Введение к работе
В настоящее время в мире широко обсуждаются предложения по созданию линейных ускорителей на запасенной энергии (ERL) и линейных ускорителей-драйверов для лазера на свободных электронах (FEL). Успехи сверхпроводящих резонаторов, сделанные за последние 10 лет для TESLA/TTF на частоте 1300 МГц, надежность достижения градиента более 20МэВ/м, удовлетворяют требованиям для ERL и FEL ускорителей. Главное назначение этих ускорителей состоит в получении интенсивных фотонных потоков, что можно реализовать лишь при высоком токе и большой частоте повторения электронных сгустков, лучше при работе в непрерывном режиме. Большие средние мощности, порядка сотен киловатт, вводимые в сверхпроводящие резонаторы таких ускорителей, требуют новых решений, как в устройствах ввода мощности (УВМ), так и устройствах вывода из структур волн высших типов. Поскольку средние уровни мощности, вводимые в сверхпроводящие резонаторы, должны составлять сто и более киловатт, то проблема минимизации потоков тепла, создающих нагрузку на криогенную систему, является одной из центральных. Поэтому для надежного функционирования устройства ввода мощности и установки в целом необходимо выполнение тепловых расчетов и расчетов механической прочности сложной конструкции, работающей в условиях значительных тепловых нагрузок и внешних механических напряжений. Особенно важно уменьшение тепла, выделяемого устройством ввода мощности в криогенной зоне с температурами 2 К и 4 К, охлаждаемой жидким гелием, а также 80 К, охлаждаемой жидким азотом Устройство ввода мощности должно быть также согласовано на рабочей частоте при различных положениях антенны, вводимой в сверхпроводящий резонатор при изменении нагрузки пучком. Немаловажной проблемой при уровнях средней мощности более 150 кВт является создание условий по недопущению развития мультипакторного разряда. Универсальная методика разработки устройства ввода мощности, учитывающая все указанные факторы, до сих пор в полном объеме не развита.
На основе анализа всех известных действующих и проектируемых вводов высокочастотной мощности в ускоряющие сверхпроводящие резонаторы проведен тщательный комплексный анализ
коаксиальных и волноводных устройств. Рассмотрены вопросы снижения теплосъема в криогенных зонах, уменьшения габаритов, возможности регулировки внешней добротности сверхпроводящих резонаторов на порядок и др В качестве рабочей частоты выбрана частота 1300 МГц, получившая широкое распространение особенно при разработке электрон-позитронных коллайдеров.
Диссертация посвящена разработке методики расчета тепловых нагрузок, возникающих в конструкции УВМ при передаче большой средней СВЧ мощности, а также расчету устройств, используя эту методику Наряду с тепловыми расчетами рассматриваются высокочастотные свойства элементов устройств и устройства в сборе, а также вопросы механической жесткости. За основу взята конструкция УВМ коаксиального типа с симметричным питанием со средней мощностью 2x75 кВт. С целью повышения уровня вводимой средней мощности до 2x250 кВт рассмотрены модификации разработанного ввода мощности, а именно, конструкции с двумя и с одним сильфоном, а также с емкостной связью. Изучены возможности применения волноводных УВМ с регулируемым коэффициентом связи Развиты методы расчета внешней добротности сверхпроводящих резонаторов с использованием методики, основанной на суперпозиции двух решений резонансной задачи с разными граничными условиями, а также решения получаемого из частотной зависимости коэффициента передачи на бегущей волне.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является разработка методики, позволяющей проводить расчеты тепловых процессов в узлах вводов больших уровней средней СВЧ мощности в сверхпроводящие резонаторы. С использованием данной методики, а также электродинамических и прочностных расчетов проведение оптимизации конструкции симметричного коаксиального узла ввода средней мощности 2x75 кВт для сверхпроводящего резонатора инжектора линейного ускорителя с рекуперацией энергии, и вариантов модернизации УВМ для передачи 2x250 кВт средней мощности.
1. Разработана методика, позволяющая проводить расчеты взаимосвязанных электромагнитных и тепловых задач в которых в
качестве основной из тепловых нагрузок на УВМ выступают токи в стенках, вызванные передачей СВЧ мощности Методика включает в себя учет температурных зависимостей параметров материалов (проводимость поверхности, теплопроводность, комплексная диэлектрическая проницаемость).
2. Выполнены расчет и оптимизация симметричного
коаксиального УВМ на среднюю мощность 2x75 кВт. Выполнена
серия расчетов деформаций и напряжений в керамических окнах под
действием различных факторов. Предложены способы регулировки
коэффициента связи и методы расчета внешней добротности
сверхпроводящих резонаторов.
1. Разработанная методика позволяет решать весь спектр тепловых и электродинамических задач, в которых основной из тепловых нагрузок на конструкцию являются токи в стенках УВМ при передаче СВЧ мощности.
2 Проведена оптимизация конструкции УВМ на среднюю мощность 2x75 кВт с целью снижения тепловыделения в нем Полученные расчетные данные легли в основу рабочего проекта устройства, согласно которому было изготовлено несколько опытных образцов. В Корнельском университете они были успешно испытаны на высоком уровне мощности.
3. Предложена конструкция дроссельного соединения
волноводно-коаксиального перехода с керамическими окном,
находящимся при комнатной температуре («теплая» керамика).
4 Представлены предложения по модернизации устройства ввода средней мощности для передачи 2x250 кВт. Предложены конструкции с одним сильфоном и антенной, выполненной в виде петли связи.
Работы были выполнены по договору о научно-техническом сотрудничестве между МИФИ и Корнельским университетом (США) в рамках работы над проектом ERL, а также гранту В2М411 Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF)
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие результаты диссертации, полученные в ходе выполнения работ:
1 Методика расчета взаимосвязанных электромагнитной и тепловой задач, как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность Для расчета произвольных конструкций используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. Для увеличения скорости расчета при использовании трехмерных конечных элементов часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.
Результаты оптимизации конструкции регулируемого симметризованного коаксиального ввода средней мощности на 2x75 кВт и частоте 1300 МГц. Тепловыделение в криогенных зонах составило 0.23^Вт в гелий при 2 К, 24 Вт в гелий при 42 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К Приведенные данные являются рекордными для выбранной частоты и уровня средней мощности. Расчетный коэффициент отражения от отдельных элементов и устройства в целом составляет - 30 дБ' на рабочей частоте 1300 МГц.
Оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода для уменьшения неравномерности распределения температур по объему «теплой» керамики и наилучшему отводу тепла. Конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа, основным преимуществом которого является механическая развязка волновода и керамического окна.
Результаты расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации. Они включали в себя1 расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации. По расчетным данным и переданной документации в Корнельском университете изготовлено несколько опытных образцов вводов мощности.
Варианты конструкции ввода мощности, позволяющие передавать в непрерывном режиме среднюю мощность 2x250 кВт. Предложены следующие конструкции: модернизированный вариант
Здесь и далее в качестве разделителя целой и дробной части используется точка
Коэффициент отражения, выраженный в децибелах, рассчитывается по формуле Гдб = 20 log Su
ввода мощности на 2x75 кВт, ввод мощности с одним сильфоном, а также ввод мощности с антенной, выполненной в виде петли связи.
ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обоснована расчетами с использованием различных методов математического моделирования и результатами экспериментальных исследований опытных образцов предложенной конструкции УВМ
Основные результаты и положения диссертации были представлены на российских и международных конференциях и журналах, в частности:
12-th International Workshop on RF Superconductivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA;
10-th European Particle Accelerator Conference (EPAC-2006), Edinburgh (England), 2006;
XIX конференция по ускорителям заряженных частиц, RUPAC-2004, Дубна;
XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators, Ukraine, Alushta, 2005;
Научная сессия МИФИ (2004, 2005, 2006, 2007);
Приборы и техника эксперимента, 2006, №6.
ПУБЛИКАЦИИ: Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 12 работах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ- Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 70 источников, и приложения.
Общий объем работы составляет 186 страниц, 138 рисунков и 26 таблиц.
