Ускоряющая секция и СВЧ нагрузка для форинжектора ВЭПП-5 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Ускоряющая секция

Введение

1.1. Общие свойства КДВ, основные понятия и определения

1.2. Основные электротехнические параметры ускоряющей структуры и соотношения между ними

1.3. Основных характеристик ускоряющей секции и геометрических размеров диафрагмированного волновода

1.4. Выбор допусков и влияние погрешности изготовления на основные параметры ускоряющей секции

1.5. Использование модели связанных резонаторов при исследовании ускоряющей секции

1.6. Численное моделирование основных электротехнических характеристик ускоряющей секции

1.7. Измерение, настройка и согласование ускоряющей структуры

1.7.1. Измерение регулярных ячеек УС

1.7.2. Оценка результатов измерений регулярной ячейки

1.7.3. Согласование и настройка ТТВ

1.7.4. Настройка и сборка УС

1.7.5. Настройка переходного узла

1.8. Производство ускоряющих секций 47 1.9 Полученные результаты

Глава 2. СВЧ нагрузка

Введение

2.1. Конструкция

2.2. Основные соотношения, параметры и характеристики

2.3. Полученные результаты 58 Заключение 60 Литература

Введение

Одной из основных задач физики ускорителей является создание установок с высокой энергией взаимодействия ускоряемых частиц. Одним из таких проектов являлся и проект создания в ИЯФ СО РАН ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-5[1]. В состав форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5 входят линейный ускоритель электронов на энергию 300 МэВ и линейный ускоритель позитронов на энергию 510 МэВ. Данная работа посвящена следующим радиотехническим элементам, созданным в рамках реализации данного проекта: ускоряющей секции и волноводной вакуумной СВЧ нагрузке.

Ускоряющая секция является основным ускоряющим элементом линейного ускорителя и предназначена для обеспечения требуемых энергетических параметров ускоряемых частиц. Для электронной части форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5 такими параметрами являются[1]: число электронов в импульсе 5-Ю10, средняя энергия электронов в импульсе 300 МэВ, энергетический разброс электронов сгустка ±1%.

После рассмотрения различных вариантов было решено создавать ускоряющую секцию форижектора ВЭПП-5 в виде круглого диафрагмированного волновода, который работает в режиме бегущей волны и связан с подводящими волноводами через входной и выходной трансформаторы типа волны. Сдвиг фазы на элементе периодичности структуры на рабочей частоте 2855 МГц составляет 2/г/з. Для обеспечения требуемых параметров ускоряемых частиц были сформулированы следующие основные требования к ускоряющим секциям [3]:

• обеспечение среднего темпа ускорения в рабочем режиме до 40 МэВ/м;

• максимальное отклонение фазы электромагнитного поля вдоль всей структуры от своего номинального значения не более ± 3 град.угл.;

• уровень согласования УС на рабочей частоте со стороны подводящего волновода: КСВн<1.07 ;

• максимальное отклонение от оптической оси вдоль всей структуры не более 0.5мм;

• эффективная система охлаждения и термостабилизации;

• низкая стоимость изготовления, использование стандартного оборудования, узлов и деталей;

• высокая надежность изделия при его эксплуатации;

• возможность дальнейшего совершенствования ускоряющей структуры без существенных изменений основной конструкции изделия.

Следует отметить, что до реализации данного проекта в России не существовало ускоряющих секций, которые бы обеспечивали требуемый рабочий темп ускорения в заданном частотном диапазоне. Созданию ускоряющей структуры предшествовали расчеты и создание основных элементов структуры: трансформатора типа волны, регулярной ячейки, переходного узла. Для изготовления ускоряющих структур на территории экспериментального производства ИЯФ был создан новый технологический участок сборки и вакуумной пайки. В ходе создания структуры для проведения вычислений активно использовались уже существующие и хорошо зарекомендовавшие себя пакеты прикладных программ: SLANS, URMEL, HFSS и др. Кроме того, для обработки результатов измерений, настройки и тестирования ускоряющей и группирующей структур автором было написано большое число специализированных прикладных программ. Большинство из написанных программ легли в основу специализированного пакета прикладных программ VIT030[32].

В данной работе последовательно рассмотрены элементы конструкции ускоряющей секции. Представлены основные характеристики структуры и методы их расчета. Приведены способы измерений и полученные результаты.

СВЧ нагрузка является элементом СВЧ тракта линейного ускорителя. Предназначена для тестирования отдельных СВЧ элементов на этапе строительства ускорителя и для поглощения избыточной СВЧ мощности при работе установки. Основные требования, которые предъявлялись к СВЧ нагрузке для форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5 заключались в следующем [34]:

• импульсная рассеиваемая СВЧ мощность до 120 МВт;

• средняя рассеиваемая мощность до 12 КВт;

• уровень согласования в полосе частот ±5 МГц относительно рабочей частоты: КСВн<1.2;

• низкая стоимость и высокая надежность при эксплуатации. Создание мощной СВЧ нагрузки дало возможность провести тестовые испытания СВЧ элементов инжекционного комплекса ВЭПП-5 в процессе его строительства и обеспечило возможность работы СВЧ тракта ускорителя при его эксплуатации [35].

В данной работе рассмотрены элементы конструкции СВЧ нагрузки. Приведены методы расчета основных характеристик нагрузки. Представлены полученные результаты.

Данная работа основана на следующих результатах. Разработана, создана и испытана ускоряющая секция на бегущей волне с видом колебаний 2я73 на рабочей частоте 2855 МГц. Все параметры данного изделия соответствуют общепринятым стандартам.

Разработана, создана и испытана волноводная вакуумная СВЧ нагрузка, рассчитанная на импульсную мощность до 120 МВт и среднюю мощность до 12 кВт.

Работа выполнена в ИЯФ СО РАН в период с 1994 по 2002г.

Глава 1 Ускоряющая секция

На этапе предварительной проработки проекта создания форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5 были определены основные требования к энергетическим параметрам ускоряемых частиц [1]. В качестве основного ускоряющего элемента было решено использовать ускоряющую секцию (УС), работающую в режиме бегущей волны с видом колебаний 2л-/3 на рабочей частоте 2856 [28].

Основное тело ускоряющей секции представляет собой периодическую структуру, выполненную в виде круглого диафрагмированного волновода (КДВ), который связан с источником СВЧ мощности и СВЧ нагрузкой через входной и выходной трансформаторы типа волны (ТТВ). Общий вид УС представлен на рис.1 . Регулярная ячейка изображена на рис.2. Л ц т Щ

Рис.2 Регулярная ячейка

Трансформатор типа волны, используемый в данной структуре, совмещает функции согласующего узла, откачного узла и узла ввода-вывода охлаждающего дистиллята. Он выполнен из нержавеющей стали с впаянной медной ячейкой. Внутренние размеры ТТВ близки к размерам регулярной ячейки структуры [28].

Фланец

Рис.3 Трансформатор типа волны

Рубашка водяного охлаждения предназначена для отвода рассеиваемой в структуре СВЧ мощности и представляет собой стальную трубу постоянного сечения. Такая конструкция позволяет обеспечить требуемый температурный режим вдоль всей структуры и является защитным кожухом основного тела структуры от механических повреждений и возможных искривлений геометрической оси. стальное переходная контакная поверхность кольцо \ диафрагма \ / (покрытие Аи)

Рис.4 Переходной узел.

Ускоряющая структура состоит из двух зеркально симметричных полуструктур которые после их изготовления соединяются через переходной узел в одно изделие. Это позволяет создавать структуры любой длины без изменений основной конструкции [28].

Заключение

В данной работе были представлены ускоряющая секция и волноводная вакуумная СВЧ нагрузка для линейного ускорителя электронов на бегущей волне.

На сегодняшний день в ИЯФ создано и испытано восемь ускоряющих секций. Шесть ускоряющих секций обеспечивают работу электронной части форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5. С их помощью получен электронный пучок со средней энергией 300 МэВ на выходе ускорителя [37]. Во время испытаний была достигнута устойчивая работа структур при среднем темпе ускорения электронов 40 МэВ/м. После проведения этих испытаний две ускоряющие секции были отправлены в г. Дубна для реализации проекта ИРЕЩЗ].

На сегодняшний день создано и испытано девять волноводных вакуумных СВЧ нагрузок. Максимальный уровень импульсной мощности, рассеиваемой в нагрузке, составил 120 МВт. Это позволило провести тестовые испытания СВЧ элементов инжекционного комплекса ВЭПП-5 в процессе строительства установки и обеспечило возможность нормальной работы СВЧ тракта ускорителя при его эксплуатации.

Создание ускоряющей секции и мощной СВЧ нагрузки явилось мощным стимулом для развития производственных, измерительных и вычислительных технологий. Специально для изготовления ускоряющих структур на базе экспериментального производства ИЯФ был создан новый технологический участок сборки и вакуумной пайки. Для проведения СВЧ измерений был создан отдельный измерительный комплекс. Для обработки результатов измерений, настройки и тестирования ускоряющей секции автором было написано большое число специализированных прикладных программ.

Благодарю всех сотрудников лаборатории, конструкторского бюро и экспериментального производства ИЯФ, которые приняли участие в проведении данной работы. Считаю своим долгом отдельно отметить тех сотрудников, без которых было бы невозможно создание ускоряющей секции: А.В. Новохатского, Д.Е. Куклина, С.В. Шиянкова.

1. Физический проект комплекса ВЭПП-5 :Отчет/ Ин-т ядерной физики СО РАН,Новосибирск, 1995.-35 Ос.

2. Диафрагмированные волноводы. Справочник. Изд.З/ О.А.Вальднер, Н.П.Собенин, Б.В.Зверев, И.С.Щедрин., -М.: Атомиздат, 1991.-246с.

3. Линейный ускоритель электронов для интенсивного источника резонансных нейтронов. Отчет N 92-4/ ИЯФ , н.рук.А.В.Новохатский, Новосибирск, 1993.-150с.

4. Зверев Б.В., Собенин Н.П. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. -М: Энергоиздат, 1993, -240с.

5. Разработка и исследование ускоряющих и фокусирующих волноводных структур и системы фазирования секций линейного коллайдера.Часть1, Отчет N 89-3-532/ МИФИ., н.рук.: А.Н.Диденко, Н.П.Собенин., Москва, 1992.-170с.

6. Разработка и исследование ускоряющих и фокусирующих волноводных структур и системы фазирования секций линейного коллайдера. Часть2, Отчет N 89-3-532/ МИФИ., рук.: А.Н.Диденко, Н.П.Сабенин., Москва,1992.-195с.

7. Викулов В.Ф., Калюжный В.Е. Исследование высокочастотных характеристик ускоряющих секций с бегущей волной на основе резонаторной модели. ЖТФД982, т.52, вып.11,с.53-61.

8. Ускоряющая секция ВЛЭПП на 14ГГц/ М.А.Авдеев, В.Е.Балакин, В.А.Долгошев, И.И.Иванов, Л.П.Катаенко, А.В.Минков, С.А.Мясоедов, В.Д.Шемелин. -Новосибирск, 1993.-43с. -(Препринт/Ин-т ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 93-71).

9. Мясоедов С.А. Трансформатор типа волны для ускоряющей секции ВЛЭПП: Дипломная работа, НГУ, Новосибирск, 1993.-43с.

10. LANS-программа для вычисления электромагнитных полей и собственных частот аксиально-симметричных резонаторов/ М.М.Карлинер, П.Б.Лысянский, Б.М.Фомель, Б.П.Яковлев. -Новосибирск,1979.-20с.-(Препринт / Ин-т ядерной физики СО АН СССР; ИЯФ 79-59).

11. Семенов Н.Д. Техническая электродинамика.,Связь, Москва, 1973.-320с.

12. А.Л.Фелынтейн, Л.Р.Явич, В.П.Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники., -М.: ГЭИ, 1973.-210с.

13. Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. -М.:Атомиздат, 1980.-350с.

14. Силин Р.Л., Сазонов В.П. Замедляющие системы. -М.: Советское радио, 1966.-425с.

15. Вальднер О.А., Власов А.Д., Диденко А.Н. Ускоряющие волноводы. -М.: Атомиздат, 1973.-195с.

16. Капчинский И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. -М.: Энергоиздат, 1982.-240с.

17. Викулов В.Ф.,Калюжный В.Е., Ли Э.А., Исследование и оптимизация импедансной характеристики ускоряющей секции с бегущей волной, из кн. Измерение и моделирование процессов в импульсных электродинамических системах, М.: Энергоатомиздат, 1986, с 53-59.

18. Рао С.Р. Линейные статистические методы и их применения. -М.: Наука, 1968.-320с.

19. Джексон. Дж. Классическая электродинамика. -М.: Мир, 1965.-370с.

20. HFSS.Users Guide., Ansoft Corporation, Pittsburgh, 1999.

21. The Stanford two-miles accelerator. By general editor R.B.Neal, New York,1968.-360c.

22. Z.D.Farkas, H.A.Hogg, G.A.Loew and P.B.Wilson. A Method of doubling SLAC's Energy.,Proe. IX-th International Conference on High Energy Accelerators, Stanford University, Stanford, Colifornia., May 2-7, 1974.

23. J.W.Wang, G.A.Loew. Progress Report on New RF Breakdown Studies in an S-band Structure at SLAC//Stanford Linear Accelerator Center, Stanford, California, SLAC-PUB-4247,1987.

24. K.Halbach, R.F.Holsinder. SUPERFISH-a Computer Program for Evaluation of RF Cavities with Cylindrical Symmetry// Partical Accelerators, Vol.7,1976.

25. T.Shintake. FCI field charge interaction program for high power klystron simulators., Proc.1989 Particle Accelerator Conf., March 20-30,1989,Chicago,US A.

26. Shantake T. Klystron simulation and design using the Field Charge Interaction (FCI) code, Nucl.Instrum and Method in Physics Research A363, 1995.

27. Z.D.Farkas, H.A.Hogg, G.A.Loew, P.B.Wilson. SLED: A Method of Doubling SLAC's energy, Proc. of HEAC 74, Stanfod, 1974.

28. Косарев A.H., Куклин Д.Е., Новохатский A.B., Подлевских В.В., Шиянков С.Н. Ускоряющая структура форинжектора инжекционного комплекса ВЭПП-5, ВАНТ, серия ядерно-физических исследований, выпуск 2, том 1, Харьков, 1998, с125-128.

29. Подлевских В.В. Группирующая структура установки стенд. Новосибирск 1997.- 23с.-( Препринт / Ин-т ядерной физики СО РАН; ИЯФ 79-59)

30. Александров А.В., Авилов М.С., Подлевских В.В.и др. Прототип форинжектора ВЭПП-5. ВАНТ, серия ядерно-физических исследований, выпуск 2, том 1, Харьков, 1998, стр.125.

31. Kosarev A.N, Kuklin D.E., Novohatski A.V., Podlevskih V.V.,Shiyankov S.V. The accelerating structure for VEPP-5 preinjector, International workshop on linear collider, Protvino, 1998, c.73-77.

32. Antoshin A.V., Podlevskih V.V., Tarnetskky V.V. S-band buncher prototype for the VEPP-5 preinjector, IWCPLA 99, Alushta, Ukraine, 1999,p201-204.

33. Avilov M.S., Akimov V.E., Podlevskih V.V. et. al. Test of accelerating structure for VEPP-5 preinjector, LINAC2000, XX International Linac Conference, August 21-25, 2000, Monterey, California 2000.

34. Podlevskih V.V. VIT 030 the special code for computer simulation of the RF process in linear accelerator. Proc. of the РАС'99, Match 29 - April 2, New-Yorc 1999, p.134-138.

35. Avilov M.S., Akimov V.E. , Podlevskih V.V. et. al. Test of electron linac for VEPP-5 preinjector. EPAC2000, Jun 26-30, Vienna, Austria. XX International Linac Conference, August 21-25, 2000, Monterey, California 2000, p.47-50.

36. Podlevskih V.V., Shiyankov S.V. RF load for VEPP-5 preinjector. Proc. of HEAC 98, Dubna, 1998, 203-206.

37. Kazarezov I.V., Podlevskih V.V., Shiyankov S.V. et. al. Test of accelerating structure for VEPP-5 preinjector. Budker INP 2000-50, Novosibirsk 2000, 47p.

38. Alyackrinsky O., Podlevskih V.,Tarnetsky V. New S-band buncher for IREN electron LINAC. Proc. of PAC'01, Chicago, USA ,2001, p.180-183.

39. Avilov M.S., Podlevskih V.V., Shiaynkov S.V. et. al. Status of VEPP-5 Preinjector. Proc. of LINAC2002, Gyenju, Korea 2002, p.92-96.

40. M.Dohlus, V.Kaljuzhny,A.Naboka Tuning of 5.2 metre Long Tapered S-band Traveling Wave Accelerating Sextion. DESY M-96-10,1996.

41. J.Gao. Analytical approach and scaling laws in the design of disk-loaded travelling wave accelerating structures. LAL/RT 93-14, June 1993,18р.

42. M.Chanudet. Matching of the coupling cavity to travelling wave structures at any operating mode. LAL/RT 93-06,June 1993.

43. Gao J. Suppression of wakefields by introducting frequency dispersions in RF cavities. LAL/RT 92-13, October 1992, 23p.

44. Шемелин В.Д. Разработка ускоряющей системы и испытания СВЧ устройств ВЛЭПП: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Новосибирск, 1995. -63с.1. DC' л*■