Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

может быть увеличен в пределах 840− 1300 МэВ). Ввод мощности состоит из 50-омной коаксиальной линии с планарным керамическим окном. Этот ввод мощности является развитием ввода мощности для сверхпроводящих резонаторов B-фабрики в KEK. Изменения связаны с другой рабочей частотой, а также конструкцией криостата. Со стороны атмосферы внешняя конструкция сделана из покрытой медью нержавеющей стали.

Внутренний проводник

Охлаждаемый гелием внешний проводник

Керамическое окно

Переход типа «дверная ручка»

Рис.4.6. Ввод мощности ускорителя SNS

Ввод мощности согласован с прямоугольным волноводом WR975 через переход типа «дверная ручка». Модифицированные прокладки типа СonFlat используются на стороне окна, чтобы обеспечить хороший высокочастотный контакт и в то же время вакуумное уплотнение. Емкость для подачи постоянного смещения предусмотрена между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии. Коаксиальная конструкция алюминиевого окна имеет четыре конструктивных порта на вакуумной стороне: два для вакуумных приборов, один как электронный датчик и один для сапфировой оптики детектора искрения; охлаждаемая водой внутренняя конструкция сделана из бескислородной меди марки OFE. Испытания ввода мощности проведены при импульсной мощности 2 МВт.

Для международного линейного электрон-позитронного коллайдера ILC разработана конструкция ввода мощности с емкостной связью (рис. 4.7). Проведенные испытания на высоком уровне

171

мощности продемонстрировали успешную работу на согласованную нагрузку с импульсами мощностью 1 МВт при длительности ВЧ импульса 1,5 мс и частоте 5 Гц, а также с импульсной мощностью 2 МВт при длительности ВЧ импульса 1,5 мс и частоте 3 Гц. При работе в режиме короткого замыкания проведены испытания при импульсной мощности 500 кВт при длительности ВЧ импульса 1,5 мс и частоте 5 Гц. Мультипакторный эффект проявлялся слабо. Верхний предел мультипактора 200 кВт.

Теплоотвод 80 К Теплоотвод 4 К "Теплое" окно

Рис.4.7. Ввод мощности с емкостной связью с низким тепловым потоком

Прототип ввода мощности способен создать ускоряющий градиент 45 МВ/м в ускорителе ILC. Модульная структура обеспечивает хорошую ремонтопригодность устройства.

Технологию изготовления сверхпроводящих резонаторов, работающих в импульсном режиме, развитую для установки TESLA, применяют в настоящее время в ряде проектов линейных ускорителей непрерывного режима, предназначенных для генерации ультракороткого излучения. Это ERL, BESSY лазер на свободных электронах и источник света четвертого поколения в Daresbury (4GLS). Многие технологии прямо могут быть перенесены на установки непрерывного режима. Однако некоторые должны быть

172

пересмотрены. Это относится к вводу мощности. Он был спроектирован на импульсную мощность 1 МВт и в основном работал при средней мощности менее 1,5 кВт на бегущей волне.

Эксперименты показали, что TTF-III прошел успешные испытания на бегущей волне при уровне мощности до 10 кВт и на стоячей волне до 5 кВт. Простое устройство охлаждения внутреннего проводника может быть реализовано с минимальной модификацией теплой части ввода мощности. Это позволит увеличить мощность в режиме стоячей волны до 8 кВт и даже до 25 кВт.

Рис.4.8. Ввод мощности TTF-III

На рис. 4.8 изображен входной ввод мощности TTF-III. Он состоит из двух коаксиальных частей («теплая» и «холодная») и вол- новодно-коаксиального перехода. «Холодная» часть подсоединяется к пролетной трубке резонатора и имеет общий вакуум с резонатором, предохраняемый керамическим цилиндрическим окном. «Теплая» часть, соединенная с резонатором, помещается в криостат. Второе цилиндрическое окно на переходе от волновода к коаксиальной линии обеспечивает дополнительный вакуумный барьер, причем «теплая» часть ввода мощности откачивается через отдельную линию. Сильфоны в вводе мощности позволяют изменять напряжения в устройстве и облегчают его центровку. Внешний и внутренний проводники (исключая «холодную» антенну) изготовлены из нержавеющей стали, покрыты слоем меди толщиной 10 мкм и 30 мкм соответственно.

Для нормальной работы в криомодуле существует три теплосъема. Фланцы резонатора при 2 К с дополнительными теплосъе-

173

мами в областях 5 К и 80 К показаны на рис. 4.8. Последние связаны с тепловыми экранами соответствующих температурных зон модуля TTF.

Внутренний проводник охлаждается только за счет теплопроводности через холодную керамику и, следовательно, чувствителен к сильному нагреву, даже если потери малы. Тепловой анализ устройства показывает, что наиболее критичные части (внутренний проводник сильфона) нагревается на 25 °С на 1 кВт мощности бегущей волны при работе при комнатной температуре. Ожидается, что при криогенной температуре проводимость керамики улучшится в 3 – 8 раз, так что устройство должно работать при более высокой мощности из-за того, что внутренний проводник охлаждается лучше. Моделирование также показывает, что радиационные потери играют важную роль, когда охлаждается внутренний проводник при уровнях мощности на бегущей волне 4 кВт.

Разрушение окна, позволяющее внезапно проникать атмосферному воздуху в сверхпроводящие резонаторы, может потенциально ухудшить эксплуатацию существующих секций ускорителя. Последующая разборка криостата и других компонент ускорителя для исправления рассматриваются как бедствие из-за неизбежно больших затрат времени и ресурсов. Стоимость и потери времени для ремонта и исправления ускоряющей структуры существенно выше по сравнению со стоимостью дополнительного окна в конст-

5 Гц. Криогенные потери при этом равны 12 Вт при 70 К, 1 Вт при 4 К и 0,12 Вт при 2 К. Постоянное смещение равно 4 кВ.

Вблизи керамического окна важно обеспечить низкое электрическое и магнитное поля, чтобы уменьшить опасность возникновения мультипактора. Вместо цилиндрических окон должны быть использованы плоские окна.

Расчеты по программе HFSS дают максимальный градиент напряжения 1440 В/м на ватт входной мощности, что соответствует напряжению 30,3 кВ в зазоре 2 см (для максимальной мощности 1,1 МВт) в области ввода мощности с наиболее высоким электрическим полем.

Напряжение пробоя определяется выражением:

174

Vмакс = Z0 Pмакс .

Напряжение пробоя, рассчитанное по напряжению пробоя для соизмеримой стандартной коаксиальной линии с таким же импедансом, как в установке TESLA, равно 108 кВ. Это напряжение пробоя в 3,5 раза больше, чем рассчитанное максимальное напряжение в вводе мощности TESLA.

Существенно ожидаемым ограничением во время работы ввода мощности может быть вторичный резонансный электронный разряд при высоких уровнях мощности, особенно на нерегулярности поверхности вблизи области пайки керамического окна. Для предупреждения этого явления поверхности, обращенные к вакууму, покрывают нитридом титана (TiN), используя метод распыления.

Врезультате испытаний установлено, что устройство ввода мощности AMAC (рис.4.9) свободно от мультипакторных траекторий в режиме оговоренной мощности и поверхность окна такова, что имеются лишь траектории мультипактора с коротким временем жизни. Температурные расчеты выполнены по программе ANSYS с учетом температуры, соответствующей теплопроводности и электрических потерь после завершающей стадии пайки.

ВЛаборатории линейных ускорителей LAL (Orsay, Франция) разработан метод промышленного изучения вводов мощности. Трем компаниям поручено представить предложения по процессу изготовления и изготовить два прототипа в 2008 г. Это необходимый и полезный шаг по направлению массового производства вводов мощности (800 штук для FEL и 16000 штук для ILC).

Рис.4.9. Ввод мощности TESLA, изготовленный

AMAC

175

4.3. Ввод мощности в инжектор ускорителя с рекуперацией энергии

Создание источника синхротронного излучения требует расширения существующих ускорительных технологий в нескольких направлениях, в том числе в создании устройства ввода высокочастотной мощности в ускоряющую сверхпроводящую структуру. Поскольку средние уровни мощности, вводимые в сверхпроводящие резонаторы, должны составлять несколько сот киловатт, то проблема минимизации потоков тепла, создающих нагрузку на криогенную систему, является одной из центральных. Поэтому для надёжного функционирования устройства ввода мощности и установки в целом необходимо выполнение тепловых расчётов и расчетов механической прочности сложной конструкции, работающей в условиях переменных значительных тепловых и внешних механических напряжений. Особенно важно уменьшение тепла, выделяемого устройством ввода мощности в криогенной зоне с температурой 2 К, охлаждаемой жидким гелием, а также 4 K и 80 К. Устройство ввода мощности должно быть также согласовано на рабочей частоте при различных положениях антенны, вводимой в сверхпроводящий резонатор при изменении нагрузки пучком. Немаловажной проблемой при уровнях средней мощности более 150 кВт является создание условий по недопущению развития мультипакторного разряда. Универсальная методика разработки устройства ввода мощности, учитывающая все указанные факторы, до сих пор в полном объёме не развита.

Лаборатория физики элементарных частиц Корнельского университета проводит работу над проектом по созданию установки синхротронного излучения, основанной на линейном ускорителе с рекуперацией энергии ERL на энергию 5− 7 ГэВ и током 100 мА в непрерывном режиме [4.38]. Основные параметры ускорителя ERL приведены в табл. 4.4.

На первом этапе совместно с Джефферсонской лабораторией будет сооружен прототип ускорителя с параметрами пучка 100 МэВ и током 100 мА, предназначенный для изучения концепции рекуперации энергии сильноточных пучков с малыми эмиттансами.

176

Таблица 4.4

Рис.4.10. Схема ускорителя с рекуперацией энергии - ERL

Основными частями установки являются (рис. 4.10) фотоинжектор, основной ускоритель, сверхпроводящая транспортная петля и ондулятор для производства рентгеновского излучения.

Электронный пучок с энергией 10 МэВ и малым нормализованным поперечным эмиттансом от инжектора вводится в основной сверхпроводящий линейный ускоритель. Сверхпроводящая структура ускоряет электроны до 5− 7 ГэВ. Затем пучок проходит по рециркуляционной транспортной петле, где он используется для получения рентгеновского излучения. Возвращаясь в линейный ускоритель с изменением фазы на 180 градусов по отношению к ВЧ волне, пучок используется для рекуперации энергии. В линейном

177

ускорителе рециркулированные электроны отдают свою энергию, которая затем используется для ускорения последующих сгустков. Наконец, пучок с низкой энергией на выходе из ускорителя отклоняется с помощью дипольного магнита с небольшим полем для демпфирования.

Инжектором ускорителя ERL является пушка с фотокатодом, работающим от лазера. Сверхпроводящие резонаторы позволят получить энергию пучка 10 МэВ. Каждый ВЧ цуг в резонаторах с частотой 1,3 ГГц должен содержать заряд 77 пК для получения тока пучка 100 мА. Относительно низкий заряд сгустка выбран c тем, чтобы уменьшить остроту проблем, свойственных пучку с большим зарядом – влияние когерентнго синхротронного излучения (CSR), пространственного заряда и эффектов наведенного поля на шестимерный эмиттанс. В инжекторе сгустки предварительно подвергаются компрессии до получения длины сгустка 0,7 мм, прежде чем они поступают в основной линейный ускоритель. Чтобы получить нормализованный эмиттанс в ондуляторе менее 2 мм мрад, необходимо получить эмиттанс менее 1,5 мм мрад на выходе инжектора и еще меньшее от пушки. Таким образом, очень тщательная компенсация эмиттанса должна быть реализована в конце участка с низкой энергией, где пучок наиболее уязвим.

Фотоинжектор является важной частью установки, так как он определяет максимально достижимый поток и яркость. Первоначальное изучение и расчеты показывают, что фотоэмиссионная пушка, управляемая лазером, наиболее подходит для этих задач. Выбор оптимального материала катода и гарантированное большое время его жизни при условии работы с большим током представляется достаточно обнадеживающим. Минимизация теневого тока и работа при наиболее высоком напряжении для катода будут требовать разработок изоляторов, материалов катода и поддержания условий очень высокого вакуума.

Пучок электронов от пушки постоянного тока при напряжении 500 кВ поступает в медный группирователь и затем ускоряется до энергии 5,5 МэВ в пяти двухъячеечных сверхпроводящих резонаторах при номинальном токе 100 мА. В табл. 4.5 приведены некоторые параметры инжектора ускорителя ERL. Необходимая СВЧ мощность генератора с учетом нагрузки пучком, потерь в волноводах и некоторого запаса составляет 130 кВт в расчете на один резонатор. Предусмотрен режим ускорения до 15,5 МэВ при меньшей нагрузке током. Для его реализации в устройствах ввода

178

мощности предусматривается возможность изменения величины внешней добротности сверхпроводящих резонаторов на порядок.

В конструкции используется двойной (симметричный) коаксиальный узел ввода мощности (рис. 4.11 и 4.12). Симметричные коаксиальные вводы мощности имеют два преимущества: они обеспечивают отсутствие поперечного отклонения пучка, движущегося вдоль оси резонатора, и уменьшают нагрузку мощностью для каждого его плеча в два раза. Внешний диаметр коаксиальной линии выбран 62 мм, а импеданс 60 Ом выбран для минимизации нагрева внутреннего проводника «холодной» части ввода мощности. «Теплая» часть коаксиальной линии имеет внешний диаметр и импеданс ввода мощности, аналогичный TTF-III (62 мм и 46 Ом соответственно).

Форма концевой части антенны представляет изогнутый эллиптический диск с полуосями 20 мм и 23,4 мм, внутренний изогнутый радиус 35 мм. Толщина диска 4 мм и внешние углы диска скруглены. Углы плоскости поперечного сечения между внешней трубой коаксиальной линии и пролетного канала скруглены радиусом 4 мм.

Рис.4.11. Внешний вид двухъячеечного резонатора

179