Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности
Впервые на основе связанных ячеек реализована структура, в которой значительная величина коэффициента связи (9%) достигается без сопутствующего уменьшения эффективного шунтового сопротивления. Проект резонатора бустера реализуется для увеличения энергии электронов с 5 до 28 МэВ в установке Photo Inj...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111490 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности / А.Н. Набока, В.В. Парамонов, K. Floettmann // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 35-39. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-111490 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1114902017-01-11T03:03:03Z Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности Набока, А.Н. Парамонов, В.В. Floettmann, K. Физика и техника ускорителей Впервые на основе связанных ячеек реализована структура, в которой значительная величина коэффициента связи (9%) достигается без сопутствующего уменьшения эффективного шунтового сопротивления. Проект резонатора бустера реализуется для увеличения энергии электронов с 5 до 28 МэВ в установке Photo Injector Test Facility (PITZ), DESY, Zeuthen, предназначенной для исследования формирования пучков электронов сверхвысокой яркости и разработки инжекторов для современных проектов X-FEL и ILC. Вперше на основі зв'язаних комірок реалізована структура, у якій значна величина коэффицієнту зв'язку (9%) досягається без супутнього зменшення ефективного шунтового опору. Проект резонатора бустера реалізується для збільшення енергії електронів з 5 до 28 МеВ в установці Photo Іnjector Test Facіlіty (PІTZ), DESY, Zeuthen, призначеної для дослідження формування пучків електронів понад високу яскравість і розробку інжекторів для сучасних проектів X-FEL і ІLC. For the first time on the basis of the connected cells the structure in which the considerable size of factor of communication (9%) is reached without accompanying reduction effective shunt impedance is realized. The resonator project of buster is realized for electron energy increase with 5 to 28 MeV in installation Photo Injector Test Facility (PITZ), DESY, Zeuthen which is intended for research of formation of electron bunches ultrahigh brightness and working out of injectors for modern projects X-FEL and ILC. 2008 Article Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности / А.Н. Набока, В.В. Парамонов, K. Floettmann // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 35-39. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111490 621.384.6 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 |
Физика и техника ускорителей Физика и техника ускорителей |
| spellingShingle |
Физика и техника ускорителей Физика и техника ускорителей Набока, А.Н. Парамонов, В.В. Floettmann, K. Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Впервые на основе связанных ячеек реализована структура, в которой значительная величина коэффициента связи (9%) достигается без сопутствующего уменьшения эффективного шунтового сопротивления. Проект резонатора бустера реализуется для увеличения энергии электронов с 5 до 28 МэВ в установке Photo Injector Test Facility (PITZ), DESY, Zeuthen, предназначенной для исследования формирования пучков электронов сверхвысокой яркости и разработки инжекторов для современных проектов X-FEL и ILC. |
| format |
Article |
| author |
Набока, А.Н. Парамонов, В.В. Floettmann, K. |
| author_facet |
Набока, А.Н. Парамонов, В.В. Floettmann, K. |
| author_sort |
Набока, А.Н. |
| title |
Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности |
| title_short |
Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности |
| title_full |
Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности |
| title_fullStr |
Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности |
| title_full_unstemmed |
Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности |
| title_sort |
результаты настройки резонатора бустера pitz и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне вч-мощности |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Физика и техника ускорителей |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111490 |
| citation_txt |
Результаты настройки резонатора бустера PITZ и программы исследования характеристик ячеек на низком уровне ВЧ-мощности / А.Н. Набока, В.В. Парамонов, K. Floettmann // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 35-39. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT nabokaan rezulʹtatynastrojkirezonatorabusterapitziprogrammyissledovaniâharakteristikâčeeknanizkomurovnevčmoŝnosti AT paramonovvv rezulʹtatynastrojkirezonatorabusterapitziprogrammyissledovaniâharakteristikâčeeknanizkomurovnevčmoŝnosti AT floettmannk rezulʹtatynastrojkirezonatorabusterapitziprogrammyissledovaniâharakteristikâčeeknanizkomurovnevčmoŝnosti |
| first_indexed |
2025-07-08T02:14:23Z |
| last_indexed |
2025-07-08T02:14:23Z |
| _version_ |
1837043143622524928 |
| fulltext |
УДК 621.384.6
РЕЗУЛЬТАТЫ НАСТРОЙКИ РЕЗОНАТОРА БУСТЕРА PITZ И
ПРОГРАММЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЯЧЕЕК НА
НИЗКОМ УРОВНЕ ВЧ-МОЩНОСТИ
А.Н. Набока1, В.В. Парамонов1, K. Floettmann2
1Институт ядерных исследований РАН, ИЯИ РАН, 117312, Москва, Россия
2Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY, Notkestrasse 85, 22609, Hamburg, Germany
E-mail: naboka@inr.ru
Впервые на основе связанных ячеек реализована структура, в которой значительная величина коэффици-
ента связи (9%) достигается без сопутствующего уменьшения эффективного шунтового сопротивления.
Проект резонатора бустера реализуется для увеличения энергии электронов с 5 до 28 МэВ в установке Photo
Injector Test Facility (PITZ), DESY, Zeuthen, предназначенной для исследования формирования пучков элек-
тронов сверхвысокой яркости и разработки инжекторов для современных проектов X-FEL и ILC.
1. ВВЕДЕНИЕ
Для модернизации стенда испытаний фото-
инжектора PITZ2 Цойтен DESY (Рис.1) [1], со сто-
роны ИЯИ РАН в лице проф. В.В. Парамонова, был
предложен и в дальнейшем разработан бустерный
резонатор [2] взамен нормально проводящего резо-
натора − прототипа TESLA, который обеспечивал
только 3 МВт импульсной мощности при средней
мощности 1,3 кВт (2003/2004 годы), для тестирова-
ния пушки с более высокими градиентами полей –
до 60 МВ/м, и измерения эмиттенса пучка электро-
нов. Проект осуществляется в сотрудничестве ИЯИ
РАН и DESY.
Рис.1. Предварительная схема PITZ2
2. ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАТОРА
Предложена структура (Рис.2) с разрезными
диафрагмами CDS (Cutted Disk Structure) – которая
относится к группе структур с большим коэффици-
ентом связи kc.
Рис.2. Структура CDS4W: 1-ускоряющая ячейка;
2-ячейка связи; 3-окна связи; 4-каналы охлаждения;
5-кольца-фаски для настройки
Структура образована последовательностью рас-
положенных на оси пар полутрубок дрейфа, связан-
ных поочередно лепестками разрезной диафрагмы,
формирующей окно связи бипериодической струк-
туры, в которой ускоряющее колебание возбуждает-
ся в пространстве между парами полутрубок, цилин-
дрической стенкой и двумя диафрагмами, а колеба-
ния связи, имея квазисосредоточенные параметры
моды, распределяют электрическое поле в про-
странстве между полутрубками и вытесняют маг-
нитное поле в ускоряющую ячейку. Общие парамет-
ры ускоряющего резонатора приведены в таблице.
Параметры ускоряющей секции
Наименование Значение
Частота рабочая, МГц 1300
Скорость частиц 1,0
Темп ускорения, МэВ/м 12,5
Maкс. темп ускорения, МэВ/м 14,18
Напряженность поля, МВ/м 20,18
Maкс. поле на поверх., МВ/м 40,0
P импульсная макс., МВт 8,6
Длительность импульса, мкс 900
Частота импульсов, Гц 5
Диаметр апертуры, мм 30
Число периодов 14
Коэффициент связи, % 7,2
Расчетная добротность 23700
Добротность на 20°С 20100
Длина резонатора, м ≈1,8
Рабочая температура, °С ≈44
Расход воды, м3/ч 4,5
Вакуум, Toрр ≤10-7
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5.
Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.35-39.
35
mailto:naboka@inr.ru
Данная структура позволила получить высокое
эффективное шунтовое сопротивление Ze, которое
на 5…10% выше, чем у структур с боковыми (SCS)
и внутренними (OCS) ячейками связи, и из-за силь-
ного перекрытия полей колебаний обеспечить коэф-
фициент связи до 30%, при малых конструктивных
габаритах. CDS4W − компенсированная структура,
имеющая однородное ускоряющее поле на апертуре.
При моделировании динамики пучка на программе
ASTRA [3] показано минимальное возмущение
эмиттанса пучка, что является важным критерием
для исследования пучков электронов сверхвысокой
яркости.
3. РАСЧЕТ СТРУКТУРЫ
Выполнены аналитические расчёты и численное
3D-моделирование ускоряющего резонатора на CST
MWS по оптимизации Ze, kc и плотности тока на ле-
пестках, частот рабочего колебания и связи. Прове-
дены оценивающие расчеты величины чувствитель-
ности частот ускоряющих ячеек и ячеек связи от из-
менения основных размеров ячеек.
Завершены численные расчёты по стабильности
распределения ускоряющего поля по отношению к
погрешностям изготовления и нагрузки пучком. Об-
щий вид проекта ускоряющего резонатора представ-
лен на Рис.3.
Рис.3. Бустерный резонатор:
1 - регулярные ячейки; 2 - ВЧ-ячейка ввода мощно-
сти; 3 - ВЧ-соединительные фланцы; 4 – СВЧ-зон-
ды (штыри связи); 5 - фотоумножители; 5а - ре-
зервные фотоумножители; 6 - вакуумметр; 6а - ре-
зервный вакуумметр; 7 - вакуумные сильфоны с за-
творами; 8 - ионные вакуумные насосы; 9 - штуце-
ра внутреннего контура охлаждения; 10 - внешний
контур охлаждающей системы; 11 - основание с
механизмом юстировки
4. НАСТРОЙКА РЕЗОНАТОРА И РЕ-
ЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Для отработки технологии и точности изготовле-
ния ячеек из сертифицированной бескислородной
меди была изготовлена партия тестовых ячеек и
симметричный узел ввода мощности (ТТВ). Выпол-
нены измерения на тестовых ячейках и измерения на
тестовом ТТВ: измерения собственной добротности
Q0 ускоряющей моды в ячейках; сдвиг частот при
снятии металла, зависимость деформации стенки
глухих отверстий на изменение ускоряющей моды.
Измерения резонансных частот и добротностей
ячеек структуры выполнялись в сборках по 2 и 4
чашки (Рис.4).
Для набора статистики измеряемых частот сбор-
ки чашек собирались и разбирались по 5 раз с усред-
нением частот по 10 измерениям при трех различ-
ных удельных давлениях в местах контактов.
Рис.4. Сборки чашек для СВЧ-измерений и фото
CDS4W чашек:
1 - чашки в сборке; 2 - закарачивающие крышки сбор-
ки
Снижение погрешностей, связанных с качеством
ВЧ-контактов между чашками и влияние согласова-
ния петель связи обеспечивалось контролем пара-
метра S21. Дополнительно производился расчет соб-
ственной добротности сборок чашек по формуле:
−⋅=
−
20
0 101
А
нQQ , (1)
где А − переходное ослабление сборок чашек по
мощности, дБ.
Для точного сравнения данных, частоты пере-
считывались на рабочую температуру структуры
при вакууме по известной формуле [6]:
[ ] airvacmeasCumeasvac ttff ελ ⋅−⋅+⋅= °° )(1 , (2)
где
×
⋅
+⋅
+
+= °
air
airairOH
meas
air
air P
HP
t
P 211
15,273
1ε
610294,0
15,273
10160 −
° ⋅
−
+
×
meast
(3)
− диэлектрическая проницаемость воздуха, Cuλ
=1,67⋅10-5 − линейный коэффициент расширения
меди, airP − атмосферное давление [мм рт.ст.], airH
− влажность воздуха [%], airOHP − упругость насы-
щенных водяных паров при температуре измерений,
равная
+
+
⋅ °
°
=
656,0
85,234
45,7
10 meas
meas
t
t
airOHP . (4)
36
Узел ввода ВЧ-мощности (Рис.5) – симметрич-
ный трансформатор типа волны с двухсторонним
вводом мощности, разработан с двумя выходными
окнами, под стандартный 10 МВт клистрон TESLA.
Такой узел ввода мощности обеспечивает мини-
мальное возмущение квадрупольной составляющей
поля и снижает напряженность электромагнитного
поля на керамических окнах связи в плечах ТТВ.
Рис.5. Симметричный узел ввода ВЧ-мощности и
фото: 1 - ячейка ввода ВЧ-мощности; 2 - щели свя-
зи; 3 - округления; 4 - диафрагма; 5 - глухие отвер-
стия настройки
В DESY на макете проверены скорости протока
воды в схеме охлаждения регулярных ячеек (Рис.6).
Разработанная несимметричная схема каналов охла-
ждения имеет преимущество в отсутствие паяной
границы вода-вакуум.
Рис.6. Схема охлаждения регулярных ячеек
Выполнены сравнительные измерения частот те-
стовых ячеек после пайки в вакууме и индукцион-
ным методом в газовой среде.
В результате определены окончательные разме-
ры диаметров ускоряющих ячеек и ячеек связи,
определена зависимость частот ячеек от диаметра,
величины по настройке ячеек связи и полосы запи-
рания. Изготовлены 24 рабочие ячейки, 2 оконечные
ячейки и ТТВ.
Технологическая настройка выполнялась в два
этапа по получению частот ускоряющих ячеек, яче-
ек связи и обеспечения согласования резонатора с
волноводами.
Измеренные добротности ячеек после изготовле-
ния составили 89% от 3D-расчётного значения.
Измерение распределения ускоряющего поля на
оси структуры выполнялось по теории малого воз-
мущения электромагнитного поля. Использовался в
роли пробного тела металлический цилиндр длиной
4 мм и диаметром 0,55 мм, закрепленный на нейло-
новой нити диаметром 0,14 мм. Нейлоновая нить
понижала частоту резонатора на 3 кГц.
Установка для измерения распределения поля
представлена на Рис.7.
Сдвиг собственной частоты резонансной системы,
пропорциональный квадрату напряженности поля
δf~E2
z, фиксировался по фазовой характеристике, как
более чувствительной на частоте резонанса.
Рис.7. Функциональная схема измерений методом
малых возмущений: 1 - Network Analyzer HP 8722A;
2 - персональный компьютер PC; 3 - система про-
тяжки; 4 - ускоряющий резонатор CDS4W; 5 -
направляющие нити; 6 - шаговые двигатели Berger
LAHR; 7 - контроллер управления двигателями
Berger Lahr SDP 5-4; 8 - 120° СВЧ-тройник; 9 -
КВП MEGA Industries WR650; 10 - фланцы для вол-
новода WR-650
Измеренные и обработанные экспериментальные
данные, с использованием программного обеспече-
ния LabView, представлены на Рис.8 и 9.
Неравномерность ускоряющего поля резонатора
перед пайкой и окончательной настройкой меньше
чем 5%. После 1-й подстройки размеров ячейки вво-
да мощности сразу получена необходимая связь
ускоряющей структуры с подводящим волноводом,
Рис.10 (КСВн=1,01…1,05).
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5.
Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.35-39.
37
Рис.8. Измеренный спектр СВЧ-мод резонатора
Для контроля измерения КСВ, дополнительно
измерялась добротность резонатора без подключе-
ния нагрузок к КВП (Qopen) и с подключением согла-
сованных нагрузок (Qload). Величина КСВ вычисля-
лась по формуле:
load
loadopen
Н Q
QQ
КСВ
−
= . (5)
Рис.9. Фото измерительного стенда и распределение напряженности электрического поля
вдоль структуры на оси Ez(z)
Этот метод измерения значения КСВ через Q, завы-
шал значения КСВ на 2…3,5%, из-за слабой развяз-
ки петель связи (не более 58 дБ).
Рис.10. Значение КСВн ускоряющей структуры
после 1-й подстройки ТТВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты как тест-программы, так и настройки
резонатора, полностью подтверждают как особен-
ность примененной ускоряющей структуры, так и
обеспечение проектных параметров резонатора.
Закончены научно-технические разработки по
структуре CDS. Проведены радиочастотные измере-
ния на тестовом комплекте ячеек и ТТВ.
Новая технология изготовления ячеек позволила
получить отличную повторяемость в основных раз-
мерах, что дало среднеквадратичный разброс по все-
му комплекту ячеек 40 кГц (при максимальных от-
клонениях 130 кГц) и 250 кГц для частот связи.
Измерены уходы частот при тестовой пайки в ва-
куумной печи и на индукционной установке при ат-
мосфере с продувкой в газовой среде. Уход основ-
ной частоты -300 кГц, и частоты ячеек связи
+1,4 МГц. Изготовлены рабочий комплект ячеек и
узел ввода мощности на расчётную частоту foper-
650 кГц.
Ожидаемый КСВн, после пайки ТТВ (Рис.11), ме-
нее 1,1.
Рис.11. Узел ввода мощности после пайки
В плане 2007-2008 гг. − окончательная настройка
структуры после пайки, монтаж на PITZ2 и ВЧ-тре-
нировка.
Дальнейшая настройка рабочей частоты резонато-
ра при деформации ТТВ (+93 кГц), крайних ячеек
(+22 кГц) и последняя – деформация глухих отвер-
38
стий равномерно по структуре для равномерного рас-
пределения ускоряющего поля на рабочей частоте.
Авторы благодарят многих сотрудников ИЯИ
РАН и DESY в Цойтоне и Гамбурге за обсуждения и
ценные предложения для проекта реализации бу-
стерного резонатора CDS.
ЛИТЕРАТУРА
1. A. Oppelt, et al. Status and first results from the
upgraded PITZ facility. Proc. FEL 2005, Stanford,
p.564, 2005.
2. V.V. Paramonov, et al. Design Parameters of the
Normal Conducting Booster Cavity for PITZ-2 Test
Stand. Proc. 2004, Linac Conference, 2004, p.204.
3. K. Floettmann, ”ASTRA User Manual”,
http://www.desy.de/~mpyflo/Astra_dokumentation/
4. V.V. Paramonov. The Cut Disk Structure for High
Energy Linacs. Proс. 1997 PAC, 1998, v.3, p.2962.
5. K. Floеttmann, V.V. Paramonov ed. Conceptual
design of a positron pre-accelerator for the TESLA
linear collider, TESLA 99-14, DESY, 1999.
6. A. Naboka, N. Holtkamp, et al. S-Band Single Cell
Diagnostic. DESY Report M 96-03, DESY, 1996.
Статья поступила в редакцию 11.09.2007 г.
RESULTS OF CELLS TEST PROGRAM AND PITZ CDS CAVITY TUNING AT SIGNAL RF LEVEL
A.N. Naboka, V.V. Paramonov, K. Floettmann
For the first time on the basis of the connected cells the structure in which the considerable size of factor of com-
munication (9%) is reached without accompanying reduction effective shunt impedance is realized. The resonator
project of buster is realized for electron energy increase with 5 to 28 MeV in installation Photo Injector Test Facility
(PITZ), DESY, Zeuthen which is intended for research of formation of electron bunches ultrahigh brightness and
working out of injectors for modern projects X-FEL and ILC.
РЕЗУЛЬТАТИ НАСТРОЮВАННЯ РЕЗОНАТОРА БУСТЕРА PІTZ І ПРОГРАМИ ДОСЛІДЖЕННЯ
ХАРАКТЕРИСТИК КОМІРОК НА НИЗЬКОМУ РІВНІ ВЧ-ПОТУЖНОСТІ
А.Н. Набока, В.В. Парамонов, K. Floettmann
Вперше на основі зв'язаних комірок реалізована структура, у якій значна величина коэффицієнту зв'язку
(9%) досягається без супутнього зменшення ефективного шунтового опору. Проект резонатора бустера
реалізується для збільшення енергії електронів з 5 до 28 МеВ в установці Photo Іnjector Test Facіlіty (PІTZ),
DESY, Zeuthen, призначеної для дослідження формування пучків електронів понад високу яскравість і
розробку інжекторів для сучасних проектів X-FEL і ІLC.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5.
Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.35-39.
39
RESULTS OF CELLS TEST PROGRAM AND PITZ CDS CAVITY TUNING AT SIGNAL RF LEVEL
РЕЗУЛЬТАТИ НАСТРОЮВАННЯ РЕЗОНАТОРА БУСТЕРА PІTZ І ПРОГРАМИ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК комірок НА НИЗЬКОМУ РІВНІ ВЧ-ПОТУЖНОСТІ
|