Исследование и создание элементов системы СВЧ питания сверхпроводящих ускоряющих резонаторов линейного коллайдера TESLA тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Завадцев, Дмитрий Александрович

• Завадцев, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Завадцев, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 СХЕМЫ СВЧ ПИТАНИЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА TESLA.

1.1 Ускоряющая система электрон-позитронного коллайдера TESLA.

1.1.1 Принципиальная схема ускоряющей системы.

1.1.2 Криогенный модуль.

1.1.3 Внешняя добротность ускоряющих резонаторов.

1.2 Древовидная схема.

1.3 Последовательная схема.

1.3.1 Принципиальная схема.

1.3.2 Регулируемый направленный ответвитель на базе двух волноводных мостов и фазовращателя.

1.3.3 Регулируемый направленный ответвитель на базе коаксиального и волноводного ответвителей с фазовращателем между ними.

1.3.4 Регулируемые направленные ответвители с емкостными и индуктивными поршнями.

1.3.5 Трехшлейфовый согласующий трансформатор.

1.3.6 ЕН-согласователь.

1.4 Сравнительный анализ древовидной и последовательной схем СВЧ питания.

1.5 Выводы.

2 ЕН-СОГЛАСОВАТЕЛЬ на основе двойного волноводного тройника.

2.1 Принцип работы.

2.2 Расчет ЕН-согласователя.

2.2.1 Методика расчета.

2.2.2 Расчет двойного волноводного тройника.

2.2.3 Расчет режимов согласования.

2.2.4 Расчет подвижного короткозамыкающего поршня.

2.3 Разработка конструкции ЕН-согласователя.

2.4 Модуль управления двигателями.

2.4.1 Аппаратная часть.

2.4.2 Программное обеспечение.

2.5 Настройка и испытания ЕН-согласователя на низком уровне мощности.

2.5.1 Разработка волноводных измерительных устройств.

2.5.1.1 Коаксиально-волноводные адаптеры.

2.5.1.2 Волноводный калибровочный набор.

2.5.2 Настройка двойного волноводного тройника.

2.5.3 Калибровка ЕН-согласователя.

2.5.4 Согласование нагрузок с помощью ЕН-согласователя.

2.6 Выводы.

3 Регулируемые направленные ответвители.

3.1 Постановка задачи и общие соображения.

3.2 Регулируемые направленные ответвители с емкостными поршнями.

3.2.1 Регулируемые направленные ответвители с цилиндрическими емкостными поршнями.

3.2.2 Регулируемые направленные ответвители с прямоугольными емкостными поршнями.

3.3 Регулируемые направленные ответвители с индуктивными плунжерами

3.3.1 Вариант 1. Направленные ответвители с параллельными волноводами.

3.3.2 Вариант 2. Направленный ответвитель с сужающимися волноводами.

3.3.3 Вариант 3. Направленный ответвитель с одним поршнем.

3.3.4 Вариант 4. Направленный ответвитель с сильфонами.

3.3.5 Вариант 5. Направленный ответвитель с двойными сильфонами.

3.3.6 Вариант 6. Направленный ответвитль на 12,5 дБ.

3.3.7 Вариант 7 Направленный ответвитель на 12,5 дБ.

3.3.8 Вариант 8. Ответвитль на 3 дБ.

3.3.9 Вариант 9. Направленный ответвитель на 3 дБ.

3.4 Подвижные короткозамыкающие плунжеры.

3.4.1 Дроссельный поршень шириной 276мм.

3.4.2 Короткозамыкающий поршень на основе гибкой мембраны.

3.5 Макетные испытания направленных ответвителей с индуктивными плунжерами на низком уровне мощности.

3.5.1 Макет направленного ответвителя на 3 дБ.

3.5.2 Макет ответвителя на 12,5 дБ.

3.5.3 Двойной волноводно-коаксиальный направленный ответвитель.

3.5.4 Полосковый ответвитель.

3.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и создание элементов системы СВЧ питания сверхпроводящих ускоряющих резонаторов линейного коллайдера TESLA»

Одним из важных направлений развития техники ускорителей заряженных частиц является создание линейных электрон-позитронных коллайдеров на большую энергию. В настоящее время в процессе разработки находятся следующие проекты линейных коллайдеров: NLC-Next Linear Collider (США), JLC - Japan Linear Collider (Япония) [1], CLIC -Compact Linear Collider (Швейцария), TESLA - TeV Energy Superconducting Linear Accelerator (Германия) [2], [3],[4].

В ускорительном центре DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron) (Гамбург, Германия) разрабатывается проект создания линейного электрон-позитронного сверхпроводящего коллайдера TESLA [5]. Два ускорителя - электронный и позитронный - расположены в одном тоннеле. Каждый из них рассчитан на энергию ускоренных частиц 250 ГэВ на первом этапе и 400 ГэВ на втором. Длина каждого ускорителя равна 14.4 км. Ускоряющий градиент в ускоряющих резонаторах - 23.4 МэВ/м.

Ускоряющая система представляет собой последовательную цепочку сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, установленных внутри криогенных модулей, для обеспечения рабочей температуры резонаторов 2 К. В каждом криомодуле устанавливается 12 ускоряющих резонаторов. СВЧ питание каждого резонатора осуществляется через индивидуальное устройство ввода мощности, имеющее на входе волновод прямоугольного сечения, расположенный вне криомодуля при комнатной температуре. Всего в каждом ускорителе будет 10296 ускоряющих резонаторов в 858 криомодулях. В качестве источников СВЧ мощности планируется использование клистронов Thales ТН 1801 с твердотельными задающими СВЧ-генераторами. Для СВЧ питания ускоряющих резонаторов на первом этапе потребуется 572 клистрона. Таким образом, один клистрон ТН 1801 с двумя выходными волноводами питает 36 ускоряющих резонаторов, расположенных в 3-х криомодулях. СВЧ мощность из каждого выходного волновода должна быть распределена между 18-ю ускоряющими резонаторами, расположенными в полутора криомодулях. На втором этапе число питающих клистронов удвоится, чтобы удвоить входную мощность каждого резонатора. Для питания клистронов используются модуляторы, включающие накопители энергии, импульсные коммутаторы и импульсные трансформаторы.

В настоящее время рассматривается две схемы системы СВЧ питания ускоряющих резонаторов: древовидная и последовательная. Один клистрон с двумя выходными волноводами питает 36 девятиячеечных резонаторов, расположенных в трех криомодулях. Причем имеется две идентичные подсистемы, каждая из которых питается от одного выходного волновода клистрона. В случае древовидной схемы мощность из каждого выхода клистрона делится с помощью 15 волноводных направленных ответвителей, каждый из которых рассчитан на переходное ослабление 3 дБ. В случае последовательной схемы мощность из каждого выхода клистрона направляется по последовательной цепочке волноводных направленных ответвителей. СВЧ мощность, ответвленная из каждого направленного ответвителя, направляется на вход устройства ввода мощности ускоряющего резонатора. Переходное ослабление каждого ответвителя выбрано так, чтобы СВЧ мощности питания всех ускоряющих резонаторов были равны в номинальном режиме. Первоначально регулировка уровня входной мощности каждого резонатора в рассматриваемых схемах не планировалась, и ускоряющий градиент во всех резонаторах должен был бьггь одинаковым.

Последовательная схема распределения мощности лучше согласуется с геометрией тоннеля и обеспечивает меньшие потери, чем в древовидной системе распределения, поскольку длинные параллельные волноводы в этом случае не используются. Подобная система питания уже работает в системе СВЧ питания сверхпроводящего ускорителя HERA (DESY). Она также успешно протестирована в установке TTF (TESLA Test

Facility) [6]. Данная система питания резонаторов включает также ферритовые циркуляторы, нагрузки, устройства ввода мощности, коаксиально-волноводные устройства, ответвляющие часть мощности для систем контроля и управления, элементы волноводного тракта различной формы: волноводы, волноводные повороты, гофрированные волноводы. В качестве согласователя используется трехшлейфовый трансформатор.

Для проекта TESLA существует также другой вариант последовательной системы СВЧ питания ускоряющих резонаторов, соответствующий другой ускоряющей системе и другой конструкции криомодуля. В данном варианте в каждом криомодуле установлено шесть ускоряющих суперструктур, обеспечивающих тот же прирост энергии, что и 18 девятиячеечных резонаторов.

Коллайдер должен иметь систему распределения СВЧ мощности на основе устройств, выполненных на базе алюминиевых прямоугольных волноводов WR 770 (165,11x82,55 мм2). В этом случае только 4% мощности, генерируемой клистроном, теряется в волноводах, и 2% мощности теряется в циркуляторах.

Как показал опыт работы TTF [6] максимальный ускоряющий градиент, который достигается в сверхпроводящих резонаторах, не одинаков из-за особенностей технологии изготовления и различается от экземпляра к экземпляру. Это значение определяется в процессе тестов на высоком уровне мощности. При наладке всей ускоряющей системы мощность питания каждого ускоряющего резонатора должна соответствовать его максимальному ускоряющему градиенту. Это накладывает дополнительное требование на систему СВЧ питания ускоряющей системы, а именно, направленные ответвители должны быть регулируемыми в пределах ±1 дБ относительно своих номинальных значений.

Возможная флюктуация фазы ускоряющего поля в резонаторе должна компенсироваться волноводным трансформатором согласователем), установленным между резонатором и циркулятором. Требование фазовой стабильности определяется максимальным допустимым разбросом энергии в пучке. Принято, что система СВЧ питания должна обеспечить возможность регулировки фазы ускоряющего поля в каждом резонаторе в пределах ±50°.

Кроме этого возможные регулировки мощности СВЧ питания резонатора или тока ускоренного пучка при фиксированной величине внешней добротности резонатора приводят к появлению отражения СВЧ мощности от устройства ввода мощности. Это отражение должно быть скомпенсировано в системе СВЧ питания. Принято, что система СВЧ питания должна обеспечивать возможность согласования сопротивлений от Zb/З до 3Zb, где ZB - волновое сопротивление питающего волновода.

Диссертационная работа посвящена разработке элементов системы СВЧ питания, обеспечивающих выполнение этих трех функций, а именно, регулировку уровня мощности СВЧ питания, регулировку фазы ускоряющего поля и согласование входа каждого резонатора.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:

1. Схема СВЧ питания сверхпроводящих ускоряющих резонаторов линейного коллайдера TESLA, содержащая ряд последовательно соединенных регулируемых направленных ответвителей для установки оптимального значения уровня мощности, подводимой к каждому резонатору, и ЕН-согласователи для регулирования фазы и коэффициента связи подводящего СВЧ тракта с резонаторами. Указанные устройства предназначены для заменены существующих нерегулируемых направленных ответвителей и ненадежных при работе трехшлейфовых трансформаторов без изменения конфигурации СВЧ тракта коллайдера.

2. Результаты разработки, создания и исследования ЕН-согласователя, выполненного на базе двойного волноводного тройника и подвижных короткозамыкающих поршней с автоматическим компьютерным управлением, позволяющего реализовать любое значение элементов матрицы рассеяния s или любое значение внешней добротности ускоряющего резонатора и регулировать фазу поля в резонаторе в диапазоне от 0 до 360 градусов.

3. Конструкция регулируемых волноводных направленных ответвителей со связью по узкой стенке волноводов и с подвижными поршнями, расположенными в дополнительных волноводах, присоединенных к узким стенкам волноводов ответвителей, обеспечивающих распределение СВЧ мощности генератора между ускоряющими резонаторами модуля и регулирование мощности питания каждого резонатора с целью достижения его предельного ускоряющего поля.

4. Конструкция и результаты расчета трех вариантов дроссельного короткозамыкающего поршня для ЕН-согласователя волновода

-у сечением 165,1x82,55 мм , а так же конструкция и результаты расчета двух вариантов подвижных поршней для регулируемых направленных ответвителей, обеспечивающих работу на высоком уровне мощности без ухудшения электрической прочности волновода.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Завадцев, Дмитрий Александрович

3.6 Выводы

В результате выполненной работы был исследован широкий ряд направленных ответвителей с волноводными, коаксиальными и полосковыми линиями.

Среди рассмотренных конструкций регулируемых волноводных направленных ответвителей с емкостными и индуктивными, цилиндрическими и прямоугольными, дроссельными и мембранными поршнями был сделан следующий выбор. Для регулируемых волноводных направленных ответвителей с коэффициентами переходного отслаблениия от 3 до 12,6 дБ рабочим вариантом является ответвитель с индуктивными мембранными поршнями, повернутыми на 90°.

Волноводно-коаксиальный ответвитель на 70 дБ выполнен на базе полосковой линии, связанной с волноводом через круглое отверстие связи в центре широкой стенки волновода и с коаксиальной линией через коаксиально-полосковый переход.

Направленный ответвитель на 3 дБ для фазового детектора выполнен на базе полоскового моста с замкнутой прямоугольной полосковой линией и четырьмя плечами.

Все выбранные и разработанные конструкции обладают требуемыми параметрами и могут быть успешно применены в системе СВЧ питания ускоряющей системы линейного коллайдера TESLA.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами проведенных исследований являются:

1. Предложена схема СВЧ питания сверхпроводящих ускоряющих резонаторов линейного коллайдера TESLA, содержащая ряд последовательно соединенных регулируемых направленных ответвителей для установки оптимального значения уровня мощности, подводимой к каждому резонатору, и ЕН согласователи для регулирования фазы и коэффициента связи подводящего СВЧ тракта с резонаторами. Указанные устройства предназначены для заменены существующие нерегулируемые направленные ответвители и ненадежные при работе трехшлейфовые трансформаторы без изменения конфигурации СВЧ тракта коллайдера.

2. Предложена и разработана конструкция ЕН-согласователя, выполненного на базе двойного волноводного моста и подвижных короткозамыкающих плунжеров с автоматическим компьютерным управлением. Созданный ЕН-согласователь рассчитан на частоту 1,ЗГТц и позволяет в автоматическом режиме реализовать практически любое значение коэффициента передачи Si2 или любое значение внешней добротности ускоряющего резонатора и регулировать фазу поля в резонаторе в диапазоне от 0 до 360 градусов,

3. Предложена и разработана для ЕН-согласователя конструкция трех вариантов подвижных короткозамыкателей дроссельного типа на базе волновода прямоугольного сечения 165.1x82.55 мм. Особое внимание при выборе конструкции уделено созданию условий получения в любом сечении плунжера величины напряженности электрического поля не больше максимального значения в подводящем волноводе. В качестве рабочего варианта выбрано устройство, предназначенное для работы при импульсной мощности 1 МВт и с коэффициентом перенапряжения не выше 0,65, с коэффициентом потерь за пределами плунжера -45 дБ.

4. Проведены исследования возможности создания регулируемых Ф направленных ответвителей на 3 и 12.5 дБ при коэффициенте

124 направленности не хуже 25 дБ во всем диапазоне регулировки. Исследованы с использованием трехмерных программ и на экспериментальных макетах две схемы со связью по узкой стенке прямоугольных волноводов: с подвижными короткозамыкателями дроссельного типа, размещенными со стороны широких стенок волноводов, а так же и со стороны узких стенок волноводов напротив отверстий связи. Выбор сделан в пользу второго варианта, обеспечивающего лучшие регулировочные характеристики.

5. Предложена и разработана конструкция регулируемых волноводных направленных ответвителей со связью по узкой стенке волноводов и с подвижными плунжерами, расположенными в дополнительных волноводах, присоединенных к узким стенкам волноводов ответвителей, обеспечивающих распределение СВЧ мощности генератора между ускоряющими резонаторами модуля и регулирование мощности питания каждого резонатора с целью достижения его предельного ускоряющего поля. Впервые получены значения переходного ослабления 3±1дБ и 12.5±1 дБ при коэффициенте направленности не хуже 37 и 28 дБ во всем диапазоне регулировки соответственно. Конструкция ответвителей выполнена максимально компактно (габаритные размеры 500x400 мм) и уменьшением электрической прочности не белее чем на 25%.

6. Для регулируемых направленных ответвителей разработано два варианта подвижных короткозамыкателей дроссельного типа, размещенных в прямоугольных волноводах с сечением 276x82.55мм. Рассмотрены условия создания возможности эффективного короткого замыкания и высокой электрической прочности при учете существования в волноводах как волны типа Ню , так и волны типа Н20

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Завадцев, Дмитрий Александрович, 2003 год

1. "JLC Design Study", KEK Report 97-1, 1997.2. "Design Issues of TeV Linear Colliders", J.-P. Delahaye, Proc. of European Conference on Particle Accelerators, (EPAC'98), 1998.

2. R. Brinkmann, G. Materlik, J. Rossbach, A. Wagner, "Conceptual Design of a 500 GeV e+e- Linear Collider with Integrated X-ray Laser Facility", DESY 1997-048, ECFA 1997-182, vol.16. "TESLA Technical Design report", DESY 2001-011, March 2001

3. B. Aune et al., "Superconducting TESLA Cavities", Physical Review Special Topics Accelerators and Beams, v. 3, 092001, 2000.

4. W. Singer, I. Gonin, I. Jelezov, H. Kaiser, T. Khabibuline, P. Kneisel, K. Saito, X. Singer, "Hydro Forming of TESLA Cavities at DESY", Proc. 7 th EPAC, Vienna 2000.

5. B. Dwersteg, D. Kostin, M. Lalayan, C. Martens, W.-D., "TESLA RF Power Couplers Development at DESY"

6. S. Chel et al., "Coaxial Disc Windows for a High Power Superconducting Cavity Input Coupler", Proc. 18 th Particle Accelerator Conf., New York1999, p. 916.

7. J. Sekutowicz, M. Ferrario, Ch. Tang, "Superconducting superstructure for the TESLA collider: A concept", Physical Review Special Topics — Accelerators and Beams, v. 2, 062001, 1999.

8. N. Baboi, R. Brinkmann, M. Liepe and J. Sekutowicz, "HOM Damping Requirements for the TESLA Superstructures", Proc. 7 th EPAC, Vienna2000, p. 2016.

9. Б.В. Зверев, Н.П. Собенин, Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов, М:Энергоатомиздат, 1993.

10. A. Beunas, G. Faillon, 10 MW/1.5 ms, "L-band Multi-beam Klystron", Proc. Conf. Displays and Vacuum Electronics, Garmisch-Partenkirchen, Germany, April 29-30 1998.

11. C. Bearzatto, M. Bres, G. Faillon, "Advantages of Multiple Beam Klystrons", ITG Garmisch-Partenkirchen, May 4 to 5, 1992.

12. A. Beunas, G. Faillon, S. Choroba, A. Gamp, "A High Efficiency Long Pulse MultiBeam Klystron for the TESLA Linear Collider", DESY TESLA-01-01,2001.

13. V/Katalev IHEP? Protvino; S.Choroba DESY, "Hamburg. RF power distributing waveguide systems for TESLA". XVIII конференция no ускорителям заряженных частиц, RUPAC-2002, Обнинск, октябрь 2002г.

14. О.С. Милованов, Н.П. Собенин, "Техника сверхвысоких частот", М:Атомиздат, 1980.

15. V. Veshcherevich and S. Belomestnykh, "Correction of the coupling of CESR RF cavities to klystrons using three-post waveguide transformers", SRF 020220-02

16. B. Dwersteg, Q. Yufang. "High RF Power Waveguide Transformer". Report DESY-M-89-08, 1989.

17. C. Chen. "Matrix Model of the Waveguide Transformer". Cornell LNS Report SRF 010219-02, 2001.

18. B. Dwersteg. "SC-Cavity Operation via WG-Transformer". In: Proceedings of the 4th Workshop on RF Superconductivity, Vol. II, pp. 593-604. KEK Report 89-21, 1989.

19. Raymond M Vaillancourt. "Errors in Magic-Tee phase changer", IEEE microwave and guide wave letters. Vol.3, no.5, p.204-207, may 1993.

20. О. Зенкевич, К. Морган, "Конечные элементы и аппроксимация", Издательство Кембриджского Университета. М.: Мир, 1986.

21. M. A. Rahman и J. В. Davies, "Penalty Function Improvement of Waveguide Solution by Finite Elements", EEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-32, p. 922-928. 1984.

22. M. Hano, "Finite-Element Analysis of Dielectric-Loaded Waveguides", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-32, p. 1275-1279, 1984.

23. М.А.Егоров, В.М.Волков, Д.А.Завадцев, В.И.Каминский, Н.П.Собенин "Согласующие устройства на основе двойного волноводного тройника для высокочастотного тракта TESLA", Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр. 145-146, 2002г.

24. Tomas Sieverding, Fritz Arndt, "Modal analysis of magic tee", IEEE microwave letters vol.3, no.5, p. 150-152, may 1993.

25. W.K.Kahn. "E-plane forked hibrid-T junction", IRE Transaction-microwave theary and techniques, p.52-58, december.

26. ANSOFT HFSS 3D EM simulation software, www.ansoft.com

27. Егоров М. А., Иванов JI. О., Малькевич Д. Б., Ратников Е. В. "Коаксиально-волноводные адаптеры", Научная сессия МИФИ-2002, Сборник научных трудов, т. 7, 153-148 е., 2002.38. www.ni.com

28. В.М.Волков, Д.А.Завадцев, М.В.Лалаян, В.И.Каминский, Н.П.Собенин, "Экспериментальное исследование согласователя импедансов линейного коллайдера TESLA", Научная сессия МИФИ-2003, Сборник научных трудов, т. 7, 118-119 е., 2003г.

29. Альтман Дж., "Устройства СВЧ", перевод с англ., изд. Мир, М., 1968

30. Коган H.JI., Машковцев Б.М., Цибизов К.Н., "Сложные волноводные системы", JL, Судпромгиз, 1963

31. F. Richard, J. R. Schneider, D Trines, A. Wagner, "TESLA Technical Design Report", DESY 2001-011.

32. А.А.Завадцев, Д.А.Завадцев, В.И.Каминский, Н.П.Собенин, "Расчет характеристик направленных ответвителей для мощных ВЧ трактов ускорителей", Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр.110-111, 2001г.

33. М.А.Егоров, Д.А.Завадцев, А.А.Сладков, В.И.Каминский, В.В.Яненко, Н.П.Собенин, "Регулируемые направленные ответвители", Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр. 147-148, 2002г.

34. CST Microwave Studio™. CST GmbH, Darmstadt, Germany.

35. M.A.Egorov, D.A.Zavadtsev, V.I.Kaminsky, N.P.Sobenin, A.A.Zavadtsev, "Characteristics Calculation of Directional Coupler for Accelerator High-Power Feedes", Proc. of the 17-th Particle Accelerator Conference, Alushta, Ukrain/2001.

36. В.М.Волков, Д.А.Завадцев, Б.В.Зверев, В.И.Каминский, М.В.Лалаян, А.А.Сладков, Н.П.Собенин, "Экспериментальное исследование моделей регулируемых направленных ответвителей", Научная сессия МИФИ-2003, Сборник научных трудов, т. 7, 120-121 е., 2003г.

37. А.А. Завадцев, Д.А.Завадцев, А.И.Фадин, Н.П.Собенин, "Проект промышленного ускорителя электронов на 10 МэВ с большой средней мощностью пучка", Труды 17 Совещания по ускорителям заряженных частиц, 2000,стр.95-97.

38. А.А.Завадцев, Д.А.Завадцев, "Система автоматической подстройки частоты", Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр. 159-161, 2002г

39. Дж.К.Саусворт, "Принципы и применения волноводной передачи", "Советское радио" М. 1955г.