Экспериментальное изучение электрической неустойчивости и ее применение в технологии сверхпроводящих резонаторов для ускорителей заряженных частиц

• Автор: Ефремов, Владимир Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 96 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертация посвящена экспериментальному изучению электрической неустойчивости и ее применению в технологии сверхпроводящих резонаторов для ускорителей заряженных частиц. Экспериментально исследована характерная электрическая неустойчивость, возникающая при электрохимическом полировании сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Впервые обнаружены бифуркационные и стохастические явления в электрохимической системе, используемой при обработке сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, а также экспериментально изучен фазовый портрет стохастических колебаний.
На основе исследования стохастических явлений предложены новый метод прецизионного электрохимического полирования с контролем процесса по виду колебаний тока, описываемых странным аттрактором. Создан комплекс экспериментально-технологического оборудования для форсированного и прецизионного полирования рабочей поверхности сверхпроводящих резонаторов. Проведена оптимизация автоматического режима прецизионного электрохимического полирования. Показана возможность использования нового материала (сверхпроводящего сплава Н2В) для изготовления сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Предложено применять более дешевый сверхпроводник при условии поверхностной очистки материала от примесей с помощью специальной процедуры - оксиполирования, режим которого оптимизирован автором диссертации.
На основе исследования гистерезисных явлений разработан метод экспресс-диагностики эмиссионных свойств рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, а также метод изготовления сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, позволяющий добиться значительной экономии исходного материала.
Содержание
1. Современные линейные ускорители электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами. Постановка задачи, научная новизна и практическая ценность диссертации
2. Технологические методы увеличения ускоряющих полей в сверхпроводящих резонаторах для ускорителей заряженных частиц
2.1. История вопроса
2.2. Оксиполирование рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов
2.3. Электрохимическое полирование сверхпроводящих ниобиевых резонаторов
3. Экспериментальное исследование электрической неустойчивости в электрохимических системах при обработке ускоряющих СВЧ резонаторов
3.1. Общие черты электрической неустойчивости в системах
с отрицательным дифференциальным сопротивлением
3.2. Автоколебания в электрохимических системах
3.3. Бифуркационные явления и стохастичность, наблюдаемые
при электрохимической обработке ускоряющих резонаторов
4. Разработка новых методов прецизионной и форсированной электрохимической обработки рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов
4.1. Сравнение методов электрохимического полирования СП резонаторов для ускорителей заряженных частиц
4.2. Разработка экспериментального и технологического оборудования для электрохимической обработки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов
4.3. Разработка метода форсированного электрохимического полирования ускоряющих резонаторов
4.4. Разработка метода прецизионного электрохимического полирования сверхпроводящих резонаторов с контролем процесса по виду "пакетов" колебаний тока
4.5. Оптимизация автоматического режима электрохимического полирования ускоряющих резонаторов на основе ниобия
и его сплавов
4.6. Исследование и разработка технологии сверхпроводящих резонаторов из сплава Н2В
4.7. Оптимизация режима оксиполирования рабочей поверхности ускоряющих резонаторов
5. Разработка метода экспресс - контроля эмиссионных свойств рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов
6. Заключение
7. Список литературы

1. Современные линейные ускорители электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами. Постановка задачи, научная новизна и практическая ценность диссертации
В настоящее время высокочастотная сверхпроводимость интенсивно внедряется в ускорительную технику. Сверхпроводящие резонаторы используют в ускорителях электронов (S-DALINAC, TJNAF), тяжелых ионов (ATLAS), в больших коллайдерах (LEP [1], HERA [2], TRISTAN [3]). С 1990 года разрабатывается проект сверхпроводящего линейного коллайдера TESLA (ТэВ-энергии сверхпроводящий линейный ускоритель) [4].
Первый успешный запуск сверхпроводящего линейного ускорителя (СПЛУ) электронов был осуществлен в 1965 году в Лаборатории физики высоких энергий Стэнфордского университета (США). Ускоряющая структура представляла из себя круглый диафрагмированный волновод из ниобия длиной 1.5 м, состоящий из 19 ячеек. Рабочая частота сверхпроводящей СВЧ структуры 950 МЕц. Был получен пучок с энергией 6 МэВ с током в несколько микроампер. Ускоряющее поле 5.5 МВ/м [5].
К современным линейным ускорителям электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами относятся:
• ускоритель S-DALINAC Института ядерной физики в Дармштадте, сверхпроводящая ускоряющая СВЧ-структура которого разработана совместно с Отделением физики Вуппертальского университета [6]
• ускоритель SURA CEBAF (сейчас TJNAF) Национальной лаборатории Томаса Джеферсона г. Ньюпорт-Ньюз, США [7];
• ускоритель LISA Национальной лаборатории г. Фраскати, Италия [8].
Это позволяет легко автоматизировать электрохимическую обработку ускоряющих резонаторов, чему посвящена следующая глава диссертации.
4. Разработка новых методов прецизионной и форсированной электрохимической обработки рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов
4.1. Сравнение методов электрохимического полирования СП резонаторов для ускорителей заряженных частиц
Основные методы электрохимического полирования сверхпроводящих СВЧ резонаторов из ниобия и возможности методов, используемых в ускорительных центрах Америки, Европы, Японии и России, приведены в таблице 4.
Таблица 4.
N п/п Метод электрохимического Полирования Скорость съема Металла по толщине резонатора Высота микро- неровностей мкм
1 Электрохимическое полирование с контролем процесса по виду колебаний тока (фирма SIEMENS, Германия) 40 мкм/ч 0
2 Электрохимическое полирование при горизонтальном вращении резонатора с контролем процесса по плотности тока (фирма КЕК, Япония). 0
3 Электрохимическое полирование с контролем процесса по величине потенциала на резонаторе. (Вуппертальский университет ¥11, Германия и Политехнический Институт РГУХ, Варшава, Польша)
4 Электрохимическое полирование на переменном токе (ОПЛ ТИСПР, ИФВЭ, г. Протвино) 2.5-3.0 мкм/мнн 0
5 Электрохимическое полирование сверхпроводящих резонаторов с контролем процесса по виду «пакетов» колебаний тока (ОПЛ ТИСПР, ИФВЭ, г. Протвино) 0.01 мкм/пакет 0