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 ÊÄ 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 ÊÄ 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 ÊÄ (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