Обзор современных сверхпроводящих линейных ускорителей протонов Содержание

Обзор современных сверхпроводящих линейных ускорителей протонов

Содержание • Немного простой теории • Исторические факты • Обзор основных этапов моделирования и изготовления • Основные типы протонных ускоряющих структур • Проект

Особенность ускорения протонов β=1 β<1 (для диапазонов низких, средних и высоких скоростей своя структура)

Основные ЭДХ любой ускоряющей ячейки Среднее уск. поле Запасенная энергия Шунтовое сопротивление Добротность Геометрический фактор Макс. Эл. Поле Макс. Магнитное поле Рабочая β Длина резонатора Где: Rs = поверхностное сопротивление стенок резонатора P = мощность ВЧ потерь в резонаторе

Энергетический прирост, ВПФ Энергетический прирост Времяпролетный фактор Среднее ускоряющее поле

ВПФ для однозазорного резонатора (в приближении с постоянным Ez (z)) Радиус отверстия

ВПФ для 2 -х зазоров 1 зазор 2 зазора

Зависимость нормализованного ВПФ от нормализованной относительной скорости частиц

Немного истории

Первые резонаторы: 70 -e • Использовалось для легких ионов β~0, 1 • Материал: • цельный Nb • Пластинчатый Pb • Градиент ускоряющего поля 2 МВ/м • Решение проблем механической устойчивости первыми электронными быстрыми тюнерами для Helix резонаторов Резонаторы для низких β введены в эксплуатацию с 70 -х годов

Сверхпроводящие резонаторы для низких β: 80 -е • В АНЛ Тандем был заменен первым СП ионным инжектором β~0, 001 : 0, 2 • Ускорение ионов вплоть до U • Новые материалы • Электролиз Nb на Cu • Проблемы механической устойчивости решены новыми быстрыми электронными тюнерами VCX • Градиенты ускоряющего поля 3 МВ/м; первый режим работы на уровне 4 МВ/м

СП резонаторы с высокой интенсивностью пучка: 90 -е • β~0, 001 : 0, 2 • Новые материалы • Напыление Nb на Cu • Использование СП RFQ • Подавление механических колебаний осуществлено механическими демпферами • Градиенты ускоряющего поля 3 -4 МВ/м; первый режим работы на уровне 6 МВ/м

СП резонаторы для низких β: наше время β~0, 001 : 0, 8 Материал в основном цельный Nb Развитие мощных СП ускорителей Подавление механических колебаний осуществлено пьезо тюнерами • Градиенты ускоряющего поля 6 -8 МВ/м; первый режим работы на уровне 20 МВ/м • •

Обзорная таблица основных СП ускорительных центров

Основные этапы моделирования и изготовления

Особенности протонных СП резонаторов • Низкая частота – Крупные размеры – Сложные геометрии – Высокие пиковые электромагнитные поля • Множество геометрических форм – Много различных типов колебаний • Короткие резонаторы – Много независимых резонаторов в ЛУ • Несколько ускоряющих зазоров – Высокий аксептанс скоростей • Работают в большинстве своем при 4, 2 К

Цельный ниобий При проектировании необходимо учесть • Использование сравнительно простых конструктивных элементов: плоскостей, стержней и т. п. • Высококачественная сварка электронным пучком • Подступ для технологических операций (химическое травление, электрополировка, промывка …)

Напыление ниобия на меди При проектировании необходимо учесть • Бескислородная медная подложка • отсутствие пайки • Скругленная геометрия, оптимизированная под напыление • Резонаторы, способные вместить в себя катод под напыление, предоставляющие необходимое расстояние между катодом и стенкой резонатора

Ограничения, вводимые физикой ниобия •

Ограничения: Мультипакторный разряд • Условия: – Устойчивые траектории, оканчивающиеся на стенках резонатора – Коэффициент вторичной электронной эмиссии выше 1 – Начальный электрон оказывается в нужном месте, в нужном поле, в нужной фазе

Мультипакторный разряд - примеры В полуволновом резонаторе 2 точки МПР • 1 стена: E+B • 2 стены: в основном E В может использоваться для сдвига электронов из области МП разряда

Изменение геометрии для предотвращения развития МПР Изначально: МПР Epeak=0, 1 МВ/м Исполнение А: МПР отсутствует Изменение наружней стены Исполнение B: Изменение внутренней стены МПР отсутствует

Снижение добротности

ЭМ проектирование Цели и задачи: Минимизировать: • Ep/Ea • Bp/Ea Максимизировать: • Ea 2/(PL) Оптимизировать: • ЭМ поля динамики частиц • Геометрию для МПР • Устройства подстройки и ввода мощности

Вводы мощности • Индуктивные вводы мощности: для низких уровней мощности (<1 к. Вт) и НЧ (<300 МГц) • Емкостные ~1 к. Вт и ~300 МГц

ЭМ проектирование: отклонение пучка • Несимметричность конструкции ячейки • Доминирующий вклад магнитного поля • В случае четвертьволновых резонаторов с размерами L/λ>1/10 может привести к серьезным проблемам в динамике пучка • Четвертьволновые резонаторы ~100 МГЦ требуют коррекции • Поперечный импульс

Отклонение пучка: четвертьволновый резонатор Осевые компоненты полей четвертьволнового резонатора • Ey симметрична: гасится во втором зазоре • Bx антисимметрична: добавляется во втором зазоре • Ey и Bx сдвинуты друг относительно друга на 900 • B имеет большее влияние

Компенсация отклонения: смещение оси Заметка: Небольшое смещение оси апертуры может подавить львиную долю отклонения

Подавление отклонения изменением формы зазора

ЭМ Моделирование: расчет мощности потерь

Расстройка резонатора по причине механических неустойчивостей Источник Решение Изменение давления гелия Механическая подстройка с использованием обратной связи Расстройка силой Лоренца Медленная настройка с использованием ВЧ обратной связи Микрофонные шумы Быстрые тюнеры, механическое решение, подавление шумов Резонансные колебания Механическое демпфирование

Колебания давления гелия df/d. P • Пример – 80 Мгцовый Nb резонатор: df/d. P ~ 1 Гц/мбар – Криосистема: отклонения ~100 мбар/мин • Естественное решение – Спроектировать резонатор невосприимчивым к флуктуациям давления криосистемы – Использовать механический тюнер в петле обратной связи • “Умное” решение – Конструкция само компенсирующего резонатора

Компенсация с использованием двойной стенки

Само подавление колебаний • По причине того, что полностью все колебания давления гелия невозможно подавить, резонатор можно спроектировать с возможностью деформаций, компенсирущих влияние друга

Расстройка силой Лоренца Решение: механически жесткая структура, настройка

Механические колебания • Наиболее опасно: небольшие колебания могут привести с серьезным деформациям, что может увести резонатор из рабочего диапазона • Деформации протекают слишком быстро относительно скорости срабатывания механических тюнеров • Решение 1. Сделать рабочий диапазон шире 1. 2. Пересвязь Электрически быстрые тюнеры. 2. Сделать уже расстраивающий диапазон 1. 2. Точное моделирование Механическое демпфирование.

Колебание стержня ЧВР

ТИПЫ УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУР, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ПРОТОНОВ В НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ

Зависимость от скорости протонов

Четвертьволновые структуры

Четвертьволновые резонаторы ДОСТОИНСТВА: • Компактные • Модульные • Эффективные • Дешевые • Легко настраивать • Справляются с низкими β НЕДОСТАТКИ • Дипольная составляющая ~100 МГц • Механическая устойчивость ~100 МГЦ • (Квадрупольная составляющая)

Примеры выполнения

Кольцевые резонаторы ДОСТОИНСТВА: • Относительно высокий энергетический прирост • Эффективная НЕДОСТАТКИ • Механическая устойчивость • Высокая перенапряженность поля • Дороже и сложнее четвертьволновых Была разработана давным-давно и больше не разрабатывалась

Полуволновые резонаторы

Полуволновые резонаторы ДОСТОИНСТВА: • Нет дипольной компоненты • Меньший коэффициент перенапряженности, чем в четвертьволновых • Широкий диапазон β • Компактная НЕДОСТАТКИ • Тяжело настраивать • Тяжелый доступ к частям • (квадрупольная компонента) Предпочитаемый рабочий диапазон ~200 МГц

Single-SPOKE resonators (SSR) ДОСТОИНСТВА: • Нет дипольной компоненты • Выше шунтовое сопротивление, чем в полуволновых • Широкий диапазон β НЕДОСТАТКИ • Тяжело настраивать • Тяжелый доступ к частям (но проще, чем в полуволновом • Дороже полуволновых • Крупнее полуволновых • (квадрупольная компонента) Предпочитаемый рабочий диапазон ~350 МГц

E-резонаторы • Рабочий вид колебаний E 010 • Вектор B всегда перпендикулярен оси распространения ЭМ поля (также оси пучка)

Эллиптические резонаторы ДОСТОИНСТВА: • Симметричное поле • Низкие пиковые электрические и магнитные поля • Многоячеечная реализация • Крупная апертура канала НЕДОСТАТКИ • Не используется для β<0, 4 • Механические моды

Reentrant cavities ДОСТОИНСТВА: • Симметричное поле • Компактная • Низкие пиковые электрические и магнитные поля • Крупная апертура канала • Широкий диапазон рабочих скоростей НЕДОСТАТКИ • Короткий ускоряющий зазор, низкий энергетический прирост • Только однозазорные • Механическая устойчивость • Только индуктивные вводы мощности

IH и CH многозазорные резонаторы

Сверхпроводящие RFQ ДОСТОИНСТВА: • CW режим работы • Компактная • Высокоэффективная • Справляется с крайне малыми β • Высокий аксептанс НЕДОСТАТКИ • Тяжела в изготовлении • Цена • Механическая устойчивость

Многоспицевые (Multi-SPOKE) резонаторы ДОСТОИНСТВА: • Высокоэффективная • Высокий энергетический прирост • Механически более устойчивая, чем эллиптическая • Механически более устойчивая, по сравнению с эллиптической структурой НЕДОСТАТКИ • Крупный размер • Тяжела в обслуживании • Тяжела в настройке • Меньшая апертура по сравнению с эллипттической • Дороже эллиптической

Многоячеечные сверхпроводящие SH резонаторы ДОСТОИНСТВА: • Эффективная • Высокий энергетический прирост • Могут быть выполнены для сравнительно низких β НЕДОСТАТКИ • Β аксептанс • Сложно реализовать большие апертуры • Тяжела в изготовлении • Цена

Проекты

Spallation Neutron Source

Ускоряющие системы SNS

Пример выполнения ячеек 74 резонатора для высоких β (β = 0. 81) 35 резонаторов среднего диапазона (β = 0. 61)

Параметры пучка • • • Мощность пучка Энергия пучка Средний ток пучка Частота следования импульсов Число протонов за импульс Заряд в импульсе Энергия в импульсе Длительность пучка протонов Тип ионов (front end, Linac, ВЭЛТП) Тип ионов (Кольцо, ТЛТП, мишень) • • • 1, 4 МВт 1 Гэ. В 1, 4 м. А 60 Гц 1, 5 х1014 24 мк. Кл 24 к. Дж 695 нс Нпротоны