Б. Є. Балакін, С. Ю. Казаков, Л. Є. Лунін, В. І. Чашурін Філія Інституту ядерної фізики, Протвино

Введення

Подальший розвиток фізики високих енергій, необхідне для глибшого розуміння фундаментальних законів нашого світу, пов’язується зі створенням лептонних лінійних коллайдеров з енергією пучків порядку 1 ТеВ. Чому лептонні колайдери, якщо вже існують протон-антипротонів колайдери такого рівня енергії? Причина в тому, що протон і антипротон в сучасному розумінні не є елементарними частинками, як лептони (електрони, позитрони, мюони), а складаються з декількох більш елементарних частинок – кварків. Так як протон (Антипротон) складається з декількох кварків, то енергія зіштовхуються частинок виявляється в кілька разів нижче енергії прискорених пучків, а результат взаємодії – більш складним для аналізу в силу того, що в зіткненні бере участь більше число частинок. Лінійними колайдери повинні бути тому, що лептони – легкі частинки і енергія порядку тераелектронвольт відповідає більшому релятивістському фактору. Потужність синхротронного випромінювання в циклічних прискорювачах пропорційна четвертого ступеня релятивистского фактора і обернено пропорційна квадрату радіуса орбіти частинки. Тому циклічний прискорювач з такою енергією пучків лежить за межами сучасних технічних можливостей або за необхідної потужності для компенсації втрат через синхротронне випромінювання, або за величиною периметра.

Вперше проект лінійних коллайдеров був запропонований в ІЯФ СО АН в 1978 році Балакін, Будкером, Скрінскім [1]. Зараз лінійні колайдери вважаються основним напрямком і над їх проектами працюють провідні прискорювальні центри світу [2]. Створення лінійного коллайдера ставить величезну кількість найважчих завдань. Наприклад, для забезпечення прийнятної світності зіштовхуються пучки повинні мати в місці зустрічі розміри у кілька десятків нанометрів. При цьому довжина прискорювача становить 10-20 км. Пучок має бути проведений через прискорювач із збереженням еміттанса, що дозволяє фокусувати його в настільки малі розміри. З цієї умови випливає, що багатокілометровий прискорювач повинен бути виставлений з точністю до декількох мікрон. Через рух земної поверхні прискорювач може зберігати необхідну точність виставки всього лише кілька хвилин, що означає: потрібні системи та алгоритми безперервної виставки по пучку. Прискорюють структури повинні бути виконані спеціальним чином, щоб амплітуда порушуваних wake-nonQu не призводила до помітного збільшення фазового розміру пучка і т. п.

Одним з ключових завдань при створенні лінійного коллайдера є розробка СВЧ-джерела. Довжина прискорювача і, відповідно, вартість залежать від темпу прискорення. Експериментально було з’ясовано, що структури з мідною поверхнею можуть забезпечити темп прискорення близький до 100 МВ / м [3]. Вибираючи довжину хвилі, можна оцінити запасену енергію і необхідну імпульсну СВЧ-потужність. Потужність приблизно пропорційна квадрату довжини хвилі, але в той же час із зменшенням довжини хвилі ростуть труднощі при створенні СВЧ-джерела, пов’язані з малими розмірами. Зараз у світі відомо кілька проектів лінійних коллайдеров. Якщо говорити про “теплих» (не надпровідних) проектах, то вони займають діапазон частот від 3 до 30 ГГц. Велика частина проектів відноситься до X- діапазону, який, ймовірно, і можна вважати оптимальним для сучасної технології. У Х-діапазоні для забезпечення граничного темпу прискорення необхідна потужність близько 100 МВт / м. Джерело СВЧ і його система високовольтного живлення (модулятори) є найбільш Найдорожчою частиною лінійного прискорювача. Для скорочення кількості СВЧ- джерел передбачається використати системи множення СВЧ-потужності, що дозволяють від одного джерела з більш довгим імпульсом живити більшу кількість прискорюючих структур.

Розглянемо сучасний стан клистронов X-діапазону, оскільки параметри цього типу приладів найбільш близькі до необхідних параметрів проектів лінійних коллайдеров. У роботі також буде приділено увагу найбільш важливим СВЧ-елементам великої потужності, таким, як вікна, елементи системи множення потужності.

Історичний огляд

Після усвідомлення необхідності і принципової можливості побудови лінійного коллайдера [3, 4] в ІЯФ СО РАН почалися інтенсивні роботи над проектом ВЛЕПП (зустрічні лінійні електрон-позитронного пучки) і розвитком технологій для його реалізації. Були виконані основоположні роботи з вивчення граничного темпу прискорення, вивченню динаміки пучка в прискорювачах [4]. Були розпочаті роботи над джерелом СВЧ. Майбутній лінійний коллайдер буде включати в себе кілька тисяч джерел, звідки йдуть вимоги до нього: тривалість експлуатації більше 100 тисяч годин, економічність, відносна дешевизна в виготовленні, включаючи систему високовольтного живлення. Після аналізу був зроблений висновок, що існували на той час рішення не задовольняють цим вимогам, потрібні нові підходи. Час життя вакуумного приладу визначається багато в чому часом життя катода, яке, в свою чергу, залежить від щільності струму. Було вирішено, що щільність струму катода в майбутньому приладі повинна бути близько 5 А / см2. Фокусування електронного променя повинна здійснюватися постійними магнітами, так як використання електромагнітного соленоїда в разі Х-діапазону неприйнятно через велику енергоспоживання. Високовольтне харчування за допомогою модуляторів також не представлялося можливим через їх високу вартість і великих габаритів, які вимагали додаткового тунелю. Можливим рішенням міг би стати прилад з сітковим керуванням, живиться від високовольтного джерела постійної напруги.

На основі цих підходів була спроектована система СВЧ-харчування ВЛЕПП (рис. 1), розроблені і побудовані кілька зразків сіткових клистронов (рис. 2). Проектні параметри клистронов наступні:

–     14 ГГц;

–     1 МВ, постійне; -300 А;

-> 70 дБ;

–    50%;

-120 Мм, сітковий;

–    5А / см2;

–    МПФС;

–    розподілена.

частота напруга ток посилення

ККД

діаметр катода максимальна щільність струму катода система фокусування вихідна система

Рис. 1. Схема СВЧ-харчування ВЛЕПП

Рис. 2. Сіткові клістрони для проекту ВЛЕПП

Під час випробувань були отримані потужність 60 МВт при тривалості імпульсу 600 нс, посилення більше 90 дБ [5, 6, 7]. Хоча повністю проектні параметри не були досягнуті, результати продемонстрували правильність обраного підходу. Роботи над приладом були зупинені у зв’язку з припиненням фінансування проекту ВЛЕПП.

За кордоном тривали розробки клистронов з частотою 11,4 ГГц з “класичної” схемою електромагнітної фокусування і модуляторні харчуванням. У Слак (SLAC- Стенфордський лінійний прискорювач, США) розроблений клістрон XL-4 з вихідною потужність 75 МВт і тривалістю імпульсу до 1,5 мкс [8].

У КЕК (Національна прискорювальна лабораторія, Японія) був спроектований і побудований (Тошиба) клістрон з близькими параметрами [9].

Слідуючи за роботами ІЯФ, а потім ФІЯФ (Протвино), почалися розробки клистронов з МПФС за кордоном. У 1996 році SLAC виготовив клістрон з МПФС. Була отримана потужність близько 50 МВт з ККД більше 50% [10]. В Наразі Слак працює над 7егаваттним варіантом клистрона з МПФС. КЕК також провів випробування клистрона з МПФС власної розробки. Була досягнута вихідна потужність 73 МВт при тривалості імпульсу 1,5 мкс [11].

Імпульсний клістрон Х-діапазону з МПФС

Отримати уявлення про сучасний стан розробок потужних клистронов X- діапазону можна на прикладі клистрона, спроектованого і виготовленого ФІЯФ за замовленням КЕК. Його не можна назвати цілком типовим приладом, так як він на відміну від зарубіжних аналогів має катод великого діаметра (120 мм) з низькою щільністю струму, багатосекційний високовольтний ізолятор, що підвищує його електричну міцність, модульну легко розбирається магнітну систему. Креслення цього клистрона наведено на рис. 3.

Положення електростатичного екрана дозволяє змінювати розмір сформованого пучка в межах ± 10% при зміні струму не більше ± 2%. Застосований, як було сказано, Секціонірованние ізолятор, конструкція якого раніше випробовувалася на постійній напрузі і забезпечувала стабільну роботу при напрузі 500 кВ. Це дозволило розраховувати на роботу трубки без пробоїв при імпульсній напрузі 550 кВ, що й було підтверджено при випробуванні клистронов. Пучок узгоджується з магнітним полем МПФС за допомогою двох лінз. Така схема дозволяє погоджувати пучок як при зміні його пара-

Рис. 3. Креслення імпульсного клистрона X- діапазону: 1 – електростатичний екран, 2 – прискорювальна трубка, 3 – магнітні лінзи, 4 – МПФС, 5 – підсилювальна частина, 6 – вихідна система.

метрів на вході в лінзи, так і при зміні поля МПФС. Магнітна система розбірна. Магніти виготовлені з матеріалу NiFeB. Для гальмування і відбору СВЧ-потужності від сгруппированного пучка в клістроні застосована розподілена вихідна система на біжучому хвилі, що складається з 4 осередків.

Клістрон був випробуваний в травні 1998 року. Дослідження токопрохождения показало дуже гарний збіг експериментальних результатів з розрахунковими (рис. 4). На рис. 5 наведені експериментальні та розрахункові графіки залежності вихідної потужності від напруги. Менша в порівнянні з розрахунковою потужність при напрузі 550 кВ пояснюється, як показав подальший аналіз, осіданням пучка у вихідний системі клистрона.

У першому варіанті приладу отримана вихідна потужність 50 МВт при тривалості 500 нс і 75 МВт при 100 нс. Тривалість імпульсу в останньому випадку обмежувалася самозбудженням на частотах 21,2 ГГц. Згодом було виявлено, що причиною самозбудження був паразитний високодобротних резонанс, поле якого було локалізовано в пролітної трубі між останніми двома групуються резонаторами.

СВЧ-вікна

Діелектричні вікна є найважливішою частиною потужних електровакуумних приладів, які багато в чому визначають його надійність і довговічність. Передбачається, що вихідна потужність НВЧ-джерел лінійного коллайдера буде близькою до 100 МВт. Отже, навіть якщо джерело має два вікна, кожне повинне надійно працювати при рівні потужності близько 50 МВт. У процесі роботи можуть траплятися пробої в навантаженні (Прискорюючою структурі), які породжують відбиту хвилю і можуть привести до подвоєння напруги на діелектрику вікна. Враховуючи це, хотілося б мати вікно, здатне витримувати імпульсну потужність 150-200 МВт без руйнування. Традиційні вікна, такі, наприклад, як pill-box, не відповідають цій вимозі, оскільки мають поперечний розмір близький до довжини хвилі. Для Х-дйапазона, де довжина хвилі менше 3 см, потужність, що проходить через одиницю поверхні діелектрика, виявляється надмірно високою. Дослідження діелектричних матеріалів показали, що кращою для СВЧ-вікна є кераміка А120З високої чистоти. Характерна напруженість поля на поверхні кераміки, яка веде до пробою і руйнування, становить 8 кВ / мм [12, 13].

Для проекту ВЛЕПП було розроблено надрозмірні конусне вікно. При довжині хвилі 22 мм діаметр полуволновой кераміки був 66 мм. Вікно було випробувано в резонансному кільці, і потужність 50 МВт була пропущена через вікно без руйнування [14]. Аналогічне вікно було розроблено та випробувано в КЕК. При довжині хвилі 26 мм діаметр полуволновой кераміки склав 56 мм. Межа руйнування вікна склав 70 МВт / 500 нс [15].

Помітне просування в створенні потужних НВЧ-вікон сталося, коли була запропонована концепція вікна з хвилею, що біжить в діелектрику. Таке вікно має напруженість на поверхні і в об’ємі кераміки приблизно в 1,7 рази менше, ніж полуволновой вікно. Перше вікно з біжучою хвилею було розроблено та виконано в ФІЯФ для S-діапазону. Тести цього вікна показали, що воно більш ніж в 2 рази перевершує найбільш потужне “Класичне” pill-box-вікно. Вікно пропускало потужність більше 400 МВт (2мкс, 50 ​​імпульсів в секунду) і не було зруйновано. Кордон руйнування по потужності встановити не вдалося, так як наступали обмеження по електричної міцності елементів резонансного кільця [16]. На даний момент всі розробляються вікна X-діапазону для лінійних коллайдеров є вікнами з хвилею, що біжить.

Як показує досвід, найбільш слабким місцем вікна, де починаються пробої, а потім і руйнування, є місце пайки кераміки і металу. Спосіб уникнути електричного поля в цьому місці – зробити вікно на типі хвилі ТІ0ь який не має електричного поля на периферії. Таке вікно X-діапазону було запропоновано, виготовлено й успішно випробувано Слак [17] (рис. 6).

Але вікно на ΤΕοι-моді з необхідністю включає в себе конвертер з парою мод ТЕю- ТЕоь який має складну геометрію і робить вікно помітно дорожче. Інший цікавий підхід полягає в тому, щоб створити на поверхні таку комбінацію мод, щоб поле на периферії в місці пайки кераміки з металом було близько до нуля. Таке вікно з комбінацією мод ТЕП і ТМП було розроблено та виготовлено [18]. Вікно було успішно випробувано в С ЛАК і при діаметрі кераміки 56 мм без руйнувань пропускало імпульси потужністю 85 МВт, тривалістю 1,5 мкс і частотою повторення 30 імп. / с [17]. За цими параметрами вікно не поступається ΤΕοι-вікну близького розміру, але не вимагає складних конвертерів (рис. 7).

Система множення потужності – DLDS

Для зменшення загального числа клистронов в майбутньому колайдері передбачається використовувати системи компресії і складання СВЧ-потужності. Як показує аналіз, на сьогоднішній день найбільш економічно виправданою є система складання потужності з лінією затримки DLDS {Delay Line Distribution System) [19]. Принцип роботи такої системи простий – потужність кількох клистронов підсумовується і передається по лінії затримки (Кілька десятків метрів) вгору (назустріч пучку) уздовж прискорювача. За час затримки поширення потужності по лінії і прольоту пучка потужність від клистронов може бути перенаправлено на іншу групу прискорюючих структур. Перемикання потужності відбувається зміною взаємних фаз клистронов. Кількість груп прискорюючих структур може дорівнювати числу клистронов (рис. 8).

Рис. 9. Трехмодовая DLDS проекту NLC

Потужність до кожної групи може передаватися або за окремим волноводу, або по одному волноводу, але за допомогою різних хвилеводних мод. У першому випадку DLDS називається одномодової, у другому – багатомодовою. Лінією затримки служить надрозмірні круглий хвилевід. Приміром / в проекті NLC (SLAC) розглядається можливість використання трехмодовой DLDS з модами ΤΕοι і ТІ12 різних поляризацій, або двухмодовой з ТІ01 і ΤΕι2 [20] (рис. 9).

Рис. 10. ТІ10– ТІ01-конвертери

Рис. 11. ТІ01- ТІ 02-лончер-екстрактор

У проекті JLC (КЕК) передбачається використовувати двухмодовую DLDS з модами ΤΕ0ι і ТЕо2 або одномодовий з робочою модою ΤΕ0ι [21]. Так як структура поля на виході клистрона відповідає фундаментальної моді в прямокутному хвилеводі ТІ0ь то ключовими елементами DLDS стають конвертери мод, лончер {launcher) і екстрактори. Лончер – пристрій, який запускає кілька різних мод в залежності від комбінації фаз на вхідних портах. Екстрактор – пристрій, який виводить з лінії затримки одну моду, пропускаючи інші далі. Нижче на малюнках наведено приклади конвертерів мод ТЕю- ΤΕ0ι і ТЕог ТЕо2 лончера-екстрактора, розроблені ФІЯФ для КЕК [22, 23] (рис. 10, 11).

У зв’язку з роботами над проектами лінійних коллайдеров в останні роки досягнуті великі успіхи в створенні потужних імпульсних клистронов X-діапазону. У кількох лабораторіях побудовані прототипи з вихідною імпульсною потужністю близько 75 МВт при тривалості імпульсу 0,5-3 мкс, з ККД близько 50%, з економічною фокусирующей системою на постійних магнітах. Для цих приладів створені СВЧ-вікна, пропускають без руйнування потужність близько 80 МВт. Успішно ведуться роботи над системами додавання і транспортування СВЧ-потужності на базі надрозмірні волноводов. Для цієї мети розроблені пристрої, що запускають і извлекающие потужність з надрозмірні хвилеводу (лончер, екстрактори) з ефективністю 100%, а також нові компактні трансформатори типів хвиль. Так як число клистронов в майбутніх лінійних коллайдерах буде обчислюватися тисячами, до завдань, все ще чекають свого рішення, можна віднести створення відносно дешевого і компактного високовольтного модулятора. Над цією проблемою зараз інтенсивно працюють лабораторії Слак і КЕК.

Література

1.       Balakin V. Є., Budker G. /., Skrinskii А. N. Feasibility of creating a superhigh energy colliding electron-positron beam facility // SLAC-TRANS-186. – Stanford: SLAC, Nov 1978. – 23 p.

2.       Wilson P. B. Application of High Power Microwave Sources to TeV Linear Colliders, in Applications of High Power Microwaves // Ed. A. V. Gaponov-Grekhov, V. L. Granatstein. Boston, London: Artech House, 1994. P. 229-317.

3.       Balakin V. E., Brezhnev Ο. N., Novokhatskii A. V., Semenov Yu. I. Accelerating structure of a colliding linear electron-positron beam (VLEPP): investigation of the maximum attainable acceleration rate //SLAC-TRANS-187. – Stanford : SLAC, Nov 1978. – 7 p.

4.       Balakin V. E., Koop I. A., Novokhatskii A. V., Skrinskii A. N., Smirnov V. P. Beam dynamics of a colliding linear electron-positron beam (VLEPP) // SLAC-TRANS-188. – Stanford: SLAC, Nov 1978. – 8 p.

5.       Balakin V. E., Arapov L. N., Bamburov Yu. G., et al. Experimental Reseach of the Relativistic Klystron for VLEPP // Contributed talks, BINP, Protvino, USSR, 17-27 Sep. 1991, v.3: issue 2 International Workshop on Linear Colliders – LC ’91, Protvino: Branch Inst. Nucl. Phys., 1992. P. 56-59.

1.        Arapov L. N.. Avrakhov P. V., Balakin V. E. et al. 14GHz VLEPP Klystron // Third European Particle Accelerator Conference: Intern, conf., Berlin, 1992. Singapore: Editions Frontiers. 1992. V. 1.1. P. 330-332.

2.        Balakin V. E, Khavin N. G., Klyuev V. F., et al VLEPP 14 GHz Klystron Testing // XV Workshop on Charged Particle Accelerators, Protvino: IHEP, 22-24 Oct. 1996. V. 1. P. 79-82.

3.        Caryotakis G. The X-Band Klystron Program at SLAC // SLAC-PUB-7146, April, 1996.

4.        Chin Y. K, Takata K, Fukuda S., Mizuno K, Michizono S., Yamaguchi S., Matsumoto S., Tokumoto S., Tsutsui H. and Kazakov S. The 120 MW X-Band Klystron Development at KEK // KEK preprint 98-118, August 1998.

5.         Caryotakis G. Development of X-Band Klystron Technology at SLAC // SLAC-PUB-7548, May, 1997.

6.         Chin Y. H., Matsumoto S., Mizuno K, Morozumi Y., Ohkawa T., Ohya K, Takata K, Toge N., Tokumoto S. KEK, Tsukuba, Japan, Kazakov S., Larionov A., Teryaev V., ΒΓΝΡ, Protvino. Russia, X-Band PPM Klystron Development for JLC // PAC-2001, Chicago, June 18-22.

7.         Michizono S., Saito Y., Yamaguchi S., et al //IEEE Trans. On Electr. Insul., 28. 1993. 692 p.

8.         Michizono S., Kinbara A., Saito Y., et al //J. Vac. Sci. Technol. A10. 1992. 1180 p.

9. Бабкін E. Г., Балакін В. E., Клюєв В. Ф., Лукін А. Н., Мінков А. В., Пирогов О. В., Самойлов С. Л., Хавін Н. Г., Шемелин В. Д., Ясне Г. І. Резонатор біжить хвилі на 14 ГГц з потужністю вище 100 МВт: Препринт ІЯФ 95-48. Новосибірськ, 1995.

10.     Otake Г., Tokumoto S., Kazakov SY, Odagiri J., Mizuno H. High-Power Test of X-Band RF Windows at KEK // KEK Preprint 96-84, July 1996.

11.     Michizono S., Saito Y., Mizuno H., Kazakov S. Yu. High-power Test of Pill-Box and TW-in-Ceramic Type S-Band windows // KEK Preprint 94-157, December 1994.

12.     Vlieks A. E., Fowkes W. R., Loewen R., Jongewaard E., Menegat A., Tantawi S., Chin Y. H., Mizuno H., Takata K, Tokumoto S., Kazakov S., Ives R. Lawrence, Neilson J. High Power Window Test at SLAC // РАС 2001. Chicago, June 2001.

13.     Kazakov S. Yu. A New Traveling -Wave Mixed-Mode RF Window With a Low Electric Field in Ceramic-Metal Brazing Area // KEK Preprint 98-120, August 1999.

14.     Mizuno H. and Otake Y. A new RF power distribution system for X-band linac equivalent to an RF pulse compression scheme of Factor 2n // Proceedings of the 17th International Linac Conference, Tsukuba, Japan. August 21-16 1994. P. 463.

15.     Tantawi S. G. et al. A Multi-Moded RF Delay Line Distribution System for the Next Linear Collider // Proc. of the Advanced Accelerator Consepts, Baltimore. MD 6-11 July 1998. P. 967-974.

16.     International Study Group Progress Report // KEK Report 2000-7, SLAC R-559. April, 2000. P. 186-187.

17.     Kazakov S., Lunin A., Avrakhov P. New X-band RF Elements, Cold Measurements Results // Proc. of the VIII International Workshop on Linear Colliders LC99. Frascati (Rome). 21-26 October 1999.

Kazakov S. Yu. Component Works and TE02 Mode // Presented at KEK-SLAC ISG6 Meeting, KEK. November, 2000.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.