Разработка ввода большой средней мощности в сверхпроводящие резонаторы линейных ускорителей электронов

В настоящее время в мире широко обсуждаются предложения по созданию линейных ускорителей на запасенной энергии (ERL) и линейных ускорителей-драйверов для лазера на свободных электронах (FEL). Успехи сверхпроводящих резонаторов, сделанные за последние 10 лет для TESLA/TTF на частоте 1300 МГц, надежность достижения градиента более 20 МэВ/м, удовлетворяют требованиям для ERL и FEL ускорителей. Главное назначение этих ускорителей состоит в получении интенсивных фотонных потоков, что можно реализовать лишь при высоком токе и большой частоте повторения электронных сгустков, лучше при работе в непрерывном режиме. Большие средние мощности, порядка сотен киловатт, вводимые в сверхпроводящие резонаторы таких ускорителей, требуют новых решений, как в устройствах ввода мощности (УВМ), так и устройствах вывода из структур волн высших типов. Проблема минимизации потоков тепла, создающих нагрузку на криогенную систему, является одной из центральных. Поэтому для надежного функционирования устройства ввода мощности и установки в целом необходимо выполнение тепловых расчетов и расчетов механической прочности сложной конструкции, работающей в условиях значительных тепловых нагрузок и внешних механических напряжений. Особенно важно уменьшение тепла, выделяемого устройством ввода мощности в криогенной зоне с температурами 2 К и 4 К, охлаждаемой жидким гелием, а также 80 К, охлаждаемой жидким азотом. 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 объеме не развита.

На основе анализа всех известных действующих и проектируемых вводов высокочастотной мощности в ускоряющие сверхпроводящие резонаторы проведен тщательный комплексный анализ коаксиальных и волноводных устройств. Рассмотрены вопросы снижения теплосъема в криогенных зонах, уменьшения габаритов, возможности регулировки внешней добротности сверхпроводящих резонаторов на порядок и др. В качестве рабочей частоты выбрана частота 1300 МГц, получившая широкое распространение особенно при разработке электрон-позитронных коллайдеров.

Диссертация посвящена разработке методики расчета тепловых нагрузок, возникающих в конструкции УВМ при передаче большой средней СВЧ мощности, а также расчету устройств, используя эту методику. Наряду с тепловыми расчетами рассматриваются высокочастотные свойства элементов устройств и устройства в сборе, а также вопросы механической жесткости. За основу взята конструкция УВМ коаксиального типа с симметричным питанием со средней мощностью 2×75 кВт. С целью повышения уровня вводимой средней мощности до 2×250 кВт рассмотрены модификации разработанного ввода мощности, а именно, конструкции с двумя и с одним сильфоном, а также с емкостной связью. Изучены возможности применения волноводных устройств ввода мощности с регулируемым коэффициентом связи. Развиты методы расчета внешней добротности сверхпроводящих резонаторов с использованием методики, основанной на суперпозиции двух решений резонансной задачи с разными граничными условиями, а также решения получаемого из частотной зависимости коэффициента передачи на бегущей волне.

На защиту выносятся следующие результаты диссертации, полученные в ходе выполнения работ:

1. Методика расчета взаимосвязанных электромагнитной и тепловой задач, как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность. Для расчета произвольных конструкций используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. Для увеличения скорости расчета при использовании трехмерных конечных элементов часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.

2. Результаты оптимизации конструкции регулируемого симметризованного коаксиального ввода средней мощности на 2×75 кВт и частоте 1300 МГц. Тепловыделение в криогенных зонах составило 0.231 Вт в гелий при 2 К, 2.4 Вт в гелий при 4.2 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К. Приведенные данные являются рекордными для выбранной частоты и уровня средней мощности. Расчетный коэффициент отражения от отдельных элементов и устройства в целом составляет — 30 дБ на рабочей частоте 1300 МГц.

3. Оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода для уменьшения неравномерности распределения температур по объему керамического окна и улучшению теплоотвода. Конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа, основным преимуществом которого является механическая развязка волновода и керамического окна.

4. Результаты расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации. Они включали в себя: расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации. По расчетным данным и переданной документации в Корнельском университете изготовлено несколько опытных образцов вводов мощности.

1 Здесь и далее в качестве разделителя целой и дробной части используется точка.

2 Коэффициент отражения, выраженный в децибелах, рассчитывается по формуле: Гдб = 20−1од Бц.

5. Варианты конструкции ввода мощности, позволяющие передавать в непрерывном режиме среднюю мощность 2×250 кВт. Предложены следующие конструкции: модернизированный вариант ввода мощности на 2×75 кВт, ввод мощности с одним сильфоном, а также ввод мощности с антенной, выполненной в виде петли связи.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Основные результаты и положения диссертации содержатся в 12-ти опубликованных работах [58−70] и были представлены на российских и международных конференциях и журналах, в частности:

Научная Сессия МИФИ (2004;2007).

XIX конференция по ускорителям заряженных частиц, RUPAC-2004, Дубна XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators, Ukraine, Alushta, 2005.

12-th International Workshop on RF Superconductivity, SRF-2005, Ithaca, New York, USA.

Приборы и техника эксперимента, 2006, № 6.

10-th European Particle Accelerator Conference (EPAC-2006), Edinburgh (England), 2006.

Заключение

.

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика расчета взаимосвязанной электромагнитной и тепловой задачи как для аксиально-симметричных конструкций УВМ, так и для конструкций произвольной формы. Расчет аксиально-симметричных конструкций УВМ проводится с использованием плоской сеточной модели, что позволяет значительно снизить время расчета и одновременно повысить его точность. Для расчета произвольных конструкций УВМ используются трехмерная сеточная модель. Оба метода реализованы с помощью макросов в ANSYS. При использовании трехмерных конечных элементов для увеличения скорости расчета часть метода, ответственная за перенос решения из электромагнитной в тепловую задачу, написана на языке высокого уровня Delphi.

2. На основе разработанной методики проведены тепловые расчеты различных вариантов конструктивного выполнения регулируемого коаксиального УВМ с целью минимизации тепловыделения в криогенных зонах. Оптимальный вариант симметричного ввода средней мощности в непрерывном режиме 2×75 кВт имеет значения тепловыделения 0.23 Вт в гелий при 2 К, 2.4 Вт в гелий при 4.2 К и 74.6 Вт в азот при температуре 80 К.

3. Проведена оптимизация охлаждения волноводно-коаксиального перехода, направленная на улучшение отвода тепла из области керамического окна. Для уменьшения неравномерности распределения температур по объему окна предусмотрен обдув направленным потоком воздуха.

4. Элементы разных вариантов УВМ и УВМ в сборе настроены до величины коэффициента отражения -30 дБ на рабочей частоте. Проведена оптимизация элементов конструкции УВМ по снижению перенапряженности электрических полей.

5. Проведена серия расчетов механических напряжений, возникающих в керамике во время эксплуатации, включая расчет напряжений при тепловом нагреве, перемещении антенны, изменении давлений и вследствие гравитации.

Расчеты показали, что керамика имеет двукратный запас прочности даже по самому критичному параметру — пределу прочности на изгиб, и десятикратныйпо пределу прочности на сжатие.

6. Развита методика расчета внешней добротности для регулируемых УВМ на основе коаксиальных и прямоугольных волноводов двумя методамирезонансным и на бегущей волне. При использовании резонансного метода решение получено из суперпозиции двух решений с разными граничными условиями. Методика реализована с помощью макросов в программе ANS YS. В случае расчета внешней добротности для УВМ произвольной формы на бегущей волне решение получено по результатам расчета частотной зависимости коэффициента передачи. Методика реализована с помощью макросов в программе HFSS. Разработанные методики использованы для расчета внешней добротности УВМ большой средней мощности.

7. По результатам тепловых, электродинамических и прочностных расчетов создан технический проект на регулируемый коаксиальный симметризованный ввод средней мощности 2×75 кВт для инжектора ускорителя с рекуперацией энергии для Корнельского университета (США). Изготовлен и успешно испытан в этом университете опытный образец ввода мощности, изготовленный по переданной в соответствии с соглашением документации. Тестовые испытания проведены с использованием резонатора бегущей волны, во время которых в течение нескольких часов в сверхпроводящий резонатор вводилась средняя мощность 50 кВт. В дальнейшем планируется использование клистронного усилителя с необходимой величиной выходной мощности и увеличение передаваемой мощности в ускоряющие резонаторы до номинальных значений 2×75 кВт.

8. Рассмотрены возможности модернизации конструкции ввода мощности, позволяющие передавать среднюю мощность 2×250 кВт. Тепловыделения при таком уровне СВЧ мощности составили в криогенных зонах 0.65 Вт в гелий при 2 К, 6.6 Вт в гелий при 4.2 К и 300 Вт в азот при температуре 80 К.

9. Предложена измененная конструкция УВМ для работы на средней мощности 2×250 кВт с использованием для перестройки внешней добротности только одного сильфона. Тепловыделения в криогенных зонах составили 0.65 Вт в гелий при 2 К, 9.6 Вт в гелий при 4.2 К и 178 Вт в азот при температуре 80 К. За счет охлаждения внутреннего проводника, путем прокачки азота, удалось снизить температуру наконечника антенны до 100 К.

10. Предложена конструкция коаксиального УВМ с антенной, выполненной в виде петли связи. Изменение внешней добротности достигается за счет изменения величины емкостного зазора между центральным проводником коаксиальной линии и антенной. Проведена оптимизация формы антенны для возможности подстройки внешней добротности в диапазоне 105−10б при изменении величины емкостного зазора на 10 мм. Тепловые потери в конструкции составили 2.2 Вт в гелий при 2 К, 9.7 Вт в гелий при 4.2 К и 117 Вт в азот при температуре 80 К.

11. Предложена и рассчитана конструкция волноводно-коаксиального перехода дроссельного типа. Основным преимуществом этой конструкции является механическая развязка волновода и керамического окна.

12. Проведены исследования возможности создания волноводного УВМ с подстройкой внешней добротности в диапазоне 105−106. Проведен анализ нескольких вариантов реализации волноводного УВМ. Подобные конструкции могут быть использованы для резонансных, не сверхпроводящих ускоряющих структур. Предложенный вариант волноводного УВМ со щелями связи обладает малой асимметрией поля в области пролета пучка и следовательно, СВЧ поле в нем создает меньшее отклоняющее воздействие на пучок.

Полученные в ходе выполнения работы устройства и результаты использованы при разработке инжектора линейного ускорителя с рекуперацией энергии в Корнельском университете.