Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.2 2015

Ускорительная техника, физика пучков…

чение коэффициента отражения от адаптера не выше -20 дБ на частотах этих ВВТ. В режиме бегущей волны обе ВВТ трансформируются в волну H11 в гофрированной трубке дрейфа [2]. Результаты расчетов коэфффициента отражения для волны H11 на частотах, соответствующих ВВТ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Значения для частот ВВТ при изменении параметра для графитовой нагрузки ()

Результаты эксперимента представлены в таблице ниже:

Таблица 2. Результаты эксперимента

Список литературы

1.http://www.cst.com // CST Studio Suite User Manual

2.“Comparison of higher order modes damping techniques for 800 MHz single cell superconducting cavities” // Ya. V. Shashkov et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, v. 767, 2014, p 271–280.

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

Я.В. ШАШКОВ Научный руководитель – Н.П. СОБЕНИН, д.т.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

РАЗРАБОТКА ГАРМОНИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

СГОФРИРОВАННОЙ ТРУБКОЙ ДРЕЙФА

Врамках проекта нацеленного на повышение светимости Большого адронного коллайдера (БАК) [1] предлагается использовать гармонические сверхпроводящие резонаторы (ГСР), работающие на частоте кратной ускоряющей гармонике, позволяющие изменить длину циркулирующего пучка. В статье рассматриваются электродинамических характеристики предложенного дизайна цепочки из двух одноячеечных резонаторов, который рассматривается в качестве базового вариант для ГСР.

Предлагается использование гармонических резонаторов, работающих на частоте 800 МГц. При разработке ГСР важно обеспечить демпфирования волн высшего типа (ВВТ) в структуре, так как они могут привести к увеличению продольного и поперечного эмиттанса пучка, различным нестабильностям [2]. Для ГСР было предложено несколько возможных способов демпфирования ВВТ [3].

Рис. 1. Одноячеечный резонатор с гофрами

Вариант цепочки из двух резонаторов с гофрированной трубкой дрейфа приведен на рис 1. В таком резонаторе были достигнута высокая скорость затухания наведенного потенциала. Значения полученной внешней добротности (Qвн) приведены на рис. 2. Значения поперечного и продольного шунтового сопротивления Rш приведены на рисунках 3 и 4 соответсвенно.

Данный резонатор обладает большими продольными размерами, что, несмотря на более низкие полученные значения Qвн и Rш в сравнении с демпфированием ВВТ с помощью коаксиальных каплеров [4], является серьезным недостатком в схемах, которые тербуют применение более 10 резонаторов. Однако в схемах, которые подразумевают имплементацию

_______________________________________________________________________

82 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»

Ускорительная техника, физика пучков…

небольшого количества (2-4) резонаторов, данный дизайн является предпочтительным.

Рис. 2. Значения Qвн ВВТ в цепочке из двух резонаторов

Рис. 3. Значения поперечного Rш ВВТ в цепочке из двух резонаторов

Рис. 4. Значения продольного Rш ВВТ в цепочке из двух резонаторов

Список литературы

1.L.Rossi, LHC upgrade plans:options and strategy, IPAC2011, p.908.

2.Каминский В.И., Сенюков В.А., Собенин Н.П. Высшие типы волн в элементах ускоряющих структур. М.: МИФИ, 2002.

3.Ya. Shashkov et al, Comparison of higher order modes damping techniques for 800 MHz single cell superconducting cavities, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 767, (2014), pp 271–280

4.E. Haebel et al, The Higher-Order Mode Dampers of the 400 MHz Superconducting LHC Cavities, Proceedings of the 1997 Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy.

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

Я.В. ШАШКОВ Научный руководитель – Н.П. СОБЕНИН, д.т.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ПЕРЕНАСТРОЙКА ШИРОКОПОЛОСНОГО КАПЛЕРА ДЛЯ ГАРМОНИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

В данной статье рассматриваются электродинамических характеристики предложенного дизайна цепочки из двух одноячеечных резонаторов, который рассматривается в качестве базового вариант для будущего гармонического сверхпроводящего резонатора (ГСР), разрабатываемого для повышения светимости Большого адронного коллайдера (БАК) [1].

Предполагается использование гармонических резонаторов, работающих на частоте 800 МГц. При разработке данного резонатора одной из наиболее важных задач является обеспечение демпфирования ВВТ в данной структуре, так как они могут привести к увеличению продольного и поперечного эмиттанса пучка, различным нестабильностям [2]. Для данного резонатора было предложено несколько методик демпфирования, которые описаны в [3].

Рис. 1. Общий вид перенастроенного широпополосного каплера и цепочки из двух резонаторов с установленными каплерами

Настроенный каплер должен обладать высокими значениями коэффициента передачи S21 на частотах, соответсвующих ВВТ(>-20 дБ) и на частоте основной волны(<-60 дБ). Было обнаруженно, что в данном резонаторе помимо запертых ВВТ (H111, E110) в диапазоне 1040-1080 МГц, имеется ряд дипольных ВВТ в диапазоне 1200-1400 МГц [4], поле которых сосредоточено в трубке дрейфа соединяющей резонаторы. В связи с этим проведена перенастройка широкополосного каплера, так как ранее он не был настроен на этот диапазон частот. Общий вид настроенного

_______________________________________________________________________

84 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»

Ускорительная техника, физика пучков…

каплера приведен на рис. 1 и цепочки из двух резонаторов с установленными каплерами. Полученные значения S-параметров приведены на рис. 2. Полученные значения внешней добротности (Qвн) ВВТ до и после настройки каплера приведны на рисунке 3.

Рис. 2. S-параметры настроенного широкополосного каплера

Рис. 3. Qвн в цепочке из двух резонаторов с применением широкополосного и узкополосного каплера до и после настройки

Из рис. 3 видно, что Qвн для первых дипольных ВВТ в диапазонене до 1100 МГц не превышает 103, значения для остальных менее опасных ВВТ ниже уровня в 104. Данные уровни демпфирования удовлетворяют поставленным требованиям.

Список литературы

1.L.Rossi, LHC upgrade plans:options and strategy, IPAC2011, p.908.

2.Каминский В.И., Сенюков В.А., Собенин Н.П. Высшие типы волн в элементах ускоряющих структур. М.: МИФИ, 2002

3.E. Haebel et al, The Higher-Order Mode Dampers of the 400 MHz Superconducting LHC Cavities, Proceedings of the 1997 Workshop on RF Superconductivity, Abano Terme, Italy.

4.Ya. Shashkov et al, Comparison of higher order modes damping techniques for 800 MHz single cell superconducting cavities, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 767, (2014), pp 271–280.

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

З.Р. ШИХКЕРИМОВА, А.С. МАГУРОВ, К.Р. АЙВАЗОВ, О.А. ПЫЛЕВА

Научный руководитель – В.Ф. КАТАЕВ, к.т.н., доцент

Волгодонский инженерно-технический институт НИЯУ МИФИ

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УНИПОЛЯРНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрены особенности режимов работы униполярного преобразователя на основе термоэлектрического конденсатора со структурой МДПМ.

В ВИТИ НИЯУ МИФИ разработан униполярный полупроводниковый управляемый термоэлектрический преобразователь с повышенным за счет униполярности и управляемости КПД.

Эффект униполярного термоэлектрического преобразования достигается благодаря тонкому нанорегулированию сдвига зон насыщенности электронов с помощью электрического поля до полного вытеснения «горячих» электронов из «холодной» зоны [1].

Это позволяет увеличить эффект преобразования энергии непосредственно в холод или непосредственно в электричество за счёт организации полупроводниковой структуры в виде многослойного сэндвича ме- талл-диэлектрик-полупроводник-металл (МДПМ-структура) рисунок 1.

Рис. 1. Структура униполярного термоэлектрического преобразователя

При заряде конденсатора электроны донного электрода переходят из металла в полупроводник, для чего им приходится преодолевать потенциальный барьер. Это могут сделать только самые "горячие" электроны. Приходя в термодинамическое равновесие с кристаллической решёткой

_______________________________________________________________________

86 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»

Ускорительная техника, физика пучков…

металла, они отбирают у нее энергию (эффект Пельтье). В зоне контакта остаются более "холодные" электроны. При этом поглощённая тепловая кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию заряженного конденсатора.

При разряде конденсатора через МДП-транзистор выделяется значительно меньше тепла, чем поглощается из донного электрода. При этом потенциальная энергия заряженного конденсатора содержит не только энергию, полученную от батареи, но и поглощённую в контакте металлполупроводник в процессе заряда тепловую энергию. Часть запасенной потенциальной энергии, преобразованной из тепловой, выделяется на резисторе, таким образом, поглощенная тепловая энергия частично преобразуется в дополнительную электрическую [2].

Униполярное термоэлектрическое устройство имеет ряд значительных преимуществ перед элементом Пельтье. Во-первых, это отсутствие горячей стороны – отсутствует необходимость в системе охлаждения. Вовторых, при использовании униполярного преобразователя в качестве охлаждающего элемента существенно повышается холодильный коэффициент, что позволяет получать минусовые температуры без учета внешних факторов. Это достигается за счет возможности самообеспечения элемента электрической энергией, часть которой может быть направлена на расширение функционала оборудования. В-третьих, в процессе охлаждения образуется дополнительно электрическая энергия, которая может быть направлен на обеспечение работы других систем, таких как система вентиляции.

Проведенные эксперименты [1] подтвердили работоспособность устройства.

Список литературы

1.Карапетьян Г.Я., Лунин Л.С., Днепровский В.Г, Катаев В.Ф. Преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию в системе металл-диэлектрик-полупроводник- металл. //Журнал технической физики, т.83, №11, 2013, с.72-77. http://journals.ioffe.ru/jtf/2013/11/page-72.html.ru

2. Карапетьян Г.Я., Катаев В.Ф., Заремба О.И. PCT заявка (международная) на изобретение №РСТ/RU2012/000240 «Термоэлектрический преобразователь» Опубликована 10.10.2013, № WO 2013/151452 A1

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

Ю.Ю. ЛОЗЕЕВ Научный руководитель – Ю.А. БАШМАКОВ, д.ф.-м.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАТОРА МИКРОТРОНА

Проведено исследование основных электродинамических характеристик резонатора микротрона с целью использования этих результатов для дальнейшей оптимизации его конструкции.

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН находится электронный синхротрон «Пахра». Его первоначальное назначение состояло в проведении исследований в области ядерной физики, работ по физике и технике ускорителей, работ по созданию и применению источников излучения (ондуляторы, лазеры на свободных электронах, синхротронное излучение). Инжектором синхротрона является микротрон. Г.Г. Субботиным был предоставлен в наше распоряжение резонатор этого микротрона. На рисунке 1 приведена схема сечения резонатора микротрона, исследуемого в работе. Все размеры на рисунке приведены в миллиметрах.

Рис. 1. Центральное сечение рабочего резонатора

В работе были выполнены качественные оценки резонатора микротрона. Были исследованы два способа инжекции в микротроне, предложенные в 1959 г. В.Н. Мелехиным (рисунок 2). В первом типе ускорения

_______________________________________________________________________

88 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»

Ускорительная техника, физика пучков…

эмиттер располагается приблизительно посередине радиуса резонатора. Во втором типе электроны начинают свой путь вблизи оси резонатора и, следуя по более сложной траектории, выходят из резонатора через добавочное отверстие [1, стр. 21].

Рис. 2. Резонатор микротрона при первом и втором типе ускорения [2, стр. 9]

Было проведено моделирование упрощенной модели резонатора, когда резонатор представляет собой цилиндрический объем, и модели учитывающей тонкие эффекты, соответствующие реальному резонатору, такие как: отверстия для пролета электронов и окно для ввода мощности.

Также было проведено экспериментальное определение резонансной частоты резонатора. В диапазоне частот от 0 до 3000МГц было обнаружено два максимума, один близок к значению, полученному в результате моделирования (f0=2890МГц), а второй (f0=2460МГц) оказался непонятным. Частота 2460МГц – паразитный резонанс в системе кабель – не идеально настроенный волноводно-коаксиальный переход, отношение к резонатору не имеет.

Результаты полученные в процессе моделирования и экспериментальные данные могут помочь в дальнейшем изучении вопроса оптимизации конструкции резонатора микротрона.

Список литературы

1.Капица С.П., Мелехин В.П. Микротрон. Издательство наука, 1969.

2.Г.Г.Субботин, А.В.Серов. “Квазинакопительный режим работы синхротрона «Пахра»”. Препринт, ФИАН, №19, 2007.

_______________________________________________________________________

Ускорительная техника, физика пучков…

И.Д. СОКОЛОВ, Е.А. САВИН Научный руководитель – Н.П. СОБЕНИН, д.т.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ГЕНЕРАТОРНО-УСКОРИТЕЛЬНый МОДУЛЬ КОАКСИАЛЬНОГО ТИПА СО СВЯЗЬЮ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ И УСКОРЯЮЩЕЙ СЕКЦИЙ ЧЕРЕЗ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ВОЛНОВОДЫ

Рассмотрены вопросы выбора размеров узла связи между областью коаксиального резонатора с пролетными каналами и бипериодической ускоряющей структурой (БУС). Исследуется влияние ширины продольной стенки соединительного волновода и щелей связи резонатора генератора и БУС на отношение напряженностей полей в канале ускорения к напряженности поля между дрейфовыми трубками.

Для макета генераторно-ускорительного модуля (ГУМ) проведены исследования зависимости от величины щели связи параметра k, равного отношению напряженности электрического поля на оси ускоряющей структуры (Еуск) к напряженности электрического поля в пролетном канале между трубками дрейфа (Едр). Коаксиальный резонатор [1] возбуждает-

ся на волне типа Е010 на частоте 2856 МГц, БУС на той же частоте работает на виде колебания π/2. Из соображений удобства размещения отрезка

прямоугольного волновода, соединяющего генераторную и ускорительную части, широкая стенка волновода выбрана a = 55мм. При таком размере a отражение S11 = -23 дБ.

На рис. 1.представлено изображение резонатора генератора и обозначение его основных размеров, а на рис. 2 – аналогичные данные для резонатора БУС.

Рис. 1. Геометрия резонатора генератора

_______________________________________________________________________

90 ISBN 978-5-7262-2222-6. XIX конференция «Молодежь и наука»