Теоретические и экспериментальные исследования сверхпроводящих коаксиальных четвертьволновых резонаторов для линейных ускорителей ионов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Звягинцев, Владимир Львович

• Звягинцев, Владимир Львович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Звягинцев, Владимир Львович

Содержание

5

Глава 1. Оптимизация ВЧ структуры четвертьволновых резонаторов

1.1. Электродинамические характеристики сверхпроводящих ускоряющих резонаторов

1.2. Оптимизация двухзазорного ускоряющего тракта

1.3. Оптимизация коаксиальной структуры четвертьволнового резонатора

1.4. Применение аналитической методики для расчёта параметров четвертьволновых резонаторов

1.5. Выводы

Глава 2. Отклонение пучка в сверхпроводящих четвертьволновых резонаторах

2.1. Аналитический вывод отклонения пучка в

четвертьволновых резонаторах

2.2 Вычисление геометрических параметров

2.3. Методы коррекции дипольного отклонения пучка

2.3.1. Аксиально-симметричная трубка дрейфа

2.3.2. Смещение оси пучка

2.3.3. Наклон портов

2.4. Выводы

Глава 3. Разработка четвертьволнового резонатора для линейного ускорителя ионов І8АС-ІІ

3.1. Введение

3.2. Разработка и оптимизация ВЧ структуры

3.3 Расчёт мультипакторного разряда

3.4 Конструкция резонатора

3.4.1. Механическая структура резонатора

3.4.2. Разработка поглотителя механических колебаний

3.5. Ввод СВЧ мощности

3.6. Выводы

Глава 4. Экспериментальные исследования

сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов

4.1. Расчёт частоты изготовления сверхпроводящего четвертьволнового коаксиального резонатора

4.2. Расчёт чувствительности поверхностей резонатора

для подстройки частоты в процессе изготовления

4.3. Методы компенсации ухода резонансной частоты

при его изготовлении

4.3.1. Компенсирующая насадка

4.3.2. Подстройка частоты посредством дифференцированного травления поверхности

4.4. Испытание сверхпроводящих резонаторов

4.4.1. Мультипактор

4.4.2. Полевая эмиссия

4.4.3. Влияние диффузии водорода в ниобий

4.4.4. Влияние магнитного поля

4.5 Опыт эксплуатации на ускорителе 18АС-П

4.6 Выводы

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические и экспериментальные исследования сверхпроводящих коаксиальных четвертьволновых резонаторов для линейных ускорителей ионов»

Введение

Ускорители тяжёлых ионов широко применяются в фундаментальных исследованиях по ядерной физике, астрофизике, а также в материаловедении, медицине и промышленности. Необходимость ускорения радиоактивных пучков (RIB) придала новый импульс развитию тяжелоионных ускорителей. Построены и запущены в эксплуатацию такие ускорительные комплексы как ISAC (TRIUMF), ISOLDE (CERN), SPIRAL-I (GAÑIL), ALPI (INFN). Строятся новые ускорительные комплексы FRIB (MSU/NSCL), SPIRAL-II (GAÑIL), HIE-ISOLDE (CERN) и другие. Практически во всех новых проектах ускорителей тяжелых ионов используются сверхпроводящие ускоряющие структуры, так как это позволяет существенно уменьшить потребление ВЧ мощности и увеличить темп ускорения, и как следствие, уменьшить энергопотребление и размеры установки. Для ускорителей со скоростями частиц в диапазоне от 0,01 до 0,2 относительно скорости света, благодаря простоте и экономичности, в основном используются ускоряющие структуры в виде коаксиальных четвертьволновых резонаторов. В этой связи задача по разработке методов проектирования, изготовления и эксплуатации сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов является актуальной.

Диссертация посвящена разработке сверхпроводящих четвертьволновых коаксиальных резонаторов для линейных сверхпроводящих ускорителей тяжёлых ионов. В ней отражён опыт практической работы автора по разработке, производству, эксплуатации и исследованиям сверхпроводящих резонаторов для ускорения тяжёлых ионов в лабораториях INFN-LNL (Италия) и TRIUMF (Канада).

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Результаты расчетов, оптимизации и экспериментального исследования сверхпроводящих коаксиальных четвертьволновых резонаторов.

2. Электромагнитная модель четвертьволнового резонатора, позволяющая вычислить уход резонансной частоты, получающийся после травления поверхности резонатора при его производстве.

3. Экспериментальное исследование и расчет мультипакторного разряда в разработанных резонаторах.

4. Создание конструкции ввода СВЧ мощности в четвертьволновый резонатор, обладающего малыми тепловыми потерями по отношению к системе жидкого гелия.

5. Разработка, изготовление, испытание и запуск в эксплуатацию на ускорителе І8АС-ІІ (Канада) 40 коаксиальных сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов и 23 резонаторов ПчГРІЧ(Италия).

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Первая глава "Оптимизация ВЧ структуры четвертьволновых резонаторов" посвящена анализу и аналитической методике оптимизации ускоряющего 2-х зазорного тракта и коаксиальной структуры.

Вторая глава "Анализ дипольного отклонения пучка в четвертьволновом резонаторе" посвящена подробному рассмотрению этого эффекта и методов его компенсации. Предложен аналитический подход для расчёта дипольного отклонения пучка и методов коррекции в четвертьволновых резонаторах.

Третья глава "Разработка четвертьволнового резонатора для линейного

ускорителя ионов 18АС-П" описывает результаты разработки конструкции

сверхпроводящего резонатора, а также устройств, обеспечивающих его

работу: поглотитель механических колебаний, подстройки частоты и ввода

ВЧ мощности. Проведён выбор и оптимизация ВЧ структуры резонатора для

секции высоких скоростей ускорителя І8АС-ІІ, а также расчёт уровней

мультипакторного разряда. Рассмотрены особенности конструкции

резонатора и его механической структуры. Приведены результаты

6

разработки и испытаний поглотителя механических колебаний и ввода СВЧ мощности.

Четвёртая глава "Экспериментальные исследования сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов" описывает практический опыт производства, испытаний и эксплуатации разработанных резонаторов. Рассмотрены вопросы подстройки частоты в процессе производства резонаторов. Приведены результаты испытаний и исследований сверхпроводящих резонаторов. Описан опыт эксплуатации разработанных резонаторов на линейном ускорителе 18АС-П (Канада).

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Работа выполнена в ходе проектов линейных ускорителей тяжёлых ионов АЬР1/Р1АУЕ и 18АС-П, в лаборатории (Италия) в период с 1993

по 2003 гг. и лаборатории ТШЦМР (Канада) с 2003 по 2010 гг.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Звягинцев, Владимир Львович

Результаты работы были использованы в ходе разработки, создания и эксплуатации сверхпроводящих линейных ускорителей тяжёлых ионов ALPI (INFN, Италия) и ISAC-II (TRIUMF, Канада).

Заключение

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Разработаны аналитические модели для расчёта и оптимизации параметров сверхпроводящих двухзазорных четвертьволновых ускоряющих резонаторов, а также расчета и компенсации дипольного отклонения пучка. Предложенные модели использованы при разработке сверхпроводящих резонаторов и хорошо согласуются с расчетными данными численного моделирования.

2. Исследованы вопросы развития мультипакторного разряда в сверхпроводящих четвертьволновых резонаторах. Разработан и внедрён эффективный способ кондиционирования мультипакторного разряда в сверхпроводящих резонаторах ускорителя 18АС-11.

3. Разработаны и запущены в эксплуатацию устройства, обеспечивающие работу сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов: поглотитель механических колебаний, обеспечивающий механическую стабильность сверхпроводящих ниобиевых резонаторов и ввод СВЧ мощности, обеспечивающие стабильную работу при хорошей тепловой развязке и настраиваемое™. Проведены соответствующие измерения, показывающие эффективность их работы.

4. На основе проведенных исследований разработаны сверхпроводящие резонаторы для ускорителя КАС-П (ТШиМБ, Канада). Изготовлены и запущены в эксплуатацию 23 сверхпроводящих резонатора на ускорителе АЬР1 (ЕМБ!^, Италия) и 40 сверхпроводящих резонаторов на ускорителе 18АС-П (ТШиМБ, Канада). Предложены и внедрены способы настройки и сверхпроводящих резонаторов в процессе производства. Изучены факторы, влияющие на рабочие параметры резонаторов. Накоплен уникальный опыт разработки, производства, испытаний и эксплуатации сверхпроводящих резонаторов для ускорения тяжёлых ионов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Звягинцев, Владимир Львович, 2013 год

Список литературы

1. Б.В. Зверев, Н.П. Собенин. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. М.: Энергоатомиздат, 1993 .-240с.

2. А.Н. Диденко, В.И. Каминский, М.В. Лалаян, Н.П. Собенин. Сверхпроводящие ускоряющие резонаторы: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008, 364с.

3. Н. Padamsee, J. Knobloch, Т. Hays. RF Superconductivity for Accelerators. John Wiley & Sons, 1998, 537 p.

4. J.R. Delayen. Design of low velocity superconducting accelerating structures using quarter-wavelength resonant lines. NIM A259 (1987) 341-357.

5. I. Ben-Zvi, J.M. Brennan. The quarter wave resonators as a superconducting linac element. NIM 212 (1983) 73-79.

6. A. Facco, V. Zvyagintsev, R. Laxdal, E. Chiaveri. "The Superconducting Medium Beta Prototype for Radioactive Beam Acceleration at TRIUMF", Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, Illinois, June 18-22, 2001.

7. V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal et al./'Results and Experience with Single Cavity Tests of Medium Beta Superconducting Quarter Wave Resonators at TRIUMF", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, June 26-30, 2006, MOPCH139.

8. V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal et al.,"Development, Production and Tests of Prototype Superconducting Cavities for the High Beta Section of the ISAC-II Heavy Ion Accelerator at TRIUMF", Proceedings of RUPAC 2008, Zvenigorod, Russia, September 29 - October 3, 2008, WEDAU01.

9. http://www.cst.com.

10. A. Facco and V. Zviagintsev, in Proceedings of the Particle Accelerator Conference, Chicago, IL, 2001 (IEEE, New York, 2001), p. 1095.

11. P. N. Ostroumov and K.W. Shepard, Phys. Rev. ST Accel. Beams 4, 110101 (2001).

12. P. N. Ostroumov and K.W. Shepard, in Proceedings of the 21st International Linac Conference, Gyeongju, Korea, 2002 (Pohang Accelerator Laboratory, Pohang, Korea, 2002), p. 473.

13. D. Gorelov et al., in Proceedings of the 21st International Linac Conference, Gyeongju, Korea, 2002 (Ref. [3]), p. 365.

14. M. Pasini, R. E. Laxdal, and P. N. Ostroumov, in Proceedings of the 8th European Particle Accelerator Conference, Paris, 2002 (EPS-IGA and CERN, Geneva, 2002), p. 933.

15. M. A. Fräser, R.M. Jones, and M. Pasini, Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 020102 (2011).

16. W. Bra'utigam, O. Felden, M. Glende, H. Jungwirth, A. Lehrach, R. Maier, S. Martin, A. Schnase, Y. Senichev, R. Stassen, R. To"lle, E. Zaplatin, A. Facco, and V. Zvyagintsev, in Proceedings of the 10th Workshop on RF Superconductivity, 2001, Tsukuba, Japan, pp. 29-33.

17. T. P. Wangler, Rf Linear Accelerators (Wiley & Sons Publishers, New York, 1998).

18. J. D. Fuerst, in Proceedings of SRF2009, Berlin, Germany, p. 51.

19. R. Duperrier, N. Pichoff, and D. Uriot, ICCS Conference, Amsterdam, 2002.

20. V. Zviagintsev, A. Facco, C. C. Compton, T. L. Grimm, W. Härtung, F. Marti, and R. York, "Mechanical Design of a 161 MHz, Beta=0.16 Superconducting Quarter Wave Resonator with Steering Correction for RIA", Proceedings of the 11th Workshop of Rf Superconductivity SRF2003, Travemünde, 2003, p. 297.

21. A. Facco, V. Zvyagintsev,"Beam steering in superconducting quarter-wave resonators: An analytical approach", Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 070101 (2011), published 26 July 2011.

22. P.W. Shcmor."Developments and future plans at ISAC/TRIUMF". Linac 04, Lübeck, Germany, 16-20 Aug 2004, p. 251.

23. R.E. Laxdal, V. Zvyagintsev et al./'Commissioning of the ISAC-II Heavy Ion Superconducting Linac at TRIUMF", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, June 26-30, 2006, TUPLS031.

24. A. Facco, V. Zviagintsev, "Completion of the LNL bulk Niobium low beta quarter wave resonators. Proceedings of the 9th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, USA, November 1-5, 1999, TUP016.

25. R.E. Laxdal, C.D. Beard, V. Zvyagintsev et al., "Operating Experience of the 20 MV Upgrade Linac", Proceedings of LINAC 10 Conference, Tsukuba, Japan, September 12-17, 2010, M0202.

26. R.E. Laxdal, F. Ames, R.A. Baartman, V. Zvyagintsev et al. "The Proposed ISAC-III Low-Energy Area and Accelerator Upgrades". Proceedings of LINAC 2008, Victoria ВС, Canada, September 29 - October 3, 2008, MOP017.

27. A. Facco, F. Scarpa, D. Zenere, R. Losito, V. Zvyagintsev, "Low- and Intermediate-beta, 352 MHz Superconducting Half-wave Resonators for High Power Hadron Acceleration", Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, June 26-30, 2006, MOPCH165. Phys. Rev. ST Accel. Beams 9, 110101, pp. 1-5(2006).

28. R. E. Laxdal, Z. H. Peng, V. Zvyagintsev, "High Beta Cavity Optimization for ISAC-II", Proceedings of the XXII International LINAC Conference, Lübeck, Germany, August 16-20, 2004, THP14.

29. R.E. Laxdal, V. Zvyagintsev et al., "Recent Progress in the Superconducting RF Program at TRIUMF/ISAC", Proceedings of SRF 2005, July 10-15, Ithaka, NY, USA, M0PO6.

30. http://pavac.com.

31. V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal et al., "Production and Testing Results of Superconducting Cavities for ISAC-II High Beta Section", Proceedings of РАС 2009, Vancouver ВС, Canada, May 4-8, 2009, TU4PBC04.

32. M. Gusarova, M.V. Lalayan, N.P. Sobenin, V. Zvyagintsev,"Multipacting Simulation in ISAC-II Superconducting Cavities", Proceedings of РАС 2009, Vancouver ВС, Canada, May 4-8, 2009, FR5PFP076.

33. 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.

34. M.A. Гусарова, M.B. Лалаян, C.B. Куцаев. Использование программы MultP для решения трехмерных задач. Сборник научных трудов научной сессии МИФИ, V конференция научно-образовательного центра "Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях". Стр. 51-53, 2007.

35. Robert Е. Kirby, "Artifacts in secondary electron emission yield measurements", SLAC-PUB-10541 JULY, 2004.

36. R.E. Laxdal, A. K. Mitra, K. Fong, R. Poirier, V. Zvyagintsev. "A Mechanical Tuner and RF Drive Line System for the ISAC II Quarter Wave Superconducting Cavities". Proceedings of the 11th Workshop on RF Superconductivity, Lubeck, Germany, September 8 - 12, 2003, THP32. (3c)

37. http://ansys.com.

38. R. Farraro and R.B. McLellan, Metall. Trans., vlOA, pi699, (1979) and P.E. Armstrong, J.M. Dickinson and H.L. Brown, Trans, of AIME, v236, pi404 (1966).

39. J.H. Potter, Handbook of Engineering Science, Vol. 1, D. Van Nostrand Company, Princeton, NJ, 1967.

40. V. Zviagintsev, A. Facco, V. Andreev, "A room temperature, low power fast tuner for superconducting resonators". Proceedings of The 8th Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme (Padova), Italy, 6-10. October, 1997, LNL-INFN (Rep) 133/98, pp. 695-700.

41. N. Added, B.E. Cliffit, K.W. Shepard, "Upgraded phase control system for superconducting low-velocity accelerating structures", Proc. of the 16-th Int. Linear Acc. Conf., 1 992, Ottawa, Ontario.

42. D. Schulze et al., "RF control of superconducting helically loaded cavities", Proc. Of the 1972 Proton Linear Acc. Conf., Los Alamos, 1972, p. 176.

43. A. Facco, V. Zviagintsev, "Mechanical stabilization of superconducting quater wave resonators". Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference, Vancouver, Canada, 12-16 May, 1997.

44. A. Facco, S. Canella, A.M. Porcellato, F. Scarpa, E. Chiaveri, V. Zvyagintsev. "On line performance of LNL mechanical damped superconducting low beta resonators". Proceedings of the 6th European Particle Accelerator Conference, Stockholm, June 22-26 1998, TUP29G.

45. A. Facco. "Mechanical Mode Damping in Superconducting Low-b Resonators". Particle Accelerators, Vol.61, pp [265-278]/l-14, 1998.

46. http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Electromagnetics/H igh-Performance+Electronic+Design/ANSYS+HFSS

47. R. L. Poirier, K. Fong, R. E. Laxdal, V. Zvyagintsev et al "RF Coupler Design for the TRIUMF ISAC-II Superconducting Quarter Wave Resonators", Proceedings of the XXII International LINAC Conference, Lubeck, Germany, August 16-20, 2004, MOP88.

48. V. Zvyagintsev," Simulation of the RF Coupler for TRIUMF ISAC-II Superconducting Quarter Wave Resonators", Proceedings of the XXII International LINAC Conference, Lubeck, Germany, August 16 - 20, 2004, MOP92.

49. Thermophysical Properties of Matter, vl2, Y.S. Touloukian, R.K. Kirby, R.E. Taylor & P.D. Desai, 1975, IFI/Plenum, NY, NY.

50. G. Devanz. "SPIRAL 2 resonators". SRF 2005, MoP02.

51. В.И. Каминский, M.B. Лалаян, Н.П. Собенин. Ускоряющие структуры. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2005, с. 276.

52. Физические величины: справочник. П/р И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 547.

53. Н.П. Собенин, О.С. Милованов. Техника сверхвысоких частот. М.: Энергоатомиздат, 2007, с. 124.

54. T. Weiland. "HIGH-PRECISION EIGENMODE COMPUTATION. PARTICLE ACCELERATORS", Vol. 56 (2), 1996. p. 00061-00082.

55. Handbook of Accelerator Physics and Engineering. Edited by A.W. Chao, M. Tinger. World Sci. Publishing, 1998.

56. V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal et al.,"SCRF Development at TRIUMF", Proceedings of RUPAC 2010 Conference, Protvino, Russia, September 27 -October 1, 2010, THCHB02.

57. H. Padamsee. RF Superconductivity.Science, Technology, and Applications. John Wiley & Sons, 2009, 460 p.

58. http://www.zanon.com.

59. D. Longuevergne, C.D. Beard, A. Grassellino, P. Kolb, R.E. Laxdal, V. Zvyagintsev,"RF Cavity Performance in the ISAC-II Superconducting Heavy Ion Linac", Proceedings of LINAC10 Conference, Tsukuba, Japan, September 12-17, 2010, THP044.

60. V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal et al.,"SCRF Development at TRIUMF", Proceedings of RUPAC 2010 Conference, Protvino, Russia, September 27 -October 1, 2010, THCHB02.

61. R.E. Laxdal, V. Zvyagintsev et al.,"Magnetic Field Studies in the ISAC-II Cryomodule", Proceedings of SRF 2005, July 10-15, Ithaka, NY, USA, ThP40.

62. R.E. Laxdal, "Acceleration above the Coulomb Barrier - Completion of the ISAC-II Project at TRIUMF", Proceedings of Cyclotrons 2010, THM1CI002, pp. 359-364.