Стабилизированный сверхпроводящий резонатор бегущей волны для формирования сверхсильных СВЧ полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Костин, Роман Андреевич

• Костин, Роман Андреевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Костин, Роман Андреевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы, цели и задачи работы

Практическая значимость полученных результатов

Содержание диссертации

Положения, выносимые на защиту

Апробация работы

Глава 1 Резонаторы бегущей волны и их применения

1.1 Резонаторы бегущей волны

1.2 Сверхпроводящие резонаторы бегущей волны

1.3 Сверхпроводящий РБВ как ускорительная структура электрон-позитронного коллайдера

Глава 2 Разработка сверхпроводящей структуры на бегущей волне

2.1 Анализ настройки бегущей волны в кольцевом резонаторе с одним и двумя элементами связи

2.2 Упрощение S-матрицы многомодовой ускоряющей секции

2.3 Анализ настройки 3-х ячеечного сверхпроводящего резонатора при комнатной температуре и температуре жидкого гелия

2.4 Анализ влияния внешних шумов

2.5 Анализ влияния силы Лоренца

Выводы к главе 2

Глава 3 Расчеты узлов резонатора бегущей волны

3.1 Расчет СВЧ элементов

3.1.1 Регулярная часть

3.1.2 Трансформатор типа волны

3.1.3 Волноводный поворот

3.1.4 Измерительные петли

3.1.5 Штыревой ввод мощности

3.2 Механический тюнер бегущей волны

2

3.2.1 Механические свойства волновода

3.2.2 Дизайн тюнера бегущей волны

3.2.3 Тест прототипа тюнера

Выводы к главе 3

Глава 4. Измерения резонаторов и заключительный этап изготовления

4.1 Измерение одноячеечного резонатора

4.2 Измерение резонансных частот и распределения полей на оси 3—х ячеечных резонаторов

4.3 Детектирование и настройка бегущей волны при комнатной температуре

4.4 Разработка и приготовление резонаторов для экспериментов при криогенных температурах

Выводы к главе 4

Заключение

Приложение А. Формулы для вычисления основных электродинамических характеристик резонаторов

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стабилизированный сверхпроводящий резонатор бегущей волны для формирования сверхсильных СВЧ полей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы, цели и задачи работы

Исследование систем на основе резонаторов бегущей волны (РБВ) является важным разделом современной радиофизики, поскольку структуры и системы на основе РБВ находят свое применение в разработке источников СВЧ и ТГц излучений, при создании измерительных стендов для получения характеристик микроволновых резонаторов различных типов и мощностей, в микрополосковых устройствах, в разработке кольцевых облучателей, применяемым в задачах радиоастрономии, радиосвязи, и др. Особое место кольцевые резонаторы занимают в задачах проектирования и разработки ускорительных структур сильноточных ускорителей электронов, и в конструкции источников СВЧ высокой мощности для ускорителей, в частности, в многолучевых пролетных клистронах, гиро-клистронах и др. Использование кольцевого резонатора позволяет также формировать имитацию мощности при тестировании СВЧ устройств ввода мощности и иных элементов ускорителя. Кольцевые резонаторы активно используются в многолучевых источниках ТГц излучения для обеспечения требуемых выходных параметров приборов.

Все описанные выше применения предусматривают работу устройства при температурах, либо комнатных, либо далеких от криогенных. В то же время, резонатор бегущей волны в сверхпроводящем состоянии в настоящее время мало исследован, хотя и представляет особый интерес для развития радиофизики и применений в СВЧ системах высокой мощности. В рамках настоящей диссертационный работы на основе общего радиофизического подхода к системам бегущей волны предложена кардинальная оптимизация параметров сверхпроводящей ускоряющей структуры для ускорителя электронов высоких энергий, в том числе и параметров структур планируемого Международного Линейного Коллайдера (International Linear Collider, ILC). Проект ILC, согласно разработанному и недавно опубликованному техническому дизайну устройства [35], будет основан на сверхпроводящим ускорителе электронов и позитронов на энергии 250-500 ГэВ (с потенциально возможным расширением до 1 ТэВ) в системе центра масс. Основным элементом ускорителя, согласно техническому дизайну [35], является сверхпроводящая структура на частоту 1.3 ГГц и работающая на принципе стоячей волны. Базовые параметры ускорителя были установлены согласно требованиям физики высоких энергий, впервые сформулированы в 2003 г., обновлены в 2006 году, и подробно сейчас обсуждаются в связи с недавним открытием бозона Хиггса на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРНе.

В то же время, окончательное решение о постройке коллайдера ILC до настоящего времени еще не принято, несмотря на детальную инженерную и технологическую проработку

всего проекта, выполненную в течении почти двадцати лет работы большого количества исследовательских центров и университетов. Основная причина задержки - очень высокая стоимость проекта, превышающая 20 млрд. долларов США. Коллайдер ГЬС, согласно проекту, должен состоять из 7400 ускоряющих структур, 1 метр длинной каждая, и собранных в 850 криомодулей. Причем средний градиент ускорения составляет, согласно [35], —31,5 МВ/м. С учетом всех согласующих элементов и при указанном темпе ускорения в 31,5 МВ/м, общая длина коллайдера ГЬС превысит 22 км, что и определяет такую значительную стоимость проекта.

Задержка с реализацией проекта позволяет заново взглянуть на основные подходы к базовому дизайну ускорителя с требуемыми параметрами. За последние годы достигнут существенный прогресс в увеличении добротности сверхпроводящих резонаторов за счет новых технологий производства структур из ниобия, в частности диффузии азота [28], причем темп ускорения в 45,6 МВ/м был продемонстрирован при добротности резонатора 2*1010 и магнитном поле на поверхности сверхпроводника в 194 мТ [29].

В то же время, радикальное увеличение среднего темпа ускорения коллайдера и соответствующее сокращения длины ускорителя возможно лишь при изменении его дизайна. Так, одним из возможных решений является использования принципа бегущей волны в ускоряющем сверхпроводящем резонаторе, в настоящее время работающим на стоячей волне. В представляемой работе рассматривается возможность реализации именно подобного альтернативного подхода и анализируется возможность разработки резонатора бегущей волны как ускорительной части сверхпроводящего линейного коллайдера. Подход к ускорению электронных сгустков высоких энергий с использованием сверхпроводящего резонатора бегущей волны был предложен Г.А. Лева, R.B. Нил в 1968 г. [26], но не реализован на практике и не продемонстрирован в эксперименте на прототипе. Применение резонатора бегущей волны с волноводом обратной связи в применении к параметрам коллайдера ГЬС было предложено на основе [26] в работах только в последние годы [33], и первое экспериментальное исследование такого подхода продемонстрировано в рамках выполнения настоящей диссертационной работы.

Структура на бегущей волне имеет значительные преимущества по сравнению используемой в настоящее время структурой стоячей волны в применении к сверхпроводящим коллайдерам. Прежде всего, РБВ может быть оптимизирован за счет компромисса между достижением требуемых электродинамическими параметров и технологических возможностей современных сверхпроводящих технологий. Предложенный РБВ позволяет получить градиент, который превысит на 24% темп ускорения современных структур на стоячей волне, и также имеет дополнительное преимущество в том, что позволяет значительно увеличить длину

ускоряющего резонатора, что дает повышение эффективного ускоряющего градиента еще на 22%.

Структура на бегущей волне, предназначенная для линейного коллайдера, имеет большую токовую нагрузку, является широкополосной и, как следствие, достаточно стабильна по отношению к действию пондеромоторных сил электромагнитного поля, флуктуаций давления гелия и внешним воздействиям, меняющим резонансную частоту. Полноразмерную структуру невозможно исследовать экспериментально в настоящее время, поскольку это потребует создания специальных дорогостоящих испытательных стендов. В рамках настоящей работы предполагалось разработать и испытать прототип структуры из 3 -х ячеек, поскольку это позволяло провести измерения его характеристик (в силу его меньших размеров) на доступных в настоящее время испытательных стендах для сверхпроводящих структур.

В то же время, прототип резонатора из 3-х ячеек становится очень узкополосным и подверженным уходу резонансной частоты за счет эффектов, описанных выше, причем смещение различно для парциальных стоячих волн, формирующих бегущую волну, что приводит к нарушению условий ее распространения. Указанная сложность требует механической стабилизации путем разработки упрочняющих механических элементов и использованием активной подстройки частоты, позволяющим поддерживать бегущую волну в резонаторе. Разработке, анализу и экспериментальному тестированию прототипа сверхпроводящего РБВ для коллайдера ЛЬС и посвящена настоящая диссертация.

Следует отметить, что на сверхпроводящей технологии, соответствующей TESLA резонаторам на стоячей волне, в настоящее время построены (или разрабатываются) также и лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) рентгеновского диапазона, такие как LCLS-II, X-FEL, и др. Требования к темпу ускорения и формирования сгустков для ЛСЭ существенно отличны от набора параметров, соответствующих техническому дизайну коллайдера ГЬС, в то же время, опыт применения РБВ для ускорения электронных сгустков высоких энергий может быть применен и для повышения эффективности сверхпроводящих ускоряющих структур ЛСЭ рентгеновского диапазона, что требует дополнительного исследования.

Таким образом, теоретическое и экспериментальное исследование сверхпроводящего РБВ в применении к ускорению электронных сгустков высоких энергий является актуальной и необходимой задачей, требуемой для развития будущих укорителей, основанных на сверхпроводящей технологии, для их применения в разработке линейных коллайдеров и лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) следующих поколений.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование прототипа сверхпроводящего резонатора на бегущей волне (выполненного из

ниобия) как ускорительной структуры для коллайдера ГЬС и будущих лазеров на свободных электронах рентгеновского диапазона. В рамках настоящей работы планировалось провести совместный электродинамический и механический анализ параметров резонатора, выполнить разработку и тестирование прототипа сверхпроводящего РБВ на частоту 1.3 ГГц, найти оптимальную связь резонатора с линией, позволяющую одновременно получить и высокий градиент при мощности в <500 Вт, и стабилизировать резонатор, т.е. найти конфигурацию упрочняющих элементов и разработать систему активной подстройки для обеспечения режима бегущей волны в структуре.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ возможности создания ускорительной структуры на принципе РБВ в сверхпроводящем состоянии, что включает в себя численное моделирования и оптимизация геометрии резонатора, расчет электромагнитных полей в структуре, вычисления базовых параметров ускоряющей секции на основе требований, предъявляемых к ускорительной структуры электрон-позитронного коллайдера ГЬС.

2. Анализ РБВ с одним и двумя вводами мощности при помощи S-матричного формализма и нахождение условий возбуждения режима бегущей волны; применение полученных результатов к разработке сверхпроводящего резонатора с волноводом обратной связи без нагрузки пучком.

3. Анализ возможной настройки 3 -х ячеечного сверхпроводящего РБВ в режиме бегущей волны, исследования механизмов подавления отраженной волны с помощью дополнительной деформация стенки волновода, а также перераспределения амплитуд и фаз входных сигналов. Анализ чувствительности РБВ к требуемым параметрам ускорительной структуры.

4. Выявление возможного диапазона деформации резонатора в рабочих условиях при вариации внешнего давления, и анализ его влияния на обеспечение режима бегущей волны. Оптимизация механического дизайна резонатора на основе связанного электромагнитного и механического расчетов для увеличения жесткости конструкции. Разработка метода компенсации влияния внешнего давления, который заключается в требуемом перераспределении фаз и амплитуд входных сигналов.

5. Изучение механизма воздействия силой Лоренца, соответствующей максимальному ускоряющему градиенту линейного коллайдера. Анализ режима бегущей волны в

РБВ, деформированном силой Лоренца. Разработка методов восстановления бегущей волны путем деформирования стенки волновода внешним тюнером

6. Разработка и производство механического тюнера бегущей волны, его производство и экспериментальное тестирование.

7. Разработка и производство сверхпроводящего РБВ из ниобия , выполненного из трех ячеек, и экспериментальная демонстрация возможности получения бегущей волны в оптимизированном резонаторе при комнатной температуре путем перераспределения фаз и амплитуд входных сигналов.

Практическая значимость полученных результатов

Практическая значимость настоящей работы определяется тем, что в ней предложены решения ряда ключевых проблем, анализ которых является необходимым для создания эффективной ускоряющей структуры планируемого сверхпроводящего коллайдера ЛЬС. Проект ГЬС, как уже отмечалось, будет основан на сверхпроводящем ускорителе электронов и позитронов на энергии до 1 ТэВ в системе центра масс. Принцип ускорения подобного коллайдера основан на сверхпроводящей структуре на частоте 1,3 ГГц и работающей на принципе стоячей волны. В настоящее время решение о постройке подобного коллайдера отложено из-за его значительной (более 20 млрд. долларов) стоимости, определяемой гигантской длиной ускорителя (более 22 км). В данной работе проведен анализ возможности разработки сверхпроводящей структуры нового типа, которая позволит значительно уменьшить стоимость электронного коллайдера. Предложенная структура работает в режиме бегущей волны и является принципиально новой, т.к. в настоящее время сверхпроводящие структуры работают только на стоячих волнах. Переход на режим бегущей волны позволяет получить намного больший средний по длине ускорителя градиент, что позволит существенно снизить стоимость коллайдера, т.к. его длина может быть сокращена с 22 км до 12-15 км.

Стоимость линейного коллайдера определяется в основном его сверхпроводящими

компонентами и соответствующими подсистемами для обеспечения сверхпроводящего режима

резонаторов. Суммарно эти две группы составляющих составляют 73% его стоимости. Сам по

себе линейный ускоритель составляет 67 % стоимости всего проекта линейного коллайдера.

Предлагаемое решение позволяет увеличить эффективный ускоряющий градиент на длине

коллайдера на 22 % за счет удлинения ускоряющих структур и укорочения промежутков

между ними, что возможно только в режиме бегущей волны, и дополнительного увеличения

эффективности взаимодействия пучков заряженных частиц на 24% за счет увеличенного время-

пролетного фактора, что также обеспечивается использованием режима бегущей волны. Таким

образом, полная длина сверхпроводящего ускорителя на бегущей волне составит 54%

8

относительно длины ускорителя согласно современному утвержденному проекту, или — 12 км. Число ускоряющих структур будет уменьшено в 14 раз (каждая из них будет на порядок длиннее структуры на стоячей волне), а число устройств ввода мощности также будет уменьшено в 7-14 раз в зависимости от выбранной технологии возбуждения резонатора и механизма подавления отраженной волны. Все указанные факторы приведут к значительному уменьшению стоимости проекта сверхпроводящего линейного электрон-позитронного коллайдера.

Следует отметить, что переход базового дизайна линейного электрон-позитронного коллайдера на новую технологию с использованием бегущей волны потребовал бы длительных исследований многих лабораторий и университетов. В то же время, перспектива значительного сокращения стоимости такого дорогостоящего проекта, как линейный коллайдер, безусловно привлечет внимание многих исследовательских организаций. В рамках настоящей работы теоретически и экспериментально исследуется принципиальная возможность создания ускорительной секции линейного коллайдера на основе сверхпроводящего РБВ, проводится анализ механизма возбуждения режима бегущей волны в сверхпроводящем резонаторе на примере прототипа РБВ из 3-х ячеек с контролем режима бегущей волны посредством деформации стенки волновода при воздействии внешним специально разработанным тюнером. Следует отметить, что предложенное решение также позволяет включить в себя все уже достигнутые результаты увеличения добротности ускоряющего резонатора за счет новых технологий обработки ниобия (диффузия азота и использование и иных методов

увеличения эффективности ускорения, поскольку все они могут (и должны) быть применены в предлагаемом решении на основе РБВ.

В рамках настоящей работы все расчеты проводились для параметров ускорителя линейного коллайдера ШС в рамках совместной программы Национальной Лаборатории Ферми (Чикаго, США), DESY (Гамбург, Германия) и ЛЭТИ. Данные исследований будут использованы в процессе подготовки и проведения комплекса экспериментов по демонстрации работы прототипа сверхпроводящей ускоряющей структуры на основе резонатора на бегущей волне, планируемом осенью 2017 г. в Национальной Лаборатории Ферми, Чикаго, США.

Содержание диссертации

Данная работа посвящена анализу и разработке 3-х ячеечного сверхпроводящего резонатора на бегущей волне с большим коэффициентом умножения мощности для применения в ускорителях электронов с высоким градиентом типа !ЪС [35].

В первой главе проводится обзор литературы по рассматриваемым проблемам, кратко описывается история вопроса, состояние исследований на данный момент, перспективы развития и возможные практические применения.

Вторая глава посвящена анализу работы резонаторов бегущей волны (РБВ) с одним и двумя вводами мощности. Для анализа РБВ был использован метод комбинации элементов матриц рассеяния входящих в рассматриваемый резонатор цепей [45], [46], [47], полученных аналитически, либо в результате расчета программой численного моделирования.

В пункте 2.1 приводится аналитический анализ РБВ с одним вводом мощности. Как было обнаружено, возбуждение бегущей волны в РБВ с одним вводом мощности не возможно при отсутствии каких-либо потерь мощности. В дальнейших выкладках, омические потери в стенках резонатора были добавлены, и анализ проводился для случая малых потерь, что имеет место быть при распространении ЭМ волн в нормально проводящем волноводе. Были выведены условия возбуждения бегущей волны, которые заключаются в следующем: отражающий элемент должен быть расположен на расстоянии Ь2 = \ /8 + п ■ \ /2 от ввода

мощности и иметь коэффициент отражения, равный Г = 1 — в~22Ь /1 + в~22Ь .

В условия бегущей волны не входит коэффициент связи ввода мощности в кольцо, однако существует значение оптимальной связи, при котором отражение от РБВ минимальны, или равны нулю. Значение оптимальной связи было выведено и находится по следующей формуле:

к опт = ^ 1 —е . Из данной формулы следует, что мощность, поступающая в кольцо от

генератора, компенсирует омические потери бегущей волны за один проход резонатора. Коэффициент оптимальной связи РБВ с одним ненаправленным вводом мощности полностью соответствует РБВ с направленным ответвителем [44]. Амплитуда бегущей волны при этом обратно пропорциональна коэффициенту связи, соответственно, коэффициент усиления мощности обратно пропорционален квадрату коэффициента связи. Таким образом, РБВ с малым коэффициентом связи может обеспечить запредельные уровни мощности при низкой мощности источника питания. Рабочая частота РБВ задается длиной кольца, которая должна быть кратна длине волны на рассматриваемой частоте. Выведенные условия бегущей волны в РБВ с одним вводом мощности были проверены при помощи расчета 3Б модели в программе численного моделирования HFSSTM [48]. Данный расчет продемонстрировал отсутствие узлов и пучностей стоячей волны в кольце, чем доказал правильность выведенных формул.

Ввод элемента отражения приводит к расщеплению двух стоячих волн на п /2 в геометрическом и фазовом пространстве, в результате чего образуется бегущая волна.

Следовательно, возбуждение бегущей волны из двух стоячих возможно осуществить без элемента отражения при помощи двух ненаправленных вводов мощности, расположенных на расстоянии \ /4 + п/2 и разности фаз п/2 между ними. Данное решение является частным случаем РБВ с направленным ответвителем, которое требует только компенсации отражений в кольце.

В пункте 2.2 рассчитаны S-параметры ускоряющей секции 3-х ячеечного сверхпроводящего резонатора при комнатной температуре (293К) и температуре жидкого гелия (2К). S-параметры были получены методом комбинации многополюсников в программе численного моделирования CSTTM [49], которая была проверена аналитическим методом, в ходе которого было получено полное соответствие.

В пункте 2.3 приведен анализ 3-х ячеечного СП резонатора при криогенной и комнатной температуре. Схема РБВ с одним вводом мощности не подходит для 3-х ячеечного СП резонатора, т.к. в нем отсутствуют омические потери и нагрузка пучком, поэтому была реализована схема с двумя ненаправленными вводами мощности. Разработана аналитическая модель на основе комбинации S-параметров элементов резонатора.

Получены и введены в модель S-параметры 2D элемента подстройки (тюнер), рассчитанные в программе численного моделирования Ansys [48] в ходе связанного «электромеханического» расчета. Настроена бегущая волна в резонаторе при рабочей температуре 2К на частоте 1300.82 МГц, соответствующей минимуму отражения от ускоряющей секции. Было подтверждено, что для настройки бегущей волны, необходимы деформации стенки волновода 2D тюнером, для введения отражений в кольце, которые компенсируют отражения от ускоряющей секции на рассматриваемой частоте, т.к. отражения от других элементов резонатора много меньше. Тюнер может располагаться в нескольких местах вдоль волновода расположенных друг от друга на расстоянии \ /4, причем соседние места требуют разных направлений деформаций.

Получены условия возбуждения бегущей волны при комнатной температуре, которое сводится к перераспределению фаз и амплитуд входных сигналов. Амплитуды прямой и обратной волн в резонаторе при комнатной температуре, полученные при помощи аналитической модели. 3D расчет полной модели получен с применением условий возбуждения бегущей волны из аналитической модели. Равномерное распределение комплексной амплитуды электрического поля свидетельствует об отсутствии стоячей волны в резонаторе. Режим бегущей волны был получен на частоте 1301.525 МГц. Сдвиг рабочей частоты, а также

небольшое отличие полей в ускоряющих ячейках обусловлено неоптимальными размерами резонатора, соответствующие комнатной температуре.

Проведен анализ чувствительности резонатора к ошибкам изготовления, точности выставления амплитуды и фазы входных сигналов, а также продавливания стенки волновода 2D тюнером.

В пункте 2.4 был проведен анализ влияния внешнего давления на режим работы резонатора, так как резонатор будет тестироваться в Дьюаре с жидким гелием, среднее давление которого 2 кПа, а скачки достигают 10 Па. Изменение S-параметров было получено в программе численного моделирования Comsol [54] в ходе связанного «электро-механического» расчета. В ходе анализа было обнаружено полное разрушение режима бегущей волны при скачках внешнего давления 10 Па. Жесткость резонатора была увеличена для уменьшения влияния внешнего давления таким образом, что скачки давления могут привести лишь к незначительному ухудшению режима бегущей волны, который легко корректируется перераспределением фаз и амплитуд входных сигналов. Геометрия резонатора была заново перенастроена, т.к. среднее давление гелия смещает рабочую частоту на +5.4 кГц.

В пункте 2.5 было проанализировано влияние силы Лоренца, так как 3-х ячеечный СП резонатор предназначен для получения высокого градиента поля порядка 31 МВ/м, который соответствует циркулирующей мощности 630 МВт. Анализ проводился аналогично с предыдущими пунктами, где изменения S-параметров были получены в результате расчетов 3D моделей элементов резонатора, которые затем были использованы в комбинированной аналитической модели. Анализ показал полное разрушение режима бегущей волны в резонаторе с увеличенной жесткостью геометрии, которое возможно восстановить при помощи 2D элемента подстройки на сдвинутой частоте. Сдвиг частоты составляет -4.34 кГц, коэффициент Лоренца равен ^=-4.5 Гц/(МВ/м) . Обнаружена необходимость разработки 2D тюнера, т.к. режим бегущей волны теперь зависит от градиента поля.

Третья глава посвящена разработке основных частей сверхпроводящего резонатора на бегущей волне. Так как резонатор состоит из двух основных частей: самого резонатора и элемента постройки бегущей волны; глава разделена на два соответствующих раздела.

В разделе 3.1 приведены расчеты всех электромагнитных компонентов резонатора. Раздел 3.2 посвящен разработке механического элемента подстройки бегущей волны - тюнера, основные требования к которому были определены в главе 2.

Пункт 3.1.1 посвящен разработке регулярной части резонатора. Обозначены проблемы, которые ограничивают получение большого градиента. Также проведен обзор существующих геометрий резонаторов. Разработка регулярной части сверхпроводящего резонатора на бегущей волне (СП РБВ) проведена, принимая во внимание все ограничения для получения максимального градиента. Рассчитаны основные электродинамические характеристики (ЭДХ), такие как фазовая и групповая скорости, коэффициент связи, шунтовое сопротивление, О фактор, добротность, время-пролетный фактор.

Пункт 3.1.2 посвящен разработке ввода мощности в регулярную часть. Регулярная часть из пункта 3.1.1 возбуждается прямоугольным волноводом. Для обеспечения минимума отражения проведена необходимая оптимизация перехода прямоугольного волновода в регулярную структуру - трансформатора типа волны (ТТВ). Различные методы оптимизации рассмотрены.

Пункт 3.1.3 посвящен оптимизации волноводного поворота. СП РБВ имеет волновод обратной связи, который связывает начало структуры с ее концом. Данный волновод состоит из двух 90-градусных поворотов и прямых участков. Для минимизации отражения от поворотов была проведена их оптимизация, в ходе которой получен уровень отражения меньше -60 дБ.

Пункт 3.1.4 посвящен разработке измерительных петель, которые необходимы для детектирования бегущей волны. 3Б модель измерительной петли была разработана. Связь петли с резонатором была настроена с помощью программы численного моделирования на уровень -90 дБ, что обеспечивает ответвление сигнала мощностью меньше 1 Вт, чего вполне хватает для детектирования измерительной головкой. Петли были изготовлены из металлической пудры методом 3Б печати и проволоки из немагнитной нержавеющей стали. Проведенный эксперимент показал уровень выделяемых газов в вакууме в пределах нормы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Костин, Роман Андреевич, 2017 год

Литература

[1] Shersby-Harvi R.B.R. and Mullet L.B. A Travelling Wave Linear Accelerator with R.F. Power Feedback, and an Observation of R.F. Absorption by Gas in Presence of a Magnetic Field // Proceedings of the Physical Society Section B. 1949. V. 62(4) P. 270. https://doi.org/10.1088/0370-1301/62/4/107

[2] Tischer F.J. Resonance properties of ring circuits // IRE Transactions on Microwave Theory Technique. 1957. V. 5 (1) P. 51-56. http://ieeexplore.ieee.org/document/1125090/

[3] Milosevic L. J. and Vautey R. Traveling-wave resonators // IRE Transactions on Microwave Theory Technique. 1958. V. 6 (2) P. 136-143. http://ieeexplore.ieee.org/document/1124528/

[4] Т. В. Бондаренко, А. Н. Диденко, С. М. Полозов. Ускоряющая система генератора электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот // Ядерная физика и инжиниринг. 2013. T.4. №8. С. 719-728.

[5] Yu.A. Bashmakov, T.V. Bondarenko, D.A. Komarov, S.M. Polozov et al. RF Photogun and Cherenkov Decelerating System for a High Power Radiation Source in sub-mm Region // Problems of Atomic Science and Technology. 2012. V. 3(79). P. 92-95.

[6] Bondarenko T.V., Polozov S.M. Photoinjector accelerating system for sub-mm highpower pulse source // Problems of Atomic Science and Technology. Series "Nuclear Physics Investigations". 2012. V. 3(79). P. 53-57.

[7] Е.Г. Бабкин, В.Е. Балакин, В.Ф. Клюев, А.Н. Лукин, А.В. Мин-ков, О.В. Пирогов, С.Л. Самойлов, Н.Г. Хавин, В.Д. Шемелип, Г.И. Ясное. Резонатор бегущей волны на 14 ГГц с мощностью выше 100 МВт. // Препринт ИЯФ 95-48. Новосибирск, 1995.

[8] V. Balakin et al. Traveling Wave Resonator Testing above 100 Mw at 14 GHz // Proceedings of Int. Workshop on Linear Colliders. Tsukuba, Japan. 1995. P. 1071.

[9] S. Michizono et al. High-Power Tests of Pill-Box and TW-in-Ceramics Type S-Band RF Windows // Proceedings of Int. Linac conference. Tsukuba, Japan. 1994. P. 457 - 459.

[10] S. Kazakov. A New Traveling-Wave Mixed-Mode RF Window with a Low Electric Field in Ceramic-Metal Brazing Area // KEK Preprint. 1998. P.98-120.

[11] A. Sayapin, A. Levin, and Y. Krasik. Charging of the Traveling Wave Resonator of the Microwave Compressor by a Relativistic S-Band Magnetron // IEEE Transactions on Plasma Science. 2013. P. 2506-2509.

[12] A. Bogdashov, G. Denisov, D. Lukovnikov, Y. Rodin, J. Hirshfield. Ka-band resonant ring for testing components for a high-gradient linear accelerator // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. V. 53(10). P. 3152 - 3155.

[13] J.L. Hirshfield. High power Ka-band window and resonator ring. 2006.

https://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/895637

[14] S. V. Kuzikov, S. Shchelkunov, A. A. Vikharev. Concepts of a Short Wavelength RF Gun // AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1812(1). P. 080005. http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4975891

[15] Y. M. Guznov, Y. Y. Danilov, S. V. Kuzikov, Y. V. Novozhilova et al. Megawatt-power Ka-band gyroklystron oscillator with external feedback // Applied Physics Letters. 2013. V.103. P. 173505.

[16] А.В. Аржанников, Н.С. Гинзбург, ГГ. Денисов, П.В. Калинин и др. Использование кольцевого резонатора бегущей волны с брэгговскими дефлекторами в двухстадийном терагерцевом лазере на свободных электронах // Письма в ЖТФ. 2014.T. 40(17). С. 11-21. http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/40839

[17] Егоров В.Н. Характеристики генераторов СВЧ с резонаторами стоячей и бегущей волны // Вестник ИрГТУ.2013. T. 4(75). C.137-144.

[18] Бондаренко И.Н., Васильев Ю.С., Ткаченко О.Н. Компенсация вносимых потерь в резонаторах бегущей волны с активными элементами // Радиотехника. Харьков. 2010. Т.160. С.295-301.

[19] А.Э. Баскакова, В.М. Тургалиев, Д.В. Холодняк, В. Радонич. СВЧ-фильтры и диплексеры на двухмодовых кольцевых резонаторах // Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ», С.Петербург 2014. C. 141-146.

[20] Luo,S. and Zhu,L. A novel dual-mode dual-band bandpass filter based on a single ring resonator // IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 2009. V. 19(8). P. 497-499.

[21] Radonic, V. Multilayer dual-mode dual-band filter using square loop resonators // Proceedings of 40th European Microwave Conference, Paris, France. 2010. P. 1245-1248.

[22] R.Orta, et all. Synthesis of multiple-ring-resonator filters for optical systems // IEEE Photonics Technol. Lett. 1995. V. 7(12). P. 1447-1449.

[23] S.B. Glybovski; V.P. Akimov ; A.E. Popugaev. Analytical Study of Annular-Ring Microstrip Antennas Shorted With Thin Wires // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. V. 62(6). P. 3348 - 3353.

[24] B.M. Богод, B.H. Дикий, Д.В. Корольков, B.E. Сорель. Многоволновый облучатель на основе резонатора бегущей волны с единым фазовым центром для использования в радиоастрономии //Астрофизические исследования. 1983. Т. 17. С. 124. https://www.sao.ru/hq/sun/manual/bogobl/bogobl.htm

[25] И. Фрейдович, М. Воробьев. Особенности характеристик кольцевых резонаторов многолучевых клистронов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 1998. Т. 2. С. 913. http://www.electronics.ru/files/article pdf/1/article 1901 908.pdf

[26] Neal R. B. Consideration of the use of feedback in a traveling-wave superconducting // SLAC-PUB-0437. 1968. https://www.slac.stanford.edu/pubs/slacpubs/0250/slac-pub-0437.pdf

[27] Loew G.A. and Neal R.B. Accelerating structures. In Linear Accelerators / ed. P. Lapostole, A. Septier // Amsterdam: «North-Hol. Pub. Co». 1970, p.77-87.

[28] A.Grassellino et al. Nitrogen and argon doping of niobium for superconducting radiofrequency cavities: a pathway to highly efficient accelerating structures // Superconductor Science and Technology. 2013. V. 26(10) P. 102001.

[29] A.Grassellino et al, Unprecedented Quality Factors at Accelerating Gradients up to 45 MV/m in Niobium Superconducting Resonators via Low Temperature Nitrogen Infusion. arXiv:1701.06077

[30] Neal R.B. Sample parameters of a two-mile superconducting accelerator // SLAC-PUB-0438. 1968. www.slac .stanford .edu/c gi -wrap/getdoc/sl ac-pub -0438.pdf

[31] Fowkes W.R. Effect of imperfect matching and phasing in superconducting accelerator feedback loop with beam loading // SLAC-TN-69-6. 1969. http://www.slac.stanford.edu/cgi-wrap/getdoc/slac-tn-69-006.pdf

[32] Fowkes W.R and Wilson P.B. Application of traveling wave resonators to superconducting accelerators // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1971. V. 18(3). P.173-175. http://ieeexplore.ieee.org/document/4325999/

[33] P.Avrakhov, A.Kanareykin, N.Solyak. Traveling wave accelerating structure for a superconducting accelerator // Proceedings of PAC'2005. Knoxville, Tennessee, USA. 2005. P. 4296-4298. http://ieeexplore.ieee.org/document/1591799/

[34] Aune B. et al. Superconducting TESLA cavities // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2000. V. 3(9). P. 092001. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevSTAB.3.092001

[35] International Linear Collider Technical Design Report, February 2007. https://www.linearcollider.org/ILC/Publications/Technical-Design-Report

[36] J. Knobloch et al. CW operation of the TTF-III input coupler // Proceedings of PAC'2005. Knoxville, Tennessee, USA. 2005. P. 3292-3294. http://ieeexplore.ieee.org/document/1591799/

[37] P.V.Avrakhov, A.Kanareykin, S.Kazakov, N.Solyak, V.P.Yakovlev. Progress towards development of a traveling wave accelerating structure // Proceedings of PAC'2007, Albuquerque, NM, USA. 2007. P. 2182-2184.

[38] Hasan Padamsee. RF superconductivity: Science, Technology and Application. 2009. WILEY-VCH Verlag Gmbh & Co. P. 241.

[39] A.Kanareykin, P.V.Avrakhov, Z.Liu, W.Gai, S.Kazakov, N.Solyak, V.P.Yakovlev. Conceptual

design of an L-band recirculating traveling wave accelerating structure for ILC // Proceedings of

PAC'2007, Albuquerque, NM, USA. 2007. P. 2538-2540.

134

[40] P.V.Avrakhov, N.Solyak. Superconducting traveling wave ring with high gradient accelerating section // Proceedings of PAC'2007, Albuquerque, NM, USA. 2007. P. 3148-3150.

[41] P.V.Avrakhov, A.Kanareykin, S.Kazakov, N.Solyak, V.P.Yakovlev. Progress towards development of an L-bend SC traveling wave accelerating structure with feedback // Proceedings of EPAC'2008, Genoa, Italy. 2008. P. 871-873.

[42] P.V.Avrakhov, A.Kanareykin, S.Kazakov, N.Solyak, V.P.Yakovlev, A. Lunin. Excitation of a trevaling wave in a superconducting structure with feedback // Proceedings of PAC'2009, Vancouver, BC, Canada. 2009. P. 969-971.

[43] Kostin R., Avrakhov P., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V. Development of the method for evaluation of a superconducting traveling wave cavity with a feedback waveguide // Proceedings of NAPAC 2016. Chicago, IL, USA 2016. TUP0B02. http://vrws.de/napac2016/papers/tupob02.pdf

[44] Дж Альтман. Устройства СВЧ. - 1968.

[45] Силаев М. А., Брянцев С. Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. -1970,

[46] Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и связь. 1987.

[47] K. Rothemund,H.-W. Glock, M. Borecky and U. van Rienen. Eigenmode calculation in long and complex rf-structures using the coupled s-parameter calculation technique // Technical report. TESLA-Report 2000-33.

[48] ANSYS: Electronics Desktop (High Frequency Structure Simulator), http://www.ansys.com/products/electronics/rf-and-microwave

[49] CST - Computer Simulation Technology, https://www.cst.com/

[50] Kostin R., Avrakhov P., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V. Superconducting Travelling Wave Cavity tuning studies // Proceedings of LINAC 2016. Lansing, MI, USA 2016. M0P106021

[51] Hasan Padamsee, Jens Knobloch, Tomas Hays. RF superconductivity for accelerators, 2-nd edition. 2008. WILEY-VCH Verlag Gmbh & Co.

[52] Avrakhov P., Kostin R., Kanareykin A., Xie Y., Kazakov S., SolyakN.,Yakovlev V. Desigh of 3-cell traveling wave cavity for high gradient test // Proceedings of SRF 2013. Paris, France 2013. P. 892.

[53] Avrakhov P., Kostin R., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V. Studies of the superconducting traveling wave cavity for high gradient linac // Proceedings of NAPAC 2013. Pasadena, CA, USA 2013. P. 820.

[54] Comsol, https://www.comsol.com/

[55] Болгов Р.О., Гусарова М.А, Костин Р.А., Петрушина И.И, Собенин Н.П., Звягинцев В.Л. Исследование сверхпроводящего ускорителя e-Linac // Вопросы атомной науки и техники. 2012. Т. 80 Вып. 4 С. 33-36

[56] Kostin R., Kanareykin A., Gonin I., Zaplatin E. SRF cavity breakdown calculation procedure using FEA-software // Proceedings of SRF 2015. Whistler, BC, Canada 2015. P. 140.

[57] Slater J.C. / Microwave Electronics // New York, Van Nostrand, p. 81

[58] Pischalnikov Y., Cancelo G., Chase B., CrawfordD., Edstrom D., Harms E., Kostin R., Solyak N., Schappert W. Lorentz Force Compensation for Long Pulses in SRF Cavities // Proceedings of IPAC 2012. New Orleans, USA 2012. P. 3990.

[59] Kostin R., Avrakhov P., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V., Kazakov S., Wu G., Khabiboulline T., Rowe A., Rathke. A high gradient test of a single-cell SRF cavity with a feedback waveguide // Superconductor Science and Technology. 2015. V. 28(9) P. 095007.

[60] F. Furuta, K. Saito, T. Saeki et al. Optimization of surface treatment of high gradient supercinducting single cell cavities at KEK // Proceedings of Linac 2006. Knoxville, Tennessee, USA. 2006. P. 299.

[61] R.L. Geng, G.V. Eremeev, H. Padamsee, V.D. Shemelin. High gradient studies for ILC with single-cell Re-entrant shape and elliptical shape cavities made of fine-grain and large-grain niobium // Proceedings of PAC 2007. Albuquerque, New Mexico, USA. 2007. P. 2337.

[62] D.E. Nagle, E.A. Knapp, and B.C. Knapp, "Coupled resonator model for standing wave accelerator tanks," RSI, v. 38, No 11, 1967, p. 1585. [101]

[63] Бурштейн Э. Л., Воскресенский Г.В. Линейные ускорители электронов с интенсивными пучками. М.: Атомиздат. 1970.

[64] Kostin R., Avrakhov P., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V., Khabiboulline T., Pischalnikov Y. Status of superconducting traveling wave cavity for high gradient LINAC // Proceedings of IPAC 2015. Richmond, VA, USA 2015. P. 3591.

[65] Kostin R., Avrakhov P.,Didenko A., Kanareykin A., Khabiboulline T., Pischalnikov Y., Yakovlev V., Solyak N. A tuner for a superconducting traveling wave cavity prototype // Journal of Instrumentation. 2015. V. 10(10) P. 10038.

[66] Kostin R., Avrakhov P.,Didenko A., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V., Khabiboulline T., Pischalnikov Y., Superconducting Travelling Wave Accelerating Structure development // Proceedings of SRF 2015. Whistler, BC, Canada 2015. P. 1085.

[67] Gonin et al. Finite Element Simulation of the TESLA Cavity Hydroforming Process // Proceedings of SRF 1995, Gif-sur-Yvette, France, 1995. P. 565.

[68] C. Pagani, A. Bosotti, P. Michelato, N. Panzeri, R Paparella, P. Pierini. ILC coaxial blade tuner

// Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, 2006. P. 466.

136

[69] http://www.phytron.com/

[70] http://www.jovasolutions.com/tims-0201-stepper-motor-controller

[71] Kostin R., Avrakhov P., Kanareykin A., Solyak N.,Yakovlev V. Superconducting Travelling Wave Cavity tuning at room temperature // Proceedings of LINAC 2016. Lansing, MI, USA 2016. THPLR008

[72] Диафрагмированные волноводы: Справочник, 3-е издание / О.А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин // М.: Энергоатомиздат, 1991

[73] Jan-Hendric Thie et al. Commissioning and upgrade of automatic cavity tuning machined for European XFEL // // Proceedings of SRF 2011. Chicago, IL, USA. P. 495

[74] http://www.ni.com/labview/

[75] О.С. Милованов, Н.П. Собенин. Техника сверхвысоких // М.: Атомиздат. 1980.