Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC

Для 9-ячеечного сверхпроводящего резонатора типа TESLA исследована зависимость электродинамических характеристик волн высших типов в функции геометрических размеров конечных ячеек структуры и трубок пролётного канала пучка. Получены размеры, позволяющие ослабить влияние «запертых» мод. Проведены исс...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Болгов, Р.О., Гусарова, М.А., Костин, Р.А., Петрушина, И.И., Собенин, Н.П., Звягинцев, В.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Элементы ускорителей
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108781
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC / Р.О. Болгов, М.А. Гусарова, Р.А. Костин, И.И. Петрушина, Н.П. Собенин, В.Л. Звягинцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 33-36. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-108781
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1087812016-11-16T03:02:57Z Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC Болгов, Р.О. Гусарова, М.А. Костин, Р.А. Петрушина, И.И. Собенин, Н.П. Звягинцев, В.Л. Элементы ускорителей Для 9-ячеечного сверхпроводящего резонатора типа TESLA исследована зависимость электродинамических характеристик волн высших типов в функции геометрических размеров конечных ячеек структуры и трубок пролётного канала пучка. Получены размеры, позволяющие ослабить влияние «запертых» мод. Проведены исследования мультипакторного разряда в тестовом одноячеечном резонаторе. Представлен результат расчёта смещения резонансной частоты рабочего вида колебаний из-за воздействия силы Лоренца на стенки резонатора. High order modes electrodynamics properties of TESLA-type 9 cell superconducting cavity proposed for e-LINAC were studied. End cells and drift tubes geometry influence on cavity EDCs was simulated. Cavity geometry was optimized in order to reduce trapped modes intensity. Multipactor discharge in cavity was simulated and studied. Lorenz force operating frequency detuning and mechanical deformations caused by it together with pressure variations were estimated. Для 9-секційного надпровідного резонатора типу TESLA досліджена залежність електродинамічних характеристик хвиль вищих типів у функції геометричних розмірів кінцевих комірок структури і трубок пролітного каналу пучка. Отримано розміри, що дозволяють послабити вплив «замкнених» мод. Проведені дослідження мультипакторного розряду в тестовому однокомірковому резонаторі. Представлено результат розрахунку зсуву резонансної частоти робочого виду коливань через вплив сили Лоренца на стінки резонатора. 2012 Article Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC / Р.О. Болгов, М.А. Гусарова, Р.А. Костин, И.И. Петрушина, Н.П. Собенин, В.Л. Звягинцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 33-36. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108781 621.384.6.(075) ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Элементы ускорителей Элементы ускорителей
spellingShingle	Элементы ускорителей Элементы ускорителей Болгов, Р.О. Гусарова, М.А. Костин, Р.А. Петрушина, И.И. Собенин, Н.П. Звягинцев, В.Л. Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC Вопросы атомной науки и техники
description	Для 9-ячеечного сверхпроводящего резонатора типа TESLA исследована зависимость электродинамических характеристик волн высших типов в функции геометрических размеров конечных ячеек структуры и трубок пролётного канала пучка. Получены размеры, позволяющие ослабить влияние «запертых» мод. Проведены исследования мультипакторного разряда в тестовом одноячеечном резонаторе. Представлен результат расчёта смещения резонансной частоты рабочего вида колебаний из-за воздействия силы Лоренца на стенки резонатора.
format	Article
author	Болгов, Р.О. Гусарова, М.А. Костин, Р.А. Петрушина, И.И. Собенин, Н.П. Звягинцев, В.Л.
author_facet	Болгов, Р.О. Гусарова, М.А. Костин, Р.А. Петрушина, И.И. Собенин, Н.П. Звягинцев, В.Л.
author_sort	Болгов, Р.О.
title	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC
title_short	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC
title_full	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC
title_fullStr	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC
title_full_unstemmed	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC
title_sort	исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-linac
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Элементы ускорителей
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108781
citation_txt	Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC / Р.О. Болгов, М.А. Гусарова, Р.А. Костин, И.И. Петрушина, Н.П. Собенин, В.Л. Звягинцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 33-36. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT bolgovro issledovaniesverhprovodâŝegorezonatorauskoritelâelinac AT gusarovama issledovaniesverhprovodâŝegorezonatorauskoritelâelinac AT kostinra issledovaniesverhprovodâŝegorezonatorauskoritelâelinac AT petrušinaii issledovaniesverhprovodâŝegorezonatorauskoritelâelinac AT sobeninnp issledovaniesverhprovodâŝegorezonatorauskoritelâelinac AT zvâgincevvl issledovaniesverhprovodâŝegorezonatorauskoritelâelinac
first_indexed	2025-07-07T22:06:25Z
last_indexed	2025-07-07T22:06:25Z
_version_	1837027543558914048
fulltext	ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 33 УДК 621.384.6.(075) ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО РЕЗОНАТОРА УСКОРИТЕЛЯ e-LINAC Р.О. Болгов1, М.А. Гусарова1, Р.А. Костин1, И.И. Петрушина1, Н.П. Собенин1, В.Л. Звягинцев2 1Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия; 2Canada's National Laboratory for Particle and Nuclear Physics, Vancouver, Canada E-mail: sobenin@mail.ru Для 9-ячеечного сверхпроводящего резонатора типа TESLA исследована зависимость электродинамиче- ских характеристик волн высших типов в функции геометрических размеров конечных ячеек структуры и трубок пролётного канала пучка. Получены размеры, позволяющие ослабить влияние «запертых» мод. Про- ведены исследования мультипакторного разряда в тестовом одноячеечном резонаторе. Представлен резуль- тат расчёта смещения резонансной частоты рабочего вида колебаний из-за воздействия силы Лоренца на стенки резонатора. ВВЕДЕНИЕ Одним из устройств нового ускорительного ком- плекса канадской лаборатории ядерной физики TRIUMF является линейный ускоритель электронов на энергию 50 МэВ с током 10 мА в непрерывном режиме (e-LINAC) [1]. В ускорителе предполагается использовать пять сверхпроводящих резонаторов, работающих на частоте 1,3 ГГц. Резонаторы по типу эллиптических резонаторов TESLA/ILC [2]. Ввод ВЧ-мощности осуществляется через два 60 кВт- каплера CPI [3]. Важной является проблема демп- фирования волн высших типов (ВВТ), особенно по- следних четырех резонаторов, которые будут ис- пользоваться в режиме многократного прохождения пучка (режим ERL). Поэтому проведены исследова- ния по оптимизации конечной ячейки резонатора и демпфированию волн высших типов. Исследовались также возможности недопущения развития мульти- пакторного разряда в структуре и проведена оценка влияния силы Лоренца на резонансную частоту. Эти исследования проведены в МИФИ в соответствии с меморандумом сотрудничества с TRIUMF. 1. ВОЛНЫ ВЫСШИХ ТИПОВ На Рис.1,2 изображен 9-ячеечный резонатор уско- рителя e-LINAC. Наличие трубок дрейфа на концах резонатора приводит к неравномерности электриче- ского поля, поэтому геометрия концевых ячеек отли- чается от регулярной части. Высшие моды выводятся через вводы ВЧ-мощности, а также рассеиваются на демпфирующих кольцах из нержавеющей стали, рас- положенных на безопасном для основной моды рас- стоянии 117 мм от концевых ячеек. Для оценки степени опасности ВВТ необходимо определить следующие характеристики: собствен- ную добротность, отношение эффективного шунто- вого сопротивления к добротности, внешнюю доб- ротность, нагруженную добротность (с учетом демпфирующих колец). Величина эффективного дипольного шунтового сопротивления служит в ка- честве меры воздействия высшей моды на ускоряе- мый пучок: . 0 ,ø ø load load R R Q Q = (1) где Qload – нагруженная добротность с учетом демп- фирующих колец, вычисленная по формуле: 0 1 , 1 1 1load ext rings Q Q Q Q = + + (2) где Q0 – собственная добротность моды; Qext – внеш- няя добротность; Qrings – нагруженная добротность демпфирующих колец. Согласно BBU расчётам, наи- более опасными считались моды со значением эф- фективного шунтового сопротивления более 107 Ом. Рис.1. 9-ячеечный резонатор ускорительного комплекса e-LINAC Рис.2. Положение каплера в трубке дрейфа резонатора Дипольная мода TE11 частотой 2,56 ГГц оказа- лась запертой внутри структуры и близка ко второй гармонике ускоряющей волны. Для вывода запертой дипольной моды было предложено изменять радиус диафрагмы концевой ячейки с противоположной устройству вывода ВВТ стороны и соответствующий радиус трубки дрейфа. Однако при этом изменяется собственная частота конечной ячейки, что приводит к ухудшению рав- номерности электрического поля на ускоряющей моде, поэтому необходимо производить дополни- тельную настройку для выравнивания поля. На- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 34 стройка равномерности распределения ускоряющего поля проводилась на структуре, представленной на Рис.3, с использованием соответствующих гранич- ных условий. Рис.3. Макет для настройки ровности поля в концевых ячейках Были проведены расчеты для запертой диполь- ной моды с частотой 2,56 ГГц (31-я мода при ис- пользовании плоскости симметрии Е-Н, Е-плоскость пересекает устройство вывода ВВТ). На Рис.4 пред- ставлено сравнение результатов по расчету эффек- тивного шунтового сопротивления дипольных мод (с учетом и без учета демпфирующих колец) с ре- зультатами, полученными в лаборатории TRIUMF. f, ГГц Рис.4. Сравнение результатов расчета эффектив- ного шунтового сопротивления с результатами, полученными в лаборатории TRIUMF В таблице представлены электродинамические характеристики рассматриваемой моды для различ- ных радиусов трубки дрейфа. Видно, что при радиу- се трубки дрейфа равном 39 мм удается снизить эф- фективное шунтовое сопротивление дипольной мо- ды в 14 раз по сравнению с начальным значением 20 МОм. Электродинамические характеристики запертой моды при изменении радиуса трубки дрейфа Rbp Rbp, мм 39 48 54 64 f, MГц 2558,7 2560,6 2560,7 2561,5 Qload, ·105 1,68 2,99 2,71 3,09 Rш, МОм 2,90 20,50 17,60 21,50 Qload',·105 0,81 2,94 2,56 2,99 Rш', МОм 1,41 20,01 16,60 20,90 2. РАСЧЕТ МУЛЬТИПАКТОРНОГО РАЗРЯДА В ОДНОЯЧЕЕЧНОМ РЕЗОНАТОРЕ На Рис.5. изображена геометрия ячейки эллипти- ческого резонатора с обозначением размеров, а на Рис.6 – модель тестового одноячеечного резонатора с трубками дрейфа. Рис.5. Обозначение размеров эллиптического резонатора Резонатор на частоте 1,3 ГГц имеет следующие размеры: Rа = 39 мм, Req = 103,3 мм, L = 56,7 мм, a = 9 мм, b = 12,8 мм, A = B = 43,0 мм, длина трубок дрейфа в модели 50 мм. Рис.6. Модель эллиптического резонатора с трубками дрейфа Для данного резонатора проведены расчеты мультипакторного разряда. Расчеты проводились с использованием программы трехмерного моделиро- вания мультипакторного разряда MultP-M [4]. Обнаружена возможность возникновения муль- типакторного разряда в области экватора ячейки в широком диапазоне ускоряющего поля. На Рис.7 представлен график зависимости процентного уве- личения числа частиц от ускоряющего поля. Следует отметить, что мультипакторный разряд возникает при небольших значениях электрического поля в области экватора ячейки, однако, на графике представлена зависимость возникновения мульти- пакторного разряда именно от значения максималь- ного ускоряющего поля на оси структуры. Рис.7. График зависимости процентного увеличения числа частиц от ускоряющего поля О м ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 35 Траектории, сохраняющиеся более 5 ВЧ- периодов, обнаруживаются при градиенте поля от Eacc ~ 0,46 МВ/м. Максимум процентного увеличе- ния числа электронов приходится на начальный уровень градиента ускоряющего поля ~5,04 МВ/м. При ускоряющем поле 5…12 МВ/м наблюдаются мультипакторные траектории 2-4 порядка. При ус- коряющем поле 12…53,5 МВ/м − мультипакторные траектории 1 порядка. При градиенте ускоряющего поля более 68,159 МВ/м мультипакторные траекто- рии не наблюдаются. На Рис.8. приведены примеры мультипакторных траекторий 1, 2 и 3 порядков. а б в Рис.8. Примеры мультипакторных траекторий: а – 1 порядка; б – 2 порядка; в – 3 порядка Порядком мультипакторного разряда называется число ВЧ-периодов, за которое электрон возвраща- ется к поверхности. Наибольшую опасность пред- ставляют разряды с порядком до четвертого. На Рис.9 представлен график зависимости энер- гии соударения электронов с поверхностью резона- тора от ускоряющего поля. Рис.9. График зависимости энергии соударения электронов с поверхностью резонатора от ускоряющего поля Из графика видно, что во всем диапазоне уско- ряющего поля энергия соударения электронов с по- верхностью составляет от 200 до 1500 эВ, что гово- рит о возможности развития мультипакторного раз- ряда, так как в данном диапазоне энергий коэффи- циент вторичной электронной эмиссии может пре- вышать 1. 3. РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИИ ОТ СИЛЫ ЛОРЕНЦА За основу взята модель DESY [2]: толщина сте- нок резонатора 2,5 мм; кольца жёсткости закрепле- ны на радиусе r = 54 мм; коэффициент Пуассона к = 0,388; модуль Юнга Е = 105,3 ГПа; максималь- ное ускоряющее поле на оси Eacc=25 МВ/м. На Рис.10 представлена геометрия модели. Рис.10. Геометрия модели Модель построена в MWS с такой параметриза- цией, что радиус колец жёсткости можно изменять от 40 до 90 мм. Такая модель экспортирована в ANSYS. Так как электромагнитный расчёт даёт лишь соотношение между электрическими и маг- нитными полями, а также их распределение в про- странстве, то проведено масштабирование результа- та до установленного уровня мощности (Рис.11). Модель рассчитана на частоту 1300 МГц. Далее, в механическом модуле ANSYS к поверх- ностям резонатора приложено давление, вычислен- ное из полей после решения в электромагнитном модуле согласно формуле Лоренца: P= 1/4(ε0E2-μ0H2). (3) Рис.11. График зависимости продольной составляю- щей электрического поля от продольной координаты Рис.12. Распределение давления на стенки резонатора Рис.13. Распределение давления на стенки от электрического поля Рис.14. Распределение давления на стенки от магнитного поля М В /м ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 36 Приложенное к стенкам резонатора распределе- ние электромагнитного давления представлено на Рис.12, а на Рис.13-14 электрическая и магнитная компоненты давления представлены отдельно. Маг- нитная компонента направлена наружу и раздувает ячейки, а электрическая – внутрь, и сжимает ячейки. Очевидно, что изменения частоты от изменений размеров этих двух областей частично компенсиру- ют друг друга. Модель резонатора для расчёта де- формации от силы Лоренца и результаты представ- лены на Рис.15-16. С одной стороны трубка дрейфа резонатора зафиксирована и неподвижна. Рис.15. Деформация резонатора. Контур резонатора – недеформированный резонатор, размеченный сеткой – деформированный (не в формате) Рис.16. Распределение смещения резонатора При значении ускоряющего градиента 25 МВ/м резонатор сжимается по длине на 1,35 мкм. а б Рис.17. Распределение механических напряжений в структуре (Па) В ходе структурного расчёта было определено смещение для каждого узла сетки, которая разбивает модель резонатора на элементы. Зная начальные ко- ординаты каждого узла (x,y,z), а также его смещения (dx,dy,dz), можно найти новое положение узла, вы- званное деформациями структуры (x+dx, y+dy, z+dz). Прибавив к координатам каждого узла смещения для данного узла, можно получить изменённую геомет- рию модели резонатора. С изменённой геометрией проведён электромагнитный расчёт и определено смещение резонансной частоты. Изначально частота была f = 1302,492503 МГц, а частота деформирован- ной структуры составила f = 1302,491998 МГц. Сдвиг частоты в структуре, деформированной полем с ус- коряющим градиентом 25 МВ/м, составил -505 Гц. Таким образом, коэффициент расстройки от силы Лоренца составил -505/252 = -0,808 Гц/(МВ/м)2. Из- вестно, что этот коэффициент должен быть меньше - 3,6 Гц/(МВ/м)2 [5]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Для сверхпроводящей структуры e-LINAC рас- считаны запертые дипольные моды с большим по- перечным эффективным шунтовым сопротивлением в широком частотном диапазоне. Для вывода из структуры запертой волны на частоте 2560 МГц предложен метод, позволивший в 14 раз снизить этот параметр. Проанализированы диапазоны изме- нения ускоряющего поля, в которых возможно воз- никновение мультипакторного разряда в резонаторе. При использовании конструкции криостата со сверхпроводящим резонатором типа TESLA нет опасности влияния силы Лоренца на изменение ре- зонансной частоты. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. S. Koscielniac. An Electron Linac Photo-Fission Driver for the RARE // SRF09. Berlin, Germany, September 2009. 2. B. Aune, et al. Superconducting TESLA cavities // Phys. Rev. ST Accel. 2000, Beams 3, 092001. 3. V. Veshcherevich, et al. A High Power CW Input Coupler for CORNELL ERL Injector Cavities // SRF. 2009, p.722-725. 4. M.A. Gusarova, et al. Мultipacting simulation in accel- erator RF structure // Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A, 2009, 599, р.100-105. 5. R. Mitchell, at al. Lorentz Force Detuning Analysis of the Spallation Neutron Source (SNS) Accelerat- ing Cavities / SRF-2001. 2001, Tsukuba, Japan. Статья поступила в редакцию 23.09.2011 г. RESEARCH OF e-LINAC ACCELERATOR SUPERCONDUCTING CAVITY R. Bolgov, M. Gusarova, R. Kostin, I. Petrushina, N. Sobenin, V.Zvyagintsev High order modes electrodynamics properties of TESLA-type 9 cell superconducting cavity proposed for e- LINAC were studied. End cells and drift tubes geometry influence on cavity EDCs was simulated. Cavity geometry was optimized in order to reduce trapped modes intensity. Multipactor discharge in cavity was simulated and stud- ied. Lorenz force operating frequency detuning and mechanical deformations caused by it together with pressure variations were estimated. ДОСЛІДЖЕННЯ НАДПРОВІДНОГО РЕЗОНАТОРА ПРИСКОРЮВАЧА e-LINAC Р.О. Болгов, М.А. Гусарова, Р.А. Костін, І.І. Петрушина, М.П. Собєнін, В.Л. Звягінцев Для 9-секційного надпровідного резонатора типу TESLA досліджена залежність електродинамічних харак- теристик хвиль вищих типів у функції геометричних розмірів кінцевих комірок структури і трубок пролітного каналу пучка. Отримано розміри, що дозволяють послабити вплив «замкнених» мод. Проведені дослідження мультипакторного розряду в тестовому однокомірковому резонаторі. Представлено результат розрахунку зсу- ву резонансної частоти робочого виду коливань через вплив сили Лоренца на стінки резонатора.

Исследование сверхпроводящего резонатора ускорителя e-LINAC

Institution

Ähnliche Einträge