Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. Ускоряющая структура форинжектора ВЭПП-5. 15
-
Регулярная ускоряющая ячейка. 16
-
Трансформатор типа волны. 20
-
Переходные ускоряющие ячейки и соединительная диафрагма. 24
-
Окончательная сборка ускоряющей структуры. 26
ГЛАВА 2. СВЧ нагрузка. 29
-
Введение 29
-
Корпус СВЧ нагрузки. 31
-
Резонансная ячейка. 34
-
Резонансная ячейка нагрузки средней мощности. 35
-
Резонансная ячейка мощной нагрузки. 36
-
Температурные режимы резонансных ячеек. 37
2.4 Окончательная сборка СВЧ нагрузки. 42
ГЛАВА 3. Приспособления для радиочастотных измерений
ускоряющей структуры и СВЧ нагрузки. 45
-
Измерения регулярных ячеек ускоряющей структуры, 47
-
Измерения трансформатора типа волны. 50
-
Настройка полуструктуры. 52
-
Измерения полуструктуры после пайки. 53
-
Приспособление для сварки двух полуструктур. 55
ГЛАВА 4. Магнитная система форинжектора ВЭПП-5, 57
-
Магнитная система группирователя. 57
-
Соленоиды. 59
-
Квадрупольные линзы. 63
-
Корректоры положения пучка. 67
-
Поворотные магниты и фокусирующий триплет. 68
ГЛАВА 5. Конверсионная система форинжектора ВЭПП-5. 74
5.1 Импульсный конверсионный магнит. 74
-
Проблемы разработки конверсионного магнита. 74
-
Возможные варианты построения требуемого магнита. 80
-
Выбор и обоснование принятого варианта. 82
-
Прототип конверсионного магнита. 85
-
Рабочий вариант конверсионного магнита. 87
5.2 Конструкция конверсионного магнита. 89
-
Корпус конверсионного магнита. 91
-
Обмотка конверсионного магнита. 93
5.3 Конверсионная мишень. 96
-
Энергетика и механика мишени. 96
-
Конструкция мишени. 98
-
Система «by-pass». 99
5.4 Экспериментальные результаты 100
-
Стендовые испытания конверсионной системы, 100
-
Запуск конверсионной системы. 102
ГЛАВА 6. Система диагностики пучка форинжектора ВЭПП-5. 105
-
Датчик положения пучка и заряда сгустка. 106
-
Проволочный датчик (Вторично-эмиссионный
профильный монитор). 107
-
Люминофорный датчик. 110
-
Магнитный спектрометр. 111
-
Пучковый датчик. 113
-
Принцип работы пучкового датчика. 114
-
Конструкция пучкового датчика. 115
-
Экспериментальные результаты работы пучкового датчика. 120
ГЛАВА 7. Система термостабилизации форинжектора ВЭПП-5. 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
ЛИТЕРАТУРА 135
ПРИЛОЖЕНИЯ 138
Введение к работе
Для проведения экспериментов по физике высоких энергий на современном уровне требуется высокая производительность, или светимость ускорительных комплексов на встречных электрон-позитронных пучках. Получение высокой светимости возможно лишь при наличии интенсивного источника позитронов с производительностью не менее 1010 позитронов в секунду. Максимальная производительность действующих в ИЯФ СО РАН позитронных источников на комплексах ВЭПП-2М и ВЭПП-3, ВЭПП-4 не превышает 1.8-10 позитронов в секунду. Такой производительности, к примеру, недостаточно, чтобы обеспечить проектную светимость строящегося в ИЯФ комплекса ВЭПП-2000. Дефицит позитронов наблюдался на всех работавших в ИЯФ установках со встречными электрон-позитронными пучками. Именно поэтому в 1990 году были начаты работы по созданию современного Инжекционного комплекса с интенсивным источником позитронов (более 1010 позитронов в секунду) на основе линейных ускорителей S-диапазона (2856 МГц).
Освоение новой технологии начиналось не на пустом месте. Основы разработки и производства вакуумных СВЧ изделий были заложены большой работой, проделанной в лаборатории № 4 ИЯФ СО РАН, под руководством В.Е. Балакина, в рамках проекта ВЛЭГШ. В процессе работы над этим [ф проектом были созданы не только новые технологии, но и специализированные участки по производству вакуумных СВЧ элементов X-диапазона (14 ГГц).
К сожалению, каждый СВЧ диапазон требует своих инженерных и конструкторских решений, поэтому нельзя было напрямую воспользоваться уже имевшимися разработками в Х-диапазоне. Уменьшение рабочей частоты с 14 до 3 ГГц приводит к соответствующему увеличению размеров изделий. Это потребовало создания не только новой оснастки, но и нового технологического оборудования, и, прежде всего, больших вакуумных печей для отжига и пайки изделий.
Достижение предельно высокого для S-диапазона темпа ускорения (50 МэВ/м) требовало качественно нового уровня чистоты внутренних поверхностей вакуумных СВЧ изделий. Для решения этой задачи в Экспериментальном производстве ИЯФ был создан участок чистых технологий. Иными словами, производство линейных ускорителей S-диапазона потребовало, с одной стороны, создания в ИЯФ СО РАН нового технологического комплекса, с другой стороны, принятия оригинальных инженерно-конструкторских решений практически по всем основным элементам системы.
В результате успешно проделанной работы, к настоящему времени создан и успешно испытан на проектных параметрах форинжектор ВЭПП-5 с интенсивным источником позитронов. В Таблице 1 приведены основные параметры, достигнутые на форинжекторе, в сравнении с параметрами аналогичных зарубежных комплексов.
Таблица 1. Параметры линейных ускорителей.
Как видно из Таблицы 1, позитронная система форинжектора ВЭПП-5 по своей эффективности превосходит все действующие в мире установки. Количественной характеристикой этой эффективности является выход позитронов, равный отношению числа ускоренных линейным ускорителем позитронов к числу падающих на мишень электронов, выраженному в процентах и делённому на энергию первичного электронного пучка, исчисляемую в Гигаэлектрон-вольтах. Такой результат был достигнут благодаря оригинальной конструкции импульсного согласующего магнита, создающего качественное магнитное поле, фокусирующее позитроны после мишени. Важно отметить, что форинжектор ВЭПП-5 является уникальной и единственной в России установкой такого рода. Более того, некоторые элементы форинжектора уникальны по своим параметрам и не имеют аналогов в мире. К таковым относятся: импульсный согласующий магнит позитронной системы [1], СВЧ нагрузки ускоряющих структур [2], пучковый датчик [3].
Данная работа посвящена разработке, конструированию и изготовлению основных элементов и систем форинжектора ВЭПГТ-5, На рис. 1 показана общая схема ускорителя. к^СЗ^^рОд? на е^Э^^&^Щ^^^^^^&^^&^в^^
8 не и) пи тіе ль- oxjcgumeto
f^^M" ІіД-І a
О3^*^ ВЭЖ0
Рис. і. Схема форинжектора ВЭПП-5.
1 - Электронная пушка, 2 - Субгармонические резонаторы, 3 - Магнитная система группирователя, 4 - Группирователь на основной частоте, 5 - Соленоид 2,5 кГс, б - Квадрупольная линза, 7 - Первая электронная ускоряющая структура (76 МэВ),
8 - Регулярная ускоряющая структура (54 МэВ), 9 - Корректор. Датчик положения пучка,
10-Шибер, 11 -Проволочный датчик, 12 —Магнитный спектрометр, 13-Пучковый датчик, 14 - Люминофорный датчик, 15 - Квадруггольная линза поворота,
16 - Поворотный магнит, 17 — Триплет, 18 - Конверсионная система, 19 - Катушка конвертора, 20 - Согласующая катушка, 21 - Соленоид 5 кГс, 22 - Первая позитронная структура.
Электронная пушка с импульсным питанием формирует пучок длительностью 2.5 не, с током 4 А на энергии 200 кэВ. Для эффективного захвата пучка линейным ускорителем необходимо уменьшить его длительность с 2500 до 20 пс. Что достигается продольным сжатием сгустка двумя резонаторами, работающими на 178 МГц (16-ой субгармонике основной частоты), и группирователем на основной частоте. Для сохранения поперечных размеров пучка процесс группировки идет в нарастающем магнитном поле. Далее идут два одинаковых, с точки зрения СВЧ, ускоряющих модулях, каждый из которых состоит из клистрона 5045 (SLAC), системы умножения мощности типа SLED и трёх ускоряющих структур работающих на бегущей волне с постоянным импедансом и набегом фазы на ячейку 2л/3. Рабочая частота системы 2856 МГц. Ускоряющая структура имеет длину 3040 мм и представляет собой круглый диафрагмированный волновод, согласованный по концам с прямоугольным волноводом, который имеет поперечные размеры 72 на 34 мм. По этому волноводу на вход структуры подается импульсная СВЧ мощность длительностью 0.5 мкс и величиной от 60 до 120 МВт. Длительность входного СВЧ импульса равна времени прохождения волной трехметровой ускоряющей структуры. Прошедшая через структуру СВЧ мощность полностью поглощается в согласованной нагрузке. Ускорение пучка производится в тот момент, когда СВЧ мощность достигает нагрузки, ускоряющая структура заполнена, и набор энергии пучком максимален. Формирование питающего СВЧ импульса происходит в системе умножения мощности. Последняя работает как накопитель высокочастотной энергии, аккумулирующий СВЧ энергию на протяжении основной части импульса клистрона длительностью 3 мкс, и сбрасывающий в ускоряющие структуры всю накопленную энергию за последние 0.5 мкс клистронного импульса. Процесс сброса энергии І& инициируется быстрым (за несколько наносекунд) изменением фазы падающей от клистрона СВЧ волны на 180 градусов. В результате, на выходе системы умножения, мощности формируется СВЧ импульс длительностью 0.5 мкс и мощностью 240 МВт, который затем делится двумя 3 дБ мостами между тремя ускоряющими структурами модуля в соотношении 2:1:1. В первую структуру направляется половина всей СВЧ мощности, а оставшаяся половина делится поровну между второй и третей структурами. Ускоряющие структуры одинаковы. Один такой модуль при мощности клистрона в 60 МВт ускоряет пучок до энергии 180 МэВ. В состав модуля также входят элементы магнитной фокусирующей системы, системы диагностики пучка и системы термо стабилизации. 285 МэВ-ный электронный ускоритель включает в себя весь первый ускоряющий модуль и две структуры с пониженным темпом ускорения из второго модуля. Третья структура второго модуля расположена после изохронного поворота и является первой позитронной структурой. Для измерения энергетического спектра и полного заряда в пучке на выходе второй структуры первого модуля используется 180-ти градусный магнитный спектрометр с секционированным цилиндром Фарадея. Это устройство позволяет измерять энергетический спектр и заряд пучка с точностью 2%. Сразу после изохронного ахроматического поворота расположен триплет, фокусирующий электронный пучок на конверсионную мишень. Мониторы поперечного профиля пучка, расположенные в повороте, обеспечивают _ измерение энергии и энергетического разброса в пучке [4, 23]. После первой позитронной структуры идут два одинаковых модуля, состоящие из четырех ускоряющих структур. СВЧ мощность распределяется между структурами равномерно. Эти два модуля, также как и два первых, включают в себя элементы магнитной системы, системы диагностики и термо стабилизации. Один модуль ускоряет пучок до 216 МэВ при мощности клистрона 60 МВт. Таким образом, в позитронный ускоритель входит девять ускоряющих структур, которые ускоряют пучок до 510 МэВ. Стабильная работа ускорителя
Ш в односгустковом режиме требует хорошего постоянства амплитуд и фаз ВЧ на входе группирующих элементов и надежного контроля за продольной структурой пучка. Контроль за продольным распределением заряда в сгустке осуществляется с помощью так называемого пучкового датчика [3]. Этот оригинальный метод неразрушающей диагностики пучка был разработан и применён на Инжекционном комплексе ВЭПП-5.
Первая глава работы посвящена конструкции, особенностям и основным этапам изготовления ускоряющей структуры. В начале главы
11 приводится описание конструкции структуры. Далее в первом, втором и третьем пунктах описаны три наиболее важных элемента структуры - ускоряющая ячейка, трансформатор типа волны и переходной узел, позволяющий наращивать длину структуры [5, 6]. В каждом пункте даны описание конструкции и основные этапы изготовления элементов. Так, для ускоряющей ячейки важным является вопрос о сохранении внутренних размеров на всех этапах изготовления и в конечном изделии. В четвертом пункте описана окончательная сборка ускоряющей структуры.
Во второй главе освещены аналогичные вопросы, относящиеся к СВЧ нагрузке. Введение посвящено конструкции нагрузки, требованиям, предъявляемым к нагрузке, а так же здесь дается объяснение необходимости изготовления трех вариантов нагрузок, различающихся уровнем принимаемой мощности. Вторая часть главы рассказывает о корпусе нагрузки, его конструкции и изготовлении. Третья часть посвящена резонансным ячейкам. Так как для нагрузок разной мощности потребовались разные резонансные ячейки, то в первый и второй подпункты третьей части главы рассказывают о резонансной ячейке нагрузки средней мощности и резонансной ячейке мощной нагрузки. Здесь указаны требования к ячейкам, представлены конструкции и особенности изготовления. В третьем подпункте приведены температурные режимы ячеек. Четвертая часть посвящена окончательной сборке СВЧ нагрузки.
Изготовление СВЧ элементов требует постоянного радиочастотного контроля в течение всего процесса изготовления. Для проведения измерений разработано и изготовлено несколько приспособлений, описанных в третьей главе данной работы. Первые два пункта описывают измерения регулярных ускоряющих ячеек и трансформаторов типа волны на универсальном приспособлении. Здесь дана конструкция приспособления, приведены требования, предъявляемые к проведению измерений и способы их реализации. Во второй части также представлены схема и конструкция приспособления для измерения трансформатора типа волны, полуструктуры и ускоряющей структуры при помощи подвижного плунжера. Третья часть посвящена настройке полуструктуры перед пайкой, а четвертая измерениям уже спаянной полуструктуры. Здесь приведены два метода измерений и способы их реализации. Метод короткозамкнутого поршня и метод малых возмущений. После пайки двух полуструктур производится установка соединительной диафрагмы и сварка их друг с другом. Сварка проводится на специальном приспособлении при постоянном радиочастотном контроле. Разработанная конструкция приспособления и этапы окончательной сварки ускоряющей структуры даны в пятой части третьей главы.
Четвертая глава посвящена магнитной системе форинжектора. В первой части представлена магнитная система группирователя, даются требования к системе и ее конструкция. Во второй части описаны соленоиды. На ускорителе установлены два соленоида с полем 2,5 и 5 кГс на первой электронной и первой позитронной ускоряющих структурах соответственно. Кроме того, перед позитронным соленоидом располагаются согласующая катушка и катушка конвертора. В этой части приведены конструкции, способы изготовления и параметры вышеуказанных элементов. В линейном ускорителе энергия пучка постоянно увеличивается и для квадрупольной фокусировки требуются линзы с постоянно увеличивающимся градиентом поля. Третья часть рассказывает о квадрупольных линзах прямолинейных \ЩЬ участков форинжектора. Здесь приведены формулы для расчета каждой квадрупольной линзы, а также особенности изготовления и расположения. В четвертой части главы показана разработанная конструкция корректоров положения пучка, устанавливаемых в промежутках между ускоряющими структурами, их типы и параметры. В пятой части даны конструкции и параметры элементов изохронного поворота и фокусирующего триплета. В изохронный поворот входят три поворотных магнита, пять квадрупольных линз и триплет.
Пятая глава работы посвящена конверсионной системе форинжектора. Основной частью системы является импульсный конверсионный магнит, который представлен в первом пункте главы. При разработке конверсионного магнита приходится решать три основные проблемы в отношении механики, энергетики и оптики таких импульсных устройств. Описание и возможные пути решения этих проблем освещены в первом и втором подпунктах. Далее показан выбор и обоснование принятого варианта импульсного магнита. В четвертом и пятом подпунктах приведены описания прототипа и рабочего варианта магнита. Разработанная конструкция и особенности изготовления рабочего варианта импульсного магнита дана во втором пункте пятой главы. Более подробно здесь выделены корпус и обмотка, как основные элементы магнита. Следующий пункт посвящен конверсионной мишени. Здесь присутствует описание энергетики и механики мишени, ее конструкция, а также описание возможности инжекции в ускоритель электронного пучка в обход мишени. В четвертом пункте приводятся экспериментальные результаты, полученные при испытаниях магнита на стенде и при штатной работе системы на форинжекторе.
Важной частью форинжектора является система диагностики пучка в номинальном режиме и в режиме отладки. Разработанным элементам данной системы посвящена шестая глава. В пяти подпунктах главы описываются датчик положения пучка и заряда сгустка, вторично-эмиссионный Л профильный монитор, люминофорный датчик, магнитный спектрометр и пучковый датчик. Акцент сделан на конструкциях, особенностях изготовления и параметрах элементов.
Седьмая глава посвящена системе термостабилизации СВЧ элементов форинжектора необходимость, в которой обусловлена тем, что незначительное изменение температуры элементов приводит к существенному изменению их параметров, что соответственно приводит к увеличению энергетического разброса в пучке. С другой стороны, изменяя температуру элементов можно скорректировать погрешности их изготовления. Здесь даны требования к системе, описан макет системы, проверенный на прототипе ускоряющей структуры, сформулированы зависимости температуры структуры от мощности тепловыделения и расхода воды. Приведена схема, принцип работы и элементный состав системы термо стабилизации.
В заключении приводятся основные результаты работы.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
Разработка, изготовление и запуск в работу, как основных систем и элементов форинжектора ВЭПП-5, так и ускорительного комплекса в целом.
Разработка конструкции и технологии изготовления ускоряющей структуры на рабочую частоту 2856 МГц, При создании изделия наряду с известными методами и подходами было использовано и большое число оригинальных разработок. Например: трансформатор типа волны, который сочетает в себе несколько функций, конструкция соединительного узла и сама технология соединения полуструктур [5].
Разработка конструкции и технологии изготовления волноводных вакуумных СВЧ нагрузок, перекрывающих весь диапазон поглощаемой импульсной мощности от 5 МВт до 120МВт.
Разработка конструкции и технологии изготовления импульсного конверсионного магнита.
5. Разработка элементов конструкции пучкового датчика. Материалы диссертационной работы были опубликованы в работах [2,3,4,5,6,21,23]. Результаты докладывались на научных семинарах Института Ядерной Физики им. Будкера, CERN (Швейцария), SLAC (США), КЕК (Япония), на российских и международных конференциях.
