Способ получения сверхвысокочастотного электрического поля Советский патент 1991 года по МПК H01P7/06 H05H7/18 

315829

распределение напряженности азймуталь Ной компоненты которого вдоль радиуса системы (кривая 5), существенным образом отличается от распределения по- ля в закрытом цилиндрическом резонаторе, который использован tr прототипе (кривая 6) При этом азимутальная компонента в закрытом резонаторе достаточно быстро спадает вблизи стенки JQ 7 резонатора,,

Резонатор возбуждают ,путем пропускания модулированного пучка электронов в запредельной области радиального волновода 2 перпендикулярно оси резонатора z. Частота следования сгустков пучка выбирается равной собственной частоте резонатора, i Распределение собственного элект рического Поля в таком резонаторе описывается следующими выражениями:

Изобретение ртносится к технике СВЧ и может быть использовано в ускоИзобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в ускорительной технике. Целью изобретения является увеличение напряженности возбуждаемого электрического поля при заданной энергии электронов возбуждающего пучка путем увеличения тока пучка. На фиг. 1 изображено распЪложение электронного пучка и резонатора} на фиг. 2 приведено распределение полей. в резонаторе. рительной технике. Целью изобретения является увеличение предельной напряженности возбуждаемого электрического поля. Цель достигается за счет увеличения тока электронного потока, пропускаемого в запредельной области открытого резонатора в соответствии с изобретением. При этом размеры резона тора выбираются такими, чтобы у стенок резонатора электромагнитные поля имели только тангенгальные составляющие электрического поля, а компонента поля, с которой взаимодействует .электронный поток, плавно спадала вдоль радиуса резонатора. Таким образом можно достигать требуемых соотношений между напряженностями электромагнитных полей в области прохождения электронного потока и в области максимальных напряженностей полей. Частота модуляции -электронного потока выбирается равной частоте собствен- ного колебания открытого резонатора. 2 ил. (Л С Открытый резонатор образован сое- , динением запредельных цилиндрического волновода 1 и радиального волновода 2, в области 3 связи двух волноводов устанавливаются электромагнитные поля с азимутально направленной электрической составляющей при возбуждении резонатора предварительно промодулиро- ванным электроннЕтм потоком 4, который проходит в радиальном волноводе 2. При этом электронный поточ возбуждает в структуре электромагнитное поле, СЛ эо ю X) со СП

L&bJU fWnp i 9 1/2 о 1Л.п. a)

C- -1.

t.

n«i

A m-f Pm(-1) г . Ы11вЈ1 . COS(P

cosvrlln

МтйА,г.й + 1

)

при r }

со

Ј

„ rii(P,n- r) chOW)ф ( n

ЧМРТГа) ) Ј -

-nP r a- 1/2

11 V7 tm .

30

где KO - постоянная , определяемая амплитудой ПОЛЯ} ь

р „ j«L. р - 2JL. „ Ftb- 2 1 1( а

i,,,,.,-. /т г (Ш ч

-(Тр- i ГепГТТ Тр ; корни уравнения („а) 0; п 1t2,3,.,.;,I0(P1nr), 1ДР1вг) -функ- .ции Бесселя 1 рода$ I () - моди- 5 фИ1$ированш.|е функции Бесселя; r) -функции Макдональда; Др- резонансная длина волны резонатора.

40

Из этих формул следует, что элект, рическое поле в запредельной области радиального волновода не имеет резкой границы. Поэтому перемещая место про1 лета пучка с заданной энергией частиц в сторону больших радиусов (увеличивая одновременно ток пучка), можно

увеличить напряженность возбуждаемого пучком электрического поля. Этот факт

s иллюстрируется кривой 5, на которой изображено распределение,электрического СВЧ-поля в плоскости z 0 в резонаторе с Ар 10 см; а 5,95 си; 1 а 3,74 см. Экспериментальные измерения показали, .что добротность такого резонатора равна 2 -10 ,(

То ест% в данном случае можно воз будить выделенный тип колебаний открытого резонатора. Поэтому в дальЫ11вЈ1 . COS(P

cosvrlln

)

z)

при r } a

tn-1

4 mfP.

(, + г1-)Уг Г1аШ«й1 + b iEte«il

anH i } )J

0

5

0

нейшем можно для расчетов возбуждения .данного резонатора пользоваться стандартными формулами возбуждения резонансных типов колебаний электронным потоком.

При таком способе возбуждения резонатора электронным потоком выигрыш достигается за счет того, что собст- , венная мода типа ТК011 резонатора, образованного соединением запредельных цилиндрического и радиального волноводов, имеет вблизи металлических поверхностей только тангенсальные составляющие электрического поля, а компонента Е, с которой взаимодействует поток, в области радиального волновода является плавно спадающей вдоль радиуса. Исходя из этого можно подобрать требуемое соотношение между максимальной напряженностью поля ,

AluKC

и полем Б ц в области прохождения электронного потока. Из самосогласованного решения задачи о возбуждении „. электронным потоком резонатора и о движении электронного потока в наведенном электрическом поле можно найти соотношение между током пучка энергией частиц пучка при заданном значении максимальной напряженности электн рического поля Е- eiu. и кратчайшим расстоянием от оси резонатора до траектории пучка. Эти условия имеют следу- ющяй вид:

условие практически всегда выполняется, даже для максимального разумного

значения К

масс

10 В/см. Например,

для условий, практически достижимых (А- 10 см, Ј 200 кэВ), учитывая,

что

Л г

V

при b 10 см.

ЛЛЛКС

0,15, а при Л

« 9.106 В/см, 5 см, Ј ЗООкэВ,

рассматриваемый резонатор в области пролета пучка представляет собой дв металлические плоскости, расположен ные на расстоянии 1, то задача сводится к определению провисания поте циала между этими пластинами и пучк радиуса г. Для проведения оценок б дем считать это провисание малым по

;П п/ о in сравнению с энергией частиц. Тогда,

П 0,0ч. Это связано с тем обстоя-

представляя пучок равномерно заряже ным цилиндром, движущимся со скоростью V, задачу решим методом изоб ражений. В результате получим следу щее выражение для провисания потенц ала от каждой из пластин до оси пуч

.тельством, что во-збуждающий пучок,пролетай в запредельной области открытого резонатора, встречает на своем пу- fU электрическое поле, значительно меньшее Е мякс

Второе соотношение учитывает силы Нространственного. заряда. Поскольку

60Io Г . . |

Ь+ 2

k

I 1П

(2k-1)V -г7п (2k-1)V-i+ V П„ 2k-i)V . 2Ш I)

& I T2k-mF rY - ln (2kiF- l J)

Это выражение сильно упрощается при г п « 1

6° Г {1П 2Г„ 1 4Г

Максимальные потери энергии частиц возбуждающего пучка в резонаторе

9 35

4Јм«кс еЕма(1СЛЈЈ4 4 .

A«eKcV1-l6

я того, чтобы пучок прошел через резонатор и возбудил его, начальная i энергия частиц Ј должна быть больше 40 суммы ДЈМ(т+ el)

Из таблицы 1 следует, что, перемещая место пролета пучка в сторону больших радиусов, можно путем увеличения тока пучка существенно увеличить напряженность возбуждаемого поля. Так, изменяя параметр b от 6 до 10 см, можно увеличить EWC(KC в

рассматриваемый резонатор в области пролета пучка представляет собой две металлические плоскости, расположенные на расстоянии 1, то задача сводится к определению провисания потенциала между этими пластинами и пучком радиуса г. Для проведения оценок будем считать это провисание малым по

представляя пучок равномерно заряженным цилиндром, движущимся со скоростью V, задачу решим методом изображений. В результате получим следующее выражение для провисания потенциала от каждой из пластин до оси пучка

In

(2kl)(2kl)

«-11 J

Рассмотрим пример реализации способа при возбуждении резонатора с параметрами ,95 см; ,74 см; Л - 10 см пучком электронов с энергией 200 кэВ Расчет показывает, что при пролете пучка по траектории, про- ходяр;ей вблизи границы запредельной области (Ь 6 см), Е с 3-10s В/см. При пролете пучка на больших, расстоя- ниях от оси резонатора Емвкс возрастает согласно данным, приведенным в таблице. В этой же таблице приведены рассчитанные значения тока пучка I (требуемые для получения указанных

раз. При реальных параметрах пучка Ј0 200 кэВ, 10 800 А можно получить максимальную напряженность элект- / рического поля ЕМС(КС 107 В/см.

Формула изобретения

Способ получения сверхвысокочастотного электрического поля в резонаторе

515Н2935

- Г 1й1 Г К.« k,(| Vt-l6« )

VtrTo is x;;-

-60 f- {

где Ip, I0 - амплитуда резонансной .«интегрирование проводится по объему

гармоники и среднее значение в импуль-резонатора; К - функция Макдональда;

се тока пучка, А; Л - собственнаяQ - добротность резонатора; А длина волны резонатора, м; EMaKf- трс-максимальное значение вектор-потен буемое максимальное значение напря-цнала собстренного поля; Ј - энерженности возбуждаемого поля,, В/м| гчя частиц возбуждающего пучка, Дж|

а Ь ,,,Ј в

b - кратчайшее расстояние me - энергия покоя электтпс

центра резонатора до траектории пучка,

м 1 расстояние между пласти-л.л20

электрона, Кл; c/-f$ -a - радиус ци- л

нами радиального волновода, MJ М

- где А - вектор-потенци- линдр ческого запредельного волновода, м; гп - радиус пучка, MJ

ал собственного поля в резонаторе,

А

п

tf -« Jf

с

J1 модифицированные функции

Бессёля; J- корень функции Бесселя I1(iJ) Первое соотношение пблучено в приближении заданного тока4 Покажем, что при практически реальных значениях KM(JKC до 107 В/см это приближение справедливо с высокой точностью при условии малостИ влитния кулоновских полей.

Для этого рассмотрим самосогласованную задачу о возбуждении резонатора последовательностью сгустков, про- летающих в запредельной области резо натора с кратчайшим расстоянии от его оси, равным Ъ, Принимая за Направление движения пучка ось х, электрическое поле в- резонаторе запишем в виде

E(x,t)E 1(х)совы t+E4(x)sinu)fc Уравнение движения частицы имеет

вид

-- (t)Jcos{ot - eEjtxCtysinwtjj

Рассмотрим, при каких условиях Движение частицы мало отличается от свободного. Для этого запишем s

eE««Kt Л

„ZacA

A ew/biest1

тпс

рона; V - скорость электронов, м/с} с - скорость света, м/с} е - заряд, .

электрона, Кл; c/-f$ -a - радиус ци- л

линдр ческого запредельного в

да, м; гп - радиус пучка, MJ

2-)

i.(g(-Vi-.6.) + ч,2. i,() ({i/lfTe)

35

x(t)x0(t)+x ,(t); x0(t) V(t)-Ve+Ve(t); P(t)Pu+P, (t)

Обозначая наибольшее значение величин Ef и Ё г через ЕО и проводя интегрирование, получим

p(t)pe{u игмо+м ь

где F, (t)w J ЫМ dt;

t «.

Е.

F7(t)«wJ §jijtЈl sinwt dtj

- ba

м -Јib-j

/ - pe we

P0, Vtf - импульс и скорость частиц пучка до влета в резонатор.

Считая, что р «1, имеем V(t)-Vf l+Jl tF,(t)+Ft(t)j .

Из формулы для V(t) следует, что движение частиц будет мало отличаться

И

Т

Г

от свободного, когда -f «1. Это

158

на ТЁ-типе колебаний с тангенциально направленным у стенок резонатора электрическим полем путем возбуждения резонатора модулированным пучком электронов, пропускаемым перпендикулярно его оси, отличающийся тем, что, с целью увеличения предельной напряженности возбуждаемого элект

5

10

рического поля, в качестве резонато - ра использован открытый резонатор, образованный соединением запредельных круглого и радиального волноводов, а пучок электронов пропускают в радиальном волноводе, вне пределов круглого волновода.

ФигЛ

40

16 &

Фаг. I