Содержание к диссертации
ВЕДЕНИЕ 5
1 СХЕМЫ СВЧ ПИТАНИЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОН ПОЗИТРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА TESLA 11
1.1 Ускоряющая система электрон-позитронного коллайдерах TESLA 11
1.1.1 Принципиальная схема ускоряющей системы 11
1.1.2 Криогенный модуль 15
1.1.3 Внешняя добротность ускоряющих резонаторов
1.2 Древовидная схема 20
1.3 Последовательная схема 21
1.3.1 Принципиальная схема 21
1.3.2 Регулируемый направленный ответвитель на базе двух волноводных мостов и фазовращателя 24
1.3.3 Регулируемый направленный ответвитель на базе коаксиального и волноводного ответеителей с фазовращателем между ними 26
1.3.4 Регулируемые направленные ответвители с емкостными и индуктивными поршнями 28
1.3.5 Трехшлейфовый согласующий трансформатор 28
1.3.6 ЕН-согласователь 29
1.4 Сравнительный анализ древовидной и последовательной схем СВЧ питания 30
1.5 Выводы 32
2 СОГЛАСОВАТЕЛЬ на основе двойного волноводного тройника 34
2.1 Принцип работы 34
2.2 Расчет ЕН-согласователя
2.2.1 Методика расчета 37
2.2.2 Расчет двойного волноводного тройника 40
2.2.3 Расчет режимов согласования 41
2.2.4 Расчет подвижного короткозамыкающего поршня
2.3 Разработка конструкции ЕН-согласователя 48
2.4 Модуль управления двигателями 52
2.4.1 Аппаратная часть 52
2.4.2 Программное обеспечение 55
2.5 Настройка и испытания ЕН-согласователя на низком уровне мощности.
2.5.1 Разработка волноводных измерительных устройств 58
2.5.1.1 Коаксиально-волноводные адаптеры 58
2.5.1.2 Волноводный калибровочный набор
2.5.2 Настройка двойного волноводного тройника 63
2.5.3 Калибровка ЕН-согласователя 64
2.5.4 Согласование нагрузок с помощью ЕН-согласователя 66
2.6 Выводы 70
3 Регулируемые направленные ответвители 71
3.1 Постановка задачи и общие соображения 71
3.2 Регулируемые направленные ответвители с емкостными поршнями
3.2.1 Регулируемые направленные ответвители с цилиндрическими емкостными поршнями 72
3.2.2 Регулируемые направленные ответвители с прямоугольными емкостными поршнями 74
3.3 Регулируемые направленные ответвители с индуктивными плунжерами
3.3.1 Вариант 1. Направленные ответвители с параллельными волноводами 76
3.3.2 Вариант 2. Направленный ответеитель с сужающимися волноводами
3.3.3 Вариант 3. Направленный ответвитель с одним поршнем 83
3.3.4 Вариант 4. Направленный ответвитель с сильфонами 85
3.3.5 Вариант 5. Направленный ответвитель с двойными сильфонами... 86
3.3.6 Вариант 6. Направленный ответвитлъ на 12,5 дБ 88
3.3.7 Вариант 7 Направленный ответвитель на 12,5 дБ 91
3.3.8 Вариант 8. Ответвитль наЗ дБ 97
3.3.9 Вариант 9. Направленный ответвитель на 3 дБ 104
3.4 Подвижные короткозамыкающие плунжеры 112
3.4.1 Дроссельный поршень шириной 276мм ИЗ
3.4.2 Короткозамьжающий поршень на основе гибкой мембраны 116
3.5 Макетные испытания направленных ответвителей с индуктивными плунжерами на низком уровне мощности 120
3.5.1 Макет направленного ответвителя наЗ дБ 120
3.5.2 Макет ответвителя на 12,5 дБ 122
3.5.3 Двойной волноводно-коаксиальный направленный ответвитель. 123
3.5.4 Полосковый ответвитель 124
3.6 Выводы 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
Литература 129
Приложение 134
Введение к работе
Одним из важных направлений развития техники ускорителей заряженных частиц является создание линейных электрон-позитронных коллайдеров на большую энергию. В настоящее время в процессе разработки находятся следующие проекты линейных коллайдеров: NLC-Next Linear Collider (США), JLC - Japan Linear Collider (Япония) [1], CLIC -Compact Linear Collider (Щвейцария), TESLA - TeV Energy Superconducting Linear Accelerator (Германия) [2], [3],[4].
В ускорительном центре DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron) (Гамбург, Германия) разрабатывается проект создания линейного электрон-позитронного сверхпроводящего коллайдера TESLA [5]. Два ускорителя - электронный и позитронный - расположены в одном тоннеле. Каждый из них рассчитан на энергию ускоренных частиц 250 ГэВ на первом этапе и 400 ГэВ на втором. Длина каждого ускорителя равна 14.4 км. Ускоряющий градиент в ускоряющих резонаторах - 23.4 МэВ/м.
Ускоряющая система представляет собой последовательную цепочку сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, установленных внутри криогенных модулей, для обеспечения рабочей температуры резонаторов 2 К. В каждом криомодуля устанавливается 12 ускоряющих резонаторов. СВЧ питание каждого резонатора осуществляется через индивидуальное устройство ввода мощности, имеющее на входе волновод прямоугольного сечения, расположенный вне криомодуля при комнатной температуре. Всего в каждом ускорителе будет 10296 ускоряющих резонаторов в 858 криомодуля. В качестве источников СВЧ мощности планируется использование клистронов Thales ТН 1801 с твердотельными задающими СВЧ-генераторами. Для СВЧ питания ускоряющих резонаторов на первом этапе потребуется 572 клистрона. Таким образом, один клистрон ТН 1801 с двумя выходными волноводами питает 36 ускоряющих резонаторов, расположенных в 3-х криомодуля. СВЧ мощность из каждого выходного волновода должна быть распределена между 18-ю ускоряющими резонаторами, расположенными в полутора криомодуля. На втором этапе число питающих клистронов удвоится, чтобы удвоить входную мощность каждого резонатора. Для питания клистронов используются модуляторы, включающие накопители энергии, импульсные коммутаторы и импульсные трансформаторы.
В настоящее время рассматривается две схемы системы СВЧ питания ускоряющих резонаторов: древовидная и последовательная. Один клистрон с двумя выходными волноводами питает 36 девятиячеечных резонаторов, расположенных в трех криомодулях. Причем имеется две идентичные подсистемы, каждая из которых питается от одного выходного волновода клистрона. В случае древовидной схемы мощность из каждого выхода клистрона делится с помощью 15 волноводных направленных ответвителей, каждый из которых рассчитан на переходное ослабление 3 дБ. В случае последовательной схемы мощность из каждого выхода клистрона направляется по последовательной цепочке волноводных направленных ответвителей. СВЧ мощность, ответвленная из каждого направленного ответвителя, направляется на вход устройства ввода мощности ускоряющего резонатора. Переходное ослабление каждого ответвителя выбрано так, чтобы СВЧ мощности питания всех ускоряющих резонаторов были равны в номинальном режиме. Первоначально регулировка уровня входной мощности каждого резонатора в рассматриваемых схемах не планировалась, и ускоряющий градиент во всех резонаторах должен был быть одинаковым.
Последовательная схема распределения мощности лучше согласуется с геометрией тоннеля и обеспечивает меньшие потери, чем в древовидной системе распределения, поскольку длинные параллельные волноводы в этом случае не используются. Подобная система питания уже работает в системе СВЧ питания сверхпроводящего ускорителя HERA (DESY). Она также успешно протестирована в установке TTF (TESLA Test Facility) [6]. Данная система питания резонаторов включает также ферритовые циркуляторы, нагрузки, устройства ввода мощности, коаксиально-волноводные устройства, ответвляющие часть мощности для систем контроля и управления, элементы волноводного тракта различной формы: волноводы, волноводные повороты, гофрированные волноводы. В качестве согласователя используется трехшлейфовый трансформатор.
Для проекта TESLA существует также другой вариант последовательной системы СВЧ питания ускоряющих резонаторов, соответствующий другой ускоряющей системе и другой конструкции криомодуля. В данном варианте в каждом криомодуле установлено шесть ускоряющих суперструктур, обеспечивающих тот же прирост энергии, что и 18 девятиячеечных резонаторов.
Коллайдер должен иметь систему распределения СВЧ мощности на основе устройств, выполненных на базе алюминиевых прямоугольных волноводов WR 770 (165,11x82,55 мм2). В этом случае только 4% мощности, генерируемой клистроном, теряется в волноводах, и 2% мощности теряется в циркуляторах.
Как показал опыт работы TTF [6] максимальный ускоряющий градиент, который достигается в сверхпроводящих резонаторах, не одинаков из-за особенностей технологии изготовления и различается от экземпляра к экземпляру. Это значение определяется в процессе тестов на высоком уровне мощности. При наладке всей ускоряющей системы мощность питания каждого ускоряющего резонатора должна соответствовать его максимальному ускоряющему градиенту. Это накладывает дополнительное требование на систему СВЧ питания ускоряющей системы, а именно, направленные ответвители должны быть регулируемыми в пределах ±1 дБ относительно своих номинальных значений.
Возможная флюктуация фазы ускоряющего поля в резонаторе
должна компенсироваться волноводным трансформатором (согласователем), установленным между резонатором и циркулятором. Требование фазовой стабильности определяется максимальным допустимым разбросом энергии в пучке. Принято, что система СВЧ питания должна обеспечить возможность регулировки фазы ускоряющего поля в каждом резонаторе в пределах ±50°.
Кроме этого возможные регулировки мощности СВЧ питания резонатора или тока ускоренного пучка при фиксированной величине внешней добротности резонатора приводят к появлению отражения СВЧ мощности от устройства ввода мощности. Это отражение должно быть скомпенсировано в системе СВЧ питания. Принято, что система СВЧ питания должна обеспечивать возможность согласования сопротивлений от ZB/З ДО 3ZB, где ZB - волновое сопротивление питающего волновода.
Диссертационная работа посвящена разработке элементов системы СВЧ питания, обеспечивающих выполнение этих трех функций, а именно, регулировку уровня мощности СВЧ питания, регулировку фазы ускоряющего поля и согласование входа каждого резонатора.
На защиту выносятся следующие результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:
1. Схема СВЧ питания сверхпроводящих ускоряющих резонаторов линейного коллайдера TESLA, содержащая ряд последовательно соединенных регулируемых направленных ответвителей для установки оптимального значения уровня мощности, подводимой к каждому резонатору, и ЕН-согласователи для регулирования фазы и коэффициента связи подводящего СВЧ тракта с резонаторами. Указанные устройства предназначены для заменены существующих нерегулируемых направленных ответвителей и ненадежных при работе трехшлейфовых трансформаторов без изменения конфигурации СВЧ тракта коллайдера.
2. Результаты разработки, создания и исследования ЕН-согласователя, выполненного на базе двойного волноводного тройника и подвижных короткозамыкающих поршней с автоматическим компьютерным управлением, позволяющего реализовать любое значение элементов матрицы рассеяния S или любое значение внешней добротности ускоряющего резонатора и регулировать фазу поля в резонаторе в диапазоне от 0 до 360 градусов.
3. Конструкция регулируемых волноводных направленных ответвителеи со связью по узкой стенке волноводов и с подвижными поршнями, расположенными в дополнительных волноводах, присоединенных к узким стенкам волноводов ответвителеи, обеспечивающих распределение СВЧ мощности генератора между ускоряющими резонаторами модуля и регулирование мощности питания каждого резонатора с целью достижения его предельного ускоряющего поля.
4. Конструкция и результаты расчета трех вариантов дроссельного коротко замыкающего поршня для ЕН-согласователя волновода сечением 165,1x82,55 мм , а так же конструкция и результаты расчета двух вариантов подвижных поршней для регулируемых направленных ответвителеи, обеспечивающих работу на высоком уровне мощности без ухудшения электрической прочности волновода.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения.
Во введении рассматриваются основные научные и технические задачи, возникающие при проектировании систем СВЧ питания сверхпроводящих ускорителей.
Первая глава посвящена анализу методов и схем распределения высокочастотной мощности генератора между ускоряющими резонаторами. Приведены описания двух рассматриваемых вариантов схем питания ускоряющих резонаторов коллайдера TESLA, обеспечивающих регулирование распределения мощности генератора между ускоряющими резонаторами, а также величины связи передающих волноводов с ускоряющими резонаторами и фазы поля в ускоряющих резонаторах.
Во второй главе описано создание регулируемого согласователя -ЕН-согласователя - выполненного на основе двойного волноводного тройника и подвижных короткозамыкающих поршней. Расчет двойного тройника и коротко замыкающих поршней выполнен методом численного моделирования при помощи электродинамической программы HFSS 5.5 с учетом требований необходимой электрической прочности. Испытания на низком уровне мощности продемонстрировали удовлетворительное соответствие рассчитанных и измеренных параметров и хорошую повторяемость параметров при перестройке ЕН-согласователя. Комплект изготовленного ЕН-согласователя, модуля управления, программного обеспечения и технической документации поставлены в DESY, где успешно прошли испытания.
Третья глава посвящена разработке регулируемых волноводных направленных ответвителей для последовательной схемы СВЧ питания ускоряющих резонаторов. Приведены результаты расчетов и испытаний макетов двух регулируемых направленных ответвителей с крайними для этой схемы значениями коэффициентов переходного ослабления (2 -4) дБ и (11,5-И 3,5) дБ, с коэффициентом направленности более 30 децибел во всем диапазоне изменения переходного ослабления.
В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы.
В приложении приведены сборочные чертежи разработанных устройств.
Работа выполнена в лаборатории СВЧ кафедры ЭФУ МИФИ (ГУ) в период с 1999 по 2003 год.
