АННОТАЦИЯ
Диссертация посвящена экспериментальному изучению электрической неустойчивости и ее применению в технологии сверхпроводящих резонаторов для ускорителей заряженных частиц. Экспериментально исследована характерная электрическая неустойчивость, возникающая при электрохимическом полировании сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Впервые обнаружены бифуркационные и стохастические явления в электрохимической системе, используемой при обработке сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, а также экспериментально изучен фазовый портрет стохастических колебаний.
На основе исследования стохастических явлений предложены новый метод прецизионного электрохимического полирования с контролем процесса по виду колебаний тока, описываемых странным аттрактором. Создан комплекс экспериментально-технологического оборудования для форсированного и прецизионного полирования рабочей поверхности сверхпроводящих резонаторов. Проведена оптимизация автоматического режима прецизионного электрохимического полирования. Показана возможность использования нового материала (сверхпроводящего сплава Н2В) для изготовления сверхпроводящих ускоряющих резонаторов. Предложено применять более дешевый сверхпроводник при условии поверхностной очистки материала от примесей с помощью специальной процедуры - оксиполирования, режим которого оптимизирован автором диссертации.
На основе исследования гистерсзисных явлений разработан метод экспресс-диагностики эмиссионных свойств рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, а также метод изготовления сверхпроводящих ускоряющих резонаторов, позволяющий добиться значительной экономии исходного материала.
Содержание
1. Современные линейные ускорители электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами. Постановка задачи, научная новизна и практическая ценность диссертации 3
2. Технологические методы увеличения ускоряющих полей в сверхпроводящих резонаторах для ускорителей заряженных частиц 14
2.1. История вопроса........................................ 14
2.2. Оксиполирование рабочей поверхности сверхпроводящих ускоряющих резонаторов...................................... 16
2.3. Электрохимическое полирование сверхпроводящих ниобиевых резонаторов....................................... 18
3. Экспериментальное исследование электрической неустойчивости в электрохимических системах при обработке ускоряющих СВЧ резонаторов 24
3.1. Общие черты электрической неустойчивости в системах
с отрицательным дифференциальным сопротивлением......... 24
3.2. Автоколебания в электрохимических системах............. 26
3.3. Бифуркационные явления и стохастичность, наблюдаемые
при электрохимической обработке ускоряющих резонаторов ... 28
4. Разработка новых методов прецизионной и форсированной электрохимической обработки рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов 34
4.1. Сравнение методов электрохимического полирования СП резонаторов для ускорителей заряженных частиц............... 34
4.2. Разработка экспериментального и технологического оборудования для электрохимической обработки сверхпроводящих ускоряющих резонаторов...................... 37
4.3. Разработка метода форсированного электрохимического полирования ускоряющих резонаторов........................... 46
4.4. Разработка метода прецизионного электрохимического полирования сверхпроводящих резонаторов с контролем процесса по виду ’’пакетов" колебаний тока................... 49
4.5. Оп тимизация автоматического режима электрохимического полирования ускоряющих резонаторов на основе ниобия
и его сплавов........................................... 54
4.6. Исследование и разработка технологии сверхпроводящих резонаторов из сплава Н2В................................... 70
4.7. Оптимизация режима оксиполирования рабочей поверхности ускоряющих резонаторов.......................... 75
5. Разрабо тка метода экспресс - контроля эмиссионных свойс тв рабочей поверхности ускоряющих СВЧ резонаторов 80
6. Заключение 86
7. Список литературы 89
2
1. Современные линейные ускорители электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами. Постановка задачи, научная новизна и практическая ценность диссертации
В настоящее время высокочастотная сверхпроводимость интенсивно внедряется в ускорительную технику. Сверхпроводящие резонаторы используют в ускорителях электронов (S-DALINAC, TJNAF), тяжелых ионов (ATLAS), в больших коллайдерах (LEP [1], HERA [2], TRISTAN [3]). С 1990 года разрабатывается проект сверхпроводящего линейного коллайдера TESLA (ТэВ-энергии сверхпроводящий линейный ускоритель) [4].
Первый успешный запуск сверхпроводящего линейного ускорителя (СИЛУ) электронов был осуществлен в 1965 году в Лаборатории физики высоких энергий Стэнфордского университета (США). Ускоряющая структура представляла из себя круглый диафрагмированный волновод из ниобия длиной Е5 м, состоящий из 19 ячеек. Рабочая частота сверхпроводящей СВЧ структуры 950 МГц. Был получен пучок с энергией 6 МэВ с током в несколько микроампер. Ускоряющее поле 5.5 МВ/м [5].
К современным линейным ускорителям электронов со сверхпроводящими ускоряющими структурами относятся:
• ускоритель S-DALINAC Института ядерной физики в Дармштадте, сверхпроводящая ускоряющая СВЧ-структура которого разработана совместно с Отделением физики Вуппертальского университета [6]
• ускоритель SURA CEBAF (сейчас TJNAF) Национальной лаборатории Томаса Джеферсона г. Ныопорт-Ньюз, США [7];
• ускоритель LISA Национальной лаборатории г. Фраскати, Италия [8J.
Эти ускорители обладают определенными особенностями в структуре, конструкции резонаторов и выборе рабочих параметров. Основные электродинамические характеристики современных СИЛУ электронов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Ускорительный нешр Институт ядерпой физики, Г. Дармштадт, Германия национальная лаборатория Томаса Джсферсона, г. Ныопорт-Нмоз, США Национальная лаборатории INFN-LNF, г. Фраскати, Италия
Название Б-ОАЬШАС, Т.ЖАР(бывший СЕВАК) LISA
Тип СИЛУ Линейный ускоритель с рециркуляцией пучка Линейный ускоритель с рециркуляцией пучка Линейный ускоритель с рециркуляцией пучка
Рабочая частота, МГц 3000 1500 500
Рабочая температура 2 К 2 (2.2, 4.5) К 4.2 К
Длина СИР (свсрхпро-водищег о резонатора), м 1 0.5 1.2
ВВП (II зоО К ! В 4.2 к) 280 300 180
Шунтовос сопротивление. Ом/м - 960 380
Ускоряющее поле МВ/м 5 5 5
Добротность 8 • 108 -т- 2 ■ 10* 2.4 • 109 2 • 1Ü9
Материал СПР N1) N6 Nb/Cu
Первые испытания с пучком 1987 г. Июль, 1994 г. 1990 г.
Средний гок, рА 60 200 130
Энергия частиц на выходе, МэВ 130 4000 25 + 50
Энергия ІІІІЖЄКЦИИ, МэВ 10 45 1
4
Проект технологического сверхпроводящего ускорителя на энергию 7.5 МэВ со средним током пучка 10 мкА, предназначенного для фундаментальных исследований при облучении высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), разрабатывается и в нашей лаборатории (Отраслевая проблемная лаборатория технологии и исследования сверхпроводящих резонаторов) в рамках договора с Минатомом Российской Федерации совместно с кафедрой "Электрофизические установки" МИФИ [9,10].
Ускоряющая СВЧ-структура работает на частоте 3 ГГц и имеет ТЕБЬА-геометрию. Длина структуры 684 мм. Расчетные параметры этого ускорителя приведены в таблице 2.
Таблица 2
Расчетные параметры ускорителя
Рабочая частота, МГц 3000
Длина СИР, м 0.646
Число СПР 1
Число ячеек в СПР 14
Геометрическая форма СПР ТЕБЬЛ-зЬаре
Добротность о 00 •I- О •о
Материал СПР ЫЪ/Си
Ток, цА 10
Энергия инжекции, МэВ 0.25
Исследования, проведенные в диссертации, направлены на увеличение ускоряющих полей (Еуск), повышение стабильности работы ускорителей и снижение стоимости ускоряющих СВЧ-структур для ускорителей заряженных частиц.
Эго го можно добиться за счет применения новых перспективных материалов в виде тонких пленок (ниобий, сплав Н2В [И], высокотемпературной сверхпроводящей керамики на основе УВаСиО [12]), а также прецизионных методов обработки рабочей поверхности сверхпроводника, так как глубина проникновения СВЧ поля в сверхпроводник составляет 500-1500 А.
5
Настоящая диссертация посвящена, в основном, разработке технологических методов электрохимической обработки рабочей поверхности и исследованию сверхпроводящих ускоряющих СВЧ резонаторов из ниобия в виде слитков марки НБР-0, НБР-1, НБР-2, листов и пленок, а также сплавов на основе ниобия, например, сплава Н2В, который исследован нами совместно с фирмой ГИРЕДМЕТ (г. Москва).
Исследования ученых многих стран показали, что увеличение ускоряющих полей в резонаторах из ниобия возможно лишь при подавлении эмиссионных эффектов и устранении условий возникновения термомагнитного пробоя [13].
Как следует из закона Фаулера - Нордхейма [14], для увеличения ускоряющих полей и снижения эмиссии необходимо повысить работу выхода электронов и снизить коэффициент автоэлектронной эмиссии [3 = Елок /Еср Известно, что практически величина (3 может' изменяться в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен и даже тысяч в зависимости от качества обработки рабочей поверхности [15].
Поэтому эффективным средством снижения эмиссионных эффектов является электрохимическое полирование, так как коэффициент автоэлектронной эмиссии р определяется микрогсомстрией и размером микронеровностей на рабочей поверхности ускоряющего СВЧ резонатора.
Цель работы: Изучение и разработка автоматизированных
технологических методов прецизионной обработки рабочей поверхности сверхпроводящих СВЧ-резонаторов за счет подавления эмиссионных эффектов для увеличения ускоряющих полей.
Научная новизна. В процессе проведения исследований:
г Изучена характерная электрическая неустойчивость, возникающая при электрохимическом полировании сверхпроводящих ускоряющих СВЧ резонаторов, изготовленных
6
- Київ+380960830922