Система в.ч. питания резонатора линейного ускорителя Советский патент 1976 года по МПК H05H7/00 H05H13/00 

пие резонатора линейного ускорителя на две одинаковые части, расположенные на фиксированном расстоянии, осуществить стабилизацию В. Ч. поля в резонаторе путем применения обратной связи по отраженной волне, упростить настройку В. Ч. генератора, снизить уровень рабочих мощностей в элементах устройства и повысить точность стабилизации.

Достигается это тем, что в предлагаемом устройстве резонатор ускорителя запптан от двух одинаковых выходов оконечного каскада В. Ч. генератора через направленные ответвители с коэффициентом деления мощности 1/2, вторые выходные плечи каждого из которых тоже соединены с резонатором через невзаимиые фазовращатели с невзаимным фазовым сдвигом я. Кольцом обратной связи охвачен только оконечный каскад В. Ч. генератора, а сигналом обратной связи является сигнал пропорциональный сумме отраженных от входов резонатора волн, которые выделены в развязанных плечах двух направленных ответвителей и поданы на вход Г-моста, который совместно с двумя линиями переменной длины является плавным ослабителем отраженной волны и осуществляет плавную регулировку сигнала обратной связи. Сигнал обратной связи в нужной фазе складывается го стабильной волной, падающей из предварительного каскада генератора с иомощью: Т-моста . Выходное плечо 7-моста сложения, в котором выделяется разностный сигнал, соединено с входом оконечного каскада генератора, тем самым осуществлено автоматическое регзлирование мощности выходного каскада генератора и достигнута стабилизация амплитуды и фазы В. Ч. поля в резонаторе, нагруженном пучком. Кро.ме того, за счет получающегося разветвления линий свя.и у.меньщается уровень рабочих мощностей в пассивных элементах устройства.

Ка чертеже изображена схема предлагаемого устройства В. Ч. питания линейного ускорителя. Резонатор / подключен к оконечному каскаду 2 генератора при помощи двух направленных ответвителей 3, в одно из выходных плеч каждого из которых включен невзаимный фазовращатель 4 с невзаимным фаЗОВЫ.Д1 сдвигом я. Здесь принято, что фазовые длины линий связи между резонатором / и выходными плечами каждого из направленных ответвителей 5 для падающих из ответвителей волн отличаются на л/2. Плечи направленных ответвителей 3, в которых выделяю гся отраженные от резонатора волны, подключены к выходным плечам Т-моста о, являющегося ослабителем отраженной волны, через линии 6 переменной длины.

Производя одновременное укорочение одной линии 6 и удлинение другой линии 6 (что можно осуществить перемещением Г-моста 5) гаожно менять распределение мощности между выходными плечами Г-моста 5, тем самым регулировать сигнал обратной связи.

Одно из выходных плеч Г-моста 5 нагрз жено на согласованную нагрузку 7, а второе выходное плечо, с которого снимается сигнал обратной связи, подключено к одному из входных плеч 7-;моста сложения 5 через фазовращатель .9. Фазовращателем 9 осуществляется исходная установка соотнощения фаз в кольце регулирования.

Другое входное плечо Г-моста 8 соединено с выходом предоконечного каскада 10 генератора. Одно из выходных плеч Г-моста сложения 8 иагружено на согласованную нагрузку 7, а другое выходное плечо соединено с входом оконечного каскада 2 генератора.

Оконечный каскад 2 генератора имеет два одинаковых выхода, которые подключены к входным плечам направленных ответвителей 3 через одинаковые линии связи.

iB исходном состоянии резонатор / настроен и нагружен номинальным током пучка, все входы резонатора электрически одинаковы и согласованы с линиями связи. Оконечный каскад 2 генератора установлен в несколько недонапряженньш режим, с целью) обеспечения линейности амплитудной характеристики, и имеет заданный коэффициент усиления. Необходимая мощность, вырабатываемая оконечным каскадом 2 генератора снимается с двух одинаковых выходов каскада и по двум линиям связи одинаковой фазовой длины поступает на вход направленных ответвителей 5. Мощность, поступающая на вход каждого ответвителя, делится пополам между двултя выходными плечами. Соотношения фазовых длин линий связи каждого ответвителя с резонатором для падающих на резонатор и отраженных от резонатора ъолн одинаковы. Фазовые длины линий связи ответвителя с резонатором для падающих волн отличаются друг от друга на я/2. Такой выбор соотношения фазовых длин обеспечивает полное сложение мощностей в резонаторе, которые поступают на его четыре входа. Таким образом, когда нагруженный резонатор согласован с линиями связи, вся мощность, вырабатываемая оконечным каскадом вводится в резонатор и обеспечивает необходимый уровень ускоряющего поля с заданной фазой. При изменении нагрузки резонатора пучком или его расстройке амплитуда и фаза В. Ч. поля в резонаторе изменяю|гся, и на всех входах резонатора возникают отраженные волны с одинаковыми амплитудами и фазами. В одну из линий связи выходных плеч каждого ответвителя с резонатором включен невзаимный фазовращатель 4, который обеспечивает для падающей и отраженной волны в данной линии связи разность набегов фаз, равную л. В этом случае разность фаз между отраженными от резонатора волнами в сечениях выходных плеч каждого направленного ответвителя будет кратна соответствующей разности фаз для падающих из резонатора волн в этих сеченнях с точкостью до 2л/г, где ,l,2. . . При этих условиях отраженные от релслштора полностью ответвляются в развязанные плечн направленных отзетБителей. которые соединены с входнымн плечами Г-:,;сста 5 через линии 6 леременнон длины.

Амплитуды и фазы отраженных от входов резонатора волн в еечениях развязанных плеч ответвнтелей равны между собой. 7-мост 5 совместно с линиямн 6 переменной длины осуи1,ествляет плавное регулирование мощиости отраженной волны, которая поступает в линию обратной связи. Это регулирование осуществляется при иастройке стабилизации для заданного коэффипиента усиления оконечпого каскада. При одновременном укорочении одной и удлипеиии другой линии 6 (что легко осуществляется перем.ещением Г-моста 5) изменяется соотношение фаз отраженных от резонатора волн во входных сечениях Г-моста 5. Это позволяет перераспределять мощность отраженной волны линией обратной связи и балластной согласованной пагрузкой 7. Тем самым осуществляется плавное регулирование амплитуды сигнала обратной связи ири настройке стабилизации.

Сигнал обратной связи в виде волны напряжения с амплитудой, проиорциоиальной амплитуде, отраженной от резонатора волны, и с фазой, соответствующей фазе отраженной от резонатора волны, поступает на один ип входов Г-моста сложения 8, на второй вход Г-моста сложения поступает волна напряжения из иредоконечиого каскада 10 генератора со стабильной амплитудой и фазой. На выходе Г-моста сложения, подключенно:/: ко входу оконечного каскада генератора, выделяется волна, пропорциональная алгебраической разности падающих па вход волн, а на балластной нагрузке 7, подключенной ко второму Г-моста сложения, выделяется волна, пропорциональная сумме падак щих волн.

Исходные соотношения фаз в кольце обратной связи устанавливаются фазовращателем 9 при настройке устройства. Таким образом, ири изменен 1и нагрузки резонатора пучком или его расетройке амплитуда и фаза стабильной волны напряжения, поступающей на возбуждение окоиечпого каскада, с помощью обратной связи по отраженной волне изменяются, в соответствии с амплитудой и фазой, отраженной от резонатора волны, но только с противоиоложным знаком. Соответственпо изменяются амплитуды и фазы волн, падающих из оконечного каскада генератора. а амилитудь и фазы иаиряжений в заданном сечении резонатора (определяемом исходной настройкой соотношения фаз в кольце обратной связи, например, в се -енпи максимума электрического поля) и в сечениях линий связи резонатора с направленными ответвителями, находящимися на -расстоянии, кратном Я/2 (Я - рабочая длина волны) от заданного сечения резонатора, остаются постоянными пезависимо от изменений нагрузки. При этом

значенлл а гллитуды и фазы напряжений в уь;азанных сечениях всегда соответствуют значениям, установленным при согласованном работы резонатора, т. е. когда нет отраженной от резонатора волны, а значит и сигнала обратной связи.

Амплитуда и фаза В. Ч. поля в резонаторе регулируется изменением амплитуды и фазы волны, падающей из предоконечного каскада

10 генератора, режим работы которого может быть произвольным.

В «классических устройствах стабилизации В. Ч. иоля с отрицательной обратной связью сигналов. обратной связи является сигнал,

пропорциональный уровню В. Ч. поля в резонаторе, который еравнивается с опорным , в устройстве сравнения выделяется сигнал ошибки, который усиливаетея усилителем, находящимся в кольце регулирования,

те.м самым обеспечивается нужный уровень В. Ч. поля в резонаторе и его стабильность. В этом случае точность стабилизации определяется величиной коэффициента усиления ио кольцу обратной связи /Ср. В таких системах всегда /С(. При изменении нагрузки резонатора иитенсивиым пучком, а также внешних иричии резонатор может существенно расстраиваться. Это приводит к изменению исходной фазы сигнала обратной

связи, что существенно сужает область устойчивости устройства к самовозбу:й(дению. При сохранении необходимой области устойчивости значения К. оказываются иевысокими. что не позволяет добиться необходимой точности

стабилизации В. Ч. поля при ускорении интенсивных пучков. Кроме того, системы гроМОЗДК1-:, сложны и требуют тонкой пастройки.

В предлагаемом устройстве сигнал в виде отраженной волны выделяется ::еиосредственио в узлах связи с резонатором, п усилитель, охваченный кольцом обратной связи, усиливает не сигнал ошибки, а алгебраическую разность между стабильной амплитудои волны, падающей из предо сонечного усилителя, и отраженной волной, являющейся ошибки. Поэтому точность стабилизации не определяется коэффициентом усиления усилителя, охвачениого кольцом обратиой связи. Наличие усилителя в кольце обратной связи обусловлено только свойствами Г-моста сложения, где теряется часть мощности отраженной волны, и необходимостью повышения к. п. д. устройства из-за потерь

мощности на балластной нагрузке Г-моста сложения, поступающей из предоконечного каскада. В данном устройстве осуществляется стабилизация амплитуды и фазы В. Ч. поля в резонаторе только при изменении нагрузки током пучка и собственных параметров резонатора. Ошибка стабилизации в стационарном состоянии в заданном сеченип генератора равна нулю1, если при исходной настройке устройства выполнены следующие амплитудные

и фазовые соотношения

;К - 1/2; ОТ/

где К: - модуль коэффициента усиления оконечного каскада по нанряжеиию; т - модуль коэффициента ослабления ослабителя цо лаиряжеиию.

Г, Г2 А

где Г - коэффициент отражения от п-го узла связи с резонатором п 1,2,3,4.

2ф(1 + 2р)л.

где р 0,1,2,3,. . . ;

2ф - суммарный набег фаз в линиях связи кольца регулирования с учетом фазового сдвига в оконечном каскаде генератора. В рассматриваемом устройстве модуль коэффициента усиления но кольцу обратной связи, с учетом амплитудного условия настройки устройства ,/1 - 1/2 т , оказывается равным коэффициенту отражения от резонатора, то есть ;-/С(3 г /Г/.

Поскольку г 1, то устройство устойчиво к самовозбужденик, независимо от фазы сигнала обратной связи вплоть до Г 1. Но ;Л 1 соответствует режиму короткого замыкания или холостого хода резонатора и не является рабочим значением. Поэтому устройство оказывается устойчивым к самовозбуждению в широком диапазоне расстроек резонатора и изменений его нагрузки и осуществляет стабилизацию В. Ч. поля с нулевой огиибкой при условии выполнения указанных амплитудных и фазовых условий с точностью, зависящей от постоянства коэффициента усиления оконечного каскада, амплитуды и фазы волны, падающей из предоконечного каскада, постоянства соотношения фаз в кольце обратной связи и качества согласования линий связи в кольце регулирования.

Устройство обеспечивает высокую точность стабилизации амплитуды и фазы В. Ч. поля в резонаторе при обеспечении стабильности параметров В. Ч. генератора обычным способом стабилизации постоянных питающих напряжений каскадов генератора.

В качестве невзаимных фазовращателей 4 в устройстве могут быть применены ферритовые коаксиально-полосковые или волноводные фазовращатели, в то же время при работе устройства на более высоких частотах, в частности на частотах выще 800 А1гц направлен11Ь1Й ответвитель 3 вместе с невзаимным фазовращателем 4 могут быть заменены трехплечным циркуляторам. В качестве трехплечного циркулятора может быть использован ферритовый волноводный диркулятор, в частности фазовый циркулятор, Y и Г-образный циркулятор.

Целесообразиость регулировки сигнала обратной связи с помощью Г-моста, подключенного к плечам двух направленных ответвителей через линии переменной длины исходя из того, что в современных линейных ускорителях В. Ч. генератор, как правило, представляет собой многокаскадный В. Ч. усилитель, возбуждаемый от маломощного задающего устройства. При осуществлении стабилизации В. Ч. поля в резонаторе ускорителя путем применения обратной связи по отражепной волне точность стабилизации не определяется величиной коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью.

Р1сходя из этого для уирощения настройки многокаскадного В. Ч. усилителя целесообразно охватывать кольцом обратной связи только оконечный каскад усилителя, ио при этом большая часть мощности отраженной волны должна поступать на сложение с мощностью от предварительного каскада, и коэффициент ослабления отраженной волны оказывается невысоким.

Точность стабилизации в сильной степени зависит от качества согласования линий связи, находящихся в кольце обратной связи и плеч / -мостов, поскольку рассогласование приводит к многократным отражениям, что вызывает искажение сигнала в кольце регулирования. Поэтому при настройке устройства требуется осуществлять регулировку коэффициента ослабления отраженной волны при изменении коэффициента усиления оконечного каскада без нарущения условий согласования плеча направленного ответвителя, в котором выделяется мощность отраженной волны. Осуществить такую регулировку изменением связи с балластной нагрузкой, на которой выделяется мощность отраженной от резонатора волны при малых коэффициентах ослабления, достаточно сложно, поскольку связь линии обратной связи с балластной нагрузкой оказывается довольно сильной и регулировка связи приводит к существенному изменению нагрузки плеча направленного ответвителя, что приводит к рассогласованию плеча направленного ответвителя, ухудщению точности стабилизации.

Ослабитель, выполненный в виде Г-моста, подключенного к плечам двух направленных ответвителей через линии переменной длины, позволяет осуществлять полное перераспределение мощности, отраженной от резонатора волны, между двумя выходными плечами, в одно из которых включена согласованная нагрузка, а другое находится в цепи обратной связи. При этом плечи направленных ответвителей с отраженными от резонатора волнами всегда остаются согласованными, а величина сигнала обратной связи может регулироваться практически во всем диапазоне возможных значений коэффициента усиления усилителя, охваченного обратной связью.

Формула изобретения

1. Система В. Ч. питания резонатора ли65 немного ускорителя, состоящая из генератоpa, Г-моста, фазовращателя, балластных нагрузок и резонатора, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и повыщения точности стабилизации, резонатор подключен к двум одинаковым выходал окспечного каскада В. Ч. генератора с помощью направленных ответвителей с коэффициентом деления мощности 1/2, вторые выходные плечи каждого из которых тоже подключены к резонатору через невзаимные фазовращатели с иевзаимным фазовым сдвигом я, плечи направленных ответвителеи с отраженными от резонатора волнами соединены с плавным ослабителем, сам же ослабитель соединен с Г-мостсм слолсе-ния мощностей, включенным между иредоконечным и оконечным каскадами генератора.

2. Система по п. 1, о т л и ч а ю/щ а я с я тем, что плавный ослабитель отраженной волны зыполнен в виде Г-моста, который подключен к плечам направленных ofвeтвитeлeй через линии переменной длины.