Введение к работе
Актуальность темы.
Будущее физики элементарных частиц неразрывно связано с разви-м физики и техники ускорителей. Особое внимание в последнее время пяется прогрессу в области линейных суперколлайдеров на встречных ктрон-позитронных пучках. Эти машины, свободные от недостатков лических ускорителей, связанных с радиационными потерями частиц : их движении по круговой орбите, позволят поднять рабочую энергию :нтре масс сталкивающихся пучков в область 0.5 - 1.5 ТэВ. Линейный ерколлайдер является одним из наиболее дорогостоящих проектов в ременной физике. Поэтому из экономических соображений (стоимость оительства и эксплуатации), а также для сохранения длины машины азумных пределах (около 20 км), в последние годы международное эщество физиков-ускорителыциков сосредоточило свои усилия на до-жении ускоряющих градиентов в линейном ускорителе порядка 100 па 1 м ускоряющей структуры.
В линейном ускорителе темп ускорения определяется величиной, лопающей от источника в ускоряющую структуру импульсной СВЧ-щости. В некоторых из существующих проектов (например, ВЛЭПП, D, JLC-X) желание понизить уровень импульсной СВЧ-мощности, не-эдимой для достижения столь высоких темпов ускорения привело к іению покинуть хорошо освоенный дециметровый диапазон и перейти Зласть более высоких частот. Этот переход вызвал бурное развитие ^-усилителей Х-диапазона, способных в течение 100 - 250 нсек обес-ить импульсную СВЧ-мощность порядка 100 - 200 МВт на 1 метр
ускоряющей структуры. За последние 10 - 15 лет появились разнообі ные проекты импульсных СВЧ-источников Х-диапазона, призванные шить эту задачу. Некоторые из этих приборов достигли определенн прогресса и/или находятся в стадии дальнейшего развития. Однако основе имеющейся информации можно с достаточной долей уверенно заключить, что в ближайшее время ни один из них не будет доведен стадии работоспособного образца.
Поэтому основное внимание уделяется практической разработке статочно стандартных сверхмощных усилительных СВЧ-клистрої обеспечивающих длительность СВЧ-импульса порядка нескольких і мен заполнения ускоряющей структуры, которые работают совмес с системой временной (импульсной) СВЧ-компрессии (СВК), позвол щей за счет укорочения длительности исходного импульса в нескол раз увеличить импульсную СВЧ-мощность. Использование СВК в стеме СВЧ-питания будущего линейного коллайдера предполагает ] преимуществ:
Управление СВК осуществляется на низком уровне СВЧ-мощно (от нескольких Вт до 1 кВт ), что гарантирует простоту упраї ния, высокую надежность и стабильность работы.
СВК являются пассивными СВЧ-устройствами. То есть в них присутствует взаимодействие заряженных частиц с ВЧ-полем. ', этому они имеют достаточно большой ресурс работы и низкую с имость по сравнению с самим СВЧ-усилителем.
Применение СВК позволяет существенно понизить требовани импульсной СВЧ-мощности клистрона, а соответственно, дел возможным повысить эффективность работы клистрона. Либо счет работы одного клистрона на несколько ускоряющих струк: существенно сократить полное количество усилителей, необхо. мое для работы всего коллайдера.
Таким образом, разработка простой, высокоэффективной и надежі системы импульсной компрессии СВЧ-мощности является весьма ва ной и актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является:
-
Разработка, в рамках программы ВЛЭПП, новой высокоэффективной системы импульсной компрессии СВЧ-мощности сантиметрового диапазона длин волн, использующей в качестве накопителя СВЧ-энергии так называемый "Бочкообразный Открытый Резонатор" (БОР);
-
исследование поведения разработанной СВК на высоком, порядка 100 МВТ, уровне импульсной СВЧ-мощности;
-
изучение возможности изменения формы выходного СВЧ-импульса СВК с накопительными резонаторами, с целью расширения возможной области применения таких систем.
Научные результаты и новизна работы.
-
В работе впервые предложено использовать открытый бочкообразный резонатор, как накопитель СВЧ-энергии устройства, работающего в сантиметровом (2-3 см) диапазоне длин волн. Проведен детальный анализ, макетирование и измерение параметров нескольких типов таких резонаторов. Экспериментально получена добротность БОР на уровне 2 — 3 х 105.
-
Разработана конструкция новой малогабаритной и эффективной системы импульсной комрессии СВЧ-мощности на основе БОР, работающей в режиме бегущей волны. Проведено тестирование системы на высоком уровне мощности. В ходе испытаний достигнута рекордная для такого типа СВЧ-компрессоров выходная импульсная мощность порядка 150 МВт.
-
Предложены новые методы коррекции формы выходного СВЧ-импульса для СВК с накопительным резонатором, позволяющие улучшить некоторые параметры системы. Представлены результаты экспериментального исследования некоторых из рассмотренных методов коррекции.
Практическая ценность работы.
Разработанный автором новый тип системы импульсной компресні СВЧ-мощности позволяет существенно понизить требования к им-ульсному источнику СВЧ-мощности для питания будущего линейного
коллайдера, работающего в сантиметровом диапазоне длин волн. '. самым оказывается возможным значительно снизить стоимость изгс вления и эксплуатации всей системы СВЧ-питания коллайдера, а таї существенно уменьшить полную длину ускорителя за счет обеспече высокого темпа ускорения.
Компактность, простота конструкции и высокая эффективность щ лагаемой системы обеспечивают ее высокую конкурентоспособност аналогичными системами (например, SLED, SLED II, ВРС).
На защиту выносятся:
-
Расчет и оптимизация параметров системы импульсной компрес СВЧ-мощности на основе накопительного резонатора для ВЛЭ1
-
Результаты теоретического и экспериментального исследоваї бочкообразного открытого резонатора в сантиметровом диапаз длин волн как накопителя СВЧ-энергии СВК для ВЛЭПП.
-
Конструкция новой системы импульсной компрессии СВЧ-мощнс Результаты тестирования новой СВК на высоком, порядка МВт, уровне импульсной СВЧ-мощности.
-
Новые методы коррекции формы выходного СВЧ-импульса СВ] накопительным резонатором.
Апробация работы.
Основные результаты работы неоднократно докладывались на р личных международных конференция и рабочих совещаниях: Между родное совещание по линейным коллайдерам - LC-90 (Япония), LC (Россия), LC-93 (США), LC-95 (Япония); Международное совещание мощным СВЧ-источникам - RF-93 (Россия), RF-96 (Япония); Европ екая конференция по ускорителям заряженных частиц - ЕРАС-92 (Г< мания), ЕРАС-94 (Англия); Международная конференция по линейні ускорителям - LINAC-94 (Япония); XV совещание по ускорителям за] женных частиц (Россия, 1996).
Цикл работ автора по созданию нового устройства импульсной СВ компрессии получил международное одобрение. В 1994 г. в Лондоне имени Европейского Физического Сообщества (Ускорительное Подраз. ление) автору была присуждена Европейская Премия по Ускорител (European Accelerator Prize).
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка ературы из 56 наименований. Объем диссертации 103 страницы, ючая 44 рисунка и 7 таблиц.