СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2011 года по МПК H05H7/18 

Изобретение относится к ускорительной и СВЧ технике, может быть использовано в ускоряющих структурах для ускорения заряженных частиц.

Известен способ возбуждения ускоряющей структуры (УС), заключающийся в том, что СВЧ мощность от генератора из подводящего волновода вводят в УС через входную диафрагму связи. Коэффициент передачи этой диафрагмы выбирают таким, чтобы связь УС с подводящим волноводом, с учетом ускоряемого тока пучка, была близка к критической [1].

Однако при выборе коэффициента передачи входной диафрагмы связи необходимо учитывать, что чем больше ускоряемый ток пучка, тем больше коэффициент передачи входной диафрагмы связи, соответственно тем больше размер отверстия связи в диафрагме. Отверстие в диафрагме связи искажает структуру ускоряющего поля в УС, причем тем сильнее, чем больше его размер. При искажении структуры ускоряющего поля кроме основной ускоряющей моды возникают моды с поперечной компонентой электрического поля, в результате нарушается режим ускорения пучка. Размер отверстия и соответственно степень его влияния на структуру ускоряющего поля можно уменьшить, уменьшая коэффициент передачи входной диафрагмы связи. Однако при этом не достигается критическая связь, возникают отражения от УС - уменьшается уровень вводимой СВЧ мощности, понижается к.п.д.

Задачей изобретения является разработка нового способа возбуждения ускоряющей структуры, позволяющего обеспечить критическую связь с учетом тока ускоряемого пучка при одновременном уменьшении коэффициента передачи входной диафрагмы связи УС, за счет изменения режима ввода СВЧ мощности в УС.

Поставленная задача решается заявленным способом возбуждения ускоряющей структуры, согласно которому СВЧ мощность генератора из подводящего волновода перед вводом в УС направляют в проходной резонатор с высокой собственной добротностью, выходная диафрагма связи которого совмещена с входной диафрагмой связи УС. В проходном резонаторе уровень СВЧ мощности, падающей на входную диафрагму УС, повышают до значения Р'≅Р_г(Т²+Т₀ ²)/2ТТ₀, где Р_г - СВЧ мощность от генератора. Т₀ и Т - коэффициенты передачи указанной диафрагмы соответственно при отсутствии и наличии проходного резонатора, причем Т<Т₀, а коэффициент передачи входной диафрагмы связи проходного резонатора T₁ определяют из выражения T₁=[1+(Т₀/Т-T/T₀)²/4]^-1/2. При этих условиях обеспечивается критическая связь по входу в систему, состоящую из УС и проходного резонатора, и практически вся СВЧ мощность от генератора Р_г из подводящего волновода через проходной резонатор вводится в УС.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Введение в ускоряющую систему проходного резонатора с высокой собственной добротностью позволяет увеличить амплитуду и соответственно мощность падающей на входную диафрагму связи УС волны. Следовательно, можно уменьшить коэффициент передачи указанной диафрагмы, обеспечить критическую связь по входу в систему, состоящую из УС и проходного резонатора, и сохранить уровень вводимой в УС СВЧ мощности. Уменьшение коэффициента передачи входной диафрагмы связи УС достигается за счет уменьшения величины отверстия в этой диафрагме, поэтому уменьшаются искажения ускоряющего поля.

Для обоснования сущности изобретения приведем качественное рассмотрение прохождения СВЧ мощности через диафрагму в волноводе, если на нее падают СВЧ волны с двух сторон. В частности, в таком режиме работает диафрагма связи УС с подводящей линией при ее возбуждении от генератора [2]. По определению при амплитуде волны а СВЧ мощность, распространяющаяся в волноводе, равна а²/2 [3]. Пусть на резонансной частоте на входную диафрагму связи УС падает возбуждающая волна с амплитудой а, при этом амплитуда волны, падающей на эту же диафрагму с другой стороны (амплитуда волны в УС), равна b. Тогда амплитуда волны, излученной из УС в подводящий волновод через входную диафрагму связи с=Tb, где Т - коэффициент передачи входной диафрагмы связи, и амплитуда отраженной волны (с-а) [2]. Соответственно, передаваемая в УС СВЧ мощность Р=а²/2-(с-а)²/2=Tab-(Tb)²/2≅Tab, при Tb/2<<а. Таким образом, если амплитуда волны, падающей на входную диафрагму связи УС, равна а, СВЧ мощность Р, передаваемая в УС, определяется из соотношения Р≅Tab и, следовательно, можно уменьшить Т за счет увеличения а при сохранении Р.

Повышение амплитуды волны достигают перед вводом в УС, пропуская СВЧ мощность от генератора через проходной резонатор с высокой собственной добротностью, подсоединенный к УС.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предложенного способа. Для упрощения УС представлена только одним ускоряющим резонатором 1, например, цилиндрического типа, с видом колебаний Е₀₁₀, в котором установлена входная диафрагма связи 2. К ускоряющему резонатору 1 подсоединен проходной резонатор 3, выходная диафрагма связи которого совмещена с диафрагмой 2. Резонатор 3 выполнен, например, из отрезка прямоугольного волновода, ограниченного с одной стороны выходной диафрагмой 2 и с другой стороны входной диафрагмой 4, и возбужден на виде колебаний H₁₀₁. Ввод СВЧ мощности в устройство от генератора осуществляется через входной волновод 5. Диафрагма 2 является входной диафрагмой ускоряющего резонатора 1 и выходной диафрагмой проходного резонатора 3. Связь осуществляется по магнитному полю. Для ввода ускоряемого пучка в ускоряющий резонатор служат отверстия 6.

Способ осуществляется следующим образом.

СВЧ мощность от генератора подают по волноводу 5 через входную диафрагму 4 проходного резонатора 3. В проходном резонаторе 3 устанавливается стоячая волна за счет двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из волн падает на диафрагму 2, вторая на диафрагму 4. Волна, падающая на диафрагму 2, возбуждает ускоряющий резонатор 1.

Пусть связь данного устройства, состоящего из ускоряющего резонатора 1 и проходного резонатора 3, с подводящим волноводом 5 близка к критической связи. При этом коэффициент передачи входной диафрагмы связи 2 ускоряющего резонатора равен Т, коэффициент передачи входной диафрагмы связи 4 проходного резонатора равен T₁, амплитуда волны во входном волноводе 5 равна а, соответственно СВЧ мощность от генератора Р_г=а²/2, амплитуда волны в проходном резонаторе, падающей на диафрагму 2, равна а₁, соответственно мощность этой волны Р'=a₁ ²/2, амплитуда волны в проходном резонаторе, падающей на диафрагму 4, равна а₂, амплитуда волны в ускоряющем резонаторе равна b. При связи, близкой к критической, при условии малых потерь в проходном резонаторе, можно записать соотношения:

Соотношение (1) устанавливает, что a₂T₁ - амплитуда волны, излученной из проходного резонатора в подводящий волновод, равна а(1-T₁ ²)^1/2 - амплитуде отраженной волны от входной диафрагмы этого резонатора. Эти волны на резонансной частоте имеют противоположные фазы, в результате полная амплитуда отраженной от проходного резонатора волны равна нулю. Таким образом, соотношение (1) соответствует условию критической связи по входу в устройство.

Соотношение (2) определяет связь между волной с амплитудой a₁, падающей на входную диафрагму связи ускоряющего резонатора, и волнами в проходном и ускоряющем резонаторах с амплитудами соответственно a₂ и b, при условии малых потерь в проходном резонаторе.

Соотношение (3) отражает сохранение энергии в системе при условии малых потерь в проходном резонаторе. В ускоряющий резонатор вводится вся СВЧ мощность от генератора P_г=a²/2, эта мощность равна разнице между падающей мощностью на входную диафрагму связи ускоряющего резонатора а₁ ²/2 и отраженной от нее мощностью а₂ ²/2.

При реализации известного способа-прототипа возбуждение ускоряющего резонатора осуществляется без дополнительного проходного резонатора. При этом ускоряющий резонатор возбуждает волна, падающая на диафрагму 2 непосредственно из подводящего волновода 5. Пусть в этом случае при критической связи ускоряющего резонатора с подводящим волноводом коэффициент передачи входной диафрагмы связи ускоряющего резонатора равен Т₀, амплитуда волны в подводящем волноводе, также как и в первом случае (при наличии проходного резонатора), равна а₁, амплитуда волны в ускоряющем резонаторе также равна b. Тогда а=T₀b, и, соответственно, b=a/T₀.

Подставляя последнее выражение для b в уравнения (3) и (2), приведенные выше, с учетом (1), для коэффициента передачи входной диафрагмы связи проходного резонатора T₁ и мощности волны, падающей на входную диафрагму связи ускоряющего резонатора Р'=a₁ ²/2, получаем:

где, как и выше, Р_г=а²/2 - СВЧ мощность от генератора. При любых Т, Т₀ дробь (Т²+Т₀ ²)/2ТТ₀≥1, поэтому всегда Р'≥P_г (равенство выполняется при Т=Т₀, при этом T₁=1). В полученные соотношения (4), (5) коэффициенты Т и Т₀ входят симметрично, следовательно, выбирая Т<Т₀ и устанавливая коэффициент передачи входной диафрагмы связи проходного резонатора T₁ в соответствии с приведенным соотношением (4), обеспечиваем критическую связь системы с подводящим волноводом.

Таким образом, при возбуждении УС через проходной резонатор за счет повышенного уровня СВЧ мощности, падающей на входную диафрагму связи УС, может быть выполнено соотношение Т<Т₀, т.е. уменьшен размер отверстия связи в этой диафрагме и тем самым уменьшена степень влияния входной диафрагмы связи УС на структуру ускоряющего поля, при этом сохраняется критическая связь УС с подводящим волноводом.

Сопоставление способов было проведено на макетах устройств, выполненных по заявленному способу и способу-прототипу. Устройство, схема которого приведена на чертеже, выполнено по предложенному способу. В устройстве для реализации способа-прототипа отсутствует диафрагма 4, остальные элементы подобны. Ускоряющий и проходной резонаторы моделировались отрезками прямоугольного волновода длиной 116 мм с поперечным сечением 72×34 мм². В качестве диафрагм связи использовались плоские пластины одинаковой толщины 3 мм с отверстием связи для ввода СВЧ мощности.

Согласно заявленному способу ввод СВЧ мощности из подводящего волновода 5 в ускоряющий резонатор 1 осуществлялся через промежуточный резонатор 2, образованный отрезком волновода 3, ограниченного диафрагмами 4 и 2. При осуществлении способа-прототипа СВЧ мощность в ускоряющий резонатор 1 вводилась непосредственно из подводящего волновода 5. В этом случае из волновода убиралась диафрагма 4, заменялась диафрагма 2 на диафрагму с большим отверстием связи.

В обоих случаях варьированием размеров отверстий связи достигалась критическая связь по входу, измерялись собственные добротности ускоряющего Q_yc. и проходного Q_пр. резонаторов и размеры отверстий связи. Значения коэффициентов передачи диафрагм вычислялись по измеренным размерам отверстий и толщины диафрагм с помощью программы HFSS. Результаты измерений и вычислений приведены в таблице, частота f₀=2442 МГц.

Объект Добротность резонаторов Коэффициент передачи диафрагм связи Размеры отверстия связи, мм² Отношение мощностей Р'/Р_г Q_yc. Q_пр. Т₀ Т T₁ Входная диафрагма связи ускоряющего резонатора Входная диафрагма связи проходного резонатора   Известный способ-прототип 11000 - 0.029 - - 10×20.3 - 1 Предложе-нный способ 11000 9500   0.00133 0.1 5×10 10×29.5 11

Результаты проведенных экспериментов подтверждают, что ввод СВЧ мощности в УС через проходной резонатор с высокой собственной добротностью позволяет существенно (в несколько раз) уменьшить размер отверстия связи во входной диафрагме связи УС, тем самым уменьшить его влияние на структуру ускоряющего поля при сохранении критической связи УС с подводящим волноводом.

Источники информации

1. Зверев Б.В., Собенин Н.П. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1993.

2. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Свойства связанных резонаторов // Радиотехника и электроника. 2000. Т.45. №2. с.180.

3. Альтман Дж. Устройства СВЧ. - М.: Мир, 1968.

Изобретение относится к ускорительной и СВЧ технике. Техническим результатом является уменьшение размера отверстия во входной диафрагме связи ускоряющей структуры (УС) и тем самым уменьшение его влияния на структуру ускоряющего поля, при этом сохраняется критическая связь УС с подводящим волноводом. Способ характеризуется тем, СВЧ мощность от генератора направляют через подводящий волновод сначала в проходной резонатор с высокой собственной добротностью, выходная диафрагма связи которого совмещена с входной диафрагмой связи ускоряющей структуры (УС), повышают в проходном резонаторе уровень СВЧ мощности, падающей на входную диафрагму связи УС до значения Р'≅Р_г(Т+Т₀)/2ТТ₀, где Р_г - СВЧ мощность от генератора. Т₀ и Т - коэффициенты передачи указанной диафрагмы соответственно при отсутствии и наличии проходного резонатора, причем Т<Т₀, а коэффициент передачи входной диафрагмы связи проходного резонатора T₁ определяют из выражения Т₁=[1+(Т₀/Т-Т/Т₀)²/4]^-1/2. 1 ил., 1 табл.

Способ возбуждения ускоряющей структуры (УС), включающий ввод СВЧ-мощности от генератора в УС через входную диафрагму связи, отличающийся тем, что СВЧ-мощность от генератора вначале направляют в проходной резонатор с высокой собственной добротностью, выходная диафрагма связи которого совмещена с входной диафрагмой связи УС, повышают в проходном резонаторе уровень СВЧ-мощности, падающей на входную диафрагму связи УС, до значения Р'≅Р_г(Т²+Т₀ ²)/2ТТ₀, где Р_г - СВЧ мощность от генератора, Т₀ и Т - коэффициенты передачи указанной диафрагмы соответственно при отсутствии и наличии проходного резонатора, причем Т<Т₀, а коэффициент передачи входной диафрагмы связи проходного резонатора T₁ определяют из выражения: T₁=[1+(T₀/T-Т/Т₀)²/4]^-1/2.