Разработка ускоряющей системы и испытания СВЧ устройств ВЛЭПП Шемелин, Валерий Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность темы. Потребности физики элементарных частиц тимулируют экспериментаторов создавать установки на все более вы-окие энергии взаимодействия ускоряемых частиц.

Качественный скачок в экспериментально доступных энергиях реакцій произошел в 60-х годах благодаря освоению метода встречных пуч-ов. Для этого пришлось создать циклические накопители, обеспечивающие светимость как за счет плотности взаимодействующих пучков так і за счет многократного их взаимодействия в циклических машинах.

Однако синхротронное излучение, присущее циклическим ускорите-[ям, ограничивает предельно достижимую энергию встречных пучков лектронов и позитронов величиной примерно 2 х 100 ГэВ.

В конце 60-х годов в институте ядерной физики в Новосибирске ;ачато исследование возможности использования встречных линейных лектрон-познтронных пучков для прорыва в область энергии 2x1 ТэВ. Іри переходе от многократных столкновений в циклических машинах к днократным — в линейном ускорителе — вновь стал вопрос повышения ветимости, так же как и вопрос о быстром наборе необходимой энергии :ри однократном прохождении частиц через ускоритель.

Возникла необходимость на порядок увеличить темп ускорения — до 00 МэВ/м — чтобы сохранить в разумных пределах длину такого уско-штеля и обеспечить субмнкронные поперечные размеры сгустков в месте стречи при достаточно высоком заряде — для обеспечения приемлемой ветимости.

Для ускорения таких пучков требуется перейти на более высокие, чем ; традиционных ускорителях, частоты и увеличить мощность источнн-:ов СВЧ на 2-3 порядка.

В конце 80-х годов разработка метода встречных линейных пучков іриобрела международный характер. Кроме России активное участие в тих работах принимают США, Япония, Германия, Швейцария (ЦЕРН).

Одной из важнейших частей ускорителя является СВЧ системе включающая в себя источники питания, ускоряющие секции и соединя ющий их волноводныи тракт с устройствами измерения и перераспреде ления мощности.

Ранее было показано (В.Е. Балакин, О.Н. Брежнев, 1985 г.), что пр соблюдении требований вакуумной технологии, при обработке алмазны] инструментом и сборке ускоряющих структур в обеспыленных помеще ниях достижим темп ускорения 90 МэВ/м в секциях, состоящих из мне гих резонаторов.

Особенностью линейного коллайдера на сверхвысокую энергию явт ется необходимость серийного изготовления множества сложных устрой( в том числе ускоряющих секций.

При высокой мощности питания встает вопрос об электрической про¹: ности СВЧ устройств, входящих в тракт питання секции.

Основная цель данной работы состояла в разработке ускоряюще секции на рабочую частоту 14 ГГц, изготовление которой может быт осуществлено в условиях серийного производства по технологии, обе< печивающей высокий ускоряющий градиент. Кроме того, была посте влена цель изучить условия обеспечения высокой электрической про¹ ности СВЧ тракта и возможности контроля прочности СВЧ устройсті входящих в ускоряющую систему ВЛЭПП.

Научная новизна.

1. Обоснована конструкция, геометрия и допуски на размеры ячеек трансформаторов типа волны для ускоряющей секции ВЛЭПП.

2. Разработана методика измерения собственных частот ячеек струї туры и секции в целом с учетом влияния атмосферных условии и аі паратурных возможностей, использованная для селективной сборк секций.

3. Изготовлены трансформаторы типа волны на рабочую частоту 1 ГГц и определены требования к ним с учетом необходимого согл; сования н перенапряжений. Разработана диафрагмированная согл; сованная нагрузка для измерений ТТВ, не ухудшающая рабочу полосу.

4. Изготовлены ускоряющие секции коллайдера на 14 ГГц в условия серийного производства по технологии, обеспечивающей высоки ускоряющий градиент.

5. Разработан резонатор бегущей волны на 14 ГГц, обладающий коэффициентом усиления по мощности 5-10 раз и пригодный для испытания СВЧ устройств при мощности порядка 100 МВт.

S. На основе резонансного кольца как модели мощного тракта отработаны элементы вакуумных стыков, обеспечивающие передачу мощности по тракту на уровне более 100 МВт.

7. Проведены цсппытания ряда СВЧ устройств: отрезка волновода, выходных окон, направленного ответвителя — на электрическую прочность при мощности от 40 до 145 МВт.

8. Выполнено компьютерное моделирование процесса накопления мощности в РБВ и аналитические расчеты, дающие новую информацию о потоках энергии в резонансном кольце.

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. В ходе выполнения работы были сформулированы основные требования к конструкции, геометрии и допускам на размеры ячеек и трансформаторов типа волны, изготовлены и проверены измерениями ячейки, трансформаторы и в целом секции для линейного коллайдера ВЛЭПП на 14 ГГц.

2. Использована разработанная автором методика измерения характеристик ячеек ускоряющей структуры, позволившая отобрать ячейки, пригодные для изготовления секций.

3. В условиях серийного производства на специально разработанном для этой цели станке изготовлены ячейки ускоряющей структуры с точностью лучше 1 мкм. Показано соответствие станка техническим требованиям.

4. Изготовлены ускоряющие секции ВЛЭПП по технологии, обеспечивающей высокий ускоряющий градиент.

5. Разработан резонатор бегущей волны с усилением по мощности 5-10 раз на частоте около 14 ГГц для испытаний элементов СВЧ тракта на предельную мощность.

6. Предложена конструкция вакуумных уплотнений для СВЧ тракта на 14 ГГц, обладающая малыми отражениями и высокой электрической прочностью.

7. Испытаны на предельную мощность резонатор бегущей волны, имеющий форму кольца из гладких отрезков волновода и вставляемые в это кольцо элементы тракта. Резонатор может служить инструментом для испытания вновь разрабатываемых СВЧ устройств.

Автор выносит на защиту следующие результаты работы:

7. При непосредственном участии автора сделан выбор и обоснование конструкции и геометрических размеров ускоряющей секции ВЛЭПП. Автором сделан расчет допусков для ячеек секции и экспериментально обоснованы допуски на трансформатор типа волны.

8. Разработана методика измерения собственных частот ячеек с учетом атмосферных условии, пригодная для комплектации секции на 14 ГГц.

9. Изготовлением на заводе н в мастерских института и контрольными измерениями в лаборатории проверена возможность серийного производства секций линейного коллайдера, обладающих необходимыми электродинамическими, вакуумными и механическими характеристиками.

10. Смоделирован процесс накопления мощности в резонаторе бегущей волны и выполнены аналитические расчеты, дающие дополнительную информацию о потоках энергии в резонансном кольце.

11. На основе резонансного кольца как модели мощного СВЧ тракта отработаны элементы вакуумных стыков, обеспечивающие передачу мощности на уровне 100 МВт на частоте 14 ГГц.

12. Разработан и изготовлен резонатор бегущей волны с усилением по мощности 5-10 раз на частоте 14 ГГц, пригодный для испытаний элементов СВЧ тракта на уровне 100 МВт.

Апробация работы, публикации. Работы, положенные в основу диссертации, изложены в двух препринтах ИЯФ, докладывались и обсуждались на XII, ХШ и XIV совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Москва, 1990; Дубна, 1992; Протвино, 1994 г.), на 12 и 13 Харьковских семинарах по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 1991 и 1993 г.г.), на Международных рабочих совещаниях LC91 и LC95 (Протвино и Цукуба, Япония) и RF93 (Дубна - Протвино).

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 56 страницах текста, состоит из введения, двух частей, первая из которых состоит из б, а вторая — из 5 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Текст содержит 24 рисунка, список цитируемой литературы — 54 наименования.