Как это работает. Ускоритель электронов
Ускорители частиц на протяжении последних десятилетий активно используются в фундаментальных исследованиях. Сегодня самый мощный ускоритель – Большой адронный коллайдер – известен во всем мире. С помощью таких устройств ученые ищут ответы на самые сложные вопросы: от возникновения Вселенной до возможности путешествий во времени.
Технология ускорения частиц и сами ускорители не только разгадывают загадки вселенского масштаба, но и присутствуют в нашей повседневной жизни. Например, благодаря таким устройствам ежегодно миллионы пациентов получают лечение от серьезных заболеваний. Ускорители играют важную роль и в вопросах безопасности – являются «сердцем» любого инспекционно-досмотрового комплекса.
История: начало «ускорительной» школы
Ускоритель частиц – устройство, которое разгоняет субатомные частицы до высоких скоростей, близких к скорости света. Такие устройства в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц, а уже позже получили вполне прикладное назначение.
Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены еще в начале 1930-х годов. Но настоящая революция в технологиях ускорения частиц до высоких энергий произошла после Второй мировой войны – ее героями стали американский физик Эдвин Макмиллан и советский физик Владимир Векслер, который считается основоположником «ускорительной» школы в нашей стране. В 1945 году они оба независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности.
Идея состояла в регулировке электрического поля так, чтобы отстающие частицы подогнать сильнее, а убежавшие вперед – слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Обычно такой сгусток представляет собой «стрелу» из летящих частиц – от нескольких до десятков сантиметров в длину и шириной примерно в десять микронов. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В 1947 году под руководством Векслера был построен первый советский ускоритель такого типа.
В последующие годы ускорители совершенствовались, но даже в основе многих современных представителей лежит принцип синхрофазотрона, в том числе и в Большом адронном коллайдере.
Принцип действия: большая скорость для маленьких частиц
Основным компонентом любого из ускорителей является электрическое поле. Самое простое его определение – поле между положительным и отрицательным электрическими потенциалами, примерно, как в батарейке. В таких условиях отрицательно заряженный электрон стремится к положительному потенциалу. Сила поля ускоряет его, и, если нет никаких препятствий, скорость и энергия электрона возрастают. Напряжение между начальным и конечным положением электрона показывает приобретенную им энергию. Ускоренные частицы более низких энергий в основном применяются в прикладных целях – в телевизорах и электронных микроскопах, в рентгеновских аппаратах, в системах для уничтожения бактерий. В таких случаях энергия электронов исчисляется в киловольтах. Современные ускорители достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мега-, гига- и тера- электронвольтами. Такие установки нужны для изучения совсем маленьких объектов, например, атомных ядер, в научных исследованиях.
По своей конструкции ускорители разделяются на две большие группы. Во-первых, это линейные ускорители, в которых пучок частиц однократно проходит свой путь. Второй тип – это циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым по многу раз, с каждым пролетом увеличивая свою энергию. В 1970-х годах были разработаны кольца, в которых два пучка циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются. Такой тип ускорителей стал особенно востребованным в фундаментальных исследованиях.
Ускорительный синхротрон в Институте Ядерной Физики им. Будкера, Новосибирск. Диапазон энергии 100-900 МэВ. Кольцо обладает 12-кратной периодичностью, каждый суперпериод включает поворотный магнит (голубого цвета).
По законам физики частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой, поэтому внутри кольцевого ускорителя их «ведет» по нужной траектории магнитное поле. Для этого вдоль ускорительного кольца устанавливают специальные поворотные магниты. Частицы с большой энергией сложнее заставить двигаться по заданному пути, поэтому магниты нужны посильнее. Например, в Большом адронном коллайдере (БАК) используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла – это примерно в 100 тыс. раз мощнее магнитного поля Земли. Такое сильное поле удается получить лишь при очень низкой температуре. Поэтому всю установку – кольцо длиной в 27 км – приходится охлаждать до экстремальных температур, почти до –300 градусов по Цельсию.
Применение: от загадок Вселенной до «открытий» таможни
В настоящее время Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем частиц в мире. Энергия пучка протонов в этой гигантской машине исчисляется в тера-электронвольтах. Десять лет назад с помощью БАК было сделано величайшее открытие века – обнаружен бозон Хиггса, который иногда называют «частицей Бога». Физики уверены, что в ближайшие годы коллайдер поможет найти новые элементарные частицы, а также разгадать и другие загадки Вселенной.
Помимо научных исследований, ускорители частиц влияют и на повседневную жизнь людей. В первую очередь, это медицина. Ежегодно по всеми миру миллионы пациентов получают диагностику и лечение на основе современных ускорителей в клиниках по всему миру. Ускоренные частицы (протоны, электроны или более тяжелые заряженные частицы) используются для уничтожения раковых клеток. Ускорители частиц в настоящее время нужны и в промышленных процессах, например, при производстве электронных микросхем.
Ускорители частиц играют важную роль и в вопросах безопасности – используются для сканирования контейнеров, помогают находить запрещенные и опасные материалы. В частности, линейный ускоритель электронов является сердцем инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК). Благодаря современным ускорителям ИДК не просто дает изображение содержимого, а распознает атомный номер материала. Поэтому за считанные минуты возможно обнаружить наркотики, взрывчатку или другие запрещенные материалы.
Как помогают нести службу таможенникам инспекционно-досмотровые комплексы
В настоящее время российские таможенники переходят на ИДК отечественного производства с ускорителями электронов, созданными в России. Их созданием занимаются специалисты компании «Скантроник системс», входящей в Ростех.
Разработкой отечественного ВПК являются практически все центральные элементы ускорителя, начиная от клистрона (источника электромагнитного поля) и электронной пушки (источника ускоряемых электронов). Импортозамещение в этой сфере продолжается – недавно НИИ «Феррит-Домен» холдинга «Росэлектроника» разработал волноводный вентиль высокого уровня мощности для ускорителя электронов взамен применяемых сейчас импортных аналогов. Новое изделие благодаря высокой выходной мощности может использоваться в инспекционно-досмотровых комплексах.
Ускорители электронов, созданные на предприятиях Ростеха, могут работать не только в сфере безопасности, но и в других областях – это и дефектоскопия, и стерилизация овощей и продуктов. К примеру, пять лет назад в Калужской области был открыт первый в России промышленный центр антимикробной обработки продуктов, ключевым компонентом которого стал ускоритель электронов от Ростеха.
Как электроны побеждают в борьбе с микробами – в нашем м атериале
События, связанные с этим
«Интелтех»: 70 лет интеллектуальных побед
Клистрон
Определение «Клистрон» в Большой Советской Энциклопедии
Клистрон [от греч. klýzo — ударять, окатывать (волной) и (элек) трон], электровакуумный прибор СВЧ, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от поля СВЧ. Распространены 2 класса Клистрон — пролётные и отражательные.
Пролётный Клистрон — Клистрон, в котором электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов (ОР) В зазоре входного ОР происходит модуляция скоростей электронов: электрическое поле в нем периодически полпериода ускоряет, а следующие полпериода замедляет движение электронов. В пространстве дрейфа ускоренные электроны догоняют замедленные, в результате чего образуются сгустки электронов. Проходя сквозь зазор выходного ОР, сгустки электронов взаимодействуют с его электрическим полем СВЧ, большинство электронов тормозится и часть их кинетической энергии преобразуется в энергию колебаний СВЧ.
Идея преобразования постоянного потока электронов в поток переменной плотности за счёт того, что ускоренные электроны догоняют замедленные, рассматривалась советским физиком Д. А. Рожанским в 1932, метод получения мощных колебаний СВЧ, основанный на этой идее, был предложен совместно советским физиком А. Н. Арсеньевой и немецким физиком О. Хайлем в 1935, первые конструкции пролётных Клистрон были предложены и осуществлены в 1938 американскими физиками В. Ханом, Г. Меткалфом и независимо от них Р. Варианом и З. Варианом.
Большинство пролётных Клистрон являются многорезонаторными усилительными Клистрон (). Промежуточные ОР, расположенные между входным и выходным ОР, дают возможность расширить полосу пропускания частот, повысить кпд и коэффициент усиления. Усилительные Клистрон выпускаются для работы в узких участках частот дециметрового и сантиметрового диапазонов волн с выходной мощностью от нескольких сотен вт до 40 Мвт в импульсном и от нескольких вт до 1 Мвт в непрерывном режиме работы. Коэффициент усиления Клистрон обычно от 35 до 60 дб, кпд от 40 до 60%, полоса пропускания менее 1% в непрерывном режиме и до 10% в импульсном режиме. Основные области их применения: доплеровская радиолокация, связь с искусственными спутниками Земли, радиоастрономия, телевидение (Клистрон непрерывного режима работы) и линейные ускорители элементарных частиц, оконечные усилители мощности радиолокационных станций дальнего действия и высокой разрешающей способности (Клистрон импульсного режима работы).
Небольшую часть выпускаемых промышленностью пролётных Клистрон составляют генераторные Клистрон непрерывного режима работы. Обычно они имеют 2 ОР (). Небольшая доля мощности колебаний СВЧ, создаваемых во втором ОР, передаётся через щель связи в первый ОР для модуляции скоростей электронов. Их выходная мощность примерно от 1 до10 вт, кпд — менее 10%. Генераторные Клистрон применяются главным образом в параметрических усилителях, радиомаяках сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн.
Отражательный Клистрон — Клистрон, в котором поток электронов, пройдя зазор ОР, попадает в тормозящее поле отражателя, отбрасывается этим полем назад и вторично проходит зазор ОР в обратном направлении. При первом прохождении зазора его электрическое поле СВЧ модулирует скорости электронов. При втором прохождении (в обратном направлении) электроны прибывают в зазор сформированными в сгустки; поле СВЧ в зазоре тормозит эти сгустки и превращает часть кинетической энергии электронов в энергию колебаний СВЧ. Сгустки электронов образуются в результате того, что ускоренные электроны в пространстве между ОР и отражателем проходят более длинный путь и находятся дольше, чем замедленные. При изменении отрицательного напряжения на отражателе меняются время пролёта электронов, фаза прибытия сгустков в зазор и частота генерируемых колебаний. Последнее используется для так называемой электронной настройки, позволяющей практически безынерционно и без затраты мощности управлять частотой генерируемых колебаний при частотной модуляции и автоматической подстройке частоты. Механическая перестройка частоты производится изменением зазора путём прогиба торцевой стенки (мембраны) металлического корпуса Клистрон или посредством перемещения настраивающего поршня съёмной части ОР, присоединяемой к краям металлических дисков, выходящим из стеклянного или керамического корпуса Клистрон. Многие отражательные Клистрон, кроме основного ОР, имеют второй ОР, находящийся вне вакуума (). Механическая перестройка частоты таких Клистрон производится при перемещении штыря, изменяющего зазор второго ОР. Такие конструкции обеспечивают неограниченное число перестроек частоты. Присоединение высокодобротного резонатора повышает стабильность частоты, но снижает выходную мощность Клистрон
Отражательный Клистрон был разработан в 1940 группой советских инженеров — Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым, И. В. Пискуновым, и независимо от них советским инженером В. Ф. Коваленко. Первые работы по теории отражательного Клистрон были опубликованы советскими физиками Я. П. Терлецким в 1943 и С. Д. Гвоздовером в 1944.
Отражательные Клистрон являются самым массовым типом приборов СВЧ. Они выпускаются для работы в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, имеют выходную мощность от 5 мвт до 5 вт, диапазон механической перестройки частоты до 10% (у Клистрон со съёмной частью ОР — несколько десятков процентов), диапазон электронной настройки обычно менее 1%, кпд около 1%. Отражательные Клистрон применяются в качестве гетеродина супергетеродинного радиоприёмника, как задающий генератор радиопередатчиков, как генератор малой мощности в радиолокации, радионавигации, измерительной технике и т.д.
Лит.: Коваленко В. Ф., Введение в электронику сверхвысоких частот, 2 изд., М., 1955; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 2, М., 1972; Гайдук В. И., Палатов Клистрон И., Петров Д. М., Физические основы электроники сверхвысоких частот, М., 1971; Microwave Tube DATA Book, 28 ed., [N. J.], 1972.
В. Ф. Коваленко.
Где находится клистрон в ускорителе частиц
Работы по созданию электрон-позитронных линейных коллайдеров, работающих в ТэВ–м диапазоне энергий была начата в середине XX века в крупных научных центрах: ЦЕРН, СЛАК, ДЭЗИ, КЭК, ИЯФ, ХФТИ. Вскоре к ним примкнуло много других организаций со всего мира.
СЛАК, КЭК и ЦЕРН представили проекты коллайдеров с «теплыми» линейными ускорителями, работающими на частотах 11,4 ГГц (СЛАК И КЭК) и 30 ГГц (ЦЕРН). В начале, внимание было сосредоточено на повышении градиента ускорения частиц посредством увеличения рабочей частоты ускоряющих структур. Увеличение градиента позволяло сокращать длину структуры и делать сооружение коллайдера более дешевым. Что касается коллайдера ДЭЗИ, то ставка делалась на исключение потерь в сверхпроводящем металле, из которого изготавливалась ускоряющая структура при охлаждении ее до низких температур (2º К). В разработке этого коллайдера использовался уже накопленный опыт по созданию сверхпроводящих структур ЛУЭ из ниобия, работавших на частоте 1,3 ГГц.
В 2003 г учеными ряда азиатских стран был опубликован проект глобального линейного коллайдера [1]. Он основывался на использовании теплых ускоряющих структур, работающих на частоте 11,414 ГэВ. Однако, в 2004 г. Международная Рекомендательная комиссия по технологии ускорителей предложила изменить проект этого коллайдера, применив сверхпроводящую технологию. Было решено создать сверхпроводящий Международный линейный коллайдер, МЛК (International Linear Collider — ILC). Три существующих проекта: NLC (Next Linear Collider – следующий за первым Стэнфордским линейным коллайдером), GLC (Global linear collider – глобальный линейный коллайдер), и TESLA (Teraelectronvolt Energy Superconducting Linear Accelerator – сверхпроводящий коллайдер на энергию тераэлектронвольт), разрабатываемый в ДЭЗИ) были объединены в единый проект – МЛК (ILC). Эскизный проект МЛК был разработан и опубликован в феврале 2007 г. [2,3,4]. Следует отметить, что большую инициативу в части создания Международного линейного коллайдера проявила Национальная Арагонская лаборатория имени Э. Ферми (FERMILAB, NAL).
Ниже будет кратко рассмотрен действующий электрон-позитронный коллайдер СЛАК, а также разрабатываемые проекты и достигнутые экспериментальные результаты двух линейных электрон-позитронных коллайдеров нового поколения: Международного коллайдера ILC и коллайдера CLIC (Сompact Linear Collider (см.Табл.1 -В) — компактный линейный коллайдер, разрабатываемый в ЦЕРН. Что касается японского коллайдера JLC (C), работающего в. С диапазоне длин волн, параметры которого также приведены в Табл.1-1, то вероятно он будет переориентирован на рентгеновский лазер на свободных электронах.
Дальнейшая судьба, разрабатываемых в настоящее время электрон-позитронных коллайдеров зависит от результатов исследований, которые будут получены на коллайдере LHC. Если окажется, что основные вопросы фундаментальной физики могут быть решены при электрон-позитронных столкновениях с энергией в центре масс ниже 1 ТэВ, то предпочтение будет отдано сооружению Международного линейного коллайдера (ILC). Если станет необходим переход к энергиям ≥ 3 ТэВ, то начнется форсирование двух – пучкового компактного линейного коллайдера CLIC или других коллайдеров, например мюоноого коллайдера или коллайдера на основе ЛУЭ c кильватерным ускорением
Таблица 1-3. Разрабатываемые линейные электрон-позитронные коллайдеры и их параметры.
(Международное
cотрудничество)
(Япония,KEK)
(Швейцария, CERN)
(10 34 см —2 с -1 )
сгустками (нс)
(6 периодов)
(МВт)
Коллайдеры вероятно являются самими сложными установками, где применяются электронные и позитронные линейные ускорители. В течение двух десятилетий выполнены многочисленные расчетно-теоретические, конструкторские и экспериментальные исследовательские работы по созданию этих новых линейных коллайдеров. Сооружены прототипы оборудования, включая прототипы начальных участков коллайдеров. Некоторые из них используются как самостоятельные исследовательские комплексы.. К ним можно отнести Комплекс Orion Facility, созданный на основе оборудования, разрабатывавшегося ранее для «Следующего линейного коллайдера» ( N ext L inear C ollider, NLС ) и Испытательный комплекс сверхпроводящего линейного ускорителя ТэВ диапазона энергий ( T eV E nergy S uperconducting L inear A ccelerator, TESLA Test Facility), называемый теперь комплексом. FLASH (Free-Electron Laser in Hamburg).
3.1. Стэнфордский электрон-позитронный коллайдер
Первый и пока единственный работающий на физику линейный электрон-позитронный коллайдер (CЛК,SLC) создан на основе двух — мильного Станфордского линейного ускорителя SLAC [9-11] Основные параметры коллайдера, достигнутые в 1994-1995 году, приведены в Табл.2.3.
Таблица № 2.3. Основные параметры Стэнфордского электрон-позитронного линейного коллайдера (СЛК)
| ПАРАМЕТРЫ | РАЗМЕРНОСТЬ | ВЕЛИЧИНА |
|---|---|---|
| Энергия в пучке | ГэВ | 45,64 (91*) |
| Интенсивность | 1×10 10 частиц/сгусток | 3,5 |
| Частота следования импульсов | Гц | 120 |
| Горизонтальный эмиттанс | мм·мрад | 60 |
| Вертикальный эмиттанс | мм·мрад | 10 |
| Горизонтальный размер пучка в ТС | мкм | 2.1 |
| Вертикальный размер пучка в ТС | мкм | 0,7 |
| Энергетический разброс | % | 0,12 |
| Светимость | 10 30 см -2 с -1 | 0,8 ** |
| Z 0 /час | час -1 | 80 |
| е — поляризация | % | 80 |
| Рабочая частота ускоряющей структуры | ГГц | 2,856 |
* Энергия в точке столкновения (ТС)
** Проектная светимость равна 6×10 30 см -2 с -1
Принципиальная схема коллайдера приведена на Рис.1-3.
Рис.1.3 Стэнфордский электрон-позитронный линейный коллайдер ( СЛК)
Высокая светимость достигается за счет малых горизонтального и вертикального эмиттансов пучков и малого энергетического разброса. Это позволяет получить малые размеры пучка в точке столкновения. Применяется также достаточно большая частота следования сгустков и число электронов в сгустке. Кроме того в ускорителе используются демпфирующие кольца в линиях электронов и позитронов.
Позитронный пучок создается электронным пучком ускорителя SLAC, который выводится из общей ускоряющей структуры и попадает на позитронную мишень.
Позитроны выходят из мишени с энергией, близкой к 1 МэВ. После этого они коллимируются, фокусируются, ускоряются до энергии 200 МэВ и транспортируются к началу ускорителя по вакуумпроводу линии возврата позитронов, снабженному квадруполями. В первой ускоряющей секции происходит дальнейшее ускорение протонных сгустков. Одновременно в ускорителе ускоряются и два электронных сгустка, эмитируемые термо-электронной пушкой или электронной пушкой с поляризацией. В коллайдере достигнута 80% поляризация электронного пучка.
С целью повышения светимости коллайдера в СЛК для снижения эмиттанса пучков применен метод радиационного демпфирования с использованием демпфирующих колец. Сгустки после ускорения на длине 100 м поступают в два 1,15 ГэВ демпфирующих кольца (протонное и электронное). Двигаясь в них, сгустки частично теряют свою энергию на синхротронное излучение и восстанавливают ее, проходя резонаторы, установленные в кольце. Синхротронная радиация замедляет движение частиц во всех направлениях — «демпфирует» пучок Энергия, получаемая от резонаторов, установленных в кольце, ускоряет частицы в желаемом направлении, делает траектории пучка боле параллельными. Все это и снижает эмиттанс ускоряемых пучков. Затем частицы выводятся из колец и направляются по оси ускоряющей структуры.
Как указывалось выше, в коллайдере SLC используется ускоряющая структура ускорителя SLAC, основные параметры которого приведены в Табл.3.3. При сооружении коллайдера СЛК (SLC) в конструкцию ускорителя SLAC были внесены некоторые дополнения.
Таблица № 3.3. Основные характеристики ускоряющей системы ускорителя SLAC [11]
| Характеристики | Величина |
|---|---|
| Рабочая частота (МГц) | 2856 |
| Число секций | 960 |
| Длина секции (м) | 3,05 |
| Сдвиг фазы на ячейку | 2π/3 |
| Мощность клистрона (МВт) | 65 |
| Среднее число ускоряющих секций на клистрон | 4 |
| ВЧ коэффициент заполнения | ≈ 10 -3 |
Энергия сгустков электронов и позитронов в общей ускоряющей системе доводится до 45,5 ГэВ. Затем ускоренные частицы поступают в район столкновения. В этом районе кроме детекторов элементарных частиц размешаются также системы направления пучков в точку столкновения, и нагрузки для поглощения пучков после столкновения. Используются системы оконечной фокусировки пучков непосредственно перед точкой столкновения.
С 1999 г основным целевым назначением коллайдера СЛК стало инжектирование электронных и позитронных пучков в коллайдер PEP – II, который представляет собой электрон-позитронный коллайдер с двумя накопительными кольцами, имевшими длину окружностей 1,4 км и 2,2 км.
На коллайдере СЛК проведены широкие исследования по изучению свойств Z 0 бозона.
3.2. Международный электрон-позитронный коллайдер
Международный электрон-позитронный линейный коллайдер ( I nternational L inear C ollider, ILC ) проектируется на номинальную энергию в центре масс 500 ГэВ с возможностью увеличения энергии до величины >1 Т эВ. [2,3,4]. Основные номинальные проектные характеристики этого коллайдера приведены в Табл.4.3. а схема – на Рис.2.3.
Предполагается, что полный технический проект коллайдера ILC будет готов к 2012 г, и в случае одновременного начала строительства, коллайдер может быть сооружен в районе 2018 — 2020 г.
Таблица № 4.3. Основные проектные номинальные характеристики коллайдера ILC (при энергии в центре масс 500 ГэВ) [2]
Как уже отмечалось, в ILC используются основные сверхпроводящие ускоряющие структуры, которые возбуждаются на частоте 1,3 ГГц.
Коллайдер ILC содержит большое число систем, создающих в точке столкновения пучки электронов и позитронов с прецизионными параметрами.
Ниже рассматриваются некоторые из систем с целью описания принципа их работы и особенностей конструкций. Основное внимание уделяется ускоряющим структурам ЛРУ и системам их ВЧ питания.
Рис.2.3. Схема ILC с энергией в центре масс 500 ГэВ
Коллайдер содержит два основных ускорителя:
- Ускоритель для получения поляризованных электронов.
- Ускоритель позитронов.
Инжектор электронного ускорителя
Система источника поляризованных электронов (Рис.3.3) [2,4] .включает в себя электронную пушку, к фотокатоду которой подводится постоянное напряжение, равное ~ 140 – 160 кВ.
Рис.3.3. Инжектор электронного ускорителя В пушке используется периодическая эмитирующая структура на основе кристаллов, содержащих слои CaAs-GAsP и InGaAs-AlGaAs. Эмиссия с катода управляется лазером. Лазерная система работает на длине волны 790 нм (подстраивается в интервале ± 20нм). Для обеспечения высокого срока службы фотокатода в электронной пушке с помощью ионных и геттерных насосов поддерживается вакуум < 3×10 -11 Тор.
Электронные пушки и лазерные системы дублируются. Из пушки эмитируются сгустки электронов длительностью 1 нс с импульсным током 4,5 -5 А. длительность сгустков сокращается в субгармонических группирователях и в группирователе на бегущей волне. Два резонаторных субгармонических группирователя работают соответственно на частотах 216,7 МГц и 433,3 МГц и создают сгустки протяженностью до ~ 200 пс. Затем размещается 5-ти ячеечный группирователь на бегущей волне, работающий на частоте основной ускоряющей структуры, равной 1,3 ГГц. Он сокращает размер сгустка до ~ 20 пс (при скорости сгустков β = 0,75). Две теплых 50-ти ячеечных ускоряющих секции бегущей волны с β = 1 и напряженностью ускоряющего поля 8,5 МВ/м увеличивают энергию пучка до 76 МэВ. Каждая секция питается от одного 10 МВт многолучевого клистрона. Кроме того, еще один клистрон является запасным. Следует отметить, что структура рассчитана на сравнительно низкую электрическую напряженность ВЧ поля из – за очень большой длительности ВЧ импульса (1,6мс). Для фокусировки пучка группирователи и ускоритель на энергию 76 МэВ помещены в аксиальное магнитное поле с индукцией 660 Гс.
Непосредственно после 76 МэВ ускорителя устанавливается устройство, осуществляющее вертикальную коллимацию с целью уменьшения энергетического разброса (вертикальный энергетический коллиматор). Устройство содержит систему дипольных магнитов, заставляющее пучок двигаться по зигзагообразной траектории (вигглеры).
Затем пучок электронов поступает в суперпроводящий ЛУЭ для дальнейшего предварительного ускорения. В нем используются двадцать два стандартных и три дополнительных ускоряющих криомодуля, подобных криомодулям основных ускоряющих структур (описаны ниже). В сверхпроводящем ЛУЭ предварительного ускорения электроны увеличивают энергию до ~5 ГэВ. ЛУЭ состоит из двух участков. На первом участке электроны повышают энергию от 76 МэВ до 1,7 ГэВ, на втором – до 5 ГэВ. Каждый из 8 криомодулей СП ЛУЭ питается одним 10 МВт клистроном. Перед поступлением электронного пучка в демпфирующее кольцо в сверхпроводящем магните производится перевод спина электронов в вертикальное положение, а для уменьшения длины сгустков с целью осуществления энергетической компрессии, используются вигглеры (wiggler – формирователь периодического магнитного поля) и ускоряющие структуры, скомпонованные в криомодулях.
Инжектор позитронного ускорителя
В ILC используется фотометод получения позитронов [2,4]. Пучок электронов с энергией 150 ГэВ, выведенный из части ускоряющей структуры основного ускорителя электронов, проходит через длинный спиральный ондулятор, где генерируется фотонный пучок (Рис.4), который облучает тонкую металлическую мишень. В возникающем электромагнитном ливне создаются позитроны. Позитроны захватываются, ускоряются и отделяются от других неиспользуемых х частиц ливня, а также от Неиспользуемого фотонного пучка. Затем они ускоряются до 5 ГэВ и поступают в позитронное демпфирующее кольцо.
Мишень для получения позитронов представляет собой вращающейся диск из Ti Al сплава. Энергия частиц, выходящих из мишени (электроны и позитроны), составляет 3-55 МэВ.
Пучок поступает в теплую структуру L-диапазона, захватывающую и ускоряющую позитроны с энергией до 125 МэВ. Структура соcтоит из двух секций стоячей волны, работающих на π моде, и трех секции бегущей волны. Затем происходит разделение пучков с помощью поворотных магнитов. Электронный пучок направляется на поглотитель, а позитронный — во второй теплый предускоритель, также работающий в L – диапазоне и состоящий из 8 –ми секций на бегущей волне. В этом ускорителе энергия позитронов доводится до 400 МэВ.Позитронный пучок снова выводится на центральную ось и ускоряется до 5 ГэВ, уже в сверхпроводящей ускоряющей структуре. Структура будет содержать 23 криомодуля с176 резонаторами. Ускоренные до 5 ГэВ позитроны направляются в позитронное демпферное кольцо.
Рис. 4.3. Инжектор позитронного ускорителя Помимо системы получения позитронов, описанной выше, разрабатывается также дополнительная резервная позитронная система. Она будет использоваться в случае отсутствия 150 ГэВ пучка из основного электронного ускорителя. Эта позитронная система представляет собой автономный ускоритель на энергию 500 МэВ. Пучок из ускорителя будет направляться на вольфрам-рениевую мишень для получения позитронов. Выходящие из мишени позитроны будут ускоряться в позитронном ускорителе, увеличивая энергию на 400 МэВ и затем вводиться в основной позитронный ускоритель.
Демпфирующие кольца
- Сокращают поперечный и продольный эмиттансы пучка, что необходимо для получения высокой яркости в точке столкновения.
- Уменьшают дрожание пучка в поперечном и продольном направлениях.
- Осуществляют задержку сгустков, поступающих из комплекса источника электронов (позитронов), относительно последующих систем для того, чтобы компенсировать колебания от импульса к импульсу, возникающие при изменении таких параметров, как заряд в сгустке.
Кольца способны накапливать полную последовательность сгустков (до 3000 – 6000 импульсов) с 200 мс интервалом между импульсами.
Для выполнения перечисленных выше функций в состав демпфирующего кольца включены дипольные, квадрупольные, направляющие и секступольные магниты, а также 4 сверхпроводящих вигглера. Для ввода и вывода частиц из кольца используются ударные магниты (kicker) и септум магниты. Кольцо содержит сверхпроводящие резонаторы, ускоряющие частицы, чтобы скомпенсировать потери энергии сгустков, движущихся в кольце, на синхротронное излучение. Резонаторы возбуждаются на частоте 650 МГц (субгармоника частоты 1,3 ГГц).
Демпфирующие кольца для электронов и позитронов, практически идентичные по конструкции, расположены в центре комплекса МЛК (ILC). Позитронное кольцо расположено над электронным. Как отмечалось выше, в демпфирующие кольца электроны и позитроны поступают с энергией 5 ГэВ из инжекторов ускорителей этих частиц. Выходя из демпфирующих колец, электроны и позитроны поступают в систему транспортировки пучков, а затем – в основные ускорители.
Система транспортировки пучков электронов (позитронов) от демпфирующих колец к входу в основные ускорители
Система транспортировки пучков [2,4] выполняет следующие основные функции:
- Транспортирует электроны и позитроны от демпфирующих колец к входу в основные ускорители.
- Коллимирует ореолы пучков, создаваемые в демпфирующих кольцах.
- Поворачивает вектор поляризации спина электронов от вертикального положения в положение, определяемое точкой столкновения.
- Уменьшает длину сгустков, получаемых на выходе демпфирующих колец, в 30-45 раз, что требуют основные ускорители и параметры пучка в точке столкновения.
- Увеличивает энергию электронов и позитронов, инжектируемых в основные ускоряющие структуры до 13 -15 ГэВ.
| Параметр | Номинальная величина первой ступени |
Номинальная величина второй ступени |
|---|---|---|
| Начальная энергия | 5 ГэВ | 4,88 ГэВ |
| Начальный энергетический разброс | 0,15% | 2,5% |
| Начальная длина сгустка | 9 мм | 1 мм |
| ВЧ напряжение | 448 МВ | 11,4 ГВ |
| ВЧ фаза | — 105° | -27,6° |
| Конечная энергия | 4,88 ГэВ | 15,0 ГэВ |
| Конечный энергетический разброс | 2,5% | 1,5% |
| Конечная длина сгустка | 1,0 мм | 0,3 мм |
Так как демпфирующие кольца расположены вблизи точки соударения пучков, а пучки по линии транспортировки поступают в начало основной ускоряющей структуры, длина системы транспортировки с участком поворота пучка велика и составляет 13,2 км.
Для реализации перечисленных функций системы в ее состав входят также квадрупольные, дипольные, ударные, септум магниты и соленоиды. Ударные магниты используются для отклонения пучков с основной траектории в поглотители пучка.
Основные ускорители
Два основных ЛУ ускоряют электроны или позитроны от энергии инжекции 15 ГэВ до конечной энергии 250 ГэВ. При этом сохраняются малые размеры эмиттансов пучков, что требует прецизионного контроля орбиты на основании показаний мониторов положения пучка с большим разрешением.
Как сообщается в эскизном поекте ILC [2], в сновных ЛУЭ используются структуры на стоячей волне, работающие на моде π, в L – диапазон ( f =1,3 ГГц) с применением сверхпроводящих девятиячеечных резонаторов, изготовленных из ниобия. Некоторые характеристики этих ускоряющих структур приведены в Табл.6 — 3. Таблица № 6.3. Некоторые характеристики основных сверхпроводящих ускоряющих структур ILC на стоячей волне
| Характеристики | Величина |
|---|---|
| Частота ВЧ колебаний, ГГц | 1.3 |
| Вид колебаний | π |
| Число ячеек в одной секции | 9 |
| Напряженность ускоряющего поля без нагрузки пучком МВ/м | 32, 6 |
| Ненагруженная добротность резонатора, Q | 10 9 -10 10 |
Выбор рабочей частоты сделан как компромисс между высокой стоимостью ячейки резонатора при ее больших размерах на низкой частоте и снижением устойчивости ускоряющего градиента из-за увеличения поверхностного сопротивления на более высоких частотах.
Вид колебаний выбран равным π. Известно, что π мода имеет более высокий шунт импеданс, чем любая из других рабочих мод [13]. С другой стороны при рабочем π виде колебаний имеет место меньшая дисперсия структуры и возможен перескок частоты на соседние виды колебаний, что снижает стабильность работы структуры. Возбуждение соседних мод уменьшается при высокой добротности резонатора, которая характерна для сверх проводящих структур. Следует отметить, что π мода соответствует верхней частоте отсечки, и групповая скорость волны на этой моде равна 0. Фактически передача энергии осуществляется на смежных частотах, величина которых близка к частоте π моды. Это несколько снижает шунтовое сопротивление структуры.
Некоторые физические параметры, характеризующие пучок в основных ЛУ ILC представлены в Табл.7 — 3. Таблица № 7 -3. Физические параметры основных ЛУЭ [2]
| Параметр | Величина | Параметр | Величина |
|---|---|---|---|
| Начальная энергия пучка | 15 ГэВ | Начальный эмиттанс γε х | 8,4 мкм·рад |
| Конечная энергия пучка | 250 ГэВ | Конечный эмиттанс γε х | 9,4 мкм·рад |
| Число частиц в сгустке | 2×10 10 | Начальный эмиттанс γε y | 24 нм·рад |
| Ток пучка | 9,0 мА | Конечный эмиттанс γε y | 34 нм·рад |
| Расстояние между сгустками | 369 нс | Длина сгустка σ z | 0,3 мм |
| Длительность последовательности сгустков | 969 мкс | Начальный энергетический разброс | 1,5% |
| Число сгустков | 2625 | Конечный энергетический разброс | 0,10% |
| Частота следования сгустков | 5 Гц | Фаза пучка относительно гребня волны | 5° |
 Рис.5.3. Сверхпроводящая структура из ниобия |
Ячейки резонаторов изготавливаются из тонких листов ниобия. Листы посредством глубокой вытяжки превращаются в колпачки (допуск изготовления ≈ 100 мкм), которые электронно-лучевой сваркой свариваются в резонансные ячейки, а 8 — 9 ячеек – в резонатор. Для получения высокой добротности Q0 и высокой электрической прочности внутренняя поверхность ячеек подвергается электрополировке (вместо стандартной химической полировки). После электрополировки достигается шероховатость поверхности, оцениваемая в 0,5 мкм. Ускоряющие резонаторы погружаются в резервуар со сверхтекучим жидким гелием и температурой 2 о К. ВЧ потери составляют приблизительно 2 Вт/м. Ненагруженная добротность на рабочей частоте 1,3 ГГц достигает Q 0 ≈ 10 9 – 10 10 , нагруженная добротность с пучком Q ext = Q beam ≈ 3·10 6 , ширина полосы Δf = 400 Гц. В проведенных исследованиях время заполнения ненагруженных резонаторов составляло 400 мкс, а длительность плоской вершины – 20 мкс. Девятиячеечный ниобиевый резонатор показан на Рис.5.3 [2].
 Рис.6.3 Сверхпроводящий резонатор в криостате |
При разработке принимались меры по подбору геометрии ячеек, обеспечивающей снижение величины ВЧ магнитного поля, что позволяет увеличить допустимый градиент ускоряющего поля.
Резонаторы (Рис.6 -3.) содержат два ответвителя с нагрузками для подавления высших пространственных мод, ВЧ датчики и устройства подстройки частот.
Сверхпроводящие резонаторы размещены в 1680 крио-модулях. Каждый криомодуль содержит 8-ми или 9-ти ячеечные резонаторы.. Три криомодуля питаются от одного ВЧ блока. Каждый блок содержит один 10 МВт клистрон с элементами волноводного тракта. Для распределения ВЧ мощности по резонаторам и развязки клистрона от резонансных нагрузок используются волноводные гибридные соединения. В состав ВЧ блока входит также импульсный модулятор, питающий клистрон.
Схема блока ВЧ питания высокого уровня мощности с криомодулями представлена на Рис. 7.3 [2,4].
Рис.7.3. Схема ВЧ блока основного ускорителя (три криомодуля) Каждый криомодуль кроме ускоряющих резонаторов содержит также индивидуальную систему высоковакуумной откачки, теплоизолированные трубки для подвода жидкого гелия. В резонаторе, содержащем 8 ячеек, устанавливается сверхпроводящий квадруполь, также охлаждаемый гелием, и корректирующие катушки. Параллельно криомодулям располагаются устройства, транспортирующие жидкий гелий, и вакуумные устройства. Высокий вакуум обеспечивается с помощью турбомолекулярных и ионных насосов.
Состав и размеры элементов ускоряющей системы основного ЛРУ приведены в Табл.8.3, а параметры ВЧ блока – в Табл.9.3. Таблица № 8.3. Состав и суммарные геометрические размеры элементов ускоряющей системы основного ЛУЭ [2]
| Элементы | Число | Длина (м) |
|---|---|---|
| Резонаторы ( 9 ячеек + концевые устройства) | 14560 | 1,326 |
| Криомодули (9 резонаторов или 8 резонаторов и квадруполь) | 1680 | 12,652 |
| ВЧ блоки (Один блок питает 3 криомодуля) | 560* | 37,956 |
* Суммарное число ВЧ блоков в электронном и позитронном ЛУЭ.
Электронный ЛУЭ содержит 278 ВЧ блоков Таблица № 9.3. Основные параметры ВЧ блока [2]
| ПАРАМЕТР | ВЕЛИЧИНА |
|---|---|
| Полная эффективность модулятора | 82,8% |
| Максимальная ВЧ мощность клистрона | 10 МВт |
| Эффективность клистрона | 65% |
| Потери мощности в системе разводки | 7% |
| Число резонаторов в одном криомодуле | 26 |
| Эффективная длина резонатора | 1,038 м |
| Номинальный градиент (с потерями на настройку 22%) | 31,5 Мв/м |
| Градиент, ограниченный ВЧ мощностью ( с потерями на настройку 16%) | 33 МВ/м |
| Импульсная ВЧ мощность, подводимая к одному резонатору | 293,7 кВт |
| Длина ВЧ импульса | 1,565 мс |
| Средняя ВЧ мощность на 1 модуль (26 резонаторов) | 59,8 кВт |
| Средняя ВЧ мощность, передаваемая одним модулем пучку | 36,9 кВт |
В Международном линейном ускорителе могут использоваться L – диапазонные клистроны с импульсной мощностью !0 Мвт, разработанные рядом фирм: CРI, модель VKL-8301; Thales, модель TH 1801; Toshiba, MBK E3736.
В основном электронном линейном ускорителе предусмотрен отвод ускоренных электронов с энергией 150 ГэВ для создания позитронного пучка (смотри Рис 2.3).
Ускоряющие резонаторы и система ВЧ питания основных ускорителей расположены в двух параллельных туннелях, расположенных на глубине 100 – 150 м (в зависимости от рельефа местности). Диаметр каждого туннеля составляет 4,5 м. Туннели расположены параллельно на расстоянии 5 – 7 метров. В «туннеле ускорителя» размещены криогенные модули с ускоряющими устройствами и другая криогенная и вакуумная аппаратура, элементы волноводного тракта. В «туннеле обслуживания» размещаются клистроны, элементы волноводного тракта, модуляторы клистрона, измерительная аппаратура.
В литературе рассматривалось несколько вариантов основной ускоряющей структуры Международного коллайдера. Помимо описанной выше структуры на стоячей волне, как альтернативная, в [14] рассматривается структура бегущей волны с рекуперацией ВЧ мощности.
Система доставки частиц в точку столкновения
- подсистемы диагностики пучков перед точкой столкновения,
- линий быстрого извлечения пучков и их регулировки,
- конечной фокусировки пучков,
- области взаимодействия,
- линии отвода пучков после взаимодействия, их измерение и поглощение.
Система содержит большое число магнитных устройств, измерительную аппаратуру и поглотители пучков.
Следует отметить, что линии пучка электронного и позитронного ускорителей пересекаются в точке столкновения под углом 14,5 мрад. 14 мрад геометрия обеспечивает пространство для анализа пучков, но требует использования сверхпроводящих резонаторов отклонения, которые поворачивают пучки и направляют их горизонтально для столкновения лоб в лоб. Столкновение под углом ≤ 2 мрад необходимо для сохранения яркости пучка в точке столкновения. [15]. В резонаторах отклонения используется ТМ 110 дипольный вид колебаний. Осевое ВЧ электрическое поле отсутствует, но имеется магнитное поле, отклоняющее сгусток в горизонтальном направлении. Угол отклонения зависит от фазы влета сгустка в резонаторы отклонения. Эти резонаторы устанавливаются в линиях как электронного, так и позитронного пучка на расстоянии 12 – 13 метров от точки столкновения. Система резонаторов отклонения содержит два 3,9 ГГц 9-ти ячеечных сверхпроводящих резонатора, установленных в криомодуле длиной 2-3 м.
Cистема доставки пучков содержит большое число магнитных устройств, в том числе сверхпроводящих. Она содержит также устройства, контролирующие параметры сгустков электронов и позитронов, использующие обратные связи.
3.3. Компактный коллайдер (КЛК, СLIC)
Как отмечалось выше, кроме Международного линейного коллайдера ILC длительное время ведется разработка компактного электрон-позитронного коллайдера CLIC.[8] Его основные характеристики приведены в Табл.10.3, а схема коллайдера – на Рис.8.3.
Экспериментальные работы по коллайдеру CLIC в настояшее время проводятся на исследовательском и испытательном стенде СTF3.
Таблица № 10.3. Основные характеристики коллайдера CLIC на энергию в центре масс 3 ТэВ
| ПАРАМЕТРЫ | ВЕЛИЧИНА |
|---|---|
| Энергия в центре масс, ТэВ | 3 |
| Светимость, см -2 с -1 | 7×10 34 |
| Основная частота ЛУЭ, ГГц | 12 |
| Ускоряющий градиент при нагрузке пучком, МВ/м | 100 |
| Частота следования импульсов, 1/с | 50 |
| Длительность импульса пучка, нс | 200 |
| Средний ток в импульсе, А | 1 |
| Число электронов в импульсе | 4×10 9 |
| Горизонтальный/вертикальный нормализованный эмиттанс, нм·рад | 600/20 |
| Горизонтальный/вертикальный размер пучка перед столкновением, нм | 53/~1 |
| Полная длина двух основных ЛРУ, км | 41,7 |
| Полная длина коллайдера на местности, км | 48,25 |
| Полная потребляемая мощность, МВт | 390 |
Коллайдер CLIC будет иметь длину, сравнимую с коллайдером ILC, несмотря на существенно более высокую энергию частиц, Это достигается благодаря использованию в ~10 раз более высокой частоты ВЧ колебаний и уровня ВЧ мощности, вводимой в каждую основную ускоряющую секцию. CLIC будет работать при малых длительностях ВЧ импульса, но частота следования импульсов по сравнению с коллайдером ILC будет увеличена в 10 раз. В CLIC cсущественно уменьшены размеры сгустка в точке столкновения пучков.
Схема ВЧ питания коллайдера СLIC является, вероятно, наиболее сложной среди всех схем ВЧ питания резонансных линейных ускорителей.. В ней применяются источники ВЧ колебаний, работающие в нескольких частотных диапазонах и использующие разные принципы генерирования этих колебаний.
Первоначально с целью уменьшения длины основных ускоряющих структур этого коллайдера, их рабочая частота была выбрана равной 30 ГГц, а градиент ускоряющего поля – 150 МВ/м. Однако, из-за невозможности гарантированно поддерживать такую напряженность поля, в 2008 г. было принято решение о снижении рабочей частоты основных ускорителей до 12 ГГц. При этом новый средний градиент был установлен равным 100 кВ/м. Возможность получения такой напряженности поля на частоте 11,414 ГГц при крайне малом числе пробоев была продемонстрирована до этого на стенде SLAC [7]. Интересно отметить, что, несмотря на отказ использовать в коллайдере CLIC частоту 30 ГГц, в начале ХХI века в центре SLAC продолжались работы по экспериментальному определению электрической прочности ускоряющих структур на рабочей частоте 91,392 ГГц.
В связи с изменением частоты и ускоряющего градиента основных ЛУ пришлось изменить и параметры этого коллайдера (некоторые проектные параметры CLIC до и после 2008 г приведены в Табл.1-3.
В отличие от обычных схем в CLIC используется принцип двух-лучевого ускорения [7]. Питание основных многосекционных ускоряющих структур ЛУ электронов и позитронов осуществляется не клистронами, а ВЧ энергией, которая генерируется в де-ускорителях при торможении релятивистского пучка ускорителей-возбудителей.
Для получения требуемой энергии в центре масс и светимости к каждой из секций ускоряющей структуры основных ЛРУ необходимо подвести ВЧ импульсную мощность 60-64 МВт при длительности ВЧ импульса 240 нс [8]. Источники ВЧ энергии (клистроны) на такую мощность, частоту (12 ГГц) и длительность импульсов (до1,2 мкс) сейчас имеются. С целью уменьшения числа клистронов ВЧ мощность обычно повышают, применяя технику компрессии ВЧ импульса, или технику задержанного распределения. В этом случае один клистрон может питать несколько секций. Аналогичная техника в принципе может быть использована и в CLIC.
Однако в этом коллайдере получение ВЧ импульсов для питания основных структур полностью выполняется с использованием электронных пучков.
При рассмотрении, систему ВЧ питания коллайдера целесообразно разбить на две части: систему ВЧ питания основных ускоряющих структур (Рис.8.3 и 9.3) и систему ВЧ питания инжекторных комплексов основных ускорителей (Рис 14.3).
Питающие пучки с длинным мпульсом, разбитом на пакеты, первоначально создаются в “низкочастотных” ЛУЭ, работающих на частоте 1,5 ГГц (или 3 ГГц). Затем используется техника суммирования пакетов сгустков, содержащихся в этих импульсах (субимпульсы), в петле задержки и суммирующих кольцах. Происходит преобразование структуры пучка при одновременном увеличении импульсного тока в пакете с целью получения мощных ВЧ импульсов на частоте 12 ГГц. Преимущество применения электронных пучков по сравнению с ВЧ схемами состоит в малых потерях при транспортировке электронных пучков на большие расстояния. Другим преимуществом является возможность частотной манипуляции в петле задержки и суммирующих кольцах, осуществляемой при сложении пакетов сгустков с помощью использования ВЧ дефлекторов, отклоняющих пучок.
Таким образом, источники ВЧ мощности основных ЛРУ представляют собой комплекс с использованием ускоренного электронного пучка. В комплексе создаются и преобразуются длинные «низкочастотные» ВЧ импульсы в более короткие и мощные ВЧ импульсы высокой частоты.
Рис. 8.3. Схема электрон-позитронного коллайдера CLIC на энергию 3 ТэВ. СК-1 – суммирующее кольцо 1, СК-2 — суммирующее кольцо 2, Ц.М. –центр масс
Во время этого процесса энергия запасается в релятивистском электронном пучке, пакеты сгустков которого суммируются, чтобы получить желаемую временную структуру, а затем транспортируются к месту использования кинетической энергии.
Там энергия извлекается из электронного пучка в резонансных де-ускоряющих структурах, которые расположены параллельно структурам основных ускорителей.
Важной особенностью системы является высокая эффективность ускорения возбуждающего пучка и обратного преобразования его кинетической энергии в ВЧ энергию. Для получения ВЧ импульсов, возбуждающих основные структуры электронного и позитронного ЛРУ, используются одинаковые ускорители возбуждающего пучка и системы манипуляции электронного пучка и де-ускорения.
Для получения эффективных характеристик сталкивающихся пучков необходимо иметь систему, формирующую на входе в основные структуры электронного и позитронного ЛРУ CLIC компактные сгустки с малыми поперечными размерами и малым энергетическим разбросом (Рис.10-3). Следует отметить, что это достигается не только благодаря использованию ускоряющих структур, работающих на высоких частотах, но и магнитных систем колец предварительного демпфирования и колец основного демпфирования сгустков заряженных частиц инжекторов электронного и позитронного ЛРУ.
Ниже рассматривается каждая из этих систем.
Cхема ВЧ питания основных ускоряющих структур ЛРУ коллайдера CLIC и конструкция этих структур
Системы ЛУЭ возбуждающего пучка
Электронный пучок, возбуждающий ВЧ мощность в основных структурах электронного или позитронного ЛРУ коллайдера, создается в ЛУЭ возбуждающего пучка. Каждая из этих систем содержит 326 основных ускоряющих секций на бегущей волне.
Секция длиной приблизительно 3,75 м. получает импульсную мощность в 33 МВт от одного клистрона, генерирующего на частоте 1 ГГц (или на частоте 3 ГГц). Длительность ВЧ импульса – 139 мкс. Используется полная нагрузка структуры током пучка при номинальном ускоряемом токе 4,21 А. Около 98 % ВЧ энергии должно передаваться пучку [18]. Каждый ускоритель должен обеспечить получение электронов с энергией 2,38 ГэВ [7,19].
Энергия для создания ВЧ колебаний первоначально запасается в пакетах сгустков (суб-импульсах) возбуждающего электронного пучка длительностью около 139 мкс. Эта длительность при релятивистской скорости электронов соответствует двойной длине основного ЛУЭ (2×21 км). Как отмечалось выше, структуры полностью нагружаются током, так что ВЧ мощность на выходе секций практически равна нулю и не поступает во внешнюю ВЧ нагрузку. Эта нагрузка, однако, используется при наладке ЛУЭ возбуждающего пучка.
Инжектируемый пушкой пучок (непрерывный в импульсе) поступает в резонаторный группирователь, который формирует сгустки с частотой следования 499,8 МГц на входе в основные предгруппирователь и группирователь ЛУЭ. Эти захватывающие и догруппирующие устройства работают на частоте 999,5 МГц (основная частота ЛУЭ возбуждающего пучка). Фаза волны в резонаторном группирователе быстро изменяется на 180º каждые 240 нс. Электроны, попавшие в противофазу волны основных группирующих устройств, не захватываются в режим ускорения. В результате формируются пакеты (суб-импульсы) электронов. Каждый длинный импульс содержит 24×24 = 576 пакета электронов. Пакет имеет длительность 240 нс и содержит 120 сгустков. Расстояние между сгустками составляет 2 нс. В принципе, при применении электронной пушки с фотокатодом и лазерным управлением током эмиссии с частотой 499,8 МГц, может быть использован лазерный метод изменения частоты следования сгустков. Применение лазерного управления дало бы ряд преимуществ. В частности -возможность создать наклон импульса выходной ВЧ мощности в системе извлечения и передачи этой мощности. Этот наклон может использоваться для подавления энергетического разброса, возникающего при нагрузке током пучка структур основных ЛРУ коллайдера.
Рис. 9.3. Схема ВЧ питания основных ускорителей возбуждающим пучком
| Рис.10.3. Общий вид элемента секции структуры SICA [9] |
Были изучены два типа секций ускорителя возбуждающего пучка. Один из них предназначался ранее также для основных ускорителей этого коллайдера. В нем использовалась коническая структура с демпфированием паразитных колебаний посредством введения радиальных прорезей в нагружающих диафрагмах (“Tapered Damped Structure”, TDS). Второй тип структуры, получивший название «разрезанные диафрагмы с постоянной апертурой» ( Slotted Iris – Constant Aperture, SICA ) это – структура с прорезями в диафрагмах и постоянной апертурой. Она имеет 4 прорези в каждой диафрагме, которые переходят в заостренный волновод с SiC поглощающей нагрузкой (Рис.10.3). В случае использования рабочей частоты 999,5 МГц диаметр внешней секции оказывается очень большим и составляет 1,3 м. В связи с этим был рассмотрен другой вариант структуры SICA на частоту 2998,55 МГц. Внешний диаметр этой структуры по сравнению со структурой TDS уменьшается в три раза. Аналогичная структура была разработана и исследована на испытательном стенде комплекса CLIC Test Facility 3 – CFT3. Некоторые экспериментально полученные результаты опубликованы в работе [20].
Параметры проектируемых ускоряющих структур SICA на частоты 999,5 МГц и 2998,55 МГц приведены в Табл.11.3.
Таблица № 11.3. Характеристики ускоряющих структур SICA ускорителя – возбуждающего пучка коллайдера CLIC [7,8].
ячейка
ячейки
ячейка
ячейка
ячейки
ячейка
скорость, %с
моды, МГц
Где находится клистрон в ускорителе частиц
Отражательный клистрон
Схема включения отражательного (однорезонаторного) клистрона, изобретенного советским ученым В. Ф. Коваленко, показана на рис. 25.3, а. В нем один объемный резонатор служит одновременно модулятором и уловителем. На резонатор подано высокое постоянное напряжение Up для ускорения электронов. За резонатором находится отражатель — электрод, имеющий отрицательное напряжение U0 относительно катода. Для лучшей фокусировки электронного потока катод окружен цилиндром, который называют фокусирующим электродом и обычно соединяют с катодом. Энергия от резонатора отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии.
Поток электронов под действием ускоряющего поля влетает в резонатор и возбуждает в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создающие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости. Таким образом, электроны вылетают с различной скоростью из резонатора в пространство дрейфа (между резонатором и отражателем), в котором действует постоянное тормозящее поле. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются в резонатор. Чем больше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие через резонатор во время положительного полупериода и получившие от переменного электрического поля добавочную скорость, могут вернуться обратно в тот же момент, когда возвратятся электроны, пролетевшие через резонатор позднее, во время отрицательного полупериода, и получившие торможение от переменного поля.
Рис. 25.3. Принцип устройства и работы отражательного клистрона
Это наглядно иллюстрируется следующим примером. Если бросить вверх друг за другом три одинаковых предмета, но первый с наибольшей скоростью, а третий — с наименьшей, то все они могут упасть обратно одновременно. Первый из них поднимется выше всех и будет в движении наибольшее время, а последний поднимется ниже всех и возвратится через наименьший промежуток времени.
Хотя модуляция скорости в отражательном клистроне происходит так же, как и в пролетном, но процесс группирования иной. На рис. 25.3, б показаны графики движения электронов в отражательном клистроне, поясняющие принцип группирования. Графики эти представляют собой не прямые, а кривые линии (параболы), так как движение каждого электрона неравномерно. Сначала электрон движется замедленно (до точки остановки), а затем ускоренно возвращается обратно. Электроны, вылетевшие в моменты времени t1, t2 и t3, возвращаются в один и тот же момент, т. е. группируются в один плотный сгусток. Это же относится и к электронам, пролетающим через резонатор в промежуточные моменты времени от t1 до t3.
Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты времени в зависимости от постоянных напряжений Up и U0. При возврате в резонатор электронные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле, т. е. когда на сетке 1 отрицательный потенциал, а на сетке 2 — положительный (такое поле для прямого потока электронов будет ускоряющим). Больше всего энергии электроны отдают в том случае, если они возвращаются в момент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна. Когда же электронные сгустки возвращаются в резонатор в другие моменты времени, они отдают меньше энергии и мощность колебаний снижается. Если отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания вообще не будут поддерживаться и затухнут. При возврате электронного сгустка в резонатор во время отрицательного полупериода колебаний, когда поле в резонаторе ускоряющее, электроны отбирают энергию от резонатора и колебания затухают еще быстрее.
Время пролета электронов в пространстве дрейфа tпр, т.е. промежуток времени от момента вылета электронов из резонатора в прямом направлении до момента их возврата в резонатор, принято указывать для среднего электрона (вылетевшего в момент t2), вокруг которого группируются остальные электроны. На рис. 25.3, б это время равно 1 3 /4Т. Увеличив по абсолютному значению отрицательное напряжение на отражателе, можно заставить электронный сгусток возвращаться в резонатор в момент t4, т. е. через промежуток времени, равный 3 /4Т. И наоборот, если уменьшить по абсолютному значению напряжение отражателя, то электроны пройдут дальше в тормозящее поле и вернутся в резонатор позднее, например через промежуток времени 2 3 /4Т. Во всех этих случаях электронные сгустки отдают резонатору наибольшую энергию, так как они попадают в наиболее сильное тормозящее поле. Таким образом, для получения в клистроне незатухающих колебаний наибольшей мощнбсти необходимо выполнить условие
tпр = (п + 3 /4) Т или tпр = (n + 3 /4)/f, (25.1)
где п — любое целое число, включая нуль.
Различают несколько зон (или областей) генерации клистрона. Если п = 0 и tпр = 3 /4Т, то зона генерации нулевая. При п = 1 и tпр =1 3 /4Т клистрон работает в первой зоне генерации. Второй зоне соответствует п = 2 и tnp = 2 3 /4Т и т. д. На рис. 25.4 показаны графики движения группирующихся электронов для первых трех зон генерации.
На время пролета электронов влияют следующие величины. Чем больше расстояние d между резонатором и отражателем, тем меньше напряженность тормозящего поля при одной и той же разности потенциалов Up — U0. Но при более слабом поле электроны слабее тормозятся, пройдут дальше в глубь поля и вернутся позднее. Следовательно, при большем значении d работа может происходить в зоне генерации с более высоким номером.
Рис. 25.4. Движение электронов при работе отражательного клистрона в нулевой (а), первой (б) и второй (в) зоне генерации
Рис. 25.5. Зависимость мощности колебаний клистрона от напряжения отражателя
Сильное влияние на время пролета оказывает напряжение отражателя, что также показано на рис. 25.4. С увеличением U0 по абсолютному значению растет напряженность тормозящего поля Е = (Up—U0)/d и клистрон будет работать в зоне генерации с более низким номером. Изменение мощности колебаний в резонаторе в зависимости от значения U0 показано на рис. 25.5. Мощность колебаний обычно бывает наибольшей для какой-то одной зоны, где группирование электронов оказывается наилучшим (плотным). Для зон генерации с меньшими и большими номерами мощность меньше вследствие явлений, ухудшающих группирование. К ним относятся: взаимное отталкивание электронов, неодинаковость их начальных скоростей, неоднородность поля в пространстве дрейфа и около сеток, а также ряд других причин.
Постоянное напряжение на резонаторе Up гораздо слабее влияет на время пролета. Его изменение оказывает два противоположных действия, которые в известной степени компенсируют друг друга. Если, например, увеличить напряжение Up, то скорость электронов возрастет и они должны глубже проникать в пространство дрейфа, т. е. время пролета должно увеличиться. Но при увеличении напряжения Up возрастает напряженность тормозящего поля в пространстве дрейфа, электроны сильнее тормозятся и должны быстрее вернуться, т. е. время пролета должно уменьшиться.
Переход к зоне генерации с более высоким номером путем уменьшения по абсолютному значению отрицательного напряжения на отражателе в конце концов приводит к тому, что при U0 > 0 электроны попадают на отражатель и не возвращаются в резонатор.
У отражательных клистронов КПД не превышает 5%, а иногда бывает даже меньше 1%. Поэтому такие клистроны не делают для мощностей более одного ватта. Наибольшее распространение получили маломощные отражательные клистроны для гетеродинов приемников и измерительной аппаратуры. Полезная мощность у них обычно составляет сотые или десятые доли ватта.
Изменение частоты колебаний, генерируемых отражательным клистроном, осуществляют разными способами. Емкостная перестройка состоит в том, что с помощью специальных механических приспособлений изменяют расстояние, а следовательно, и емкость между сетками резонатора. Такой способ обычно применяют для клистронов с внутренним резонатором. При этом возможна перестройка по частоте на 5 — 10%. Путем перемещения металлического плунжера внутри внешнего резонатора частоту можно увеличить на 20%. Одновременно с перестройкой собственной частоты резонатора следует также изменить и режим питания, например напряжение отражателя, чтобы получить наивыгоднейшие условия самовозбуждения.
В небольших пределах частоту можно изменить также изменением напряжения отражателя. Такой способ называют электронной настройкой. Если увеличить по абсолютному значению отрицательное напряжение отражателя, то электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее и частота колебаний возрастает. А при уменьшении напряжения U0 по абсолютному значению электроны с запаздыванием возвращаются в резонатор и частота колебаний уменьшается. Можно привести следующую механическую аналогию электронной настройки. Пусть колебания маятника поддерживаются внешними толчками. Если эти толчки даются в моменты, когда маятник находится в крайнем положении, то частота колебаний равна собственной частоте маятника. Но можно подталкивать маятник несколько раньше, не давая ему дойти до амплитудного положения. В этом случае частота немного увеличится. Для уменьшения частоты надо давать толчки так, чтобы каждое колебание несколько затягивалось.
При изменении частоты колебаний методом электронной настройки полезная мощность уменьшается. Поэтому такую настройку принято ограничивать условием уменьшения полезной мощности не более чем на 50%. Обычно электронная настройка допускается на несколько десятков мегагерц в ту или другую сторону. На каждый вольт изменения напряжения отражателя получается изменение частоты на десятые доли процента рабочей частоты, т. е. на единицы мегагерц. В специальных клистронах электронной настройкой можно изменять частоту на 10—15%. Значительное влияние напряжения отражателя на выходную мощность и частоту генерируемых колебаний позволяет осуществлять амплитудную, частотную и импульсную модуляцию с помощью подачи на отражатель модулирующего напряжения.
Поскольку отражательные клистроны бывают только маломощными, то ускоряющее напряжение, подаваемое от источника питания, равно обычно 250 — 450 В и лишь в некоторых клистронах его увеличивают до 2500 В. Ток электронного пучка может достигать десятков миллиампер.
Сильное влияние питающих напряжений, особенно напряжения отражателя, на частоту заставляет во многих случаях применять стабилизированное питание клистрона.
Магнетроны представляют собой важнейшие электронные приборы для генерации колебаний СВЧ большой мощности. Они применяются в передатчиках радиолокационных станций, в ускорителях заряженных частиц, для высокочастотного нагрева и в других случаях. В результате совместного действия электрического и магнитного полей на потоки электронов в магнетронах возникает генерация колебаний высокой частоты. В настоящее время широкое распространение получили многорезонаторные магнетроны, идея создания которых была выдвинута М. А. Бонч-Бруевичем, а первые образцы построены и испытаны Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым.
Устройство магнетрона показано на рис. 25.6. Он представляет собой диод с анодом особой конструкции. Катод в большинстве случаев применяется оксидный подогревный с большой площадью поверхности. На торцах катода расположены диски, препятствующие движению электронов вдоль оси. Анод сделан в виде массивного медного блока. Вакуумное пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. В толще анода размещается четное число, например восемь, резонаторов, представляющих собой цилиндрические отверстия, соединенные щелью с пространством взаимодействия. Щель выполняет функцию конденсатора. На ее поверхностях образуются переменные электрические заряды, а в самой щели возникает электрическое поле. Индуктивностью резонатора служит цилиндрическая поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку. Большая площадь поверхности витка приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности. Такой резонатор представляет собой нечто среднее между колебательной системой с сосредоточенными параметрами и четвертьволновой резонансной линией. В некоторых типах магнетронов резонаторы делают в виде щели глубиной в четверть волны (рис. 25.7).
Все резонаторы магнетрона сильно связаны друг с другом, вследствие того что переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы (рис. 25.8). Кроме того, резонаторы соединяют друг с другом посредством проводов, называемых связками (см. рис. 25.6).
Наружная часть анода обычно делается в виде ребристого радиатора для лучшего охлаждения. Иногда его обдувают воздухом. С боковых сторон к аноду припаяны медные диски, образующие вместе с анодом баллон, необходимый для сохранения вакуума. Выводы от подогревателя проходят в стеклянных трубках, спаянных с анодом. Катод обычно подключен к одному из выводов подогревателя.
Для отбора энергии колебаний вводится в один из резонаторов виток связи, соединенный с коаксиальной линией. Ее вывод также проходит через стеклянную трубку. Благодаря сильной связи между резонаторами энергия отбирается от всех резонаторов. Вместо коаксиальной линии для вывода энергии на очень коротких волнах используется волновод, соединенный с резонатором через щель. Иногда также применяют коаксиально-волноводный вывод.
Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно катода. Так как анод служит корпусом магнетрона, то его обычно заземляют, а катод находится под высоким отрицательным потенциалом. Между анодом и катодом создается ускоряющее поле, силовые линии которого расположены радиально, как в диоде с цилиндрическими электродами. Вдоль оси магнетрона действует сильное постоянное магнитное поле, созданное магнитом, между полюсами которого располагается магнетрон. Один из вариантов магнитной системы показан на рис. 25.9. В так называемых пакетированных магнетронах постоянные магниты входят в конструкцию самого магнетрона.