Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

сти обеспечивают более высокую скорость откачки, а отсутствие центрального проводника делает устройство более простым и легче охлаждаемым.

•Подстройка коэффициента связи ввода мощности может быть очень полезной для компенсации погрешностей при производстве, неравномерности поля в резонаторе и при изменении тока пучка. Для коаксиального ввода мощности это может быть сделано за счет перемещения наконечника внутреннего проводника ближе к пролетному каналу пучка. Изменение коэффициента связи для волноводного ввода мощности является сложной задачей. Небольшая подстройка коэффициента связи может быть получена при использовании трехшлейфового согласующего трансформатора в конце волноводной линии. Но это приведет к возникновению дополнительной стоячей волны в передающей линии.

•Коаксиальные вводы мощности имеют меньшие утечки тепла и позволяют относительно легко изменять уровни мощности мультипактора путем изменения диаметра и/или импеданса коаксиальной линии.

•ВЧ окна для волноводных вводов мощности обычно планарной конструкции с одной или более керамикой разной формы и иногда переменной толщины.

•Коаксиальные вводы мощности требуют коаксиальноволноводных переходов. Более часто используются переходы типа «дверная ручка» («door knob»). В коаксиальных вводах мощности могут быть использованы окна различных форм: коаксиальный диск, цилиндрические и конические. Цилиндрические окна являются частью волноводно-коаксиального перехода, в то время как дисковые и конические – частью самой коаксиальной

линии.

СВЧ окна отделяют газонаполненную часть системы от вакуумной. В большинстве случаев они делаются из керамики, основным компонентом (95% – 98%) которой служит Al2O3. В связи с высоким коэффициентом вторичной электронной эмиссии необходимо использовать Ti, TiN или другое напыление для препятствования развития мультипакторного разряда.

В табл. 4.1 суммированы основные достоинства и недостатки волноводных и коаксиальных вводов мощности.

161

Наиболее часто наблюдаемое повреждение окон проявляется в появлении металлического напыления под действием взрывной эмиссии или дугового разряда. В результате локальный перегрев может привести к механическим нагрузкам и разрушению керамики. Иногда дугу можно наблюдать без явных причин. Эффективным методом борьбы с пробоями по поверхности керамики является уменьшение зернистости керамики.

В устройствах ввода мощности обычно используются одно или два окна. Второе (холодное) окно может быть присоединено к резонатору в условиях чистой комнаты, таким образом будет снижен риск загрязнения резонатора. Теплое окно присоединяется после подключения резонатора в вакуумной системе. При этом вакуум между двумя окнами достигается независимо.

Таблица 4.1 Характеристики волноводного и коаксиального вводов мощности

На холодную часть ввода мощности воздействуют как статические, так и обусловленные СВЧ полем тепловые нагрузки. Внешний проводник разделен теплоотводом в 70 К и в 4 К, если резонатор работает при 2 К. Или же он может охлаждаться обратным потоком охлаждающего контура резонатора для снижения тепловой нагрузки в криогенную зону. Внутренний проводник может охлаждаться водой или холодным газом. В случае использования второго, холодного, окна тепловой поток через керамику может быть существенным при небольшой средней мощности (2 кВт) как например в TESLA.

Перед использованием ввод мощности проходит тренировку, так как передача максимальной СВЧ мощность не может быть немедленно получена на новом устройстве. Ввод мощности снабжа-

162

ют различными видами датчиков для анализа эффектов во время тренировки и/или в качестве блокировок:

•вакуумными манометрами, однако эти манометры имеют низкую чувствительность из-за того, что холодная поверхность работает как крионасос;

•датчиками, регистрирующими электронный или ионный ток;

•световыми сенсорами (фотоумножителями или диодами) для регистрации световых явлений;

•инфракрасными сенсорами, которые могут измерять температуру окна. Для получения косвенной информации о росте температуры используют размещаемые снаружи платиновые терморезисторные датчики.

Отдельные вводы мощности могут демонстрировать специфическое поведение во время тренировки. Вот некоторые наиболее общие проявления, полученные в нескольких лабораториях:

•часто вакуум ухудшается на определенных уровнях мощности,

•в это же самое время появляется ток на коллекторе (в основном электронный, о чем можно судить по смещению напряжения);

•одновременно регистрируются вспышки света на тех же уровнях мощности.

Наиболее правдоподобное объяснение такого поведения состоит в том, что мультипакторные электроны бомбардируют поверхность, вызывая десорбцию сконденсированного газа. С помощью анализатора остаточных газов выявляется наличие воды на начальных этапах тренировки. На низких уровнях мощности присутствуют гидрокарбонаты и оксиды углерода. Поэтому производят тренировку, то есть очистку поверхности от остаточного газа за счет электронной бомбардировки. Тренируют при высоком и стабильном уровне десорбции, не допуская резкого ухудшения вакуума, которое может привести к искровому разряду или пробою. Важными условия для быстрой тренировки являются отжиг поверхности и высокая скорость откачки ввода мощности, особенно

врайоне окон.

4.2.2.Устройства ввода большой мощности в сверхпроводящие резонаторы

В табл. 4.2 и 4.3 представлены характеристики вводов большой

средней и импульсной ВЧ мощности. Эти вводы разработаны для

163

сверхпроводящих резонаторов, которые были испытаны при высоком уровне ВЧ мощности. В таблицах приведены частота, на которой работают вводы мощности, тип ввода (коаксиальный или волноводный), тип используемого окна, величина внешней добротности и диапазон ее изменения, максимальная мощность, на которую рассчитаны и при которой испытаны устройства, режим работы (бегущая или стоячая волна). В случае вводов импульсной мощности указаны также длительность и частота высокочастотных импульсов.

Таблица 4.2

Вводы большой средней мощности

Вводы мощности в установках HERA, LEP2 и TRISTAN представляют первое поколение вводов большой средней мощности. Эти вводы мощности во время испытаний продемонстрировали, что они способны передать сотни киловатт высокочастотной мощности. Однако из-за специфики ускоритель/резонатор они были

164

ограничены при работе уровнем мощности 100 кВт. Тем не менее эти вводы мощности обеспечили неоценимый опыт изготовления, тестирования, работы и поддержания больших систем (288 ввода мощности в LEP). Из первого поколения до сих пор работают только вводы HERA.

Вводы мощности второго поколения были разработаны с учетом полученного опыта и знаний и в некоторых случаях были улучшенными версиями старых вводов мощности (LHC, KEKB, JLAB FEL), но в то же время появлялись и новые устройства (APT, CESR). Эти вводы мощности достигли впечатляющих уровней мощности 1 МВт на испытательном стенде (APT) и 380 кВт в ра-

боте (KEKB).

В качестве примера волноводного ввода мощности на рис.4.1 изображен ввод мощности в В-ячейку резонатора (CESR, Корнельский университет) с фиксированной связью Qвн=2·105 через связующую щель в пролетной трубке. Так как мультипакторный разряд в холодной секции вакуумированного волновода представлял некоторые трудности в CESR, то к внешней части волновода были добавлены соленоидальные катушки.

Ввод мощности для ускорителя KEK показан на рис.4.2. Он является улучшенным вариантом длительное время работающих 32 вводов мощности TRISTAN и имеет фиксированную связь при Qвн=7·104. Керамическое окно толщиной 10 мм в виде коаксиального диска сделано из алюминия чистотой 95%. Для уменьшения коэффициента вторичной эмиссии поверхность окна покрыта пленкой TiNXO1-X толщиной 100 ангстрем. Импеданс коаксиальной линии диаметром 120 мм составляет 50 Ом. Внутренний проводник сделан из электрополированной меди и охлаждается водой. Внешний проводник стальной, покрытый медным слоем, и охлаждается гелием при температуре 4 К с потреблением 8 л/мин.

165

Таблица 4.3

Вводы большой импульсной мощности

166

проводника, который позволяет подавать разность потенциалов

± 2 кВ для подавления мультипактора.

Ввод мощности для LHC с переменной связью базируется на конструкции ввода мощности для LEP2. Поперечное сечение этого ввода мощности показано на рис. 4.3. Высота волновода уменьшена, чтобы сделать волноводно-коаксиальный переход без «дверной ручки». Цилиндрическое окно, покрытое титаном, является частью перехода. Основная коаксиальная линия диаметром 145 мм имеет импеданс 75 Ом, ее антенна охлаждается воздухом. Цилиндрическая емкость служит для обеспечения разности потенциалов 3 кВ. Наиболее характерным отличием этого ввода мощности является диапазон изменения связи. Внешняя добротность, изменяемая от 2.0·104 до 3,5·105, получается путем перемещения снабженной сильфонами антенны (ход 60 мм).

Ввод мощности для ART представлен на рис.4.4.

Рис.4.3. Ввод мощности для LHC с переменной связью

168

Ввод мощности для проекта с резонатором в виде тормозной колодки показан на рис.4.5.

Это коаксиальный ввод мощности 212 кВт на частоте 350 МГц. Были приняты во внимание эксперименты с вводом мощности ART, но в качестве прототипа была выбрана конструкция нормально проводящего резонатора APS. Ввод мощности состоит из секции волновода в половину высоты волновода WR2300, соединенной с короткозамыкающим коаксиальным проводником. Цилиндрическое керамическое окно толщиной 4,8 мм размещено на волноводно-коаксиальном (103 мм и 75 Ом) переходе. Порт откачки полного диаметра размещен в четвертьволновом шлейфе.

Рис.4.5 Схематическое изображение ввода мощности для резонатора в виде тормозной колодки.

На рис. 4.6 изображен ввод мощности ускорителя SNS. Высокочастотная система этого ускорителя состоит из сверхпроводящих резонаторов, из которых 33 рассчитаны на фазовую скорость 0,61с и 48 резонаторов – на фазовую скорость 0,81с (с − скорость света). Каждый резонатор имеет ввод мощности, который должен выдерживать полную мощность клистрона 550 кВт при полном отражении для длительности ВЧ импульса 1,3 мс и частоте следования импульсов 60 Гц. Все вводы мощности изготовлены в JLAB. Сверхпроводящие резонаторы на частоте 805 МГц с основным π- видом колебаний и типом волны Е010 ускоряют ионы водорода в основном ускорителе от 185 МэВ до 1,0 ГэВ (диапазон энергий

170