книги из ГПНТБ / Диденко А.Н. Сверхпроводящие волноводы и резонаторы

кидеальной линии задержки. Этот вывод подтверждают

ите сравнительно небольшие экспериментальные дан­

ные, которые получены к настоящему времени.

В [129] описана сверхпроводящая коаксиальная ли­

входной импульс (верхний след) и импульс, прошедший через коаксиальную линию длиной 3,05 м при 7 = 293 К

в 10 раз входной импульс в этих случаях почти пол­ ностью затухает. Если же использовать сверхпроводя­ щую линию, то даже при длине 30,5 м входной импульс проходит без искажения и с очень малым уменьшением амплитуды. Это изображено на рис. 6.2,е.

ний— из свинца, а в качестве изоляции использовался фторопласт различных сортов. Время задержки кабеля равно 5 не на 1 м. Кабели имели длину от 60 до 250 м. В табл. 6.2 приведены данные о затухании для волн раз­ личной частоты, распространяющихся по этому кабелю.

180

Таким образом, из изложенного видно, что сверхпро­ водящие коаксиальные линии передачи представляют большой интерес при передаче импульсов наносекундной длительности на большие расстояния и при разра­ ботке линий задержки на этой основе.

6.3. Использование сверхпроводящих волноводов и резонаторов в ускорительной технике

Уникальные свойства сверхпроводящих волноводов и резонаторов совместно с явлением сверхтекучести гелия при 7"<2,17К открывают широкие возможности их использования в ускорительной технике. Сверхпроводя­ щие СВЧ устройства целесообразно использовать в ка­ честве ускоряющих устройств линейных ускорителей, микротронов и синхротронов, а также для сепарации частиц высоких энергий. Коротко остановимся на этом. Более подробно этот вопрос рассмотрен в [131] и П42].

К настоящему времени наиболее подробно изучен вопрос о возможности применения сверхпроводящих волноводов в качестве ускоряющих систем линейных ускорителен. Существуют уже проекты сверхпроводя­ щих линейных ускорителей на большие энергии и прово­ дятся детальные экспериментальные исследования на макетах.

Проведенная работа показала, что использование сверхпроводящих волноводов позволяет существенно улучшить параметры пучков линейных ускорителей. Вопервых, это приводит к увеличению среднего тока уско­ ренных частиц за счет перехода -к непрерывному или ква­ зинепрерывному режиму работы. Во-вторых, применение сверхпроводящих СВЧ структур позволяет осуществить растяжку импульса излучения во времени, что снижает требования к регистрирующей аппаратуре и позволяет расширить число методов регистрации образовавшихся

1S1

100%- Объясняется это следующим. Для обычных диаф­

примерно в 106 раз. При этом шунтовое сопротивление волновода, не нагруженного пучком и отверстиями свя­

Немаловажным является также и то, что, используя сверхпроводящие СВЧ структуры, можно, как это сле­ дует из (4.52), сильно уменьшить энергетический раз­ брос частиц на выходе ускорителя.

Если нагруженная добротность QH = Ю7, то, как не­ трудно видеть из (4.52), в принципе возмолшо получение

частиц с энергетическим разбросом Дс?/а? = Ю- '1 , если частота высокочастотного генератора и собственная частота ускоряющих секций будут стабилизированы

стей. Результаты исследований, изложенные в гл. 4, по­ зволяют определить те допуски на стабилизацию темпе­ ратуры и давления, при которых возможно получение такой стабильности частоты ускоряющей системы. Ока­ зывается явление сверхтекучести гелия позволяет выдер­ жать эти допуски.

. .Наконец, предполагается, что, используя сверхпро­ водящие волноводы, можно увеличить напряженность

182

электрического ііоля гіо сравнению с обычными волно­ водами и, таким образом, при той же длине ускорителя увеличить энергию частиц.

Наиболее существенные результаты по разработке сверхпроводящих линейных ускорителей электронов по­ лучены в США. Здесь в Лаборатории физики высоких энергий Стэнфордского университета и Стэифордском Центре линейных ускорителей совместно проводится большая работа по исследованию возможности исполь­ зования сверхпроводящих волноводов для ускорения частиц в линейных ускорителях. Первый успешный за­ пуск сверхпроводящего линейного ускорителя был осу­

из 19 ячеек, в котором возбуждались стоячие волны на частоте / = 0,95 ГГц. Каждая секция такого волновода состояла из двух подсекций, включающих половину нор­ мального и половину укороченного резонатора. Подсек­ ции спаивались по периметру нормальных резонаторов, покрывались электролитически чистым свинцом и затем соединялись в волновод с помощью индиевых прокла­

ванны равнялся 500 л. В ускоряющую структуру пода­

симальная напряженность порядка 5,5 МВ/м и ускорен­ ный ток в несколько долей микроампера с энергией 6 МэВ. Полученные результаты позволили начать рабо­ ты по проектированию сверхпроводящих линейных уско­

Предполагается [132, 141], что ускоряющая система ускорителя на 2 ГэВ (рис. 6.3) будет иметь длину 150 м и будет состоять из шести основных ускоряющих секций длиной 24 м каждая, помещенных в один сосуд Дьюара, и инжекторной секции длиной 5 м. Каждая из основных ускоряющих секций будет состоять из 4 подсекций дли­ ной около 6 м. В 'качестве сверхпроводника выбран нио­ бий. С учетом уменьшения поверхностного сопротивле­ ния Rs с уменьшением Т, с одной стороны, и уменьшения теплопроводности ниобия Кт с уменьшением Т, с другой

183

стороны, наиболее целесообразно выбрать рабочую тем­ пературу 7 = 1,85 К и рабочую частоту /=1,3 ГГц.

Предполагается, что волновод будет изготовляться из листового ниобия. Отдельные четвертьволновые ячейки будут изготовлять гидравлическим способом, обрабаты­ вать й сваривать электронным пучком. Модуль ускоряю­ щего волновода будет состоять из 7 полуволновых ячеек длиной 80 см каждая. Такой модуль нагревают в ваку­

Нагрев происходит в печи. После этого ячейки соединя­ ют между собой с помощью индиевых прокладок.

Ускоритель должен работать в непрерывном режиме

можно возбуждать поля, напряженности которых у по­

вающим фактором являются не токи эмиссии, а крити-

184

ческие магнитные поля. Первоначально планировалось, что такой ускоритель будет запущен в 1971 г. Однако испытания на секции длиной 1,5 м при рабочих частотах дали неудовлетворительные результаты. Оказалось, что при напряженностях поля свыше 3 МВ/м происходит электрический пробой в местах сварки, где электриче­ ское поле максимально. Не 'исключено, что может быть придется изменять технологию изготовления волноводов, а в местах максимального электрического поля заменять сварку электролитическим наращиванием. С учетом это­ го считается, что сооружение ускорителя может быть закончено только в 1973 г. ,[141].

Параллельно в Стэнфордском ускорительном центре рассматривается вопрос о возможности замены обычно­ го диафрагмированного волновода двухмилы-юго линей­ ного ускорителя на сверхпроводящий с целью увеличе­ ния длительности импульса излучения и увеличения энергии с 20 до 100 ГэВ [140]. Проведенная работа пока­ зала, что наиболее подходящим материалом для этого ускорителя является ниобий. Была принята следующая технология изготовления волноводов: из листового чи­ стого ниобия с количеством примесей, не превышающим

гают. Подъем температуры производят со скоростью 1000 град/ч (эта скорость ограничивается скоростью откачки выделяющихся при подъеме температуры в печи газов имеющимися двумя криогенными и одним титано­ вым насосами), отжиг—в течение 6—10 ч, затем в течение 12 ч печь остывает, причем за первый час температура уменьшается на 1000 градусов. Печь вскрывают в атмо­ сфере азота. С помощью такой технологии удалось полу­ чить ниобиевые резонаторы, которые на Ноц-типе коле­ баний при частоте f=10,5 ГГц и Г=1,85 К имели доброт­ ность Qo=10".

Довольно сложным является выбор оптимальной частоты для сверхпроводящего ускорителя. Поскольку поверхностное сопротивление сверхпроводника резко возрастает с увеличением частоты, то, казалось бы, предпочтительнее является работа на низких частотах. Однако с уменьшением частоты увеличиваются размеры криостата, и поэтому сильное уменьшение частоты неже­ лательно. С учетом того, что на линейном ускорителе

185

156

Были проведены подробные расчеты по выбору опти­ мальных размеров и оптимального режима работы вол­

выбору наиболее оптимального режима работы показа­

щих волн на частоте / = 2.856 ГГц без пучка и с пучком. Резонатор бегущей волны состоит из нескольких частей:

1) круглого диафрагмированного волновода из нио­ бия длиной 52,5 см, состоящего из 15 резонаторов дли­ ной 3,5 см каждый (режим 2я/3) с диафрагмами типа вздутых дисков;

2) петли обратной связи, состоящей из прямоуголь­ ного волновода листового ниобия.

Сверхпроводящие волноводы могут быть использова­ ны и для ускорения в линейных ускорителях тяжелых" частиц — протонов, однако сведений о таких работах пока еще мало. Наиболее изученным является проект Института экспериментальной ядерной физики (Карлс­ руэ). Предполагается, что ускоритель будет сооружать­ ся в две очереди: сначала на энергию 1 ГэВ, а затем энергия будет увеличена до 7 ГэВ. Длина ускорителя 1300 м. Средний ток ускоренных • протонов будет при­ мерно 100 мкА [131].

Также широко исследуется вопрос об использовании сверхпроводящих резонаторов в микротрона-х. Как из­ вестно [133], равновесный прирост электронов в микро­ троне должен быть равным или кратным энергии покоя

таких резонаторов позволяет создать микротроны, рабо­

1 8 7

является то, что резонатор должен быть расположен во вйешнем магнитном поле с индукцией 0,1—0,3 Т. Это поле может разрушать сверхпроводящее состояние, и поэтому в мнкротронах со сверхпроводящими резонато­ рами необходимо использовать разрезные магниты. Это приводит к специфичным особенностям движения частиц.

Микротрон с разрезным магнитом позволяет исполь­ зовать гораздо более сильные магнитные поля посравнению с обычным микротроном и значительно увеличить прирост энергии ускоряемых частиц за оборот. Это дела­

не сверхпроводящие резонаторы, а сверхпроводящие линейные ускорители, расположенные между секторами

динить положительные особенности линейных и цикли­ ческих ускорителей.

В настоящее время известны два проекта сверхпро­ водящих микротронов на большую энергию — проект микротрона на 200 МэВ Стэнфордского университета [134] и проект мпкротрона на 600 МэВ, разрабатывае­ мый в Иллинойском университете [135, 136]. Предпола­ гается, что в ускорителе на 200 МэВ будет непрерывно ускоряться средний ток 100 МкА и что высокочастотная

188

б у д е т о к о л о 0,8 Т, то п о л е б у д е т п р и м е р н о в 19 р а з боль ­

ш е ц и к л о т р о н н о г о , и п о э т о м у п р и р о с т э н е р г и и за о б о р о т

п р о в о д я щ и й в о л н о в о д б у д е т р а б о т а т ь в 2 л / 3 - р е ж и м е и

э н е р г и и за о б о р о т с о с т а в л я е т 30 М э В . Ч а с т о т а у с к о р я ю ­ щ е г о п о л я [ = 1 , 3 ГГц . Э т о й ч а с т о т е с о о т в е т с т в у е т ц и к л о ­ т р о н н о е п о л е р , о # = 0 , 0 4 6 5 Т и р а с с т о я н и е м е ж д у о р б и т а ­

за о б о р о т 30 М э В . В ы с о к о ч а с т о т н а я м о щ н о с т ь с у ч е т о м

189