СВЧ-УСТРОЙСТВО Советский патент 1995 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано как для эффективной генерации СВЧ-колебаний, так и для ускорения электронов для релятивистских скоростей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения режима ускорения при сохранении эффективной автогенерации.

Цель достигается тем, что в СВЧ-устройстве, содержащем инжектор электронного пучка и замедляющую систему, состоящую из трех участков, второй участок замедляющей системы выполнен с переменным периодом D₂(см), а длины l₁,l₂,l₃ (см) трех участков и их параметры выбраны из соотношений
l₁≃ (1-3) β_ф1λ ;
l₂ = λ²β3п

γ³m_oc²/elГ · ;
l₃ = (0,2-0,4) ; (1) D₁ = /(2π);
β_ф1 ≥ β _п; β ф₃=1; D₃= λ β _п/(1+ β _п);
|Г₁|=0,1-0,25; l=(2-5)l_п;
π/4≅ θ ≅ 3π /4, где η - КПД автогенерации;
β _п- приведенная скорость частиц инжектируемого пучка;
Г₁ - коэффициент отражения от левого (входного) торца замедляющей системы с учетом трансформации гармоник;
λ - рабочая длина волны (см);
m_ое - масса покоя (кг) и заряд электрона (Кл);
с - скорость света (см/с);
I_п - пороговый ток автогенерации пучка (в режиме генерации) (А);
Е - электродинамический параметр первого участка для основной гармоники ();
С_y - параметр усиления 1-й гармоники на третьем участке, С_y=0,05-0,25;
D₁, D₃ - период замедляющей структуры на первом и третьем участках, имеющей емкостный тип связи между элементами периодичности (см);
θ₁ - вид колебаний на первом участке;
β_ф1 - приведенная фазовая скорость основной волны на первом участке и в начале второго, имеющего линейное по своей длине изменение периода, фазовой скорости, электродинамического параметра;
β_ф3 - приведенная фазовая скорость основной длины в конце второго участка и на всем третьем участке;
U,I - напряжение (В) и ток (А) инжекции пучка;
γ - релятивистский фактор пучка.

На фиг.1 представлена принципиальная схема подключения СВЧ-устройства; на фиг. 2 - зависимости изменения основных электродинамических параметров вдоль структуры; β -1 - приведенная фазовая скорость обратной волны; β_гр - приведенная групповая скорость.

СВЧ-устройство, изображенное на фиг. 1, содержит трансформатор типа волны (ТТВ) 1, три участка l₁,l₂,l₃ замедляющей системы, согласованную поглощающую нагрузку 2, причем замедляющая система оснащена фокусирующей системой 3. При этом параметры пучка инжектора 4, замедляющей системы и коэффициента отражения от ТТВ выбраны в соответствии с условиями (1). ТТВ соединен с СВЧ-трактом 5, который в зависимости от режима работы устройства соединен либо с нагрузкой 6 и измерителем 7 мощности, либо с источником (внешним генератором) 8 СВЧ-мощности.

СВЧ-устройство работает следующим образом.

В режиме генерации непрерывный немодулированный электронный пучок, параметры которого выбраны в соответствии с условиями (1), удерживаемый магнитным полем фокусирующей системы 3 от кулоновского расталкивания, поступает из инжектора 4 в замедляющую структуру СВЧ-устройства, в котором часть энергии пучка, взаимодействующего со структурой, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний по типу каскадного автогенератора ЛБВ-ЛОВ. Затем эта энергия поступает по СВЧ-тракту 5 к потребителю в нагрузку 6 и измеритель 7 мощности, которые построены по известной схеме и из стандартных элементов.

Автогенерация пучка начинается на третьем участке как и в обычной ЛОВ при выполнении условий
I>I_п=U/(8,2R_свN);
I₃= (0,2-0,4) β_пλ /C_y; N= I₃/(β -1λ );
Δϕ = hI₃˙ωt=2I₃-(1/β -1-1/βп /λ - π ,(2) где R_св - сопротивление связи для 1-й гармоники;
β -1 - ее фазовая скорость; Δϕ - фазовое скольжение пучка относительно обратной волны на третьем участке.

Генерируемое на третьем участке электромагнитное поле распространяется к левому торцу структуры со скоростью v_гр(z)= =β_гр(z)с (см.фиг.2) по второму участку. На этом участке пучок с полями структуры не взаимодействует ввиду нарушения условий синхронизма: β-1=var≅033; β_п≈const≈0,5. Затем электромагнитная волна частично отражается с коэффициентом Г от оптимальным образом настроенной нагрузки либо настроенного штырем ТТВ 1. Отраженная волна, ставшая прямой, на первом участке передает свою энергию синхронному с ней пучку и вызывает его скоростную модуляцию благодаря выполненному теперь условию β_ф1> β _п, в то время как обратная волна не взаимодействует с пучком на первом участке ввиду большого рассинхронизма (см.фиг.2). На втором участке происходит дрейф пучка, не взаимодействующего ни с прямой, ни с обратной волной ( β _ф2, β -1= vаг), поэтому здесь скоростная модуляция переходит в фазовую. Покажем, что в режиме генерации небольшой мощности отраженной волны достаточно для заметной модуляции пучка. Считаем, что l₁<<L, где L - общая длина секции (замедляющей системы), и что с точки зрения группировки можно заменить первый участок эквивалентным резонатором. Тогда легко оценить параметр группировки по известной формуле, учитывающей релятивистскую поправку: r= 2πеU_эI₂/λm_ос β_пγ ) , (3) где U_э - амплитуда напряжения на зазоре эквивалентного резонатора;
U_э = IГ( /λ)(E_oλ/), (4) где Р_п - СВЧ-мощность автогенерации;
Е_оλ/ - электродинамический параметр для основной гармоники на первом участке. Учитывая, что оптимальное значение параметра Г=1-1,5 и Р_п= η U₁, из формул (3) и (4) получаем выражение для I₂, приведенное в условиях (1). Неучтенные в формулах (3) и (4) факторы дополнительной волноводной группировки на первом и в начале второго участка и понижения параметра группировки из-за кулоновских эффектов невелики и при I≅ 4А компенсируют друг друга. На конечном участке происходит интенсивная автогенерация, так как пучок модулирован и его скорость β_п≥β -1. Таким образом, цепь внутренней распределенной положительной обратной связи и имеет два контура: малый на третьем участке, в котором участвуют обратная волна и пучок (как в традиционной ЛОВ); и большой на длине L, в котором участвуют обратная волна, отраженная волна, пучок.

Как показывают численное моделирование и эксперимент максимум КПД автогенерации достигается при выборе величины тока, в 25 раз превышающей величину порогового тока, что согласуется с аналогичными данными по секционированным (каскадным) приборам. Увеличение КПД до значений, характерных для специальных ЛБВ (30-60%) и более, достигается здесь за счет предварительной модуляции пучка отраженной волной при условии правильного ее согласования выбором фазы и модуля коэффициента отражения. Заметим, что благодаря наличию поглощающей СВЧ-нагрузки 2 отраженная от левого торца секции волна, ставшая прямой и прошедшая всю длину структуры, не может снова отразиться и вступить во взаимодействии с пучком, что привело бы к паразитной многомодовой генерации и понижению КПД. Тем самым этот механизм автогенерации отличается от обычной резонансной ЛОВ, для которой реально достижимый КПД меньше 30%.

В режиме ускорения СВЧ-устройство работает следующим образом. СВЧ-мощность поступает от источника 8, представляющего собой либо внешний СВЧ-генератор, либо накопительный резонатор и коммутатор СВЧ-мощности (представляющие в совокупности устройство компрессии СВЧ-мощности автогенерации), по СВЧ-тракту 5 и ТТВ 1 в замедляющую структуру и заполняет ее. Инжектированный из инжектора 4 электронный пучок благодаря синхронизму с основной волной группируется и захватывается в ускорение на первом и втором участках так же, как и в обычных волноводных ЛУЭ благодаря соблюдению известных зависимостей изменения фазовой скорости основной волны вдоль продольной координаты (см. фиг.2). Как известно, для таких ЛУЭ первый участок с постоянной фазовой скоростью составляет не более трех замедленных длин волн, а второй участок с переменной фазовой скоростью - около трех-пяти длин волн в свободном пространстве. Второй участок содержит скачок фазовой скорости, необходимый для того, чтобы перейти от оптимальной фазы группирования (вблизи π/2) к оптимальной фазе ускорения релятивистского пучка (вблизи 0), осуществляемого на третьем участке. В согласованной СВЧ-нагрузке 2 утилизируется неиспользованная СВЧ-мощность бегущей волны. Для того, чтобы описанной здесь традиционное ускорение было совместимо с возможностью автогенерации в одной и той же структуре, необходимо выполнение одновременно следующих условий для третьего участка: β _ф3=1; β -1- β _п, где β _ф3 - приведенная фазовая скорость основной волны на третьем участке (и в конце второго). Отсюда следует условие выбора периода структуры на этом участке: D₃= λ β_п /(1+ β_п) при условии, что между ячейками структуры тип связи емкостный. В качестве такой узкополосной (работа в обоих режимах принципиально на одной и той же частоте) электродинамической структуры можно использовать, например, диафрагмированный волновод или структуру с шайбами и диафрагмами.

Таким образом, в предлагаемой замедляющей системе возможен такой выбор ее параметров, что их сочетание в одной и той же генераторно-ускоряющей структуре обеспечит непротиворечивые условия эффективной генерации и ускорения до релятивистских энергий.

Как видно из условий (1) граничные значения выбора величины I₂зависят от выбора |Г|. Как показали данные эксперимента и численного моделирования, при |Г|≅0,1 КПД автогенерации снижается до уровня обычной ЛОВ (1-15%) и увеличивается длина дрейфового (среднего) участка: из выражений для С_y и I₂ получаем, что при Р₁< 0,5λ; l=2l_п=0,6 А; с_y=0,066 I₂/λ14, т.е. учитывая, что для приборов О-типа η< 6С_y, получаем, что l₂> 22λ . Столь большая длинавторого участка неприемлема как с точки зрения большого затухания, приводящего к снижению КПД автогенерации в ехр(2l₂ α) раз (для несверхпроводящей структуры это приблизительно двукратное снижение), так и снижения среднего по секции темпа ускорения до значений 0,01 МэВ/м, в то время как приемлемые значения темпа ускорения для ускорителя электронов >2 МэВ/м. Кроме того, если первый участок настолько короткий, что l₁ < β_ф1λ, то, как известно из теории линейных ускорителей электронов, при типичных значениях мощности внешнего генератора порядка нескольких мегаватт на первом участке длиной β_ф1λ частицы не успевают совершить четверть периода фазовых колебаний, что приводит к уменьшению коэффициента захвата менее 50%, что для режима ускорения неприемлемо.

Если III> 0,25, то это, как известно, делает невозможным согласованную работу внешнего источника СВЧ-мощности с предлагаемым устройством в режиме ускорения по причине недопустимо высокого КСВ>1,7 и, кроме того, приводит к СВЧ-пробоям. При l₁≥3 β_ф1λ частицы пучка совершают внутри сепаратриссы при мощности генератора 10 МВт не мене половины периода фазовых колебаний, что также приводит к снижению коэффициента захвата менее 50%, а это делает режим ускорения неприемлемым из-за известного явления перегруппировки пучка на участке с постоянной фазовой скоростью. При токе пучка I>5l_п=1,5 А в режиме автогенерации, как следует из эксперимента (и это согласуется с выводами нелинейной теории), КПД автогенерации снижается более чем вдвое. Кроме того, из-за эффекта нагрузки током в режиме ускорения величина относительного энергетического разброса становится более 80%, что делает невозможным вывод, транспортировку и использование пучка с таким качеством. Как показал эксперимент, при уменьшении величины I₃менее 0,2β_п λ /С_y=20 см (при I=1 А), что достигалось отключением соответствующих галет фокусирующего соленоида, автоколебания срывались, а при I₃>60 см (что достигалось подключением новых галет соленоида, размещенного на внутриволноводной поглощающей нагрузке, изготовленной из стандартных идентичных ячеек, но покрытых альсифером) возникали фазовая
нестабильность и амплитудная модуляция сигнала (как и при увеличении | Г| ≥0,25). Выбор рабочего вида колебаний θкак и в обычном ЛУЭ на бегущей волне определяется возможностью согласованного ввода СВЧ-мощности мегаваттного уровня (без пробоев) и удовлетворительной постройки ячеек структуры при приближении к границам полосы пропускания с малыми внутренними отражениями: |Г|< 0,1. Кроме того, вблизи границ полосы пропускания резко увеличивается время заполнения структуры, затухание в ней, а в режиме атвогенерации снижается КПД из-за неустойчивости многомодовой генерации. Исходя из этого, как и для ЛУЭ на бегущей волне, всегда имеем π/4≅ θ ≅ 3π /4.

Напряжение инжекции пучка определяется как и в обычных ЛУЭ компромиссом между увеличением опасности пробоев с ростом напряжения и уменьшением коэффициента захвата при понижении скорости частиц пучка и фазовой скорости волны. Обычно для отечественной техники эта величина составляет 35-130 кВ.

Таким образом, выход хотя бы одного параметра за указанные границы приводит либо к нарушению эффективной работоспособности одного из режимов (ускорение - генерация), либо к полной потере работоспособности обоих режимов.

Заметим, что в случае использования накопительного высокодобротного резонатора с коммутатором СВЧ-мощности совместно с предлагаемым СВЧ-устройством и инжектором пучка работа устройства циклическая. В период накопления СВЧ-энергии, генерируемой немодулированным на входе в СВЧ-устройство пучком, величина коэффициента связи резонатора с СВЧ-трактом близка к критической и нагруженная добротность резонатора составляет половину собственной добротности резонатора. В период использования СВЧ-энергии величина коэффициента связи надкритическая и определяется из того условия, что время использования СВЧ-энергии должно быть не меньше времени заполнения СВЧ-энергией замедляющей структуры СВЧ-устройства. Благодаря различию времени накопления и использования СВЧ-мощности происходит увеличение СВЧ-мощности на порядок и более, что дает возможность получения ускоренных до релятивистских энергий импульсов тока в таком устройстве.

Использование: СВЧ-техника. Сущность изобретения: СВЧ-уо содержит инжектор электронного пучка и замедляющую систему, состоящую из трех участков. Параметры замедляющей системы определяются из заданных соотношений. 2 ил.

СВЧ-УСТРОЙСТВО, содержащее инжектор пучка электронов и замедляющую систему, выполненную из трех участков, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения режима ускорения при сохранении автогенерации, второй участок замедляющей системы выполнен с переменным периодом D₂ (см), а длины l₁, l₂, l₃ (см) трех участков и их параметры выбраны из соотношений






D₃= λβ_п/(1+β_п);
lГ₁l = 0,1-0,25;
l = (2-5) l_п;
π/4 ≅ θ ≅ 3π/4,
где η - КПД автогенерации;
b_п - приведенная скорость частиц инжектируемого пучка;
Г₁ - коэффициент отражения от левого (входного) торца замедляющей системы с учетом трансформации гармоник;
λ - рабочая длина волны, см;
m_о, e - масса покоя, кг, и заряд электрона, Кл;
c - скорость света, см/с;
l_п - пороговый ток автогенерации пучка (в режиме генерации), А;

- электродинамический параметр первого участка для основной гармоники, Ом²;
C_у - параметр усиления - 1-й гармоники на третьем участке, С_у = 0,05 - 0,25;
D₁, D₃ - период замедляющей структуры на первом и третьем участках, имеющей емкостный тип связи между элементами периодичности, см;
θ₁ - вид колебаний на первом участке;
- приведенная фазовая скорость основной волны на первом участке и в начале второго, имеющего линейное по своей длине изменение периода, фазовой скорости, электродинамического параметра;
- приведенная фазовая скорость основной волны в конце второго участка и на всем третьем участке;
U, I - напряжение, В, и ток, А, инжекции пучка;
ν - релятивистский фактор пучка.