На правах рукописи

Звягинцев Владимир Львович

Теоретические и экспериментальные исследования

сверхпроводящих коаксиальных четвертьволновых резонаторов

для линейных ускорителей ионов

01.04.20 – физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Москва 2013

Работа выполнена на кафедре электрофизических установок Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Собенин Николай Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических Шведунов Василий Иванович, наук, профессор зав. лабораторией электронных ускорителей Научноисследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцина Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова кандидат физико-математических Кулевой Тимур Вячеславович, наук начальник лаборатории перспективных разработок ускорительного центра ФГБУ "Государственный научный центр Российской Федерации институт теоретической и экспериментальной физики"

Ведущая организация: Институт ядерных исследований РАН

Защита состоится "21" июня 2013 г. в 11 ч. 30 мин. в конференц-зале К-608 на заседании диссертационного совета Д 212.130. при Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д.31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан "20" мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Щедрин И.С.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Ускорители тяжёлых ионов широко применяются в фундаментальных исследованиях по ядерной физике, астрофизике, а также в материаловедении, медицине и промышленности. Необходимость ускорения радиоактивных пучков (RIB) придала новый импульс развитию ускорителей тяжелых ионов.

Построены и запущены в эксплуатацию такие ускорительные комплексы как ISAC (TRIUMF), ISOLDE (CERN), SPIRAL-I (GANIL), ALPI (INFN). Строятся новые ускорительные комплексы FRIB (MSU/NSCL), SPIRAL-II (GANIL), HIEISOLDE (CERN) и другие. Практически во всех новых проектах ускорителей тяжелых ионов используются сверхпроводящие ускоряющие структуры, так как это позволяет существенно уменьшить потребление СВЧ мощности и увеличить темп ускорения, и как следствие, уменьшить энергопотребление и размеры установки. Для ускорителей со скоростями частиц в диапазоне от 0, до 0,2 относительно скорости света, благодаря простоте и экономичности, в основном используются ускоряющие структуры в виде коаксиальных четвертьволновых резонаторов. В этой связи задача по разработке методов проектирования, изготовления и эксплуатации сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов является актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является разработка сверхпроводящих четвертьволновых коаксиальных резонаторов для линейных сверхпроводящих ускорителей тяжёлых ионов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Предложена аналитическая методика расчета коаксиальных четвертьволновых резонаторов нескольких типов, позволяющая проводить их оптимизацию на ранних этапах проектирования, и таким образом определять черты прототипа для следующих этапов, где должны быть использованы соответствующие программы автоматического проектирования.

Разработана аналитическая модель для оценки и компенсации эффекта дипольного отклонения пучка в четвертьволновых резонаторах.

На основе анализа электромагнитной модели разработан новый способ травления поверхности сверхпроводящего резонатора, позволяющий скомпенсировать уход частоты, возникающий в процессе его производства и подготовки.

Разработана и оптимизирована конструкция ввода СВЧ мощности в сверхпроводящий четвертьволновый резонатор, обладающая малыми тепловыми потерями по отношению к системе жидкого гелия.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ЗНАЧИМОСТЬ

Изготовлены и запущены в эксплуатацию на ускорителе ALPI (Acceleratore Lineare Per Ioni –линейный ионный ускоритель) в INFN (Национальный Институт Ядерной Физики в Италии) 23 ниобиевыx сверхпроводящиx четвертьволновых резонатора. Разработаны три типа ниобиевых сверхпроводящих резонаторов для ускорителя ISAC-II (Isotope Separator and Accelerator) в Канадской Национальной Лаборатории (TRIUMF), изготовлено и запущено в эксплуатацию 40 резонаторов. При этом накоплен уникальный опыт по разработке, изготовлению, испытанию и эксплуатации сверхпроводящих резонаторов.

обеспечивающее хорошую тепловую развязку и малые тепловыделения, приложенные к системе жидкого гелия. Анализ электромагнитной модели ввода позволил отказаться от металлических контактов, и тем самым устранить загрязнение резонатора металлической пылью, образующейся при их трении.

Предложены и реализованы практические методики для настройки сверхпроводящих четвертьволновых резонаторов в процессе их производства и подготовки к работе.

Разработаны аналитические модели, пригодные для расчётов и оптимизации параметров и оценки дипольного отклонения пучка в коаксиальных четвертьволновых резонаторах.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Результаты расчетов, оптимизации и экспериментального исследования сверхпроводящих коаксиальных четвертьволновых резонаторов.

2. Электромагнитная модель четвертьволнового резонатора, позволяющая вычислить уход резонансной частоты, получающийся после травления поверхности резонатора при его производстве.

3. Экспериментальное исследование и расчет мультипакторного разряда в разработанных резонаторах.

4. Создание конструкции ввода СВЧ мощности в четвертьволновый резонатор, обладающего малыми тепловыми потерями по отношению к системе жидкого гелия.

5. Разработка, изготовление, испытание и запуск в эксплуатацию на ускорителе четвертьволновых резонаторов и 23 резонаторов ALPI (INFN, Италия).

СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ

Работа выполнена в рамках проектов ALPI INFN LNL (Италия) и ISAC-II Канадской Национальной Лаборатории TRIUMF (Ванкувер, Канада): в 1993годах в LNL-INFN проводилась работа по изготовлению и испытаниям сверхпроводящих резонаторов для линейного ускорителя тяжёлых ионов ALPI, в 2000-2003 годах LNL-INFN в коллаборации с TRIUMF проводилась работа по разработке и изготовлению 20 четвертьволновых резонаторов для первой секции ISAC-II, в 2003-2010 годах в TRIUMF проводилась работа по испытаниям и запуску в эксплуатацию 20 резонаторов первой секции ISAC-II, разработке, изготовлению, испытанию и запуску в эксплуатацию резонаторов второй секции ISAC-II.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты и положения диссертации были представлены на российских и международных конференциях, в частности:

7th International Conference on Heavy Ion Accelerator Technology, Canberra, Australia, PAC 2001, Chicago, Illinois, 2001; PAC 2005, Knoxville, Tennessee, USA, 2005; PAC 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, 2007; PAC 2009, Vancouver BC, Canada, SRF 2003, Lubeck, Germany, 2003; SRF 2005, Ithaka, NY, USA, 2005; SRF 2007, Beijing, China, 2007; SRF 2009 Workshop, Berlin, Germany, 2009; SRF Conference, Chicago, USA, LINAC 2004, Lubeck, Germany, 2004; LINAC 2008, Victoria BC, Canada, 2008; LINAC10 Conference, Tsukuba, Japan, EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, APAC 2007, Indore, India, RUPAC 2008, Zvenigorod, Russia, 2008; RUPAC 2010 Conference, Protvino, Russia, 2010; RUPAC 2012 Conference, Peterhof, Russia,

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в 42 печатных трудах, в том числе, в 3 статьях, в журналах, входящих в перечень ВАК.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Объём диссертации составляет 120 страниц. Список литературы включает 70 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Сформулирована цель и задачи исследований.

резонаторов" посвящена анализу и аналитической методике оптимизации ускоряющего двухзазорного тракта и коаксиальной структуры.

Рассмотрим двухзазорный ускоряющий тракт (рис. 1а) в аспекте получения максимального фактора пролётного времени То=T(o), т.е. его эффективности, на заданной относительной скорости частиц o, путём оптимизации параметра зазора a=g/d, представляющего собой отношение длины ускоряющего зазора g и межзазорного расстояния d. Для рассмотрения проблемы в общем виде, в качестве аргумента удобно использовать относительную скорость частицы, приведённую к геометрической оптимальной скорости y=/g. Геометрическая оптимальная скорость для двухзазорного ускоряющего резонатора равна отношению межзазорного расстояния к половине длины волны ускоряющего поля g=2d/.

Рис. 1. Ускоряющий тракт двухзазорного резонатора (а) и его основные параметры То В приближении, что частица движется с постоянной скоростью и распределение ускоряющей компоненты поля в зазорах равномерно, выражение для фактора пролётного времени выглядит в виде:

Численный анализ выражения (1) по параметру a=g/d приводит к полиномиальным выражениям для максимального значения фактора пролётного времени (при оптимальной скорости), а также отношения оптимальной и геометрической скоростей частицы:

Из выражения (2) следует, что при уменьшении приведённой длины зазора а фактор пролётного времени То растёт. При этом, с уменьшением зазора растёт ёмкость, нагружающая резонатор, что приводит к снижению шунтового сопротивления структуры и росту коэффициента перенапряжения по электрическому полю Еp/Ea (отношение пиковой напряжённости к среднему