WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Во введении охарактеризован современный этап развития фотокатодных ВЧ инжекторов, обоснована актуальность ВЧ инжекторов со сверхпроводящими резонаторами, сформулирована цель работы, кратко изложены основные темы диссертации.

В первой главе дается описание сверхпроводящего узла ВЧ пушки.

Сверхпроводящий узел ВЧ пушки (см. рис.1) состоит из ускоряющего (4, 5) резонатора, резонатора фильтра пробки (2, 3) и связывающей их трубки (11). Трубка имеет внутренний диаметр 12 мм. В эту трубку коаксиально вставлен катодный медный стержень диаметром 10 мм. На торцевую поверхность катодного стержня коаксиально нанесен фотокатод.

Диаметр фотокатода ~3 мм.

Резонатор фильтра пробки расположен между нормально проводящим коаксиальным фильтром, встроенным в катодный узел, и сверхпроводящим резонатором ВЧ пушки. Изменяя углубление катода в резонаторе ВЧ пушки, можно настраивать электрическую ВЧ фокусировку пучка. Эта регулировка производится сдавливанием или растяжением резонатора фильтра пробки в пределах Рис. 1. Сверхпроводящий узел: 1 - ±0.5 мм.

бобышка, 2-5 - стенки, 6,7,9,12-14 - Детали сверхпроводящего резопатрубки, 11 - трубка, 8 - отверстия (6 шт.).

натора для ВЧ пушки изготавливались на экспериментальном производстве ИЯФ. Частично использовались стандартные детали, изготовленные фирмой ACCEL (см. рис.1 – патрубки в правой части узла и правая чашка резонатора). Стенки резонатора делались из листового ниобия штамповкой. Закругления на краях чашек делались на токарном станке обкаткой краев роликом на специальной цилиндрической матрице по форме повторяющей геометрию соответствующей части резонатора. Трубка выточена из заготовки.

Для сварки ниобиевых частей резонатора использовалась установка вакуумной электронно-лучевой сварки [1], созданная в институте для сварки ниобиевых резонаторов в 1992 году. Вакуум до 10-4 Па с низким парциальным давлением водорода, обеспечивался в установке при помощи диодноиспарительного насоса НМДИ-16/40. Этот насос был разработан в ИЯФ.

В главе 2 дается описание катодного узла и заградительного фильтра.

Катодный узел расположен в цилиндрическом корпусе (4, см. рис.2), охлаждаемом жидким гелием при Т = 2 К. Чтобы уменьшить теплоприток к деталям ВЧ пушки, охлаждаемых жидким гелием, катодный узел со стержнем должны быть изолированы от них вакуумным промежутком.

Рис. 2. Фотокатодная ВЧ пушка со сверхпроводящим резонатором: 1 - фланец крепления катодного узла к корпусу (4); 2, 3 - тонкостенные трубы из нержавеющей стали; 4 - корпус; 5 - внутренний проводник коаксиальной линии из нержавеющей стали; 6 - винт из титана; 7 - фиксирующие полукольца; 8 - теплообменник; 9 - диск;

10 - резонатор заграждающего фильтра; 11 - ускоряющий резонатор; 12 - тонкостенная труба; 13, 22 - вакуумные уплотнения; 14 - регулировочные шайбы; 15, 16 - керамические изоляторы; 17 - винты; 18 - кулер с каналом и трубками подачи жидкого азота; 19 - патрон с внутренней резьбой; 20 - винты; 21 - стаканчик с припаянным к нему стержнем (24); 23 - внутренний проводник коаксиальной линии из нержавеющей стали; 24 - катодный стержень.

При этом стержень должен иметь хороший высокочастотный электрический контакт с резонатором. Контакт по постоянному току с резонатором должен отсутствовать. Это, во-первых, дает возможность измерения тока пучка. Вовторых, позволяет бороться с возможным мультипакторным разрядом в 1 мм промежутке около стержня. Такой разряд подавляется, когда на стержень подключено напряжение в несколько киловольт относительно корпуса и сверхпроводящего узла.

Катодный стержень должен интенсивно охлаждаться, так как на нем рассеивается ВЧ мощность до 30 Вт с максимальными удельными потерями на фотокатоде 80100 Вт/см2. Температура катодного узла должна быть достаточно низкой, чтобы поток мощности теплового излучения с катода на стенки сверхпроводящего резонатора был невелик. Для этого теплообменник с закрепленным на нем катодным стержнем, охлаждаются жидким азотом.

Так как катод заменяемый, то наряду с тем, что фотокатодный стержень должен сильно прижиматься к теплообменнику во время работы, он должен легко отсоединяться для перемещения в препарационную камеру. Во время отсоединения от охлаждающего теплообменника и во время постановки катода на место, давление между стержнем и теплообменником должно быть невелико. Это давление ограничено максимальным усилием, которое можно создать с помощью стандартного магнитного (вакуумного) манипулятора при вкручивании стержня в теплообменник. Кроме того, усилие должно быть ограничено из-за наличия тонкостенных деталей тепловой развязки между резонатором и корпусом криостата, а также деталей (2, 3) в катодном узле.

Для выполнения этих условий, в катодном узле детали выполнены из материалов с разными температурными коэффициентами расширения.

Ослабление давления между катодным стержнем и теплообменником происходит при разогреве катодного узла газообразным азотом. После разогрева катодного узла, манипулятором можно вынуть отработавший катод и заменить его новым катодом. После постановки катода, катодный узел вновь замораживается жидким азотом, тогда давление вновь возрастает.

Максимальное давление между катодным стержнем и теплообменником ограничено применением пружинящих элементов в конструкции катодного узла.

Хороший ВЧ контакт стержня с резонатором обеспечивается в конструкции, состоящей из коаксиальной линии с низким волновым сопротивлением, внутренним проводником в которой является катодный стержень. Наружным проводником является трубка, связывающая ускоряющий резонатор и резонатор фильтра пробки.

Заградительный фильтр предотвращает проникновение ВЧ мощности из резонатора во внешние цепи. Заградительный фильтр представляет собой последовательно включенный сверхпроводящий фильтр пробку и нормально проводящий коаксиальный фильтр, встроенный в катодный узел (см. рис. 3).

Рис. 3. Заградительный фильтр.

Коаксиальный фильтр, состоит из последовательности четверть-волновых отрезков коаксиального фидера с малым и большим волновыми сопротивлениями (см. рис.3, элементы с индексами 15). Собственная резонансная частота фильтра пробки равна рабочей частоте 1300 МГц, если его зазор равен Gap~8 мм. Однако для настройки ВЧ фокусировки этот зазор дожжен изменяться на ±0.5 мм. Расчеты показали, что если коаксиальный фильтр будет иметь 5 последовательно включенных отрезков коаксиальной линии с чередующимися волновыми сопротивлениями, то излучаемая мощность во внешние цепи не будет превышать мощность потерь в стенках сверхпроводящего ускоряющего резонатора.

Для расчетов использовалась эквивалентная схема (см. рис.4). Предполагалось, что внешняя нагрузка (ZLoad) может принимать любые значения, соответствующие комплексной полуплоскости сопротивлений с положительными активными сопротивлениями. Сопротивление нагрузки для фильтра пробки определяется конформным преобразованием этой полуплоскости через параметры коаксиального фильтра. Полуплоскость нагрузок коаксиального фильтра преобразуется в круг на плоскости нагрузок фильтра пробки (см. рис.5). Диаметр этого круга лежит на положительной части действительной оси. Максимальное значение активного сопротивления в этой области нагрузок фильтра пробки – 2.4 Ом.

Рис. 4. Эквивалентная схема заградительного фильтра. Рис. 5.

Глава 3 посвящена испытаниям прототипа сверхпроводящей ВЧ пушки.

Испытания прототипа сверхпроводящей ВЧ пушки проводились в DESY и в Россендорфе. Перерыв между этими испытаниями был 2 года. Резонатор в это время хранился под вакуумом.

В DESY резонатор ВЧ пушки испытывался на стенде, предназначенном для испытания 9-ти ячеечных структур типа TESLA. Испытания проводились в вертикальном криостате при Т = 2 К. В этих испытаниях, вместо катодного узла, использовался узел, показанный на рис. 6.

Было проведено три испытания: без фотокатодного медного стержня, с чистым медным стержнем без фотослоя и с нанесенным на его торце слоем теллура на молибденовой подложке, имитирующим фотокатод (см. рис. 7).

В первом испытании без стержня была получена собственная добротРис. 6. Крепление катодного стержня.

ность на малом уровне ВЧ мощности Q=1010. Расчеты показывают, что поверхностное сопротивление в резонаторе фотопушки близко по величине к сопротивлению в резонаторах TESLA. Изза своей формы, одиночные резонаторы TESLA имеют добротность 2·1010.

Максимальное поле на оси в резонаторе (Emax=31 МВ/м) ограничивалось тепловым пробоем из-за автоэмиссионных токов с края отверстия для стержня.

Во втором испытании, из-за уменьшения напряженности поля на краю отверстия со вставленным стержнем, максимальное поле в резонаторе Emax = 38 МВ/м, ограничение определялось тепловым пробоРис. 7. Результаты испытаний в DESY, Т=2 К. ем в максимуме магнитного поля на экваторе резонатора Bmax = 0.091 T. В 9-ти ячеечных резонаторах TESLA максимальные поля Emax= 60 МВ/м, Bmax = 0.12 T; в одиночных резонаторах Bmaxv = 0.2 T. Эти испытания подтвердили, что фильтр пробка хорошо предотвращает проникновение ВЧ мощности из резонатора. В третьем испытании резонатора со стержнем, имеющим слой теллура на молибденовой подложке, была измерена проводимость теллура при температуре 2 К. Она составила Te=0.0070.01 1/Ом·м. Пробоя в резонаторе не было. Максимальное поле в резонаторе (Emax=29 МВ/м) ограничивалось из-за больших токов автоэмиссии из теллура, в условиях ограниченной мощности ВЧ генератора (Р<100 Вт) и при его недостаточно согласованной связи с резонатором. В DESY аналогичные фотокатоды в теплых ВЧ пушках, имея меньшие токи автоэмиссии, работают при Emax=5060 МВ/м.

Испытания ВЧ фотопушки при работе с пучком проводились в исследовательском центре Дрездена (FZD). В ускорительной лаборатории FZD специально для этого был создан стенд. В состав испытательного стенда входил криогенный стенд с горизонтальным криостатом, лазерная система, система клистронного ВЧ генератора с подводящим волноводом, система диагностики электронного пучка и пульт с автоматизированной системой управления. Для снабжения криостата жидким гелием использовалась существующая криогенная система сверхпроводящего ускорителя ELBE.

Эти эксперименты проводились при температуре 4.2 К. Длительность электронных сгустков, эмитированных с фотокатода, была 5 псек. Частота повторения – 26 МГц, заряд сгустков – 1.520 пКл, средний ток – 10130 мкА, энергия до 1 МэВ.

Эксперименты в FZD показали, что характеристики резонатора не изменились в течение длительного срока хранения (2 года). В процессе трех- недельной работы с пучком, характеристики резонатора также не изменились. Можно заключить, что при работе с фотокатодом стенки резонатора не загрязняются. В экспериментах была подтверждена работоспособность конструкции катодного узла, использующего принцип теплового расширения разнородных металлов для усиления давления в контакте фотокатодного стержня с теплообменником.

Эти испытания прототипа, проведенные впервые, показали, что ВЧ характеристики резонатора (Q, Emax, Bmax) довольно хорошие. При дальнейшем продолжении работ над ВЧ фотопушкой со сверхпроводящим резонатором, ее характеристики можно максимально приблизить к рекордным характеристикам резонаторов TESLA.

Глава 4 посвящена описанию способов компенсации роста эмиттанса.

В ВЧ пушках, в начале, малый поперечный нормализованный эмиттанс сгустков растет из-за действия в протяженном сгустке сил пространственного заряда и из-за действия переменного электромагнитного поля. В нормально проводящих ВЧ пушках, для компенсации роста эмиттанса (emittance compensation) в интенсивном пучке, используется фокусировка пучка с помощью соленоидов. В сверхпроводящих резонаторах использование магнитостатического поля проблематично. Поэтому проводился поиск других способов фокусировки пучка для компенсации роста его эмиттанса.

Численное моделирование динамики сгустков в ВЧ пушке проводилось для сгустков с длительностью 20 псек, имеющих однородную плотность электронов в поперечном сечении. Ток в сгустке изменяется по форме трапеции с фронтами длительностью 1 или 2 псек. Заряд электронных сгустков 1 или 2 нКл. Ускоряющее поле на оси – Еmax=50 МВ/м – меньше предельного на текущий момент. Индукция магнитного поля на стенках резонатора Bmax< 0.2 T. Для расчетов использовалась программа ASTRA.

Для компенсации роста эмиттанса пучка в сверхпроводящей ВЧ пушке были предложены электрическая и магнитная ВЧ фокусировки. Электрическая ВЧ фокусировка создается ВЧ полем ускоряющей моды. Магнитная ВЧ фокусировка создается ВЧ полем высшей магнитной моды (ТЕ) в резонаторе, возбуждаемая от отдельного генератора. Названия электрическая и магнитная ВЧ фокусировки условные, Рис. 8. Фотокатодный стержень в отверстии резонатора.

так как все ВЧ поля имеют электромагнитный характер, и это учитывалось в расчетах.

Для того, чтобы получить электрическую ВЧ фокусировку, катод должен быть углублен относительно стенки резонатора, примерно, на dZ = –2 мм (см. рис.8).

При углублении катода в стенке резонатора происходит искривление силовых линий ускоряющего поля. Радиальные составляющие этого поля образуют фокусирующую линзу. Оптическая сила этой линзы превышает дефокусирующие силы пространственного заряда возле катода, где из-за малой скорости фотоэлектронов эти силы наибольшие (~1/2). При малой скорости фотоэлектронов, интегрально, они получают больший фокусирующий импульс возле катода, чем дефокусирующий импульс сил на остальной части ускоряющего поля. Применение фотокатода со сферической поверхностью, при компенсации эмиттанса электрической ВЧ фокусировкой, позволяет получить эмиттанс 1 мм мрад для сгустков с зарядом в 2 раза большим (2 нКл) по сравнению с плоским катодом (1 нКл).

Магнитная ВЧ фокусировка создается ВЧ полем магнитной моды ТЕ021 (см. рис.9). ТЕ мода возбуждается в резонаторе отдельным ВЧ генератором с мощностью 2030 Ватт.

Рис. 9. Магнитные силовые линии ТЕ021 моды и электрические линии ТМ010 моды.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»