Мультипакторный разряд в элементах и узлах линейных ускорителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Гусарова, Мария Александровна

• Гусарова, Мария Александровна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гусарова, Мария Александровна

Введение.

Глава 1. Мультипакторный разряд в устройствах сверхвысоких частот

1.1. Мультипакторный разряд между двумя металлическими поверхностями.

1.2. Мультипакторный разряд на поверхности металлов и диэлектриков.

1.3. Мультипакторный разряд в элементах и узлах СВЧ устройств и методы его подавления.

1.4. Методы и средства исследования мультипакторного разряда в СВЧ устройствах.

1.5. Выводы.

Глава 2. Разработка и тестирование программы расчета мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц

2.1. Методика расчета мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц.

2.2. Программа трехмерного расчета мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц.

2.3. Результаты тестирования программы расчета мультипакторного разряда.

2.3.1. Расчет мультипакторного разряда в зауженных прямоугольных волноводах.

2.3.2. Расчет мультипакторного разряда в эллиптических сверхпроводящих резонаторах ускорителя SNS.

2.4. Анализ электрической прочности четвертьволновых резонаторов ускорителя ISAC-II.

2.4.1. Расчет мультипакторного разряда в четвертьволновых резонаторах ускорителя ISAC-II.

2.4.2. Экспериментальные исследования четвертьволнового резонатора ускорителя ISAC-II.

2.4.3. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов.

2.5. Выводы.

Глава 3. Анализ электрической прочности "теплых' ускоряющих структур, предназначенных для использования в линейных ускорителях

3.1. Расчет мультипакторного разряда в бипереодических ускоряющих структурах.

3.1.1. Ускоряющая структура с ячейками связи на

3.1.2. Ускоряющая структура с шайбами и диафрагмами.

3.2. Расчет мультипакторного разряда в фото-инжекторе PITZ.

3.3. Выводы.

Глава 4. Анализ электрической прочности элементов и узлов инжектора ускорителя ERL

4.1. Общие сведения.

4.2. Расчет мультипакторного разряда в ускоряющих резонаторах ERL.

4.3. Расчет мультипакторного разряда в устройствах ввода мощности.

4.3.1. Коаксиальный ввод мощности.

4.3.1.1. Коаксиальный волновод "теплой" части ввода мощности.

4.3.1.2. Коаксиальный волновод "холодной" части ввода мощности.

4.3.1.3. Керамическое окно.

4.3.2. Прямоугольный ввод мощности.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мультипакторный разряд в элементах и узлах линейных ускорителей»

В настоящее время линейные ускорители широко применяются как в научных целях для исследования фундаментальных физических процессов и явлений, так и при решении конкретных прикладных задач промышленности, медицины и других областей народного хозяйства. При конструировании СВЧ устройств, используемых в ускорителях заряженных частиц, наряду со всеми характеристиками важно, чтобы устройства были свободны от мультипакторного разряда, возникновение которого в вакуумной области СВЧ устройства нарушает его нормальную работу. Возникновение мультипакторного разряда приводит к потерям СВЧ мощности, увеличению времени тренировки, нагреву структуры, а в некоторых случаях даже к пробою. Особую опасность мультипакторный разряд представляет для сверхпроводящих структур, так как может привести к квенчу, что является недопустимым.

Начиная с момента обнаружения мультипакторного разряда в 50-х годах прошлого столетия в вакуумных зазорах между металлическими поверхностями в мощных сверхвысокочастотных устройствах, используемых в линейных ускорителях, исследование мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц направлено на его подавление. Эмпирически найденные методы предотвращения плазменных микроволновых разрядов в вакуумных системах, как правило, сводились к снижению уровня плотности потока СВЧ энергии, падающей на диэлектрики. Для подавления микроволновых разрядов на поверхности металлов и диэлектриков применялись также внешние электрические и магнитные поля и/или специальные покрытия, с помощью которых удавалось в ряде случаев предотвращать возникновение разряда. Выполненные в этом направлении работы привели к определенным положительным результатам. Однако, несмотря на достигнутые успехи, проблема повышения электрической прочности диэлектриков и сложных металлодиэлектрических композитов в сильных СВЧ полях является актуальной и в настоящее время.

В связи с широким применением линейных ускорителей становится актуальной проблема быстрой и качественной оценки электрической прочности СВЧ устройств, используемых в ускорителях ещё на стадии проектировки устройства. Следует отметить, что проблема мультипакторного разряда касается не только линейных ускорителей электронов, а всех ускорителей заряженных частиц.

На основе анализа полученных в различных лабораториях мира различных методов расчета, обнаружения и подавления мультипакторного разряда в элементах и узлах СВЧ устройств ускорителей заряженных частиц разработан комплексный подход к решению проблемы выбора оптимальных конструкций СВЧ устройств, свободных от мультипакторного разряда. Создана программа численного моделирования мультипакторного разряда в. СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц и проведен ряд расчетов, результаты которого сопоставлены с экспериментальными данными. Рассмотрен мультипакторный разряд в СВЧ устройствах, работающих как в режиме бегущей волны (устройства ввода мощности), и в устройствах, работающих в режиме стоячей волны (резонаторы). Проведен расчет разработанных вводов мощности и предложены методы подавления мультипакторного разряда.

Диссертация посвящена исследованию мультипакторного разряда в элементах и узлах линейных ускорителей, разработке методики расчета мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц, а так же созданию программы, позволяющей в приемлемые сроки проводить анализ электрической прочности различных СВЧ устройств.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Созданная трехмерная программа расчета мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц в режимах стоячей и бегущей волн и с учетом внешнего магнитного поля.

2. Результаты расчетов и экспериментального исследования сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов ускорителей тяжелых ионов.

3. Результаты расчетов мультипакторного разряда в разработанных вводах мощности в сверхпроводящие ускоряющие резонаторы.

4. Результаты расчетов мультипакторного разряда в "теплых" и в сверхпроводящих резонаторах линейных ускорителей.

5. Результаты расчетов высокочастотного инжектора с учетом внешнего магнитного поля.

6. Результаты оптимизации конструкции прямоугольных вводов большой средней мощности.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Гусарова, Мария Александровна

Основные результаты и положения диссертации содержатся в 8-ти опубликованных работах [7Н78] и были представлены на российских и международных конференциях и журналах, в частности:

• XXIV International Linac Conference, LINAC08, Victoria, Canada, 2008;

• XX International Workshop on Charged Particle Accelerators, Alushta, Ukraine, 2007;

• XXI Российская конференция по ускорителям заряженных частиц, RuPAC-2008, Zvenigorod, Russia, 2008;

• Научная Сессия МИФИ (МИФИ - 2006, МИФИ - 2007, МИФИ - 2008, МИФИ - 2009);

Заключение

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Создана программа численного моделирования мультипакторного разряда в СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц, позволяющая исследовать аксиально-симметричные и аксиально-несимметричные структуры с различным заполнением в режимах стоячей и бегущей волн, а также с учетом внешнего магнитного поля.

2. Предложена новая универсальная методика расчета мультипакторного разряда в различных элементах и узлах СВЧ устройств ускорителей заряженных частиц. Универсальность методики позволяет использовать ее для анализа и оптимизации широкого класса устройств сложной (трехмерной) геометрии.

3. Проведено тестирование программы на таких хорошо изученных СВЧ устройствах ускорителей заряженных частиц, как зауженные волноводы, для которых возможен аналитический расчет мультипакторного разряда, экспериментально изученных эллиптических сверхпроводящих резонаторах ускорителя SNS и др.

4. Совместно Канадской Национальной Лабораторией Ядерной Физики TRIUMF проведены исследования мультипакторного разряда в резонаторах ускорителей тяжелых ионов - сверхпроводящих четвертьволновых ускоряющих резонаторов ускорителя ISAC II. Показано, что результаты расчета согласуются с результатами, полученными в ходе эксперимента.

5. Проведены расчеты мультипакторного разряда в "теплых" ускоряющих структурах, предназначенных для использования в линейных ускорителях электронов и протонов (БУС, УСШД). Предложены методы подавления в них мультипакторного разряда.

6. Проведены расчеты мультипакторного разряда в инжекторном резонаторе PITZ с использованием внешнего магнитного поля для предотвращения развития мультипакторного разряда.

7. Проведены исследования электрической прочности СВЧ узлов и элементов инжектора ускорителя с рекуперацией энергии ERL на среднюю передаваемую мощность 250 кВт. Предложена рассчитанная на эту мощность конструкция прямоугольного ввода мощности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гусарова, Мария Александровна, 2009 год

1. J.R.M. Vaughan, Multipactor, IEEE Trans. Electr. Dev., v. 35, No. 7, P. 1172-1180,1988.

2. A .J.Hatch and H.B.Williams, Mltipacting modes of high-frequency gaseous breakdown, Phys. Rev. 112, 681 (1958).

3. E.W.B.Gill and A.von Engel, Starting potentials of high-frequency gas discharges at low pressure, Proc. R. Soc. London, Ser. A 192, 446 (1948).

4. С.Браун, Элементарные процессы в плазме газового разряда, М.: Госатомиздат, 1961., (S. Brown, Basic Data of Plasma Physics (American Institute of Physics, New York, 1959, reprinted 1994), P. 202-221.

5. Фридрихов С.А., Мовнин C.M. Физические основы электронной техники: Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 19821- 608 с.

6. R.A.Kishek and Y.Y.Lau, "Multipactor Discharge on a> Dielectric", Phys. Rev. Vol. 80, Number 1. P. 193 -196, 1998.

7. В.'А.Иванов и др., Курс лекций "СВЧ (микроволны) волны в плазме (Физические основы применения СВЧ плазмы в технологии)", Science and Technology Center Plasmaiofan, 2000-2007, P.http://www.plasmaiofan.ru/edu/soderj.html.

8. И.Н. Сливков, Процессы при высоком напряжении в вакууме. М. Энергоатомиздат, 1986.

9. В.Е. Нечаев, А.Г. Сазонтов, Статистический анализ развития мультипакторного разряда на диэлектрических поверхностях, XV Научно-техническая конференция с участие зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника". Стр. 91-96, 2008.

10. Т. Garvey, The design and performance of CW and pulsed power couplers — a review, Physica C, Volume 441, Issue 1-2, P. 209-215.

11. M. Stirbet, I.E. Campisi, G.K. Davis et al., High Power RF Tests On Fundamental Power Couplers For The SNS Project, Proc. of the EPAC 2002, Paris, France. P. 2283, 2002.

12. H.P. Kindermann, М. Stirbet, The Variable Power Coupler For The LHC Superconducting Cavity, Proc. of the 9 th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, NM. P. 566-569, 1999.

13. P. Yla-Oijala and Marko Ukkola, Suppressing electron multipacting in TTF III cold window by DC bias, ШР-2000-27/ТЕСН, Helsinki Institute of Physics. P. 1-16, 2000.

14. Q.S. Shu, J.T. Susta, G.Cheng et al., High Power Coupler for the Tesla Superstructure Cavities, Proc. of the 2005 IEEE Particle Accelerator Conference (РАС 05), Knoxville, Tennessee. 21st IEEE Particle Accelerator Conference. P. 3141, 2005.

15. J. Lokiewicz, T. Fadina et al., Characteristics OF TiNanti-multipactor layers reached by titanium vapor depositionon alumina coupler windows, Proc. of the 11th Workshop on RF Superconductivity, SRF 2003, Luebeck/Travemuende, Germany, 8-12 Sept. 2003.

16. G. Wu , M. Stirbet, H. Wang, R. Rimmer, Multipacting Analysis For JLAB Ampere Class Cavities, Proc. of the 12th SRF Workshop, Cornell University, July 10,2005.

17. V. Shemelin, Generalized Phase Stability In Multipacting, Proc. of the 11th Workshop on RF Superconductivity, SRF 2003, 8.-12 Sept. 2003, Luebeck/Travemuende, Germany, SRF030904-17, 2003.

18. V. Shemelin, Multipacting In Crossed RF Fields Near Cavity Equator, Presented at the EPAC04, Lucerne, Switzerland, July 5-9, 2004.

19. R.L. Geng H. Padamsee, V. Shemelin et al., Testing the First 1300 MHz Reentrant Cavity, Presented at the Workshop of Pushing the Limits of RF Superconductivity, Argonne National Laboratory, September 22-24, 2004.

20. R.L. Geng, H. Padamsee, V. Shemelin et al., High Gradient Studies For ILC With Single-Cell RE-Entrant Shape And Elliptical Shape Cavities Made Of Fine-Grain And Large-Grain Niobium, Proc. of the PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA. P. 2337 2339, 2007.

21. V. Shemelin, Low Loss And High Gradient SC Cavities With Different Wall Slope Angles, Proc. of the PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, P. 2352, 2007.

22. N. Holtkamp, Status of the SNS linac: an overview, Proc. of the LINAC 2004, Liibeck, Germany, 2004.

23. G. Ciovati, P. Kneisel, J. Brawley et al., Superconducting Prototype Cavities For The Spallation Neutron Source (SNS) Project, Proc. of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, P. 484, 2001.

24. Joseph Ozelis, Test Results of {3<J Superconducting Elliptical Cavities: Experience and Lessons Learned, Proc. of the 12th International Workshop on RF Superconductivity, Ithaca, NY, 2005.

25. P. Yla-Oijala, D. Proch, MultiPac — Multipacting Simulation Package with 2D FEM Field Solver, Proc. of the Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001.

26. G. Devanz, Multipactor simulations in superconducting cavities and power couplers, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS ACCELERATORS AND BEAMS, VOLUME 4, 012001, 2001.

27. R. Parodi, P. Fernandes, TWTRAJ Users Guide, LAL SERA 90-224, 20-December 1990.

28. R.Ballantini, A.Chincarini, G.Gemme, R.Parodi, A.Podesta, TWTRAJ, a Computer Code for MP Simulation in Superconducting Cavities, Proc. of the Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001.

29. R. Ferraro et al., Guide to Multipacting/Field Emission Simulation Software, 6 th Edition, Cornell LNS Report SRF/D-961126/10, 1996.

30. W. Hartung, F. Krawczyk, H. Padamsee, Studies of Multipacting in Axisymmetric Cavities for Medium-Velocity Beams, Proc. of the Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001.

31. V. Ivanov, A. Guetz, G. Shussmann et al., Modeling Dark Current Problems with the Parallel Tracking Code ТгаскЗР, http://wwwgroup.slac.stanford.edu/acd/Codes.html.

32. J. DeFord et al., Proc. of the РАС 2003, Portland, OR. P. 3554-3556, 2003.

33. C. Nieter , P. H. Stoltz, J.R. Cary et al., VORPAL as a tool for three-dimensional simulations of multipacting in superconducting rf cavities, Proc. of the 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, 2005.

34. CST PARTICLE STUDIO, Overview, http://www.cst.com/Content/Products/PS/Overview.aspx

35. Н.В.Татаринова, Вакуумная Электроизоляция (Обзор), Вакуумная техника и технология, том 13, №1. Стр.3-29, 2003.

36. V. Baglin, Y. Bozhko, О. Grobner, В. Henrist, N. Hilleret , С. Scheuerlein, М. Taborelli, The secondary electron yield of technical material and its variation with surface treatments, Proc. of the EPAC 2000, Vienna, Austria. P. 217-221,2000.

37. C. Pagani, ThelNFN-LASA Experience in the Development of Elliptical Structures for High-Current Proton Linacs, Proc. of the HPSL 2005.

38. Robert E. Kirby, Artifacts in secondary electron emission yield measurements, SLAC-PUB-10541 JULY, 2004.

39. W. Hartung, F. Krawczyk, H. Padamsee, Studies Of Multipacting In Axisymmetric Cavities For Medium-Velocity Beams, Proc. of the 10th Workshop onRF Superconductivity. P. 627-631, 2001.

40. G. Ciovati, P. Kneisel, K. Davis, K. Macha, J. Mammosser, Superconducting Prototype Cavities For The Spallation Neutron Source (SNS) Project, Proc. of the EPAC 2002, P. 2247-2249, 2002.

41. V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal, R. Dawson et al., Development, Production And Tests Of Prototype Superconducting Cavities For The High Beta Section Of The ISAC-II Heavy Ion Accelerator At TRIUMF, Proc. of the RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, P.288, 2008.

42. R.A. Kishek, Y.Y. Lau, L.K. Ang, A. Valfells, R.M. Gilgenbach, "Multipactor discharge on metals and dielectrics: Historical review and recent theories", Physics of Plasmas, Volume 5, Issue 5. P. 2120-2126, 1998.

43. Nogle D.E., Knapp E.A., Knapp B.C., A coupler Resonator Model for Standing Wave Accelerator Tanks, Rev.Sci.Instrument, 1967, vol.38, №3. P. 1583-1587.

44. N.P.Sobenin, B.V.Zverev, Electrodynamic Characteristics of Accelerating Cavities, Gordon and Breach Science Publishers S.A. P. 290 1999.

45. О.А.Вальднер, Н.П.Собенин, Б.В.Зверев, И.С.Щедрин, Диафрагмированные волноводы, справочник, издание III, переработанное, Энергоатомиздат. Стр. 280, 1991.

46. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, 01.04.20 Компенсированные электродинамические структуры для ускорителей заряженных частиц.

47. Б.П.Мурин, и др., Линейные ускорители ионов, Энергоатомиздат, М.: 1978 г.,т. 1,2.

48. S.K.Esin, L.V.Kravchuk, V.V.Paramonov, G.V.Romanov. The Disk and Washer Accelerating Structure for Moscow Meson Factory, of 1988 Lin. Acc. Conf./USA: Newport News, Virginia. P. 657, 1989.

49. V. Paramonov, S. Tarasov, The possibility of multipactor discharge in coupling cells of coupled-cells accelerating structures, 1998 Linac Conference, Chicago, 1998.

50. F. Stephan, D. Kramer, I. Will et al., Photo Injector Test Facility under Construction at DESY Zeuthen, Proc. of the FEL2000 Durham, August, 2000.

51. Jang-Hui Han, Klaus Flottmann, Single-side electron multipacting at the photocathode in rf guns, Phys. Rev. ST Accel. Beams 11, 013501 (2008), 2008.52. http://erl.chess.cornell.edu/

52. V. Bazarov, D.H. Bilderback, S.M. Gruner, H.S. Padamsee, et al., The Energy Recovery Linac (ERL) as a Driver for X-ray Producing Insertion Devices, Proc. of the 2001 Particle Accelerator Conference, 2001.

53. C. Sinclair et al., Phase I Energy Recovery Linac at Cornell University, Proc. of the EPAC 2002, Paris, France. P. 644, 2002.

54. G. Hoffstaetter, В. Barstow, I. Bazarov, S. Belomestnykh, H. Padamsee at al., The Cornell ERL Prototype Project, Proc. of the 2003 Particle Accelerator Conference, IEEE 0-7803-7739-9 (2003). P. 192, 2003.

55. H. Padamsee, I.V. Bazarov, S.A Belomenstnyh, V. Shemelin, et al., Overview of the ERL Injector Cryomodule, Proc. of the 2003 Particle Accelerator Conference, Liibeck, Germany, IEEE 0-7803-7739-9 (Sept 2003). P. 1317, 2003.

56. I.V. Bazarov, C.K. Sinclair, High Brightness, High Current Injector Design for the Cornell ERL Prototype, Proc. of РАС'03. P. 2062-2064, 2003

57. Б.Ю. Богданович, В.Е.Калюжный, В.И.Каминский, Н.П.Собенин "Ускоряющие структуры и СВЧ устройства линейных коллайдеров", Энергоатомиздат, 2004.

58. B.Yu.Bogdanovich, N.P.Sobenin, A.A.Krasnov et al., Thermal calculations of input coupler for ERL injector, XIX конференция по ускорителям заряженных частиц, RUPAC-2004, Дубна, 2004.

59. M.Gusarova, A.A.Krasnov, M.Lalayan et al., Input coupler development for superconducting cavity 500kW CW power feed, 12-th International Workshop on RF Supercondactivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA, 2005.

60. M.A.Gusarova, A.A.Krasnov, N.P.Sobenin et al., Input coupler development for superconducting cavity 500kW CW power feed, XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators, Ukraine, the Crimea, Alushta, September 12-18, 2005.

61. M.A.Gusarova, A.A.Krasnov, M.V.Lalayan et al., Adjustable input coupler development for superconducting accelerating cavity, Proc. of the 10-th

62. European Particle Accelerator Conference (EPAC-2006), Edinburgh (England), 2006.

63. E.Haebel et al., Cavity Shape Optimization for a Superconducting Linear Collider, Proc. of the HEACC, Hamburg. P. 957-959, 1992.

64. V. Shemelin, H. Padamsee, The optimal shape of cells of a superconducting accelerating section, SRF 020128-01/TESLA Report 2002-01, 2002.

65. R.L. Geng, H. Padamsee, A. Seaman, J. Sears, V. Shemelin, Testing the First 1300 MHz Reentrant Cavity, Presented at the Workshop of Pushing the Limits of RF Superconductivity, Argonne National Laboratory, September 22-24, 2004.

66. S. Belomestnykh, V. Shemelin, Multipacting-free transitionsbetween cavities and beam-pipes, Nucl. Instr. and'Meth. A 595 (2008). P. 293-298, 2008.

67. S. Belomestnykh, V. Shemelin, Multipactor In Minimum Electric Field Regions Of Transmission Lines And Superconducting RF Cavities, Proc. of the LINAC08, Victoria, ВС, Canada. P. 847-849, 2008.

68. E. Somersalo, P. Yl"a-Oijala, D. Proch. Analysis Of Multipacting In Coaxial Lines, Proc. of the 1995 IEEE Particle Accelerator Conference. 1-5 May 1995, Dallas, Texas. P. 1500, 1995.

69. R.L. Geng, H. Padamsee, S. Belomestnykh, P. Goudket, D.M. Dykes, R.G. Carter, Dynamics of Multipacting in Rectangular Coupler Waveguides and Suppression Methods, Proc. of the 11th Workshop on RF Superconductivity, Germany, 2003.

70. Б.Ю. Богданович, М.А. Гусарова, А.А. Краснов, А.А. Завадцев, Д.А. Завадцев, В.И. Каминский, М.В. Лалаян, Н.П. Собенин, Устройство ввода большой средней мощности в сверхпроводящие