[论文解读] High Power Testing Results of the X-Band Mixed-Mode RF Windows for Linear Colliders

S. Tokumoto, Chin, Y. H.+17 more|ArXiv.org|Aug 19, 2000

Superconducting Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本文展示了用于线性对撞机的X波段混合模射频窗的高功率测试结果，通过结合TE11与TM11/TE12模式，有效降低了陶瓷-金属界面处的电场应力。该设计抑制了表面电场，实现了在1.5 µs脉冲下稳定传输高达80 MW而无故障，证明了未来对撞机高功率射频窗可靠性的关键进展。

ABSTRACT

In this paper, we summarize the high power testing results of the X-band mixed-mode RF windows at KEK and SLAC for linear colliders. The main feature of these windows is that the combination of modes on the surface of the ceramic significantly decreases the electric and magnetic fields in the junction between the ceramic and the metal. So far two types of high power windows (with the diameter of 53 mm and 64 mm) have been fabricated. A high power model of the smaller type window was fabricated and tested in a resonant ring at KEK. A maximum circulating power of 81 MW with 300 ns duration or 66 MW with 700 ns duration was achieved. Light emission was observed for a power level of over 10 MW. Later, both windows were shipped to SLAC for even higher power testing using combined power from two klystrons. The first window (53 mm diameter) achieved a transmitted power of 80 MW with 1.5 microsec duration at 30 Hz repetition. It was not destroyed during the testing. The testing of the second window was carried out next to the small type and achieved 62 MW with 1.5 maicrosec duration with 10 Hz repetition. The final results of both windows are presented in this report.

研究动机与目标

• 开发适用于X波段线性对撞机中可承受75–100 MW脉冲的高功率射频窗。
• 降低陶瓷-金属钎焊界面处的电场集中，该位置是射频窗的已知失效点。
• 验证混合模工作模式（TE11 + TM11/TE12）在降低表面电场和防止电击穿方面的有效性。
• 在KEK和SLAC对窗口在真实高功率、长脉冲条件下的性能进行测试。
• 为未来的X波段线性对撞机项目建立可靠的射频窗设计。

提出的方法

• 通过结合TE11与TM11或TE11与TE12模式，设计X波段射频窗，以在陶瓷边缘处抵消电场分量。
• 制造了两种窗口类型：直径53 mm和64 mm的陶瓷，厚度分别为2 mm和2.15 mm，并在表面涂覆10 nm厚的TiN涂层，以抑制多点打火。
• 使用HFSS仿真计算在100 MW输入下的电场分布（E_normal、E_tangential、E_periphery）。
• 在KEK使用谐振环进行高功率测试，脉冲宽度为300–700 ns，以评估初始性能和击穿阈值。
• 在SLAC进行长时间高功率测试，采用组合速调管功率源，脉冲宽度为1.5 µs，重复频率为10–30 Hz。
• 通过光电倍增管（PMT）和电视摄像机监测发光现象，并记录真空压力以检测击穿和脱气事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合模激励（TE11 + TM11/TE12）是否能有效降低X波段射频窗中陶瓷-金属界面处的电场强度？
• RQ2 在长脉冲（1.5 µs）运行条件下，这些混合模窗口的最大可持续射频功率水平是多少？
• RQ3 光发射与真空压力变化如何随射频功率和脉冲宽度的增加而变化？
• RQ4 TiN涂层是否能有效抑制多点打火，并提高窗口在高功率下的生存能力？
• RQ5 即使出现击穿迹象，该窗口设计是否能防止灾难性失效？

主要发现

• 53 mm混合模窗口在SLAC以30 Hz重复频率、1.5 µs脉冲宽度下成功实现了80 MW输出，未发生破坏。
• 64 mm窗口在10 Hz重复频率、1.5 µs脉冲宽度下实现了62 MW输出，证明了设计的可扩展性。
• 在10 MW以上功率时观察到发光现象，明亮的蓝白色闪光表明在60 MW以上功率时发生闪络。
• 在高功率下出现真空压力突然上升以及PMT信号过饱和，表明发生击穿和脱气。
• 混合模设计成功抑制了钎焊区域的电场，即使在多次击穿事件后也未导致灾难性失效。
• HFSS仿真结果证实，在100 MW输入下，电场强度降低至约7 MV/m（E_periphery），显著低于Al2O3的8 kV/mm击穿阈值。