Гусарова Мултипакторный разряд в сверхвысокочастотных узлах 2011

Рис. 4.33. Опасные уровни поля для области перехода между ускоряющим резонатором и пролетной трубкой инжектора ускорителя ERL

а

б

Рис. 4.34. Примеры резонансных траекторий в области перехода между резонатором и пролетной трубкой: MultP-M (а); MultiPac (б)

91

На рис. 4.34 приведен пример резонансной траектории, полученной в ходе расчета в разработанной программе при уровне электрического поля 25 МВ/м, и пример результата расчета, представленного в работах [69, 70], где расчет проводился с помощью программы двухмерного расчета мультипакторного разряда MultiPac, видно, что полученные результаты совпадают.

Таким образом, показана необходимость модернизации области перехода между резонатором и пролетной трубкой, так как обнаружена возможность возникновения стабильного мультипакторного разряда при значениях напряженности электрического поля от 22,105 до 36,358 МВ/м.

Одним из важных требований к устройству ввода мощности в сверхпроводящие резонаторы инжектора ускорителя ERL является возможность передачи средней мощности до 75 кВт при регулировке внешней добротности резонаторов на один порядок за счет изменения коэффициента связи устройства ввода мощности [61÷66]. Лабораторией СВЧ техники НИЯУ МИФИ совместно с лабораторией физики элементарных частиц Корнельского университета были предложены два типа конструкции ввода мощности, рассчитанные на передаваемую среднюю мощность как 75 кВт, так и до 250 кВт: коаксиальный и прямоугольный, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатки. Для разработанных конструкций, наряду с другими исследованиями, проведен расчет мультипакторного разряда.

На рис. 4.35 показана конструкция коаксиального ввода мощности. Для данного устройства были проведены исследования коаксиальных волноводов «теплой» и «холодной» частей, а также область холодного керамического окна.

92

Рис. 4.35. Конструкция устройства ввода мощности в сверхпроводящие резонаторы инжектора ускорителя с рекуперацией энергии ERL

Размер диаметра внешнего проводника коаксиального волновода, использованного в «теплой» части, D = 62 мм, внутреннего d = 28,8 мм. Результаты расчета «теплой» части показали экспоненциальный рост числа электронов в структуре при уровнях передаваемой мощности приблизительно от 65 до 1600 кВт. Пример результата расчета при уровне передаваемой мощности порядка 500 кВт представлен на рис. 4.36.

Рис. 4.36. Результат расчета при уровне передаваемой мощности порядка 500 кВт

93

Темным на рис. 4.36 показана область возможного возникновения мультипакторного разряда. Видно, что график зависимости числа частиц в структуре от числа ВЧ периодов имеет вид экспоненциально возрастающей кривой, что характерно для мультипакторного разряда.

Следующим этапом расчета стало детальное исследование траекторий движения отдельных электронов в опасной области. На рис. 4.37 приведен пример траекторий движения электронов при уровне мощности 518 кВт. По характеру траекторий можно определить, что электрон, вылетевший с поверхности структуры, вновь возвращается к поверхности за пять полных СВЧ периодов, т.е. порядок возможного мультипакторного разряда – 5. Энергия соударения электрона с поверхностью находится в диапазоне от 80 до 700 эВ, что попадает в диапазон энергий, при которых коэффициент вторичной электронной эмиссии больше единицы.

Рис. 4.37. Траектории движения электронов при уровне мощности 518 кВт

Аналогичные исследования были проведены во всем опасном диапазоне мощности от 65 до 1600 кВт. Результаты приведены в табл. 4.6.

94

Обобщение статистических расчетов с исследованием траекторий движения электронов показало возможность возникновения мультипакторного разряда в диапазоне мощностей приблизительно от 65 до 1600 кВт, однако наиболее опасный мультипакторный разряд до четвертого порядка наблюдается при значениях передаваемой мощности более 800 кВт.

Таблица 4.6. Порядок мультипакторного разряда в «теплой» части ввода мощности

при различных уровнях мощности

Размер диаметра внешнего проводника коаксиального волновода, использованного в «холодной» части D = 62 мм, внутреннего d = 22,8 мм. Для «холодной» части были проведены расчеты, аналогичные тем, что описаны выше для «теплой» части. Результаты приведены в табл. 4.7.

Обобщение данных статистических расчетов с исследованием траекторий движения электронов показало возможность возникновения мультипакторного разряда в диапазоне мощностей приблизительно от 75 до 2100 кВт, однако наиболее опасный мультипакторный разряд до четвертого порядка наблюдается при значениях мощности более 1000 кВт.

Таблица 4.7. Порядок мультипакторного разряда в «холодной» части ввода мощности

при различных уровнях мощности

Полученные уровни мультипакторного разряда совпадают с результатами исследований коаксиальных волноводов в Хельсинском университете [71]. На рис. 4.38 приведены области

95

log(P)

Рис. 4.38. Области одно- и двухточечного мультипакторного разряда в коаксиальных линиях в режиме стоячей волны. Рабочая частота 1,3 ГГц. Показаны волновое сопротивление линии и диаметр внешнего проводника

Пересечения верхней горизонтальной линии с наклонными черными указывает на значения мощностей, при которых в коаксиальном волноводе сопротивлением 60 Ом, использованном в «холодной» части, возможно возникновение мультипакторного разряда; пересечение нижней линии с наклонными черными − на значения мощности, при которых возможен мультипакторный разряд в «теплой» части, имеющей волновое сопротивление 50 Ом.

Полученные результаты указывают на то, что наиболее опасный стабильный мультипакторный разряд низких порядков возникает при уровнях передаваемой мощности, значительно превышающих проектируемый уровень 250 кВт. А при уровнях передаваемой мощности до 250 кВт возможно возникновение мультипакторного

96

разряда, порядок которого выше 8. Для подавления такого мультипакторного разряда может быть использовано электрическое смещение, подобно тому, как в случаях с коаксиальными вводами мощности SNS, LHC, TTF-III (см.гл. 2).

Керамическое окно является элементом наиболее подверженным мультипакторному разряду, так как значение коэффициента вторичной электронной эмиссии керамики значительно превышает коэффициент вторичной электронной эмиссии металла. При возникновении мультипакторного разряда в области керамических окон возможен их перегрев и как следствие нарушение их целостности.

Исследовалась конструкция со следующими параметрами: размер диаметра внешнего проводника коаксиальной линии «теплой» части (между «теплым» и «холодным» окнами) составляет D = 62 мм, внутреннего проводника d = 28,8 мм; диаметр внешнего проводника коаксиальной линии «холодной» части (между окном и резонатором) составляет D = 62 мм, внутреннего d = 22,8 мм.

а б Рис.4.39. Результаты прямого моделирования мультипакторного разряда:

100 кВт (а); 700 кВт (б)

Расчет предсказывает возникновение мультипакторного разряда во всем диапазоне мощностей, начиная с 50 кВт. При уровнях мощности до 200 кВт области возможного мультипакторного разряда расположены ближе к коаксиальным линиям, при более

97

высоких уровнях эти области смещаются ближе к керамике. На рис. 4.39 закрашены области, в которых наблюдается лавинное увеличение числа электронов.

При значениях передаваемой мощности более 1500 кВт основной областью, подверженной мультипакторному разряду, становится стенка перехода от холодной части коаксиальной линии к керамическому окну, как это изображено на рис. 4.40.

Рис.4.40. Результаты прямого моделирования мультипакторного разряда и пример резонансной траектории при уровне мощности 2800 кВт

На рис. 4.41 и рис.4.42 представлены примеры результата статистического расчета и характерные траектории движения электронов в опасных областях при уровне мощности 250 кВт.

Полученные результаты указывают на то, что при уровнях передаваемой мощности до 200 кВт керамическое окно не будет подвержено мультипакторному разряду, однако при более высоких уровнях потребуется изменение геометрии области керамического окна.

98

На рис. 4.43 показана конструкция ввода мощности на основе прямоугольного волновода.

Рис. 4.43. Конструкция прямоугольного ввода мощности с подвижным короткозамыкающим поршнем

Для структур, не обладающих аксиальной симметрией, к числу которых относятся прямоугольные волноводы, требуется трехмерное моделирование процесса мультипакторного разряда,

99

учитывающее реальное трехмерное электромагнитное поле в структуре. Исследования проводились для прямоугольного волновода, рассчитанного на частоту 1,3 ГГц с поперечными размерами 165×85,5 мм. Уровень СВЧ мощности варьировался в диапазоне от 100 до 450 кВт. Результаты расчета показали, что в гладком волноводе при значениях мощности более 180 кВт возникает мультипакторный разряд низких порядков. На рис. 4.44 показан пример полученного распределения электронов в структуре при уровне передаваемой мощности 200 кВт спустя 150 СВЧ периодов и график зависимости числа частиц в структуре от времени (СВЧ периода).

Рис. 4.44. Распределение электронов в прямоугольном волноводе при уровне передаваемой мощности 200 кВт спустя 150 СВЧ периодов и график зависимости

числа частиц в структуре от времени (СВЧ периода)

Темная область на рис. 4.44 показывает, где сохраняется электронная активность спустя 150 СВЧ периодов. Видно, что мультипакторный разряд возникает в области широкой стенки волновода. Из графика зависимости числа частиц в структуре от времени также отчетливо виден экспоненциальный характер увеличения числа частиц в структуре.

Таким образом, можно сделать заключение, что данный волновод может использоваться в качестве устройства ввода

100