С.В.Иванов, В.Å.Калюжный, Д.В.Костин, О.С.Милованов, Н

Ãèáðèäíûé êàïëåð äëÿ ýëåêòðîí-ïîçèòðîííîãî ëèíåéíîãî
êîëëàéäåðà SBLC DESY
Ñ.Â.Èâàíîâ, Â.Å.Êàëþæíûé, Ä.Â.Êîñòèí, Î.Ñ.Ìèëîâàíîâ, Í.Í.Íå÷àåâ,
À.Í.Ïàðôåíîâ, Í.Ï. Ñîáåíèí, Ñ.Í.ßðûãèí
Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé èíæåíåðíî-ôèçè÷åñêèé èíñòèòóò
(Ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò), Ðîññèÿ
À.À.Çàâàäöåâ
Ìîñêîâñêèé ðàäèîòåõíè÷åñêèé èíñòèòóò ÐÀÍ, Ðîññèÿ
Ðàññìîòðåíû âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ êàïëåðà äëÿ óñêîðÿþùåé ñåêöèè SBLC
DESY, îáåñïå÷èâàþùåãî êàê ââîä ìîùíîñòè íà ðàáî÷åé ÷àñòîòå ñ ñèììåòðèçàöèåé
ïîëÿ îñíîâíîé âîëíû â îáëàñòè ïðîëåòà ïó÷êà, òàê è âûâîä ïàðàçèòíûõ ãèáðèäíûõ
âîëí èç ïåðâûõ ÿ÷ååê óñêîðÿþùåé ñåêöèè. Òàêîé êàïëåð ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ
äåìïôèðîâàíèÿ
âûñøèõ
ìîä
è
äëÿ
ñîçäàíèÿ
äàò÷èêà
ïîëîæåíèÿ
ïó÷êà.
Èññëåäîâàíèÿ ãèáðèäíûõ âîëí ïðîâåäåíû ñ ïîìîùüþ ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû (ÝÑ)
êðóãëîãî äèàôðàãìèðîâàííîãî âîëíîâîäà (ÊÄÂ) è ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èçìåðåíèé.
Ââåäåíèå
Âîçáóæäåíèå çàïåðòûõ äèïîëüíûõ ìîä (HEM11) â óñêîðÿþùèõ ñòðóêòóðàõ ñ
ïîñòîÿííûì ãðàäèåíòîì ñîçäàåò áîëüøèå ïðîáëåìû äëÿ ñîõðàíåíèÿ òðåáóåìûõ
ïàðàìåòðîâ óñêîðÿåìîãî ïó÷êà. Äåìïôèðîâàíèå ýòèõ ìîä â íà÷àëüíîé ÷àñòè ñåêöèè
ìîæåò áûòü îñóùåñòâëåíî ñ ïîìîùüþ êàïëåðà, èçîáðàæåííîãî íà ðèñ. 1. Îí áûë
ðàçðàáîòàí íà áàçå âõîäíîãî ñèììåòðè÷íîãî êàïëåðà äëÿ óñêîðÿþùåé ñåêöèè SBLC
[1], â êîíñòðóêöèþ êîòîðîãî áûëè ââåäåíû äîïîëíèòåëüíûå îòâåðñòèÿ ñâÿçè äëÿ
âûâîäà
âòîðîé
ïîëÿðèçàöèè
(Ó-ïîëÿðèçàöèè)
âûñøåé
ìîäû
(ñì.
ðèñ.1)
ïðè
ñîõðàíåíèè ñîãëàñîâàíèÿ êàïëåðà íà ðàáî÷åé ÷àñòîòå.
Ðèñ. 1. Âèä èññëåäóåìîãî ãèáðèäíîãî êàïëåðà: 1 - ñîãëàñóþùèå øòûðè; 2 - ïîãëîùàþùèå
íàãðóçêè; 3 - êîðîòêîçàìûêàþùèå ïëóíæåðû.
1. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà íà ãèáðèäíîé ìîäå
Àíàëèç âîçáóæäåíèÿ ãèáðèäíûõ âîëí â ñåêöèè SBLC âûïîëíåí íà îñíîâå ÝÑ
ÊÄÂ äëÿ HEM11-ìîä, ïðåäñòàâëåííîé íà Ðèñ.2. Ïîñëåäîâàòåëüíûå âåòâè (L 1,n , C1,n ,
r1,n)
îòðàæàþò
ÿ÷åéêàìè
âåòâÿìè
íàëè÷èå
ýëåêòðîìàãíèòíîãî
ïðåäñòàâëÿåòñÿ
(L2,n
,
C2,n
,
âçàèìíûìè
r2,n ),
ïîëÿ
ÿ÷ååê
èíäóêòèâíîñòÿìè
îòðàæàþùèìè
ìàãíèòíóþ
E11-òèïà.
Mn
ñâÿçü
è
Ñâÿçü
ìåæäó
ïàðàëëåëüíûìè
è
ñâÿçü
çà
ñ÷åò
ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ÿ÷ååê H11-òèïà. Âîçáóæäåíèå ÿ÷åéêè ïó÷êîì ìîäåëèðóåòñÿ
êîìïëåêñíûìè ÝÄÑ En â ïîñëåäîâàòåëüíûõ âåòâÿõ.
152
Çàìåòèì,
÷òî
â
ÝÑ
÷èñëî
ïàðàëëåëüíûõ
ïîñëåäîâàòåëüíûõ âåòâåé ðàâíî N
ïàðàëëåëüíûå
âåòâè,
èìåþùèå
−
âåòâåé
ðàâíî
N+1
,
à
÷èñëî
÷èñëy ÿ÷ååê â ñåêöèè. Ïåðâàÿ è ïîñëåäíÿÿ
èíäåêñû
0
è
N,
ââîäÿòñÿ
äëÿ
ìîäåëèðîâàíèÿ
çàïðåäåëüíûõ ïðîëåòíûõ òðóáîê äëÿ ïó÷êà âî âõîäíîì è âûõîäíîì êàïëåðàõ.
Ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà f1,1 è äîáðîòíîñòü Q1,1 ïîñëåäîâàòåëüíîé âåòâè ÿ÷åéêè âõîäíîãî
êàïëåðà
áûëè
âûáðàíû
òàê,
÷òîáû
â
ÊÄÂ,
ñîñòîÿùåì
èç
îäèíàêîâûõ
ÿ÷ååê,
ïîäîáíûõ âòîðîé, áûë ðåàëèçîâàí ðåæèì áåãóùåé âîëíû ñ ÷àñòîòîé f dip è ñäâèãîì
ôàçû íà ÿ÷åéêó jdip .
Ðèñ.2.
Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ÊÄÂ íà ãèáðèäíîé ìîäå.
Èñïîëüçóÿ ÝÑ, áûëè ðàññ÷èòàíû íàïðÿæåíèÿ íà åìêîñòíûõ ýëåìåíòàõ C 1,n( U& zn ) íà
ðàçíûõ ÷àñòîòàõ äëÿ ïåðâûõ 30 ÿ÷ååê óñêîðÿþùåé ñåêöèè SBLC [3] (ñì. ðèñ.3).
Êðèâûå íà ýòèõ ãðàôèêàõ îòíîñÿòñÿ ê ñëó÷àÿì, êîãäà âõîäíîé êàïëåð ðàññîãëàñîâàí
(êðèâàÿ 1) è ñîãëàñîâàí ñ ÊÄÂ (êðèâàÿ 2) íà fdip=4.151 ÃÃö (jdip=950). Âîçáóæäåíèå
óñêîðÿþùåé ñåêöèè ìîäåëèðîâàëîñü ââåäåíèåì èñòî÷íèêà ÝÄÑ â ÿ÷åéêè 2, 8 è 18 íà
÷àñòîòàõ
4.13760, 4.14495 è 4.15908 ÃÃö ñîîòâåòñòâåííî. Ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà è
äîáðîòíîñòü ïîñëåäîâàòåëüíîé âåòâè ÿ÷åéêè êàïëåðà áûëè ïîëó÷åíû ñëåäóþùèìè
f1,1=4.846777
ÃÃö
è
Q1,1=14.7.
Ýòè
âåëè÷èíû
ñîîòâåòñòâóþò
íàèìåíüøåé
ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå âñåé ÿ÷åéêè êàïëåðà fc=4.152224 ÃÃö è åå äîáðîòíîñòè Qc=160.
Ðèñ. 3. Íàïðÿæåíèÿ Uz â ÿ÷åéêàê â çàâèñèìîñòè îò íîìåðà ÿ÷åéêè n.
Èç ðèñ. 3 ìîæíî âèäåòü, ÷òî íàñòðîéêà êàïëåðà íà ãèáðèäíîé âîëíå
ñíèæàåò
àìïëèòóäó ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ áîëåå ÷åì â 5 ðàç â øèðîêîì ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå.
Àíàëîãè÷íûå ðåçóëüòàòû äëÿ ÊÄ ñ ïîñòîÿííûì ãðàäèåíòîì, íî áåç êàïëåðà áûëè
ïðåäñòàâëåíû â ñòàòüå [3].
153
2. Ðàñïðåäåëåíèå àìïëèòóäû ïîëåé ìîä âûñøåãî ïîðÿäêà
Äèïîëüíûå ìîäû èçó÷àëèñü íà íà÷àëüíîì ìåòðîâîì ó÷àñòêå óñêîðÿþùåé ñåêöèè ñ
ñèììåòðè÷íûì
âûïîëíÿëèñü
êàïëåðîì,
ìåòîäîì
ñîãëàñîâàííûì
ìàëûõ
íà
âîçìóùåíèé,
îñíîâíîé
ïåðåìåùàÿ
÷àñòîòå.
Èçìåðåíèÿ
öèëèíäðè÷åñêîå
òåëî
(äèàìåòðîì 0.1 ìì è äëèíîé 8 ìì) âäîëü ñòðóêòóðû íà ðàññòîÿíèè 3 ìì îò îñè
ñèììåòðèè.
Çàïèðàíèå
äèïîëüíûõ
ìîä
â
ñòðóêòóðå
ñ
ïîñòîÿííûì
ãðàäèåíòîì
äåìîíñòðèðóåòñÿ íà ðèñ. 4. Ïåðâàÿ çàïåðòàÿ ìîäà (F=4130 ÌÃö) çàíèìàåò ïÿòü
íà÷àëüíûõ ÿ÷ååê, èìååò ïîõîæåå íà p-âèä ðàñïðåäåëåíèå è íå ïðîíèêàåò â ÿ÷åéêó
êàïëåðà. Íà ÷àñòîòå F=4161 ÌÃö
ïîëå p-âèäà çàíèìàåò ÿ÷åéêè ñ 24 ïî 30 è
òðàíñôîðìèðóåòñÿ ïî ñâîåìó âèäó âäîëü ñòðóêòóðû ïî íàïðàâëåíèþ êî âõîäíîìó
êàïëåðó, â êîòîðîì íà ýòîé ÷àñòîòå ïîëå íà÷èíàåò òîëüêî ïîÿâëÿòüñÿ.
Íà áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîòàõ (F=4164÷419 4ÌÃö) ïîëå ïðîíèêàåò â ïîëîñòü êàïëåðà
è èìååò àìïëèòóäó, ñðàâíèìóþ ñ àìïëèòóäàìè ïîëÿ â ñîñåäíèõ ÿ÷åéêàõ, íî ïðè ýòîì
ìîäà
p-âèäà
äîëæíà
íàõîäèòüñÿ
â
ÿ÷åéêàõ
ñ
íîìåðàìè
âûøå
30
(ñì.
ðèñ.4).
Î÷åâèäíî, ÷òî ñîáñòâåííûå ÷àñòîòû ÿ÷åéêè êàïëåðà íà TM 11-ìîäàõ è ïåðâûõ ÿ÷ååê
ñòðóêòóðû SBLC ñèëüíî îòëè÷àþòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñâÿçè ïåðâîé
äèïîëüíîé ìîäû ñî âõîäíûìè âîëíîâîäàìè ÷åðåç ÿ÷åéêó êàïëåðà, íåîáõîäèìî
ïðèâåñòè â ñîîòâåòñòâèå ñîáñòâåííóþ ÷àñòîòó êàïëåðà ê ÷àñòîòàì ïåðâûõ ÿ÷ååê.
600
600
300
F=4164.12 MHz
coupler
coupler
900
F=4130.08 MHz
300
1099
999
1066
1032
965,7
932,4
899,1
865,8
832,5
799,2
765,9
666
732,6
699,3
632,7
599,4
566,1
532,8
499,5
466,2
432,9
333
399,6
366,3
299,7
266,4
233,1
199,8
166,5
99,9
133,2
0
33,3 66,6 99,9 133 167 200 233 266 300 333 366 400 433 466 500 533 566 599 633 666
z , mm
66,6
0
33,3
0
0
z, mm
90 0
600
F=4144.06 MHz
60 0
300
F=4194.0 MHz
coupler
coupler
900
30 0
0
0
0
33,3 66,6 99,9 133 167 200 233 266 300 333 366 400 433 466 500 533 566 599 633 666
z , mm
z, mm
600
F=4161.64 MHz
coupler
6 00
300
3 00
F=4216.0 MHz
1099
1032
1066
865,8
899,1
932,4
965,7
999
699,3
732,6
765,9
799,2
832,5
566,1
599,4
632,7
666
499,5
532,8
399,6
432,9
466,2
333
366,3
233,1
266,4
299,7
0
166,5
199,8
z, mm
0
33,3
66,6
99,9
133,2
366,3
399,6
432,9
466,2
499,5
532,8
566,1
599,4
632,7
666
699,3
732,6
765,9
799,2
832,5
865,8
899,1
932,4
965,7
999
1032
0
33,3
66,6
99,9
133,2
166,5
199,8
233,1
266,4
299,7
333
0
z, mm
Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå ïðîäîëüíîé ñîñòàâëÿþùåé àìïëèòóäû ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ
(â óñë.
åäèíèöàõ) â ïåðâûõ 30 ÿ÷åéêàõ ñòðóêòóðû SBLC.
3. Âëèÿíèå ñîáñòâåííîé ÷àñòîòû ÿ÷åéêè êàïëåðà íà ðàñïðåäåëåíèå ïîëåé äèïîëüíûõ
ìîä âäîëü ñòðóêòóðû
Âëèÿíèå ñîáñòâåííûõ ïàðàìåòðîâ ÿ÷åéêè êàïëåðà íà ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ çàïåðòîé
ìîäû
ìîæíî
íàáëþäàòü
íà
ðèñ.5,
íà
êîòîðîì
ïðåäñòàâëåíû
ðàñïðåäåëåíèÿ
àìïëèòóäû ïî äëèíå ÊÄ äëÿ ñëó÷àåâ êàïëåðà ïåðâîíà÷àëüíîé êîíñòðóêöèè (à) è
êàïëåðà ñ ïîíèæåííîé íà 30 Ìãö ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé f ñ (b). Ïóòåì èçìåíåíèÿ
ïîëîæåíèé êîðîòêîçàìûêàþùèõ ïîðøíåé 3 è íàñòðîå÷íûõ øòûðåé 1 (ñì. ðèñ.1)
óäàëîñü ñíèçèòü Q ñ 8000 äî 2000-4000 â ïîëîñå ÷àñòîò îêîëî 20 ÌÃö. Ïîëó÷åííûå
çàâèñèìîñòè äîáðîòíîñòè â ïîëîñå ÷àñòîò äëÿ ìèíèìàëüíûõ âåëè÷èí íà îòäåëüíûõ
÷àñòîòàõ 4152 ÌÃö (à) è 4146 ÌÃö (b) X- ïîëÿðèçàöèè ïîêàçàíû íà ðèñ.6.
154
F=4152 MHz
coupler
E, units
600
400
200
965.7
932.4
899.1
865.8
832.5
799.2
765.9
732.6
666
699.3
632.7
599.4
566.1
532.8
499.5
466.2
432.9
399.6
333
366.3
299.7
266.4
233.1
199.8
166.5
99.9
a)
133.2
66.6
33.3
0
0
z,mm
F=4152 MHz
coupler
E, units
600
400
200
965.7
932.4
899.1
865.8
832.5
799.2
765.9
732.6
699.3
666
632.7
599.4
566.1
532.8
499.5
466.2
432.9
399.6
366.3
333
299.7
266.4
233.1
199.8
166.5
b)
133.2
99.9
66.6
33.3
0
0
z, mm
Ðèñ. 5. Àìïëèòóäà ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â çàâèñèìîñòè îò ñîáñòâåííîé ÷àñòîòû êàïëåðà.
900 0
800 0
700 0
Q-factor
600 0
500 0
(a)
(b)
400 0
300 0
200 0
1000
0
4130
4135
4140
4145
4150
4155
4160
4165
4170
4175
4180
F, MHz
Ðèñ. 6. Çàâèñèìîñòü âíåøíåé äîáðîòíîñòè îò ÷àñòîòû.
Ñîáñòâåííûå ÷àñòîòû êàïëåðà ñ ÷åòûðüìÿ îòâåðñòèÿìè ñâÿçè äëÿ äèïîëüíûõ
ìîä îáåèõ ïîëÿðèçàöèé ïîíèæàþòñÿ ñëèøêîì ñèëüíî. Ïðè÷åì ðàçëè÷íàÿ øèðèíà
ùåëåé
ñâÿçè
ïîëÿðèçàöèé
ïðèâåäåò
îäíîé
ê
ìîäû
ðàñõîæäåíèþ
íà
50-70
ñîáñòâåííûõ
ÌÃö.
Ýòî
÷àñòîò
êàïëåðà
äåìîíñòðèðóåòñÿ
íà
ðàçíûõ
ðèñ.7,
ãäå
äîáðîòíîñòè çàïåðòûõ ìîä Y-ïîëÿðèçàöèè (a- F=4145 ÌÃö è b- F=4152 ÌÃö)
ïîíèæàþòñÿ, òîãäà êàê äîáðîòíîñòè ìîä ñ X-ïîëÿðèçàöèåé íå ìåíÿþòñÿ (c).
10000
Q-factor
8000
a
b
c
6000
4000
2000
0
4130 4135 4140 4145 4150 4155 4160 4165 4170 4175 4180
F, MHz
Ðèñ. 7.
Çàâèñèìîñòü âíåøíåé äîáðîòíîñòè â ïîëîñå ÷àñòîò.
Òàêàÿ ïðîáëåìà ðàñõîæäåíèÿ ÷àñòîò ðàçíûõ ïîëÿðèçàöèé ìîæåò áûòü ðåøåíà,
åñëè îòêàçàòüñÿ îò ñèììåòðèè äèïîëüíûõ ìîä
ðàçìåùåíèåì
ïîãëîùàþùåé
íàãðóçêè
òîëüêî
â ÿ÷åéêå êàïëåðà. Ýòî ðåàëèçóåòñÿ
â
îäíîì
ïëå÷å
ââîäà
äëÿ
X-
ïîëÿðèçàöèè.  ýòîì ñëó÷àå ìû îáåñïå÷èâàåì òðåáóåìîå ïîíèæåíèå äîáðîòíîñòåé
çàïåðòûõ ìîä îáåèõ ïîëÿðèçàöèé áîëåå ÷åì â òðè ðàçà â ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå îò
4130 äî 4160 ÌÃö ñ ïîìîùüþ èçìåíåíèÿ ñîáñòâåííûõ ïàðàìåòðîâ êàïëåðà.
155
Çàêëþ÷åíèå
Ïîëó÷åííûå
ðàñ÷åòíûå
è
ýêñïåðèìåíòàëüíûå
ðåçóëüòàòû
íàõîäÿòñÿ
â
ñîîòâåòñòâèè äðóã ñ äðóãîì, ÷òî ïîçâîëèò â ïîñëåäóþùåì ñ äîñòàòî÷íîé ñòåïåíüþ
äîñòîâåðíîñòè ïðèìåíÿòü àíàëèç ãèáðèäíûõ âîëí ñ ïîìîùüþ ÝÑ.
Äàëüíåéøèå øàãè ïî îäíîâðåìåííîìó ñîãëàñîâàíèþ êàïëåðà íà îñíîâíîé è
ãèáðèäíîé ìîäàõ ñîñòîÿò â èçó÷åíèè âëèÿíèÿ íà ýòè ìîäû ðàçëè÷íûõ ýëåìåíòîâ,
âñòàâëÿåìûõ
âíóòðü
ïîëîñòè
êàïëåðà.
Ýòà
ïðîáëåìà,
ñâÿçàíàÿ
ñî
ñëîæíûìè
ðàñ÷åòàìè è ýêñïåðèìåíòàìè íà ïðîòîòèïàõ, â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàõîäèòñÿ íà ñòàäèè
ðàçðåøåíèÿ.
Ëèòåðàòóðà
[1]. N.P.Sobenin, S.V.Ivanov,V.E.Kaljuzhny, O.S.Milovanov, A.N.Parfenov,S.N.
Yarigin,M.Dohlus.N.Holtkamp,“Design and Performance of Symmetric High Power
Coupler for 6 Meter S-band Linear Collider Acceler. Section”,DESY M94-11, p.32 (1994).
[2].N. Holtkamp,t. Weiland et al. “Structure Work for an S-band Linear Collider”
Proc. of 15 International Conference on High Energy Accelerators. , p830,v.2,(1992)
[3]. G.V. Romanov, S.N. Ivanov, M. Dohlus, N. Holtkamp, “Some Remarks on the
Location of Higher Order Modes in Tapered Accelerating Structures with the Use of a
Coupled Oscillator Model”. Proc. 1995 Particle Accelerator Conference and International
Conference on High-Energy Accelerators.,p2345.v.4.(1996)
156