ВОЛНОВОД Российский патент 2011 года по МПК H01P3/127 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, волноводной радиотехнике сверхвысоких частот. Целью устройства является создание волновода с фазовой скоростью основной волны поперечного типа, близкой к скорости света. На основе такого волновода может быть изготовлена ускоряющая система авторезонансного ускорителя. Согласно теории для авторезонанса требуется плоская электромагнитная волна, распространяющаяся со скоростью света, см. Коломенский А.А., Лебедев А.Н. ЖЭТФ, т.44, с.261, 1963.

Аналогом является открытый волновод по а.с.№273019, фиг.1. Он представляет собой две совмещенные полосковые линии, в которых в одном направлении распространяются волны основного типа. Те, которые по структуре близки к плоской электромагнитной волне в свободном пространстве. Поперечное излучение волн гасится вследствие явления интерференции. Однако непосредственное размещение такого открытого волновода в соленоиде, который является необходимым для создания магнитного поля, существенно нарушает нормальный режим работы открытого волновода или требуется соленоид больших размеров. Соленоид энергоемок и поэтому необходимо конструктивное согласование ускоряющей и магнитной систем.

Прототипом является прямоугольный волновод с основной волной H₁₀, фиг.2, см. Ишков А.П. Известия вузов физика 2, С.136, 1970, ЖТФ, т.XLI, с.607, 1971, к.д. “Экспериментальное исследование авторезонансного ускорения электронов”, Томск 1969.

В этих экспериментах использовались прямоугольные волноводы увеличенного поперечного сечения с фазовой скоростью волны Н₁₀ 1,14 и 1,07 скорости света. Практическое ускорение электронов дало результаты ниже расчетных.

Вторым прототипом является волновод П-типа с основным типом волны Н₁₀, см. Фельдшейн А.П. и др. “Справочник по элементам волноводной техники”. Госэнергоиздат, М.-Л., 1963, Ефимов И.Б. “Радиочастотные линии передач”, Советское радио. М., с.396, 1964, фиг.3.

Действие второго прототипа основано на использовании его центральной части в качестве рабочего пространства ускорителя.

Недостатки волновода П-типа состоят в малой площади ускоряющего пространства и большом общем поперечном сечении, которое снизит эффективность использования соленоида.

Предлагаемое изобретение представляет собой модифицированный круглый волновод с основной волной Н₁₁, фиг.4. Модификация состоит в применении цилиндрического проводящего профиля, который монолитно и симметрично соединен внутри волновода так, что образуются два симметричных профиля, которые увеличивают величину критической волны и соответственно снижают фазовую скорость распространения волны Н₁₁. При этом не нарушается структура основной волны Н₁₁ и не возбуждаются другие типы волн.

На фиг.1-4 приняты следующие обозначения:

1 - проводящая полоса полосковой линии;

2 - линия электрического поля в полосковой линии;

3 - профиль прямоугольного волновода;

4 - линия электрического поля волны Н₁₀;

5 - проекция траектории ускоряемого электрона на поперечную плоскость ХУ;

а - ширина прямоугольного волновода;

6 - профиль П-волновода;

7 - линии электрического поля основной волны в П-волноводе Н₁₀;

а' - размер, определяющий величину критической волны в П-волноводе;

8 - профиль круглого волновода;

9 - цилиндрический профиль, который вставлен в круглый волновод;

10 - узкая полоса, которая монолитно и прочно соединяет цилиндрический профиль 9 с круглым волноводом 8;

11 - линии электрического поля в предлагаемом изобретении;

2а'' - размер, определяющий величину критической волны в предлагаемом изобретении.

Сравнительный анализ структур полей в рассматриваемых волноводах показывает, что увеличение длины поперечного сечения волновода позволяет в основном сохранить структуру распространяющейся волны при увеличении ее критической длины. При этом снижается фазовая скорость распространяющейся волны, что и требуется для успешного ускорения электронов авторезонансным способом.

Фазовая скорость волны в волноводе определяется известной формулой

где с - скорость света;

λ - длина волны в свободном пространстве;

λ_кр - критическая длина волны в волноводе.

В таблице представлены результаты расчетов по указанной формуле с точностью до 7 знаков.

1/1,1 2,400396 1/2 1,154700 1/3 1,060660 1/4 1,032795 1/5 1,020620 1/6 1,0141851 1/7 1,010362 1/8 1,008790 1/9 1,006230 1/10 1,005037

Анализ таблицы показывает, что для эффективного авторезонанса нужна существенная разница в длинах волн, чтобы иметь относительную скорость волны 1,01, нужно семикратное превышение критической волны

λ_кр=7λ.

Оценим эффективность снижения фазовой скорости и в предлагаемом изобретении.

Длина критической волны в круглом волноводе определяется через радиус волновода по формуле λ_кр=3,413а.

Положим а=2λ, что технически вполне реализуемо. Поперечная протяженность цилиндрического профиля, изображенного на фиг.4, будет

которая увеличивает эффективный радиус волновода на πλ.

Итоговая критическая длина волны в предлагаемом изобретении будет

λ_кр=(3,413+1,571)·2λ=9,968λ ≃10λ.

Следовательно, относительная фазовая скорость ускоряющей волны будет порядка 1,005. Это на порядок лучше, чем было в эксперименте.

Вторым существенным достоинством предлагаемого изобретения является эффективное использование внутреннего пространства волновода для рабочего пространства ускорителя, фиг.5, где позицией 12 представлена проекция траектории ускоряемого электрона на поперечную плоскость ХУ. Магнитное поле направлено по оси Z, перпендикулярной плоскости чертежа.

Третьим существенным достоинством предлагаемого волновода является хорошее конструктивное сопряжение круглого волновода с внутренним пространством магнитной системы авторезонансного ускорителя соленоидального типа.

Технологически предлагаемое изобретение вполне реализуемо и удобно для технической эксплуатации.

Возбуждение только основной волны в предлагаемом устройстве от типового круглого волновода с волной Н₁₁ вполне возможно при использовании плавного перехода сечения /профиля/ одного волновода в другой.

Устройство относится к области радиотехники и технике СВЧ и может быть использовано при изготовлении ускоряющей системы эффективного авторезонансного ускорителя электронов на энергии порядка 1-5 МэВ. Техническим результатом является снижение фазовой скорости распространения волны. Волновод представляет собой круглую трубу из волноводного материала с основным типом волны Н₁₁, в которую введен цилиндрический профиль с угловым размером порядка π, симметрично и монолитно соединенный с трубой так, что не нарушается основная волна Н₁₁. 5 ил., 1 табл.

Волновод, состоящий из круглой трубы с основным типом волны Н₁₁, отличающийся тем, что внутрь трубы вставлен цилиндрический профиль, который симметрично и монолитно соединен через узкую полосу с круглой трубой.