Высшие типы волн и асимметрия СВЧ поля в ускоряющих резонаторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Болгов, Роман Олегович

• Болгов, Роман Олегович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Болгов, Роман Олегович

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВОЛНЫ ВЫСШИХ ТИПОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ РЕЗОНАТОРАХ

1 1 Электродинамические характеристики резонаторов

1 2 Расчет внешней добротности

12 1 Метод суперпозиции двух бегущих вочн

122 Резонансный метод

12 3 Метод расчета в переходном режиме

1 3 Наведенный потенциал и параметр потерь

1 4 Программы для расчета электродинамических характеристик волн высших типов

ГЛАВА 2. ПОДАВЛЕНИЕ ВОЛН ВЫСШИХ ТИПОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МНОГОЯЧЕЕЧНЫХ РЕЗОНАТОРАХ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ

2 1 Сверхпроводящий резонатор линейного ускорителя с большим средним током 33 2 11 Линейныйускоритечь эпектронов с бочыиим средним током 33 2 12 Идентификация типов вопн в резонаторе 39 2 13 Изменение формы регулярных ячеек 42 2 14 Оптимизация концевых ячеек резонатора

2 2 Сверхпроводящий резонатор линейного ускорителя с рекуперацией энергии 52 2 2 1 Ускоритечь с рекуперацией энергии 52 222 Расчет эчектродинамических характеристик 57 2 2 3 Функции чувствитечьности 59 2 2 4 Демпфирование вочн высших типов

Выводы

ГЛАВА 3. ПОДАВЛЕНИЕ ВОЛН ВЫСШИХ ТИПОВ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕМ ОДНОЯЧЕЕЧНОМ РЕЗОНАТОРЕ

3 1 Вводное 68 3 2 Расчет электродинамических характеристик исходного резонатора 69 3 3 Резонатор с диафрагмой 72 3 4 Резонатор с демпфирующими кольцами в трубках дрейфа 76 3 5 Расчет наведенного потенциала 82 3 6 Расчет внешней добротности 85 3 7 Устройства вывода волн высших типов

3 8 Исследование мультипакторного разряда 90 Выводы

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ АСИММЕТРИИ ПОЛЯ ВВОДОВ МОЩНОСТИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРЕННОГО ПУЧКА

4 1 Определение отклонения пучка 93 4 2 Анализ динамики пучка при использовании устройств ввода мощности

4 3 Расчет параметра кика на примере одноячеечного сверхпроводящего резонатора 99 Выводы

ГЛАВА 5. РЕГУЛИРУЕМЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ВВОД БОЛЬШОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ БЕЗ ПОДВИЖНОЙ ЧАСТИ

51 Вводное

5 2 Настройка двойного СВЧ окна 1 ю 5 3 Настройка ввода мощности с использованием феррита 113 5 4 Настройка полного ввода мощности 115 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высшие типы волн и асимметрия СВЧ поля в ускоряющих резонаторах»

Введение

Диссертация направлена на решение проблемы выбора оптимальных конструкций ускоряющих структур при модернизации существующих и разработке инновационных ускорителей заряженных частиц с минимизацией влияния волн высших типов (ВВТ) на характеристики ускоряемых пучков заряженных частиц. Эта задача является актуальной для таких ускорительных комплексов, как мощные источники синхротронного излучения на основе линейных ускорителей электронов с большой средней мощностью ускоренного пучка, ускоряющие структуры высокоэнергетичных протонных (ионных) ускорителей для нужд ядерной физики, ядерной медицины и материаловедении.

Современное развитие ускорителей заряженных частиц характеризуется возрастающими требованиями к параметрам ускоренного пучка. Это обусловлено расширением круга физических проблем, исследуемых с помощью пучков заряженных частиц. В связи с этим целесообразно использовать понятие пучков с прецизионными параметрами. В это понятие вкладываются такие характеристики пучка как узкий энергетический спектр, малые значения продольного и поперечного эмиттанса, высокие значения кратковременной и долговременной стабильности энергии и тока пучка. При этом прецизионные характеристики, как правило, должны быть реализованы при высокой энергии и значительной интенсивности ускоренного пучка.

Количественные значения прецизионных параметров определяются кругом задач, решаемых с помощью конкретной установки.

Мировой опыт показывает, что получение прецизионных параметров пучков необходимо в ускорителях заряженных частиц различного типа -электронов, протонов, ионов. Такими ускорителями являются как циклические, так и линейные. Ускорители могут работать как при нормальной температуре, так и в режиме сверхпроводимости.

Для получения ускоренных пучков с прецизионными характеристиками разработаны и применяются многие методы. К ним относятся параметрическая стабилизация характеристик систем ускорителя, применение систем обратных связей для управления системами ускорителя, формирование пучка на различных стадиях ускорения от инжекции до вывода его на мишень. В достижении прецизионных характеристик пучка существенную функцию выполняет ускоряющая система. В ускоряющих секциях происходит формирование сгустков, их ускорение и, при необходимости, трансформация размеров и формы. В связи с этим исследование физических процессов в ускоряющих секциях позволяет развивать методы повышения качества пучка, получения прецизионных характеристик.

Получение необходимых характеристик пучка в значительной мере определяется влиянием ВВТ. Известно, что при пролёте пучка заряженных частиц в ускоряющей структуре генерируется широкий спектр волн раз личных типов с разными резонансными частотами. Этот эффект оказывает отрицательное влияние на работу ускорителя, так как при этом часть энергии пучка отдаётся СВЧ полю, но гораздо более существенным является взаимодействие наведенных волн с пучком. Наведённые поля обладают поперечными электрическим и магнитным компонентами на оси и, следовательно, отклоняют следующие сгустки. Это может привести к нестабильности пучка - вызвать значительное увеличение поперечного и продольного эмиттанса пучка и в итоге привести к расширению энергетического спектра частиц и даже к потере частиц на стенках, а при увеличении тока пучка к его полной потере. Демпфирование ВВТ играет все более важную роль в достижении и сохранении низкого эмиттанса и низкой модуляции энергии пучков в ускорителях, особенно в ускорителях, основанных на сверхпроводящей технологии. Очень большие значения собственной добротности из-за сверхпроводящего состояния стенок резонатора, которое является преимуществом перед резонаторами с нормально проводящими стенками в случае ускоряющей волны, делают

4

импеданс пучка на ВВТ очень высоким. Это может привести к сильному взаимодействию пучок-резонатор, вызывая рост эмиттанса, расширение энергетического спектра от сгустка к сгустку и/или дополнительной криогенной нагрузке. Проблеме исследования ВВТ в сверхпроводящих резонаторах уделяется большое внимание.

Решение данной проблемы позволит избежать негативного влияния ВВТ на характеристики прецизионных ускоренных пучков за счет выбора геометрии структур, обеспечивающей демпфирование нежелательных типов волн, а так же за счет выбора устройств ввода и вывода СВЧ мощности с минимизацией влияния асимметрии электромагнитного поля в области пролета пучка.

В главе 1 диссертации описана методика, позволяющая оценивать наличие ВВТ, отрицательно влияющих на характеристики ускоренного пучка. Особое внимание уделено вопросу расчета эффективного шунтового сопротивления и внешней добротности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, являющихся важными характеристиками при оценке степени демпфирования паразитных ВВТ. Приведен анализ известных современных программ численного расчета электродинамических характеристик (ЭДХ) исследуемых в диссертации резонаторов. Для программы БЬАЫЗ разработан алгоритм и программа для повышения производительности и точности расчета в аксиально-симметричных структурах дипольных ВВТ.

В главе 2 диссертации на основе анализа ЭДХ ВВТ предлагается проводить оптимизацию геометрии и ЭДХ сверхпроводящих ускоряющих структур, как в виде цепочки связанных резонаторов, так и одиночного резонатора. В процессе этих изменений сохранены требования на получение максимального ускоряющего градиента, минимизации магнитного поля у стенок резонаторов и отсутствие мультипакторного разряда. В случае многоячеечного резонатора возможен вывод так называемых «запертых» ВВТ с помощью изменения геометрии концевых ячеек и примыкающих к ним трубок дрейфа [1, 2, 3]. В дальнейшем эти паразитные волны демпфируют в поглощающих нагрузках в виде участка дрейфовой трубки с

5

поглощающим материалом или в коаксиальных устройствах вывода ВВТ с поглощающей нагрузкой. В диссертации эта методика развита на примере сверхпроводящих пятиячеечных резонаторов ускорителя с рекуперацией энергии Energy Recovery Linac (ERL) и девятиячеечных резонаторов ускорителя электронов непрерывного режима eLINAC.

При реализации проекта HL-LHC [4] одним из методов повышения времени жизни пучка является применение гармонических резонаторов в дополнении к основным СВЧ ускоряющим резонаторам как для удлинения сгустка, так и для сжатия сгустка [5]. При добавлении гармонического сигнала и фазировании его так, что в центре сгустка находится нуль поля, а само поле нарастало во времени, можно получить положительный эффект. Эффект заключается в том, что энергетический спектр сгустка не изменится, а длина сгустка увеличится, плотность заряда уменьшится, что обеспечит увеличение времени жизни пучка. Для получения примерно плоского распределения продольной плотности сгустка можно использовать комбинацию рабочих частот 400 и 800 МГц. Для этого необходима разработка новых ускоряющих резонаторов. В главе 3 диссертации рассмотрены пути решения этой проблемы как с использованием диафрагмы в трубке дрейфа, так и радиальной поглощающей нагрузки. Рассмотрены и вопросы недопущения развития мультипакторного разряда в таком устройстве.

Немаловажную роль в формировании прецизионного ускоренного пучка играют вводы СВЧ мощности в резонаторы и устройства вывода ВВТ [6]. Те и другие должны вносить минимальную асимметрию электромагнитного поля в области пролета пучка, а так же быть свободны от мультипакторного разряда. Наличие устройств ввода мощности и вывода ВВТ в ускоряющих системах приводит к ненулевым поперечным электрическим и магнитным компонентам полей на оси резонатора, что, в свою очередь, приводит к эффекту смещения сгустка частиц (так называемый кик, от английского слова kick - удар, толчок). В главе 4 диссертации приведен анализ различных

методов расчета влияния электромагнитного поля в таких устройствах на характеристики ускоренного пучка.

Глава 5 диссертации посвящена расчету регулируемого коаксиального ввода большой мощности без подвижных частей на частоте 352 МГц [7], который предполагается использовать в источнике рентгеновского излучения Аргонской Национальной лаборатории (АНЛ), США. В основе такого устройства ввода мощности лежит ферритовый регулятор, по средствам которого регулируется коэффициент связи.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Болгов, Роман Олегович

Выводы

Представлены результаты настройки регулируемого коаксиального ввода большой средней мощности без подвижной части, который предполагается использовать в 352 МГц источнике рентгеновского излучения в APS (лаборатория Аргон) и проекте X. Результаты настройки отдельных узлов ввода мощности согласуются с моделированием полной структуры с использованием феррита, диэлектрической жидкости и двойного СВЧ окна.

Заключение

Разработана методика оценки качества демпфирования ВВТ в сверхпроводящих ускоряющих резонаторах по результатам расчета эффективного поперечного шунтового сопротивления, внешней добротности и оценки влияния асимметрии поля в структурах с узлами ввода мощности и вывода ВВТ.

Предложены и исследованы возможности по выводу и демпфированию «запертых» ВВТ в сверхпроводящих многоячеечных ускоряющих резонаторах с помощью расширения пролетной трубки и использования поглощающих колец. Предложены и аппробированы способы уменьшения отношения шунтового сопротивления к добротности «запертой» гибридной волны ЕНШ в резонаторе еЬтас, по средствам увеличения радиуса диафрагмы регулярных ячеек с одновременным изменением радиусов трубки. Проведённая оптимизация показала, что волна перестаёт быть «запертой» внутри резонатора; эффективные шунтовые сопротивления ВВТ лежат в допустимом пределе ниже 106 Ом. Увеличение отверстия в диафрагме с 35 до 37 мм влечёт за собой уменьшение параметра г/<20 ускоряющей волны на 5%. Представлена конструкция ввода мощности, параметры которого были оптимизированы исходя из требований на внешнюю добротность ускоряющей волны.

Рассчитаны ЭДХ семиячеечного сверхпроводящего резонатора ускорителя ЕЯЬ как на ускоряющей волне, так и на первых четырех дипольных волнах. Получены данные по определению чувствительности отношения поперечного шунтового сопротивления к добротности в функции геометрических размеров для первых четырех дипольных ВВТ, что позволяет оценить возможности их эффективного демпфирования выбором соответствующих размеров. Представлена возможность вывода «запертых» волн из резонатора с помощью оптимизации геометрии конечных ячеек. Удалось снизить внешнюю добротность для наиболее опасных волн вблизи второй гармоники в 2 раза.

На примере сверхпроводящего ускоряющего резонатора на частоте 800 МГц показано, что при использовании диафрагмы в пролетной трубке или радиальных поглощающих нагрузок можно не допустить распространения ВВТ, и, тем самым, исключить их влияние на характеристики ускоренного пучка. Предлагаемое устройство вывода ВВТ обладает рядом преимуществ в сравнении с классическими коаксиальными: высокий уровень азимутальной симметрии, вывод всех нежелательных волн из резонатора, простота изготовления и как следствие невысокая цена. Удалось снизить собственные добротности дипольных ВВТ на 6 порядков, при этом добротность ускоряющей волны ухудшается всего в 1,2 раза. Апробирована новая методика численного расчёта потерь в стенках резонатора путём прямого интегрирования поверхностных токов в его стенках. Исследованы вопросы возможности недопущения развития мультипакторного разряда.

Исследованы методики расчета влияния асимметрии поля, связанного с наличием устройств ввода мощности и вывода ВВТ, отклонения пучка. Приведены расчеты этого параметра на примере ускорителя еЬтас. Проведены исследования девиаций компонент электромагнитного поля, участвующих в выражениях вычисления параметра кика пучка, по результатам которых представлен механизм численного разбиения геометрии для достижения сходимости расчётного кика. Расчёты параметра кика пучка проведены с использованием трёх различных методов, результаты которых находятся в допустимом согласовании между собой.

Проведены расчеты регулируемого коаксиального ввода большой средней мощности до 200 кВт на частоте 352 МГц без подвижной части для источника рентгеновского излучения в Национальной Лаборатории Аргон (США). Представлены результаты настройки ввода мощности, обеспечивающего КСВН не хуже, чем 1,06, при различных геометрических размерах ферритовых колец и их числа. Оценены потери мощности в отдельных узлах вода мощности. Результаты настройки отдельных узлов ввода мощности согласуются с моделированием полной структуры с использованием феррита, диэлектрической жидкости и двойного СВЧ окна.

120

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Болгов, Роман Олегович, 2013 год

Литература

1. S.M.Gruner, M.Tigner. 'Study for a Proposed Phase I ERL Synchrotron Light Source at Cornell University' / CHESS Technical Memo 01-003, JLAB-ACT-01-04, 2001.

2. B.Aune et al. 'Superconducting TESLA Cavities' / Phys. Rev. ST Accel. Beams 3, 092001 (2000).

3. V.Zvyagintsev, C.D.Beard, A.Grassellino, D.Kaltchev, P.Kolb, R.E.Laxdal, D.Longuevergne, B.Waraich, M.Ahammed, R.Bolgov, N.Sobenin, Edinger. 'Nine-Cell Elliptical Cavity Development at TRIUMF' / Proceedings of SRF-11 Conference, Chicago, USA.

4. L.Ficcadenti, J.Tuckmantel, R.Calaga. 'LHC Landau Cavity Design' / BE-RF CERN, BR section meeting, March 29, 2012.

5. S.Belomestnykh et al. 'Using Passive Superconducting Cavities for Bunch Shortening in CESR' / Proceedings of Particle Accelerator Conference (PAC-03), pp. 1306-1308.

6. S.Belomestnyh, M.Liepe, V.Medjidzade, H.Padamsee, V.Veshcherevich, N.Sobenin. 'Development of High RF Power Delivery System for 1300 MHz Superconducting Cavities of Cornell ERL Injector' / Proceedings of LINAC-04, Lubeck, Germany.

7. M.Neubauer, R.Sah, A.Dudas, A.Nassiri, M.Borland. 'Adjustable High Power COAX RF Coupler with no Moving Parts' / Proceedings of IPAC-10, Kyoto, Japan.

8. Б.Ю.Богданович, В.Е.Калюжный, В.И.Каминский. Н.П.Собенин. 'Ускоряющие структуры и СВЧ устройства линейных коллайдеров' / М.: Энергоатомиздат, 2004, 320 с.

9. А.Н.Диденко, В.И.Каминский, М.В.Лалаян, Н.П.Собенин. 'Сверхпроводящие ускоряющие резонаторы' / М. 2008, 350 с.

10. Н.П.Собенин, О.С.Милованов. 'Техника сверхвысоких частот' / Энергоатомиздат, 2007, 560 с.

11. V.Shemelin. 'Optimized Shape of Cavities Cells for Apertures Smaller than TESLA Geometry' / Proceeding of 2005 Particle Accelerator Conference, pp. 3748-3751.

12. W.Panofsky, W.Wenzel. 'Some considerations concerning the transverse deflection of charged particles in radio-frequency fields' / Rev. Sci. Instrum. 27 (1956), p. 967.

13. M. Prome. 'Conceptual Studies for a High Power Proton Linac' / Proceeding of LINAC-94, Tsukuba, p 146.

14. P.R.Karmel, G.D.Colef, R.L.Camisa. 'Introduction to Electromagnetic and Microwave Engineering' / 1997.

15. V.Shemelin, S.Belomestnykh. 'Calculation of the B-cell Cavity External Q with MAFIA and Microwave Studio' / Laboratory for Elementary-Particle Physics, Cornell University, Ithaca, NY 14853.

16. N.M.Kroll, U.L.Yu. 'Computer Determination of the External Q and Resonant Frequency of Waveguide Loaded Cavities' / SLAC-PUB-5117, 1990.

17. P.Balleyguier. 'A Straightforward Method for Cavity External Q Computation' / Particle Accelerators, 1997, Vol. 57, pp. 113-127.

18. H.Tong-Ming, P.Wei-Min, W.Guang-Wei. 'Calculation of the External Quality Factor of the High Power Input Coupler for the BEPC Superconducting Cavity' / Chinese Physics C (HEP & NP). Vol. 32, No. 1, Jan., 2008.

19. W.Thomas. 'RF Linear Accelerators' / Wiley series in beam physics and accelerator technology, 2000, 380 p.

20. A.W.Chao. 'Physics of Collective Beam Instabilities in High Energy Accelerators' / John Wiley & Sons, 1993.

21. T.Weiland. / Nucl. Inst. Meth., 1983.

22. T.Weiland. / Part. Accel. 15(4), 1984.

23. G.Guignard. 'Space charge dominated beams and applications of high brightness beams' / AIP Conf. Proc., 1995.

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

http:/www.cst.com.

http:/www.ansoft.com/products/hf/hfss. http:/www.gdfidl.de.

D.G.Myakishev, V.P.Yakovlev. 'The new possibilities of SuperLANS code for evaluation of axisymmetric cavities' / Proceedings of the PAC-95, vol. 4, pp. 2348-2350.

V.G.Gevorkyan, A.B.Savitsky, M.A.Sotnikov, V.I.Shvedunov. 'RTMTRACE Code' / VINITI 183-B89, 1989. W.T.Diamond / NIM-A 432 (1999), pp 471-482.

S.Koscielniak et al. 'An Electron Linac Photo-Fission Driver for the Rare Isotope Program at TRIUMF' / Proceedings of SRF2009, Berlin, Germany, pp.907-912.

Р.О.Болгов, М.А.Гусарова, Д.С.Каменщиков, М.В.Лалаян,

A.Ю.Смирнов, Н.П.Собенин. 'Высшие типы волн в структуре высокочастотного дефлектора' / ПТЭ 2011, №6, с. 71-80. I.V.Bazarov, C.K.Sinclair. 'High Brightness High Current Injector Design for the Cornell ERL Prototype' / ERL 03-11, 2003.

S.Belomestnykh, H.Padamsee, N.Sobenin, et al. 'Design of High Power Coupler for Cornell ERL Injector Cavities' / Proceedings of the SRF-05, Triumf, Canada, 2004.

E.Haebel, A.Mosnier, J.Sekutowicz. 'TESLA Test Facility Linac Design Report' / Proceedings of the XV International Conference on HEACC, Hamburg, 1992.

V.Shemelin. 'Optimal Choice of Cell Geometry for a Multicell Superconducting Cavity' / Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 114701 (2009).

http:/lhc.web.cern.ch/lhc/LHC-DesignReport.html.

E.Shaposhnikova. 'History and Motivation for a High Harmonic RF System in LHC' / CERN.

B.И.Каминский, М.В.Лалаян, Н.П.Собенин. 'Ускоряющие структуры'

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

/Москва, 2005.

V.Shemelin, S.Belomestnykh. 'Using a Resistive Material for HOM Damping' / Proceedings of IPAC-10, Kyoto, Japan. http:/abci.kek.jp/abci.htm.

M.A.Gusarova, L.V.Kravchuc, N.P.Sobenin et al. 'Multipacting Simulation in Accelerator RF Structure' / Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A. 599. p. 100, 2009.

Hachenberg, A.Brauer. 'Secondary Electron Emission from Solids' / Advances in Electronics and Electron Physics, vol. 11, pp. 413-499, 1959. Y.Fang, R.E.Laxdal, V.Zvyagintsev, Yu.Chao, C.Gong, S.Koscielniak. 'Power Coupler Kick of the TRIUMF ICM Capture Cavities' / Chinese Physics С Vol. 35, No. 6, Jun., 2011.

V.Shemelin, S.Belomestnykh, H.Padamsee. 'Low Kick Twin Coaxial and Waveguide Coaxial Couplers for ERL' / Proceedings of SRF-08 02102808, 45-4.4.

M.Zhang, C.Tang. 'Beam Dynamic Aspects of the TESLA Power Coupler' / Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, NY, 1999, pp. 2769-2771. http:/www.aps.anl.gov.

M.Neubauer, A.Dudas, R.Sah, A.Nassiri, R.Bolgov. 'Adjustable High Power COAX Coupler without Moving Parts' / Proceedings of IP AC 2012, New Orleans, Louisiana, USA.