Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

Ранее принцип SASE был экспериментально продемонстрирован на микроволновых длинах излучения. Переход к длинам волн в несколько сотен ангстрем (область видимого света), то есть уменьшение длины волны на семь порядков представлялся нереалистичным. Однако развитие лазеров на свободных электронах позволяет достичь длины волны излучения ~100 нм, что на четыре порядка короче, чем в более ранних установках. Более того, установка TTF при оснащении ее ондулятором позволила обеспечить генерацию излучения от 6 до 40 нм. Энергия пучка должна составить около 1 ГэВ, установка должна быть оснащена системой компрессии пучка и ондулятором длиной 30 м. Установка названа

FLASH − Free electron Laser in Hamburg [6.19].

Созданная установка в ускорительном центре DESY, Гамбург, Германия предназначена для проведения исследования физических, биологических, химических процессов под воздействием лазерных импульсов фемтосекундной длительности. Установка также является экспериментальным стендом для исследования узлов и систем проектируемых комплексов XFEL и ILC.

Общая схема установки приведена на рис. 6.12, ее основные параметры представлены в табл. 6.9.

Таблица 6.9

Основные параметры комплекса FLASH

Основные физические задачи, решаемые в комплексе FLASH: исследование процессов в сверхпроводящих ускоряющих секциях при больших градиентах, анализ динамики пучков заряженных частиц, исследование активных кристаллов для диагностики параметров пучков. Смежные задачи высоких технологий, решаемые при создании и развитии установки: металлургия и кристаллография; технологии сварки, очистки поверхностей резонаторов; раз-

341

работка и эксплуатация крупных криогенных систем, обеспечивающих температуру 2 К; технологии получения сверхвысокого вакуума; цифровая электроника для диагностики и контроля пучка; пьезоакустические преобразователи для настройки резонаторов; мощные клистроны.

Обводной канал

Канал

фотонов

Ондулятор

Рис. 6.12. Структурная схема установки FLASH

Наиболее важным параметром ускоряющей системы является градиент ускоряющего поля. На рис. 6.13 приведена величина градиента в модулях установки и его среднее значение в резонаторах модулей. Средний градиент составляет 27 МВ/м, максимальная достигнутая величина 40 МВ/м. На рис. указаны проектные значения градиента поля для установок XFEL и ILC. Рабочая частота в них составляет 1,3 ГГц.

342

В установке FLASH значительное внимание уделено развитию систем диагностики пучка на всех участках его движения – от инжекции до выходных устройств. Созданы и установлены системы компенсации поперечного смещения пучка из-за возбуждения поперечных паразитных волн. Разрешение смещения одиночного сгустка в поперечном направлении составляет 2...10 мкм.

Для обеспечения узкого энергетического спектра и малого эмиттанса пучка применяется система коррекции СВЧ мощности генератора, обеспечивающая компенсацию снижения амплитуды поля при нагрузке секции ускоренным пучком. Ширина энергетического спектра пучка не превышает 1,6·10-4.

Длина волны излучения обратно пропорциональна энергии пучка. Продвижение в сторону коротких длин волн связано с рядом проблем. При каждой новой достигнутой энергии необходимо устанавливать новую оптику и осуществлять перестройку канала вывода пучка и ондулятора. В настоящее время достигнута длина волны 6,5 нм при энергии пучка 986 МэВ.

При длине волны 25,7 нм средняя энергия в импульсе составляет 65 мкДж, максимальная – 120 мкДж. Наибольшая яркость составляет 1,5·1029 фотон/(с мрад мм2). Энергия в лазерном импульсе длительностью около 50 фс соответствует уровню мощности в несколько гигаватт.

Развитием установки FLASH будет являться установка XFEL – X-ray Free Electron Laser – лазер на свободных электронах рентгеновского диапазона [6.20, 6.21].

Начальной частью установки XFEL является фотоинжектор. Пучок электронов эмитируется фотокатодом, возбуждаемым лазером. Предварительное ускорение осуществляется в одиночном сверхпроводящем резонаторе. Инжектор расположен в отдельном помещении, отделенном радиационной защитой от туннеля основного ускорителя. В начальной части ускорителя установлены четыре ускорительных модуля, каждый из которых содержит восемь резонаторов. Все модули питаются одним генератором. Энергия пучка на выходе начальной части равна 0,5 ГэВ. На ее выходе расположена система оптимизации фазового объема пучка, которая работает на третьей гармонике основной моды (3,9 ГГц). Следующая часть ускорителя состоит из трех станций и обеспечивает ускорение до 2 ГэВ, после чего вновь осуществляется компрессия

343

пучка. Импульсный ток достигает 5 кА, соответствующий компрессии тока инжекции в 100 раз. На протяжении всего ускорительного канала установлены датчики тока пучка для детального контроля его динамики.

Ускорение до полной энергии 20 ГэВ осуществляется в основном ускорителе, содержащем 25 ускоряющих станций по 100 ускоряющих модулей в каждой. На выходе основного ускорителя установлен канал транспортировки пучка для проведения необходимой коллимации пучка и передачи пучка в ондулятор. Комбинация медленных и быстрых переключающих ключей позволяет формировать последовательности сгустков различной длительности. После прохождения ондулятора пучок выводится в поглотитель с радиационной защитой. Имеется также поглотитель пучка до ондулятора, позволяющий раздельно исследовать характеристики ускорителя и ондулятора [6.22].

СВЧ система ускорителя содержит устройства резервирования. Между станциями компрессии пучка установлены три СВЧ станции, содержащие по четыре ускоряющих модуля в каждой. При этом только две станции находятся в активном режиме. В основном ускорителе, ускоряющем электроны от 2 до 20 ГэВ, также размещены две дополнительные станции, обеспечивающие резервирование активных генераторов. В номинальном режиме все ускоряющие резонаторы работают при пониженной напряженности поля. При выходе из строя какого-либо генератора повышается уровень мощности остальных таким образом, чтобы обеспечить сохранение средней величины ускоряющего поля в секциях.

Основные параметры установки приведены в табл. 6.10.

Для генерации когерентного излучения с длиной волны 0,1 нм энергия пучка должна быть 17,5 ГэВ. При энергии 20 ГэВ достижимая длина волны составляет 0,08 нм. Мощность отдельного генератора не превышает10 МВт, что является вполне достижимой величиной для многолучевых клистронов. Криогенная система также имеет запас по отбираемой тепловой мощности не менее 50%. Эти обстоятельства позволят в дальнейшем осуществлять развитие установки в сторону повышения энергии и тока ускоренного пучка.

344

Проектные параметры установки имеют определенный запас и могут увеличиваться в процессе создания и развития установки. Так, проектный ускоряющий градиент 23,6 МВ/м может быть повышен до вполне реалистичной величины 28 МВ/м, это обеспечит энергию пучка 24 ГэВ. При одновременной модернизации инжектора и повышении тока частиц будет обеспечено продвижение генерируемого излучения в область коротковолнового рентгена. С другой стороны, имеющийся запас мощности СВЧ генераторов и криогенной системы позволяет ускорять пучок с малой скважностью и в пределе − в непрерывном режиме. Опыт, нарабатываемый при создании установки, будет эффективно использован при проектировании и создании коллайдера ILC.

345

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный в пособии материал свидетельствует о том, что сверхпроводящие ускоряющие СВЧ резонаторы представляют большой интерес и весьма перспективны для использования в ускорительной технике и исследованиях в области физики элементарных частиц.

К настоящему времени практически решены основные технологические трудности, связанные с изготовлением сверхпроводящих резонаторов с малым поверхностным сопротивлением, и трудности сохранения этих свойств в течение длительного времени при хранении и эксплуатации. Развитые методы подавления эмиссии электронов и эффективные методы борьбы с высокочастотным пробоем позволили увеличить напряженность электрического поля до 30 МВ/м в многоячеечной структуре и до 57 МВ/м в отдельном резонаторе. Это привело к резкому увеличению числа организаций, занимающихся разработкой различных проектов ускорителей с использованием сверхпроводящих ускоряющих структур. Такие ускоряющие системы позволяют проектировать и реализовывать ускорительные и накопительные комплексы с уникальными свойствами. Высокий КПД таких ускорителей, малый энергетический разброс ускоренных частиц, возможность получения квазинепрерывного режима работы являются уникальными особенностями таких ускорителей.

Можно надеяться, что интерес к сверхпроводящим СВЧ резонаторам будет возрастать с освоением высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку из сверхпроводящей керамики проще делать резонаторы, чем провода для изготовления обмоток магнитов.

346

КРАТКИЙ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Названия установок

ADS – Accelerator Driven System – ускоритель для трансмутации ядерных отходов

CEBAF – Continual Electron Beam Accelerator Facility – ускори-

тель с непрерывным электронным пучком

СESR – Cornell Electron Storage Ring – накопительное кольцо электронов Корнельского университета

CHESS – Cornell High Energy Synchrotron Source, источник син-

хротронного излучения на базе кольца CESR в Корнельском университете

DAFNE (DAΦ NE) –двойное накопительное кольцо, Φ -фабрика DLS – Diamond Light Source – источник света с высокой ярко-

стью

ERL – Energy Recovering Linac – линейный ускоритель с рекупе-

рацией энергии

EURISOL – EURopean Isotope-Separation-On-Line – европейская установка разделения изотопов

FAIR – Facility for Antiproton and Ion Research – фабрика для исследования антипротонов и ионов

FLASH - Free Electron Laser in Hamburg – лазер на свободных электронах в Гамбурге

JLC – Japanese Linear Collider – японский линейный коллайдер ILC – International Linear Collider – международный линейный

электрон-позитронный коллайдер

KEK-B – асимметричный электрон-позитронный коллайдер, В- фабрика

PEP – Positron Electron Project - электрон-позитронный коллай-

дер в Станфордской ускорительной лаборатории, симметричная В-фабрика

RIA – Rare Isotope Accelerator – сверхпроводящий линейный ускоритель редкоземельных изотопов

RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider - коллайдер релятивист-

ских тяжелых ионов

SLS – Swiss Light Source – швейцарский источник света

347

SNS – Spallation Neutron Sources – нейтронные источники расще-

пления ядер

SOLEIL – источник синхротронного излучения во Франции SPARC – фотоинжектор для SASE-FEL

TESLA – Teravolt Electron Superconducting Linear Accelerator –

теравольтный сверхпроводящий линейный ускоритель электронов

XADS – Experimental Accelerator Driven System – эксперименталь-

ный ускоритель для трансмутации ядерных отходов

XFEL – The European X-Ray Free-Electron Laser – Европейский-

лазер на свободных электронах рентгеновского диапазона

LEP – Large Electron Positron Collider – Большой электрон-

позитронный коллайдер

4GLS – 4th Generation Light Source – источник синхротронного излучения четвертого поколения

Термины

БУС – бипериодическая ускоряющая структура ВВТ – волны высших типов КВМ – коаксиальный вывод мощности

КДВ – круглый диафрагмированный волновод ПВ – прямоугольный волновод ТТВ – трансформатор типа волны УВМ – устройство вывода мощности УС – ускоряющая структура

ЭДХ – электродинамическая характеристика

Accelerating structure – ускоряющая структура

Buffered Chemical Polihing (BCP) – химическая полировка Booster - бустер

CCL – Coupling Cavity Linac – линейный ускоритель со связанными резонаторами

CH – Cross Bar H-type structure – структура Н-типа с поперечны-

ми штырями

CH-DTL – Cross Bar H-type structure in Drift Tube Linac –

структура Н-типа с поперечными штырями в линейном ускорителе с дрейфовыми трубками

348

Coupler – каплер, устройство ввода/вывода мощности, трансформатор типа волны

DAW structure – Disk and Washer structure – структура с шайба-

ми и диафрагмами (УСШД)

DTL – Drift Tube Linac– линейный ускоритель с трубками дрейфа

Electric Polishing, EP - электролитическое полирование

Elliptical cavity – резонатор эллиптического сечения Field limits – ограничения по полю

Multipacting – вторичный электронный резонансный разряд HPR – High Pressure Rinsing – промывка при высоком давлении

HOM – High Order Mode – волна высшего типа

HWR – Half-Wave Resonator – полуволновый резонатор

IH – Interdigital H-type structure – структура Н-типа со встреч-

ными штырями

QWR – Quarter-Wave Resonator – четвертьволновый резонатор RFQ – Radio-Frequency Quadrupole – высокочастотная фокуси-

ровка

RF Power In – ввод мощности

Residual Resistivity Ratio (RRR) – относительное остаточное со-

противление

Re-entrant – структура с наклоном внутренней поверхности ячейки

SASE – Self Amplified-Spontaneous Emission – самоусиливаемая спонтанная эмиссия

SCS – Side Coupler Structure – структура с боковыми резонаторами связи

Split ring – разрезное кольцо

Spoke cavity – резонатор со спицами

Surface resistance – поверхностное сопротивление

Superheating – сверхнагрев

Thermal breakdown – тепловое разрушение Wake fields – кильватерные (наведенные) поля

Low-Loss structure – структура с пониженными потерями

349

Названия программ численного моделирования СВЧ устройств

HFSS – High Frequency Structure Simulation – Моделирование высокочастотных устройств

MAFIA – Maxwell’s Equations Analysis using Finite Integration Algorithm – Программа анализа (решения) уравнений Максвелла с использованием алгоритма конечных интегралов

MWS – Microwave Studio – Программа анализа (решения) уравнений Максвелла с использованием алгоритма конечных интегралов, устанавливаемая на ЭВМ класса PC

– 2D программа моделирования резонансных СВЧ

URMEL, URMEL-T – 2D программа моделирования СВЧ устройств, использующая прямоугольную (URMEL) или триангулярную (URMEL-Т) сетку

АNSYS – 3D программа моделирования широкого класса устройств.

350