Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

работе [3.15] приводится простая модель, которая объясняет понижение добротности во II и III областях с помощью BCS схемы.

Эта модель трактуется как комбинация глобального нагрева изза слабой теплопроводности сверхпроводников и эффекта проникновения высокочастотного магнитного поля, которое уменьшает запрещенную энергетическую зону с увеличением высокочастотного поля. Эти оба эффекта вызывают рост поверхностного сопротивления от поля, что приводит к снижению добротности.

На рис.3.40 приведена зависимость собственной добротности резонаторов в функции максимального магнитного поля на поверхности Q0(Bмакс) для резонатора из ниобия, подвергнутого химическому травлению и электрополировке. С ростом магнитного

поля (при Bмакс > 90 – 100 мТл) наблюдается резкий спад собственной добротности такого резонатора из-за роста высокочастотных

потерь. Этот спад происходил без обнаружения рентгеновского излучения, то есть при отсутствии полевой эмиссии. После термической обработки резонатора при температуре 100 – 140 0 С в течение 48 часов значительно снижался спад собственной добротности.

Рис.3.40. Зависимость Q0(Bмакс) без присутствия полевой эмиссии при разных технологиях обработки поверхности резонатора

О влиянии термической обработки на характеристики сверхпроводящего одиночного резонатора на частоте 1,3 ГГц можно судить также по данным Корнельского университета, представленным на рис. 3.41. Резонатор сделан из поликристалла ниобия с неровностями 5 – 10 мкм. Спад добротности еще имеет место и после термической обработки.

151

Здесь же приведено сравнение ее с ячейкой, испытанной без термической обработки. Следует заметить, что спад добротности возвращается после термической обработки. Спад добротности возвращается для больших поликристаллов, обработанных химическим травлением, как и в одиночных кристаллических резонаторах.

При отжиге в «воздухе» восстановление спада добротности несколько улучшается (рис. 3.44) и повышается остаточное сопротивление. Однако отжиг в «воздухе» менее эффективен, чем отжиг при ультравысоком вакууме.

Спад добротности возвращается для всех резонаторов, изготовленных из поликристаллического ниобия и обработанных электрополировкой и отожженных при 800 ° С / 1400 ° С.

Рис.3.43. Зависимость Q0(Еуск) для резонатора из поликристаллического ниобия с химическим травлением и без него

Итак, понижение добротности является общим для химического травления, электрополировки большого поликристалла ниобия и монокристалла ниобия. Начало спада добротности отмечается выше для низкой плотности границ кристалла.

Стандартный рецепт термической обработки следующий. Тренировка при температуре110 – 125 ° С в течение 1 – 2 дней в условиях сверхвысокого вакуума. Полностью собранный резонатор после обработки должен находиться в чистой комнате.

153

Основные выводы для объяснения снижения добротности сверхпроводящих резонаторов при увеличении ускоряющего напряжения сводятся к следующему:

•модель глобального нагрева не может объяснить уменьшение собственной добротности на экспериментальной зависимости

Q0 (Eуск) в области высокого градиента (область III). Вероятно, нужно учитывать и проникновение магнитного поля, однако предположение об этом должно быть подтверждено будущими экспериментальными исследованиями;

•снижение собственной добротности определяется магнитным полем на поверхности. Понижение добротности в области III в химически полированных резонаторах должно быть связано и с повышением поля из-за неровности поверхности;

•термическая обработка позволяет не допустить спада собственной добротности для всех резонаторов, прошедших электрополировку. Она позволяет уменьшить спад собственной добротности для резонаторов из крупного поликристалла и монокристаллов, прошедших предварительное химическое травление. Термическая обработка увеличивает концентрацию кислорода внутри материала на глубине проникновения СВЧ поля. Но нет соответствующих результатов для резонаторов из мелкозернистых поликристаллов, прошедших предварительное химическое травление.

155

Глава 4 КОНСТРУКЦИИ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ

УСКОРЯЮЩИХ РЕЗОНАТОРОВ И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСТРОЙСТВ

4.1.Особенности устройств ускорителей со сверхпроводящими резонаторами

В настоящей главе рассмотрены наиболее важные узлы сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, а именно, коаксиальные и волноводные устройства вводов мощности в ускоряющие резонаторы, устройства вывода из резонаторов волн высших типов, элементы высокочастотного тракта многосекционных линейных ускорителей со сверхпроводящими резонаторами, а также некоторые конструкции сверхпроводящих резонаторов для ускорителей электронов и протонов.

Вводы высокочастотной мощности в нормально проводящие резонаторы должны выполнять две основные функции:

•обеспечивать эффективную связь источника ВЧ мощности с нагрузкой,

•выполнять функции вакуумного барьера между заполненной воздухом или газом передающей линией и вакуумным объемом резонатора.

Аналогичные функции выполняют и выводы мощности из генераторов и усилителей высокочастотных колебаний. При рассмотрении вводов мощности в сверхпроводящие резонаторы эти функции сохраняются, однако существует несколько довольно важных отличий в конструкции и условиях эксплуатации, а именно:

• Ввод мощности соединяет конструкции ускоряющей системы, находящиеся при комнатной температуре, с криогенной системой при температуре 2 – 4,2 К. Должны быть низкие потоки тепла между окружением снаружи при комнатной температуре и окружением внутри при криогенной температуре (от 2 до 4,5 К). Поэтому необходимо проведение точных тепловых расчетов, тщательное размещение тепловых экранов и/или активного охлаждения. Конструкция должна выдерживать статические и ди-

156

намические тепловые нагрузки так, чтобы они не доминировали

в общей тепловой нагрузке на криостат.

•Холодная часть ввода мощности будет служить своего рода криогенным насосом, адсорбируя на поверхности остаточный газ. Быстрая десорбция этого газа под воздействием СВЧ полей может стать причиной дугового или искрового разряда. Это происходит из-за бомбардировки поверхности электронами во время мультипакторного разряда.

•СВЧ потери в сверхпроводящем резонаторе пренебрежимо малы по сравнению с мощностью пучка. Ввод мощности проектируется таким образом, чтобы передавать всю мощность только пучку. Следовательно, внезапное изменение или потеря пучка приводит к тому, что системе обратной связи приходится поддерживать амплитуду ускоряющего поля постоянной и/или предотвращать большие отражения СВЧ мощности.

•Наконечник ввода мощности находится в пролетном канале пучка. Погружение в ячейку резонатора может приводить к локальному повышению магнитного поля или непредсказуемому мультипакторному разряду. Кроме того, необходимо минимизировать возмущение поля в резонаторе в месте подсоединения ввода мощности с тем, чтобы уменьшить влияние создаваемой асимметрии поля на характеристики ускоряемого пучка. Для этого используют сдвоенные вводы мощности, компенсирующие штыри и др.

•Вводы мощности для сверхпроводящих резонаторов должны работать в широком диапазоне изменения импеданса нагрузки: от условия согласования, когда резонатор нагружен пучком, до полного отражения при произвольной фазе без нагрузки пучком. Поэтому в ряде конструкций таких вводов мощности должны быть предусмотрены возможности регулировки коэффициента связи передающей линии с ускоряющими резонаторами.

•Должна быть обеспечена чистая процедура сборки криомодуля для минимизации риска загрязнения сверхпроводящего резонатора. Поэтому в конструкции предусматривается холодное окно, которое может работать при высоких полях.

Надежность компонент определяется количеством пробоев в час. По этому критерию вводы мощности показывают себя как самый критичный компонент системы. Однако аккуратный сбор

157

данных показывает, что зачастую пробои в вводах мощности являются вторичными эффектами. Основной упор при рассмотрении делается на время возникновения необходимых условий для пробоя. Его можно объяснить мультипакторными явлениями – вторичным электронным разрядом. Появление вторичных электронов при столкновении зависит от энергии столкновения и состояния поверхности. Для чистой медной поверхности коэффициент вторичной эмиссии составляет 1,2. Загрязненная поверхность или абсорбирующие газы увеличивают этот коэффициент на 50%. Очень опасно в отношении мультипактора окно из Al2O3,, поскольку коэффициент вторичной эмиссии доходит до 6. Порядок мультипакторного разряда определяется временем пролета электронов, нормированным на период ВЧ поля. Более стабильным, но и более опасным, является мультипактор низших порядков. Для коаксиальной линии опасны первые шесть порядков.

Нами рассмотрены коаксиальный и волноводный варианты устройств регулируемых и нерегулируемых вводов большой средней/импульсной мощности. На примере коаксиального регулируемого ввода средней мощности 75 кВт [4.1− 4.6] показаны особенности электродинамических и тепловых расчетов таких устройств.

Другой важный узел сверхпроводящих ускоряющих резонаторов – это устройство вывода волн высших типов (ВВТ) из резонатора. Известно, что при пролёте электронного пучка в ускоряющей секции линейного ускорителя, работающего как в режиме бегущей, так и стоячей волн, генерируется широкий спектр волн различных типов с разными резонансными частотами, в том числе и дипольные волны высших типов. Этот эффект оказывает отрицательное влияние на работу ускорителя, так как при этом часть энергии пучка отдаётся ВЧ полю, но гораздо более существенным с точки зрения динамики пучка является взаимодействие наведенных волн с пучком. Наведённые поля обладают поперечными электрическим и магнитным компонентами на оси и, следовательно, отклоняют следующие сгустки. Это может привести к нестабильности пучка – вызвать значительное увеличение поперечного и продольного эмиттанса пучка и в итоге привести к расширению энергетического спектра частиц и даже к потере частиц на стенках, а при увеличении тока пучка к его полной потере.

158

Демпфирование ВВТ играет все более важную роль в достижении и сохранении низкого эмиттанса и низкой модуляции энергии пучков в ускорителях, особенно в ускорителях, основанных на сверхпроводящей технологии.

Очень большие значения собственной добротности Q0 из-за сверхпроводящего состояния стенок резонатора, которое является преимуществом перед резонаторами с нормально проводящими стенками в случае ускоряющей моды, делают импеданс пучка на ВВТ также очень высоким. Это может привести к сильному взаимодействию пучок-резонатор, вызывая рост эмиттанса, расширение энергетического спектра от сгустка к сгустку и/или дополнительной криогенной нагрузке.

В настоящей главе представлен обзор существующих устройств вывода волн высших типов из сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, а также результаты исследований авторов по волноводным устройствам вывода этих волн [4.7− 4.15].

В многосекционных ускорителях со сверхпроводящими резонаторами питание секций осуществляется от фазируемых источников СВЧ мощности. В большинстве случаев источником мощности служит усилительный клистрон. Нами рассмотрены некоторые устройства высокочастотного тракта коллайдера TESLA [4.16 − 4.24], обеспечивающие эффективную передачу мощности от клистронов в ускоряющие секции. Система питания ускорителя TESLA обладает типичными чертами СВЧ системы многосекционного ускорителя и особенностями, обусловленными спецификой питания сверхпроводящих ускоряющих секций. По такой же схеме предполагается создание ускорительного комплекса XFEL [4.25]

Основная схема ускорителя предполагает использование ускоряющих резонаторов, разработанных для экспериментальной ус-

тановки TESLA Test Facility (TTF) [2.3].

Система СВЧ питания должна обеспечить разведение мощности СВЧ генератора к этим входным волноводам. К каждому резонатору в номинальном режиме подводится мощность 231 кВт. Необходимая регулировка мощности СВЧ питания каждого ускоряющего резонатора в диапазоне составляет ± 30 кВт от номинальной, а диапазон независимой регулировки фазы ускоряющего поля в резонаторах ± 500.

159

Выбор значения внешней добротности ускоряющего резонатора (или коэффициента связи передающей линии с резонатором) определяется шунтовым сопротивлением, собственной добротностью, уровнем поступающей мощности и величиной ускоряемого тока.

Ниже приведены результаты разработок по созданию таких важных компонентов волноводного тракта питания многосекционных ускорителей со сверхпроводящими резонаторами, как регулируемые направленные ответвители и волноводные согласующие устройства на основе двойного тройника с подвижными короткозамыкателями.

4.2. Вводы ВЧ мощности в сверхпроводящие резонаторы

4.2.1. Коаксиальные и волноводные вводы мощности

В различных ускорителях используются устройства ввода мощности, как на основе прямоугольных волноводов, так и коаксиальных линий. Оба типа имеют свои преимущества и недостатки. Сравним два типа этих устройств по ряду характеристик.

•При одинаковой передаваемой мощности максимальное электрическое поле для стандартного волновода на частоте 1.3 ГГц составляет 400 кВ/м. Для коаксиальной линии с внешним диаметром, равным размеру узкой стенки волновода, эта величина составляет 800 кВ/м. Если увеличить диаметр коаксиальной линии таким образом, чтобы ее сечение было таким же, как и в волноводе, то по этому критерию конструкции сравняются.

•Для обоих приведенных выше примеров потери мощности составляют примерно 1 кВт на метре длины. Для коаксиальной линии около трети потерь приходится на внешний проводник, но основная часть выделяется на внутреннем проводнике. Тепло с него может быть снято без нагрузки на криогенную зону (конструкция с одним теплым окном), или через второе (холодное) окно при температуре 70 К.

•В области низких частот волноводные вводы мощности становятся слишком громоздкими. Изготовление прямоугольного волновода с хорошим медным напылением в углах гораздо более сложная задача, нежели создание круглой трубы. К тому же фланцы для круглых труб легче конструировать и собирать. С другой стороны, большие размеры волноводного ввода мощно-

160