Исследование и создание элементов системы СВЧ питания сверхпроводящих ускоряющих резонаторов линейного коллайдера TESLA

• Автор: Завадцев, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.20, 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ

1 СХЕМЫ СВЧ ПИТАНИЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОНПОЗИТРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

1.1 Ускоряющая система электронпозитронного коллайдера

1.1.1 Принципиальная схема ускоряющей системы

1.1.2 Криогенный модуль

1.1.3 Внешняя добротность ускоряющих резонаторов.

1.2 Древовидная схема

1.3 Последовательная схема.

1.3.1 Принципиальная схема.

1.3.2 Регулируемый направленный ответвитель на базе двух

волноводных мостов и фазовращателя.

1.3.3 Регулируемый направленный ответвитель на базе коаксиального и
волноводного ответвителей с фазовращателем между ними
1.3.4 Регулируемые направленные ответвители с емкостными и
индуктивными поршнями
1.3.5 Трехшлейфовый согласующий трансформатор
1.3.6 ЕНсогласователь.
1.4 Сравнительный анализ древовидной и последовательной схем СВЧ
питания
1.5 Выводы.
2 ЕНСОГЛАСОВАТЕЛЬ на основе двойного волноводного тройника
2.1 Принцип работы.
2.2 Расчет ЕНсогласователя
2.2.1 Методика расчета.
2.2.2 Расчет двойного волноводного тройника
2.2.3 Расчет режимов согласования
2.2.4 Расчет подвижного короткозамыкающего поршня
2.3 Разработка конструкции ЕНсогласователя
2.4 Модуль управления двигателями
2.4.1 Аппаратная часть
2.4.2 Программное обеспечение.
2.5 Насгройка и испытания ЕНсогласователя на низком уровне мощности.
2.5.1 Разработка волноводных измерительных устройств
2.5.1.1 Коаксиальноволноводные адаптеры.
2.5.1.2 Волноводный калибровочный набор
2.5.2 Настройка двойного волноводного тройника
2.5.3 Калибровка ЕНсогласователя.
2.5.4 Согласование нагрузок с помощью ЕНсогласователя
2.6 Выводы
3 Регулируемые направленные ответвители.
3.1 Постановка задачи и общие соображения
3.2 Регулируемые направленные ответвители с емкостными поршнями.
3.2.1 Регулируемые направленные ответвители с цилиндрическими емкостными поршнями.
3.2.2 Регулируемые направленные ответвители с прямоугольными емкостными поршнями.
3.3 Регулируемые направленные ответвители с индуктивными плунжерами
3.3.1 Вариант 1. Направленные ответвители с параллельными волноводами
3.3.2 Вариант 2. Направленный ответвитель с сужающимися волноводами.
3.3.3 Вариант 3. Направленный ответвитель с одним поршнем.
3.3.4 Вариант 4. Направленный ответвитель с сильфонами
3.3.5 Вариант 5. Направленный ответвитель с двойными сильфонами.
3.3.6 Вариант 6. Направленный ответвитлъ на ,5 дБ.
3.3.7 Вариант 7 Направленный ответвитель на ,5 дБ.
3.3.8 Вариант 8. Ответвитль на 3 дБ.
3.3.9 Вариант 9. Направленный ответвитель на 3 дБ.
3.4 Подвижные короткозаммкающие плунжеры
3.4.1 Дроссельный поршень шириной 6мм
3.4.2 Короткозамыкающий поршень на основе гибкой мембраны
3.5 Макетные испытания направленных ответвителей с индуктивными
плунжерами на низком уровне мощности
3.5.1 Макет направленного ответвителя на 3 дБ.
3.5.2 Макет ответвителя на ,5 дБ
3.5.3 Двойной волноводнокоаксиальный направленный ответвитель.
3.5.4 Полосковый ответвитель
3.6 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Литература


Результаты разработки, создания и исследования ЕН-согласователя, выполненного на базе двойного волноводного тройника и подвижных короткозамыкающих поршней с автоматическим компьютерным управлением, позволяющего реализовать любое значение элементов матрицы рассеяния S или любое значение внешней добротности ускоряющего резонатора и регулировать фазу поля в резонаторе в диапазоне от 0 до 0 градусов. Конструкция регулируемых волноводных направленных ответвителей со связью по узкой стенке волноводов и с подвижными поршнями, расположенными в дополнительных волноводах, присоединенных к узким стенкам волноводов ответвителей, обеспечивающих распределение СВЧ мощности генератора между ускоряющими резонаторами модуля и регулирование мощности питания каждого резонатора с целью достижения его предельного ускоряющего поля. Конструкция и результаты расчета трех вариантов дроссельного короткозамыкающего поршня для ЕН-согласователя волновода сечением 5,1x, мм2, а так же конструкция и результаты расчета двух вариантов подвижных поршней для регулируемых направленных ответвителей, обеспечивающих работу на высоком уровне мощности без ухудшения электрической прочности волновода. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Во введении рассматриваются основные научные и технические задачи, возникающие при проектировании систем СВЧ питания сверхпроводящих ускорителей. Первая глава посвящена анализу методов и схем распределения высокочастотной мощности генератора между ускоряющими резонаторами. Во второй главе описано создание регулируемого согласователя -ЕН-согласоватсля - выполненного на основе двойного волноводного тройника и подвижных короткозамыкающих поршней. Расчет двойного тройника и короткозамыкающих поршней выполнен методом численного моделирования при помощи электродинамической программы НЕББ 5. Испытания на низком уровне мощности продемонстрировали удовлетворительное соответствие рассчитанных и измеренных параметров и хорошую повторяемость параметров при перестройке ЕН-согласователя. Комплект изготовленного ЕН-согласователя, модуля управления, программного обеспечения и технической документации поставлены в ОЕ$У, где успешно прошли испытания. Третья глава посвящена разработке регулируемых волноводных направленных ответвителей для последовательной схемы СВЧ питания ускоряющих резонаторов. Приведены результаты расчетов и испытаний макетов двух регулируемых направленных ответвителей с крайними для этой схемы значениями коэффициентов переходного ослабления (2^-4) дБ и (,5-4 3,5) дБ, с коэффициентом направленности более децибел во всем диапазоне изменения переходного ослабления. В заключении сформулированы основные результаты выполненной работы. В приложении приведены сборочные чертежи разработанных устройств. Работа выполнена в лаборатории СВЧ кафедры ЭФУ МИФИ (ГУ) в период с по год. СХЕМЫ СВЧ ПИТАНИЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИГРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА TESLA. Ускоряющая система электрон-позигронного коллайдера TESLA. Принципиальная схема ускоряющей системы. Таблица 1-1. Параметры ускорителей. Градиент ускоряющего поля, МВ/м ,4 . Реализация указанных параметров ускорителей может быть обеспечена при условии удовлетворения следующих требовании, предъявляемых к системе СВЧ питания, приведенных в Таблица 1-2. Таблица 1-2. В настоящее время рассматривается несколько вариантов принципиальной схемы ускоряющей системы коллайдера TESLA. Первая и основная схема предполагает использование ускоряющих резонаторов, уже разработанных в процессе создания экспериментальной установки Tesla Test Facility (TTF) [7], [8]. Чашки сверхпроводящих резонаторов выполняются из ниобия методом штамповки с последующей сваркой электронным лучом в вакууме. Ускоряющий резонатор имеет форму, изображенную на Рис. Рис. Ускоряющий резонатор. Данная форма ячейки резонатора определяется малой величиной магнитного поля на ее поверхности и слабым изменением магнитного поля вдоль поверхности, что минимизирует вероятность появления квенчей -локального перехода ниобия из сверхпроводящего в нормально проводящее состояние.