Разработка ввода большой средней мощности в сверхпроводящие резонаторы линейных ускорителей электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

Краснов Андрей Александрович

Разработка ввода большой средней мощности в сверхпроводящие резонаторы линейных ускорителей электронов

01 04 20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва 2007

003058437

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

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Собенин Н.П.

доктор технических наук, заместитель директора по научной работе Института ядерных исследований Российской академии наук Кравчук Л В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института физики высоких энергий Звонарев И.А.

НИИ ядерной физики им. Д В.Скобельцына МГУ им. М.В.Ломоносова

Защита состоится " 24 " мая 2007г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д212.130.01 в аудитории К-608 МИФИ по адресу: г. Москва, Каширское ш.31, тел. 324-84—98, 323-91-67, 323-90-52

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Просим принять участие в работе диссертационного совета или прислать отзыв в одном экземпляре. Отзыв должен быть подписан 2-3 лицами, имеющими ученую степень, утвержден руководителем организации и заверен печатью

Автореферат разослан " 20 " апреля 2007г.

Ск

Ученый секретарь диссертационного совета

И.С. Щедрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В настоящее время в мире широко обсуждаются предложения по созданию линейных ускорителей на запасенной энергии (ERL) и линейных ускорителей-драйверов для лазера на свободных электронах (FEL). Успехи сверхпроводящих резонаторов, сделанные за последние 10 лет для TESLA/TTF на частоте 1300 МГц, надежность достижения градиента более 20МэВ/м, удовлетворяют требованиям для ERL и FEL ускорителей. Главное назначение этих ускорителей состоит в получении интенсивных фотонных потоков, что можно реализовать лишь при высоком токе и большой частоте повторения электронных сгустков, лучше при работе в непрерывном режиме. Большие средние мощности, порядка сотен киловатт, вводимые в сверхпроводящие резонаторы таких ускорителей, требуют новых решений, как в устройствах ввода мощности (УВМ), так и устройствах вывода из структур волн высших типов. Поскольку средние уровни мощности, вводимые в сверхпроводящие резонаторы, должны составлять сто и более киловатт, то проблема минимизации потоков тепла, создающих нагрузку на криогенную систему, является одной из центральных. Поэтому для надежного функционирования устройства ввода мощности и установки в целом необходимо выполнение тепловых расчетов и расчетов механической прочности сложной конструкции, работающей в условиях значительных тепловых нагрузок и внешних механических напряжений. Особенно важно уменьшение тепла, выделяемого устройством ввода мощности в криогенной зоне с температурами 2 К и 4 К, охлаждаемой жидким гелием, а также 80 К, охлаждаемой жидким азотом Устройство ввода мощности должно быть также согласовано на рабочей частоте при различных положениях антенны, вводимой в сверхпроводящий резонатор при изменении нагрузки пучком. Немаловажной проблемой при уровнях средней мощности более 150 кВт является создание условий по недопущению развития мультипакторного разряда. Универсальная методика разработки устройства ввода мощности, учитывающая все указанные факторы, до сих пор в полном объеме не развита.

На основе анализа всех известных действующих и проектируемых вводов высокочастотной мощности в ускоряющие сверхпроводящие резонаторы проведен тщательный комплексный анализ

коаксиальных и волноводных устройств. Рассмотрены вопросы снижения теплосъема в криогенных зонах, уменьшения габаритов, возможности регулировки внешней добротности сверхпроводящих резонаторов на порядок и др В качестве рабочей частоты выбрана частота 1300 МГц, получившая широкое распространение особенно при разработке электрон-позитронных коллайдеров.

Диссертация посвящена разработке методики расчета тепловых нагрузок, возникающих в конструкции УВМ при передаче большой средней СВЧ мощности, а также расчету устройств, используя эту методику Наряду с тепловыми расчетами рассматриваются высокочастотные свойства элементов устройств и устройства в сборе, а также вопросы механической жесткости. За основу взята конструкция УВМ коаксиального типа с симметричным питанием со средней мощностью 2x75 кВт. С целью повышения уровня вводимой средней мощности до 2x250 кВт рассмотрены модификации разработанного ввода мощности, а именно, конструкции с двумя и с одним сильфоном, а также с емкостной связью. Изучены возможности применения волноводных УВМ с регулируемым коэффициентом связи Развиты методы расчета внешней добротности сверхпроводящих резонаторов с использованием методики, основанной на суперпозиции двух решений резонансной задачи с разными граничными условиями, а также решения получаемого из частотной зависимости коэффициента передачи на бегущей волне.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является разработка методики, позволяющей проводить расчеты тепловых процессов в узлах вводов больших уровней средней СВЧ мощности в сверхпроводящие резонаторы. С использованием данной методики, а также электродинамических и прочностных расчетов проведение оптимизации конструкции симметричного коаксиального узла ввода средней мощности 2x75 кВт для сверхпроводящего резонатора инжектора линейного ускорителя с рекуперацией энергии, и вариантов модернизации УВМ для передачи 2x250 кВт средней мощности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Разработана методика, позволяющая проводить расчеты взаимосвязанных электромагнитных и тепловых задач в которых в

качестве основной из тепловых нагрузок на УВМ выступают токи в стенках, вызванные передачей СВЧ мощности Методика включает в себя учет температурных зависимостей параметров материалов (проводимость поверхности, теплопроводность, комплексная диэлектрическая проницаемость).

2. Выполнены расчет и оптимизация симметричного коаксиального УВМ на среднюю мощность 2x75 кВт. Выполнена серия расчетов деформаций и напряжений в керамических окнах под действием различных факторов. Предложены способы регулировки коэффициента связи и методы расчета внешней добротности сверхпроводящих резонаторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

1. Разработанная методика позволяет решать весь спектр тепловых и электродинамических задач, в которых основной из тепловых нагрузок на конструкцию являются токи в стенках УВМ при передаче СВЧ мощности.

2 Проведена оптимизация конструкции УВМ на среднюю мощность 2x75 кВт с целью снижения тепловыделения в нем Полученные расчетные данные легли в основу рабочего проекта устройства, согласно которому было изготовлено несколько опытных образцов. В Корнельском университете они были успешно испытаны на высоком уровне мощности.

3. Предложена конструкция дроссельного соединения волноводно-коаксиального перехода с керамическими окном, находящимся при комнатной температуре («теплая» керамика).

4 Представлены предложения по модернизации устройства ввода средней мощности для передачи 2x250 кВт. Предложены конструкции с одним сильфоном и антенной, выполненной в виде петли связи.

Работы были выполнены по договору о научно-техническом сотрудничестве между МИФИ и Корнельским университетом (США) в рамках работы над проектом ERL, а также гранту В2М411 Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF)

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие результаты диссертации, полученные в ходе выполнения работ:

1 Методика расчета взаимосвязанных электромагнитной и тепловой задач, как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность Для расчета произвольных конструкций используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. Для увеличения скорости расчета при использовании трехмерных конечных элементов часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.

2. Результаты оптимизации конструкции регулируемого симметризованного коаксиального ввода средней мощности на 2x75 кВт и частоте 1300 МГц. Тепловыделение в криогенных зонах составило 0.23Вт в гелий при 2 К, 24 Вт в гелий при 42 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К Приведенные данные являются рекордными для выбранной частоты и уровня средней мощности. Расчетный коэффициент отражения от отдельных элементов и устройства в целом составляет - 30 дБ2) на рабочей частоте 1300 МГц.

3. Оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода для уменьшения неравномерности распределения температур по объему «теплой» керамики и наилучшему отводу тепла. Конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа, основным преимуществом которого является механическая развязка волновода и керамического окна.

4. Результаты расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации. Они включали в себя1 расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации. По расчетным данным и переданной документации в Корнельском университете изготовлено несколько опытных образцов вводов мощности.

5. Варианты конструкции ввода мощности, позволяющие передавать в непрерывном режиме среднюю мощность 2x250 кВт. Предложены следующие конструкции: модернизированный вариант

" Здесь и далее в качестве разделителя целой и дробной части используется точка

25 Коэффициент отражения, выраженный в децибелах, рассчитывается по формуле Гдб = 20 log Su

ввода мощности на 2x75 кВт, ввод мощности с одним сильфоном, а также ввод мощности с антенной, выполненной в виде петли связи.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обоснована расчетами с использованием различных методов математического моделирования и результатами экспериментальных исследований опытных образцов предложенной конструкции УВМ

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты и положения диссертации были представлены на российских и международных конференциях и журналах, в частности:

• 12-th International Workshop on RF Superconductivity, SRF-2005,

Ithaca, New York, USA;

• 10-th European Particle Accelerator Conference (EPAC-2006),

Edinburgh (England), 2006;

• XIX конференция по ускорителям заряженных частиц, RUPAC-

2004, Дубна;

• XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators,

Ukraine, Alushta, 2005;

• Научная сессия МИФИ (2004, 2005, 2006, 2007);

• Приборы и техника эксперимента, 2006, №6.

ПУБЛИКАЦИИ: Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 12 работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ- Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 источников, и приложения.

Общий объем работы составляет 186 страниц, 138 рисунков и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время в мире широко обсуждаются предложения по созданию линейных ускорителей на запасенной энергии (ERL). Один из проектов такого ускорителя создается лабораторией физики элементарных частиц Корнельского университета совместно с Джефферсонской научной лабораторией. На первом этапе будет сооружен прототип ускорителя ERL с параметрами пучка 100 МэВ и током в непрерывном режиме 100 мА для изучения концепции

рекуперации энергии пучков высокой мощности с малыми эмитгансами.

От пушки, пучок электронов постоянного тока с энергией 500 кэВ поступает в медный группирователь и затем ускоряется в пяти двух ячеечных сверхпроводящих резонаторах до энергии 5.5 МэВ при номинальном среднем токе 100 мА. Прирост энергии в каждом резонаторе составляет 1 МэВ Необходимая СВЧ мощность генератора с учетом нагрузки пучком, потерь в волноводах и некоторого запаса составляет 130 кВт в расчете на один резонатор. Частота питающего генератора 1300 МГц. Предусмотрен режим ускорения до 15.5 МэВ при меньшей нагрузке током Для его реализации в устройствах ввода мощности предусматривается возможность изменения величины внешней добротности сверхпроводящих резонаторов на порядок.

Рис.1. Внешний вид двухъячеечного резонатора

\ t TT

тг

Рис.2, Геометрия резонатора с отдельным изображением концевой части антенны

В конструкции используется двойной (симметричный) коаксиальный узел ввода мощности (рис.1, рис.2). Симметричные коаксиальные вводы мощности имеют следующие преимущества: они позволяют минимизировать поперечное отклонение пучка, движущегося вдоль оси резонатора, и уменьшают нагрузку мощностью для каждого его плеча в два раза.

УВМ должно иметь малую утечку тепла при криогенных температурах и конструкцию, совместимую с криостатом инжекторного резонатора. Устройство инжекторного криомодуля подобно криомодулю ускорителя TESLA, так что некоторые конструктивные особенности УВМ похоже на ввод мощности TTF-Ш, а именно: тепловые экраны при 4.2 К и 80 К, соединительные фланцы, длина ввода мощности. Однако ввод мощности TTF-III сконструирован на большую импульсную мощность, а его средняя

мощность на порядок меньше рассматриваемого устройства. Некоторые требования к коаксиальному УВМ в двух ячеечный сверхпроводящий резонатор приведены в таблице 1. Следует отметить, что указанные величины утечки тепла в криогенной зоне при большой средней мощности, поступающей через устройство ввода, на частоте 1300 МГц являются рекордно низкими.

Таблица 1 Требования к УВМ

Частота 1300 МГц

Максимальная средняя мощность, передаваемая в согласованную нагрузку 75 кВт

Импеданс коаксиальной линии 60 Ом

Собственная добротность двух ячеечного резонатора Оо £ 5 109

Диапазон изменения внешней добротности 4 6-Ю4 до 4 1 105

Отношение шунтового сопротивления к добротности 11/(3 218 0м

Перемещение антенны > 15 мм

Утечка тепла до 2 К <0 2 Вт

Утечка тепла до 4 2 К <3 5 Вт

Утечка тепла до 80 К <75 Вт

Для проведения расчетов тепловых потерь в конструкции УВМ, обусловленных передачей большой средней СВЧ мощности, был разработан алгоритм, принципиальная схема которого представлена на рис 3.

Последовательность расчетов состоит в следующем- на первом этапе создается твердотельная модель, включающая в себя как конструкцию непосредственно самого объекта, подвергаемого действию электромагнитного излучения, так и среды распространения электромагнитных волн. Затем проводится расчет электромагнитной задачи. После этого, для определения начального распределения температур в конструкции проводится тепловой расчет, без учета воздействия электромагнитного поля. По результатам этих двух расчетов вычисляются тепловыделения на металлических поверхностях и в диэлектриках, которые и применяются в качестве граничных условий для теплового расчета. Затем следует итерационный тепловой расчет, на каждом последующем шаге которого определятся температуры и сравниваются с предыдущим шагом. При недостаточном совпадении

результатов вновь происходит пересчет тепловыделения с учетом нового распределения температур. И так далее, вплоть до достижения необходимой сходимости.

Рис.3. Алгоритм электромагнитного и теплового расчета в АКБУЭ

В случае, когда изменением параметров материалов от температуры можно пренебречь, алгоритм значительно упрощается. Необходимость в итерационном расчете пропадает, как и в предварительном тепловом расчете. После расчета электромагнитной задачи достаточно пересчитать электрические и магнитные поля в потери и провести один тепловой расчет.

Отличительными особенностями данного алгоритма является: • возможность решения аксиально-симметричных задач используя плоскую тепловую модель, что дает хорошую точность результатов при минимальном времени расчетов;

• учет изменения удельного сопротивления и теплопроводности материалов от температуры;

• возможность решать задачи с наличием напыления на металле;

• учет инфракрасного излучения;

• расчет деформаций в модели.

Алгоритм реализован с помощью встроенного языка макросов в программе А№5У8.

С использованием этого метода и проводились все дальнейшие расчеты.

Для упрощения расчетов ввод мощности был разделен на две части: коаксиальный и волноводно-коаксиальный переходы (рис.4). Как показали расчеты, подобное разделение оказалось адекватным и допустимым.

Коаксиальный переход

Волноводно-коаксиальный переход

Рис.4. Разделение узла ввода мощности на две части

Первоначально была проведена серия СВЧ расчетов с целью согласования тех узлов конструкции, изменение геометрии которых не планировалось при оптимизации тепловыделения. Остальные части конструкции, как например области сильфонов согласовывались уже в процессе проведения тепловых расчетов. В окончательном варианте УВМ отражение составило - 30 дБ. Также параллельно проводилась оптимизация направленная на снижение перенапряженности электрических полей в элементах конструкции УВМ.

Первым этапом тепловых расчетов стала оптимизация коаксиальной части. Так как эта часть обладает аксиальной симметрией, то расчеты проводились с использованием плоской тепловой модели.

Оптимизация зоны «холодного» сильфона (находящегося при криогенных температурах) показала, что для уменьшения тепловыделения необходимо разделение сильфона на две части дополнительным теплоотводом 80 К. При оптимизации внешнего

«теплого» сияьфона (работающего при комнатных температурах) нужно разделить его на части, но уже теплоотводом 300 К. Необходимо также предусмотреть дополнительное охлаждение «теплой» части внутреннего проводника, и сильфона на нем. Для их охлаждения используется воздух при температуре 0°С, прокачиваемый со скоростью 20 м/с. Проведена оптимизация толщины стенок антенны так, чтобы с одной стороны уменьшить температуру наконечника, а с другой стороны снизить нагрузку на керамическое окно, находящееся при азотной температуре («холодная» керамика).

В результате оптимальный вариант симметричного ввода средней мощности в непрерывном режиме 2x75 кВт имеет значения тепловыделения 0.23 Вт в гелий при 2 К, 2.4 Вт в гелий при 4.2 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К. За исключением зоны 2 К, где получилось превышение на 15%, в остальных зонах удалось уложиться в заданные рамки (табл.1) по тепловой нагрузке на криогенные зоны. На рис.5 приведено распределение температур для окончательного варианта УВМ.

Рис.5. Распределение температур Рис.6. Распределение температур в в коаксиальной части УВМ вол но водно-коаксиальном переходе

Далее были проведены расчеты волноводно-коаксиального перехода. Как показали расчеты, для эффективного теплоотвода вся область вокруг керамического окна должна бьггь выполнена из меди. Также, для снижения неравномерности нагрева керамики было добавлено охлаждение направленным потоком воздуха. Результаты теплового расчета приведены на рис,6.

(температура в Кельвинах)

(температура в Кельвинах)

Проведена серия расчетов, связанная с механическими деформациями. Необходимо было установить, какие механические напряжения возникают в керамических окнах и не приведут ли они к их разрушению. Расчеты включали:

- учет деформаций при нагреве;

- учет перемещения антенны (во время перестройки внешней добротности);

- разницу давлений при откачке разных частей УВМ;

- воздействие земной гравитации на наконечник антенны.

Как показали расчеты, керамика имеет как минимум двухкратный запас прочности даже по самому критичному параметру - пределу прочности на изгиб, и десятикратный - по пределу прочности на сжатие.

Рис.7. УВМ, собранный в Корнельском университете

По рассчитанным геометрическим размерам УВМ конструкторским бюро ООО «Интроскан» была разработана конструкторская документация. В настоящее время в Корнельском университете изготовлено несколько опытных образцов (рис.7) таких УВМ. С использованием резонатора на бегущей волне через УВМ было успешно передано 50 кВт средней мощности. В дальнейшем планируется использование клистронного усилителя с необходимой величиной выходной мощности и увеличение передаваемой мощности в ускоряющие резонаторы до номинального значения 75 кВт. На рис.8 изображен криостат для тестовых испытаний с двумя симметризованными вводами мощности.

Рис.8. Криостат для проведения тестирования

Следующим этапом работы стало исследование направленное на повышению передаваемой средней мощности до 2x250кВт.

Расчеты разработанной конструкции УВМ показали, что она может передавать 250 кВт, но только после некоторых модификаций: добавлен дополнительный теплоотвод в 300 К после внешнего «теплого» сильфона; увеличена скорость воздуха, охлаждающего внутренний проводник; увеличены толщины стенок внутреннего проводника и антенны. После всех модификаций тепловыделение при передаваемой мощности 250 кВт составило 0.65 Вт в гелий при 2 К, 6.6 Вт в гелий при 4.2 К и 300 Вт в азот при температуре 80 К У данной конструкции сохранился недостаток - перегрев сильфонов (до 500 К) и наконечника антенны (до 300 К).

В качестве решения проблемы перегрева сильфонов предложена и рассчитана конструкция УВМ с одним сильфоном вместо трех. Единственный сильфон располагается почти у самого наконечника антенны. Форма наконечника антенны осталась прежней. За счет прокачки азота вплоть до наконечника антенны удалось снизить температуру антенны до приемлемого значения 100 К. Тепловые потери составили 0.65 Вт в гелий при 2 К, 9.6 Вт в гелий при 4.2 К и 178 Вт в азот при температуре 80 К.

[

2 108 215 327

Рис.9 Ввод мощности с антенной, выполненной в виде петли связи при мощности 250 кВт (температура указана в Кельвинах)

Предложены варианты дальнейшей оптимизации конструкции УВМ с целью снижения тепловыделения в зонах 4.2 К и 80 К. Одним из них является вариант узла ввода мощности с антенной, выполненной в виде петли связи. Изменение внешней добротности достигается за счет изменения величины емкостного зазора между центральным проводником коаксиальной линии и антенной. Проведена оптимизация формы антенны для возможности подстройки внешней добротности в диапазоне 105-106 при изменении величины емкостного зазора на 10 мм. Тепловые потери в конструкции составили 2.2 Вт в гелий при 2 К, 9.7 Вт в гелий при 4.2 К и 117 Вт в азот при температуре 80 К. Распределение температур представлено на рис.9. Увеличение тепловыделения в зоне 2 К связано с присоединением сверхпроводящей ниобиевой антенны непосредственно к фланцу резонатора. Возможно уменьшение этой величины при использовании антенны более сложной формы.

Проведены расчеты волноводно-коаксиального перехода при передаваемой мощности 250 кВт (рис.10). Расчеты показали, что при таком уровне мощности необходимо водяное охлаждение перехода.

Рис.10, Волноводио- Рис.11. Волноводно-коаксиальный

коаксиальный переход при перехода дроссельного типа при

мощности 250 кВт (температура в мощности 250 кВт (температура в Кельвинах) Кельвинах)

В качестве альтернативы существующей конструкции волноводно-коаксиального перехода, предложено использовании волновод но-коаксиального перехода дроссельного типа, в которой изолирующий диэлектрик заменен соединением дроссельного типа. Основным преимуществом этой конструкции является механическая развязка волновода и керамического окна. На рис.10 приведены результаты расчета при передаваемой мощности 250 кВт. Использование перехода дроссельного типа на мощности 75 кВт имеет преимущество по сравнению с существующей конструкцией так как обеспечивается механическая развязка волновода и керамического окна. Но при мощности 250 кВт, изолированность одного из торцов керамики оказывается критичной так как приводит к худшему теплоотводу и как следствие - значительному перегреву «теплой» керамики.

Проведены исследования возможности создания волноводного УВМ с перестройкой внешней добротности. Рассмотрены следующие варианты:

- УВМ с подвижным короткозамыкающим поршнем;

- УВМ с согласующей диафрагмой;

- УВМ с внешним резонатором;

- УВМ со щелями связи

В данных конструкциях удалось добиться перестройки внешней добротности на порядок, но при этом наблюдался уход резонансной частоты за пределы полосы пропускания. Подобные конструкции

могут быть использованы для УВМ ускорителей с нормально проводящими резонаторами. Конструкция волноводного УВМ со щелями связи (рис.12) перспективна, как обладающая малой асимметрией поля в области пролета пучка и, следовательно, создающая меньшее отклоняющее воздействие на пучок.

Рис.12. Волноводный ввод мощности со щелями связи

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ СВОДЯТСЯ К СЛЕДУЮЩЕМУ:

1. Разработана методика расчета взаимосвязанной электромагнитной и тепловой задачи как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность. Для расчета произвольных конструкций УВМ используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. При использовании трехмерных конечных элементов для увеличения скорости расчета часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.

2. На основе разработанной методики проведены тепловые расчеты различных вариантов конструктивного выполнения регулируемого коаксиального УВМ с целью минимизации тепловыделения в криогенных зонах. Оптимальный вариант симметричного ввода средней мощности в непрерывном режиме

2x75 кВт имеет значения тепловыделения 0 23 Вт в гелий при 2 К, 2.4 Вт в гелий при 4 2 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К

3 Проведена оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода, направленная на улучшение отвода тепла из области керамического окна Для уменьшения неравномерности распределения температур по объему окна предусмотрен обдув направленным потоком воздуха.

4. Элементы разных вариантов УВМ и УВМ в сборе настроены до величины коэффициента отражения - 30 дБ на рабочей частоте Проведена оптимизация элементов конструкции УВМ по снижению перенапряженности электрических полей

5. Проведена серия расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации, включая расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации. Расчеты показали, что керамика имеет двукратный запас прочности даже по самому критичному параметру - пределу прочности на изгиб, и десятикратный - по пределу прочности на сжатие.

6 Развита методика расчета внешней добротности для регулируемых УВМ на основе коаксиальных и прямоугольных волноводов двумя методами — резонансным и на бегущей волне. При использовании резонансного метода решение получено из суперпозиции двух решений с разными граничными условиями Методика реализована с помощью макросов в программе ANS YS. В случае расчета внешней добротности для УВМ произвольной формы на бегущей волне решение получено по результатам расчета частотной зависимости коэффициента передачи. Методика реализована с помощью макросов в программе HFSS Разработанные методики использованы для расчета внешней добротности УВМ большой средней мощности.

7. По результатам тепловых, электродинамических и прочностных расчетов создан технический проект на регулируемый коаксиальный симметризованный ввод средней мощности 2x75 кВт для инжектора ускорителя с рекуперацией энергии для Корнельского университета (США). Изготовлен и успешно испытан в этом университете опытный образец ввода мощности, изготовленный по переданной в соответствии с соглашением документации. Тестовые испытания проведены с использованием резонатора бегущей волны, во время которых в течение нескольких часов в сверхпроводящий резонатор

вводилась средняя мощность 50 кВт. В дальнейшем планируется использование клистронного усилителя с необходимой величиной выходной мощности и увеличение передаваемой мощности в ускоряющие резонаторы до номинальных значений 2x75 кВт.

8 Рассмотрены возможности модернизации конструкции ввода мощности, позволяющие передавать среднюю мощность 2x250 кВт. Тепловыделения при таком уровне СВЧ мощности составили в криогенных зонах 0 65 Вт в гелий при 2 К, 6.6 Вт в гелий при 4.2 К и 300 Вт в азот при температуре 80 К.

9 Предложена измененная конструкция УВМ для работы на средней мощности 2x250 кВт с использованием для перестройки внешней добротности только одного сильфона Тепловыделения в криогенных зонах составили 0 65 Вт в гелий при 2 К, 9.6 Вт в гелий при 4.2 К и 178 Вт в азот при температуре 80 К. За счет охлаждения внутреннего проводника, путем прокачки азота, удалось снизить температуру наконечника антенны до 100 К.

10. Предложена конструкция коаксиального УВМ с антенной, выполненной в виде петли связи. Изменение внешней добротности достигается за счет изменения величины емкостного зазора между центральным проводником коаксиальной линии и антенной. Проведена оптимизация формы антенны для возможности подстройки внешней добротности в диапазоне 105-106 при изменении величины емкостного зазора на 10 мм. Тепловые потери в конструкции составили 2 2 Вт в гелий при 2 К, 9.7 Вт в гелий при 4.2 К и 117 Вт в азот при температуре 80 К.

11 Предложена и рассчитана конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа Основным преимуществом этой конструкции является механическая развязка волновода и керамического окна

12. Проведены исследования возможности создания волноводного УВМ с подстройкой внешней добротности в диапазоне 105-106. Проведен анализ нескольких вариантов реализации волноводного УВМ. Подобные конструкции могут быть использованы для резонансных, не сверхпроводящих ускоряющих структур. Предложенный вариант волноводного УВМ со щелями связи обладает малой асимметрией поля в области пролета пучка и следовательно, СВЧ поле в нем создает меньшее отклоняющее воздействие на пучок.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. М.А.Егоров, А.АЗавадцев, Д.А.Завадцев, В.И Каминский, А А.Краснов, М.В.Лалаян, Н.П.Собенин, А.А.Сулимов, Узел ввода мощности для инжектора линейного ускорителя с рекуперацией энергии, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, П конференция научно-образовательного центра "Фудаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", 2004, с. 85-86.

2. B.Yu.Bogdanovich, N.P.Sobenin, AA.Krasnov, D.A.Zavadtsev, M.V.Lalayan, VI.Kaminsky, S.A.Belomestnykh, V.G.Veshcherevich, A.A.Zavadtsev, Thermal calculations of input coupler for ERL injector, XIX конференция по ускорителям заряженных частиц, RUPAC-2004, Дубна, 2004.

3 А. А Завадцев, Д А.Завадцев, А.А.Краснов, М.В.Лалаян, Расчет «теплого» окна дроссельного типа для узла ввода мощности в сверхпроводящие резонаторы, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, Ш конференция научно-образовательного центра "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", 2005, с 39-40.

4. М.А Гусарова, А.А Краснов, Д А.Завадцев, Расчет керамического окна большой средней мощности охлаждаемого направленным потоком воздуха, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, Ш конференция научно-образовательного центра "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", 2005, с. 13-15.

5 А.А.Завадцев, Д.А.Завадцев, В.И.Каминский, А А.Краснов, М.В.Лалаян, Н.П.Собенин, С.А.Беломестных, Расчет и конструирование ввода большой средней мощности в сверхпроводящие резонаторы, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, Ш конференция научно-образовательного центра "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", 2005, с. 43-44.

6. М.A.Gusarova, A.A.Rrasnov, N.P Sobenin A A.Zavadtsev, D.A.Zavadtsev, M.W.Lalayan, Input coupler development for superconducting cavity 500kW CW power feed, XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators September 12-18, 2005 Ukraine, Alushta, the Crimea.

7. M.Gusarova, A A.Krasnov, M Lalayan, A Zavadtsev, D.Zavadtsev, Input coupler development for superconducting cavity 500kW CW power feed, 12-th International Workshop on RF Superconductivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA, 2005.

8 М.А.Гусарова, А.А Краснов, А.А.Завадцев, Д А Завадцев, Н.П Собенин, М.В.Лалаян, Регулируемое устройство ввода большой средней мощности в сверхпроводящий резонатор с помощью антенны в виде петли связи, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, IV конференция научно-образовательного центра "Фудаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", 2006, с 57-58.

9 Б.Ю.Богданович, М.А Гусарова, А А.Краснов, А.А.Завадцев, Д А Завадцев, В И Каминский, М В.Лалаян, Н П Собенин, Устройство ввода большой средней мощности в сверхпроводящие резонаторы ускорителей заряженных частиц, Приборы и техника эксперимента, 2006, №6, с 1-8.

10. MA.Gusarova, A A.Krasnov, M.V.Lalayan, N.P.Sobemn, A A Zavadtsev, D.A.Zavadtsev, Adjustable input coupler development for superconducting accelerating cavity, Proc. of the 10-th European Particle Accelerator Conference (EPAC-2006), Edinburgh (England), 2006

11. А.А Завадцев, M.А Гусарова, А А Краснов, М.ВЛалаян, Регулируемые волноводные вводы мощности в сверхпроводящие резонаторы, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, V конференция научно-образовательного центра "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях", 2007, с. 47-48.

12. В. А Макаров, А.А Краснов, Влияние асимметрии поля в коаксиальном и волноводном вариантах ввода мощности в сверхпроводящие резонаторы на динамику электронов, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, 2007, с. 212-213.

Введение

Глава 1. Устройства ввода мощности

1.1. Требования к вводам мощности в сверхпроводящие резонаторы.

1.2. Коаксиальные и волноводные вводы мощности.

1.3. Устройства ввода большой средней мощности в сверхпроводящие резонаторы.

1.4. Инжектор ускорителя ERL.

1.5 Выводы.

Глава 2. Трехмерное компьютерное моделирования электромагнитных и тепловых задач

2.1. Общие сведения о программах трехмерного моделирования

2.2. Методика расчета внешней добротности.

2.3. Алгоритм электромагнитного и теплового расчета в

ANSYS.

2.4. Выводы.

Глава 3. Коаксиальный ввод средней мощности на 75 кВт

3.1. Общие сведения.

3.2. Электродинамический расчет.

3.3. Тепловой расчет.

3.3.1. Коаксиальная часть.

3.3.2. Волноводно-коаксиальный переход.

3.4. Структурный расчет.

3.4.1. Деформации при перемещении антенны.

3.4.2. Деформации вследствие разницы давлений.

3.4.3. Деформации вследствие воздействия земной гравитации.

3.4.4. Деформации в волноводно-коаксиальном переходе вследствие тепловыделения.

3.5. Выводы.

Глава 4. Коаксиальный ввод средней мощности на 250 кВт

4.1. Общие сведения.

4.2. Модернизация существующей конструкции.

4.3. Конструкция устройства ввода большой средней мощности с одним сильфоном.

4.4. Конструкция устройства ввода большой средней мощности с антенной, выполненной в виде петли связи.

4.4.1. Общие сведения о конструкции.

4.4.2. Расчет внешней добротности.

4.4.3. Тепловой расчет.

4.5. Волноводно-коаксиальный переход.

4.6. Выводы.

Глава 5. Волноводный ввод мощности

5.1. Общие сведения.

5.2. Волноводный ввод мощности с подвижным короткозамыкающим поршнем.

5.3. Волноводный ввод мощности с согласующей диафрагмой.

5.4. Волноводный ввод мощности с внешним резонатором.

5.5. Волноводный ввод мощности со щелями связи.

5.6. Выводы.

В настоящее время в мире широко обсуждаются предложения по созданию линейных ускорителей на запасенной энергии (ERL) и линейных ускорителей-драйверов для лазера на свободных электронах (FEL). Успехи сверхпроводящих резонаторов, сделанные за последние 10 лет для TESLA/TTF на частоте 1300 МГц, надежность достижения градиента более 20 МэВ/м, удовлетворяют требованиям для ERL и FEL ускорителей. Главное назначение этих ускорителей состоит в получении интенсивных фотонных потоков, что можно реализовать лишь при высоком токе и большой частоте повторения электронных сгустков, лучше при работе в непрерывном режиме. Большие средние мощности, порядка сотен киловатт, вводимые в сверхпроводящие резонаторы таких ускорителей, требуют новых решений, как в устройствах ввода мощности (УВМ), так и устройствах вывода из структур волн высших типов. Проблема минимизации потоков тепла, создающих нагрузку на криогенную систему, является одной из центральных. Поэтому для надежного функционирования устройства ввода мощности и установки в целом необходимо выполнение тепловых расчетов и расчетов механической прочности сложной конструкции, работающей в условиях значительных тепловых нагрузок и внешних механических напряжений. Особенно важно уменьшение тепла, выделяемого устройством ввода мощности в криогенной зоне с температурами 2 К и 4 К, охлаждаемой жидким гелием, а также 80 К, охлаждаемой жидким азотом. Устройство ввода мощности должно быть также согласовано на рабочей частоте при различных положениях антенны, вводимой в сверхпроводящий резонатор при изменении нагрузки пучком. Немаловажной проблемой при уровнях средней мощности более 150 кВт является создание условий по недопущению развития мультипакторного разряда. Универсальная методика разработки устройства ввода мощности, учитывающая все указанные факторы, до сих пор в полном объеме не развита.

На основе анализа всех известных действующих и проектируемых вводов высокочастотной мощности в ускоряющие сверхпроводящие резонаторы проведен тщательный комплексный анализ коаксиальных и волноводных устройств. Рассмотрены вопросы снижения теплосъема в криогенных зонах, уменьшения габаритов, возможности регулировки внешней добротности сверхпроводящих резонаторов на порядок и др. В качестве рабочей частоты выбрана частота 1300 МГц, получившая широкое распространение особенно при разработке электрон-позитронных коллайдеров.

Диссертация посвящена разработке методики расчета тепловых нагрузок, возникающих в конструкции УВМ при передаче большой средней СВЧ мощности, а также расчету устройств, используя эту методику. Наряду с тепловыми расчетами рассматриваются высокочастотные свойства элементов устройств и устройства в сборе, а также вопросы механической жесткости. За основу взята конструкция УВМ коаксиального типа с симметричным питанием со средней мощностью 2x75 кВт. С целью повышения уровня вводимой средней мощности до 2x250 кВт рассмотрены модификации разработанного ввода мощности, а именно, конструкции с двумя и с одним сильфоном, а также с емкостной связью. Изучены возможности применения волноводных устройств ввода мощности с регулируемым коэффициентом связи. Развиты методы расчета внешней добротности сверхпроводящих резонаторов с использованием методики, основанной на суперпозиции двух решений резонансной задачи с разными граничными условиями, а также решения получаемого из частотной зависимости коэффициента передачи на бегущей волне.

На защиту выносятся следующие результаты диссертации, полученные в ходе выполнения работ:

1. Методика расчета взаимосвязанных электромагнитной и тепловой задач, как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность. Для расчета произвольных конструкций используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. Для увеличения скорости расчета при использовании трехмерных конечных элементов часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.

2. Результаты оптимизации конструкции регулируемого симметризованного коаксиального ввода средней мощности на 2x75 кВт и частоте 1300 МГц. Тепловыделение в криогенных зонах составило 0.231 Вт в гелий при 2 К, 2.4 Вт в гелий при 4.2 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К. Приведенные данные являются рекордными для выбранной частоты и уровня средней мощности. Расчетный коэффициент отражения от отдельных элементов и устройства в целом составляет - 30 дБ на рабочей частоте 1300 МГц.

3. Оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода для уменьшения неравномерности распределения температур по объему керамического окна и улучшению теплоотвода. Конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа, основным преимуществом которого является механическая развязка волновода и керамического окна.

4. Результаты расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации. Они включали в себя: расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации. По расчетным данным и переданной документации в Корнельском университете изготовлено несколько опытных образцов вводов мощности.

1 Здесь и далее в качестве разделителя целой и дробной части используется точка.

2 Коэффициент отражения, выраженный в децибелах, рассчитывается по формуле: Гдб = 20-1од Бц.

5. Варианты конструкции ввода мощности, позволяющие передавать в непрерывном режиме среднюю мощность 2x250 кВт. Предложены следующие конструкции: модернизированный вариант ввода мощности на 2x75 кВт, ввод мощности с одним сильфоном, а также ввод мощности с антенной, выполненной в виде петли связи.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Основные результаты и положения диссертации содержатся в 12-ти опубликованных работах [58-70] и были представлены на российских и международных конференциях и журналах, в частности:

Научная Сессия МИФИ (2004-2007)

XIX конференция по ускорителям заряженных частиц, RUPAC-2004, Дубна XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators, Ukraine, Alushta, 2005

12-th International Workshop on RF Superconductivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA

Приборы и техника эксперимента, 2006, №6

10-th European Particle Accelerator Conference (EPAC-2006), Edinburgh (England), 2006

Заключение

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика расчета взаимосвязанной электромагнитной и тепловой задачи как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность. Для расчета произвольных конструкций УВМ используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. При использовании трехмерных конечных элементов для увеличения скорости расчета часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.

2. На основе разработанной методики проведены тепловые расчеты различных вариантов конструктивного выполнения регулируемого коаксиального УВМ с целью минимизации тепловыделения в криогенных зонах. Оптимальный вариант симметричного ввода средней мощности в непрерывном режиме 2x75 кВт имеет значения тепловыделения 0.23 Вт в гелий при 2 К, 2.4 Вт в гелий при 4.2 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К.

3. Проведена оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода, направленная на улучшение отвода тепла из области керамического окна. Для уменьшения неравномерности распределения температур по объему окна предусмотрен обдув направленным потоком воздуха.

4. Элементы разных вариантов УВМ и УВМ в сборе настроены до величины коэффициента отражения -30 дБ на рабочей частоте. Проведена оптимизация элементов конструкции УВМ по снижению перенапряженности электрических полей.

5. Проведена серия расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации, включая расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации.

Расчеты показали, что керамика имеет двукратный запас прочности даже по самому критичному параметру - пределу прочности на изгиб, и десятикратный -по пределу прочности на сжатие.

6. Развита методика расчета внешней добротности для регулируемых УВМ на основе коаксиальных и прямоугольных волноводов двумя методами -резонансным и на бегущей волне. При использовании резонансного метода решение получено из суперпозиции двух решений с разными граничными условиями. Методика реализована с помощью макросов в программе ANS YS. В случае расчета внешней добротности для УВМ произвольной формы на бегущей волне решение получено по результатам расчета частотной зависимости коэффициента передачи. Методика реализована с помощью макросов в программе HFSS. Разработанные методики использованы для расчета внешней добротности УВМ большой средней мощности.

7. По результатам тепловых, электродинамических и прочностных расчетов создан технический проект на регулируемый коаксиальный симметризованный ввод средней мощности 2x75 кВт для инжектора ускорителя с рекуперацией энергии для Корнельского университета (США). Изготовлен и успешно испытан в этом университете опытный образец ввода мощности, изготовленный по переданной в соответствии с соглашением документации. Тестовые испытания проведены с использованием резонатора бегущей волны, во время которых в течение нескольких часов в сверхпроводящий резонатор вводилась средняя мощность 50 кВт. В дальнейшем планируется использование клистронного усилителя с необходимой величиной выходной мощности и увеличение передаваемой мощности в ускоряющие резонаторы до номинальных значений 2x75 кВт.

8. Рассмотрены возможности модернизации конструкции ввода мощности, позволяющие передавать среднюю мощность 2x250 кВт. Тепловыделения при таком уровне СВЧ мощности составили в криогенных зонах 0.65 Вт в гелий при 2 К, 6.6 Вт в гелий при 4.2 К и 300 Вт в азот при температуре 80 К.

9. Предложена измененная конструкция УВМ для работы на средней мощности 2x250 кВт с использованием для перестройки внешней добротности только одного сильфона. Тепловыделения в криогенных зонах составили 0.65 Вт в гелий при 2 К, 9.6 Вт в гелий при 4.2 К и 178 Вт в азот при температуре 80 К. За счет охлаждения внутреннего проводника, путем прокачки азота, удалось снизить температуру наконечника антенны до 100 К.

10. Предложена конструкция коаксиального УВМ с антенной, выполненной в виде петли связи. Изменение внешней добротности достигается за счет изменения величины емкостного зазора между центральным проводником коаксиальной линии и антенной. Проведена оптимизация формы антенны для возможности подстройки внешней добротности в диапазоне 105-10б при изменении величины емкостного зазора на 10 мм. Тепловые потери в конструкции составили 2.2 Вт в гелий при 2 К, 9.7 Вт в гелий при 4.2 К и 117 Вт в азот при температуре 80 К.

11. Предложена и рассчитана конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа. Основным преимуществом этой конструкции является механическая развязка волновода и керамического окна.

12. Проведены исследования возможности создания волноводного УВМ с подстройкой внешней добротности в диапазоне 105-106. Проведен анализ нескольких вариантов реализации волноводного УВМ. Подобные конструкции могут быть использованы для резонансных, не сверхпроводящих ускоряющих структур. Предложенный вариант волноводного УВМ со щелями связи обладает малой асимметрией поля в области пролета пучка и следовательно, СВЧ поле в нем создает меньшее отклоняющее воздействие на пучок.

Полученные в ходе выполнения работы устройства и результаты использованы при разработке инжектора линейного ускорителя с рекуперацией энергии в Корнельском университете.

1. H. P. Kindermann, M. Stirbet, The Variable Power Coupler for the LHC Superconducting Cavity, Proceedings of the 9th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, NM, November 1999, pp. 566-569.

2. S. Belomestnykh, Review of high power CW couplers for superconducting cavities, SRF 2002, Jefferson Lab, 2002

3. D.Proch, Techniques in high-power components for SRF cavities a look to the future, Proceeding of2004 European Particle Accelerator Conference, 2004

4. I.E.Campisi, State of the art power couplers for supercoducting RF cavities, Proceeding of2002 European Particle Accelerator Conference, 2002, pp. 144-148

5. R. Geng, Multipacting Simulations for Superconducting Cavities and RF Coupler Waveguides, Presented at PAC 2003, Portland, OR, May 12-17

6. H. Matsumoto, High Power Coupler Issues In Normal Conducting And Superconducting Accelerator Applications, Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999

7. T. Garvey, The Design And Performance Of Cw And Pulsed Power Couplers A Review, SRF2005, Cornell University, Ithaca, NY, USA, July 10-15,2005.

8. C. Amaud, et al., Status Report on Superconducting Nb Cavities for LEP, Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, August 1989, KEK, Tsukuba, Japan, Vol. 1, pp. 19-35, KEK Report 89-21.

9. H.P. Kindermann, et al., Status of RF Power Couplers for Superconducting Cavities at CERN, Proceedings of the 5th European Particle Accelerator Conference, Sitges, Barcelona, Spain, June 1996, pp. 2091-2093.

10. H.P. Kindermann, M. Stirbet, RF Power Tests of LEP2 Main Couplers on a Single Cell Superconducting Cavity, Proceedings of the 8th Workshop on RF Superconductivity, October 1997, Abano Terme (Padova), Italy, Vol. Ill, pp. 732739.

11. H. P. Kindermann, M. Stirbet, The Variable Power Coupler for the LHC Superconducting Cavity, Proceedings of the 9th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, NM, November 1999, pp. 566-569.

12. B. Dwersteg, Qiao Yufang, High Power Input Coupler Development at DESY, Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, August 1989, KEK, Tsukuba, Japan, Vol. 2, pp. 605- 614, KEK Report 89-21.

13. B. Dwersteg, High Power Couplers, Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, August 1989, KEK, Tsukuba, Japan, Vol. 1, pp. 351- 376, KEK Report 89-21.

14. D. Metzger, et al., Tests Results and Design Considerations for a 500 MHz, 500 kW Vacuum Window for CESR-B, Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, DC, May 1993, pp. 1399-1401.

15. H. Padamsee, et al., Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade, Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, pp. 1515-1517.

16. E. Chojnacki, et al., Tests and Designs of High-Power Waveguide Vacuum Windows at Cornell, Particle Accelerators, Vol. 61, pp. 309-319./45-55,1998.

17. S. Belomestnykh and H. Padamsee, Performance of the CESR Superconducting RF System and Future Plans, Proceedings of the 10th Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, September 2001.

18. S. Noguchi, et al., Couplers Experience at KEK, Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, August 1989, KEK, Tsukuba, Japan, Vol. 1, pp. 397-412, KEK Report 89-21.

19. S. Mitsunobu, et al., High Power Input Coupler for KEKB SC Cavity, Proceedings of the 9th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, NM, November 1999.

20. Y. Kijima et al., Input Coupler of Superconducting Cavity for KEKB, Proceedings of the 7th European Particle Accelerator Conference, Vienna, Austria, June 2000, pp. 2040-2042.

21. E. N. Schmierer et al., Results of the APT RF Power Coupler Development for Superconducting Linacs, Proceedings of the 10th Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, September 2001.

22. V. Nguyen et al., Development of a 50 kW CW Lband Rectangular Window for Jefferson Lab FEL Cryomodule, Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, NY, March 1999, Vol. 2, pp. 1459-1461.

23. Dwersteg B., Kostin D., Lalayan M., Martens C., Möller W.-D., TESLA RF Power Couplers Development at DESY, Proceedings of the 10th Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, September 2001.

24. W.D.Moeller, High Power Coupler for the TESLA Test Facility, Presented at the 9th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, NM, November 1999,Tsukuba, pp.577-581

25. J.Knobloch et al., CW operation of the TTF-III input coupler, Proceeding of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, pp.3292-3294.

26. M.Stirbet et al., RF conditioning and testing of fundamental power couplers for the RIA project, Presented at the 11th Workshop on RF Superconductivity, 2003

27. K.M.Wilson et al., The Prototype Fundamental Power Coupler for the Spallation Neitron Source Superconducting Cavities Design and Initial Results, Presented at the 10th Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001

28. M.Stirbet et al., RF conditioning and testing of fundamental power couplers for SNS superconducting cavity production, Proceeding of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, pp.4132-4134.

29. Q. S. Shu et al., High Power Coupler For The TESLA Superstructure Cavities, Proceeding of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, pp.3292-3294.

30. W. D. Moeller et al., Development and Testing of RF Double Window Input Couplers For TESLA, 12-th International Workshop on RF Supercondactivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA, 10-15,2005

31. P.A.Mcintosh, et al., Development of a Prototype Superconducting CW Cavity and Cryomodule for Energy Recovery, Presented at the Tenth European Particle Accelerator Conference (EPAC06), Edinburgh, UK, 26-30 June, 2006

32. R. Rimmer et al., Concepts for the JLAB Ampere-Class CW Cryomodule, Proceeding of 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, pp.3588-3590

33. R. Rimmer et al., The JLab Ampere-Class Cryomodule, 12-th International Workshop on RF Supercondactivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA, 10-15, 2005

34. Sol M. Gruner, Mauiy Tigner, Study for a proposed Phase I ERL Synchrotron Light Source at Cornell University, CHESS Thecnical Memo 01-003, JLAB-ACT-01-04,2001

35. S. Belomestnykh, M. Liepe, H. Padamsee, V. Shemelin, V. Veshcherevich, High average power fundamental input couplers for the Cornell University ERL: requirements, design challenges andfirst ideas, SRF 2002, Jefferson Lab, 2002

36. C. Sinclair et al., Phase I Energy Recovery Linac at Cornell University, ERL 027,2002

37. V. Shemelin, H. Padamsee, S. Belomestnykh, R. L. Geng, M. Liepe, DipoleMode-Free And Kick-Free 2-Cell Cavity for the SC ERL Injector, Presented at the 11th Workshop on RF Superconductivity, 2003

38. V. Shemelin, H. Padamsee, S. Belomestnykh, HOM-Free 2-Cell Cavity with Strong Input Coupler For the SC ERL Injector, Presented at the 11th Workshop on RF Superconductivity, 2003

39. I.V. Bazarov, C.K. Sinclair, High Brightness, High Current Injector Design for the Cornell ERL Prototype, ERL 03-11,2003

40. V. Veshcherevich et al., Input Coupler for ERL Injector Cavities, Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference

41. Ansoft Corporation, www.ansoft.com42. ANSYS Inc., www.ansys.com

42. V.Shemelin, S.Belomestnykh, Calculation of the B-cell cavity external Q with MAFIA and Microwave Studio, report SRF 020620-03,2003

43. P.Balleyguier, A Straightforward Method for Cavity external Q computation, Particle Accelerators, 1997, vol.57, pp.113-127.

44. N.M. Kroll, D.U.L. Yu, Computer Determination off the External Q and Resonant Frequency of Waveguide Loaded Cavities, Particle Accelerators, 1990, vol.34, pp.231-250.

45. R. Losito, S. Marque, Coupled Analysis of Electromagnetic, Thermomechanical Effects on RF Accelerating Structures, Proceeding of 2002 European Particle Accelerator Conference, 2002

46. O.C. Милованов, Н.П. Собенин, Техника сверхвысоких частот, М.:Атомиздат, 1980.

47. В.И. Каминский, М.В. Лалаян, Н.П. Собенин, Ускоряющие структуры, М.:МИФИ, 2005

48. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике, Москва, 1957.

49. Диденко А.Н., Зверев Б.В., СВЧ-Энергетика, 2-е издание, М.гНаука, 2000.

50. S. Belomestnykh, et al., High Power Testing RF System Components for the Cornell ERL Injector, Presented at the Tenth European Particle Accelerator Conference (EPAC06), Edinburgh, UK, 26-30 June, 2006

51. F. Furuta, et al., Experimental Comparison at KEK of High Gradient Performance of Different Single Cell Superconducting Cavity Designs, Presented at the Tenth European Particle Accelerator Conference (EPAC06), Edinburgh, UK, 26-30 June, 2006

52. T. Saeki, et al., Series Tests of High-Gradient Single-Cell Superconducting Cavity for the Establishment of KEK Recipe, Presented at the Tenth European Particle Accelerator Conference (EPAC06), Edinburgh, UK, 26-30 June, 2006

53. J. Sekutowicz, HOM Damping and Power Extraction from Superconducting Cavities, LINAC2006, Knoxville, TN, USA, August 2006

54. L.V.Kravchuk, S.G.Tarasov, G.V.Romanov, V,V,Paramonov, The Computer Code for Investigation of the Multipactor Discharge in RF Cavities, Procc. PAC-1999, N.Y.1999,2799-2802.

55. J.D. Fuerst, W.H. Härtung, Dissipated Power Measurements in the AO SRF Cavity System, Published Proceedings of CEC-ICMC'99, Montreal, Canada

56. B. Dwersteg, A. Zavadtsev, C. Huaibi, Status of Coaxial Coupler Development, Coupler Workshop at DESY, April 26-27, 1999. Editor: D. Proch, DESY, May 1999, TESLA 99-10, p.62-81.

57. Б.Ю.Богданович, В.Е.Калюжный, В.И.Каминский, Н.П.Собенин, Ускоряющие структуры и СВЧ устройства линейных коллайдеров, Энргоатомиздат, 2004 г., 300 стр.

58. M.Gusarova, A.A.Krasnov, M.Lalayan, A.Zavadtsev, D.Zavadtsev, Input coupler development for superconducting cavity 500kW CW power feed, 12-th International Workshop on RF Supercondactivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA, 10-15,2005

59. В. А. Макаров, А.А.Краснов, Влияние асимметрии поля в коаксиальном и волноводном вариантах ввода мощности в сверхпроводящие резонаторы на динамику электронов, Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр.212-213,2007