Гусарова Мултипакторный разряд в сверхвысокочастотных узлах 2011

Таблица 4.10.

Параметры КДВ с рабочей частотой 5712 МГц

Изменение геометрии структуры приводит к изменению распределения полей в структуре, а, следовательно, и к изменению условий развития мультипакторного разряда. На рис. 4.56 представлена конструкция перспективной ускоряющей структуры КДВ, рассчитанной на частоту 5712 МГц. Для данной структуры также были проведены расчеты мультипакторного разряда.

Расчет проводился для 100 частиц, в диапазоне начальных от 0 до 360° с разбиением 60 (шаг 6°), в диапазоне напряженности поля от 0 до 0,3 с разбиением 25 (шаг 0,012, что соответствует значению напряженности 1,2 МВ/м). Единица нормированного поля, указанного на графике Relative Counter Function по оси абсцисс, соответствует приблизительно 100 МВ/м, таким образом, исследовался диапазон напряженностей электрического поля в ускоряющем промежутке от 0 до 30 МВ/м с шагом 1,2 МВ/м. Фиксировались частицы с минимальным числом соударений 5. Длительность расчета 10 СВЧ периодов. На рис. 4.57 представлен полученный результат Relative Counter Function.

График показывает, что увеличение числа электронов в структуре наблюдается при напряженности поля Ezmax от 15МэВ/м и выше (0,15 нормировано) на оси структуры. Сравнивая полученный результат с результатом, представленным в табл.4.8 для КДВ без щелей связи, видно, что наличие щелей связи значительно улучшает характеристики ускоряющей структуры с точки зрения прочности в отношении мультипакторного разряда.

111

Рис.4.57. Relative Counter Function для КДВ с рабочей частотой 5712 МГц со щелями связи

Также было проведено исследование влияния скосов различной конфигурации (рис. 4.58) на развитие мультипакторного разряда для данной конструкции.

а

б

Рис.4.58. Измененная конструкция КДВ с рабочей частотой 5712 МГц со щелями связи:

центральный радиус увеличен на 1 мм (а), скос x = 5мм, dx = 0,4 мм (б)

112

На рис. 4.59 представлены Relative Counter Function для конструкций представленных на рис. 4.58.

Рис.4.59. Relative Counter Function КДВ с рабочей частотой 5712 МГц со щелями связи:

центральный радиус увеличен на 1 мм (а), скос x = 5мм, dx = 0,4 мм (б)

Сравнивая графики, представленные на рис. 4.57 и рис.4.59, можно видеть, что внесение скосов в конструкцию КДВ с рабочей частотой 5712 МГц со щелями связи резко уменьшает порог возникновения мультипакторного разряда для данной структуры.

Проведены исследования мультипакторного разряда в КДВ различных конфигураций и сечений. Определены уровни напряженности ускоряющего электрического поля в КДВ, при которых возможно возникновение мультипакторного разряда, для структур, рассчитанных на частоту 1300, 3000, 5712 и 7000 МГц. Рассмотрены конструкции с измененной геометрией, направленной на подавление мультипакторного разряда. Проведен расчет КДВ со щелями связи. Показано, что конструкция КДВ со щелями связи, рассчитанная на частоту 5712 МГц, имеет значительно лучшую устойчивость в отношении возникновения мультипакторного разряда, по сравнению с обычным КДВ.

Ещё одной структурой на основе круглого диафрагмированного волновода стала структура, рассчитанная на частоту 5712 МГц и вид колебаний 2π/3. Рассмотрены структуры КДВ и КДВ-М.

Расчет проводился для 100 частиц, в диапазоне начальных от 0 до 360° с разбиением 60 (шаг 6°), в диапазоне напряженности поля

113

от 0 до 1 с разбиением 25. Единица нормированного поля,

указанного на графике Relative Counter Function (рис.4.60) по оси абсцисс соответствует приблизительно 150 МВ/м. Фиксировались частицы с минимальным числом соударений 5. Длительность расчета 10 ВЧ периодов. Графики на рис.4.60 показывают прирост числа частиц по отношению к начальному числу при разных значениях ускоряющего поля.

Рис.4.60. RCF для структур DLS и DLS-M 2π/3

Результаты расчетов показали, что мультипакторные траектории присутствуют во всем диапазоне полей в обеих структурах. Исследование траекторий, показало, что для структуры КДВ наиболее вероятной областью возникновения мультипакторного разряда является область на внутренних стенках (рис. 4.61, а), а в структуре КДВ-М за счет перераспределения полей, наиболее опасной областью является внешняя поверхность (рис. 4.61, б).

114

a

б

Рис.4.62. Типичные траектории движения электронов при мультипакторном разряде для структур КДВ и КДВ-М, рассчитанных на частоту 5712 МГц и вид колебаний 2π/3: на стенке структуры (а), на внешней поверхности (б)

Для подавления мультипакторного разряда на поверхности структуры могут быть использованы скосы, как показано в работе [73] для структуры nose re-entrant cavities, рассчитанной на частоту 3000 МГц. В настоящее время ведутся работы по исследованию влияния скосов различной конфигурации на развитие мультипакторного разряда в структуре КДВ-М.

115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При конструировании современных ускорителей заряженных частиц необходимо учитывать такой негативный фактор, как мультипакторный разряд, возникающий при определенных условиях в СВЧ узлах и элементах ускорителя. Мультипакторный разряд может мешать как запуску ускорителя, при возникновении на уровнях мощности, меньших номинального уровня мощности работы ускорителя, так и самой работе ускорителя, если он появляется в какомлибо узле или элементе на рабочем уровне мощности. Возникая в вакуумной области СВЧ устройства мультипакторный разряд приводит к ряду негативных последствий, вплоть до пробоев и вывода устройства из рабочего состояния.

В связи с широким применением ускорителей заряженных частиц не только в области научных исследований, но и в различных областях промышленности и народного хозяйства, с увеличением спроса на разработки небольших ускорителей для исследовательских и прикладных целей в таких областях, как инспекция грузов, облучение раковых опухолей, производство радиоизотопов и т.п., оценка электрической прочности всех узлов ускорителей должна проводиться на стадии проектирования, посредством аналитических методов и алгоритмов, основанных на численном моделировании физических процессов.

116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Госатомиздат, 1961. (Brown S. / Basic Data of Plasma Physics //American Institute of Physics, New York, 1959, reprinted 1994, p. 202–221).

2.Курс лекций «СВЧ (микроволны) волны в плазме (Физические основы применения СВЧ плазмы в технологии)» / В.А. Иванов и др. // Science and Technology Center Plasmaiofan, 2000-2007, P.http://www.plasmaiofan.ru/edu/soderj.html.

3.Vaughan J.R.M. Multipactor // IEEE Trans. Electr. Dev., v. 35, No. 7, pp. 1172-1180, 1988.

4.Hatch A.J., Williams H.B. Multipacting modes of high-frequency gaseous breakdown

//Phys. Rev. 112, 681, 1958.

5.Gill E.W.B. von Engel A. Starting potentials of high-frequency gas discharges at low pressure // Proc. R. Soc. London, Ser. A 192, 446, 1948.

6.Gilardini A.L. Multipacting discharges: Constant-k theory and simulation results // J. Appl. Phys. 78, 783, 1995.

7.Riyopoulos S., Chernin D., Dialetis D. Theory of electron multipactor in crossed fields // Phys. Plasmas 2, 3194, 1995.

8.Kishek R.A., Lau Y.Y. Multipactor discharge on a dielectric // Phys. Rev. Vol. 80, Number 1, 1998, p.193 − 196.

9.Multipactor discharge on metals and dielectrics: Historical review and recent theories / R.A.Kishek, Y.Y.Lau, L.K.Ang et al. // Physics of Plasmas, Volume 5, Issue 5, pp. 2120-2126, 1998.

10.Somersalo E., Ylä–Oijala P., Proch D. / Analysis of multipacting in coaxial lines // PAC-95, 1995.

11. High Power RF Tests On Fundamental Power Couplers For The SNS Project / M. Stirbet, I.E. Campisi, G.K. Davis et al. // Proc. of the EPAC 2002, Paris, France, p. 2283, 2002.

12.Ylä-Oijala P., Ukkola M. / Suppressing electron multipacting in TTF III cold window by DC bias // HIP-2000-27/TECH, Helsinki Institute of Physics. p. 1-16, 2000.

13.High Power Coupler for the Tesla Superstructure Cavities / Q.S. Shu, J.T. Susta, G.Cheng et al. // Proc. of the 2005 IEEE Particle Accelerator Conference (PAC 05), Knoxville, Tennessee. 21st IEEE Particle Accelerator Conference. p. 3141, 2005.

14.Kindermann H.P., Stirbet M. The variable power coupler for the LHC superconducting cavity // Proc. of the 9th Workshop on RF Superconductivity, Santa Fe, NM. p. 566-569, 1999.

15.Characteristics of TiN anti-multipactor layers reached by titanium vapor depositionon alumina coupler windows / J. Lokiewicz, T. Fadina et al. // Proc. of the

117

11th Workshop on RF Superconductivity, SRF 2003, Luebeck/Travemuende, Germany, 8-12 Sept. 2003.

16.Multipacting analysis for JLAB ampere class cavities / G. Wu , M. Stirbet, H. Wang, R. Rimmer // Proc. of the 12th SRF Workshop, Cornell University, July 10, 2005.

17.Shemelin V. Generalized phase stability in multipacting // Proc. of the 11th Workshop on RF Superconductivity, SRF 2003, 8−12 Sept. 2003, Luebeck/Travemuende, Germany, SRF030904-17, 2003.

18.Shemelin V. Multipacting in crossed RF fields near cavity equator // EPAC04, Lucerne, Switzerland, July 5−9, 2004.

19.Testing the First 1300 MHz Reentrant Cavity / R.L. Geng, H. Padamsee, V. Shemelin et al. // Workshop of Pushing the Limits of RF Superconductivity, Argonne

National Laboratory, September 22−24, 2004.

20. High gradient studies for ILC with single-cell re-entrant shape and elliptical shape cavities made of fine-grain and large-grain niobium / R. Geng, H. Padamsee, V. Shemelin et al. // Proc. of the PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA. p. 2337 – 2339, 2007.

21.Shemelin V. Low loss and high gradient SC cavities with different wall slope angles // Proc. of the PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, p. 2352, 2007.

22.Holtkamp N. Status of the SNS linac: an overview // Proc. of the LINAC 2004, Lübeck, Germany, 2004.

23.Superconducting prototype cavities for the spallation neutron source (SNS) project / G. Ciovati, P. Kneisel, J. Brawley et al. // Proc. of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago, p. 484, 2001.

24.Ozelis J. Test results of β<1 superconducting elliptical cavities: experience and lessons learned // Proc. of the 12th International Workshop on RF Superconductivity, Ithaca, NY, 2005.

25.Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергоатомиздат, 1986.

26.Собенин Н.П., Милованов О.С. Техника сверхвысоких частот. М.: Энергоатомиздат, 2007.

27.Курслекций«СВЧ(микроволны) волны вплазме(Физические основы применения СВЧ плазмы в технологии)» / В.А.Иванов и др. // Science and Technology Center Plasmaiofan, 2000-2007, P.http://www.plasmaiofan.ru/edu/soderj.html.

28.Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника М.: 1966.

29.Yla-Oijala P., Proch D. MultiPac – multipacting simulation package with 2D FEM field solver // Proc. of the Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001.

118

30.Devanz G. Multipactor simulations in superconducting cavities and power couplers // Physical review special topics - accelerators and beams, volume 4, 012001, 2001.

31.Parodi R., Fernandes P. TWTRAJ Users Guide // LAL SERA 90-224, 20-December 1990.

32. TWTRAJ, a computer code for MP simulation in superconducting cavities / R. Ballantini, A. Chincarini, G. Gemme, R. Parodi, A. Podesta // Proc. of the Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001.

33.Guide to multipacting/field emission simulation software / R. Ferraro et al // 6 th Edition, Cornell LNS Report SRF/D-961126/10, 1996.

34.Hartung W., Krawczyk F., Padamsee H. Studies of multipacting in axisymmetric cavities for medium-velocity beams // Proc. of the Workshop on RF Superconductivity, Tsukuba, Japan, 2001.

35.Modeling dark current problems with the parallel tracking code TRACK3P / V. Ivanov, A. Guetz, G. Shussmann et al // http://www.group.slac.stanford.edu/acd/Codes.html.

36.DeFord J. et al. // Proc. of the PAC 2003, Portland, OR. p. 3554-3556, 2003.

37.VORPAL as a tool for three-dimensional simulations of multipacting in superconducting RF cavities / C. Nieter , P. H. Stoltz, J.R. Cary et al // Proc. of the 2005 Particle Accelerator Conference, Knoxville, Tennessee, 2005.

38.CST particle studio, Overview / http://www.cst.com/Content/Products/PS/Overview.aspx.

39.The secondary electron yield of technical material and its variation with surface treatments / V. Baglin, Y. Bozhko, O. Gröbner, B. Henrist, N. Hilleret , C. Scheuerlein, M. Taborelli // Proc. of the EPAC 2000, Vienna, Austria. p. 217-221, 2000.

40.Pagani C. The INFN-LASA experience in the development of elliptical structures for high-current proton linacs // Proc. of the HPSL 2005.

41.Kirby Robert E. Аrtifacts in secondary electron emission yield measurements // SLAC-PUB-10541 JULY, 2004.

42.Hartung W., Krawczyk F., Padamsee H. Studies of multipacting in axisymmetric cavities for medium-velocity beams // Proc. of the 10th Workshop on RF Superconductivity. p. 627-631, 2001.

43.Superconducting prototype cavities for the spallation neutron source (SNS) project / G. Ciovati, P. Kneisel, K. Davis, K. Macha, J. Mammosser // Proc. of the EPAC 2002, p. 2247-2249, 2002.

44.Development, production and tests of prototype superconducting cavities for the high beta section of the ISAC-II heavy ion accelerator at TRIUMF / V. Zvyagintsev, R.E. Laxdal, R. Dawson et al. // Proc. of the RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, р.288, 2008.

119

45.Multipactor discharge on metals and dielectrics: Historical review and recent theories / R.A. Kishek, Y.Y. Lau, L.K. Ang, A. Valfells, R.M. Gilgenbach // Physics of Plasmas, Volume 5, Issue 5. p. 2120-2126, 1998.

46.Nogle D.E., Knapp E.A., Knapp B.C. / A coupler resonator model for standing wave accelerator tanks // Rev.Sci.Instrument, 1967, vol.38, №3. p. 1583-1587.

47.Sobenin N.P., Zverev B.V. Electrodynamic characteristics of accelerating cavities // Gordon and Breach Science Publishers S.A. p. 290 1999.

48.Диафрагмированные волноводы: справочник. Издание 3-е, переработанное / О.А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев, И.С. Щедрин. М.: Энергоатомиздат.

С. 280, 1991.

49.Парамонов В.В. Компенсированные электродинамические структуры для ускорителей заряженных частиц // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, М., 2002.

50.Линейные ускорители ионов / Б.П.Мурин и др. // М.: Энергоатомиздат, т.1,2. 1978.

51.The disk and washer accelerating structure for Moscow Meson Factory / S.K.Esin, L.V. Kravchuk, V.V. Paramonov, G.V. Romanov // Lin. Acc. Conf./USA: Newport News, Virginia. p. 657, 1989.

52.Paramonov V., Tarasov S. The possibility of multipactor discharge in coupling cells of coupled-cells accelerating structures // 1998 Linac Conference, Chicago, 1998.

53. Photo injector test facility under construction at DESY Zeuthen / F. Stephan, D. Kramer, I. Will et al // Proc. of the FEL2000 Durham, August, 2000.

54.Han Jang-Hui, Flottmann Klaus. Single-side electron multipacting at the photocathode in RF guns // Phys. Rev. ST Accel. Beams 11, 013501, 2008.

55.http://erl.chess.cornell.edu.

56.The energy recovery linac (ERL) as a driver for X-ray producing insertion devices / V. Bazarov, D.H. Bilderback, S.M. Gruner, H.S. Padamsee, et al // Proc. of the 2001 Particle Accelerator Conference, 2001.

57.Phase I energy recovery linac at Cornell university / C. Sinclair et al // Proc. of the EPAC 2002, Paris, France. p. 644, 2002.

58.The Cornell ERL prototype project / G. Hoffstaetter, B. Barstow, I. Bazarov, S. Belomestnykh, H. Padamsee at al // Proc. of the 2003 Particle Accelerator Conference, IEEE 0-7803-7739-9, p. 192, 2003.

59.Overview of the ERL injector cryomodule / H. Padamsee, I.V. Bazarov, S.A Belomenstnyh, V. Shemelin, et al // Proc. of the 2003 Particle Accelerator Conference, Lübeck, Germany, IEEE 0-7803-7739-9, Sept 2003, p. 1317, 2003.

60.Bazarov I.V., Sinclair C.K. / High brightness, high current injector design for the Cornell ERL prototype // Proc. of PAC’03. p. 2062-2064, 2003.

120