Методика и устройства для определения диэлектрической проницаемости материалов, используемых в электрофизических установках Сулимов Алексей Александрович

Содержание к диссертации

Введение 5

Глава 1. Методика измерений комплексной диэлектрической

проницаемости на СВЧ. 10

1. Анализ способов измерений для различных значений комплексной диэлектрической постоянной. 10

2. Применение компьютерного моделирования. 12

3. Исследования на волне Е₀ю в цилиндрическом резонаторе. 14

4. Исследования на волне Е₀ю в коаксиальном резонаторе. 17

1.3. Оценка погрешности методики определения КДП. 19

5. Оценка погрешности измерений. 20

6. Оценка погрешности программного моделирования. 26

4. Реализация метода измерения комплексной диэлектрической проницаемости для образцов произвольной геометрической формы. 26

5. Апробация предложенной методики в S-частотном диапазоне. 28

1. Расчет и измерения на колебаниях вида Е₀ю. 29

2. Расчет и измерения на колебаниях вида Hon. 32

1.6. Выводы. 34

Глава 2. Измерение комплексной диэлектрической

проницаемости керамических окон для узла ввода

мощности коллайдера TESLA. 36

3. Актуальность проведения работ. 36

4. Оптимизация размеров цилиндрического резонатора. 40

5. Учет формы образца и металлизации торцевых пазов. 43

6. Выбор конструкций устройств измерения. 45

7. Резонатор с дроссельным сочленением. 45

8. Резонатор с запредельным волноводом. 49

9. Экспериментальные испытания. 51

2.5. Разработка устройства отбраковки керамических окон в
условиях вакуума при температуре 70 К. 56

10. Влияние размеров центрирующих канавок на характеристики резонатора. 57

11. Влияние температуры на характеристики резонатора. 60

12. Влияние размеров образцов на точность измерения. 63

13. Экспериментальные исследования. 65

2.6. Исследование керамического окна с металлическими
кольцами. 67

14. Измерения в S-частотном диапазоне. 70

15. Измерения в L-частотном диапазоне. 71

16. Результаты исследований. 73

2.7. Выводы. 74

Глава 3. Измерение комплексной диэлектрической

постоянной образцов сложной формы с малыми

потерями в широком диапазоне относительной

диэлектрической проницаемости. 75

3.1. Измерение характеристик бериллиевых керамик с

8 = 50-70. 75

17. Устройства измерения в различных диапазонах частот. 76

18. Экспериментальные данные. 77

19. Результаты компьютерного моделирования. 80

20. Влияние геометрических размеров образцов на точность определения относительной диэлектрической проницаемости. 82

3.1.5. Измерение и расчет тангенса угла диэлектрических

потерь. 83

3.2. Измерение характеристик вспененных пластиков с

є < 1.1. 85

21. Анализ возможности двухмерного решения задачи. 85

22. Расчет геометрий образцов и типов волн, не обладающих азимутальной симметрией. 95

23. Оценка волноводных методов измерения на частоте

3.0 ГТц. 101

3.3. Выводы. 104

Заключение 105

Литература 108

Введение к работе

Ускорители заряженных частиц (УЗЧ) являются в настоящее время не только основным средством исследований в области фундаментальных свойств материи, физики элементарных частиц и атомного ядра, но и находят широкое применение в промышленности, медицине и других сферах деятельности человека.

Развитие научной деятельности, как в фундаментальном, так и в прикладном направлении, стимулирует потребность в пучках заряженных частиц на все большую энергию. Для их получения разрабатываются проекты таких УЗЧ - коллайдеров, как Large Hadron Collider (LHC) [1] на 7 ТэВ, TeV Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA) [2-8] на 0.5-0.8ТэВ, Japan Linear Collider / Next Linear Collider (JLC/NLC) [9-10] на 0.5-1.0ТэВ, Compact Linear Collider (CLIC) [11] до ЗТэВ и т. д. Реализация таких проектов требует больших капиталовложений, и поэтому она осуществляется совместными усилиями многих стран мира. Для получения финансирования на строительство УЗЧ необходима минимизация затрат на его элементы и материалы, которые в свою очередь должны удовлетворять поставленным техническим и эксплуатационным задачам.

Работы над проектами создания коллайдеров [12, 13] ведутся в нескольких направлениях, в том числе конструктивно-техническом -нахождение оптимальных характеристик узлов вакуумной откачки, СВЧ питания, транспортировки и ускорения пучков заряженных частиц. Здесь одной из доминирующих является проблема выбора материалов: сверхпроводящих металлов, газов и жидкостей для систем питания и охлаждения магнитов и ускоряющих структур, а также изолирующих диэлектриков.

Вопрос диагностики характеристик и качества изолирующих материалов наиболее остро стоит при создании систем питания и передачи мощности через СВЧ тракты в элементы коллайдеров [14-20]. На сегодняшний день наиболее распространенными материалами для использования в качестве СВЧ окон трансформаторов типа волны и линий передач высокой энергии на СВЧ являются алюминиевые и бериллиевые керамики [21-29].

Наряду с изолирующими характеристиками и предельным напряжением, которые могут выдерживать такие диэлектрики, необходимо для каждого материала знать комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП).

Проблема разработки методики и создание экспериментальной установки для определения диэлектрических характеристик цилиндрических керамических окон в условиях их серийного производства возникла в связи с созданием коаксиальных и волноводных вводов мощности для сверхпроводящих резонаторов линейного электрон-позитронного коллайдера TESLA [14, 15, 18, 19], который создается в научном ускорительном центре DESY (Гамбург, Германия).

Поскольку СВЧ окна, используемые в узлах ввода мощности коллайдеров, работают не только при комнатной температуре, но и при температуре жидкого азота, важно определить диэлектрическую постоянную и тангенс угла потерь при этих условиях.

Подавляющее большинство современных методов измерения диэлектрических характеристик изолирующих материалов [30 - 46] позволяет проводить анализ только над образцами простейшей геометрической конфигурации (цилиндр, сфера или призма). Причем для упрощения вычислений часто требуется, чтобы диэлектрик заполнял измерительный объем полностью либо по длине, либо по поперечному сечению (для малых величин є материала) или размеры образца были малы по сравнению с габаритами установки (для больших значений б). Такие требования не всегда можно удовлетворить. Это связано в основном с тем, что уже изготовленный образец сложной геометрической формы нельзя подвергать дальнейшей механической обработке, после которой восстановить его нельзя. Именно такие случаи послужили поводом для создания новой методики измерения комплексной диэлектрической проницаемости.

Хотя предполагаемый диапазон измерения относительной диэлектрической проницаемости алюминиевых керамик невелик (є=8-П0), в элементах электрофизических установок применяются различные материалы, є которых имеет значительные отклонения от этой величины. В связи с этим методика определения КДП должна быть универсальна и удовлетворять потребностям диагностики материалов как для є менее 1.1, так и для больших значений относительной диэлектрической постоянной до 100.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:

1. Методика определения комплексной диэлектрической проницаемости для образцов сложной геометрической формы, основанная на использовании результатов резонансных измерений и компьютерного моделирования.

2. Результаты апробации разработанной методики в S- частотном диапазоне на колебаниях Е и Н для образцов с известными характеристиками. Сравнение этих данных с аналитическим расчетом.

3. Результаты и данные экспериментальных исследований конструктивных решений устройств отбраковки в условиях серийного производства керамических окон для узлов ввода мощности линейного сверхпроводящего коллайдера TESLA.

4. Разработанные конструкции и создание серии устройств измерения комплексной диэлектрической проницаемости как при нормальных условиях, так и под вакуумом при температуре жидкого азота для линейного коллайдера TESLA.

Данные измерений комплексной диэлектрической проницаемости материалов с є менее 1.1. Сравнительный анализ волноводного и резонансного метода измерения диэлектриков.

Результаты измерений для материалов с большой величиной относительной диэлектрической проницаемости (є=15ч-70) в устройствах на частотах 1-5 ГГц

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения.

В первой главе кратко рассмотрены критерии выбора метода определения комплексной диэлектрической проницаемости и приведен анализ известных способов измерения на СВЧ, среди которых различают три основных: резонансный, волноводный и антенный. Проведены тестовые расчеты (компьютерные), которые смогли бы охарактеризовать точность различных программ компьютерного моделирования по сравнению с аналитическим решением. Предложена новая методика определения КДП материалов для образцов произвольной формы, основанная на резонансном способе измерения и на данных компьютерного моделирования.

Во второй главе приведены данные компьютерного моделирования и эксперимента на изготовленных макетах устройств отбраковки керамических окон узлов ввода мощности линейного сверхпроводящего коллайдера TESLA ускорительного центра DESY (Германия). Представлены результаты исследований по определения КДП для образцов с металлическими оправками.

В третьей главе приведены данные расчета и результаты измерений для элементов радиоэлектронных устройств с большой величиной относительной диэлектрической проницаемости (до 70). Измерения КДП производились в различных частотных диапазонах от 1.6 до 4.6 ГГц. Для этого использовались три устройства: с дроссельным сочленением, с запредельным волноводом и с прижимным контактом. Представлены данные компьютерного моделирования и эксперимента на изготовленных макетах устройств измерения относительной диэлектрической проницаемости материалов с є меньше 1.1. Определялась КДП двух материалов, образцы которых были изготовлены в виде пластин 4-5 мм.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Работа выполнена в лаборатории СВЧ кафедры ЭФУ Московского инженерно-физического института (государственного университета) в период с 1999 по 2003 гг.

Похожие диссертации на Методика и устройства для определения диэлектрической проницаемости материалов, используемых в электрофизических установках

Низкополевая эмиссия с обращенных к плазме материалов термоядерных установокСинельников Дмитрий Николаевич

Измерение сечений образования радиоактивных продуктов в протонных реакциях мишенных и конструкционных материалов электроядерных установокКарпихин Евгений Игоревич

Комплексные исследования физических процессов при взаимодействии мощных потоков плазмы с материалами термоядерных установокСафронов, Валерий Михайлович

Эрозия поверхности конструкционных материалов плазменных установок при облучении интенсивными полиэнергетическими потоками частиц водородаЧихарев, Николай Владимирович

Численное моделирование процессов теплопереноса и фазовых переходов в материалах электрофизических установок при воздействии на них интенсивных тепловых потоков Григорьев Сергей Анатольевич

Динамика температурных полей при направленном синтезе борсодержащих материалов для ядерных установокИсаченко Дмитрий Сергеевич

Использование технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для создания функциональных борсодержащих материалов ядерных энергетических установокДемянюк Дмитрий Георгиевич

Взаимодействие ионов дейтерия с вольфрамовыми материалами для термоядерных установокГолубева Анна Владимировна

Физические процессы при очистке материалов стенок термоядерных установок от кислорода в водородной плазмеКузьмин, Арсений Александрович

Экспериментальные исследования и разработка углеродосодержащих материалов для компонент термоядерных установок, обращенных к плазмеБурцева, Татьяна Анатольевна