Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

Ускоритель ERL рассчитан на работу при номинальном непрерывном токе пучка 100 мА. Стабильная работа линейного ускорителя требует поглощения примерно 130 Вт мощности волн высших типов в расчете на один семиячеечный резонатор. Для этого поглотители из феррита устанавливаются в тракте распространения между резонаторами внутри криомодуля. Абсорберы изотермически связаны с линией жидкого азота, поддерживая их рабочую температуру вблизи 80 К при работе с номинальным током. Два сильфона согласовывают длину поглотителя и изолируют его по температуре от 2 К окружения. Рис. 4.56 показывает предложенное устройство поглотителя.

Рис.4.56. Ферритовый поглотитель в тракте пролета пучка

В ускоряющей структуре Европейского XFEL высокочастотная часть спектра волн высших типов должна быть поглощена в поглотителях в тракте распространения пучка, установленных между восемью резонаторными криомодулями. Распространяющаяся мощность волн высших типов будет 5,4 Вт/криомодуль для работы с 40000 сгустков/с и номинальном заряде пучка 1 нКл. Керамическое кольцо CERADYNE будет использовано для поглощения (рис.4.57). Рассеянная мощность должна быть передана линии жидкого азота посредством медного шлейфа, припаянного непосредственно к керамике. Шлейф держит кольцо в вакуумной камере, сделанной из нержавеющей стали. Конструкция обеспечивает возможность рассеяния мощности более 100 Вт. Этот запас заложен для будущего повышения мощности установки.

221

Керамическое

кольцо

ε ' = 15, ε '' = 4

Рис.4.57. Поглотитель в тракте распространения пучка ускорителя XFEL

4.5. Система питания ускорителей со сверхпроводящими резонаторами

4.5.1. Схемы систем питания

Линейные ускорители со сверхпроводящими резонаторами обычно являются многосекционными ускорителями, в которых питание секций осуществляется от фазируемых источников СВЧ мощности. В большинстве случаев источником мощности служит усилительный клистрон. При этом каждый клистрон питает одну либо несколько ускоряющих секций. По такой схеме, в частности, построены системы питания ускорителей, входящие в состав элек- трон-позитронного коллайдера TESLA [2.3] и проекта ускорителя

XFEL[4.25].

Рассмотрим некоторые устройства высокочастотного тракта указанных ускорителей, обеспечивающие эффективную передачу мощности от клистронов в ускоряющие секции. В табл. 4.15 приведены основные характеристики системы питания коллайдера на двух этапах сооружения установки.

Таблица 4.15

Параметры системы СВЧ питания коллайдера TESLA

222

Сечение криомодуля коллайдера TESLA показано на рис.4.13. Криомодуль представляет собой вакуумированный корпус с двенадцатью ускоряющими резонаторами, с раздельным питанием каждого их них. Для этого с наружной стороны корпуса размещены 12 входных волноводов, подключенных к устройствам ввода мощности ускоряющих резонаторов.

Система СВЧ питания должна обеспечить разведение мощности СВЧ генератора к этим входным волноводам. К каждому резонатору в номинальном режиме подводится мощность 231 кВт (этап I) либо 462 кВт (этап II). 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.

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. Для регулировки величины внешней добротности до значения, при котором достигается согласование секции с трактом и отсутствует отраженная от секции волна, предусмотрены следующие методы:

•настройка коэффициента связи устройства ввода мощности с резонатором в процессе сборки криомодуля путем установки определенного погружения штыревой антенны устройства ввода мощности внутрь резонатора;

•установка перед входом секций специальных согласующих устройств в схеме СВЧ питания, предназначенных для оперативного компенсирования возникающих отражений и, тем самым, для регулирования внешней добротности резонатора

в различных рабочих режимах при изменении мощности СВЧ питания и величины ускоряемого тока.

Источником СВЧ мощности является клистрон Thales ТН 1801 с возбуждением от твердотельного задающего генератора. Рабочая частота клистрона 1300 МГц, импульсная мощность – до 10 МВт. Клистрон имеет два выходных волновода, по которым передается импульсная мощность по 5 МВт. Один клистрон питает 36 ускоряющих резонаторов, размещенных в трех криомодулях, т.е. каждый выходной канал клистрона обеспечивает питание 18 резонаторов. Распределение мощности между секциями может осущест-

223

вляться по различным схемам. Известны две схемы системы СВЧ питания ускоряющих резонаторов: древовидная и последовательная.

Древовидная схема СВЧ питания [4.21] изображена на рис.4.58. В этой схеме мощность генератора поступает в 16 резонаторов через 15 одинаковых направленных ответвителей с переходным ослаблением 3,0 дБ (волноводных мостов). Суммарная длина волноводов системы 46,2 м. Другим вариантом древовидной схемы является СВЧ система на основе Р-делителей (рис.4.59). Обе схемы позволяют регулировать мощность питания каждого резонатора при условии использования регулируемого волноводного моста либо регулируемого Р-делителя.

Рис.4.58. Древовидная схема СВЧ питания c направленными ответвителями

Рис.4.59. Древовидная схема СВЧ питания c P-делителями мощности

Р-делитель изображен на рис. 4.60 и представляет собой Т- образное соединение в плоскости Н с дополнительной подвижной стенкой внутри. Подвижная стенка прикреплена к середине узкой стенки прямого волновода Т-образного соединения и может поворачиваться около линии этого соединения. При этом между подвижной стенкой и широкими стенками указанного волновода имеется зазор.

Рис.4.60. Делитель мощности

224

Другим вариантом системы СВЧ питания является последовательная схема, изображенная на рис. 4.61. Данная схема представляет собой линейную цепочку соединенных последовательно волноводных направленных ответвителей, величины переходного ослабления которых подобраны специальным образом, обеспечивающим равный уровень мощности на входах ускоряющих резонаторов.

Рис.4.61. Последовательная схема системы СВЧ питания

Как указывалось, от одного выходного волновода клистрона питается 18 резонаторов. Для разведения мощности СВЧ тракт должен включать 17 направленных ответвителей. Первый обеспечивает ответвление 1/18 части мощности генератора, второй – 1/17 части оставшейся мощности и так далее. Это соответствует следующим величинам переходного ослабления ответвителей в но-

минальном режиме: 12,55; 12,30; 12,04; 11,76; 11,46; 11,14; 10,79;

10,41; 10,00; 9,54; 9,03; 8,45; 7,78; 6,99; 6,02; 4,77 и 3,01 дБ. Необ-

ходимость применения ответвителей с различным переходным ослаблением является недостатком последовательной схемы, обусловливающим повышенную сложность ее изготовления. С другой стороны, суммарная длина волноводов системы составляет 24 м, что существенно меньше, чем в древовидной схеме.

Общим для обеих схем является применение устройств развязки клистрона и нагрузки, а также устройств, расположенных на входе каждого резонатора для регулировки его внешней добротности и фазы ускоряющего поля.

Для развязки клистрона и его нагрузки рассматриваются два варианта. В первом из них между направленным ответвителем и

225

резонатором с устройствами регулирования фазы и внешней добротности включается невзаимное устройство − ферритовый циркулятор. Число циркуляторов соответствует числу ускоряющих резонаторов. Во втором варианте циркулятор устанавливается лишь в каждом выходном волноводе клистрона. В первом варианте каждый циркулятор должен обеспечивать передачу мощности до 300 кВт, число циркуляторов составляет 20592. Во втором варианте циркулятор должен быть рассчитан на мощность до 5 МВт, и число циркуляторов составляет 1144. Циркуляторы должны быть применены как в древовидной, так и в последовательной схеме СВЧ питания.

Волноводный направленный ответвитель является известным устройством, широко используемым во многих СВЧ установках. Для обеспечения необходимой перестройки мощности на входе каждого резонатора характеристики направленных ответвителей должны быть регулируемыми в диапазоне изменения переходного ослабления ± 1 дБ по отношению к номинальному значению при сохранении коэффициента направленности более 25 дБ и обратных потерь не хуже –25 дБ (коэффициент отражения не более

0,05).

Для регулирования фазы ускоряющего поля в резонаторах должен быть использован фазовращатель. При этом перестройка фазы может быть совмещена с регулированием внешней добротности резонатора. Это обеспечивается в таких устройствах, как трехшлейфовый трансформатор, а также ЕН-согласователь на основе двойного волноводного тройника с подвижными короткозамыкателями в Е- и Н-плечах. Выбор конкретного типа устройства может быть сделан на основании сравнения их электродинамических характеристик и конструктивных особенностей.

Рассмотренные особенности структуры и элементов древовидной и последовательной схем СВЧ питания позволяют суммировать их основные характеристики (табл. 4.16) и выполнить сравнительный анализ этих систем.

226

Таблица 4.16 Основные характеристики древовидной и последовательной схем

Древовидная система обеспечивает питание фиксированного числа резонаторов (проектное число равно 18). Соответственно необходимы 643 СВЧ станции для древовидной схемы вместо 572 для последовательной при прочих равных условиях.

Длина волноводного тракта в древовидной системе почти вдвое превышает длину в последовательной схеме. Это приводит к более высокой стоимости изготовления древовидной системы и к почти вдвое большим потерям СВЧ мощности генератора в волноводах.

Последовательная схема органично вписывается в конструкцию ускорителя в туннеле, в то время как древовидная схема сложна конструктивно и занимает большой объём в туннеле.

Процесс получения требуемых значений входной мощности, внешней добротности резонатора и фазы поля в ускоряющих резонаторах в последовательной схеме достаточно прост и заключается в последовательной настройке направленного ответвителя и согласователя для каждого резонатора в цепочке системы СВЧ питания. Настройка древовидной системы осложнена влиянием величины коэффициента передачи каждого направленного ответвителя на распределение мощности и значение фазы поля во многих резонаторах одновременно.

Приведенное сравнение позволяет сделать выбор в пользу использования последовательной схемы СВЧ питания ускоряющих резонаторов. В свою очередь, это определило требования к характеристикам основных элементов тракта: согласователей и направленных ответвителей. Подробно эти устройства рассмотрены ниже.

227

4.5.2. Устройство настройки входных параметров ускоряющей секции

Для настройки входных параметров сверхпроводящих ускоряющих секций используют шлейфовые трансформаторы, включенные в высокочастотный тракт ускорителя [2.3]. Альтернативой таких устройств является ЕН-согласователь, содержащий двойной волноводный тройник с подвижными короткозамыкающими поршнями в Е- и Н-плечах. Использование восьмиполюсников с подвижными поршнями для согласования волноводной нагрузки известно. В частности, такими устройствами являются волновод с двумя шлейфами в плоскости Е и гибридное Т-образное соединение [4.19]. Гибридное соединение называется также магическим тройником, либо двойным волноводным тройником.

В двухшлейфовом согласователе перемещение поршней обеспечивает настройку входных параметров нагрузки. Однако эти устройства не позволяют согласовать произвольную проводимость нагрузки. Использование двойного волноводного тройника с настроечными поршнями обеспечивает бó льшую область согласования, чем двухшлейфовый согласователь, поэтому его применение является пред-

почтительным. Рассмотрим матрич-

ную модель устройства с использованием двойного волноводного тройника. Изображение устройства с указанием нумерации плеч (портов) приведено на рис.4.62. При анализе предполагается, что в волноводах могут распространяться волны только низшего типа.

Запишем связь падающих (ai, i=1…4) к устройству и отражен-

228

Устройство является взаимным, обладает геометрической симметрией. Считая потери в восьмиполюснике пренебрежимо малыми, выражение (4.6) можно представить в следующем виде:

Если в плечах 3 и 4 находятся идеальные короткозамыкающие подвижные поршни, то:

воде.

Здесь индексы «е» и «h» относятся к Е- (плечо 3) и Н-плечам (плечо 4), соответственно. x0 и z0 – начальные точки отсчета положения поршней в плечах 3 и 4.

Если в плече 2 установлена согласованная нагрузка, то

Решая систему уравнений (4.7) с учетом условий (4.8), (4.9), (4.10), можно получить выражение для коэффициента отражения

ˆ на входе плеча 1:

S11

(4.11)

Исследуя систему уравнений (4.7), можно показать, что для произвольной нагрузки в плече 2 ( a2 ≠ 0 ) существуют такие по-

ложения поршней в плечах 3 и 4, при которых отражение на входе b1=0, т.е. устройство обеспечивает согласование произвольной нагрузки. Координаты поршней, при которых реализуется согласование, можно получить также численными методами. ЕН- согласователь состоит из двойного волноводного тройника и двух подвижных короткозамыкающих поршней. Расчет ЕН-

229

согласователя включает: определение геометрических размеров волноводного тройника, при которых он согласован со стороны всех плеч; расчет положений поршней, соответствующих согласованию произвольной нагрузки; расчет положений поршней, соответствующих регулировке фазы поля в произвольной нагрузке; расчет конфигурации подвижных поршней. Расчет согласователя, конструкция которого основана на использовании волноводов сечением 165,11× 82,55 мм, выполнялся на рабочей частоте ускорителя TESLA (1,3 ГГц). Численное моделирование ЕН- согласователя проводилось с помощью программы Agilent HFSS 5.6 с использованием компьютера с процессором Intel Pentium IV и объемом оперативной памяти 2 Гб.

Устройство двойного волноводного тройника изображено на рис. 4.62. Его согласование со стороны всех плеч может быть осуществлено различными методами. С учетом симметрии устройства достаточно применения двух реактивных элементов для обеспечения согласования. Конструктивно наиболее простым является применение индуктивных диафрагм, не снижающих электрической прочности тройника. Индуктивные диафрагмы установлены в волноводах 3 и 4. Расчет условий согласования состоял в подборе размеров и положения диафрагм.

Соответствующие значения коэффициентов матрицы рассеяния настроенного двойного волноводного тройника представлены в табл. 4.17. Указанные параметры двойного волноводного тройника являются приемлемыми для использования в ЕН-согласователе.

230