Сверхпроводящий ускоряющий модуль на основе одномодового резонатора и его взаимодействие с интенсивным пучком в накопителе CESR тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ Б им. Г.И.Будкера СО РАН

В ИЮЛ 1993

На правах рукописи

БЕЛОМЕСТНЫХ Сергей Анатольевич

:ВЕРХПРОВОДЯЩИЙ УСКОРЯЮЩИЙ МОДУЛЬ 1А ОСНОВЕ ОДНОМОДОВОГО РЕЗОНАТОРА И ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ИНТЕНСИВНЫМ ПУЧКОМ В НАКОПИТЕЛЕ СЕ31Ч

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 1998

Работа выполнена Г.И.Будкера СО РАН.

в Институте ядерной физики I

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

АУСЛЕНДЕР Вадим Леонидович

доктор технических наук,

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера

СО РАН, г. Новосибирск.

ЧЕРНОУСОВ Юрий Дмитриевич

кандидат технических наук, Институт химической кинетики и горения СО РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Объединенный институт ядерных

исследований, г.Дубна

Защита диссертации состоится "¿2"» г. в "—^

часов, на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инстит ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан »„1998 г

Ученый секретарь

диссертационного совета /"""/У

академик Б.В.Чириков

ая характеристика работы

шьность темы. Одно из основных направлений в развитии ;и высоких энергий в последнее время - создание циклических эвок со встречными пучками (кол лайд еров). Получить новую юскую информацию становится все труднее и труднее, так как аключена во все более редких распадах. Поэтому новые эвки должны обеспечивать высокую светимость порядка 1033 + см"2с"1. Повышения светимости можно добиться (наряду с ии способами) путем увеличения тока в сгустке и/или чения количества сгустков в пучке.

С другой стороны, в течение примерно 20 последних лет в мире интенсивное строительство накопителей-источников отронного излучения (СИ). Благодаря уникальным свойствам его использование революционным образом изменяет жности многих физических методов исследования как в области зментальных, так и в области прикладных наук. Один из бов повышения яркости этих установок - это увеличение тока

Таким образом, возможность накопления интенсивных пучков и сгустковый режим работы являются существенными факторами увеличения светимости коллайдеров и яркости накопителей-ников СИ.

Одними из основных элементов, ограничивающих сивность пучков, являются высокочастотные (ВЧ) ускоряющие аторы: ток заряженных частиц в накопителе может быть лчен возникновением когерентных фазовых или бетатронных аний из-за взаимодействия сгустков частиц с резонансными ли резонатора. В накопителях большого размера обычно ¡ляют это "паразитное" взаимодействие путем уменьшения )Вого сопротивления высших резонансных мод (ВМ), подгружая омощью специальных нагрузок.

Токи пучка в накопителях и коллайдерах нового поколения ->иках" - будут порядка 1 А и выше при многосгустковом режиме ы установок. Это означает, что для обеспечения устойчивости сгустковых продольных колебаний аксиально-симметричные ВМ аторов должны иметь нагруженную добротность порядка 10 . 1аторы с такими низкими добротностями ВМ часто называют модовыми" или "свободными" от высших мод. В настоящей е мы будем пользоваться первым термином.

При прочих равных условиях, применение резонатор! большим темпом ускорения, например сверхпроводящих, позвс уменьшить число резонаторов в накопителе и тем самым пон1 суммарный импеданс высших мод. Кроме того, в ускорит большого размера, работающих с интенсивными пучками, ос внимание нужно уделять взаимодействию пучка с основной, ускоряющей модой ВЧ резонаторов. При этом преимуще получают резонаторы с более низким характеристиче сопротивлением и большей добротностью.

Итак, резонаторы для нового поколения накопителей до] иметь: высокий темп ускорения (чтобы уменьшть число ускоряй ячеек в кольце), добротность ВМ порядка 102 (чтобы обеспе устойчивость многосгустковых колебаний) и небол! характеристическое сопротивление основной моды (чтобы умень расстройку резонатора и когерентный сдвиг частоты синхротро колебаний вследствие подгрузки пучком).

Создание таких резонаторов и ВЧ систем на их основе явл? сложной научной и инженерной задачей. За последние го/ различных лабораториях мира были предложены и испытаны н конструкции одномодовых резонаторов, как традиционных, тег так и сверхпроводящих. Одна из конструкций сверхпроводя одномодового резонатора была предложена и впервые в I испытана в действующей установке с интенсивными пучкаи Лаборатории ядерных исследований Корнеллского университе 1994 году. Этот резонатор явился основой создания новоР системы для повышения светимости коллайдера СЕБ!^ Первь четырех ускоряющих модулей этой системы был успешно испь установлен в накопитель и сдан в эксплуатацию в 1997 Результаты испытаний, работа по созданию новой ВЧ сист расчеты и измерения взаимодействия резонатора с пучком и < эксплуатации первого модуля в действующем коллайдере послу: основой написания данной диссертации.

Целью настоящей работы является:

1. Разработка новой высокочастотной системы коллайдера СЕЗИ на основе одномодс сверхпроводящего резонатора.

2. Изучение физических эффектов, сопровождак взаимодействие сверхпроводящего ускоряющего моду интенсивными пучками заряженных частиц в накопител?

3. Отработка методик измерения.

/чная новизна и практическая ценность работы.

Предложенный ускоряющий модуль на основе одномодового ¡рхпроводящего резонатора обладает такими качествами, как: зысокий темп ускорения, 6-10 МВ/м; 2) способность передать в юк большую ВЧ мощность через волноводный ввод мощности; низкий импеданс взаимодействия с пучком (добротность высших Ч порядка 100). Высокий темп ускорения и высокочастотный ввод, ¡воляющий передать ВЧ мощность до 500 кВт, дают возможность нительно уменьшить число ускоряющих ячеек в ускорителе, зкий импеданс повышает пороги возникновения многосгустковых юбаний и, таким образом, позволяет увеличить ток пучка, оделаны численные расчеты и проанализировано взаимодействие юнатора с пучками заряженных частиц.

Прототип ускоряющего модуля был успешно испытан в CESR в усте 1994 года. Впервые с помощью сверхпроводящего юнатора был накоплен ток 220 мА, в пучок передавалась сордная мощность 158 кВт, в нагрузках высших мод рассеивалась же рекордная доля мощности ВМ - 2 кВт. Были проведены :перименты по изучению взаимодействия ускоряющей структуры с жом. Впервые калориметрическим методом измерен фактор герь. Изучен временной характер потенциала полей излучения >уктуры двухсгустковым методом.

По результатам испытаний была доработана конструкция дуля и на ее основе разработана новая ВЧ система для дернизации коллайдера CESR. Первый из четырех ускоряющих дулей установлен в кольцо вместо одной из старых пятиячеечных )уктур. Это позволило копить средний ток больше 370 мА в режиме гречных пучков и получить рекордную пиковую светимость 4,8-1032, шгрузках ВМ была рассеяна рекордная мощность 4 кВт от пучка.

Полученный опыт может быть использован при создании ВЧ ггем накопителей заряженных частиц нового поколения, а эдложенный для модернизации коллайдера CESR ускоряющий дуль на основе одномодового сверхпроводящего резонатора жет служить прототипом для ускоряющих резонаторов этих гановок.

шовные результаты работы, выносимые на защиту:

разработана конструкция ускоряющего модуля на основе одномодового сверхпроводящего резонатора для накопителей заряженных частиц с высокой интенсивностью пучков;

предложены и экспериментально опробованы мето/ тренировки ВЧ окон сверхпроводящих резонаторов; развита и практически реализована калориметрическ методика измерения фактора потерь и временной струкгу} потенциалов полей излучения сверхпроводяще резонатора;

проведены испытания ускоряющего модуля и его прототи в результате которых: 1) показано, что сверхпроводящ резонатор способен работать с большими токами пучка накоплен рекордный ток пучка, 2) в ферритовых нагрузи рассеивается рекордная доля мощности высших мс 3) опробована методика измерения собственн добротности резонатора в горизонтальном криостате; экспериментально и теоретически исследова взаимодействие одномодового резонатора с пучке 1) показано, что выбранная геометрия ускоряют структуры не содержит высокодобротных запертых выси, мод, 2) впервые измерен фактор потерь сверхпроводяще резонатора калориметрическим методом, 3) вперв экспериментально изучена временная характернее потенциала полей излучения, 4) измерен спектр выси мод с помощью односгусткового пучка.

Апробация работы и публикации. Результаты рабе неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинара ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких Лаборатория ядерных исследований Корнеллского университ< (г.Итака, США), Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО Р (г.Новосибирск), ОИЯИ (г.Дубна), докладывались на Meждyнapoд^ конференции по ускорителям высоких энергий (г.Даллас, CU 1995 г.), Европейских конференциях по ускорителям заряжень частиц (г.Лондон, Великобритания, 1994 г. и г.Ситгес (Барселоь Испания, 1996 г.), Американской конференции по ускоритег заряженных частиц (г.Ванкувер, Канада, 1997 г.), Совещании коллективным эффектам и импедансам в Б-фабриках (г.Цуку Япония, 1995 г.), Совещаниях по ВЧ сверхпроводимости (г.Гиф-ci Иветг, Франция, 1995 г. и г.Абано Терме, Италия, 1997 г.). Основе результаты опубликованы в трудах следующих конференций совещаний:

Fourth European Particle Accelerator Conference, London, ' June 1994;

1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995; International Workshop on Collective Effects and Impedance for B-Factories (CEIBA95), KEK, Tsukuba, Japan, June 1995; 7th Workshop on RF Superconductivity, Gif sur Yvette, France, October 1995;

Fifth European Particle Accelerator Conference, Sitges (Barcelona), Spain, June 1996;

1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997;

8th Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy, October 1997.

груктура и объем работы. Диссертация сосотоит из введения, 5 ив, заключения и списка цитируемой литературы из 95 именований. Работа изложена на 96 страницах машинописного ¡кета, включая 46 рисунков.

одержание работы

о введении приведены основные характеристики накопителя со лречными пучками СЕЭ^ Обоснована необходимость новых ВЧ эзонаторов для повышения светимости экспериментов коллайдера. формулированы общие требования, которым должны цовлетворять резонаторы для коллайдеров-'фабрик" и нового околения накопителей-источников СИ. Показаны преимущества зерхпроводящих резонаторов по сравнению с теплыми.

Первая глава посвящена описанию конструкции зерхпроводящего ускоряющего модуля. Модуль состоит из езонатора, размещенного в криостате с жидким гелием, механизма одстройки частоты резонатора, нагрузок высших мод, керамического ¡4 окна, а также элементов вакуумной камеры: конических переходов большого на малый диаметр вакуумной камеры, шиберов и кранированных скользящими контактами сильфонов.

Сверхпроводящий резонатор представляет собой дноячеечную ускоряющую структуру, изготовленную из листового иобия высокой чистоты. Резонансные частоты всех высших мод южат выше частот среза присоединенных к резонатору патрубков и югут, таким образом, распространяться в них по направлению к

нагрузкам высших мод, где их мощность поглощается. Собствен! добротность резонатора равна 109. Волноводный ввод ВЧ мощно имеет внешнюю добротность 2-105, что обеспечивает согласова! волноводного тракта при среденем токе пучка 1 А и ускоряюи напряжении на зазоре 3 МВ.

Резонатор размещается в гелиевом объеме криостата емкост 520 литров. Гелиевый объем подвешен внутри вакуумного объе который откачивается до вакуума < 1СН торр. Для уменьше! теплопритока к жидкому гелию, в вакуумном объеме располо) медный экран, охлаждаемый жидким азотом и окруженный снар\ шестьюдесятью слоями майларовой суперизоляции. Статичес теплоприток к жидкому гелию составляет 25 Вт.

Волноводное керамическое ВЧ окно позволяет передавать мощность до 500 кВт в режиме бегущей волны и до 125 кВт в режь полного отражения. Поверхность керамики, обращенная в ваку покрыта слоем титана толщиной 3 нм для уменьшения коэффицие вторичной эмиссии электронов и предотвращения развития вторич электронного ВЧ разряда (мультипактора) вблизи керамическ окна.

Резонансная частота основной моды резонат подстраивается путем его деформирования в продолы направлении. Ускоряющий модуль снабжен двумя нагрузк; высших мод. Нагрузка имеет модульную конструкцию и состоит нержавеющей обечайки, к которой изнутри прикрепл восемнадцать панелей с припаянными к ним ферритовь пластинами. Модульная конструкция позволяет незавиа испытывать каждую панель с ферритами и отбраковывать панел некачественной пайкой перед окончательной сборкой нагрузки.

Вторая глава посвящена построению новой ВЧ систе СЕБЯ на основе одномодового резонатора. Приведены основ! параметры ВЧ системы.

Четыре медных пятиячеечных резонатора заменяю четырьмя новыми одноячеечными сверхпроводящими ускоряющ! модулями. Резонаторы расположены парами в восточном западном ВЧ промежутках СЕБК Каждая пара модулей запитана мощностью от одного клистрона непрерывного действия с выход мощностью 800 кВт через волноводный тракт. Деление ВЧ мощнс осуществляется при помощи двойного волноводного тройн! Клистроны развязаны от резонаторов циркуляторами. Поско; конические переходы с большого на малый диаметр вакуум камеры дают значительный вклад в полный фактор пот

оряющего модуля, то между двумя модулями в паре конических >еходов не будет. Для быстрого выключения ВЧ мощности в пае перехода резонатора из сверхпроводящего в нормально >водящее состояние разработан квенч-детектор. Он имеет два кима работы: режим тренировки резонатора и режим работы с шом.

Криостаты соединены криолиниями с двумя рефрижераторами, еющими холодопроизводительность 600 Вт каждый. Одного $>рижератора достаточно для обеспечения жидким гелием четырех зонаторов в накопителе. Второй рефрижератор - резервный, мимо рефрижераторов и криолиний в состав криогенной системы эдят 2000 литровый буферный дьюар и распределительные юстанции. Каждый криостат снабжен двумя цепями обратной чзи. Первая цепь поддерживает постоянным уровень жидкого чия в криостате с помощью входного вентиля, вторая - давление с мощью выходного вентиля.

В третьей главе приведены результаты испытаний модуля и ототипов. Прототип нагрузки ВМ был испытан до максимального овня ВЧ мощности, рассеиваемой в ферритах, равного 7 кВт под куумом и 15 кВт при атмосферном давлении. Плотность глощаемой мощности достигла при этом 20 Вт/см2. Поглощаемая грритами мощность измерялась двумя методами: лориметрическим и высокочастотным. Результаты измерений, лученные этими двумя способами, хорошо согласуются между бой.

Прототип ускоряющего модуля был испытан в накопителе 5SR с пучком в августе 1994 г. Во время испытаний была юведена серия экспериментов по изучению поведения всех систем условиях реальной работы в ускорителе, а также по изучению аимодействия ускоряющей структуры с пучком (результаты гследних экспериментов приведены в главе 5). Впервые с помощью ;ерхпроводящего резонатора был накоплен ток пучка 220 мА, при ом уровень криогенных потерь не зависел от тока пучка. Была ¡мерена зависимость собственной добротности резонатора от лплитуды ускоряющего поля. Путем расфазировки

¡ерхпроводящего и теплых резонаторов в пучок через волноводное ¡рамическое окно сверхпроводящего резонатора была передана жордная ВЧ мощность 158 кВт.

По результатам испытаний конструкция сверхпроводящего жоряющего модуля была доработана. Поскольку керамическое сно, использованное для модуля-прототипа, при испытаниях на

стенде не достигло проектной мощности 500 кВт в режиме бегу волны, были сконструированы и изготовлены фирмой Thomson но ВЧ окна. Эти окна были успешно испытаны на стенде до урс мощности 450 кВт в режиме бегущей волны.

Первый из четырех ускоряющих модулей был испытан клистрона на стенде и установлен в кольцо CESR вместо одно| старых пятиячеечных ускоряющих структур. При работе с nyL уровень ВЧ поля в резонаторе поддерживается равным 6,3 МВ/м, соответствует амплитуде ускоряющего напряжения на зазоре 1,9 Возникшая после установки резоантора в накопитель пробл тренировки ВЧ окна была успешно решена при помощи нескол! новых методик тренировки. Особенно эффективной оказа! импульсная тренировка при уровне ВЧ мощности, превышаю! уровень возникновения квенча. Это позволило копить в CI средний ток свыше 370 мА в режиме встречных пучков и полу рекордную пиковую светимость.

Четвертая глава посвящена расчетам взаимодейст сверхпроводящей ускоряющей структуры с пучком. Одним основных факторов, ограничивающих ток пучка, является когерент неустойчивость пучка, обусловленная взаимодейств электромагнитного поля сгустков с неоднородностями вакуул камеры. Поскольку ВЧ система представляет собой, пожалуй, са большую неоднородность вакуумной камеры ускорителя, то о1 важно оценить вызываемые ей возможные ограничения.

Для рассмотрения однопролетных эффектов, таких изменение формы сгустка частиц или появление дополнителы когерентных, потерь энергии пучка, наиболее удобен BpeMef подход и понятия собственных полей излучения и потенциала пс излучения. Экспериментальные данные, полученные разн авторами в разное время, показывают, что изменение формы cry в CESR с ростом тока очень незначительно и основное проявл< однопролетных эффектов - это когерентные потери энергии nj Поэтому внимание автора в данной работе было сосредоточен! изучении последнего эффекта.

Удобной для расчетов и измерений интеграл! характеристикой когерентных потерь служит фактор потерь. параграфе 4.2 приведены результаты многочисленных и деталь расчетов фактора потерь ускоряющего модуля. Рассчи зависимость паразитного фактора потерь от длины сгустка, пок вклад отдельных элементов структуры в полный фактор пот приведено сравнение фактора потерь сверхпроводящего моду]

тором потерь старых пятиячеечных резонаторов. Поскольку поля учения могут распространяться в вакуумной камере накопителя на тотах выше частоты среза вакуумной камеры, то приведены ультаты расчетов дальнодействующих полей излучения. Для нки временной структуры потенциала полей излучения сделан чет взаимодействия двух близко расположенных друг к другу ггков.

При многосгустковом режиме работы ускорителя особую юность представляют собой неустойчивости продольных ебаний за счет взаимодействия сгустков с ускоряющими онаторами. Для анализа этих неустойчивостей используется тотный подход. В параграфе 4.3 приведен расчет спектра высших д сверхпроводящего ускоряющего модуля. Показано, что спектр имеет высокодобротных высших мод с большим шунтовым |ротивлением. Приведено сравнение импеданса

¡рхпроводящего модуля и теплых резонаторов. В настоящее >мя многосгустковые продольные неустойчивости вследствие ммодействия сгустков электронов и позитронов с высшими модами цных пятиячеечных резонаторов ограничивают средний ток пучков СЕБЯ. Более низкий импеданс высших мод одномодовых ;рхпроводящих резонаторов позволит увеличить порог 1никн0вения неустйчивостей и тем самым ток пучка.

В пятой главе приведены результаты измерений ммодействия одномодового сверхпроводящего резонатора с жом. Был измерен аксиально-симметричный фактор потерь, его зисимость от тока пучка, тока сгустка и длины сгустка и получено вольно хорошее согласие экспериментальных данных с расчетом, еменная структура потенциала полей излучения была измерена ухсгустковым методом и показано, что потенциал собственных пей излучения имеет малую постоянную времени затухания, и что аимодействие сгустков мало для расстояния между ними более ной длины волны ВЧ. Сканирование частот высших мод зонатора при помощи механизма подстройки частоты не выявило менения декрементов затухания многосгустковых колебаний. Был мерен спектр ВМ при помощи возбуждения резонатора одиночным четком со средним током 10, 20 и 30 мА. В измеренном спектре не наружено высокодобротных резонансов, а его огибающая подобна ибающей спектра, полученного в результате численных расчетов.

В заключении сформулированы основные научные и яктические результаты работы.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. S. Belomestnykh, "Calculations of the Frequency Shift due to Cell Cavity Shape Deformation," Report SRF 940330-02, Cori Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1994).

2. H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Developm and Test of a Superconducting Cavity for High Current Electron Store Rings," Proceedings of the Fourth European Particle Accelere Conference, June 1994, London, Great Britain, Vol. 3, pp. 2048-2050.

3. S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted г Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conferei and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, May 1995, Vol. 5, pp.3394-3396.

4. S. Belomestnykh, et al., "Wake Fields and HOMs Studies о Superconducting Cavity Module with the CESR Beam," Proceedings of 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp.3391-3395.

5. H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Tesl a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrati Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and Internatio Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. pp.1515-1517.

6. W. Hartung, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Measuremeni the Interaction Between a Beam and a Beam Line Higher-Order Mc Absorber in a Storage Ring," Proceedings of the 1995 Particle Accelers Conference and International Conference on High-Energy Acceleratc Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp.3294-3296.

7. S. Belomestnykh, et al., "The Interaction between a Beam an< Superconducting Cavity Module: Measurements in CESR and CES Phase III Goals," Proceedings of the International Workshop on Collect Effects and impedance for B-Factories (CEIBA95), Ed. Y. H. Chin, Kf Tsukuba, Japan, June 1995, KEK Proceedings 96-6, pp. 456-466.

8. J. Kirchgessner, P. Barnes, S. Belomestnykh, et "Superconducting RF Activities at Cornell University," Proceedings of 7th Workshop on RF Superconductivity, Gif sur Yvette, France, Octol 1995, pp. 35-37.

9. S. Belomestnykh, "Cutoff Frequencies of Several SRF and CE Beam Pipes," Report SRF 951220-18, Cornell Laboratory of Nucli Studies, Ithaca, NY (December 1995).

10. S. Belomestnykh and W. Hartung. "Calculations of the L< Factor of the BB1 Superconducting Cavity Assemblies," Report S

60202-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (February

996).

11. S. Belomestnykh, et al., "Superconducting RF System for the ESR Luminosity Upgrade: Design, Status, and Plans," Proceedings of le Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, une 1996, Vol. 3, pp. 2100-2102.

12. S. Belomestnykh, R. Kaplan, J. Kirchgessner, "Beam Installation f the BB1-2 Cavity: Waveguide Adjustment and Cavity Positioning," ¡eport SRF 961217-04, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY December 1996).

13. A. Temnykh, D. Hartill, S. Belomestnykh, R. Kaplan, "The HOM tudy of CESR RF Cavities Using Single Circulating Bunch," Report CBN 7-5, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997), resented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, anada, May 1997.

14. S. Belomestnykh, "Coherent Synchrotron Frequency Shift due to le Fundamental Accelerating Cavity Mode in CESR," Report SRF 70314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March

997).

15. S. Belomestnykh, et al., "Development of Superconducting RF >r CESR," Report SRF 970429-03, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, haca, NY (April 1997), presented at the 1997 Particle Accelerator conference, Vancouver, Canada, May 1997.

16. J. Kirchgessner and S. Belomestnykh, "On the Pressure compensation for the B-cell Cavity in the MARK II Cryostat," Report SRF 70624-06, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (June 1997).

17. E. Chojnacki, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Tests and resigns of High-Power Waveguide Vacuum Windows at Cornell," Report RF 971210-07, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY December 1997), presented at the Eighth Workshop on RF uperconductivity, Abano Terme, Italy, October 1997.

Беломестных Сергей Анатольевич

Сверхпроводящий ускоряющий модуль на основе одномодового резонатора и его взаимодействие с интенсивным пучком в накопителе СЕБН

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 22.05. 1998 г. Подписано к печати 22.05. 1998 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1,0 дач.л., 0,8 уч.-иэд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ №31_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте "ИЯФ им. Г.И. Будкерая СО РАН Новосибирск, 630090, пр. академика Лаврентьева, 11.

1. G. Н. Rees, "Radiation Excitation and Beam Distributions in Electron Storage Rings," Synchrotron Radiation and Free Electron Lasers, Proc. CERN Accelerator School, Chester, United Kingdom, April 1989, CERN 90-03, pp. 37-52.

2. M. Tigner, "CESR - An Electron Positron Colliding Beam Facility at Cornell," IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-24, 1849 (1977).

3. B. W. Batterman, N. W. Ashcroft, "CHRTR CHESS: The New Synchrotron Radiation Facility at Cornell," Science, 206:10 (1979), pp. 157-161.

4. D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

5. M. Billing, "Observation of a Longitudinal Coupled Bunch Instability with Trains of Bunches in CESR," presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

6. A. Temnykh, D. Hartill, S. Belomestnykh, R. Kaplan, "The HOM Study of CESR RF Cavities Using Single Circulating Bunch," Report CBN 97-5, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997), presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

7. С. А. Беломестных, неопубликовано.

8. D. Fromowitz, "Simulation of Multibunch Instabilities Based on the Fundamental Cavity Mode," Report CON 97-10, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (August 1997).

9. В. Г. Вещеревич, "Многорезонаторные ускоряющие структуры электрон-позитронного накопителя ВЭПП-4," Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1983.

10. J. Kirchgessner, "Review of the Development of RF Cavities for High Currents," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1469-1473.

11. R. Boni, "HOM-Free Cavities," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 1, pp. 182-186.

12. K. Akai, "RF Issues for High Intensity Factories," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 1, pp. 205209.

13. S. Belomestnykh, "Coherent Synchrotron Frequency Shift due to the Fundamental Accelerating Cavity Mode in CESR," Report SRF 970314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1997).

14. H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

15. T. Furuya, et al., "Beam Test of a Superconducting Damped Cavity for KEKB," KEK Preprint 97-18, presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

Глава 1

1.1 H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

1.2 H. Padamsee, et al., "Accelerating Cavity Development for the Cornell B-Factory, CESR-B," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 2, pp. 786-788.

1.3 H. Padamsee, et al., "Design Challenges for High Current Storage Rings," Particle Accelerators, 1992, Vol. 40, pp. 17-41.

1.4 M. Tigner, "CESR-B, Upgrade the CESR Facility to B-Factory Capability," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 1, pp. 132-134.

1.5 D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

1.6 V. Veshcherevich, "B-Factory Cavity with Long Tubes and Tapers: Dipole Modes. Measurements on Full Scale Copper Model," Minutes of the SRF Meeting, July 9, 1992, Report SRFM 070992, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1992).

1.7 S. Belomestnykh, "Cutoff Frequencies of Several SRF and CESR Beam Pipes," Report SRF 951220-18, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1995).

1.8 T. Kageyama, "Grooved Beam Pipe for Damping Dipole Modes in RF Cavities," KEK B-Factory Workshop, KEK, Tsukuba, Japan, October 1990.

1.9 P. Kneisel and B. Lewis, "Advanced Surface Cleaning Methods - Three Years Experience with High Pressure Ultrapure Water Rinsing of Superconducting Cavities," Proceedings of the 7th Workshop on RF Superconductivity, Vol. 1, pp.311-327.

1.10 D. Moffat et al., "Preparation and Testing of a Superconducting Cavity for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 763-765.

1.11 S. Belomestnykh, et al., "Superconducting RF System for the CESR Luminosity Upgrade: Design, Status, and Plans," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 3, pp. 2100-2102.

1.12 M. Pisharody, et al., "High Power Window Test on a MHz Planar Waveguide Window for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1720-1722.

1.13 E. Chojnacki, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Tests and Designs of HighPower Waveguide Vacuum Windows at Cornell," Report SRF 971210-07, Cornell

Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (December 1997), presented at the Eighth Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy, October 1997.

1.14 D. J. Liska, et al., "Design Features of a Seven-Cell, High Gradient Superconducting Cavity," Proceedings of the 1992 Linear Accelerator Conference, Ottawa, Canada, August 1992, Vol. 1, pp. 162-165.

1.15 J. Kirchgessner, "Thoughts on the Very High Value of dF/dP" Report SRF 940321-01, Cornell Laoratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1994).

1.16 J. Kirchgessner and S. Belomestnykh, "On the Pressure Compensation for the B-cell Cavity in the MARK II Cryostat," Report SRF 970624-06, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (June 1997).

1.17 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

1.18 D. Moffat, et al., "Design and Fabrication of a Ferrite-lined HOM Load for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 977-979.

1.19 W. Hartung, "The Interaction between a Beam and a Layer of Microwave-Absorbing Material," Ph. D. Dissertation, Cornell University (1996).

Глава 2

2.1 D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

2.2 V. Veshcherevich, et al., "The Loss Factor of the Cavity Module for the CESR Beam Test and Some Other Asymmetric Structures," Report SRF 931013-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1993).

2.3 S. Belomestnykh and W. Hartung, "Calculations of the Loss Factor of the BB1 Superconducting Cavity," Report SRF 960202-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1996).

2.4 D. Boussard, "Design of a Ring RF System," Proceedings of the CERN Accelerator School "RF Engineering for Particle Accelerators", Oxford, UK, April 1991, Vol. 2, pp. 474-500.

Глава 3

3.1 D. Moffat et al., "Preparation and Testing of a Superconducting Cavity for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 763-765.

3.2 D. Metzger, et al., "Test Results and Design Considerations for a MHz, kWatt Vacuum Window for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 1399-1401.

3.3 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

3.4 H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

3.5 K. Akai, "Beam Tests and Operation of Superconducting Cavities," Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, KEK, Tsukuba, Japan, August 1989, KEK Report 89-21, Vol. 1, p. 189-206.

3.6 E. Chojnacki, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Tests and Designs of HighPower Waveguide Vacuum Windows at Cornell," Report SRF 971210-07, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (December 1997), presented at the Eighth Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy, October 1997.

3.7 M. Pisharody, et al., "High Power Window Test on a MHz Planar Waveguide Window for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1720-1722.

3.8 S. Belomestnykh, R. Kaplan, and J. Kirchgessner, "Beam Installation of the BB1-2 Cavity: Waveguide Adjustment and Cavity Positioning," Report SRF 961217-04, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (December 1996).

Глава 4

4.1 В. Zotter, "Potential-well Bunch Lengthening," Preprint CERN SPS/81-14 (DI), Geneva, May 1981.

4.2 E. B. Blum, et al., "Bunch Length Measurements in CESR using an X-ray Sensitive Photoconducting Detector," Nuclear Instruments and Methods, 1983, Vol. 207, pp. 321-324.

4.3 Z. Greenwald, et al., "Bunch Length Measurement using Beam Spectrum," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 2, pp. 1246-1248.

4.4 D. Cinabro, "Observation of Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 96-17/CBX 96-94, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (November 1996).

D. Cinabro, "Update on the Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 97-14/CBX 97-39, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (April 1997).

4.5 R. Holtzapple, частное сообщение.

4.6 P. В. Wilson, "Introduction to Wakefields and Wake Potentials," Preprint SLAC-PUB-4547, SLAC/AP-66 (January 1989).

4.7 D. Rice, et al., "Single Bunch Current Dependent Phenomena in CESR," IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-28, p. 2446-2448 (1981).

4.8 M. Billing, "Higher Mode Power Loss Limitations for Beam Currents in CESR," Report CBN 84-15, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1984).

4.9 V. Veshcherevich, et al., "The Loss Factor of the Cavity Module for the CESR Beam Test and Some Other Asymmetric Structures," Report SRF 931013-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1993).

4.10 T. Weiland, "Transverse Beam Cavity Interaction, Part I: Short Range Forces," Document DESY 82-015, Deutsches Elektronen Synchrotron, Hamburg, Germany (March 1982).

4.11 S. Belomestnykh and W. Hartung, "Calculations of the Loss Factor of the BB1 Superconducting Cavity," Report SRF 960202-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1996).

4.12 W. Chou and Y. Lin, "Impedance Calculations for 2-D and 3-D Structures and the Impedance Budget of 7-GeV APS Storage Ring," Proceedings of the 1989 IEEE Particle Accelerator Conference, Chicago, IL, March 1989, Vol. 2, pp. 909-911.

4.13 Y. H. Chin, "Advances and Applications of ABCI," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 5, pp. 3414-3416.

4.14 Y. H. Chin, "User's Guide for ABCI Version 8.8 (Azimuthal Beam Cavity Interaction)," Lawrence Berkeley Laboratory Report LBL-35258, CERN Preprint SL/94-02 (AP), 1994.

4.15 "MAFIA User Guide," Report LA-UR-90-1307, University of California (November 1989).

4.16 J. F. DeFord, et al., "The AMOS (Azimuthal Mode Simulator) Code," Proceedings of the 1989 IEEE Particle Accelerator Conference, Chicago, IL, March 1989, Vol. 2, pp. 1181-1183.

4.17 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

4.18 W. Hartung, "The Interaction between a Beam and a Layer of Microwave-Absorbing Material," Ph. D. Dissertation, Cornell University (1996).

4.19 S. Belomestnykh, "Cutoff Frequencies of Several SRF and CESR Beam Pipes," Report SRF 951220-18, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (1995).

4.20 D. Myakishev, et al., "SUPERLANS/SUPERSAM Codes. User's Guide," Novosibirsk, 1992.

4.21 D. G. Myakishev, V. P. Yakovlev, "An Interactive Code SUPERLANS for Evaluating of RF Cavities and Accelerating Structures," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 5, pp. 30023004.

4.22 A. Temnykh, "Wake Function Study Using Two Spaced Bunches," Report CBN 95-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (My 1995).

4.23 M. M. Карлинер, A. H. Скринский, И. А. Шехтман, "Условия устойчивости фазового движения сгустка в накопителе релятивистских частиц," ЖТФ, т. XXXVIII, в. 11, с. 1945-1952 (1968).

4.24 М. М. Карлинер, "Устойчивость фазового движения многих сгустков в накопителе заряженных частиц," ЖТФ, т. XLI, в. 9, с. 1806-1811 (1971).

4.25 М. М. Karliner, N. V. Mityanina, V. P. Yakovlev, "Longitudinal Stability of Colliding Beams in e~e+ Storage Rings with the Account of Beam Coupling with the Environment," Proceedings of the Third Advanced ICFA Workshop on Beam-Beam Effects in Circular Colliders, pp 131-134, Novosibirsk, 1989.

4.26 В. Г. Вещеревич, "Многорезонаторные ускоряющие структуры электрон-позитронного накопителя ВЭПП-4," Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 1983.

4.27 D. G. Myakishev, V. P. Yakovlev, "The New Possibilities of SuperLANS Code for Evaluation of Axisymmetric Cavities," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 4, pp. 2348-2349.

4.28 E. Haebel, P. Marchard, and J. Tuckmantel, "On the Calculation of Beam Tube Propagation of Cavity Modes from SUPERFISH and URMEL," Preprint CERN/EF/RF 841, CERN, Geneva, Switzerland (March 1984).

4.29 S. A. Heifets, "Analytic Study of the High-Frequency Impedance," Report CEBAF-PR-89-014.

4.30 S. Fornaca, et al., "Experimental Investigation of Low Frequency Modes of a Single Cell RF Cavity," Proceedings of the 1987 IEEE Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., March 1987, pp. 1818-1820.

4.31 W. Hartung, "LEP 1500 Plans Collapse and Other Stories or What I Learned on my CERN Vacation," Report NS/RF-92-1701, National Superconductor, 160000 Lincoln Avenue, Brentwood, Colorado 80523 (1992).

4.32 W. Hartung and E. Haebel, "In Search of Trapped Modes in the Single-Cell Cavity Prototype for CESR-B," Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference, Washington, D.C., May 1993, Vol. 2, pp. 898-900.

4.33 D. Rubin, "CESR Status and Plans," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, TX, May 1995, Vol. 1, pp. 481-485.

4.34 M. Billing, "Observation of a Longitudinal Coupled Bunch Instability with Trains of Bunches in CESR," presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

4.35 A. Temnykh, D. Hartill, S. Belomestnykh, R. Kaplan, "The HOM Study of CESR RF Cavities Using Single Circulating Bunch," Report CBN 97-5, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997), presented at the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, May 1997.

4.36 N. Mityanina, " MB I User's Manual," Report SRF/D 970314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (January 1997).

4.37 K. Akai, "RF Issues for High Intensity Factories," Proceedings of the Fifth European Particle Accelerator Conference, Barcelona, Spain, June 1996, Vol. 1, pp. 205209.

4.38 С. А. Беломестных, неопубликовано.

4.39 D. Fromowitz, "Simulation of Multibunch Instabilities Based on the Fundamental Cavity Mode," Report CON 97-10, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (August 1997).

4.40 S. Belomestnykh, "Coherent Synchrotron Frequency Shift due to the Fundamental Accelerating Cavity Mode in CESR," Report SRF 970314-01, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (March 1997).

Глава 5

5.1 H. Padamsee, P. Barnes, S. Belomestnykh, et al., "Beam Test of a Superconducting Cavity for the CESR Luminosity Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 3, pp. 1515-1517.

5.2 S. Belomestnykh, et al., "Comparison of the Predicted and Measured Loss Factor of the Superconducting Cavity Assembly for the CESR Upgrade," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3394-3396.

5.3 S. Belomestnykh, et al., "Wake Fields and HOMs Studies of a Superconducting Cavity Module with the CESR Beam," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3391-3395.

5.4 S. Belomestnykh, et al., "The Interaction between a Beam and a Superconducting Cavity Module: Measurements in CESR and CESR-Phase III Goals," Proceedings of the International Workshop on Collective Effects and Impedance for B-Factories (CEIBA95), Ed. Y. H. Chin, KEK, Tsukuba, Japan, June 1995, KEK Proceedings 96-6, pp. 456-466.

5.5 E. B. Blum, et al., "Bunch Length Measurements in CESR using an X-ray Sensitive Photoconducting Detector," Nuclear Instruments and Methods, 1983, Vol. 207, pp. 321-324.

5.6 Z. Greenwald, et al., "Bunch Length Measurement using Beam Spectrum," Conference Record of the 1991 IEEE Particle Accelerator Conference, San Francisco, CA, May 1991, Vol. 2, pp. 1246-1248.

5.7 D. Cinabro, "Observation of Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 96-17/CBX 96-94, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (November 1996).

D. Cinabro, "Update on the Dynamic Beta Effect at CESR with CLEO," Report CBN 97-14/CBX 97-39, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (April 1997).

5.8 A. Temnykh, "Wake Function Study Using Two Spaced Bunches," Report CBN 95-11, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY (July 1995).

93

5.9 M. Billing, et al., "Measurements of Vacuum Chamber Impedance Effects on the Stored Beam at CESR," Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conference and International Conference on High-Energy Accelerators, Dallas, TX, May 1995, Vol. 5, pp. 3206-3208.

Содержание

Введение 2

Глава 1. Сверхпроводящий ускоряющий модуль 8

1.1 Резонатор 8

1.2 Криостат 13

1.3 ВЧ керамическое окно 14

1.3 Механизм подстройки частоты резонатора 16

1.4 Нагрузки высших мод 18

Глава 2. ВЧ система на основе одномодового резонатора 22

Глава 3. Испытания ускоряющего модуля и прототипов 27

3.1 Испытания прототипа нагрузки ВМ 28

3.2 Испытание ускоряющего модуля в действующем ускорителе 30

3.3 Работа с большими токами пучка 31

3.4 Работа с высокими темпами ускорения 34

3.5 Передача ВЧ мощности пучку 35

3.6 Испытание новых волноводных ВЧ окон 37

3.7 Испытания окончательного варианта ускоряющего модуля, его установка в СЕБЫ и опыт эксплуатации 39

Глава 4. Расчеты взаимодействия резонатора с пучком 44

4.1 Однопролетные эффекты 44

4.2 Расчеты факторов потерь ускоряющего модуля 47

95

4.3 Многосгустковые продольные неустойчивости и спектр высших мод сверхпроводящего резонатора 59

4.4 Взаимодействие пучка с основной модой резонатора 67

Глава 5. Измерение взаимодействия одномодового сверхпроводящего резонатора с пучком в накопителе CESR 71

5.1 Краткий обзор измерений 71

5.2 Измерение аксиально-симметричного фактора потерь 73

5.3 Измерение временной структуры потенциала собственных полей излучения 73

5.4 Сканирование частот высших мод 76

5.5 Измерение спектра высших мод 77

Одно из основных направлений в развитии физики высоких энергий в последнее время - создание циклических установок со встречными пучками (коллайдеров). Новую физическую информацию становится получить все труденее и труднее, так как она заключена во все более редких распадах. Поэтому новые установки должны обеспечивать высокую светимость порядка 1033 -г 1034 см~2с-1. Светимость L определяется формулой т о и/г, \ z? Nblbunch^v

L = 2.17(l+r)Ebeam---(1) где L - в 1032 см-2с-1, г - отношение вертикального и горизонтального размеров пучка в месте встречи, Ebeam ~ энергия пучков в ГэВ, /V/, - количество сгустков в пучке, I bunch ~ средний ток сгустка в амперах, - линейный сдвиг вертикальной бетатронной частоты вследствие взаимодействия пучков в месте встречи, (5V* -вертикальная бета-функция в месте встречи в метрах. При фиксированных размерах сгустков и бета-функции в месте встречи повышения светимости можно достичь, увеличивая ток в сгуске и/или увеличивая количество сгустков.

С другой стороны, в течение примерно 20 последних лет в мире идет интенсивное строительство накопителей-источников синхротронного излучения (СИ). Благодаря уникальным свойствам СИ, его использование революционным образом изменяет возможности многих физических методов исследования как в области фундаментальных, так и в области прикладных наук. Одной из основных характеристик источников СИ является яркость [1]: NЬ I bunch (2) где ех и £z - горизонтальный и вертикальный эмиттансы пучка. Из приведенной формулы видно, что один из способов повышения яркости - это повышение тока пучка.

Таким образом, возможность накопления интенсивных пучков заряженных частиц и многосгустковый режим работы являются существенными факторами для увеличения светимости установок со встречными пучками и яркости накопителей-источников СИ.

Коллайдер CESR.

Расположенный в Лаборатории ядерных исследований Корнеллского университета накопитель Cornell Electron Storage Ring (CESR) [2] - это установка со встречными электрон-позитронными пучками, работающая в диапазоне энергий Y резонансов. Ускорительный комплекс состоит из линейного ускорителя на энергию 300 МэВ, синхротрона и собственно коллайдера CESR (рисунок 1). Инжекция из синхротрона происходит на энергии эксперимента. В южном экспериментальном промежутке находится детектор CLEO. По обеим сторонам детектора расположены восточный и западный технические промежутки. В них установлены ВЧ резонаторы, вигглеры и электростатические сепараторы. Некоторые параметры CESR приведены в таблице 1. В настоящее время CESR является коллайдером с самой большой в мире светимостью. Помимо проведения экспериментов по физике высоких энергий, коллайдер также служит источником СИ для экспериментальных станций лаборатории CHESS [3].

Поэтапная программа повышения светимости CESR предусматривает повышение светимости коллайдера до >1033 cm'V1 при токе 1 А в двух пучках [4]. Как было показано выше, повышения светимости можно достичь, увеличивая количество частиц в сгуске и/или увеличивая количество сгустков в пучке. Однако, ток в CESR в настоящее время ограничен когерентными многосгустковыми фазовыми колебаниями, вызванными взимодействием пучка с резонансными модами ускоряющих резонаторов [5, 6]. Анализ показал, что это ограничение является фундаментальным для пятиячеечных медных резонаторов, используемых в

Детектор CLEO

Рисунок 1. Схематическое изображение ускорительного комплекса CESR. накопителе [7, 8]. Для того, чтобы позволить коллайдеру копить токи до 1 А в двух сгустках, необходима новая ускоряющая высокочастотная (ВЧ) система. Поскольку в плане требований к ВЧ резонаторам СЕБЫ во многом сходен с будущими коллайдерами-"фабриками" и большими накопителями-источниками СИ, ниже мы сформулируем эти требования.

Таблица 1. Некоторые параметры накопителя СЕБЯ.

Рабочая энергия 4,7-5,6 ГэВ/пучок

Периметр 768,43 м

Пиковая светимость 4,8x1032 cm-V

Макс, интегральная светимость 3,4 фбарн1/год

462 пбарн1/мес.

27,2 пбарн"'/день

Ток в одном пучке 185 мА в 18 сгустках (9x2)

Линейный сдвиг частоты, 0,04

Линейный сдвиг частоты, ^ 0,025

Коэффициент уплотнения орбит 0,0113

Длина сгустка 1,8 см

Потери энергии на СИ (с 1,2 МэВ/оборот вигглерами)

Кратность частоты ВЧ 1281

Частота ВЧ 499,765 МГц

Амплитуда ВЧ напряжения 6,2 MB

Количество резонаторов 4

Резонаторы для "фабрик" и нового поколения источников СИ.

Одним из основных элементов, ограничивающих интенсивность пучков, являются высокочастотные ускоряющие резонаторы: ток заряженных частиц в накопителе может быть ограничен возникновением когерентных фазовых или бетатронных колебаний из-за взаимодействия сгустков частиц с резонансными модами ускоряющего резонатора. Есть два основных способа ослабления этого "паразитного" взаимодействия: 1) расположить частоты высших резонансных мод (ВМ) резонатора определенным образом относительно гармоник частоты обращения и 2) уменьшить шунтовое сопротивление ВМ путем уменьшения их добротности с помощью специальных нагрузок. Первый способ наиболее эффективен для сравнительно небольших установок, когда частота обращения частиц велика по сравнению с шириной спектральных линий ВМ. Как было показано в диссертации В.Г.Вещеревича [9], этот способ имеет смысл применять в установках с размерами порядка ВЭПП-4 и меньше. В более крупных накопителях используется второй метод.

Токи пучка в "фабриках" будут порядка 1 А и выше при многосгустковом режиме работы установок. Это означает, что для обеспечения устойчивости много cry стковых продольных колебаний аксиально-симметричные ВМ новых резонаторов должны иметь добротности порядка 102 [10]. Резонаторы с такими низкими значениями добротностей высших мод часто называют " одномодовыми" или "свободными" от высших мод [11]. В настоящей работе мы будем пользоваться первым термином.

Вследствие того, что потери энергии на оборот растут как четвертая степень энергии частиц, в установках на высокую энергию приходится использовать не один, а большее число резонаторов. Поэтому, при прочих равных условиях, применение резонаторов с большими ускоряющими градиентами, например сверхпроводящих, позволяет уменьшить число резонаторов в накопителе и тем самым понизить суммарный импеданс высших мод. Кроме того, в ускорителях большого размера, работающих с интенсивными пучками, особое внимание нужно уделять взаимодействию пучка с основной, или ускоряющей модой ВЧ резонаторов [12, 13]. При этом преимущество приобретают резонаторы с более низким характеристическим сопротивлением и большей добротностью.

Итак, резонаторы нового поколения должны иметь: высокий ускоряющий градиент (чтобы уменьшить число ускоряющих ячеек в кольце), добротность высших мод порядка 102 (чтобы обеспечить устойчивость многосгустковых колебаний) и небольшое характеристическое сопротивление основной моды (чтобы уменьшить расстройку резонатора и когерентный сдвиг частоты синхротронных колебаний вследствие подгрузки пучком).

За последние годы в различных лабораториях были предложены и испытаны новые конструкции одномодовых резонаторов, как традиционных, "теплых", так и сверхпроводящих [10, 12]. Частота ВЧ определяется выпускаемыми промышленностью мощными непрерывными клистронами, поэтому выбор для ускорителей, потребляющих большую ВЧ мощность, ограничен, по-существу, двумя диапазонами: 352 МГц (LEP, APS) и 500 МГц (CESR, PEP-II, КЕКВ, HERA). Хотя в области теплых резонаторов был сделан определенный прогресс в получении большего ускоряющего напряжения на зазоре (0,77 MB в резонаторе HER PEP-II) или малого характеристического сопротивления основной моды (7,5 Ом у резонаторе ARES для LER КЕКВ), тем не менее по совокупности параметров сверхпроводящие резонаторы, по нашему мнению, выгоднее теплых. При достаточно низком характеристическом сопротивлении (44,5 Ом у резонатора CESR и 46,5 Ом у резонатора HER КЕКВ) они обеспечивают намного более высокое ускоряющее напряжение (>1,6 MB - КЕКВ, >1,8 MB - CESR) и более простой и эффективный способ нагрузки высших мод. Долгий опыт эксплуатации сверхпроводящих резонаторов в ускорителях различных лабораторий мира, недавно проведенные пучковые испытания новых ускоряющих модулей в CESR [14] и аккумуляторном кольце КЕК [15] и опыт эксплуатации первого ускоряющего модуля в CESR доказывают, что современный уровень развития сверхпроводящей ВЧ технологии позволяет изготавливать надежные резонаторы, способные снабжать ВЧ мощностью интенсивные пучки частиц ускорителей нового поколения.

В настоящей работе описаны конструкции ускоряющего модуля на основе одномодового сверхпроводящего резонатора и некоторых элементов этого модуля, разработанных для модернизации коллайдера CESR; описано построение новой ВЧ системы CESR на основе сверхпроводящего модуля; приведены результаты пучковых испытаний прототипа ускоряющего модуля в августе 1994 года, испытаний первого модуля на стенде в августе 1997 года и последовавшей установки его в накопитель; приведены оценки и результаты численных расчетов различных аспектов взаимодействия резонатора с пучком и результаты экспериментов по изучению этого взаимодействия. В заключении обобщен полученный опыт работы с одномодовым резонатором.

Заключение

Ускоряющий модуль на основе одномодового сверхпроводящего резонатора обладает такими качествами, как: 1) высокий ускоряющий градиент, 6-10 МВ/м; 2) способность передать в пучок большую ВЧ мощность через волноводный ввод мощности; 3) низкий импеданс взаимодействия с пучком (добротность высших мод порядка 100). Высокий ускорящий гардиент и ввод мощности на 500 кВт позволяют значительно уменьшить число ускоряющих ячеек в кольце. Низкий импеданс повышает пороги возникновения многосгустковых неустойчивостей и, таким образом, позволяет увеличить ток пучка.

Прототип ускоряющего модуля был успешно испытан в CESR в августе 1994 года. Впервые с помощью сверхпроводящего резонатора был накоплен ток 220 мА, пучку была передана рекордная ВЧ мощность 158 кВт, в нагрузках ВМ была поглощена мощность 2 кВт.

По результатам испытаний была доработана конструкция модуля, и на ее основе разработана новая ВЧ система для модернизации коллайдера CESR. ВЧ система состоит из четырех модулей, размещенных парами в восточном и западном технических промежутках. Система снабжения жидким гелием включает в себя два 600-ваттных рефрижератора, 2000-литровый буферный дьюар, криолинии и станции распределения.

Первый из четырех ускоряющих модулей установлен в кольцо CESR вместо одной из старых пятиячеечных ускоряющих структур. Это позволило накапливать средний ток свыше 370 мА в режиме встречных пучков и получить рекордную пиковую светимость.

Экспериментально и теоретически исследовано взаимодействие одномодового резонатора с пучком: 1) показано, что выбранная геометрия ускоряющей структуры не содержит "запертых" высших мод, 2) впервые измерен фактор потерь сверхпроводящего резонатора калориметрическим методом, 3) впервые экспериментально изучен временной характер полей излучения, 4) измерен спектр высших мод с помощью односгусткового пучка.

Полученный опыт может быть использован при создании ВЧ систем накопителей заряженных частиц нового поколения, а предложенный для модернизации коллайдера СЕБЯ ускоряющий модуль на основе одномодового сверхпроводящего резонатора может служить прототипом для ускоряющих резонаторов этих установок.

Помощь, содействие и дружеская поддержка многих людей, как в научном, так и в личном аспектах, позволили автору провести представленные в диссертации исследования и написать саму диссертацию. Поэтому автор считает своим долгом выразить свою искреннюю и глубокую благодарность всем, кто так или иначе причастен к данной работе. В первую очередь автор хочет отметить роль своего учителя, к.т.н. В.М.Петрова, изобретательность, критическое мышление и часто нетрадиционный подход к решению научных и технических проблем которого оказали большое влияние на автора, а совместная работа с которым в Институте ядерной физики СО РАН сформировала во многом научные интересы автора.

Автор приносит свою глубокую благодарность проф. Х.Падамси за помощь в проведении и организации исследований, многочисленные консультации и плодотворные обсуждения темы исследований; нынешним и бывшим членам группы сверхпроводящего ВЧ Корнеллского университета за помощь во время проведения и подготовки экспериментов и в решении различных вопросов, в особенности Ф.Барнсу, Б.Вакосу, д-ру Р.Генгу, П.Квигли, д-ру Дж.Кирчгесснеру, д-ру Й.Кноблоху, Дж.Сирсу, Т.Г.Флинну, д-ру В.Хартунгу, Т.Хейсу и д-ру Э.Чойнаки. Успех данной работы был бы невозможен без помощи физиков, инженеров и техников, работающих на накопителе СЕБК: д-ра М.Биллинга, д-ра Р.Ерлиха, д-ра

82

Дж.Кандасвами, Р.Каплана, д-ра Ю.Ли, Р.Лобделла, проф. Н.Мистри, д-ра Э.Нордберга, С.Пека, Т.Пелайа, Дж.Райли, д-ра Д.Райса, проф. Д.Рубина, М.Рэя, Д.Сэйбола, к.ф.-м.н. А.Темных и др.

Автор также благодарит своих коллег из различных исследовательских институтов и организаций за предоставленное для расчетов программное обеспечение, консультации и советы: к.ф.-м.н. В.П.Яковлева, Д.Г.Мякишева, С.И.Манькова, Н.В.Митянину, Й.Х.Чина, М.С. де Джонга.

Автор искренне благодарит к.т.н. В.Г.Вещеревича за постоянную моральную поддержку, помощь и многочисленные консультации; к.т.н. И.К.Седлярова и А.Г.Трибендиса за полезные замечания, высказанные по тексту диссертации; к.т.н. А.С.Медведко и д.ф.-м.н. М.М.Карлинера за помощь, а также многих других коллег и сотрудников по Институту ядерной физики СО РАН.

В личном плане автор благодарен своим родителям Энелии Захаровне и Анатолию Федоровичу и сестре Марине Хроповой за их постоянный интерес к работе автора и веру в успех. Большое спасибо также моим бабушке Надежде Григорьевне, детям Оле и Максиму и всем другим родственникам за их поддержку.

И, наконец, особая благодарность моей жене Наташе. Без ее терпения, поддержки и любви успешное завершение данной работы было бы немыслимо.

Эта работа финансирована Национальным научным фондом (National Science Foundation) с частичным финансированием из фонда Американо-японского научного сотрудничества (U.S.-Japan collaboration).