Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ПРОВОДЯЩИМИ ШАЙБАМИ И ДИАФРАГМАМИ ГО
I.I. Бипериодические ускоряющие структуры ГО
Г.2. Особенности и основные характеристики ускоряющей структуры с проводящими
шайбами и диафрагмами 14
1.3. Измерение радиотехнических параметров ускоряющей системы 22
1.4. Обработка результатов радиотехнических измерений 33
2. СТАБИЛЬНОСТЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УСКОРЯЮЩЕГО ПОЛЯ В СТРУКТУРЕ С ПРОВОДЯЩИМИ ШАЙБАМИ И ДИАФРАГМАМИ
2.1. Оценка отклонений частот отсеков структуры при различной точности изготовления модулей 41
2.2. Влияние погрешностей изготовления модулей на распределение ускоряющего
поля и энергетические характеристики структуры 56
2.3. Оптимальное расположение по частоте боковых видов колебаний в ускоряющей
структуре с шайбами и диафрагмами з
3. НЕРАБОЧИЕ КОЛЕБАНИЯ В ОКРЕСТНОСТИ РАБОЧЕЙ ВОЛНЫ УСКОРЯЮЩИХ СЕКЦИЙ. 83
3.1. Определение типа нерабочих колебаний. Дисперсионные свойства 83
3.2. Зависимость частоты нерабочих колебаний от размеров и конструктивных элементов
структуры. Энергетические характеристики 91
3.3. Способы смещения нерабочих колебаний по частоте 97
4. МЕТОДИКА РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ УСКОРЯЮЩИХ СЕКЦИЙ 114
4.1. Конструкция и технология изготовления ускоряющих секций 114
4.2. Настройка ускоряющей секции на рабочую частоту 119
4.3. Выравнивание ускоряющего поля по длине секции 136
5. РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА УСКОРЯЮЩИХ РЕЗОНАТОРОВ 145
5.1. Конструктивные особенности ускоряющего резонатора. Мостовое устройство 145
5.2. Радиотехнические характеристики резонатора, состоящего из ускоряющих секций и мостовых устройств 152
5.3. Методика радиотехнической настройки ускоряющих резонаторов 158
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 168
ЛИТЕРАТУРА 1
Введение к работе
Широкий круг фундаментальных исследований в области ядерной физики средних энергий, а также ряд прикладных задач обусловили разработку и сооружение сильноточных ускорителей протонов - мезонных фабрик. В СССР в настоящее время близится к завершению сооружение мезонной фабрики Института ядерных исследований АН СССР. Среди основных направлений, по которым будут вестись исследования на мезонной фабрике ИЯИ АН СССР, можно выделить следующие: поиск фундаментальных взаимодействий с нарушением барионного, лептонного и мюонного квантовых чисел; проблемы квантовой хромодинаміки; структура ядра и мезоядерные взаимодействия; физика твердого тела, а также прикладные исследования, необходимые для народного хозяйства и здравоохранения - ,
Основой ускорительно-накопительного комплекса мезонной фабрики ИШ АН СССР является линейный ускоритель протонов и отрицательных ионов водорода на энергию 600 МэВ и суммарный средний ток 0,5 I мА »J/. При разработке ускорителя решение проблемы экономичности в первую очередь было связано с созданием ускоряющей структуры основной части ускорителя в диапазоне значений энергии 100 -г 600 МэВ с высокой стабильностью распределения ускоряющего поля и достаточно большим шунтовым сопротивлением. В качестве такой структуры была выбрана предложенная В.Г.Андреевым ускоряющая структура с проводящими шайбами и диафрагмами /. Эта структура обеспечивает высокую стабильность распределения ускоряющего поля, практически не уступая по энергетическим характеристикам известным бипериодическим ускоряющим структурам. 13 последнее время наблюдается повышенный интерес к использованию ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами в различных ускорительных установках, среди которых мошю назвать следующие: пионный генератор для медицинских исследований PIGMI (США) 5 , нейтронный генератор SNQ (ФРГ) 6 , электронное накопительное.
Ускоряющая структура с проводящими шайбами и диафрагмами на сегодняшний день по мнению ряда исследователей, например/8,9 , является оптимальной для высокоэнергетической части сильноточных ускорителей протонов следующего поколения со средними токами порядка сотен миллиампер на энергии до единиц гигаэлектронвольт, предназначенных для решения проблем энергетики - создания электроядерных реакторов и генераторов интенсивных потоков нейтронов. Эта структура впервые реализуется в ускоряющих секциях основной части линейного ускорителя мезонной фабрики ИЯИ АН СССР (ЛУ МФ).
Результаты проведенных в данной работе исследований необходимы для сооружения ускоряющей системы основной части ЛУ МФ ИЯИ АН СССР и могут быть полезны при разработке ускорителей на основе ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами.
Ускоряющая система основной части ЛУ МФ ИЯИ АН СССР состоит из 27 ускоряющих и одного согласующего резонаторов. Большое количество ускоряющих секций структуры с шайбами и диафрагмами (109), каждая из которых содержит в среднем по 22 отдельных модуля, потребовало исследований влияния погрешностей изготовления на радиотехнические параметры структуры и разработки методики настройки, направленных на сокращение времени и трудоёмкости при сооружении ускоряющей системы. Исследование чувствительности распределения ускоряющего поля к различного рода возмущениям необходимо как для выбора правильной технологии изготовления и методики настройки, так и для обеспечения нормальной работоспособности ускорителя. Исследования характеристик нерабочих колебаний в ускоряющей структуре позволяют выбрать способ устранения их нежелательного воздействия на параметры ускоряющей системы и мэгут быть полезны при изучении вопроса поперечной неустойчивости пучка заряженных частиц в сильноточных ускорителях.
Изучению данных вопросов и разработке методики радиотехнической настройки ускоряющих резонаторов основной части ЛУ МФ посвящена настоящая работа.
Автор защищает:
- использованную методику экспериментальных исследований и разработанные алгоритмы обработки результатов измерений радиотехнических параметров ускоряющей системы;
- результаты анализа влияния погрешностей изготовления ускоряющей структуры с шайбами и диафрагмами на её радиотехнические параметры;
- результаты определения оптимального с точки зрения стабильности распределения ускоряющего поля расположения боковых видов колебаний по частоте относительно рабочего вида на дисперсионной характеристике ускоряющих секций ЛУ МФ;
- результаты исследования нерабочих колебаний, возбуждающихся в ускоряющих секциях в непосредственной близости по частоте к рабочему виду; способы их смещения по частоте, позволяющие обеспечить настройку ускоряющей системы
и нормальное функционирование систем автоматического регулирования; - методику радиотехнической настройки ускоряющих секций резонаторов основной части ЛУ МФ, позволяющую получить требуемые параметры с минимальными затратами времени на механическую обработку;
- способ выравнивания распределения ускоряющего поля по длине секции с учетом технологических особенностей при пайке в водородной печи;
- методику радиотехнической настройки многозвенной колебательной системы - ускоряющего резонатора основной части ЛУ МФ.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения.
В первом разделе рассмотрены различные типы ускоряющих структур для линейных ускорителей протонов на энергии свыше 100 МэВ. Приведены основные характеристики и особенности ускоряющей структуры с проводящими шайбами и диафрагмами. Систематизированы методы измерения радиотехнических параметров ускоряющих структур. Описана схема измерения распределения ускоряющего поля на основе генератора с электронной перестройкой частоты под частоту исследуемого резонатора. Приведены алгоритмы обработки результатов измерений радиотехнических параметров.
Второй раздел посвящен исследованию стабильности распределения ускоряющего поля в структуре с шайбами и диафрагмами. Сделаны оценки отклонений частот ускоряющего отсека и отсека связи при различных классах точности изготовления модулей ускоряющих секций. Проведено экспериментальное исследование влияния изменения размеров модулей на распределение ускоряющего поля в секциях. Экспериментально и расчетным путем с использованием метода связанных контуров определена величина оптимальной несимметрии боковых видов колебаний относительно рабочего вида на дисперсионной характеристике ускоряющих секций.
В третьем разделе приведены результаты исследования нерабочих колебаний, возбуждающихся в ускоряющих секциях в непосредственной близости по частоте к рабочему виду колебаний. Определён тип нерабочих колебаний; исследованы дисперсионные свойства и энергетические характеристики, а также влияние размеров и конструктивных элементов секции на частоту нерабочих колебаний. Рассмотрены нерезонансные и резонансные способы смещения нерабочих колебаний по частоте. Описана работа комбинированных щелей -способа удаления нерабочих колебаний по частоте из окрестности рабочего вида, принятого в ускоряющих секциях ЛУ МФ ИЯИ АН СССР.
Четвертый раздел содержит описание разработанной и усовершенствованной методики радиотехнической настройки ускоряющих секций. Приведены особенности конструкции и технологии изготовления ускоряющих секций. Настройка на рабочую частоту включает в себя настройку регулярных отсеков по группам модулей с коррекцией на последующей группе, достижение оптимальной величины несимметрии боковых видов колебаний относительно рабочего по частоте и настройку крайних отсеков. Описан способ выравнивания распределения ускоряющего поля по длине с учетом смещения шайб в процессе пайки блоков модулей секции. Радиотехническая настройка ускоряющих секций № МФ ИЕИ АН СССР ведется по данной методике, в настоящее время по ней настроено более 40 ускоряющих секций.
В пятом разделе приведена методика настройки ускоряющего резонатора основной части ЛУ МФ, состоящего из четырех секций, трех мостовых устройств и двух закороченных отрезков волновода на краях резонатора. С помощью метода связанных контуров описано поведение резонатора как единой колебательной системы. Методика настройки, включающая в себя получение рабочего значения частоты, линеаризацию дисперсионной характеристики резонатора в районе рабочего вида колебаний и выравнивание уровней ускоряющего поля в соседних секциях, основана на изменении радиотехнической длины мостовых устройств. Приведены результаты настройки первого резонатора основной части М МФ.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Работа выполнена в Отделе ускорительного комплекса ИЯИ АН СССР в период с 1976 по 1983 год.