DE10129774C2 - HOM-gedämpfter Hochfrequenz-Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen HOM-gedämpften Hochfrequenz-Resonator für einen Elektronenspeicherring zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung, aufweisend einen zylinderförmigen Resonatorhohlraum, auf dessen Mantelfläche drei zirkulare getaperte Wellenleiter mit zwei symmetrisch angeordneten Stegen angeordnet sind, wobei die cut-off-Frequenz des Wellenleitergrundmodes über die Länge der Wellenleiter durch Variation der Steghöhe konstant gehalten ist, und die Stegwellenleiter an ihrem Ende mit dem kleineren Durchmesser einen Impedanztransformator zur breitbandigen HF-Anpassung an je eine Koaxialleitung aufweisen.

In Elektronen-Speicherringen zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung hängt die Brillanz der Photonenstrahlen empfindlich von der Qualität des gespeicherten Elektronenstrahls ab. Insbesondere Strahlinstabilitäten haben einen negativen Einfluss auf die erzeugte Brillanz. Die Strahlinstabilitäten werden durch Multibunch-Schwingungen hervorgerufen, die eine Vergrößerung der Energiebreite (longitudinale Schwingungen) und der transversalen Emittanz (transversale Schwingungen) nach sich ziehen.

Die Multibunch-Schwingungen werden durch die Wechselwirkung der Elektronenpakete mit den Moden höherer Ordnung (HOM) des Beschleunigungsresonators angeregt. Durch Verringerung der Impedanzen dieser HOM's unterhalb der für jede Synchrotron-Quelle spezifischen kritischen Impedanz können die o. g. Instabilitäten unterdrückt werden.

Für die Unterdrückung der Instabilitäten sind dem Stand der Technik nach verschiedene Lösungen für Resonatoren bekannt.

So ist beispielsweise in Proc. of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 1990), Vol. 1, pp. 149; Proc. of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 1996), Vol. 1, pp. 148 und ebenda Vol. 3, pp. 1976 der Resonator am Laboratori Nazionale di Frascati, INFN, in Frascati/Italien beschrieben. Dieser Resonator besteht aus einem glockenförmigen Resonatorhohlraum mit drei langen Rechteckhohlleitern zur HOM-Dämpfung, die unter einem Winkel von ca. 15 Grad zur Resonatorachse angeordnet sind. Bedingt durch diese Geometrie und die langen kegelstumpfförmigen Strahlrohre zur Anpassung des großen rohrseitigen Durchmessers an die Vakuumkammer des Rings beträgt die Einbaulänge in axialer Richtung etwa 2 m. Die breitbandigen Rechteckhohlleiter besitzen einen Übergang auf eine 7/8" EIA-Koaxialleitung zur Auskopplung der HOM-Energie. Nicht zuletzt aufgrund des großen Durchmessers der Strahlrohröffnungen können relativ kleine Werte für die HOM-Impedanzen erreicht werden. Dieser Vorteil wird aber mit einer ebenfalls deutlich reduzierten Shuntimpedanz für den Grundmode erkauft, was höhere Betriebskosten nach sich zieht.

Eine andere Lösung, radial angeordnete Wellenleiter an die störenden HOM's anzukoppeln, ist für das Cavity (Hohlraumresonator) am Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, in Stanford/USA entwickelt worden (beispielsweise beschrieben in SLAC-PUB-6129, LBL-30624, BECON-91, April 1991). Diese Anordnung besteht aus einem Resonatorhohlraum mit sphärischer radialer Kontur und drei rechteckigen Wellenleitern zur HOM-Dämpfung, die unter einem Winkel von ca. 30 Grad zur Strahlachse am Resonator angeordnet, dann aber parallel zur Achse orientiert und schließlich aus Platzgründen um 180 Grad gebogen sind. Die HOM-Energie wird in Ferritabsorbern im Innenraum der Wellenleiter absorbiert. Bedingt durch die Geometrie der Anordnung beträgt die Einbaulänge in axialer Richtung etwa 1,8 m.

Beide genannten Resonatoren sind für den Einsatz in Elektron-Positron- Speicherringen für die Hochenergiephysik mit längeren geraden Sektionen entwickelt worden und daher für die Verwendung in Synchrotron- Strahlungsquellen nur bedingt geeignet.

In Proc. of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 1996), Vol. 3, pp. 1940 ist ein Resonator beschrieben, wie er von der Berliner Elektro­ nenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m. b. H. vorgeschlagen worden ist. Hierbei weist der Hochfrequenz-Resonator einen zylinderförmigen Resonatorhohlraum auf, auf dessen Mantelfläche drei zirkulare Wellenleiter zur Ankopplung an die HOM's angeordnet sind, die jeweils mit einem breitbandigen Übergang auf eine Koaxialleitung verbunden sind (broadband circular waveguide to coaxial transition - CWCT). Mit dieser Anordnung können die notwendigen Abmessungen, insbesondere die Einbaulänge, im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden. In Proc. of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 1998), Vol. 3, pp. 2065 ist für eine solche Anordnung ein zirkularer Wellenleiter beschrieben, der als getaperter Stegwellenleiter mit einer konstanten cut-off-Frequenz und einem Impedanztransformator zur 7/8"-Koaxialleitung ausgebildet ist. Wie bereits erwähnt, konnten die Abmessungen eines HOM-gedämpften Hochfrequenz- Resonators verringert werden, jedoch ist die Reduzierung der Shuntimpedanz des Fundamentalmodes relativ groß und die Dämpfungseffizienz für die Moden höherer Ordnung ungenügend.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstig herstellbaren HOM-gedämpften HF-Resonator mit verbesserter Dämpfungscharakteristik bei gleichzeitig hoher Shuntimpedanz für den Fundamentalmode in Platz sparender Bauweise anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch einen HOM-gedämpften Hochfrequenz-Resonator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß die Wellenleiter mit zwei symmetrisch angeordneten Stegen zur Einstellung einer Asymmetrie relativ zur Mittelebene des zylinderförmigen Resonatorhohlraumes in Richtung seiner Längsachse versetzt auf der Mantelfläche des Resonatorhohlraums angeordnet sind, die Wellenleiter mit zwei symmetrisch angeordneten Stegen mittels rotationssymmetrischer Flansche in ihrem Winkel zur Längsachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums einstellbar ausgebildet sind und die Stege der Wellenleiter in den zylinderförmigen Resonatorhohlraum derart hineinragen, dass die Moden höherer Ordnung optimal angekoppelt sind.

Für die effiziente Reduzierung der HOM-Impedanzen ist eine möglichst breitbandige und reflexionsarme Anpassung der kreisförmigen Wellenleiter bei möglichst großer Kopplung von ausschlaggebender Bedeutung. Diese Wirkungen werden gerade durch die erfindungsgemäße Lösung realisiert.

Um sicherzustellen, dass sowohl die bezüglich der Mittelebene symmetrischen Moden als auch die antisymmetrischen Moden effizient ausgekoppelt werden, sind die zirkularen Wellenleiter relativ zur Mittelebene des zylinderförmigen Resonatorhohlraums in Richtung seiner Längsachse versetzt.

Da die Wellenleiter mittels rotationssymmetrischer UHV-Flansche mit dem Resonatorhohlraum verbunden sind, ist die Orientierung der Wellenleiterstege relativ zur Strahlachse, die mit der Längsachse identisch ist, wählbar. Dadurch ist es möglich, die Ankopplung an einzelne - in einem spezifischen Speicherring besonders störende - HOM's selektiv zu optimieren.

Da die Wellenleiter mit ihren Stegen in den Resonatorhohlraum tiefer hineinragen als vom Verbindungselement, beispielsweise den erwähnten Flanschen, vorgegeben, wird durch die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet, dass nicht am selben Ort die Vakuumübergänge und die HF- Übergänge realisiert sind. Die Teillänge der in den Resonatorhohlraum hineinragenden Stege der Wellenleiter wird (neben anderen geometrischen Parametern) durch numerische Simulation derart variiert, dass die HOM- Impedanzen oberhalb der cut-off-Frequenz (650 MHz) bis 3 GHz minimiert werden.

Insbesondere die Einstellung der Winkel der Stege der Wellenleiter bezüglich der Strahlachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums mittels rotationssymmetrischer Flansche ermöglicht eine Optimierung der Ankopplung besonders störender HOM's.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stege der Wellenleiter bezüglich der Längsachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums parallel ausgerichtet sind, d. h. die Winkel der Stegwellenleiter zur Längsachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums betragen 0 Grad. Diese Ausführung ist die optimale Lösung für den Fall, dass alle HOM's vom Elektronenstrahl mit gleicher Stärke angeregt werden. Ist dies nicht der Fall, so erlaubt die Einstellbarkeit der Orientierung der Wellenleiterstege eine speicherringspezifische Minimierung der HOM's.

In einer anderen Ausführung weisen die zirkularen getaperten Stegwellenleiter eine variable Steghöhe auf, die über die Länge des getaperten Wellenleiters durch das Polynom zweiter Ordnung

y = 3,6328 + 0,0347513x + 0,000183869x²

beschrieben ist, wobei x die Länge (in mm) des getaperten Wellenleiters und y der halbe Abstand der Stege (in mm) zueinander bedeuten. Dieses Stegprofil ist besonders günstig, da die cut-off-Frequenz des Wellenleiters konstant gehalten wird und dadurch der Reflexionsfaktor der getaperten Wellenleitersektion im o. g. Frequenzbereich minimiert ist.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Impedanztransformator eine Sektion aufweist, die als getaperte Koaxialverbindung ausgebildet ist. Dadurch wird die Verwendung von Vakuum-HF-Fenstern beliebiger Ausführungsformen ermöglicht.

Der Resonatorhohlraum weist in einer nächsten Ausführungsform zur Optimierung der Shuntimpedanz des Fundamentalmodes eine Strahlrohröffnung mit nasenförmigen Erweiterungen auf. Diese verwendete "nose cone"-Geometrie im Bereich der Strahlrohröffnung bewirkt eine Konzentration des beschleunigenden Feldes auf der Resonatorachse, wodurch eine große Shuntimpedanz bei gleichzeitig hoher HOM- Dämpfungseffizienz erreicht wird. Durch die Realisierung einer hohen Shuntimpedanz ist im Beschleuinigerbetrieb eine energieeffizientere Beschleunigung des Elektronenstrahls i. V. zum Stand der Technik gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht mit ihrer Platz sparenden Bauweise den Einsatz von HOM-gedämpften Resonatoren in den meisten Synchrotron- Strahlungsquellen. Die maximalen lokalen thermischen Leistungsdichten auf der inneren Oberfläche des Resonators im Übergangsbereich zwischen Wellenleiter und Resonatorwand (bei externer Anregung des Grundmodes) sind bei Verwendung runder Wellenleiter um etwa 50% geringer als bei rechteckförmigen Wellenleitern. Dies erlaubt eine wesentlich einfachere Gestaltung der Kühlwasserkanäle. Aus fertigungstechnischer Sicht ist die Verbindung eines runden Wellenleiters mit einem zylinderförmigen Resonator einfacher und kostengünstiger als die Verbindung eines rechteckförmigen Wellenleiters mit einer sphärischen oder glockenförmigen Ausführung. Im Vergleich zu den im Stand der Technik erwähnten Lösungen betragen die Herstellungungskosten nur etwa 40%. Die für die Gestaltung der Strahlrohröffnung des Resonatorhohlraumes genutzte "nose cone"-Geometrie bewirkt - wie bereits erwähnt - eine hohe Shuntimpedanz des Fundamentalmodes bei gleichzeitiger effizienter HOM-Dämpfung.

Die Erfindung soll im folgenden Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 schematische Gesamtdarstellung eines HOM-gedämften HF- Resonators in Strahlrichtung;

Fig. 2 schematische Seitenansicht gemäß Fig. 1;

Fig. 3 schematisch eine räumliche Schnittzeichnung durch einen HOM- gedämpften HF-Resonator gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Stegwellenleiter schematisch im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer HOM-gedämpfter HF- Resonator dargestellt. In einem normalleitenden 500 MHz- Beschleunigungsresonator für Synchrotron-Quellen sind an einem zylinderförmigen Resonatorhohlraum 1 drei zirkulare Stegwellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 mittels der Flansche F1; F2; F3 angeordnet. Die Flansche F1; F2; F3 ermöglichen die Einstellung der Orientierung der Stege der Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 relativ zur Längsachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums 1. Dargestellt in dieser Figur ist ebenfalls die Öffnung für ein HF- Einkoppelelement 4, die Öffnung für den Tuner 3 und die Öffnung für den Anschluss an eine Messschleife 5.

In der in Fig. 2 schematisch dargestellten Seitenansicht gemäß Fig. 1 ist gut erkennbar der Versatz der drei auf der Mantelfläche des Resonatorhohlraums 1 in Richtung seiner Längsachse angeordneten Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 zueinander. Ebenfalls dargestellt sind in dieser Figur die Impedanztransformatoren 6.1; 6.2; 6.3. Der dargestellte erfindungsgemäße Versatz der Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 zueinander bewirkt, dass sowohl die bezüglich der Mittelebene symmetrischen als auch antisymmetrischen Moden effizient ausgekoppelt werden. Eingezeichnet ist ebenfalls das Strahlrohr SR, in das der Resonatorhohlraum 1 eingepasst ist.

Die Fig. 3 ist eine schematische räumliche Schnittzeichnung des in Fig. 1 dargestellten HOM-gedämpften HF-Resonators. Hier ist nun gut erkennbar, wie jeweils die beiden Stege S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3 der drei Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 erfindungsgemäß in den Resonatorhohlraum 1 hineinragen, d. h. die Länge der Stege S1.1; S2.1; S1.2; S2.2; S1.3; S2.3 ist größer als die Länge der Wandung der Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3. Hierdurch erfolgt eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Ankopplung höherer Moden. Mittels der Flansche F1; F2; F3 sind die zirkularen Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 in ihrer Orientierung bezüglich der Strahlachse einstellbar mit dem Resonatorhohlraum 1 verbunden, wodurch eine speicherringspezifische Optimierung der Ankopplung besonders störender HOM's ermöglicht wird. Die Öffnung R des Strahlrohres SR im Resonatorhohlraum 1 weist eine "nose cone"-Geometrie auf, wodurch - wie bereits beschrieben - eine Konzentration des beschleunigenden Feldes auf der Resonatorachse realisiert ist.

Jedem Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 ist - wie in Fig. 3 dargestellt - auch je ein Impedanztransformator 6.1; 6.2; 6.3 zugeordnet. Diese Impedanztransformatoren 6.1; 6.2; 6.3 weisen je eine Sektion 7.1; 7.2; 7.3 auf, die als eine getaperte Koaxialleitung ausgebildet ist. Die spezielle Ausbildung der Wellenleiter 2.1; 2.2; 2.3 mit ihren in den Resonatorhohlraum 1 eindringenden jeweils symmetrisch angeordneten zwei Stegen S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3 ist in dieser Schnittzeichnung besonders gut zu erkennen.

In der Fig. 4 ist einer der drei zirkularen Wellenleiter 2 mit zwei symmetrisch angeordneten Stegen S1; S2 im Längsschnitt dargestellt. Der Abstand der beiden Stege S1; S2 im Wellenleiter 2 über seine Länge wird beispielsweise durch das Polynom zweiter Ordnung y = 3,6328 + 0,0347513x + 0,000183869x² beschrieben, wobei x die Länge (in mm) des getaperten Wellenleiters 2 und y der halbe Abstand der Stege (in mm) S1; S2 zueinander bedeuten. Mit diesem Stegprofil wird die cut-off- Frequenz längs des Wellenleiters 2.1; 2.2; 2.3 konstant gehalten und dadurch - wie bereits erwähnt - der Reflexionsfaktor der getaperten Wellenleitersektion im Frequenzbereich 650 MHz bis 3 GHz minimiert.

Numerisch konnte nachgewiesen werden, dass die erfindungsgemäße Lösung die Realisierung eines Beschleunigerresonators erlaubt, der die fast vollständige Unterdrückung von multibunch-Instabilitäten in modernen Synchrotronstrahlungsquellen der dritten Generation gewährleistet. Ausserdem konnte gezeigt werden, dass die maximalen Stromschwellen in Synchrotronstrahlungsquellen i. V. zum Stand der Technik für Resonatoren mindestens um den Faktor 2 erhöht werden.

Claims (5)

1. HOM-gedämpfter Hochfrequenz-Resonator für einen Elektronenspeicherring zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung, aufweisend einen zylinderförmigen Resonatorhohlraum (1), auf dessen Mantelfläche drei zirkulare getaperte Wellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) mit je zwei symmetrisch angeordneten Stegen (S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3) angeordnet sind, wobei die cut-off-Frequenz des Wellenleitergrundmodes über die Länge der Wellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) durch Variation der Steghöhe konstant gehalten ist, und die Stegwellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) an ihrem Ende mit dem kleineren Durchmesser je einen Impedanztransformator (6.1; 6.2; 6.3) zur breitbandigen HF-Anpassung an je eine Koaxialleitung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) mit je zwei symmetrisch angeordneten Stegen (S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3) zur Einstellung einer Asymmetrie relativ zur Mittelebene des zylinderförmigen Resonatorhohlraums (1) in Richtung seiner Längsache versetzt auf der Mantelfläche des Resonatorhohlraums (1) angeordnet sind,
die Wellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) mit den zwei symmetrisch angeordneten Stegen (S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3) mittels rotationssymmetrischer Flansche (F1, F2, F3) in ihrem Winkel zur Längsachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums (1) einstellbar ausgebildet sind und
die Stege (S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3) der Wellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) in den zylinderförmigen Resonatorhohlraum (1) derart hineinragen, dass die Moden höherer Ordnung optimal angekoppelt sind.

2. HOM-gedämpfter Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (S1.1 und S2.1; S1.2 und S2.2; S1.3 und S2.3) der Wellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) bezüglich der Längsachse des zylinderförmigen Resonatorhohlraums (1) parallel ausgerichtet sind.

3. HOM-gedämpfter Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zirkularen getaperten Stegwellenleiter (2.1; 2.2; 2.3) eine Steghöhe aufweisen, die über die Länge des getaperten Wellenleiters (2.1; 2.2; 2.3) durch das Polynom zweiter Ordnung y = 3,6328 + 0,0347513x + 0,000183869x² beschrieben ist, wobei x die Länge (in mm) des getaperten Wellenleiters und y der halbe Abstand der Stege (in mm) zueinander bedeuten.

4. HOM-gedämpfter Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Impedanztransformator (6.1; 6.2; 6.3) eine Sektion (7.1; 7.2; 7.3) aufweist, die als getaperte Koaxialleitung ausgebildet ist.

5. HOM-gedämpfter Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorhohlraum (1) eine Strahlrohröffnung (R) mit nasenförmigen Erweiterungen zur Konzentration des beschleunigenden Feldes auf der Resonatorachse aufweist.