Методика и устройства для определения диэлектрической проницаемости материалов, используемых в электрофизических установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Сулимов, Алексей Александрович

• Сулимов, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сулимов, Алексей Александрович

Введение

Глава 1. Методика измерений комплексной диэлектрической проницаемости на СВЧ.

1.1. Анализ способов измерений для различных значений комплексной диэлектрической постоянной.

1.2. Применение компьютерного моделирования.

1.2.1. Исследования на волне Е0ю в цилиндрическом резонаторе.

1.2.2. Исследования на волне Е0ю в коаксиальном резонаторе.

1.3. Оценка погрешности методики определения КДП.

1.3.1. Оценка погрешности измерений.

1.3.2. Оценка погрешности программного моделирования.

1.4. Реализация метода измерения комплексной диэлектрической проницаемости для образцов произвольной геометрической формы.

1.5. Апробация предложенной методики в 8-частотном диапазоне.

1.5.1. Расчет и измерения на колебаниях вида Е0ю.

1.5.2. Расчет и измерения на колебаниях вида Ноц.

1.6. Выводы.

Глава 2. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости керамических окон для узла ввода мощности коллайдера ТЕБЬА.

2.1. Актуальность проведения работ.

2.2. Оптимизация размеров цилиндрического резонатора.

2.3. Учет формы образца и металлизации торцевых пазов.

2.4. Выбор конструкций устройств измерения.

2.4.1. Резонатор с дроссельным сочленением.

2.4.2. Резонатор с запредельным волноводом.

2.4.3. Экспериментальные испытания.

2.5. Разработка устройства отбраковки керамических окон в условиях вакуума при температуре 70 К.

2.5.1. Влияние размеров центрирующих канавок на характеристики резонатора.

2.5.2. Влияние температуры на характеристики резонатора.

2.5.3. Влияние размеров образцов на точность измерения.

2.5.4. Экспериментальные исследования.

2.6. Исследование керамического окна с металлическими кольцами.

2.6.1. Измерения в Б-частотном диапазоне.

2.6.2. Измерения в Ь-частотном диапазоне.

2.6.3. Результаты исследований.

2.7. Выводы.

Глава 3. Измерение комплексной диэлектрической постоянной образцов сложной формы с малыми потерями в широком диапазоне относительной диэлектрической проницаемости.

3.1. Измерение характеристик бериллиевых керамик с

8 = 50-70.

3.1.1. Устройства измерения в различных диапазонах частот.

3.1.2. Экспериментальные данные.

3.1.3. Результаты компьютерного моделирования.

3.1.4. Влияние геометрических размеров образцов на точность определения относительной диэлектрической проницаемости.

3.1.5. Измерение и расчет тангенса угла диэлектрических потерь.

3.2. Измерение характеристик вспененных пластиков с

8 <1.1.

3.2.1. Анализ возможности двухмерного решения задачи.

3.2.2. Расчет геометрий образцов и типов волн, не обладающих азимутальной симметрией.

3.2.3. Оценка волноводных методов измерения на частоте

3.0 ГГц.

3.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика и устройства для определения диэлектрической проницаемости материалов, используемых в электрофизических установках»

Ускорители заряженных частиц (УЗЧ) являются в настоящее время не только основным средством исследований в области фундаментальных свойств материи, физики элементарных частиц и атомного ядра, но и находят широкое применение в промышленности, медицине и других сферах деятельности человека.

Развитие научной деятельности, как в фундаментальном, так и в прикладном направлении, стимулирует потребность в пучках заряженных частиц на все большую энергию. Для их получения разрабатываются проекты таких УЗЧ - коллайдеров, как Large Hadron Collider (LHC) [1] на 7 ТэВ, TeV Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA) [2-8] на 0.5-0.8ТэВ, Japan Linear Collider / Next Linear Collider (JLC/NLC) [9-10] на 0.5-1.0ТэВ, Compact Linear Collider (CLIC) [11] до ЗТэВ и т. д. Реализация таких проектов требует больших капиталовложений, и поэтому она осуществляется совместными усилиями многих стран мира. Для получения финансирования на строительство УЗЧ необходима минимизация затрат на его элементы и материалы, которые в свою очередь должны удовлетворять поставленным техническим и эксплуатационным задачам.

Работы над проектами создания коллайдеров [12, 13] ведутся в нескольких направлениях, в том числе конструктивно-техническом -нахождение оптимальных характеристик узлов вакуумной откачки, СВЧ питания, транспортировки и ускорения пучков заряженных частиц. Здесь одной из доминирующих является проблема выбора материалов: сверхпроводящих металлов, газов и жидкостей для систем питания и охлаждения магнитов и ускоряющих структур, а также изолирующих диэлектриков.

Вопрос диагностики характеристик и качества изолирующих материалов наиболее остро стоит при создании систем питания и передачи мощности через СВЧ тракты в элементы коллайдеров [14-20]. На сегодняшний день наиболее распространенными материалами для использования в качестве СВЧ окон трансформаторов типа волны и линий передач высокой энергии на СВЧ являются алюминиевые и бериллиевые керамики [21-29].

Наряду с изолирующими характеристиками и предельным напряжением, которые могут выдерживать такие диэлектрики, необходимо для каждого материала знать комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП).

Проблема разработки методики и создание экспериментальной установки для определения диэлектрических характеристик цилиндрических керамических окон в условиях их серийного производства возникла в связи с созданием коаксиальных и волноводных вводов мощности для сверхпроводящих резонаторов линейного электрон-позитронного коллайдера ТЕБЬА [14, 15, 18, 19], который создается в научном ускорительном центре ОЕБУ (Гамбург, Германия).

Поскольку СВЧ окна, используемые в узлах ввода мощности коллайдеров, работают не только при комнатной температуре, но и при температуре жидкого азота, важно определить диэлектрическую постоянную и тангенс угла потерь при этих условиях.

Подавляющее большинство современных методов измерения диэлектрических характеристик изолирующих материалов [30 - 46] позволяет проводить анализ только над образцами простейшей геометрической конфигурации (цилиндр, сфера или призма). Причем для упрощения вычислений часто требуется, чтобы диэлектрик заполнял измерительный объем полностью либо по длине, либо по поперечному сечению (для малых величин е материала) или размеры образца были малы по сравнению с габаритами установки (для больших значений в). Такие требования не всегда можно удовлетворить. Это связано в основном с тем, что уже изготовленный образец сложной геометрической формы нельзя подвергать дальнейшей механической обработке, после которой восстановить его нельзя. Именно такие случаи послужили поводом для создания новой методики измерения комплексной диэлектрической проницаемости.

Хотя предполагаемый диапазон измерения относительной диэлектрической проницаемости алюминиевых керамик невелик (е=8-П0), в элементах электрофизических установок применяются различные материалы, 8 которых имеет значительные отклонения от этой величины. В связи с этим методика определения КДП должна быть универсальна и удовлетворять потребностям диагностики материалов как для 8 менее 1.1, так и для больших значений относительной диэлектрической постоянной до 100.

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

1. Методика определения комплексной диэлектрической проницаемости для образцов сложной геометрической формы, основанная на использовании результатов резонансных измерений и компьютерного моделирования.

2. Результаты апробации разработанной методики в Б- частотном диапазоне на колебаниях Е и Н для образцов с известными характеристиками. Сравнение этих данных с аналитическим расчетом.

3. Результаты и данные экспериментальных исследований конструктивных решений устройств отбраковки в условиях серийного производства керамических окон для узлов ввода мощности линейного сверхпроводящего коллайдера ТЕБЬА.

4. Разработанные конструкции и создание серии устройств измерения комплексной диэлектрической проницаемости как при нормальных условиях, так и под вакуумом при температуре жидкого азота для линейного коллайдера ТЕБЬА.

5. Данные измерений комплексной диэлектрической проницаемости материалов с 8 менее 1.1. Сравнительный анализ волноводного и резонансного метода измерения диэлектриков.

6. Результаты измерений для материалов с большой величиной относительной диэлектрической проницаемости (е=15ч-70) в устройствах на частотах 1-5 ГГц

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Сулимов, Алексей Александрович

Основные результаты и положения диссертации содержатся в 10-ти опубликованных работах [55-64] и были представлены на российских и международных конференциях, в частности:

Совещание по ускорителям заряженных частиц, Протвино (XVII - 2000)

Научная Сессия МИФИ (МИФИ-2000, МИФИ-2001, МИФИ-2002, МИФИ-2003)

VII Научная конференция молодых ученых и специалистов, Дубна, 2003

Совещания TESLA Collaboration (DESY, Гамбург)

Заключение

Проведённые при выполнении работы исследования были направлены на разработку методики и устройств для определения КДП материалов, используемых в ЭФУ. В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Развита методика определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов для образцов сложной геометрической формы, особенностью которой является широкое использование современных средств компьютерного моделирования. Измерения проводились резонансным способом на различных видах колебаний.

2. С целью выбора оптимального вида колебаний проведены расчеты и экспериментальные исследования цилиндрических резонаторов на колебаниях Еою, Eon, Н011 для образцов в диапазоне изменения диэлектрической постоянной е от 1.05 до 70 с малыми потерями tg5 = 10"4.

3. Разработаны устройства измерения КДП в резонаторах с дроссельным сочленением съемной крышки и с запредельным волноводом, через открытый конец которого вводится исследуемый образец. На основе анализа функций чувствительности диэлектрической постоянной к частоте и тангенса угла потерь к добротности выбор остановлен на втором варианте устройства. Изготовлены и апробированы оба типа устройств на частотах от 1.3 ГГц до 4.6 ГГц.

4. Проведен сравнительный анализ результатов эксперимента со справочными данными на примере фторопластовых образцов с хорошо известными значением КДП. Результаты измерений позволили получить значение относительной диэлектрической постоянной с погрешностью 1.5% и тангенса угла диэлектрических потерь - с погрешностью 12%.

5. Рассчитаны и изготовлены устройства отбраковки керамических окон для узлов ввода мощности линейного сверхпроводящего коллайдера TESLA, предназначенные для работы в условиях серийных измерений. Устройства позволяют проводить определение комплексной диэлектрической проницаемости, как при нормальных условиях, так и при температуре жидкого азота в условиях вакуума. Изготовлена партия из 5 резонаторов.

6. Для материалов с величиной относительной диэлектрической проницаемости до 70 и с тангенсом угла потерь порядка 10"4 были рассчитаны и изготовлены устройства измерения на частоте 4.6 ГГц. Проведены измерения указанных образцов с погрешностью 1.7% для 8 и 50% для тангенса угла диэлектрических потерь.

7. Рассчитаны и изготовлены устройства измерения для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов с 8 менее 1.1. Проведены исследования образцов листовой формы с погрешностью определения относительной диэлектрической проницаемости менее 1%.

8. Приведен сравнительный анализ волноводного и резонансного метода измерения характеристик диэлектриков. Сделана оценка влияния центрирования образцов на результаты эксперимента.

Полученные в ходе выполнения работы устройства и результаты используются при разработке проекта линейного коллайдера TESLA, СВЧ антенн КБ «Лира» и в радиоэлектронных элементах МИРЭА РАН.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сулимов, Алексей Александрович, 2003 год

1. The Large Hadron Collider Project (General 1.formation), http://lhc.web.cern.ch/llic/general/geninfo.htm

2. The Superconducting Electron-Positron Linear Collider with an integrated X-Ray Laser Laboratory Technical Design Report, TESLA Report 2001-23, DESY 2001-011, March 2001.

3. 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.1

4. R. Brinkmann, Linear Collider Projects at DESY, Proc. of EPAC-98, pp. 53-57, Stockholm, Sweden, 1998.

5. 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.

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

7. The Superconducting Electron-Positron Linear Collider with an integrated X-Ray Laser Laboratory Technical Design Report , TESLA Report 2001 -23, DESY 2001 -011, March 2001.

8. TESLA. The superconducting electron-positron linear collider with an integrated X-ray laser laboratory. Technical Design Report. Part II. The accelerator. TESLA Collaboration, DESY, Hamburg, TESLA 2001-23, 2001

9. JLC Design Study, KEK Report 97-1, 1997.

10. J.-P. Delahaye, The CLIC Study of a Multi-TeV e± Linear Collider, Proc. of the 1999 PAC, NY, 1999.

11. International Linear Collider Technical Review Commitee Report , Eds. G.A. Loew, T. Weiland, Stanford, 1995.

12. J.-P. Delahaye, Design Issues of TeV Linear Colliders , Proc. of European Conference on Particle Accelerators, (EPAC'98), 1998.

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

14. 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.

15. A.N. Parfenov, N.P. Sobenin, B.V. Zverev, Analytical Calculation of a Coupler for the Linear Collider Accelerating Section , 18-th International Linac Conference (LINAC'96), v. 2, pp. 2022-2024.

16. E.N. Schmierer, R.E. Lujan, B.Rusnak, B.Smith, W.B. Haynes, C. Gautier, J.F. Waynert, F. Krawczyk, J. Gioia, Development of the SCRF Power Coupler for the APT Accelerator, Proceedings of the 1999 PAC, NY, 1999, pp. 977-979

17. M. Dohlus, S. Wipf, Numerical investigations of waveguide input couplers for the TESLA superstructure , Proceedings of EPAC, 2000, Vienna, Austria, pp. 2096-2099.

18. B. Dwersteg, D. Kostin, M. Lalayan, C. Martens, W.-D. Moeller, TESLA RF Power Couplers Development at DESY, TESLA Report DESY-01-11, 2001.

19. P. Lepercq, L. Grandsire, R. Panvier, T. Garvey, Design and Low Power Tests of an Input Coupler, LAL-pre-print, LAL/RT 02-16, December 2002.

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

21. Т. Powers, P. Kneisel, M. Vaidya, Photoemission Phenomena on CEBAF RF Windows at Cryogenic Temperatures, РАС, 1993, pp. 1010-1012

22. S. Kazakov RF Window with TW in Ceramics. Int. Workshop on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders (RF93), July 5-9, 1993, Dubna-Protvino, Russia, BINP, 1993

23. O.N. Alyakrmsky, V.A. Dolgashev, A.N. Lukin, V.D. Shemelin, Development of Overmode RF Window Using Multimode Matrix Formalism, Seventh International Workshop on Linear Colliders (LC97). Sept.29-Okt.3,1997, Zvenigorod, Russia

24. S. Kazakov, A Powerful RF Window with a Low Electric Field in Ceramic-Metal Brazing Area, KEK Preprint 98-120, August 1998.

25. T. Schultheiss, V. Christina, M. Cole, J. Rathke, T. Elliott, V. Nguyen, L. Phillips, J. Preble, A High Thermal Conductivity Waveguide Window for Use in a Free Electron Laser, Proceedings of the 1999 РАС, NY, 1999, pp.780-782

26. S. Chel, M. Desmons, C. Travier, T. Garvey, P. Lepercq, R. Panvier, Coaxial Disc Windows for a High Power Superconducting Cavity Input Coupler, Proceedings of the 1999 РАС, NY, 1999, pp.916-918

27. M. Cole, J. Rathke, T. Schultheiss, Development of High Power CW RF Windows, XX International Linac Conference, Monterey, California, 2000, pp. 989-991

28. S. Berg, D. Bromberek, G. Goeppner, A. Haase, J. Hoyt, W. Michalek, T.

29. Smith, Development of the Low Return Loss 340-Size Ceramic Windowjfor the APS Linac, 2 International Workshop on Mechanical Engineering Design of Synchrotron Radiation Equipment and Instrumentation, September 5-6, Argone, 2002, pp. 50-57

30. А.А. Брант, Исследование диэлектриков на СВЧ, издательство физико-математической литературы, М., 1963

31. M.N. Afsar, J.R. Birch and R.N. Clarke, The measurement of the properties of materials, Proc. IEEE, 74, pp. 183-199,1986

32. D.K. Ghodgaonkar, V.V. Varadan, V.K. Varadan, A free-space method for measurement of dielectric constants and loss tangents at microwave frequencies, IEEE Trans. Instrumentation and Measurement, Vol. 38, No. 3, pp.789-793, June 1989

33. Arthur Von Hippel, Dielectric Materials and Applications, Boston Artech House, 1995

34. M.D. Janezic, J.A. Jargon, Complex Permittivity Determination from Propagation Constant Measurements , Ieee Microwave and Guided Wave Letters, vol. 9, No. 2, February 1999

35. J. Krupka, K. Derzakowski, M. Tobar, J. Hartnett, R. G. Geyer, Complex Permitivity of Some Ultralow Loss Dielectric Crystals at Cryogenic Temperatures, Meas. Sci. Techol., 10, 1999

36. M. D. Janezic, J. A. Jargon, Complex Permittivity Determination from Propagation Constant Measurements, IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 9, No 2, Febr. 1999

37. T. Shimizu, Y. Kobayashi, 50 GHz Measurements of Temperature Dependence of Complex Permittivity Dielectric Plates by a Cut-Off Circular Waveguide Method , Third Topical Symposium on Millimeter Waves, March 5-6, 2001, pp. 163-166

38. T. Shimizu, Y. Kobayashi, Millimeter wave Measurements of some Low-Loss Dielectric Plates by a Novel Cut-Off Circular Waveguide Method, 32nd European Microwave Conference, Milan, 2002, pp.825-828

39. Т. Shimizu, Y. Kobayashi, Measured Results of Some Low-Loss Dielectric Plates by Cut-Off Circular Waveguide Method in Millimeter Wave Region, 4th Topical Symposium on Millimeter Waves, March 14-15, 2002, pp. 191-194

40. D.R. Smith, S schultz, P. Markos, C.M. Soukoulis, Determination of effective permittivity and permeability of materials from reflection and transmission coefficients, Physical Review B, volume 65, 195104, 2002

41. T. Shimizu, Z. Ma, Y. Kobayashi, Design of a Grooved Circular Cavity for Separating Degenerate ТЕ and TM Modes in Dielectric Substrate Measurements, Asia-Pacific Microwave Conference, 2002, pp. 1019-1022

42. M. С. Дмитриев, Б. В. Зверев, А. Д. Коляскин, Методика Измерений Диэлектрических Параметров Изделий Произвольной Формы , сборник трудов, Научная Сессия МИФИ-2002, том. 8, стр. 34-35

43. J. Baker-Jarvis, E.J. Vanzura, W.A. Kissick, Improved technique for determining complex permittivity with the transmission/reflection method, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 38 No. 8, 1096-1103, August 1990

44. M.G. Serban, D.D. Sandu, O. Rusu, Complex Permittivity Measurement in the Microwave Range by a Free Space Mathod, http://stoner.phvs.uaic.ro

45. R.A. Waldron, Perturbation theory of resonant cavities, Proc ГЕЕ, 107C, 272-4, 1960

46. K. Holbach, R.F. Holsinger, SUPERFISH Computer Programs for Evaluation of RF Cavities with Cylindrical Symmetry, Particle Accelerators, 1976, Vol. 7, pp. 213-222.

47. CSTMicrowave Studio™. CST GmbH, Darmstadt, Germany.

48. O.A. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С.Щедрин, Справочник по диафрагмированным волноводам , М., Атомиздат, 1977.

49. О.С. Милованов, Н.П. Собенин, Техника сверхвысоких частот , МАтомиздат, 1980.

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

51. Masao Nakamura, Theory of Field Strength Determination in RF Structures by perturbation Techniques , Japanese Journal of Applied Physics, v. 7, n. 2, 1968.

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

53. N.M. Kroll, Computer Determination of the External Q and Resonant Frequency of Waveguide Loaded Cavities, SLAC-PUB-5171, January 1990.

54. А.А. Сулимов, Н.П. Собенин, А.И. Фадин, А.А. Завадцев Разработка методики измерения параметров диэлектриков для вводов мощности в сверхпроводящие резонаторы линейного коллайдера TESLA, Сборник трудов научной сессии МИФИ. 2000, т. 7, стр.130-131

55. А.А. Завадцев, Н.П. Собенин, А.А. Сулимов, А.И. Фадин, А.Н. Ворновский Измерение параметров диэлектриков для вводов мощности в сверхпроводящие резонаторы линейного коллайдера TESLA, Приборы и техника эксперимента, 2000, #6, стр.53-56.

56. A.I. Fadin, N.P. Sobenin, A.A. Sulimov, A.A. Zavadtzev Method and measuring device for testing the permittivity and loss parameters of ceramic cylindrical TESLA coupler windows , TESLA-collaboration, 2001, TESLA 2001-39

57. A.H. Ворновский, Н.П. Собенин, А.А. Сулимов, А.И. Фадин, Определение параметров диэлектриков, Сборник трудов научной сессии МИФИ, том 13, стр. 102-103, 2001.

58. А.В. Бледных, Н.П. Собенин, А.А. Сулимов, А.И. Фадин Сравнение численных методов расчета на примере бипериодической ускоряющей структуры, Сборник трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр.155-156, 2002.

59. Д.В. Костин, И.С. Кузьмин, Н.П. Собенин, А.А. Сулимов, А.И. Фадин, Измерение диэлектрических параметров керамических окон при температуре жидкого азота, Сборник трудов научной сессии МИФИ, том 7, стр. 149-150, 2002.

60. А.А.Сулимов, Применение современных средств компьютерного моделирования для измерения комплексной диэлектрической проницаемости, Сборник трудов VII Научной конференции молодых ученых и специалистов, стр.361-364, Дубна, 2003.