить первона-гьное значение коэффициента связей /3,, а затем, регулируя выходную связь, зиться изменения коэффициента передачи в В раз:

Q0=Q

Fll

1~

A'QhiQH2 "I B'QHIQH32

(3)

Применение представленных методик позволяет существенно снизить " бования к стабильности генератора СВЧ за счет выбора таких значений груженной добротности, которые могут быть измерены с требуемой точное! При этом исчезает необходимость в обеспечении высоких значений коэф циента усиления в измерительном тракте.

К способам определения собственной добротности резонаторных сис при криогенных температурах предъявляются несколько специфических тр< ваний. Процедура измерения должна занимать минимальное время; желател исключить механическое изменение параметров резонаторов (регулировку эффициентов связи, резонансной частоты); элементы измерительного tpi должны быть рассчитаны на работу при высоком уровне мощности.

Изменение величины aQ0 или собственно значение Q0 при измене температуры можно определить, если учесть, что внешняя добротность резс тора Qeh остается постоянной.

Методика измерения добротности резонатора с изменяемой темпера рой включает следующую последовательность процедур: 1) определя( (любым удобным способом) собственная Q0(T0) и нагруженная Q„(T0) i ротность при температуре Т0 (комнатной); 2) при температуре Т измеряс нагруженная добротность QH(T); 3) собственная добротность Q0(T0) температуре Т определяется из уравнения:

Q0(T)=--(4)

l-Qo(To)[Q^(To)-Q^(T)]

Погрешность измерения Q0(T) резонатора с изменяемой температурой трудно определить, поскольку абсолютная погрешность aQ0(T) определяс суммой абсолютных псцрсшностей входящих в уравнение (4) величин и ог деляется точностью измерения нагруженной добротности при двух темпер: pax, а также методикой определения собственной добротности при начать температуре Т0. Максимальная точность при использовании методик одно! двух максимумов достигается при определении положения устройств связи ходом вилки в точках изменения знака второй производной функции коэф циента передачи:

<3Qo=4«dQH+3«dK(e»o). (5)

Что касается методики "кратных сигналов", то математическая погр ность будет слишком велика вследствие сложности выражений и здесь еле; применять методы статистической обработки серии измерений.

Далее представлены результаты экспериментального исследования вы? ных характеристик ускоренного пучка ЛУЭ и ВЧ-характеристик криогсш ускоряющих структур.

Настройка ускоряющих секций ЛУЭ У-33 и У-31/33 проводилась мето, подвижной поглощающей нагрузки. После настройки группирователя на м;

секция стягивалась в продольном направлении с помощью шпильки доста-чной длины и помещалась в вакуумный кожух. Шпилька удалялась, а КДВ ягивался с помощью упорной гайки и болтов. Рабочий трансформатор типа лны согласовывался с КДВ согласующими ячейками. В полосе частот = !Г0±15] МГц КСВн не превышает 1,5.

Измерение выходных характеристик ускоренного пучка - энергии и тока коренных электронов - проводилось с помощью пластинчатого датчика энер-и. График зависимости энергии ускоренного пучка от частоты питания СВЧ я ускорителя У-33 приведен на рис. 5. На этом же 1 рафике приведена рас-тиая зависимость (пунктиром) энергии пучка от частоты, полученная в ре-пьтате моделирования продольной динамики пучка.

у/, МэВ

я / \ \

\ 1 / N \ \ \

1

2.4 2.22.0 1.8 1.6

УУ, МэВ

9350

9360

9370

С, МГц , 4

25 мА

ч \ / " х 50 мА \ /

I*

Г1 с О

ф 1 20 мА -

Г, МГц

9340 9350 9360 9370

Рис. 6. График зависимости с. 5. График зависимости ускорен- ускоренного пучка ЛУЭ У-31/33 от го пучка ЛУЭ У-33 от частоты гене- часхоты генератора, гора.

Максимальная энергия \У = 1,5 МэВ экспериментально-получена при знании среднего тока 1; = 4 мкА. Учитывая, что длительность импульса тока ^ ,4 мке, а частота следования Г = 800 Гц - величина импульсного тока 1и = ,5 мА. Конструкция ускоряющей секции, системы йнжекции и СВЧ-тракта еют ряд недостатков, приводящих к уменьшению энергии и тока по .сравне-ю с расчетными значениями. Кольца и диафрагмы группирователя разме-1ются в рубашке охлаждения на скользящей посадке. СВЧ-контакт между ми обеспечивается механическим прессом. Отсутствие надежного СВЧ-Еггакта приводит к увеличению потерь мощности СВЧ и, следовательно, еньшению выходной энергии. Отсутствие надежного теплового контакта жду рубашкой охлаждения и элементами КДВ приводит к тепловому расти-

рению колец и диафрагм, что объясняет достижение максимальной энергн более низкой по сравнению с расчетной частоте.

График зависимости энергии электронного пучка от частоты для уско{ ля У-31/33 приведен на рис. 6. Экспериментальные кривые приведены различных значениях тока ускоренного пучка. Максимальная энергия 2,05 МэВ достигнута на частоте f = 9346 МГц, т.е. при отстройке от ра< ной частоты Af = - 22 МГц. Причина большей по сравнению с расчетным чением отстройки частоты та же, что и доя ЛУЭ У-33.

Экспериментальное исследование ВЧ-характеристик криогенного рез тора на низком и высоком уровне мощности выполнялось с целью опре; ния и сравнения с расчетным значением фактора улучшения собственной ротности KR, резонансной частоты охлажденного резонатора, изучения i ния технологии обработки поверхности резонатора на величину фак улучшения, изучения особенностей работы на высоком уровне мощности.

Наиболее полно экспериментальные исследования выполнены на мг криогенного ускоряющего резонатора длиной 4 А на виде колебаний 2л рф близкой к 1, выполненного на основе КДВ. Ячейки резонатора изготс

ны в форме чашек. Индивидуальная настройка проводилась на виде колеб 2тг/3 при помощи резонансного макета из трех ячеек, включенного по с четырехполюсника. На завершающей стадии производилась настройка яч связи резонатора с прямоугольным волноводом, возбуждение резонатора ществлялось через первую ячейку. Отверстие связи - индуктивная диафр; Длина отверстия связи равна длине ячейки резонатора, а ширина и толг определяют коэффициент связи резонатора с прямоугольным волноводом, эффициент связи с подводящим трактом составил величину /9 = 0,61. Н< номерность амплитуды ускоряющего поля по длине резонатора не превы 10%.

После завершения настройки резонатора, его поверхность подвергалас1 мической полировке в растворе ки

1 / 3 • Н3Р04 X1 / 3 • HN03 X1 / 3 • СН3СООН. Травление осуществлялось в неск ко этапов. После очередной операции химической полировки измерялась j нансная частота и собственная добротность резонатора на виде колебаний 2jt/3. Экспериментальные характеристики представлены в таблице 2. Здес приведены проектные и расчетные характеристики, полученные при испо.1 вании программы PRUD-0.

Для измерений при температуре жидкого азота резонатор размещался i ризонтальном криостате емкостью V = 10 л. Вакуумная плотность ячеек j натора и элементов его конструкции обеспечена кольцевыми индисе уплотнениями. Откачка осуществлялась магниторазрядным насосом Н 0,025. Вакуум при криогенной температуре не хуже 2*10~6Па. Тепле мостом в СВЧ-тракте служил отрезок прямоугольного волновода из не веющей стали с толщиной стенок 0,7 мм.

Таблица 2.

Проектные, расчетные и экспериментальные характеристики криогенного резонатора.

№ Наименование параметра ) Т = 293 К | Т = 77 К

Проектные параметры резонатора

1. Длина резонатора, /, мм 128 127,605

2. Вид колебаний, # 2лУЗ 2/т/З

3. Относительная фазовая скорость, /?ф 0,99478 0,99470

4. Внутренний диаметр, 2Ь, мм 25 24,923

5. Параметр нагружения, аЛ 0,1 0,1

Расчетные параметры

6. Потери мощности (Е0 = 1 МВ/м) Р, Вт 316 113

7. Запасенная энергия (Е0 = 1 МВ/м) Дж 4,2 -10~5 4,2-10"5

8. Собственная добротность, (20 7850 22000

9. Шунтовой импеданс, Я,,,, МОм/м 57 160

10. Коэффициент перенапряженное™ 1,52 1,52

Экспериментальные результаты

11. Резонансная частота, /0, МГц 9319,8 9348,0

12. Собственная добротность, С20 6800 17000

13. Коэффициент связи, ¡3 0,61 1,53

14. Фактор улучшения, Кк - 2,5

Экспериментальные величины резонансной частоты и собственной доброт->сти при температуре жидкого азота хорошо согласуются с расчетными знаниями. Полученное значение фактора улучшения поверхностного сопротив-ния Кк = 2,5 соответствует выбранной технологии обработки поверхности зонатора.

Испытания криогенного резонатора и исследование его характеристик на ¡соком уровне мощности проводились с целью экспериментальной проверки зможности создания линейного ускорителя электронов 3-см диапазона, рабо-ющего при температуре кипения жидкого азота. Основное внимание обра-;но на стабильность фактора улучшения Кк и собственной частоты рсзона-ра при воздействии высокого уровня мощности. В единственной публикации, вестной к моменту проведения представленной работы и содержащей резуль-гы испытаний криогенного ускоряющего резонатора 10-см диапазона на вы-ком уровне мощности, отмечено резкое уменьшение собственной доброт->сти вследствие мультипакторного эффекта.

Испытание резонатора на высоком уровне мощности выполнялось на стен. Питание криогенного резонатора осуществляется от магнетрона МИ-84 »щностью до 300 кВт через ферритовый циркулятор. Регулировка частоты

магнетрона в широком диапазоне осуществляется механически. От тракта С резонатор отделен керамическим СВЧ-окном.

Охлаждение резонатора до температуры жидкого азота производя; "медленно" в течение 1 часа для того, чтобы избежать перекосов конструк резонатора и разгерметизации вакуумных уплотнений. Расход азота на пер1 ное охлаждение составляет (10-Н5) л. Расход азота при испытании резона! на высоком уровне мощности при Р - (100-г200) Вт составляет (5-ь7) л/ч.

Модулятор магнетрона, построенный по классической схеме линейного дулятора с импульсным трансформатором и тиратронпым коммутатором, о1 печивает импульсы длительностью 0,5 мкс и амплитудой (174-25) кВ при 1 тоте повторения от 1 до 2,5 кГц.

При проведении испытаний на высоком уровне мощности собственная г ротность определялась предложенным способом для резонатора с изменяе температурой (по уравнению 4), а нагруженная добротность - методом изм< ния декремента затухания свободных колебаний резонатора. Незначител! систематическая составляющая погрешности измерения декремента опр ляется большим значением среза возбуждающего импульса, случайная - г сутствием отражений в измерительном тракте и собственно погрешностью мерения уровня и времени. Результаты измерения декремента затухания на де колебаний & = 2л1Ъ при комнатной температуре и температуре жид* азота представлены соответственно на рис. 7 и рис. 8.

Рис. 7. Осциллограмма огибающей отраженного ВЧ-импульса при комнатной температуре.

Рис. 8. Осциллограмма огибаю! отраженного ВЧ-импульса при т пературе жидкого азота.

Добротность криогенного резонатора была измерена при различных ве чинах мощности, подводимой к резонатору. Импульсная мощность варьирс лась в диапазоне Р = (150-4-300) кВт за счет изменения анодного напряже магнетрона. Средняя мощность изменялась при регулировке частоты следс ния импульсов в диапазоне Г = (1400-^-2800) Гц. Значение собственной х ротности оставалось постоянным во всем диапазоне изменения средней и пульсной мощности магнетрона и совпадало с величиной, измеренной на I

)м уровне мощности. При этом среднее ускоряющее поля при максимальной эщности Р = 300 кВт составляло величину Е ~ 30 МВ/м для комнатной тем-;ратуры и Е ~ 50 МВ/м при температуре жидкого азота. Полученные резуль-ты позволяют утверждать, что использованная технология сборки и обработ-1 поверхности ускоряющей структуры пригодна для создания криогенного УЭ в 3-см диапазоне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. Получены соотношения для изменения ВЧ-характеристик ускоряющих руктур при охлаждении, позволяющие проводить их настройку при комнат-)й температуре и получать требуемые значения при криогенной температуре.

2. Определена простая методика расчета фактора улучшения поверхностно-сопротивления, дающая наилучшее соответствие экспериментальным ре-

льтатам. Выполнены расчеты фактора улучшения Кк для ускоряющих руктур из меди и алюминия.

3. Рассмотрено влияние технологии обработки поверхности металла на ве-мину поверхностного сопротивления при криогенных температурах. Опреде-ны технологии, позволяющие реализовать значения фактора улучшения Кк шкие к теоретическим.

4. Изучены особенности теплового режима криогенной ускоряющей струк-ры, проведены расчеты оптимальной температуры линейного высокочастотна) ускорителя.

5. Выполнены расчеты выходных характеристик ускоренного пучка для /Э У-33, У-31/33. Рассмотрена оригинальная схема ускоряющей системы с зонансной нагрузкой. Выполнено моделирование динамики электронного чка в такой системе.

6. Проведена настройка ускоряющих систем, отладка и запуск ЛУЭ У-33 и Я/33. Измеренные выходные характеристики удовлетворительно соответ-вуют результатам расчета.

7. Спроектирован макет криогенного резонатора 3-см диапазона. Представ-ны результаты экспериментального исследования ВЧ-характеристик на низ->м и высоком уровне мощности. Результаты измерений совпадают с расчет-ми значениями как на низком, так и на высоком уровне мощности.

8. Предложены оригинальные способы измерения добротности резонаторов и комнатной и криогенных температурах. Выполнен анализ пофешностей мерений.

Осно(н(ь1е_ноложен1ш и_результа1ь1рабапл1со;ед)жатся^л схсдуюдшхпу-нвациях:

АС СССР № П48460, 1984, МКИ С0Ш1126. Способ измерения собственной добротности ускоряющего резонатора. / Щедрин И.С., Саверский А.Я. // Бюлл. изобретений и открытий, № 34, 1985.

2. АС СССР № 1404978, 1988, МКИ <30Ш7/26. Способ определения с ственной добротности резонатора. / Саверский А.Я., Щедрин И.С. // Бн изобретений и открытий № 23, 1988 г.

3. АС СССР № 1333217, 1987, МКИ Н05Н9/00, 7/02. Линейный ускорит заряженных частиц. / Саверский А.Я., Щедрин И.С. И Бюлл. изобретена открытий, N2 43, 1988.

4. Андросов В.В., Саверский А.51., Щедрин И.С. Криогенный линейный ус ритель 3-см диапазона для дефектоскопии и медицины. // Доклады трет! Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных части народном хозяйстве. Л.: 1979, т. 1, с. 263.

5. Саверский А.Я., Щедрин И.С. Добротность ускоряющего резонам охлаждаемого жидким азотом. //Ускорители наряженных частиц. М.: Э1 гоиздат, 1983, с. 81.

6. Саверский А.Я., Щедрин И.С. Криогенный линейный ускоритель злеет нов 3-см диапазона (проектные параметры). // Вопросы атомной наук техники. Сер. Техника физического эксперимента. Вып. 2(14), 1983, с. {

7. Саверский АЛ., Щедрин И.С. Криогенные ускоряющие структуры 3 диапазона. // Ускорители заряженных частиц. М.: Энергоиздат, 1983, с. 81.

8. Кузьмин И.А., Саверский А.Я., Шалтырев А.П., Щедрин И.С. Линей!

■ ускоритель электронов 3-см диапазона для радиационных исследований

33. // Аннотации докладов IX Всесоюзного совещания по ускорителям ряженных частиц. Дубна: ОИЯИ Р9-84-641, 1984, с. 11.

9. Кузьмин И.А., Саверский А.Я., Щедрин И.С., Шалтырев А.П. Линей] ускоритель электронов трехсантиметрового диапазона У-33 для радиащ] ных исследований полупроводников. И Тезисы докладов пятого Всесоюз го совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народ] хозяйстве. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1985, с. 37.

10. Кузьмин И.А., Саверский А.Я., Шалтырев А.П., Щедрин И.С. Малоп ритный линейный ускоритель электронов трехсантиметрового диапазона 33. // Тезисы докладов IX Всесоюзного семинара по линейным ускорите заряженных частиц. Харьков.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1985, с. 29.

11. Щедрин И.С., Гозин И.И., Саверский А.Я. Линейные ускорители элект нов трехсантиметрового диапазона. // Вопросы атомной науки и техш Сер. Техника физического эксперимента. Вып. 2(37), 1988, с. 16.

12. Дворников В.А., Кузьмин И.А., Марков В.Н. Саверский А.Я., Шалгы А.П., Щедрин И.С., Кузнецов В.М., Плетнев М.Н. Линейные ускорит электронов 3-см диапазона У-33 и У-31/33 для радиационной технологи! Тезисы докладов шестого Всесоюзного совещания по применению ускс татей заряженных частиц в народном хозяйстве. ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1988, с. 17.

13. Саверский А.Я. Щедрин И.С. Расчет и экспериментальное исследова выходных характеристик ЛУЭ 3-см диапазона У-33 и У-31/33. // Вопр<

омной науки и техники. Сер. Ядерно - физические исследования. Вып. 5), 1989 г.

1ворников В.Л., Шалтырев А.П., Щедрин И.С., Гозин И.И., Саверский .Я., Кузьмин И.А., Мишин А.В., Ермилов Э.А. Компактные линейные жорители. // Труды XII Всесоюзное совещание по ускорителям заря-енных частиц. М.: ИТЭФ, 1990 г.

Зверский А.Я., Щедрин И.С. Высокочастотные характеристики и тепло->й режим ускоряющей структуры, охлаждаемой жидким азотом. // Тезисы жладов XII Всесоюзного семинара по линейным ускорителям. Харьков: НИИАТОМИНФОРМ, 1991.

!рмилов Э.А., Саверский А.Я., Щедрин И.С. Резонансная внутриволновод-ш нагрузка ЛУЭ с бегущей волной. // Тезисы докладов XII Всесоюзного :минара по линейным ускорителям. Харьков: 1991.

Ермилов Э.А., Саверский А.Я., Щедрин И.С. Внутриволноводная резо-шеная нагрузка ЛУЭ с бегущей волной. // Линейные ускорители электро-)в сантиметрового диапазона длин волн. М.: МИФИ, 1991. Саверский А.Я. Высокочастотные характеристики криогенных ускоряю-,их систем. // Современные проблемы информатики, вычислительной тех-пси и автоматизации. М.: ВИНИТИ АН СССР и ГКНТ, 1991. aversky A.J. and Shchedrin I.S. Measurement of Microwave Properties of X-and Accelerating Structure Under Pulsed High-Power Operation at Liquid itrogen Temperature. // Proceeding of the 1993 Particle Accelerator onference, Washington, May 17 - 20, 1993.

Саверский А.Я., Щедрин И.С. Испытание на высоком уровне мощности жоряющей структуры, охлаждаемой жидким азотом. //Тезисы докладов шнадцатого Харьковского семинара по линейным ускорителям заря-енных частиц. Харьков: ННЦ ХФТИ, 1993.

Гавсрский А.Я., Ермилов Э.А., Шалтырев А.П., Щедрин И.С. Портатив-ай ЛУЭ 3-см диапазона для дефектоскопии. // Аннотации докладов XIV овещания по ускорителям заряженных частиц. Протвино: ИФВЭ, 1994 г. »aversky A.J., Mishin A.V., Radionov А.Е., Ermilov E.A., Shaltyrev A.P., ichedrin I.S. Portable X-Band Linac With Removable Accelerating Structures >r Radiography, Medicine, Technology Research. П Bulletin of the American îysical society, 1995, Vol. 40, No. 3, p. 1098.

>верский А.Я. Оптимальная температура криогенного ЛУЭ. // Сборник 1учных трудов "Научная сессия МИФИ-98", часть 3, с. 145, М.: МИФИ, >98 г.

;писано в печать 2.4.04. 98 Заказ 40$ Тираж Ш .

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31