Ускоряющие системы с бегущей и стоячей волной для коллайдеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

КАЛЮЖНЫЙ Валентин Егорович

УСКОРЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ С БЕГУЩЕЙ И СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ ДЛЯ КОЛЛАЙДЕРОВ

01.04.20 — физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора тёхнических наук

Москва — 2006

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

Официальные оппоненты:

Петренко Виктор Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор.

Шведунов Василий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор.

Парамонов Валентин Витальевич, доктор физико-математических наук.

Ведущая организация: ФГУП ГНЦ РФ Институт Теоретической и Экспериментальной Физики.

Защита диссертации состоится " 27 " сентября 2006 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д.31, в конференц-зале, тел.З24-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан " 0 У" ¿/¿¿>¿1. ¿| 2006 г.

Просим принять участие в работе совета и прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н,, доцент

И.С.Щедрин

1. Общая характеристика работы.

Актуальность. Ускорители заряженных частиц со встречными пучками (коллайдеры) являются основным инструментом исследова--ния в области физики элементарных частиц высоких энергий. При этом разрабатываются и эксплуатируются как кольцевые коллайдеры, так и линейные коллайдеры. В настоящее время общепризнанно, что следующее поколение е*е~ - коллайдеров и рр- коллайдеров (ШС) должны обеспечить энергию в системе центра масс 500 ГэВ и светимость 10" см"2с 1 с возможностью последующего увеличения энергии до 1 ТэВ и более, а светимости до 1034 см" с'1.

В настоящее время интенсивно изучаются четыре направления, по которым ведется разработка линейных электрон — позитронных коллайдеров. Основные параметры этих коллайдеров приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Параметры пучка в т.в. ТЕ51А' ШС лсро тс ВЛЭПП СПС"

Энергия в ц.м.ДэВ 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 3

Светимость, 10"см^с"' 6.0 5.0 8.3 5.3 9.3 100

Частота повторения, Гц 5 50 150 180 300 100

Кол. частиц в банче, 101и 3.63 1.1 0.70 0.75 20 0.4

Кол. банчей в импульсе ИЗО 333 85 90 1 154

Период следования банчей, не. 708 6 1.4 1.4 — 0.666

Ширина пучка ст„/ат, нм 845/19 335/15 260/3.1 294/6.3 2000/4 43/1

Длина банча, ст„ мкм 700 300 90 125 750 30

Коэфф. увеличения, Но 2.3 1.8 1.4 1.4 2.0 1.92

Мощность пучка, МВт 16.5 7.25 3.2 4.8 2.4 14.8

Основной ускоритель 1.3 3 11.4 11.4 14 30

Частота, ГГц

Ускоряющий градиент (нагруженный), МВ/м 25 17 58 29.4 91 150

Поли, длина двух ускри-телей, км 32 36 10.4 17.6 7 27.5

Длина уск. секции, м 1.04 6 1.31 1.8 1.0 0.32

Мощность клистрона, МВт 2x5 150 67 50 150 50

Длительность ВЧ имп., МКС 1330 2.8 0.75 1.5 0.5 0.102

Кол. клистрнов / ускоритель 604 2517 2196 2264 1400 . 364

35 37 28 28 39 40.3

кг Ль ,% 19" ' 10.7 5.6 7.9 8.4 24.4

* сверхпроводящий ускоритель, ** схема двухпучкового ускорения.

Эти направления отличаются технологией и рабочей частотой ускоряющей структуры основного ускорителя. При этом высокочастотная система основного ускорителя должна обеспечивать максимально возможную эффективность преобразования мощности, получаемой от сети, в ВЧ мощность, поступающую на вход ускоряющей системы. Ускоряющая система, в свою очередь, должна обеспечить необходимый ускоряющий градиент и преобразовать значительную часть ВЧ мощности в мощность пучка.

В настоящей работе представлен систематизированный материал по численному и экспериментальному исследованию нескольких типов ускоряющих систем и СВЧ устройств, предназначенных для применения в линейных электрон — позитронных коллайдерах SBLC и TESLA, а также в кольцевом протон — электронном коллайдере HERA.

Из широкого круга проблем, связанных с созданием ускоряющих секций, рассмотрены и исследованы такие элементы ускоряющих секций с бегущей и стоячей' волной, как входной каплер фундаментальной ускоряющей моды, или входной трансформатор типа волны ('ГШ), и внутриволноводная поглощающая нагрузка. Решается задача настройки ускоряющих секций, состоящих из большого числа ячеек, а также настройки отдельных её элементов и их оптимизации. Решается проблема анализа мод высшего порядка, и рассматриваются способы и средства их подавления. Проводится анализ погрешностей измерения электромагнитного поля в ряде ускоряющих секций, "и даются рекомендации по проведению таких измерений. Решение этих проблем, по мнению автора, является актуальной задачей при разработке и создании ускоряющих секций для линейных и кольцевых коллайдеров.

Актуальность решения этих проблем определяется следующими обстоятельствами.

Входной "ГШ, являясь важнейшим элементом ускоряющей секции, должен обеспечить согласование на рабочей частоте волновода, подводящего ВЧ мощность, и ускоряющей структуры. При этом амплитуда и фаза ВЧ поля во входном "ГШ должны обладать аксиальной симметрией. Для уменьшения стоимости изготовления ускоряющей секции конструкция входного ТТВ должна быть компактной. Кроме того, перенапряжение электрического поля на поверхности входного ТТВ должна быть минимальна или вообще исключена. Проблема разработки входного ТТВ, удовлетворяющего указанным требованиям, стоит как для ускорителей с бегущей волной, так и для ускорителей со стоячей волной.

Неотъемлемой частью создания и исследования ускоряющей секции любого ускорителя является измерение электромагнитных полей рабочей моды и мод высшего порядка. Несмотря на то, что вопросам . измерения электромагнитных полей посвящено большое число работ,

в ряде случаев возникает проблема в оценке точности, а иногда и достоверности, проведенных измерений. В частности, такие проблемы возникают при исследовании ускоряющих структур, состоящих из слабосвязанных участков, в каждом из которых возбуждается электромагнитное поле с я--видом колебаний, а добротность исследуемого резонатора невелика. В этих случаях попытка измерения полей с использованием схемы четырехполюсника (на проход) может привести к недопустимо большой погрешности измерений, а в ряде случаев и к недостоверным результатам.

При окончательной настройке цельнопаянных ускоряющих секций с бегущей волной, состоящей из большого числа ячеек (несколько сотен), необходимо иметь возможность произвести подстройку частот отдельных ячеек. При этом критерием настройки является требуемое распределение амплитуды и фазы поля вдоль ускоряющей секции. Поэтому, важной задачей, возникающей при окончательной настройке ускоряющих секций с бегущей волной, является разработка методики определения параметров отдельных ячеек. Причем, измеренное распределение амплитуды и фазы поля вдоль ускоряющей секции служит информацией для выработки рекомендаций по настройке отдельных ячеек. Сама же процедура настройки должна занимать как можно меньше времени.

Одной из центральных проблем, возникающих при создании линейных коллайдеров нового поколения, является проблема сохранения малого эмиттанса пучка во время ускорения в основном ускорителе, имеющем длину несколько километров. Дело в том, что даже при небольшом смещении ускоряемых частиц с оси ускоряющей структуры первый сгусток может возбуждать поля, имеющие поперечные компоненты, то есть так называемые моды высшего порядка (НОМ). Эти поля воздействуют на частицы последующих сгустков, смещая их с оси структуры, и они в свою очередь также генерируют поля, имеющие поперечные компоненты. Если этот эффект не подавлять, то эмиттанс пучка будет возрастать и возможно разрушение пучка (beam break - up, BBU). Опасность для ускорения представляют так же моды высшего порядка с аксиальной симметрией или монопольные моды, которые также могут возбуждаться последовательностью ускоряемых сгустков.

Проблема подавления мод высшего порядка присуща, как ускоряющим секциям с бегущей волной коллайдера SBLC, так и сверхпроводящим ускоряющим резонаторам коллайдера TESLA.

Целью диссертации является разработка общих принципов исследования и создания нормально' проводящих и сверхпроводящих ускоряющих систем линейных электрон — позитронных коллайдеров, со-

стоящих в разработке и создании элементов ускоряющих секций линейных коллайдеров, в создании и отработке методов анализа и настройки, как отдельных элементов, так и ускоряющих секций в целом, в анализе влияния погрешностей изготовления и настройки на электродинамические характеристики ускоряющих секций, а также в анализе погрешностей измерения электромагнитного поля, в создании и отработке методов анализа мод высшего порядка, способов и средств их подавления.

Научная новизна работы, заключается в следующем:

1. Впервые получены аналитические выражения для расчета электродинамических параметров ячеек входного и выходного ТТВ и внутриволноводных поглощающих нагрузок, реализация которых обеспечивает согласование на рабочей частоте, проведена оптимизация входного и выходного ТТВ, внутриволноводной поглощающей нагрузки при которой обеспечиваются минимальные отражения в максимально широкой полосе частот.

2. Впервые проведены расчеты и экспериментальное исследование ТТВ с симметризацией электромагнитного поля в области пролета пучка для ускоряющей секции SBLC, выработаны рекомендации по его настройке. Результаты расчетов и рекомендации по настройке подтверждены экспериментальными исследованиями на ускоряющих секциях коллайдера SBLC и ускоряющих секциях LINAC - Я.

3. Впервые разработана методика настройки длинных цельнопаян-ных ускоряющих секций с бегущей волной и любым рабочим видом колебаний. Методика апробирована на шестиметровых ускоряющих секциях коллайдера SBLC и ускоряющих секциях LINAC-IJ.

4. Впервые получены аналитические выражения для среднеквадра-тической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах различного типа. Получены новые данные о среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих секциях на основе M-xN - суперструктур.

5. Получены новые данные о причинах возникновения и характере систематических погрешностей измерения распределения ускоряющего поля в ускоряющих секциях TESLA на основе MxN-суперструктур.

6. Предложены и экспериментально исследованы модифицированные НОМ-каплеры для сверхпроводящих ускоряющих секций линейного коллайдера TESLA.

7. Впервые проведено статистическое исследование системы распределения мощности HERA-WEST кольцевого протон-электронного коллайдера для питания 16 сверхпроводящих- ускоряющих резонаторов, проведено исследование влияния случайного разброса параметров направленных ответвителей, делителей мощности и нагрузок, а

так же частот резонаторов на снижение мощности передаваемой на ускорение пучка. Выработаны критерии настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов и решена проблема тонкой настройки таких резонаторов в системе распределения мощности HERA - WEST.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что результаты диссертации были использованы в работах по созданию и настройке ускоряющих секций SBLC, LINAC-II, банчера в которых автор принимал непосредственное участие (научный центр DESY, Гамбург, Германия), в работах по модификации каплеров высших мод ускоряющих секций коллайдера TESLA, а так же при анализе работы системы распределения мощности HERA - WEST.

Апробация работы. Результаты работ по теме диссертации докладывались и обсуждались: на 3-ей Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕР АС 92, Берлин, 24 -28 марта 1992 г.); на 4-ой Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС 94, Лондон, 27 июня — 1 июля 1994 г.); на 5-ой Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС 96, Испания, Ситгес, 10-14 июня 1996 г.); на 6-ой Европейской конференции по ускорителям частиц ( ЕРАС 98, Стокгольм, 22 - 26 июня 1998 г.); на 17-ой Конференции по ускорителям частиц (РАС-97, Ванкувер, 12-16 мая 1997 г.); на 17-ой Международной конференции по линейным ускорителям (Linac-94, Япония, 1994); на 18-ой Международной конференции по линейным ускорителям (Linac -96, Женева, 1996); на 20-ой Международной конференции по линейным ускорителям ( Linac - 2000,Monterey,California,2000)', на 8-ой Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС2002, Франция, Париж, 2002 г.); на 15-ом совещании по ускорителям заряженных частиц (ГНЦ РФ ИФВЭ, Протвино, 22-24 октября 1996 г.); на 15-ом Международном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Алушта, 1997); на Рабочем совещании по линейным кол-лайдерам (Звенигород, 1997); на Научной сессии МИФИ 1998 г.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 305 страниц, 149 иллюстраций, 21 таблицу, список литературы из 110 наименований.

Публикация результатов диссертации. Основные результаты диссертации изложены в 25 научных публикациях, в том числе в одной монографии и учебном пособии."

Основные положения, выносимые на защиту:

— Полученные аналитические выражения для параметров ячеек входных и выходных ТТВ, а также внутри волноводных поглощающих нагрузок, рекомендации по настройке ТТВ и результаты оптимизации параметров ТТВ и внутриволноводных нагрузок.

— Разработанную и апробированную методику настройки длинных цельнопаянных ускоряющих секций с бегущей волной и любым рабочим видом колебаний.

— Аналитические выражения для среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах различного типа и новые данные о среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонатора на основе М х N - суперструктур.

— Результаты анализа систематических погрешностей измерения распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах на основе М xN~суперструктур и рекомендации по проведению подобных измерений.

— Предложенные и экспериментально исследованные модифицированные НОМ - каплеры для сверхпроводящих ускоряющих секций линейного коллайдера TESLA.

По мнению автора, эти положения можно квалифицировать, как новое крупное достижение в развитии ускорительной техники, заключающееся в создании и развитии методов разработки и исследования ускоряющих систем линейных ускорителей электронов на высокие и низкие энергии.

2. Краткое содержание диссертации.

Во введении проанализировано состояние рассмотренных в диссертации проблем, обоснована актуальность темы диссертации, формулируется цель диссертации и результаты, отражающие научную новизну и практическую ценность работы, изложено краткое содержание диссертации и перечислены основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе проведено обоснование способа описания ускоряющих секций с бегущей волной на основе круглого диафрагмированного волновода (КДВ). Круглый диафрагмированный волновод привлекает, прежде всего, высоким приростом энергии электронов на единице длины при заданной мощности высокочастотного источника, а так же относительной простотой и дешевизной изготовления.

Все методы анализа ускоряющих структур, в том числе и КДВ, могут быть разделены на два больших класса. К первому классу относятся численные методы, позволяющие найти весь спектр колебаний в окрестности рабочей частоты и соответствующие электродинамические характеристики. Среди программ, позволяющих производить подобные расчеты, можно назвать SUPERF1SH, GNOM, MULT1MOD, LANS, TBCI, URMEL, URMEL-T, MAFIA. При этом ряд из них позволяют производить расчет трехмерных полей (в частотной или временной области) в структурах, не обладающих аксиальной симметри-

ей, а также поля наводимые сгустками заряженных частиц. Однако на практике удается провести анализ лишь относительно коротких отрезков ускоряющих структур, либо однородных, периодических структур, имеющих плоскости симметрии. Связано это с ограничениями на количество узлов и временем счета. В частности, анализ неоднородных ускоряющих секций (т.е. секций, состоящих из отличающихся друг от друга ячеек), состоящих из большего числа ячеек (150 — 200 ячеек), оказывается, вообще невозможен. Практически оказывается невозможным произвести статистические расчеты с большим числом случайных выборок (1000 и более), расчеты импеданс-ных характеристик или произвести оптимизацию тех или иных элементов ускоряющей секции.

Другим методом анализа ускоряющих секций в целом является метод эквивалентных схем, то есть представление ускоряющей секции в виде электрической цепи с сосредоточенными параметрами. Структура и сложность эквивалентной схемы зависит от структуры электромагнитного поля в исследуемой системе и от диапазона частот, в котором мы хотим произвести наши исследования. При этом параметры элементов эквивалентной схемы могут быть определены либо экспериментально, либо расчетным путем с использованием упомянутых выше программ численного решения уравнений Максвелла.

Для исследования ускоряющей секции на основе КДВ в полосе частот, соответствующей основной ускоряющей волне (аналог волны ТИЫ в круглом волноводе), используется эквивалентная схема, приведенная на рис. 1.

L, С, г, ¿2 Сг гг Lf, С,

Рис.1. Эквивалентная схема ускоряющей секции на основе КДВ с входным и выходным трансформатором типа волны.

На этом рисунке ячейки КДВ представлены контурами, связанными через емкостные элементы СЛЛ+1, где л и п +1 номера соседних ячеек. Первый контур представляет входной трансформатор типа волны (входной ТГВ), а элемент представляет вносимое сопротивление генератора (волновое сопротивление подводящего волновода). Вели-

чина Е представляет комплексную амплитуду э.д.с. генератора, вносимую в контур первой ячейки (ячейки входного МИ). Элемент гь представляет сопротивление нагрузки (волновое сопротивление отво-. дящего волновода), вносимое в контур последней ячейки (ячейки выходного ТТВ), а Ы-полное число ячеек в секции.

Для дальнейшего анализа удобно ввести следующие величины:

са = (с;1+С;',,+<:;'„,)г', х. = , /„ = \/(2к4Цс^),

к^ УСдСд,, в 1 и ъ = п

2 " 2л/.СгЛ г. г,'"

где /„—частота п-ой ячейки, л = 1,2,3,...,//, Л' - количество ячеек в секции,

К. / 2 - коэффициент емкостной связи между п-ой и л+1-ой ячейками, Кы/2 = 0,

£?„ - собственная добротность п-ой ячейки, Х\ >Хн - коэффициенты связи первой и последней ячеек с подводящим и отводящим волноводом, соответственно.

Применяя законы Кирхгофа для электрической цепи, изображенной на рис.1 и величины, введенные выше, получим следующую систему уравнений

.....

где со = а / - частота генератора,

и -Он--нагруженные добротности первой и последней ячеек

(входного и выходного ТТВ).

Выражение для входного коэффициента отражения ускоряющей секции в некотором сечении подводящего волновода имеет вид

Используя приведенную выше систему уравнений и выражение для входного коэффициента отражения, можно получить аналитические выражения для параметров ячеек входного и выходного ТТВ, а также ячеек внутриволноводной поглощающей нагрузки и "провести их оптимизацию.

fop , , „ к? sin <рор

-i+a,

2 К

cos?

В последних выражениях Д, и ^ - рабочая частота и рабочий вид колебаний ускоряющего волновода, ^-удвоенный коэффициент связи между ячейками КДВ, ближайшими к ТТВ.

Оптимальными параметрами ячеек входного и выходного ТТВ, обеспечивающими отсутствие отражения не только на рабочей частоте, но и в полосе частот, являются

= л = н . * = 1 + а*, и .

KK_i=~j2Kc,f„ = -

-AT^cos^ Kccostpop

Оптимальными параметрами ячеек внутриволноводной поглощающей нагрузки (частоты ячеек и их добротности) являются

«/ер

х_

- е.+1 =

fop

со

^ L ^»t/ J

'• = U,3.....л/, хшЛ=-^-хя,

M-i + l M-i + 2'

1

^тИ .

KL ... /М + 1

V м '

Здесь М- количество ячеек во внутриволноводной поглощающей нагрузке,

Кь -удвоенные коэффициенты связи между ячейками нагрузки, Кт = =... = = АГг,

т- номер ячейки, предшествующей первой ячейки нагрузки.

Разработана и апробирована методика настройки входного ТТВ с симметризацией поля для ускоряющей секции коллайдера ¿Ж С, схематически показанного на рис.2.

Рис. 2. Схематическое изображение симметричного входного ТТВ для ускоряющей секции линейного коллайдера ШС

Условие согласования этого ТТВ можно представить следующим образом

/,= , /*., V-*, д/=о,

4^=1+2,

-ш

'■Ш

-Ш'

сое«»

Здесь коэффициент связи с каждым из прямоугольных волноводов

ПВ1 и ПВ2 равен*, а угол = . Положение референсных

А

плоскостей РП1, РП2, РПЗ, РП4 и РП5, указанных на рисунке, выбирается таким образом, чтобы матрицы рассеяния трехплечего делителя мощности ДМ и четырехплечего сочленения прямоугольных волноводов 01В1 и ПВ2) и ячейки ТТВ имели вид

( л 1 1

и ■72 Л

(5)т = 1 ■Л 1 2 2

1 1 1

2 2 ,

[X

5„

1+дг+уа

1 + 2^ + 76,

Анализ перенапряженности электрического поля в ТТВ коллайдера ; БВЬС показал, что напряженность электрического поля в ячейке ТТВ лишь незначительно (не более, чем на 5% ) превышает соответствующее значение для КДВ ускоряющей секции при изменении в широком диапазоне геометрических размеров ячейки. Это гарантирует работоспособность устройства с точки зрения электрической прочности при варьировании размеров отдельных элементов ТТВ в процессе его настройки.

Разработана методика настройки длинных цельнопаянных ускоряющих секций по экспериментально снятому распределению амплитуды и фазы ускоряющего поля на оси волновода. Приводятся результаты настройки ускоряющих секций с постоянным градиентом и рабочим видом колебаний 2л-/3 ускорителя ЫЫАС-17(156 ячеек) и 5ЗДС (178 ячеек), а также секции банчера с рабочим видом колебаний 8гг/9 и постоянным импедансом.

Во второй главе проводится анализ ускоряющих секций с бегущей волной в двух полосах частот, соответствующих гибридной НЕМп волне. Приведены результаты анализа для ускоряющих секций ЭВЬС,

Анализ проводится на основе эквивалентной схемы ускоряющей секции ЖИС, изображенной ниже

/»-I /«

Рис.3. Эквивалентная схема ячейки КДВ, возбуждаемой на гибридной волне НЕМ„.

В этой схеме процессы в последовательном контуре , С1я, гы) отображают возбуждение в ячейке первой дипольной электрической волны Е„, а в параллельном контуре (12„> С2л, г2„) - первой дипольной .магнитной волны #„. Связь между ячейками, осуществляемая посредством магнитного поля, представлена взаимной индуктивностью М„. Возбуждение ячеек ускоряемыми сгустками моделируется с помощью э.д.с., введенной в последовательный контур и имеющей комплексную амплитуду £л.

Более удобно перейти к следующим радиотехническим параметрам, выраженным через электротехнические параметры Ь,С,г\ 1 ^ 1 К„ = М„

^ -/Ал

2 с2л * ^ ^с,,. г,/ ^

Здесь АГ„ и - удвоенные коэффициенты связи между ячейками по магнитному и электрическому полю соответственно.

С использованием этих параметров можно получить систему уравнений относительно комплексных величин Ха :

Е,

Ег

! » .

Еы

где о = 17$ - частота, на которой возбуждается секция,

X В, О

г, л2 д2

О : :

О : :

■'х-г О

А»

"ы-1

Л .

Х\ Хг

Используя эквивалентную схему для бесконечного однородного КДВ без потерь (/,.„ =/;, = /,,*„=/(:, КХ1„=Ки, в,, =оо)

можно получить дисперсионное уравнение в следующем виде _ Ы<р)±^2(<р)-+Кс 050

3 у гО+^совр)

где ^(^) = /2[1 + .К,2(1-со50>)]+/22(1 + .Ксо8р), <р-сдвиг фазы на ячейку КДВ, /-частота, соответствующая виду колебаний <р. Верхний знак в дисперсионном уравнении соответствует верхней ветви дисперсионной характеристики; а "нижний знак соответствует нижней ветви. .

Если обозначить частоты 0 и л- видов колебаний нижней ветви дисперсионной характеристики как /ш и а частоты 0 и я видов колебаний верхней ветви дисперсионной характеристики обозначить как /ог и /,2, то можем записать следующие выражения для

/,,/г,К,Кп: / =/01л/Г+ЛГ,/2 =/м или Л=/о^./2=/0„а

Конфигурация силовых линий электрического поля на частотах /01 и /м схематически показана на рис.4 а, б, а конфигурация силовых линий электрического поля на частотах и /,2 схематически показана на рис.5 а, б. На этих рисунках индексы ЭС и МС означают электрические и магнитные стенки в середине диафрагм, при которых могут возбуждаться поля 0 и я видов колебаний.

т~гт

1Ш1

Ф1Ф

(а) (б)

Рис.4. Электрические силовые линии поля в КДВ на видах колебаний 0 ( /„, = /хо и /и = ).

(а) (б)

Рис.5. Электрические силовые линии поля в КДВ на видах колебаний л"(/„ = f^, и /ж2 = fx, ).

На рис.6 изображены зависимость частот отсечки от номера ячейки для секции 5ДЛС.

/, ГГц

&S0 &25 5.00 4.75 4.50

4.25

4.00 „ - - ----- — ■

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 п

Рис.6. Зависимость частот отсечки от номера ячейки для секции .._SBLC._

Радиус апертуры диафрагм изменялся от 15.340 мм до 11.003 мм. Внутренний радиус ячеек изменялся так, чтобы частота рабочей моды 2я73 была равна 2998 МГц.

Моделирование входного ТТВ проведено посредством изменения параметров /„ = /1С и g„ = Q¡c последовательного контура первой ячейки так, чтобы осуществлялся режим бегущей волны в КДВ, состоящем из ячеек аналогичных первой ячейке. Анализ показал, что согласование ТТВ на гибридной волне уменьшает амплитуду электрического поля более чем в пять раз в широком частотном диапазоне.

Из возбуждаемых в ускоряющей секции коллайдера SBLC волн высшего типа наибольшими значениями параметра потерь обладают

дипольные волны с частотами, лежащими в диапазонах 4.5 ГГц и 9 ГГц. Обладая значительной по величине поперечной компонентой электрического поля в месте пролета пучка, они в первую очередь отрицательно влияют на характеристики ускоренного пучка. Поэтому в проведённом исследовании наибольшее внимание уделено именно дипольным модам в указанном частотном диапазоне.

Для вывода мощности этих мод рассматривались несколько способов. Один из способов вывода волн высшего типа состоит в размещении вдоль секции нескольких дополнительных устройств типа ТТВ (устройств вывода мощности волн высшего типа (УВМ ВВТ) с четырьмя ортогональными волноводами). Связь волноводов с ячейками секции осуществляется через азимутальные отверстия в ячейках. Частота отсечки волноводов равна 4 ГТц, что обеспечивает вывод первой дипольной моды из структуры.

Как показали проведённые исследования, в случае ускоряющей секции SBLC, необходимо, по крайней мере, два подобных устройства, размещённые в первой и последней трети секции.

Полученные в работе данные свидетельствуют, что рассмотренный тип УВМ ВВТ с четырьмя ортогональными волноводами обеспечивает необходимую избирательность: характеристики ускоряющей моды остаются неизменными или незначительно возмущены, в то время как, другие моды ответственные за нестабильность пучка или размывание эмитганса значительно подавляются.

Другой способ демпфирования волн высших типов, возбуждаемых ускоряемым пучком, основан на искусственном увеличении потерь поверхности отверстий диафрагм КДВ. Измеренные значения доб-ротностей шестиячеечного резонатора с отверстиями диафрагм, покрытыми капталом (Kanthal) и нержавеющей сталью {Stainless steel, high grade steel), показали, что добротность резонатора с монопольной модой и видом колебаний 2яг/3 уменьшилась на 10.5% (рег =0.037) и 7.6% =0.022) при напылении кантала (Kanthal) и лишь на 1.2% (рр = 0.037 и = 0.022) при напылении нержавеющей стали {high grade steel). Что касается дипольной моды, то добротность резонатора с напылением значительно ниже добротности резонатора без напыления.

Таким образом, измерения с двумя типами ячеек показали, что требуемые свойства поверхности могут быть достигнуты при напылении кантала ( Kanthal) и нержавеющей стали ( high grade steel).

Приведенные данные получены на низком уровне мощности. Поэтому необходимо было провести испытания электрической прочность ячеек с напылением на высоком уровне мощности. Причем,

мощность, рассеиваемая в резонаторе, состоящем из двух ячеек должна быть равна Р1аа =

UvJ"

Так, для 25-ой ячейки секции коллайдера SBLC, которая испытыва-' лась на высоком уровне мощности, имеем ßp = 0.037, D = 33.33 мм, Q0 =10820, f,n =2978 МГц. Соотношение между Р^ и Р„ для этой ячейки примет вид = 0.0104/>„. и при Р„ = 75 МВт получим Р,т = 780 кВт.

Испытания проводились при длительности импульсов 2 мкс и частоте повторения импульсов 50 Гц. Во время тренировки резонатора уровень высокочастотной мощности повышался постепенно. При этом наблюдались электрические разряды в резонаторе, сопровождавшиеся возрастанием давления в резонаторе с 3x10"8 Тор до 2x10'7 Тор. После тренировки разряды прекращались. Всего было испытано 4 чашки. Каждая чашка испытывалась в течении шести часов при уровне мощности не менее 0.75 МВт.

Испытания на высоком уровне мощности показали, что все испытанные чашки с напылением из различных материалов (нержавеющая сталь, кантал) прошли испытание без каких-либо повреждений и такие покрытия могут использоваться для демпфирования дипольных мод, возбуждаемых пучком.

Для демпфирования дипольных волн в начальной части ускоряющей секции SBLC была исследована возможность использования входного симметричного 'ГШ, показанного на рис.2. Для этого конструкция входного симметричного ГШ изменена таким образом, чтобы обеспечить вывод дипольных волн обоих поляризаций. Здесь закорачивающие пластины в прямоугольных волноводах сечения 72x28.3 мм2 заменены на запредельные для рабочей частоты (2998 МГц) прямоугольные волноводы с сечением 48x24 мм2 , а вывод дипольных ВВТ с другой поляризацией обеспечивают дополнительные прямоугольные волноводы сечением 48x24 мм2. Исследования показали, что с помощью комбинированного ТТВ удается понизить добротность запертых дипольных ВВТ в начальной части ускоряющей секции SBLC примерно в 5 раз для обеих поляризаций.

В третьей главе приводятся результаты теоретического и экспериментального анализа ускоряющих секций сверхпроводящего коллайдера TESLA. . • ■

Разработана методика расчета входного ТТВ с прямоугольным волноводом для двух ускоряющих резонаторов на базе суперструктуры, состоящей из 4x7 ячеек.

Конструкция такого ТТВ схематически изображена на рис.7.

В этой конструкции закорачивающая поверхность состоит из цилиндрической поверхности с фиксированным радиусом = 49 мм и двух плоских поверхностей касательных к цилиндрической поверхности. Изменяя угол а, мы можем получить требуемое значение внешней добротности резонатора. Такая закорачивающая поверхность позволяет получить необходимую величину внешней добротности и низкий уровень напряженности электрического поля в прямоугольном волноводе. Благодаря синфазности колебаний полей в ячейках, связанных с прямоугольным волноводом, расстояние между серединами этих ячеек остается равным Л (т.е. таким же, как и между серединами ячеек соседних резонаторов суперструктуры).

Рис.7. Волноводное устройство ввода мощности с закорачивающей поверхностью сложной формы.

Приводятся результаты анализа влияния несимметрии поля в таком ТТВ на поперечный импульс ускоряемых сгустков. Расчеты распределения электромагнитного поля в волноводном устройстве ввода мощности и в первой ячейке суперструктуры были проведены для параметров ускоряющей системы с учетом нагрузки током (т.е. при условии, что в подводящем волноводе мы имеем режим чисто бегущей волны). Так оценка поперечного импульса показала, что ДРх =(9.804 + у3.647)х103 еВ/с. В то же время приращение продольного импульса равно ЛР, =1.6142x10* еВ/с. Таким образом, отношение

Дня девятиячеечного резонатора ТЕЯЬА приводятся результаты анализа переходного режима возбуждения с учетом нагрузки током. Используя эквивалентную схему резонатора, принцип суперпозиции и преобразование Лапласа, были получены аналитические выражения для расчета процесса возбуждения резонатора, как генератором, так и последовательностью ультрарелятивистских точечных сгустков. Про-

веден анализ влияния переходного процесса на разброс энергии ускоряемых сгустков на выходе секции.

Получены аналитические выражения для среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах различного типа.

Проведено численное моделирование влияния случайного разброса частот ячеек М х//- суперструктур на неравномерность распределения ускоряющего поля. Моделирование проводилось при случайной расстройке ячеек, имеющей равномерное распределение в диапазоне частот ±<$с (-«у, 8[с = 10 кГц). Из приведенных в работе

данных, в частности видно, что М х7/-суперструктура действительно обладает эффектом, стабилизирующим относительную неравномерность распределения ускоряющего поля вдоль структуры. Относительная неравномерность распределения ускоряющего поля в 4x7 и 4x9 суперструктурах в 5.51 и в 3.56 раза больше, чем в семи- и девя-тиячеечном резонаторе ТЕЯ1Л рабочим с я--видом колебаний. В тоже время, относительная неравномерность распределения ускоряющего поля в 4x7 и 4x9 суперструюурах в 1.265 и в 2.166 раз меньше, чем неравномерность распределения ускоряющего поля в соответствующих резонаторах, состоящих из 28 и 36 ячеек и рабочим л-видом колебаний.

Дан анализ систематической погрешности измерения электромагнитного поля в ускоряющих резонаторах коллайдера ТЕБЬА и причин их вызывающих. В частности показано, что при измерении полей в 4x7 суперструктуре с относительно низкой добротностью (ниобий при комнатной температуре) погрешность измерений достигает более 20%. Такая высокая погрешность вызвана высокой чувствительностью распределения поля по ячейкам резонатора к расстройке ячеек. Это создает большое различие распределений полей свободных колебаний невозмущенного и возмущенного резонатора даже при малой расстройке ячеек возмущающим телом (#"„//„= 5x10"'). Наивысшая точность измерений достигается при использовании фазы коэффициента передачи <рп при оценке смещения частоты свободных колебаний из-за возмущающего тела. При этом удается получить высокую точность измерения распределения поля в девятиячеечном резонаторе (менее 1%), погрешность же измерения распределения поля в 4x7 суперструктуре составляет более 20%.

Четвертая глава посвящена исследованию высших типов мод, возбуждаемых в резонаторах ТЕ5Ы и предлагаются пути их подавления. Особое внимание при разработке сверхпроводящих дёвятиячееч-ных резонаторов ТЕБЬЛ и каплеров высших мод (КВМ) было уделено достижению внешней добротности £?„, <10* для высших типов мод с

высокими шунтовыми сопротивлениями в полосах частот первых двух дипольных мод. Для этой цели были разработаны и испытаны два типа КВМ, а именно SACLAY и DESY типа, которые располагаются на левой и правой пролетной трубке резонатора (см. рис.8).

Рис.8. Левый и правый КВМ £>£ХГ и 5'АСЫУ типа.

Пролетные трубки, на которых устанавливаются каплеры высших мод и устройство ввода мощности фундаментальной ускоряющей моды (УВМФМ) имеют критическую частоту волны типа ТЕ„ равную 2.252544 ГГц (диаметр пролетной трубки 0Ьр = 78 мм), а полосы пропускания резонатора для различных мод высшего типа соответственно равны

1622 МГц---1667 МГц (4 моды)]

• 1681 МГц---1734 МГц (3 моды) > 1 - я дипольная мода (10 двойных резоиансов)

1760 МГц---1803 МГц(3 моды) ]

1836 МГц---1889 МГц - 2 - я дипольная мода (8 двойных рсзонансов)

2381МГц — — 2458МГц- 2 - я монопольная мода (9 рсзонансов)

'2469 МГц---2507 МГц ][2 - я квадрупольная и 1

2507 МГц---2582 МГц (6 мод)} [3-я дипольная мода (8 двойных резонансов) \

В экспериментах с пучком были обнаружены несколько мод высшего типа, которые имели чрезвычайно высокую внешнюю добротность, т.е. были очень слабо подавлены. В частности были обнаружены моды из третьей дипольной полосы, а так же из пятой и шестой диполь-ной полос резонатора. Поскольку шунтовое сопротивление моды из третьей дипольной полосы резонатора велико (Л/^Ъ-Ю1 Ом/см2) и сравнимо или даже больше шунтового сопротивления мод из первых двух дипольных полос пропускания резонатора, специальное внимание было уделено изучению проблемы подавления этой моды. С этой целью в работе было проведено теоретическое исследование проблемы подавления высших типов мод из 3е® дипольной полосы девяти-

ячеечного резонатора ■ TESLA и представлен количественный анализ полей и степени их демпфирования в области частот 3й дипольной полосы девятиячеечного резонатора TESLA.

Одним из наиболее плодотворных подходов к анализу сложных многоплечих устройств является использование матриц рассеяния или S - параметров. При этом ускоряющий модуль, который является чрезвычайно сложным электродинамическим объектом, мы подразделяем на несколько отдельных более простых подобъектов, для которых S—параметры рассчитываются отдельно. К этим подобъектам ускоряющего модуля относятся: девятиячеечный резонатор TTF,

КВМ, монтируемый на левой пролетной трубке (ЛКВМ), КВМ, монтируемый на правой пролетной трубке вместе с конечной частью устройства ввода мощности фундаментальной ускоряющей моды (ПКВМ+УВМФМ),

холодное и теплое вакуумные окна УВМФМ, холодные и теплые сильфоны УВМФМ,

переход с прямоугольного волновода на коаксиальный волновод типа «дверная ручка» УВМФМ.

Матрицы рассеяния всех этих подобъектов рассчитывались с помощью программы Microwave Studio (MWS) и использовались затем при расчете матриц рассеяния сложных электродинамических систем, таких как резонаторные блоки или многорезонаторные структуры. В дальнейшем по рассчитанным частотным зависимостям S - параметров сложных электродинамических систем мы имели возможность определить резонансные частоты и добротности таких систем.

Было показано, что ЛКВМ и ПКВМ+УВМФМ DESY типа имеет очень хорошую связь с горизонтально поляризованной дипольной модой и весьма слабую связь с вертикально поляризованной дипольной модой. Напротив, ЛКВМ и ПКВМ+УВМФМ SAC LAY типа имеет очень хорошую связь с вертикально поляризованной дипольной модой и весьма слабую связь с горизонтально поляризованной дипольной модой.

Численное моделирование восьмирезонаторных ускоряющих модулей показало, что даже при идеально настроенных резонаторах существуют резонансы с очень высокими значениями нагруженных доб-ротностей, а расстройка резонаторов (фиксированная или случайная) может привести к появлению резонансов с очень высокими значениями нагруженных добротностей в полосе частот дипольной моды девятиячеечного резонатора TESLA >10®). Поэтому было пред-

ложено модернизировать один из КВМ DESY типа так, чтобы с минимальными изменениями конструкции КВМ увеличить связь с верти-

кально поляризованной дипольной модой из третьей дипольной полосы резонатора, не уменьшая связь с дипольными модами обеих поляризаций из первых двух дипольных полос резонатора. На рис.9 показана такая модификация КВМ.

Рис.9. Модификация КВМ DESY типа.

Эта модификация состоит в зеркальномом преобразовании КВМ относительно плоскости, проходящей через ось цилиндра КВМ и ось резонатора (ось г).

Очевидно, что при такой модификации КВМ связь с монопольными модами не изменится и, следовательно, настройка фильтра фундаментальной моды останется без изменений. Степень подавления дипольных мод из первых двух дипольных полос резонатора была исследована экспериментально.

Модификация JIKBM приводит к сильному подавлению мод с высокими значениями нагруженных добротностей. В частности во всех вариантах, соответствующих модифицированным ЛКВМ, значения нагруженных добротностей оказалось меньше 100000.

Далее приводятся результата экспериментального исследования различных каплеров высших мод. При экспериментальном исследовании степени демпфирования мод высшего типа в резонаторах кол-лайдера TESLA мы имеем дело с резонаторами, находящимися при комнатной температуре, и, следовательно, обладающих потерями. Поэтому кроме нагруженной добротности резонатора QLeodk, соответствующей к - ому резонансу в рассматриваемой полосе частот, необходимо определить внешнюю и собственную добротность резонатора и Qoi • Для этого мы воспользуемся измерением (с помощью Network Analyzer, NWA ) частотной зависимости коэффициентов отраже-

ни* (/) и 5„(/"), соответствующих некоторым референсным плоскостям в плечах тип.

Схема измерения частотной зависимости коэффициентов отражения 5, , (/) и (/) приведена на рис. 10.

нагрузка

Рис.10. Схема измерения частотных зависимостей коэффициентов отражения £,,(/) и S22(f).

Экспериментальные исследования были проведены с медными макетами резонаторов, оснащенных двумя каплерами высших мод (ЛКВМ и ПКВМ) и при закороченных пролетных трубках. Закороченные пластины располагались таким образом, чтобы каплеры высших мод имели относительно сильную связь с резонатором на частотах третьей дипольной полосы резонатора. Исследования были проведены в диапазоне частот первой, второй, третьей дипольной полосы, второй монопольной полосы и второй квадрупольной полосы.

Наиболее важными модами являются моды с большим отношением R/Q. К этим модам относятся б1 and 71 моды из первой дипольной полосы, 3s, 41 и 5я моды из 2^ дипольной полосы, 8s мода из 3й дипольной полосы, 7\ 8* и 9* моды из 228 монопольной полосы. Исследовались резонаторы с каплерами высших мод исходной конструкции и резонаторы, у которых правый каплер высших мод был заменен модифицированным каплером. В каждой частотной области, указанной выше, производилось 1601. измерение коэффициентов отражения Su (/) и S21(j). По этим экспериментальным частотным зависимостям и по разработанной в работе методике определялись резонансные частоты резонатора и соответствующие этим резонансным частотам нагруженная, внешняя и собственная добротности резонатора. При этом были проведены исследования резонаторов, оснащенных, как каплерами высших мод исходной конструкции, так и модифициро-

ванным ПКВМ. Для исследования влияния собственной аксиальной асимметрии резонатора были проведены измерения для шести углов поворота резонатора вокруг его оси при фиксированном положении обоих КВМ (0°, 30°, 60°, 90°, 120° и 150°).

Эти исследования показали, что зависимости внешней добротности Q^ от номера моды выглядят несколько по-разному из-за азимутальной асимметрии резонатора, а внешняя добротность зависит от угла поворота резонатора. В некоторых случаях (или при некоторых углах поворота резонатора) модифицированный ПКВМ обеспечивает очень сильное подавление верхней моды из третьей дипольной полосы резонатора с поляризацией, соответствующей высокой внешней добротности и очень малое возрастание внешней добротности этой моды с поляризацией, соответствующей низкой внешней добротности. В других случаях модифицированный ПКВМ изменяет внешнюю добротность очень мало. Другими словами, если ЛКВМ и ПКВМ с исходной конструкцией имеют сильную связь с обеими поляризациями верхней моды из третьей дипольной полосы резонатора, то модификация ПКВМ приводит к очень малому изменению внешней добротности этой моды с обеими поляризации. Однако, если ЛКВМ и ПКВМ с исходной конструкцией имеют сильную связь с одной поляризацией этой моды и слабую связь с другой поляризацией, то модификация ПКВМ обеспечивает очень сильное подавление этой моды с поляризацией, соответствующей высокой внешней добротности и очень малое возрастание внешней добротности этой моды с поляризацией, соответствующей низкой внешней добротности. Другие моды З50 дипольной полосы после модификации ПКВМ так же подавляются более эффективно.

Шестая и седьмая моды, принадлежащие первой дипольной полосе резонатора, имеют низкое значение внешней добротности. Кроме того, показано, что модификация ПКВМ приводит к более эффективному подавлению О®8, 14е® and 15°® мод, принадлежащих второй дипольной полосе резонатора.

В заключении приведем зависимость коэффициента передачи между коаксиальными выходами ЛКВМ и ПКВМ от частоты, снятую для резонаторного модуля, расположенного в криостате, имеющего закороченные пролетные трубки и закороченное после холодного окна УВМФМ (рис.11).

На рис. 11 изображена измеренная амплитуда (в дБ) коэффициента передачи между коаксиальными выходами ЛКВМ и ПКВМ резонаторного модуля, расположенного в криостате.

На этом рисунке можно различить резонансы из второй монопольной полосы, второй квадрупольной полосы и третьей дипольной по-

лосы. В области частот, где вторая квадрупольная и третья дипольная полосы взаимно не перекрываются, хорошо видны характерные двойные резонансы двух поляризаций диполыгых мод. Причем один из резонансных пиков всегда много острее другого, что отчетливо свидетельствует об очень разных добротностях двух поляризаций диполь-ных мод.

Частотное разделение двойных резонансов имеет несколько причин:

поляризация, обусловленная УВМФМ;

поляризация, обусловленная левым и правым капл ерами высших мод; .

поляризация, обусловленная собственной аксиальной асимметрией резонатора.

CHI S£i log mas ео ее/ пер -во ав

** - 120МГц

+-:-\

MARKER 1 з« дипольная полоса

start я.яал est «4аэ qhz stop е.в7в оаг *77 онх

Рис. 11. Измеренная амплитуда (в дБ) коэффициента передачи между коаксиальными выходами JIKBM и ПКВМ резонаторного модуля, расположенного в криостате.

Поляризационный эффект, вызванный УВМФМ, сильно зависит от структуры стоячей волны в коаксиальной линии устройства ввода мощности фундаментальной моды и может оказаться очень сильным, если сама коаксиальная линия близка к условиям резонанса.

В пятой главе проводится статистическое исследование системы распределения мощности HERA-WEST для питания 16 сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Эта система распределения высокочастотной мощности содержит девять направленных ответвителей и шесть волноводных делителей мощности типа «Магическое Т». Направленные ответвители и волноводные делители мощности соедине-

ны между собой прямоугольными волноводами. Переходные ослабления от плеча 1 к плечу 4 каждого направленного ответвителя соответственно равны 12 дБ, 11.1 дБ, 10.8 дБ, 1.8 дБ , 8.7 дБ, 7.4 дБ, 6.5 дБ, 5.4 дБ, 4.0 дБ. Каждый волноводный делитель мощности типа «Магическое Т» имеет переходное ослабление от плеча 1 к плечу 4, равное 3 дБ. Плечо 2 каждого направленного ответвителя и делителя мощности типа «Магическое Т» оканчиваются согласованной нагрузкой. Указанные параметры направленных ответвителей были выбраны для того, чтобы обеспечить примерно одинаковую высокочастотную мощность, поступающую в каждый резонатор под нагрузкой пучком.

Каждый ускоряющий сверхпроводящий резонатор оснащен фазовращателем и трех-шлейфовым согласователем, для обеспечения согласования резонатора с подводящим волноводом и правильной фазы сгустка в каждом резонаторе. Рабочая частота равна 500 МГц, а каждый резонатор оснащен устройством для перестройки его резонансной частоты.

Таким образом, система распределения высокочастотной мощности HERA-WEST представляет собой сложное семнадцати плечное устройство, которое в наших исследованиях описывается матрицей рассеяния с размерностью 17x17, вычисляемой по известным матрицам рассеяния направленных ответвителей, «Магических Т» и параметрам соединительных прямоугольных волноводов и нагрузок. Ускоряющие резонаторы подсоединены к плечам 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 системы распределения высокочастотной мощности HERA - WEST. Плечо 1 является входным плечом, в которое высокочастотная мощность передается от источника.

В нашем исследовании мы использовали матрицы рассеяния как идеальных, так и неидеальных направленных ответвителей, делителей мощности типа «Магическое Т» и нагрузок.

Нормированную комплексную амплитуду рассеянной волны в ре-ференсной плоскости подводящего волновода резонатора мы представляли в виде суммы нормированных комплексных амплитуд двух волн b = bmv+bs, где - нормированная комплексная амплитуда волны, отраженной от резонатора, а Ьь - нормированная комплексная амплитуда волны, индуцированной последовательностью точечных сгустков. Таким образом, резонатор, нагруженный пучком, рассматривался как активный элементом.

Суперпозиция этих двух волн может быть представлена следующим образом

Г„ -jQ. 1+JQ,

f°t> far,

■ J

"V- pTz 1

где Г0 = Cjr-l)/(jr + l) — коэффициент отражения от резонатора при условии,что и/, = 0, ■

При этом резонатор характеризуется следующими параметрами:

<и„. = Inf^— угловая резонансная частота резонатора, а /„,— резонансная частота резонатора,

= паРаметР потерь резонатора,

ßo.öw.ß«- собственная, нагруженная и внешняя добротности резонатора, причем ß„ « ßw, 20

т - постоянная времени спада поля резонатора.

««а»

А последовательность точечных сгустков электронов, пролетающая вдоль оси резонатора, характеризуется следующими параметрами:

qb— заряд одного точечного сгустка,

yft— фаза сгустка относительно поля, возбуждаемого в резонаторе источником, которая в нашем случае в процессе ускорения меняется от фазы инжекции ц/ь =-85" при энергии инжекции 12 ГэВ до конечной фазы ц/ь = -45" при энергии электронов 27.5 ГэВ и в этом случае для подавления рассеянной волны необходимо /„, < f (при у/ь < 0),

fb = —— частота следования сгустков, ^ь

1„ = — - импульсный ток пучка.

Р1пс = ~ — мощность падающей волны в подводящем волноводе, а

о„ нормированная комплексная амплитуда этой волны, которая в ре-ференсной плоскости подводящего волновода является действительной величиной. Частота падающей волны равна / = /„ =/t. /ор— рабочая частота, а fg— частота генератора.

Для системы распределения мощности HERA-WEST мы получили следующее матричное уравнение.

V "0 0 0 ... . . ... 0" -1 V

ъ, 0 0 ... . . ... 0 0

Ьг 0 0 Г, 0 . . ... 0 0

= • 0 ... . ■ [S. ... у

V 0

0 0 0 ... . • 0 г,.

где матрица рассеяния системы распределения мощности

HERA-WEST,

а, — комплексная нормированная амплитуда падающей волны в некоторой референсной плоскости первого плеча,

Г2,Г,,Г4>...,Г^— коэффициенты отражения в соответствующих

референсных плоскостях второго, третьего, четвертого...... N— го

плеча, а [/]- единичная матрица.

В нашем случае N = 17, а комплексные величины Г2,Г3,Г4,...,Г„являются функциями комплексных нормированных амплитуд рассеянных волн Ьг,Ь3,ЬА.....Ь„соответственно, и последняя система уравнений

является нелинейной. Для решения этой системы уравнений мы использовали итерационный метод, полагая параметры каждого устройства для перестройки частоты резонатора, параметры каждого трех-шлейфового трансформатора и параметры каждого фазовращателя заданными.

Статистический анализ системы распределения высокочастотной мощности HERA-WEST был проведен для двух значений фазы сгустков ц/ь =-85' и !//ь =-45", рабочей частоты fv =500 МГц, импульсного тока пучка Ib ~ 0.03 А, отношения рабочей частоты и частоты следования сгустков — = т = 50 + 56 и мощности на входе первого плеча fb

Л

Р»р =1.6МВт. При этом параметры резонаторов — = 460Ом, а ^соответственно были равны 208000, 304000, 229000, 258000, 208000, 242000, 256000, 204000, 220000, 274000, 218000, 198000, 214000, 261000, 242000, 251000.

На первом этапе наших исследований мы полагали идеальными все направленные ответвители и делители мощности типа «Магическое Т» (направленность у-106 дБ), определяли резонансную частоту каждого резонатора, при которой модуль коэффициента отражения |Г„,| минимален и, используя трехшлейфовые трансформаторы и фазовра-

вдвтели, обеспечивали согласование всех резонаторов и одинаковую фазу падающей волны для каждого резонатора. В этом идеальном случае вся мощность на входе первого плеча Р^ =1.6 МВт передается пучку (Рь = PIV).

На следующем этапе наших-исследований мы полагали, что направленные ответвители неидеальны, т.е. у* да, а все делители мощности типа «Магическое Т» идеальны. Полагая, что резонансные частоты резонаторов и/или фазы сгустков электронов имеют случайный разброс относительно их номинальных значений, мы провели статистический расчет уменьшения мощности передаваемой ускоряемому пучку дРь = Рьр - Рь. При этом мы использовали от 1000 до 5600 случайных выборок.

Статистическое исследование системы распределения мощности HERA - WEST показало, что случайный разброс резонансных частот резонаторов и фаз сгустков электронов в диапазоне f^ ±100 Гц и ±5° приводит к уменьшению мощности, передаваемой пучку примерно на 2%. Случайный разброс резонансных частот резонаторов в диапазоне /„„1500 Гц приводит к уменьшению мощности, передаваемой пучку, примерно на 10%, а случайный разброс резонансных частот резонаторов в диапазоне ± 1000 Гц приводит к уменьшению мощности, передаваемой пучку, более чем на 30% для фазы сгустков = -45°. Для фазы сгустков ц>ь =-85° мы получили соответственно уменьшение мощности, передаваемой пучку, 2%, 13% и более чем 40%.

Другая важная проблема, которая была решена в работе, это проблема настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов системы распределения высокочастотной мощности HERA - WEST.

В наших исследованиях мы использовали следующее выражение для напряжения резонатора

■feaw Qlogd _^ _

Это выражение представляет собой сумму комплексных напряжений резонатора, первое из которых наводится генератором, а второе последовательностью точечных сгустков электронов, следующих друг

за другом с частотой /4 = —. Комплексная нормированная амплитуда

падающей волны аш соответствует некоторой референсной плоскости в подводящем волноводе,

В этих исследованиях мы использовали различные критерии тонкой настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов системы распределения высокочастотной мощности HERA-WEST. Моделирование тонкой настройки резонаторов показало, что критерий настрой-

ки

U «т./ аы

позволяет нам определить резонансные частоты сверх-

проводящих резонаторов системы распределения мощности НЕКА - №Е5Т с неидеальными направленными ответвителями, делителями мощности и нагрузками. При моделировании процесса настройки мы использовали пять и более итерационных циклов, которые сходились к некоторому решению.

Другой критерий тонкой настройки резонаторов {Рт/Р^ ^ (где Ра,

— мощность, поступающая в резонаторы, а Р^ =1.6 МВт) показал, что для различных случайных выборок и 92.4% < Рс„ / Р^ <

94.8%, (р«,.<!Р,»р)„= 93.7% и стандартное отклонение о-^/Р^) = 0.454%. При у/, =-85' 63.5% < Р^/Р^ 67.2%, (Рт/Р^)т= 65.715% и стандартное отклонение а{рст/р,^)= 0.801%.

Эти данные были получены при следующих условиях. Направленность каждого направленного ответеителя имела случайный разброс с равномерным распределением в диапазоне 20±ЗдБ. Величина <«» у каждого делителя мощности типа «Магическое Т» имеет случайный разброс с равномерным распределением в диапазоне ±0.1. Модуль коэффициента отражения каждой нагрузки имеет случайный разброс с равномерным распределением в диапазоне от 0.0 до 0.2, а фаза коэффициента отражения в диапазоне ±л, /»=0.03 А, начальная расстройка резонаторов /т= 500 ±0.1 МГц. Погрешность настройки резонаторов #"„„ = 10"3Гц. При моделировании процесса настройки мы использовали пять и более итерационных циклов, которые сходились к некоторому решению.

В заключении приведены основные результаты диссертации, которые можно сформулировать следующим образом.

1. На базе методики анализа ускоряющих секций с бегущей волной, обоснованной в первой главе, были получены аналитические выражения для параметров ячеек входного и выходного ГШ трех типов, а также внутриволноводной поглощающей нагрузки. Получены аналитические выражения для параметров ячеек входного и выходного ТТВ и внутриволноводных поглощающих нагрузок, реализация которых обеспечивает согласование на рабочей частоте. Определены оп-

тимальные параметры ТТВ, при которых обеспечиваются минимальные отражения в максимально широкой полосе частот.

2. Проведены расчеты и экспериментальное исследование симметричного ТТВ для ускоряющей секции SBLC. Выработаны рекомендации по его настройке. Результаты расчетов и рекомендации подтверждены экспериментальными исследованиями.

3. Разработана и апробирована методика настройки длинных цель-нопаянных ускоряющих секций с бегущей волной и любым рабочим видом колебаний по экспериментально снятому распределению амплитуды и фазы ускоряющего поля на оси круглого диафрагмированного волновода. Приведены результаты настройки ускоряющих секций с постоянным градиентом и рабочим видом колебаний 2я /3 ускорителя LINAC - II(156 ячеек) и SBLC (178 ячейка), а также секции банчера с рабочим видом колебаний 8я79 и постоянным импедансом.

4. Разработана методика описания ускоряющих секций с бегущей волной в первой и второй полосе частот гибридных волн НЕМ,,. Для ускоряющих секций коллайдера SBLC проведен анализ возбуждения гибридных волн НЕМи в этих полосах частот. Приведены результаты анализа возбуждения гибридных волн НЕМ,, для ускоряющих секций SBLC, а так же результаты исследования подавления волн высшего типа с помощью волноводных выводов волн высшего типа и искусственного увеличения поверхностных потерь в отверстиях диафрагм круглого диафрагмированного волновода.

5. Проведено исследование электрической прочности ячеек круглого диафрагмированного волновода с покрытиями различного типа отверстий диафрагм для подавления волн высшего типа.

6. Проведен теоретический и экспериментальный анализ ускоряющих секций сверхпроводящего коллайдера TESLA. На основании этого анализа разработана методика расчета входного ТТВ с прямоугольным волноводом для двух ускоряющих резонаторов на базе 4x7 суперструктуры. Приведены результаты анализа влияния несимметрии поля в таком ТТВ на поперечный импульс ускоряемых сгустков.

7. Для девятиячеечного резонатора TESLA приведены результаты анализа переходного режима возбуждения резонатора с учетом нагрузки током и проведен анализ влияния переходного процесса на разброс энергии ускоряемых сгустков на выходе секции.

8. Получены аналитические выражения для среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах с различными видами колебаний. Получены новые данные о среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих М х N - суперструктурах. Проведено численное моделирование влияния случайного разброса частот ячеек

MxN-суперструктур на неравномерность распределения ускоряющего поля.

9. Дан анализ систематической погрешности измерения электромагнитного поля в ускоряющих резонаторах коллайдера TESLA при комнатной температуре и причин их вызывающих. Получены новые данные о причинах возникновения и характере погрешностей измерения распределения ускоряющего поля в ускоряющих секциях TESLA.

10. Проведено исследование высших типов волн, возбуждаемых в сверхпроводящих резонаторах коллайдера TESLA, и предложены пути их подавления. Приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования различных типов каплеров высших мод. В частности предложена зеркальная модификация одного из каплеров высших мод, обеспечивающая сильное подавление мод высшего порядка в диапазоне частот первой, второй и третей дипольной моды.

11. Проведено статистическое исследование системы распределения мощности HERA-WEST для питания 16 сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Исследовано влияние случайного разброса параметров направленных ответвителей, делителей мощности и нагрузок, а так же частот резонаторов на снижение мощности передаваемой на ускорение пучка. Выработаны критерии и решена проблема тонкой настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов системы распределения мощности HERA - WEST.

3. Основные публикации по теме диссертации.

1. В. Ф. Викулов, В. Е. Калюжный.

Исследование высокочастотных характеристик ускоряющих секций с бегущей волной на основе резонаторной модели, Журнал технической физики, т. 52,'вып. 11, 1982, с. 2168 - 2176.

2. В. Ф. Викулов, В. Е. Калюжный, Э. А. Ли.

Исследование и оптимизация импедансной характеристики ускоряющих секций с бегущей волной. В кн. — Измерение и моделирование процессов в импульсных электродинамических системах, Москва, Энергоатомиздат, 1986, с. 9 — 19.

3. V. Е. Kaljuzhny, S. V. Ivanov, N. P. Sobenin.

Theoretical and Experimental Study of Linear Collider Accelerating Structure Impedance Characteristics, 3-rd European Particle Accelerator Conference (EPAC92), 24-28 Murch 1992, Berlin, Germany, pp. 892894.

4. A.V. Gryzlov, V.A. Vovna, V.E. Kaljuzhny, N.P. Sobenin. Impedance Characteristics of a Magnetron Powered Linear Electron Accelerator.

3-rd European Particle Accelerator Conference (EPAC92), 24-28 Murch 1992, Berlin, Germany, pp. 1218-1219.

5. А. В. Грызлов, В. E. Калюжный, В. JI. Морозов, Н. П. Собенин. Линейный ускоритель с большим к.п.д.,

Труды 13-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т.1, с. 168-171, 1993.

6. S. V. Ivanov, V. Е. Kaljuzhny, О. S. Milovanov, N. P. Sobenin.

The Investigations of Coupler for Linear Collider Accelerating Section. 3-rd European Particle Accelerator Conference (EPAC92), 24-28 Murch 1992, Berlin, Germany, pp. 1226-1227.

7. V. E. Kaljuzhny, O. S. Milovanov, A. N. Parfenov, N. P. Sobenin.

Study of Linear Collider Coupler Parameters and Accelerating Section Impedance Characteristics. ■

4-th European Particle Accelerator Conference (EPAC94), 27 June — 1 July 1994, London, England, pp. 2028 - 2031.

8. V. E. Kaljuzhny, L. V. Kravchuk, O. S. Milovanov, N. P. Sobenin, N. Holtkamp. DESY Linear Collider Accelerating Section Coupler. 4-th European Particle Accelerator Conference (EPAC94), 27 June — 1 July 1994, London, England, pp. 2025 - 2027.

9. M. Dohlus, N. Holtkamp, V. E. Kaljuzhny, N.P.Sobenin et. al. Design and Performance of a Symmetric High Power Coupler for 6 meter S-Band Lenear Collider Accelerating Structure. DESY M-94-11, October 1994.

10. M. Dohlus, N. Holtkamp, V. Kalyuzhny, A. Naboka Tuning of 5.2-meter Long Tapered S Band Traveling Wave Accelerating Section, DESY-M-96-10, Apr 1996. 15pp.

11. V. Kalyuzhny, M. Dohlus, N. Holtkamp

Compensation of Large Reflections in Traveling Wave Accelerating Sections by Special Tuning, DESY-M-96-12, June 1996. 20pp.

12. V.E. Kaljuzhny, S.V. Ivanov, D.V. Kostin, O.S. Milovanov, A.N. Parfenov, N.P. Sobenin, S.N. Yarigin, A.A. Zavadtsev

Equivalent Scheme and Parameters of Disc Loaded Waveguide at Dipole Mode,

5-th European Particle Accelerator Conference (EPAC 96), Sitges, Spain, 10-14 June 1996.

13. V.E. Kaljuzhny, D.V. Kostin, S.V. Ivanov et. al. Investigation of a Hybrid Coupler for a 6 Meter S-bend Linear Collider Accelerating Structure, Internal Report DESY M 96-05, April 1996.

14. M. Dohlus, Н. Hartwig, N. Holtkamp, S. Ivanov, V. Kaljuzhny, A. Naboka

Higher Order Mode Damping by Artificially Increased Surface Losses, DESY 96-169, August 1996.

15. M. Dohlus, H. Hartwig, N. Holtkamp, К. Jin, A. Jostingmeir, V. Kaljuzhny, A. Naboka, A. Vasyuchenko, S. Yarigin. High-Power Test of the Iris Coating in the S-Band Linear Collider, Internal report DESY M 96-19, September 1996.

16. V.E. Kaljuzhny, D.V. Kostin, S.V. Ivanov, O.S. Milovanov, N.N. Nechaev, A.N. Parfenov, N.P. Sobenin, A.A. Zavadzev, S.N. Yarigin, M. Dohlus, N. Holtkamp

Investigation of a Hybrid Coupler for a 6 Meter S-band Linear Collider Accelerating Structure, Internal Report DESY M 96-05, April 1996.

17. M. Dohlus, N. Holtkamp, V. Kaljuzhny

Field Measurement Simulation, and Measurement Error Estimation

in TESLA Cavities at Room Temperature,

DESY Print, TESLA Report 98-27, November 1998.

18. M.Dohlus, N.Holtkamp, V.Kaljuzhny

Multi-cell Cavity Excitation, Internal Report, DESY M98-05, June 1998.

19. V.F.Vikulov,V.E.Kaljuzhny

Effect of Errors of Fabrication on the Characteristics of Standing

Wave Accelerating Structures.

Sov. Phys. Tech. Phys., 25(4), April 1980.

20. J.Boster, J.Dicke, M.Dohlus, H.Hartwig, N.Holtkamp, AJöstingmeier, C.Martens, V.Kaljuzhny, A.Panomarenko, S.Yarigin, A.Zavadtsev, KJin.

Rectangular Waveguide Coupler for Two TESLA Superstructures, TESLA Report 99-01, January 1999.

21. M. Dohlus, V. Kaljuzhny, S.G. Wipf.

Higher Order Mode Absorption in TTF Modules in the Frequency Range of the 3-rd Dipole Band, Proceedings of EPAC 2002, Paris, France, pp 1473-1475,

22. M. Dohlus, V. Kaljuzhny, S.G. Wipf.

Higher Order Mode Absorption in TTF Modules in the Frequency Range of the 3-rd Dipole Band, TESLA Report 2002-05.

23. M. Dohlus, V. Kaljuzhny, S.G. Wipf.

Resonance Frequencies and Q-factors of Multi-Resonance Complex ' Electromagnetic Systems, TESLA Report 2002-12.

24. Б.Ю.Богданович, В.Е.Калюжный, В.И.Каминский,

Н.П.Собенин

Ускоряющие структуры й СВЧ устройства линейных коллайдеров, Энергоатомиздат, 2004.

25. В.Е.Калюжный, В.ИКаминский, Д.В.Костин, М.В .Лалаян, О.С.Милованов, А.Г.Пономаренко, . В.А.Сенюков, Н.П.Собенин, А.А.Сулимов Электродинамические характеристики волн высших типов в ускоряющих структурах линейных ускорителей электронов, МИФИ, МФТИ, Москва 2003.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. УСКОРЯЮЩИЕ СЕКЦИИ С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ.

1.1.Электродинамические характеристики ускоряющих секций с бегущей волной и методика их анализа.

1.2.Входной и выходной трансформаторы типа волны.

1.3. Внутриволноводная поглощающая нагрузка.

1.^Экспериментальное определение параметров ячейки входного ТТВ.

1.5.Входной ТТВ для линейного коллайдера SBLC.

1.6.Перенапряжённость поля в трансформаторе типа волны секции SBLC.

1.7.Настройка длинных цельнопаянных ускоряющих секций с постоянным градиентом.

1.8.Настройка ускоряющей секции с постоянным импедансом.

Глава 2. ВЫСШИЕ ТИПЫ ВОЛН В УСКОРЯЮЩИХ СЕКЦИЯХ

С БЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ.

2.1. Анализ возбуждения гибридных волн в секции коллайдера SBLC.

2.2.Демпфирование волн высшего типа в секции коллайдера SBLC с помощью волноводных выводов.

2.3.Демпфирование волн высшего типа в секции коллайдера SBLC с помощью искусственно увеличенных поверхностных потерь.

2.4.Демпфирование волн высшего типа в секции коллайдера

SBLC с помощью гибридного ТТВ.

Глава 3. УСКОРЯЮЩИЕ СЕКЦИИ СО СТОЯЧЕЙ ВОЛНОЙ.

3.1.Сверхпроводящие резонаторы коллайдера TESLA.

3.2.0ценка погрешности измерения полей в резонаторах коллайдера

TESLA при комнатной температуре.

3.3.Анализ возбуждения многоячеечных резонаторов.

3.4.0тносительная неравномерность распределения амплитуды ускоряющего поля в MxN суперструктурах коллайдера TESLA.

3.5.Устройства ввода мощности для ускоряющих резонаторов коллайдера TESLA.

З.б.Относительная неравномерность распределения напряженности ускоряющего поля по ячейкам резонаторов, вызванная случайным разбросом частот ячеек и коэффициентов связи.

Глава 4. МОДЫ ВЫСШЕГО ПОРЯДКА В УСКОРЯЮЩИХ

РЕЗОНАТОРАХ КОЛЛАЙДЕРА TESLA.

4.1.Устройства вывода мощности мод высшего порядка из резонаторов коллайдера TESLA.

4.2. Демпфирование мод высшего порядка в области частот третьей дипольной моды.

4.3.Экспериментальное исследование демпфирования мод высшего порядка в резонаторах коллайдера TESLA.

Глава 5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ РАСПРЕ -ДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МОЩНОСТИ HERA-WEST.

5.1.Кольцевой протон-электронный коллайдер HERA и система распределения высокочастотной мощности HERA - WEST.

5.2.Матрицы рассеяния элементов системы распределения высокочастотной мощности HERA - WEST.

5.3.Результаты статистического анализа системы распределения высокочастотной мощности HERA - WEST.

5.4.Критерии настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов системы распределения высокочастотной мощности HERA - WEST.

Последние 25 лет ускорители со встречными пучками заряженных частиц являются основным инструментом исследования в области физики элементарных частиц высоких энергий [1]. Использование как адрон-адронных коллайдеров, так и электрон-позитронных коллайдеров привело к ряду замечательных открытий. Прямое наблюдение W± и Z0 бозонов в CERN, исследование t -кварков в Fermilab - примеры достижений, полученных в экспериментах на адронных коллайдерах. Открытие с-кварков и r-лептонов на SPEAR, открытие глюонов и доказательство квантовой хромодинамики (QCD) на PETRA и PEP, точное исследование явления электрослабого взаимодействия на SLC и LEP - выдающиеся результаты, полученные в экспериментах на электрон-позитронных коллайдерах[2].

Существующие в настоящее время коллайдеры (<?V-коллайдер LEP2, ер - коллайдер HERA и рр' - коллайдер Tevatron) перекрывают область энергий вплоть до 200 - 300 ГэВ. Однако, в настоящее время общепри- / знанно, что следующее поколение е+е~ -коллайдеров и рр - коллайдеры (LHC) должны обеспечить энергию в системе центра масс 500 ГэВ и светимость 10 см" с" с возможностью последующего увеличения энергии до более 1 ТэВ и светимости до 1034 cm'V1 [3,4]. Синхротронные потери V/ энергии ускоряемых частиц, которые пропорциональны четвертой степени энергии пучка и обратно пропорциональны радиусу орбиты частиц, делают кольцевые коллайдеры недопустимо дорогими в области энергий свыше 200-300 ГэВ. В противоположность этому, линейные коллайдеры, стоимость которых растет линейно с энергией пучка, могут быть использованы в ТэВ-ой области энергий [5]. Первый и единственный линейный коллайдер SLC, построенный в SLAC [6], успешно продемонстрировал возможности линейных коллайдеров и замечательные характеристики.

-6В последние десятилетия были предложены и исследовались новые концепции ускорения пучков, основанные на лазерах и на ускорении в волнах, возбуждаемых в плазме. Однако, все эти экзотические схемы ускорения пока далеки от их технического воплощения в коллайдерах. Схемы, которые в настоящее время изучаются, базируются на традиционных радиочастотных ускоряющих структурах с улучшенными источниками мощности. В 1994 году на ЕРАС94 было создано международное сообщество для исследования и разработки линейных коллайдеров ТэВ-го диапазона энергий, а также был образован наблюдательный технический комитет (Technical Review Committee -TRC). Это сообщество объединяет более 20 крупнейших лабораторий со всего мира. Обзор всех основных проектов е+е~ -линейных коллайдеров с энергией в системе центра масс 500 ГэВ и светимостью 1033 cm'V1, а также с возможностью последующего увеличения энергии до более 1 ТэВ и светимости до 1034 cm'V1, приведен в отче-те[4]. К ним относятся следующие проекты: TESLA (координируется DESY) [7 - 10]; SBLC (координируется DESY) [11]; JLC с вариантами основного ускорителя ^-частотного диапазона, С-частотного диапазона, Х-частотного диапазона (координируется КЕК) [12,13]; NLC (координируется SLAC) [14,15]; ВЛЭПП (координируется Институтом Ядерной Физики им. Будкера)[49,50]; CLIC (координируется CERN) [16,17].

Интенсивно изучаются четыре направления, по которым ведется разработка линейных коллайдеров:

• традиционный подход (SBLC),

• сверхпроводящий ускоритель (TESLA),

• использование высокочастотных клистронов (JLC, NLC, ВЛЭПП),

• схема двухпучкового ускорения (CLIC).

Основные параметры этих коллайдеров приведены в Таблице 1.

-7 Таблица 1.

Параметры пучка в точке взаимодействия. ТЕвЬА же ЛС(Х) же ВЛЭПП сыс

Энергия в ц.м.ДэВ 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 3

Светимость, 1033см'2с"1. 6.0 5.0 8.3 5.3 9.3 100

Частота повторения, Гц. 5 50 150 180 300 100

Кол. частиц в банче, Ю10. 3.63 1.1 0.70 0.75 20 0.4

Кол. банчей в импульсе. 1130 • 333 85 90 1 154

Период следования банчей, не. 708 6 1.4 1.4 — 0.666

Ширина пучка сгх/сту, нм. 845/19 335/ 15 260/3.1 294/ 6.3 2000/4 43/1

Длина банча, ст2, мкм. 700 300 90 125 750 30

Коэфф.увеличения, Н0 2.3 1.8 1.4 1.4 2.0 1.92

Мощность пучка, МВт. 16.5 7.25 3.2 4.8 2.4 14.8

Основной ускоритель Частота, ГГц 1.3 3 11.4 11.4 14 30

Ускоряющий градиент (нагруженный), МВ/м 25 17 58 29.4 91 150

Полн. длина двух ускорителей, км 32 36 10.4 17.6 7 27.5

Длина уск. секции, м. 1.04 6 1.31 1.8 1.0 0.32

Мощность клистрона, МВт. 2x5 150 2x75 67 50 150 50

Длительность ВЧ импульса, мкс. 1330 2.8 0.75 1.5 0.5 0.102

Кол. клистрнов / ускоритель. 604- • 2517 2196 2264 1400 364

35 37 28 28 39 40.3

1ьР,% 19 10.7 5.6 7.9 8.4 24.4

Все эти направления отличаются технологией и рабочей частотой ускоряющей структуры основного ускорителя. Рабочая частота ускоряющей структуры основного ускорителя охватывает диапазон частот от 1.3 до 30 ГГц. При этом высокочастотная система основного ускорителя должна обеспечивать максимально возможную эффективность преобразования мощности, получаемой от сети, в ВЧ мощность, поступающую на вход ускоряющей структуры.

Конструкция ускоряющей .структуры должна обеспечить необходимый ускоряющий градиент и преобразовать значительную часть ВЧ мощности в мощность пучка. Из общих соображений следует, что легче достичь высокого ускоряющего градиента при высоких частотах. Напряженность поля, при которой происходит пробой, возрастает с увеличением частоты. Захват так называемого "темнового тока" имеет порог, который также возрастает с увеличением частоты (так для медной ускоряющей структуры = 1.605 МВ, где (7//, - пороговый ускоряющий градиент, X - длина волны [28]). "Темновой ток" образуется из электронов, эмитируемых под действием ускоряющего поля, вторичных электронов и других причин. Эти электроны могут приводить к ряду нежелательных эффектов, таких как радиация и шумы в измерительном оборудовании (например, в датчиках положения пучка), а в случае их ускорения до конца ускорителя, к образованию фона в точке взаимодействия. Асимметрия этих токов может привести к возбуждению поперечных полей в ускоряющей структуре. Шум в измерительном оборудовании и ток в конце ускорителя наблюдались в БЬАС при работе БЬС со средним ускоряющим градиентом 21 МВ/м, а в нескольких секциях с ускоряющим градиентом 30 МВ/м. Однако, в ускоряющей секции частотного диапазона, построенной в КЕК из специально обработанной меди с высокой степенью чистоты, было зафиксировано всего лишь 300 мкА импульсного "темнового тока" при максимальном ускоряющем поле около 50 МВ/м. Для сверхпроводящих резонаторов обнадеживающие результаты получены в проекте TESLA, где достигается ускоряющее поле 25 МВ/м и выше.

Энергия, запасаемая на единице длины ускоряющей структуры, при

У 1 мерно пропорциональна G Л-, где G - ускоряющий градиент. Если принять G ~ Gth, то эта энергия примерно постоянна и не зависит от частоты. Но время, необходимое для запасания этой энергии в ускоряющей структуре, пропорционально Td = Q/co ~ Следовательно, пиковая мощность необходимая на I метр структуры ~ со .К сожалению, максимальная выходная мощность клистронов уменьшается с увеличением частоты, а не возрастает. Будущие линейные коллайдеры X— частотного диапазона, такие как NLC и JLC(X), требуют импульсные ВЧ мощности, которые не могут быть получены с помощью имеющихся в настоящее время источников. Однако клистроны способны генерировать ВЧ импульсы с длительностью в несколько раз большей длительности, требуемой для питания основного ускорителя линейного коллайдера.

Для согласования возможностей источников ВЧ мощности с требованиями, предъявляемыми к входной мощности, были разработаны системы компрессии ВЧ импульсов [18 - 27], такие как SLED, BP С {Binary Pulse Compression system), SLED-II, DLDS {Delay Line Distribution System) и MDLDS {Multi-Moded DLDS). Первая из этих систем была использована для увеличения энергии двухмильного линейного ускорителя в SLAC. Её недостатком является экспоненциальный спад импульса и невысокая эффективность (75 - 80%) [28]. Для получения импульса с плоской вершиной и повышения эффективности системы была изобретена система ВРС, которая хотя и имела почти 100% эффективность и плоский выходной импульс, но была очень дорога и имела слишком большие размеры. Система SLED II имеет большую эффективность, чем SLED, а при коэффициенте усиления больше 2, более компактна, чем ВРС. DLDS также позволяет получить выходной импульс с плоской вершиной и имеет теоретически 100% эффективность. Дальнейшее развитие эта система получила в виде MDLDS системе, которая имеет 100% эффективность, а полная длина волновода меньше, чем у компактной системы SLED II. В настоящее время эта система предложена, как наиболее предпочтительная система для будущего линейного коллайдера X— частотного диапазона.

В SBLC планировалось использовать систему компрессии аналогичную SLED для перехода к энергии 1 ТэВ. Применение сверхпроводящих резонаторов в проекте TESLA устраняет необходимость получения очень высокой ВЧ мощности. Такие резонаторы сами запасают энергию в течение длительного периода времени (порядка миллисекунды) от источника с относительно низкой пиковой мощностью. При этом длительность импульса тока ускоренного пучка примерно вдвое меньше длительности ВЧ импульса.

Одной из центральных проблем, возникающих при создании линейных коллайдеров нового поколения, является проблема сохранения малого эмиттанса пучка во время ускорения в основном ускорителе, имеющем длину несколько километров. Дело в том, что даже при небольшом смещении ускоряемых частиц с оси ускоряющей структуры первый сгусток может возбуждать поля, имеющие поперечные компоненты. Эти поля воздействуют на частицы последующих сгустков, смещая их с оси структуры, и они в свою очередь также генерируют поля, имеющие поперечные компоненты. Если этот эффект не подавлять, то эмиттанс пучка будет возрастать и возможно разрушение пучка (beam break-up, BBU). Впервые эффект разрушения пучка наблюдался в начале 60-х годов при попытках увеличить интенсивность пучка на различных действующих ускорителях (например, в Стэнфорде и Харькове).

Эти нежелательные эффекты особенно сильны в высокочастотных ускоряющих структурах. Монопольные и дипольные моды, возбуждаемые пучком пропорциональны второй и третьей степени частоты, соответственно. Так, ускоряющие структуры основных ускорителей NLC/JLC должны обеспечивать темп ускорения 50 - 70 МэВ/м при подавлении отклоняющих мод до уровня ниже 1В/пКл/мм/м. В противном случае, связь сгустков в пучке будет резонансно усиливать его поперечную неустойчивость, приводя к разрушению последнего [29]. Были предложены и исследованы несколько ускоряющих структур X— частотного диапазона, на которых изучалась эффективность подавления возбуждаемых пучком мод с поперечными компонентами поля. Подавление этих мод осуществляется с помощью следующих методов:

1) Расстройка ячеек, которая осуществляется таким образом, чтобы частоты дипольных мод из низшей полосы систематически варьировались от ячейки к ячейке структуры. При этом произведение "плотности мод" и "степени связи моды с пучком", имеет примерно Гауссово распределение от частоты.

2) Демпфирование, которое достигается с помощью четырех волноводов, расположенных параллельно структуре и связанных с ячейками через узкие щели и оканчивающихся согласованными нагрузками. В результате добротность этих мод значительно уменьшается.

Это так называемые демпфированные расстроенные структуры {Damped Detuned Structure, DDS [30]). Кроме того, для увеличения шунтового сопротивления в среднем на 15% используется криволинейный профиль ячеек (Rounded Damped Detuned Structure, RDDS). В этих структурах достигается сильное подавление отклоняющих мод [29,31]. Для основной ускоряющей моды эти структуры являются структурами с постоянным градиентом.

- 12В ускоряющих структурах CLIC также используется расстройка ячеек на частотах мод высшего порядка {НОМ - High Order Modes) и одновременное демпфирование этих мод за счет четырех волноводов, подключенных к каждой ячейке и оканчивающихся согласованными нагрузками. Расстройка ячеек осуществляется за счет линейного уменьшения параметра нагружения а/Х [32 - 34].

Ускоряющая структура SBLC.так же является структурой с постоянным градиентом. Для демпфирования мод высшего порядка здесь предлагалось использовать два типа демпферов. В первом случае предлагалось покрыть внутреннюю поверхность отверстий диафрагм тонким слоем (~20 мкм) материала с малой проводимостью [11]. Как показали расчеты и измерения, добротность мод высшего порядка уменьшается более чем в 5 раз, а добротность основной ускоряющей моды изменяется не более чем на 5%. • Испытание на высоком уровне мощности с помощью резонатора показали, что напряженность электрического поля достигала значения 28 МВ/м. В . дополнение к этому предлагается использовать каплеры мод высшего порядка {НОМ- каплеры). Каждый такой НОМ- каплер состоит из четырех прямоугольных волноводов, связанных через узкие щели с одной из ячеек круглого диафрагмированного волновода (КДВ). Один из НОМ- каплеров располагается в начальной части ускоряющей секции, а второй - на расстоянии почти 2/3 длины секции от её начала. Конечно, двух таких каплеров не достаточно для демпфирования всех мод в полосе частот гибридной НЕМ\ 1 моды, поскольку 2/3 опасных мод из этой полосы частот оказываются "запертыми" в различных участках ускоряющей секции. Эти НОМ - каплеры могут использоваться для измерения амплитуды мод высшего порядка, наводимых пучком в полосе частот гибридной НЕМ и моды, и получения управляющего сигнала для системы автоматического управления положением ускоряющей секции.

Проблема подавления мод высшего порядка присуща и сверхпроводящим ускоряющим резонаторам коллайдера TESLA. Ускоряющие резонаторы коллайдера TESLA состоят из 9 ячеек и имеют рабочую частоту л--моды 1.3 ГГц. Ускоряющие резонаторы объединены в модули по 8 резонаторов [3, 9]. Возбуждение мод высших типов наблюдалось в ряде таких модулей [35,36]. Несмотря на весьма пристальное внимание к модам высшего порядка и тщательную проработку конструкции сверхпроводящего резонатора и НОМ— каплеров [3], были обнаружены моды с очень высокой добротностью (QoclO ) и высоким импедансом (R/Q >15 Ом/см ), возбуждаемые на частотах 2.58 - 2.59 ГГц [36]. Этим частотам соответствуют высшие дипольные моды из третьей полосы пропускания резонатора. Проблема усложняется ещё и тем, что пролетные трубки (078 мм), соединяющие резонаторы между собой, имеют критическую частоту для волны типа ТЕ\ 1 равную 2252.5 МГц. Таким образом, отдельные резонаторы оказываются сильно связанными между собой по этим высшим дипольным модам.

Не менее важной проблемой, возникающей при разработке ускоряющих секций основного ускорителя линейного коллайдера, является проблема разработки входного каплера фундаментальной моды, или входного трансформатора типа волны (ТТВ). Входной ТТВ должен обеспечить согласование на рабочей частоте между волноводом, подводящим ВЧ мощность, и ускоряющей структурой. При этом амплитуда и фаза ВЧ поля во входном ТТВ должны обладать симметрией. Для уменьшения стоимости изготовления конструкция входного ТТВ должна быть компактной. Кроме того, перенапряженность электрического поля на поверхности входного ТТВ должна быть минимальна или вообще исключена. Проблема разработки входного ТТВ, удовлетворяющего указанным требованиям, стоит как для ускорителей с бегущей волной, так и для ускорителей со стоячей волной.

Неотъемлемой частью создания и исследования ускоряющей секции любого ускорителя является измерение электромагнитных полей рабочей моды и мод высшего порядка. Несмотря на то, что вопросам измерения электромагнитных полей посвящено большое число работ [37 — 40], в ряде случаев возникает проблема в оценке точности, а иногда и достоверности, проведенных измерений. В частности, такие проблемы возникают при исследовании ускоряющих структур, состоящих из слабосвязанных участков, а также когда рабочим видом колебаний является л--вид колебаний, а добротность исследуемого резонатора невелика. В этих случаях попытка измерения полей с использованием схемы четырехполюсника (на проход) может привести к недопустимо большой погрешности измерений, а в ряде случаев и к недостоверным результатам.

При окончательной настройке цельнопаянных ускоряющих секций с бегущей волной, состоящей из большого числа ячеек (несколько сотен), необходимо иметь возможность произвести подстройку частот отдельных ячеек. При этом критерием настройки является требуемое распределение амплитуды и фазы поля вдоль ускоряющей секции. Поэтому, важной задачей, возникающей при окончательной настройке ускоряющих секций с бегущей волной, является разработка методики определения параметров отдельных ячеек. Причем, измеренное распределение амплитуды и фазы поля вдоль ускоряющей секции служит информацией для выработки рекомендаций по настройке отдельных ячеек. Сама же процедура настройки должна занимать как можно меньше времени.

В настоящей работе представлен систематизированный материал по численному и экспериментальному исследованию нескольких типов ускоряющих структур и СВЧ устройств, предназначенных для применения в линейных электрон-позитронных коллайдерах и кольцевом протонэлектронном коллайдере. Из -широкого круга проблем, связанных с созданием ускоряющих секций, рассмотрены и исследованы такие элементы ускоряющих секций с бегущей и стоячей волной, как входной ТТВ и внутриволноводная поглощающая нагрузка. Решается задача настройки ускоряющих секций, состоящих из большого числа ячеек, а также настройки отдельных её элементов и их оптимизации. Решается проблема анализа мод высшего порядка, и рассматриваются способы и средства их подавления. Проводится анализ погрешностей измерения электромагнитного поля в ряде ускоряющих секций, и даются рекомендации по проведению таких измерений.

Целью диссертации является разработка общих принципов исследования и создания нормально проводящих и сверхпроводящих ускоряющих систем линейных электрон - позитронных коллайдеров, состоящих в разработке и создании элементов ускоряющих секций линейных коллайдеров, в создании и отработке методов анализа и настройки, как отдельных элементов, так и ускоряющих секций в целом, в анализе влияния погрешностей изготовления и настройки на электродинамические характеристики ускоряющих секций, а также в анализе погрешностей измерения электромагнитного поля, в создании и отработке методов анализа мод высшего порядка, способов и средств их подавления.

Диссертация состоит из пяти глав и заключения.

В первой главе приведено обоснование способа описания ускоряющих секций с бегущей волной, состоящих из большого числа ячеек. Получены аналитические выражения для параметров ячеек входных и выходных ТТВ трех типов, а также внутриволноводных поглощающих нагрузок. Проведен анализ влияния случайных погрешностей изготовления и настройки ячеек ускоряющих секций на энергию частиц. Даны рекомендации по настройке ТТВ. Получены выражения для оптимальных параметров ТТВ. Разработана методика настройки длинных цельнопаянных ускоряющих секций по экспериментально снятому распределению амплитуды и фазы ускоряющего поля на оси волновода. Приводятся результаты настройки ускоряющих секций с постоянным градиентом и рабочим видом 2 п колебаний — ускорителя ЬШАС-П (156 ячеек) и БВЬС (181 ячейка), а

8тг также секции банчера с рабочим видом колебаний — и постоянным импедансом.

Во второй главе проводится анализ ускоряющих секций с бегущей волной в двух полосах частот,, соответствующих гибридной НЕМц волне. Приведены результаты анализа для ускоряющих секций БВЬС.

В третьей главе приводятся результаты теоретического и экспериментального анализа ускоряющих секций сверхпроводящего коллайдера ТЕБЬА. Разработана методика расчета входного ТТВ с прямоугольным волноводом для двух ускоряющих резонаторов на базе суперструктуры, состоящей из 4x7 ячеек. Приводятся результаты анализа влияния несимметрии поля в таком ТТВ на поперечный импульс ускоряемых сгустков. Для девятиячеечного резонатора ТЕ8ЬА приводятся результаты анализа переходного режима возбуждения с учетом нагрузки током. Проведен анализ влияния переходного процесса на разброс энергии ускоряемых сгустков на выходе секции. Проведено численное моделирование влияния случайного разброса частот ячеек МхN суперструктур на неравномерность распределения ускоряющего поля. Дан анализ систематической погрешности измерения электромагнитного поля в ускоряющих резонаторах коллайдера ТЕЗЬА и причин их вызывающих. Получены аналитические выражения для дисперсии относительной неравномерности распределения поля по ячейкам ускоряющих резонаторов различного типа, вызванной случайной расстройкой частот ячеек и случайным разбросом коэффициентов связи между ячейками.

Четвертая глава посвящена исследованию мод высшего порядка, возбуждаемых в сверхпроводящих резонаторах TESLA в полосе частот, соответствующей первой, второй, третьей дипольным модам, второй монопольной моде, второй квадрупольной моде, предлагается модификация НОМ- каплера, приводятся результаты экспериментального исследования различных каплеров высших мод в широкой полосе частот.

В пятой главе проводится статистическое исследование системы распределения мощности кольцевого ер - коллайдера HERA для питания 16 сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Решается проблема тонкой настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов.

В заключении формулируются основные результаты диссертации.

Научная новизна работы, заключается в следующем:

1. Впервые получены аналитические выражения для расчета электродинамических параметров ячеек входного и выходного ТТВ и внутриволно-водных поглощающих нагрузок, реализация которых обеспечивает согласование на рабочей частоте, проведена оптимизация входного и выходного ТТВ, внутриволноводной поглощающей нагрузки при которой обеспечиваются минимальные отражения в максимально широкой полосе частот.

2. Впервые проведены расчеты и экспериментальное исследование ТТВ с симметризацией электромагнитного поля в области пролета пучка для ускоряющей секции SBLC, выработаны рекомендации по его настройке. Результаты расчетов и рекомендации по настройке подтверждены экспериментальными исследованиями на ускоряющих секциях коллайдера SBLC и ускоряющих секциях LINAC -II.

3. Впервые разработана методика настройки длинных цельнопаянных ускоряющих секций с бегущей волной и любым рабочим видом колебаний. Методика апробирована на шести метровых ускоряющих секциях коллайдера SBLC и ускоряющих секциях LINAC-И.

-184. Впервые получены аналитические выражения для среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах различного типа. Получены новые данные о среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих секциях на основе MxN суперструктур.

5. Получены новые данные о причинах возникновения и характере систематических погрешностей измерения распределения ускоряющего поля в ускоряющих секциях TESLÄ на основе MxN суперструктур.

6. Предложены и экспериментально исследованы модифицированные ЯОМ-каплеры для сверхпроводящих ускоряющих секций линейного кол-лай дера TESLA.

7. Впервые проведено статистическое исследование системы распределения мощности HERA - WEST кольцевого протон-электронного коллай-дера для питания 16 сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, проведено исследование влияния случайного разброса параметров направленных ответвителей, делителей мощности и нагрузок, а так же частот резонаторов на снижение мощности передаваемой на ускорение пучка. Выработаны критерии настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов и решена проблема тонкой настройки таких резонаторов в системе распределения мощности HERA - WEST.

Основные положения, выносимые на защиту:

Полученные аналитические выражения для параметров ячеек входных и выходных ТТВ, а также внутри волноводных поглощающих нагрузок, рекомендации по настройке ТТВ и результаты оптимизации параметров ТТВ и внутриволноводных нагрузок.

Разработанную и апробированную методику настройки длинных цельнопаянных ускоряющих секций с бегущей волной и любым рабочим видом колебаний.

-19— Аналитические выражения для среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах различного типа и новые данные о среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонатора на основе МхИ суперструктур.

Результаты анализа систематических погрешностях измерения распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах на основе МхЫ суперструктур и рекомендации по проведению подобных измерений.

Предложенные и экспериментально исследованные модифицированные ЯСЖ-каплеры для сверхпроводящих ускоряющих секций линейного коллайдера ТЕБЬА.

По мнению автора, эти положения можно квалифицировать, как новое крупное достижение в развитии ускорительной техники, заключающееся в создании и развитии методов разработки и исследования ускоряющих систем линейных ускорителей электронов на высокие и низкие энергии. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались: на 3-ей Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС 92, Берлин, 24 -28 марта 1992 г.); на 4-ой Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС 94, Лондон, 27 июня -1 июля 1994 г.); на 5-ой Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС 96, Испания, Ситгес, 10-14 июня 1996 г.); на 6-ой Европейской конференции по ускорителям частиц (ЕРАС 98, Стокгольм, 22 - 26 июня 1998 г.); на 17-ой Конференции по ускорителям частиц (РАС 97, Ванкувер, 12 -16 мая 1997 г.); на 17-ой Международной конференции по линейным ускорителям (Ы-пас 94, Япония, 1994); на 18-ой Международной конференции по линейным ускорителям {Lime 96, Женева, 1996); на 20-ой Международной конференции по линейным ускорителям {Lime 2000, Monterey, California, 2000); на 8-ой Европейской конференции по ускорителям частиц {ЕРАС 2002, Франция, Париж, 2002 г.); на 15-ом совещании по ускорителям заряженных частиц (ГНЦ РФ ИФ-ВЭ, Протвино, 22-24 октября 1996 г.); на 15-ом Международном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Алушта, 1997); на Рабочем совещании по линейным коллайдерам (Звенигород, 1997); на Научной сессии МИФИ 1998 г.

Основные результаты диссертации изложены в 25 научных публикациях, в том числе в монографии [109] и учебном пособии [110].

Основные результаты диссертации кратко можно сформулировать следующим образом.

В диссертации представлен систематизированный материал по численному и экспериментальному исследованию нескольких типов ускоряющих структур и СВЧ устройств, предназначенных для применения в линейных электрон-позитронных коллайдерах и кольцевом протон-электронном коллайдере. Из широкого круга проблем, связанных с созданием ускоряющих секций, рассмотрены и исследованы такие элементы ускоряющих секций с бегущей и стоячей волной, как входной трансформатор волны и внутриволноводная поглощающая нагрузка. Решается задача настройки ускоряющих секций, состоящих из большого числа ячеек, а также настройки отдельных её элементов и их оптимизации. Решается проблема анализа мод высшего порядка, и рассматриваются способы и средства их подавления. Проводится анализ погрешностей измерения электромагнитного поля в ряде ускоряющих секций, и даются рекомендации по проведению таких измерений.

1. На базе методики анализа ускоряющих секций с бегущей волной были получены аналитические выражения для радиотехнических параметров ячеек входного и выходного ТТВ, а также внутриволноводной поглощающей нагрузки, реализация которых обеспечивает согласование на рабочей частоте. Определены оптимальные параметры ТТВ, при которых обеспечиваются минимальные отражения в максимально широкой полосе частот.

2. Проведены расчеты и экспериментальное исследование симметричного ТТВ для ускоряющей секции БВЬС. Выработаны рекомендации по его настройке. Результаты расчетов и рекомендации подтверждены экспериментальными исследованиями. Ускоряющие секции с такими ТТВ изготовлены и используются в линейном ускорителе ЫЫАС-П.

-2883. Разработана и апробирована методика настройки длинных цельнопаянных ускоряющих секций с бегущей волной и произвольным видом колебаний на рабочей частоте по экспериментально снятому распределению амплитуды и фазы ускоряющего поля на оси КДВ. На базе этой методики проведена настройка ряда ускоряющих секций с постоянным градиентом и рабочим видом колебаний 2я73 ускорителя ЬШАС-П (156 ячеек) и 8ВЬС (181 ячейка), а также секции банчера с рабочим видом колебаний 8л-/9 и постоянным импедансом.

4. Разработана методика описания ускоряющих секций с бегущей волной в первой и второй полосе частот гибридных мод НЕМи. Для ускоряющих секций коллайдера БВЬС проведен анализ возбуждения гибридных мод НЕМП в этих полосах частот. Приведены результаты анализа возбуждения гибридных мод НЕМи для ускоряющих секций БВЬС, а так же результаты исследования подавления мод высшего порядка с помощью волноводных устройств вывода мод высшего порядка и искусственного увеличения поверхностных потерь в отверстиях диафрагм круглого диафрагмированного волновода.

5. Проведено исследование электрической прочности ячеек круглого диафрагмированного волновода с покрытиями различного типа отверстий диафрагм для подавления мод высшего порядка. Показано, что все испытанные чашки с напылением из различных материалов (нержавеющая сталь, кантал) прошли испытание без каких-либо повреждений при напряженности электрического поля, соответствующей мощности 75 МВт, и такие покрытия могут использоваться для демпфирования дипольных мод, возбуждаемых пучком.

6. Проведен теоретический и экспериментальный анализ ускоряющих секций сверхпроводящего коллайдера ТЕБЬА. На основании этого анализа разработана методика расчета входного ТТВ с прямоугольным волноводом для двух ускоряющих резонаторов на базе 4x7 суперструктуры. Приведены результаты анализа влияния несимметрии поля в таком ТТВ на поперечный импульс ускоряемых сгустков.

7. Для девятиячеечного резонатора ТЕБЬА приведены результаты анализа переходного режима возбуждения резонатора с учетом нагрузки током и проведен анализ влияния переходного процесса на разброс энергии ускоряемых сгустков на выходе секции. Показано, что имеются небольшие колебания амплитуды напряжения в ячейках, которые связаны с тем, что генератор возбуждает колебания не только рабочего вида колебаний с частотой 1300 МГц, но и нерабочие виды колебаний, которые затухают со временем. Причем, амплитуды нерабочих видов колебаний, возбуждаемых генератором, существенно превосходят амплитуды нерабочих видов колебаний, возбуждаемых сгустками.

8. Получены аналитические выражения для среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих резонаторах различного типа. Получены новые данные о среднеквадратической неравномерности распределения ускоряющего поля в ускоряющих МхЫ суперструктурах. Проведено численное моделирование влияния случайного разброса частот ячеек МхИ суперструктур на неравномерность распределения ускоряющего поля.

9. Дан анализ систематической погрешности измерения электромагнитного поля в ускоряющих резонаторах коллайдера ТЕБЬА при комнатной температуре и причин их вызывающих. Получены новые данные о причинах возникновения и характере погрешностей измерения распределения ускоряющего поля в ускоряющих секциях ТЕБЬА. В частности показано, что систематическая погрешность измерений полей в ускоряющих М х N суперструктурах по схеме «четырехполюсника» может достигать более 20%.

-29010. Проведено исследование' мод высшего порядка, возбуждаемых в сверхпроводящих резонаторах коллайдера TESLA, и предложены пути их подавления. Приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования различных типов каплеров высших мод. В частности предложена зеркальная модификация одного из каплеров высших мод, обеспечивающая сильное подавление мод высшего порядка в диапазоне частот первой, второй и третей дипольной полосы.

11. Проведено статистическое исследование системы распределения мощности HERA - WEST для питания 16 сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Исследовано влияние случайного разброса параметров направленных ответвителей, делителей мощности и нагрузок, а так же частот резонаторов на снижение мощности передаваемой на ускорение пучка. Выработаны критерии и решена проблема тонкой настройки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов системы распределения мощности HERA - WEST.

Результаты диссертации были использованы в работах по созданию и настройке ускоряющих секций SBLC, LINAC-II, банчера в которых автор принимал непосредственное участие (научный центр DESY, Гамбург, Германия), в работах по модификации каплеров высших мод ускоряющих секций коллайдера TESLA, а так же при анализе работы системы распределения мощности HERA - WEST.

Работа выполнена на кафедре Электрофизических установок МИФИ и в научном центре DESY, Гамбург, Германия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ