3. расчет cst ps

УДК 621.384.6.(075)
МУЛЬТИПАКТОРНЫЙ РАЗРЯД В УСТРОЙСТВЕ ВВОДА
МОЩНОСТИ В ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ
М.А.Гусарова, В.Л.Звягинцев*, И.И.Петрушина
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
*Canada's National Laboratory for Particle and Nuclear Physics, Vancouver, Canada
Рассмотрены вопросы возможности возникновения мультипакторного разряда в устройстве ввода мощности eLINAC. Определены пороговые уровни передаваемой мощности, при которой возможно развитие
мультипакторного разряда и выявлены наиболее подверженные разряду области.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в лаборатории TRIUMF идёт
сооружение ускорительного комплекса ARIEL
(Advanced Rare Isotope Laboratory) [1], который
должен значительно расширить программы по ускорению радиоактивных пучков (RIB), проводящиеся
в настоящее время на действующем ускорительном
комплексе ISAC для нужд ядерной физики, астрофизики, ядерной медицины и материаловедения. В
рамках этой программы строится сверхпроводящий
линейный ускоритель электронов (eLINAC), который будет играть роль драйвера для расщепления
ядер (photo-fission) на актинидовых мишенях с целью производства радиоактивных пучков изотопов.
Блок-схема ускорителя с обозначенными этапами
сооружения представлена на рис 1.
Рис. 1. Схема ускорителя TRIUMF eLINAC
Ускоритель будет работать в непрерывном режиме с пучком электронов с током 10 мА и конечной энергией 50 МэВ. Пучок генерируется в термионном ВЧ источнике, и с энергией 300 кВ поступает
в резонаторный группирователь, а затем пучок
ускоряется при помощи пяти сверхпроводящих резонаторов до конечной энергии и подаётся на мишени. Ускоряющие резонаторы представляют собой
девятиячеечные эллиптические резонаторы, разработанные в лаборатории TRIUMF [2] на основе известных резонаторов TESLA [3]. Сверхпроводящие
резонаторы размещаются в трёх криомодулях: один
в инжекторном криомодуле и по два в двух ускоряющих криомодулях. ВЧ мощность, вводимая в каждый резонатор, составляет 100 кВт в непрерывном
режиме на частоте 1,3 ГГц и идёт на ускорение пучка электронов с током 10 мА до энергии 10 МэВ.
Для этого в каждом резонаторе предполагается использовать по два
ввода ВЧ мощности (CPI
Couplers) [4], предназначенные для работы со средней мощностью не менее 60 кВт.
Для предотвращения пробойных процессов важно чтобы все элементы были свободны от такого
явления как мультипакторный разряда.
Мультипакторный
разряд
(вторичноэлектронный разряд) – это нежелательное резонансное увеличение числа электронов в вакуумной области СВЧ структуры, приводящее к ряду негативных
последствий. Лавина электронов, возникая в вакуумной области резонатора, может поглощать ВЧ
мощность, не позволяя тем самым выйти на требуемый уровень ускоряющего поля, а бомбардировка
электронами может приводить к нагреву структуры,
что в свою очередь может привести к квенчу – выходу резонатора из режима сверхпроводимости, что
недопустимо. Во избежание подобных проблем при
запуске и эксплуатации ускорителя, исследование
мультипакторного разряда должно проводиться на
стадии проектирования.
Исследование проводилось для устройства ввода
мощности в ускоритель eLINAC TRIUMF, предполагаемый рабочий диапазон по мощности до 60 кВт.
Определение пороговых уровней мощности, при
которых возможно возникновение мультипакторного разряда проводилось с помощью программ CST
PS и MultP-M 3D.
Устройство ввода мощности представлено на
рис. 2: он состоит из тёплой части, включающей в
себя прямоугольный волновод, тёплое керамическое
окно и отрезок коаксиальной линии, и холодной
части, состоящей из двух отрезков коаксиальной
линии и конической части между ними, содержащей
холодное керамическое окно.
Рис. 2 Устройство ввода мощности.
Первым этапом работы стало подробное исследование области холодного керамического окна. Были
выполнены аналитические оценки для отрезков коаксиальных линий, а также непосредственно моделирование холодной части с помощью специализированной программы расчёта мультипакторного
разряда MultP-M [5]. На рис. 3 приведено процентное увеличение числа частиц в области холодного
керамического окна при различных уровнях передаваемой мощности.
С помощью программы MultP-M были получены
график зависимости процентного увеличения числа
частиц в структуре от передаваемой мощности, а так
же диаграммы Phase/Field (рис. 5).
а
Рис.3 Графики зависимости процентного увеличения числа частиц от передаваемой мощности в
холодном керамическом окне.
Следующим этапом исследований стало моделирование разряда в полной структуре устройства ввода мощности. Исследование проводилось с использованием двух пакетов программ CST PS и MultP-M.
2. РАСЧЕТ MULTP-M
Моделирование электромагнитных полей в CST
MWS проводилось со следующим разбиением сетки: Nx=65, Ny=106, Nz=246, максимальный шаг сетки
7.5 мм, минимальный 0.8 мм.
Расчёт мультипакторного разряда в программе
проводился со следующими зависимостями коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии соударения электронов с поверхностью: SEY
CST – в программе CST, SEY MultP-M – в программе MultP-M 3D.
б
в
Рис. 5 График зависимости процентного роста
числа частиц от напряженности электрического
поля в относительных единицах (а), диаграмма
Phase/Field с учётом (b) и без учёта (с) энергетического фильтра.
Рис. 4 Графики зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии соударения
частиц с поверхностью для меди.
На рис. 6 представлен объединенный график
процентного увеличения числа частиц в структуре
для рабочего диапазона передаваемой мощности с
учетом нормировки.
25 кВт. Очевидно, мультипакторному разряду подвержена часть структуры, содержащая холодное
керамическое окно.
Рис. 6. График зависимости процентного роста
числа частиц от передаваемой мощности.
По графику рис. 6 можно определить, что: первые траектории, сохраняющиеся порядка 5 ВЧ периодов, появляются при мощностях свыше 21 кВт,
далее процентное увеличение числа частиц наблюдается во всём рабочем диапазоне передаваемой
мощности вплоть до 60 кВт. Стабильные траектории
были обнаружены в области холодного керамического окна при мощностях порядка 50 кВт.
3. РАСЧЕТ CST PS
Аналогичные исследования были проведены с
использованием пакета CST PS. Результаты исследования представлены на рис. 7 – 8. На рис. 7 приведены графики увеличения числа частиц в структуре от времени при различных уровнях передаваемой
мощности, полученные в программе CST PS.
Рис. 8. Области увеличения числа частиц в
структуре при передаваемой мощности 25 кВт
В результате расчёта определено, что значительное увеличение числа частиц в структуре наблюдается в диапазоне передаваемой мощности от 25 кВт
и выше.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования выявлено, что при мощности порядка 21-25 кВт возможно возникновение
мультипакторного разряда в области холодного керамического окна и дальнейшее его развитие вплоть
до 60 кВт. Следующим этапом исследования данной
структуры на предмет возможности развития мультипакторного разряда является более подробное
моделирование устройства в целом, а также подробный расчёт области тёплого керамического окна при
низких уровнях передаваемой мощности. Вероятно,
для предотвращения разряда в данной структуре
может потребоваться применение внешних электрических или магнитных полей.
ССЫЛКИ
10 кВт
25 кВт
50 кВт
Рис.7 Графики увеличения числа частиц в структуре от времени при различных уровнях передаваемой
мощности.
На рис.8 показаны области увеличения частиц в
структуре при уровне передаваемой мощности
1. L. Merminga et al., “ARIEL: TRIUMF’s Advanced Rare Isotope Laboratory”, Proceedings of
IPAC2011, San Sebastian, Spain, September 4-9,
WEOBA01, p 1917-1919, 2011
2. V. Zvyagintsev et al., “Nine-Cell Elliptical Cavity
Development at TRIUMF “, SRF 2011, Proceedings of
SRF2011 Conference, Chicago, USA, July 25 – 29,
2011, MOPO020.
3. B. Aune et al., "Superconducting TESLA cavities", Phys. Rev. ST Accel. Beams 3, 092001 (2000)
4. V. Veshcherevich, I. Bazarov, S. Belomestnykh,
"A High Power CW Input Coupler for CORNELL ERL
Injector Cavities", SRF 2009, p 722-725, 2009
5. M.A. Gusarova, S.V. Kutsaev, V.I. Kaminsky,
“Мultipacting simulation in accelerator RF structure”,
Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A,
599. P. 100-105, 2009