Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

расчетов были установлены следующие допуски на основные размеры: L=(276,0± 0,5) мм, h=(322± 2) мм, s=(19± 1) мм, sh=(71± 1) мм, t=(4,0± 0,5) мм, p=(141± 2) мм, sk=(140± 1) мм, a=(165± 1) мм, b=(83± 1) мм. Аналогично были получены функции чувствительности и допуски для ответвителя на 12,6 дБ:

L=(276,0± 0,5) мм, h=(80± 1) мм, T=(100± 1) мм, s=(19± 1) мм, sh=(77± 1) мм, t=(4,0± 0,5) мм, p=(135± 2) мм, sk=(90± 1) мм,

a=(165± 1) мм, b=(82± 1) мм.

Исследования регулируемых направленных ответвителей с индуктивной перестройкой связи были направлены также на получение заданных характеристик устройств при наложении ограничений на их габариты, а именно длина и ширина должны быть в пределах 500 и 400 мм соответственно. Такие жесткие ограничения позволяют произвести замену существующих нерегулируемых направленных ответвителей в СВЧ тракте коллайдера TESLA на регулируемые направленные ответвители без изменения конфигурации разработанной СВЧ системы ускорителя. Чтобы выполнить дополнительные условия, пришлось применить повороты регулирующих волноводов, в которых размещаются подвижные короткозамыкатели, на 90° (рис. 4.72).

а б Рис.4.72. Направленные ответвители с уголковыми поворотами:

а – 3 дБ; б – 12,6 дБ

Расчет и оптимизация выполнены методом градиентного спуска при помощи программы HFSS 5.5. Варьировались десять геометрических размеров устройства.

На рис.4.73 показаны изометрии поверхностей, где двумя независимыми координатами являются положения плунжеров, а функ-

241

циями − коэффициенты переходного ослабления и направленности для направленного ответвителя на 12,6 дБ.

а б Рис.4.73. Зависимости параметров ответвителя от положения плунжеров:

а – переходного ослабления; б – направленности

Регулировочные кривые оптимизированного направленного ответвителя на 3 дБ представлены на рис. 4.74. Коэффициент переходного ослабления можно перестраивать от 2 до 4 дБ, коэффициент обратных потерь составляет не более − 35 дБ, направленности − не менее 31 дБ.

Рис.4.74. Зависимость переходного ослабления от положения плунжеров (а) и направленности и обратных потерь от переходного ослабления (б)

для направленного ответвителя на 3 дБ

Обеспечение необходимой электрической прочности является одним из важнейших вопросов при создании рассматриваемых устройств. Было исследовано распределение максимума электрического поля в объеме направленного ответвителя при различных положениях плунжеров. Для количественной оценки полей ис-

242

пользовался коэффициент перенапряженности k, являющийся отношением максимального электрического поля в ответвителе к напряженности поля бегущей волны во входном волноводе. Максимальное значение коэффициента перенапряженности не превышает 1,13 и достигается при С=13,5дБ и d=233мм. Максимум поля расположен между двумя плоскими стенками ответвителя.

В связи с большим расстоянием между плунжерами (~500 мм) в конструкции устройства целесообразно использовать независимые приводы для каждого поршня. В устройстве должна быть проведена калибровка переходного ослабления от положения поршней. В табл. 4.21 приведены параметры калибровки ответвителя.

Проектирование короткозамыкающих плунжеров требует знания распределения электрического поля вблизи плоскости плунжеров в различные моменты времени.

Для обеспечения необходимого коэффициента направленности регулируемых направленных ответвителей при перестройке коэффициента переходного ослабления на ±1 дБ использованы регулирующие волноводы сечением 276× 82,55 мм. В волноводах с таким размером широкой стенки наряду с волной типа Н10 может распространяться и волна типа Н20. В ответвителе с переходным ослаблением 3дБ распределение поля в регулирующих волноводах близко к распределению поля в однородном короткозамкнутом волноводе такого же сечения, как и регулирующий, в котором возбуждаются волны Н10 и Н20 равной амплитуды и со сдвигом фаз 90° . В направленном ответвителе с переходным ослаблением 12,5дБ в одном из регулирующих волноводов преобладает волна типа Н20 с

243

волной Н10 небольшой амплитуды, а в другом – наоборот. Можно ожидать, что в направленных ответвителях с переходным ослаблением от 3 до 12,5дБ распределение поля в регулирующих волноводах близко к распределению поля различных комбинаций волн типа Н10 и Н20. При разработке подвижного короткозамыкающего поршня рассматривались дроссельные плунжеры специальной конструкции для каждого регулирующего волновода и каждого ответвителя, а также универсальный подвижный короткозамыкатель, обеспечивающий работу при полях, образованных любыми комбинациями волн типа Н10 и Н20.

Выбор конфигурации и размеров подвижного короткозамыкателя проводился по критериям эффективного короткого замыкания на всей длине перемещения поршня и обеспечения в поршне напряженности поля меньшей, чем в прямоугольном волноводе.

Одним из вариантов подвижного короткозамыкателя является дроссельный поршень, рассчитанный на высокий уровень мощно-

женность в дроссельных каналах достигает 3,5 при возбуждении в волноводе волн типа Н10 и 2,7 при возбуждении суммой волн типов Н10 и Н20 равной амплитуды и со сдвигом фаз 900. Уменьшение мощности за поршнем составляет 33дБ. Так как поле в регулировочном волноводе является суммой двух типов волн, то это обусловливает возникновение трех областей перенапряженности между поршнем и широкой стенкой волновода.

244

Для решения этой проблемы была проведена оптимизация геометрических размеров узла. Дроссельный поршень рассчитывался для поля, созданного суммой волн типа Н10 и Н20 равной амплитуды и со сдвигом фаз 900. Определены размеры канавки в дросселе в местах расположения пучностей электрического поля.

Испытания дроссельного поршня с фторопластовыми держателями для ЕН-согласователя показали их недостаточную механическую жесткость. Кроме того, при пробоях фторопласт выделяет летучие ядовитые соединения фтора. В связи с этим для крепления дросселя целесообразно использовать металлическую пластину специально выбранной формы. В пластине выполнены проточки напротив узкой стенки для устранения перенапряженностей. На рис.

4.76 изображен вид такого

нитной волны за пределами поршня составляет –105дБ. В дроссельных каналах напряженность электрического поля мала по сравнению с напряженностью поля в ответвителе. Коэффициент перенапряженности электрического поля в дроссельном поршне не превышает 0,9.

Короткозамыкающий поршень может быть выполнен на основе тонкой изогнутой пластины из упругого материала − мембраны, закрепленной одним концом на широкой стенке поршня, а другим концом на фланце вдоль широкой стенки регулирующего волновода (рис. 4.77). Между мембраной и боковой стенкой волновода имеется зазор размером 9 мм. Размеры пластины и зазора между широкой стенкой волновода и плунжером, равного 15 мм, выбраны таким образом, чтобы обеспечить эффективное короткое замыкание при перемещении поршня на ± (8...16) мм относительно среднего положения и допустимые деформации мембраны.

245

жении мембраны, когда поршень выдвинут в сторону направленного ответвителя (рис. 4.78). Поле на расстоянии 1 мм от края мембраны составляет 0,07 от поля во входном волноводе направленного ответвителя. Напряженность электрического поля при приближении к краю мембраны возрастает пропорционально 1/r (r

– расстояние от края мембраны). При толщине мембраны 0,1 мм напряженность электрического поля на поверхности края мембраны составит приблизительно 0,7 от напряженности поля во входном волноводе ответвителя, что является удовлетворительным с точки зрения электрической прочности.

Подвижный короткозамыкатель на основе гибкой мембраны обладает лучшими характеристиками и выбран в качестве основного варианта для использования в составе регулируемых направленных ответвителей.

246

С использованием проведенных расчетов были изготовлены полномасштабные образцы направленных ответвителей с перестройкой ±1 дБ относительно номинальных значений переходного ослабления 3 и 12,5 дБ. Экспериментальному исследованию характеристик таких регулируемых направленных ответвителей предшествовало создание согласованных нагрузок и волноводных устройств, предназначенных для градуировки измерителя параметров четырехполюсников непосредственно на фланце коакси- ально-волноводного адаптера.

Измерение характеристик направленных ответвителей проводилось с использованием в регулировочных волноводах как плоских короткозамыкающих пластин, так и подвижных короткозамыкателей мембранного типа.

На рис. 4.79 показан общий вид измерительного стенда для исследования характеристик ответвителей.

Рис. 4.79. Общий вид измерительного стенда

На рис 4.80 изображены зависимости коэффициента переходного ослабления в функции положения короткозамыкателя, полученные по результатам расчета и с использованием экспериментальных данных. Для этих же случаев на рис. 4.81,б приведены зависимости направленности от переходного ослабления.

Данные получены как с плоским короткозамыкателем и с набором отрезков волноводов, так и с подвижным короткозамыкателем мембранного типа. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов для ответвителя представлено на рис. 4.81. В табл. 4.22 представлены регулировочные характеристики ответвителей обоих типов.

247

Управление функциями направленного ответвителя осуществляется с помощью единого программно-аппаратного комплекса, разработанного и изготовленного специально для этого устройства и являющегося неотъемлемой его частью. Основными исполнительными элементами настройки устройства являются два шаговых двигателя, перемещающие короткозамыкающие поршни (мембранного типа). Двигатели позволяют делать 200 шагов за один оборот вала, что обеспечивает необходимую точность позиционирования поршней. Система управления и схемотехника блоков управления обоих поршней полностью идентичны.

Рис.4.80. Зависимости для 3 дБ ответвителя: а – переходного ослабления от положения поршня; б – направленности от переходного ослабления

Рис. 4.81. Зависимости для ответвителя 12,5 дБ: а – переходного ослабления от положения поршня; б – направленности от переходного ослабления

Организация программно-аппаратного комплекса степени аналогична организации комплекса управления ЕН-согласователем.

248

Калибровка направленного ответвителя производится автоматически при помощи специальной программы.

Таблица 4.22 Характеристики ответвителей с переходным ослаблением 3 дБ и 12,5 дБ

4.6. Настройка сверхпроводящих резонаторов

4.6.1.Требования к настроечным устройствам

Настроечные устройства должны обеспечивать резонансную частоту равной проектируемой рабочей частоте. Существует несколько условий, определяющих характеристики настроечных устройств. Чтобы сделать точный прогноз по необходимому диапазону перестройки частоты, основываясь на измерениях при комнатной температуре, необходимо учесть влияние вакуума, изменение длины резонатора из-за понижения температуры и сокращение размеров элементов поддержки резонатора. Влияние этих факторов составляет 10–4 и требуемый диапазон настройки такой же.

В накопительных кольцах резонатор непосредственно не используется для ускорения, в нем можно сдвинуть частоту основной моды на половину частоты гармоники оборота частиц, чтобы избежать повышения мощности, индуцируемой пучком на основной моде. Для накопительных колец с небольшой длиной окружности, как CESR (800 м), частота обращения 400 кГц.

249

Во время ускорения устройство настройки должно корректировать медленные изменения частоты резонатора, например из-за изменения давления в танке, или длины системы поддержки резонатора, возникающей вследствие изменения температуры теплых частей. Эксперименты показывают, что обычная чувствительность к давлению резонаторов низкочастотного накопительного кольца составляет от 8 до 80 Гц/мбар. Для резонаторов более высокочастотного линейного ускорителя чувствительность меняется от –15 до –60 Гц/мбар. Различие в величине и знаке происходит из-за небольшого различия в форме резонаторов и различных способов поддержки резонаторов внутри криостатов.

В некоторых применениях полезно к основному устройству настройки добавлять устройство тонкой настройки, которое также является более быстродействующим. Высокое быстродействие необходимо в случае реактивной нагрузки пучком или для быстрой расстройки резонатора после ВЧ отключения, чтобы мощность, индуцируемая пучком в сверхпроводящем резонаторе, не стала чрезмерной. После устранения причины, которая вызвала расстройку частоты, устройство быстрой настройки обеспечивает приведение резонатора в рабочий режим без потери пучка. Скорость коррекции частоты ограничивается механическими резонансами системы «резонатор-устройство настройки».

Устройство настройки в основном устанавливают в активной части сложной ВЧ контрольной системы, которая выполняет несколько функций. Она стабилизирует частоту, амплитуду и фазовые изменения, индуцируемые такими источниками, как ВЧ система, изменение тока пучка, расстройка из-за силы Лоренца и микрофонные эффекты. Уровень, который может быть достигнут совместным контролем частоты, амплитуды и фазы, определяет энергетический спектр пучка в линейном ускорителе.

После того как сигнал от опорного генератора проходит через фазовращатель, который определяет опорную фазу, он обрабатывается фазовым и амплитудным контроллерами и усиливается до уровня мощности, необходимого при управлении резонатором. Для амплитудного контроля сигнал от зонда, следящего за полем в резонаторе, поступает на амплитудный детектор, где сравнивается с контрольным значением и сигналом ошибки, после усиления и фильтрации сигнал ошибки используют для привода системы ам-

250