Система стабилизации высокочастотного поля в резонаторе

Союз Советских Социалистических Республик(61) Дополнительное к авт. (22) Заявлено 11.03.75(21) ву 2112342/25 51) М. К Н 05 Н 7/02 ем заявки Х с присоединеии (23) Приоритет (43) Опубликов осударственныи комитетСовета Министров СССРоо делам изобретенийи открытий 1. 384 аио 05,06,7 юллетеиь21 УД(71) Заявител 54) СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПО В ГЕЗОНАТОРЕ еньшает несзы напряжения ько нестабильн системы ением нагрузе К коэфпри разомкну- Р- коэффициент аз уменьш цлителя и н Ч-поля в резотем амнлитудьюн его генератоен Бель изобретения - повности системы стабилиэа ется тел, что в цепь об ду резонатором ускорцтег О женця включен целинейцы ции, Это достига ратной связи межя и мостом слой четырехполюсниквиде Т-моста,которого включены агру зки.а схема пред эациц; на ф торого соедисложения, арителя 21Такая сикой эффекти ненныи, например,развязанных плеч в д нейныеедставла стоб дцн овые нефиг, 1устройс рактеризуется невысс системы стабилизации лагаиг.2 емаость емо Изобретение относится к ускорительной технике, в частности, к системам ВЧ- питания ускорителей,Известна система для стабилизации высокочастотного поля в резонаторе линейного ускорителя, содержащая автономные системы для стабилизации амплитуды и фазы ВЧ-поля 11. Недостатком такой системы является сложность конструкции.Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является система для стабилизации высокочастотного поля в резонаторе линейного ускорителя заряжен ных частиц, содержащая задающий генератор, выход которого подключен к одному из входов моста сложения, второй вход которого через фазоврашатель и цепь обратной связи соединен с резонатором ускорителя, а один из выходов соединен с согласованной нагрузкой, усилитель, вход конен со вторым входом моста выход - с резонатором ускоТак как такая система утаоильность амплитуды и фав резонаторе, вызванную толностью коэффициента передаиусилитель резонатор и измеки пучков,в (1+К ) раз, гдфициент усиления усилителятом кольце обратной связи,передачи цепи обратной свяэО При этом во столько жеется коэффициент усиления укомпенсируется изменение Внаторе, вызванное воэмушецвыходного напряжения зада5 ра.один из вариантов непинейцого четырехпопюсника; ца фиг, 3-7 - диаграммы и блоксхема соответственно,Резонатор 1 посредством пинии и петписвязи подключен к выходу усилителя 2, ох 5вачецного кольцом обратной связи. Сигцапобратной связи, пропорциональный напряжению в резонаторе 1, второй петлей связивыведен в линию обратной связи и пэдан навход цепицейного четырехпопюсника 3, вы 10попценного в виде Т-моста, к двум другимразвязанным плечам которого подключеныодинаковые нелинейные нагрузки 4,Сигцап обратной связи, определяемыйстепенью рассогпасог чния нелинейных нагрузок 4 с плечами Т-моста 3 при изменении напряжения в резонаторе, образуетсяна выходе 1-моста 3, хоторый подключенк одному из входов моста сложения 5 черезфазоврашатепь 6. К другому входу мостасложения 5 подключен выход задающегогенератора 7, К одному из выходов мостасложения 5 подключен вход усилителя 2,к другому выходу подключена согпасованая нагрузка 8. На вход нелинейного четырехпопюсника поступает напряжение, пропорциональное напряжению в резонаторе О(здесь и далее знахом "-" помечены комппехсные вепичицы). Выходное цапэяжецие цепинейного четырехпопюсцика Орс, которое в качестве сигнала обратной связи поступает на вход моста сложения с напряжением задающего генератора Огимеет амплитуду, автоматически измецяюшуюся от нуля до некоторого максимального значения в зависимости от изменения амплитуды ВЧ-попя в резэнаторедОР относительно заданного цомицапьцого уровня О рэ Фаза выходцогэ напряжения нелинейного четырехпэпюсника определяется фазой напряжения в резонаторе 9 а знак фазы автоматически изменяется ца противоположный при изменениизнака возгушения амплитуды ВЧ-попя 4 О 45чем обеспечивается противофазцость сигнала обратной связи возмущению ВЧ-попя в резонаторе,Таким образом, нелинейный четырехпопюсник выдает ВЧ-сигнап обратной связи, 50 который следит за амппитудно-фазовымивозмушениями ВЧ-попя в резонаторе, а егоамплитуда и нак фазы явпяются фунхциейвеличины и знака возмушения амплитудыВЧ-попя в резонаторе с 1 О, Величина коэф фициента передачи четырехпопюсника изменяется от нуля при О 1 =. О э до некоторого заданного предельного значения+ЫО 11 пред при Ор = 01 о-Орст Где б ир.ст. - остаточное возмущение ВЧ-пэпя 60 в резонаторе при замкнутой цепи обратной связи ипи статическая ошибка стабипизации,То свойство нелинейного четырехпопюсника, что сигнал обратной связи на его выходе определяется не полным напряжением в резонаторе, а его изменениями, позволяет существенно повысить коэффициент усипения системы с замкнутой обратной связью. При этом увеличение глубины обратной связи(К )не приводит к необходимости сушественцого увеличения выходного напряжения задаюшего генератора.Г 1 редепьнэе значение Кв даннэй сиспред теме задается из условий устойчивости работы. ДпЯ копкРетной схемы к пе 4 в пРедпагаемой и известной системах примерно одинаков, т,к. введение нелинейного четырехпопюсника добротность которого значительно ниже добротности резонатора ускоритепя и сравнима с добротностью усипитепя системы, существенно не сказываетсяна нестациэнарнэм процессе в системе и неУменьшает К 1 пе пэ сРавнению с известнойсистемой,Отличие состоит лишь в том, что приодинаковых напряжениях задающих генераторов, одинаковых коэффициентах усиленияусилителей и заданном уровне поля в резонатэре, в предлагаемой системе мэжнэ пэпучать значения К 3 большие, чем в изб 4 квестной, не превьшая К который дпяпри;обоих случаев примерно одинаков,Это отличие позволяет проше реапизовать стабипизащгн, т.к. дпя получения такого же значения г ,с как и в известнойсистеме, здесь требуется усилитель с меньшим коэффищецтом усиления,Сам нелинейный четырехпопюсник выполнен, например, в виде Т-м эста, два развязанных плеча которого нагружены одинаково изменяюшимися нелинейными нагрузками, на одно из неподсоединенных к нагрузке развязанных плеч подан сигнал из резона тора, а с другого снимается сигнал обрат ной связи, При номинальном уровне поля в резонаторе О г рабочие точки на характе,- ристиках нелинейных нагрузок выбраны так, что их входные сопротивления равны и сог- пасованы с плечами Т-моста, при этом вся мошность, поступающая на обратную связь из резонатора, рассеивается в нагрузках.Изменения уровня ВЧ-попя, обусловленные всеми возмушаюшими факторами, включая и изменения амплитуды напряжения задаюшего генератора, приводят к измецениям входных сопротивлений непинейцых нагрузок. При этом на выходе Т-моста появляется сигнал обратной связи в виде суммы отраженных от нагрузок волн, опредепяемый1 О 45В исходном состоянии в резонаторе установлена номинальная комплексная амплитуда ВЧ-поля О =К О (с заданным моду 3 голем и фазой), которому соответствует исходный коэффициент передачи К системы 50 усилитель-резонатор, нагруженный пучком, и исходная комплексная амплитуда выходного напряжения задающего генератора О,гго Поскольку фаза напряжения Одолжна быть постоянной, то положим для простоты 55=О, тогда Оро=К"г, В это время на входе Т-моста действует напряжение, определяемое величиной О /и при г 1 ) 1, где Л - коэффициент передачи петли связи резонатора с цепью обратной связи, 60 величиной и знаком коэффициента отраженияа также напряжением, поданным из резонатора на вход Т-моста, т.е. О -ф Г(ВО) Ор Коэффициент отражения является функцией амплитуды и знака возмушения ВЧ-поля и определяет величину и знак коэффициента передачи нелинейного четырехполюсника.Изменение знака Г при изменении знакадОр обеспечивает возможность введения сигнала обратной связи противофазно возмущению ВЧ-поля в резонаторе. Поскольку в данном случаене определяется фазой напряжения в резонаторе, то стабилизация по фазе осушествляется с точностью до постоянства фазы напряжения задающего генератора 9:сап 4 в то время как стабиЗглизация по амплитуде осуществляется с точностью до стабильности зависимости коэффициента передачиот приложенного напряжения или стабилькости зависимости входных,сопротивлений нелинейных нагрузок от приложенного напряжения, что, в свою очередь, определяется стабильностью их ьольт-амперных характеристик и режима работы, 25Будем считать, что в исходном состоянии резонатор 1, нагруженный ускоряемым пучком, и усилитель 2 настроены на рабочую частоту, линия связи усилителя с резонатором согласована с учетом под груэки резонатора цепью обратной связи, усилитель установлен в несколько недонапряженный режим, суммарный набег фаз по кольцу обратной связи отрегулирован с помошью фазоврашателя 6. Исходя из усло вия введения сигнала обратной связи противофаэно возмушению ВЧ-поля в резойаторе, суммарный набег фаз должен составлять(2 п 1 И при а =0,1,2,3 , Указанное условие должно быть выполнено с уче том знака коэффициента отражения нелинеЬ- ной нагрузки, который определяется видом вольт-амперной характеристики применяемой нагрузки. Режим работы нелинейных нагрузсл 4и коэффициент связи их с плечами Т-моста3 выбраны такими, что коэффициент отражения от их входов Г=О, а средняя круттьна их характеристик (действительная величина) 5 = 5 =Э /О , где 3 - амплитуда первойо ( н,фгармоники тока через нелинейную нагрузку,Он - амплитуда напряжения, приложеннсъного к нагрузке, При этом модуль напряжения обратной связи на выходе Т-моста 3О =О, а значит и модуль коэффициента передачи нелинейного четырехполюсника р =О.Если при разомкнутой цепи обратной связи напряжение в резонаторе изменяется навеличину 4 О, определяемую изменениямид К и ЙО -исходных величин Ко и О.го. тоЗгпри замкнутой цепи обратной связи этоизменение равно стати ческ ой ошибке д Оа средняя крутизна характеристик нелинейных нагрузок изменяется на величину +дЬв зависимости от знака и величины иэленения напряжения на нем дО- дО, Приэтом коэффициент отражения нагрузок становится равным Г=+ Г(дО )и илеет знак,соответствуюший знаку возмушения д Оа напряжение обратной связи будет равноО =ГЮ )О п.Сигнал обратной связи прсьтивофазно возмущению д О складываетсяна мосте сложения 5 с напряжением ОзгСумма указанных комплексных напряжений образует на входе усилителя 2 напряжение возбуждения б =4 ИТ(Офб,).Здесь коэффициент передачи цепи обратной связи = - Г(с 3 Ор,д)может принимать одно иэ значений ф Ь в зависимости от знакад 0 и знака изменения крутизны дИр.ст)Для пояснения основных соотношений,действуюших в сис, еме, и обшнх требований,которым должна удовлетворять нелинейнаянагрузка, обратился к теории,Используя эквивалентное представлениесистемы усилитель резонатор, нагруженныйпучком в виде двух источников тока, сдви-нутых по фазе на г Г - - синхронная фазав ускорителе), работающих на обь:ую нагрузку - эквивалентное сопротивление реэ натора Е, представим ВЧ-ус 1 литель генератором тока с амплитудой 7 и коэффициентом передачи К, ускоряемый пучок -генератором тока, являюцегося, потребителем энергии, с амплитудой первой гармоники наведенного в стенках резонатора токаиРа основе указанного эквивалентногопредставления и с учетол обратной связи запишем систему уравнений;б,= э-э,)Х, 533163ой связи усилитель с меньшим К, а Кувеличивать зв счет увеличения. Этоотличие системы с нелинейной обратнойсвязью позволяет проще осуществлять стабилизацию ВЧ-полей в многорезонаторныхускорителях, которые, квк правило, имеютразветвленную схему ВЧ-питания, в такжеполучать больший коэффициент стабилизациипри введении обратной связи на большем 10,уровне мощности.Йдя определения общих требований, которым должна удовлетворять нелинейная нагрузка, воспользуемся соотношением 5=11 тг10 цр,ст ), откуда следует,что для увеличения Я 15 необходимо уменьшить Ъ и иметь возможно большее значение 1 . Определим общуюЗаВИСИМОСтЬ т От ИЗМЕНЕНИЯ КРУтИЭНЫ НЕлинейной нагрузки по первой гврмонике Зи остаточного возмущения ВЧ-поля в резо наторе ЙООбщее выражение для коэффишента отра 1 51- Ржения можно записать как Гп " где115 к+ Р Уф -волновое сопротивление линий связинагрузки с Т-мостом, тт.1 -коэффициенттрансформации узда связи нагрузки с линиейсвязи.Полагая 5 я 50 д 5, т р -1, прикк 1.1 р. ст.)р кт р о30дполучим Т= -- , +6525 оИзменение амплитуды напряжения нв неЛИНЕйНОй НВГРУЗКЕ РаВНО ЗО=Г 12 11 г 1 т(30а изменение крути=нытмН 151 Пг 5 О 1 р СтН 2 40 цГн К,Р ) 1,=1+ 11 рТаким образом, возможное уменьшение 45 коэффициента усиления системы определяется относительным возмущением вмплиту ды ВЧ-поля в резонаторе.Используя результаты анализа, следует заметить, что в отличии от системы с линейной обратной связью 111 ,21 рде увеличе"ет )ние фактора стабилизации( 1( ) при заданном напряжении задающего генератора требует автомвического увеличения К для получения заданного уровня поля в резона торе, в нашем случае, когда отрицательнав обратная связь осуществляется по возмущен нию ВЧ-поля в резонаторе и при замыкании кольца обратной связи, 1( изменяется незначительно, можно охватывать кольцом обрат60 Используя очевидные соотрумиения Згп О К Кя - -К Х =ехр(у) где Рн - коэффициент передачи по напряжению системы мост сложения-усилитель-резонатор без учета нвгрузки пучком;/ =В ЮрО 5,в): 5+ 5=(лфбТ в сйстеме уравнений (1) и, решив ее относительнг Ор, будем иметь зг и и Р (2)ОР 1+КВ выражении (2) напряжение в резонаторе представим квк сумму номинального знвчения Ор,е заданного исходными пврвмет рами О, К,1,3,о.,ь полного дифференциРот 1 Оела Й О р, являющегося функцией полных диФФеренциалов д О , Э К, 3 Рр, 3 ЗизмеяЮщИХСя ВЕдИЧИН (е НУчитывая усговиет что (д ОР ) 6 =6 =О, получим 11 р 1 р д Ор И + ККоэффициент усиления системы усилитель- резонатор, нагруженный пучком, при номинв.-.ьном ВЧ- поле в резонаторе определим квкК иО,О,д,тогда при возмущении ВЧ-пс пя коефтипиейт уонпения при рееомкнутоя обратной связи будет К= К + д К К +дОрц и при относительном изменении амплйтуды ВЧполя в резонаторе пидОр) Ор,ддя модуля К получим К=К (11 П ). При замко рнутой цепи обратной связи коэффициент усиления системы будет равенН = Н фдКИ+1(ц 9 и при т (1 модуль Кос определяется выражением К= К 1 П 11+К 15. Возможное уменьшение коэффициента усиления системы при замкнутой обратной связи можно определить квк отношениет 11 рГ=к(кос .1+т 1 1+К Вводя относительное изменение крутизны 1 Спд 55 =115 т,5 т 5 ЙОРп.,будЕМИМЕтЬГ -4/гр1Используя для аппроксимации вольт-вм перной характеристики нелинейной нагрузки один из общих методов - степенной полином с отсечкой, можно показать, что пРоизводнаЯ 5 и 1 Он 5 тР)где 5 Р - кРУтизна аппроксимирующего полиномв, определяемая крутизной вольте-вмперной характеристики нагрузки в рабочей области;- степень нелинейности характеристики нагрузки,9 - угол отсечки (если нв нелинейную нагрузку подано постоянное напряжение смещения).Анализ зависимости 5 п 0,5 ,7,В) показывает, что, чем выше требуемая точность ствбилизвции, т.е. чем меньше ср.ст.при заданном сигнале из резонатора на входе нелинейного четырехполюсника, тем больше должна быть крутизна вольт-амперной характеристики нелинейной нагрузки, степень нелинейности нагрузки и меньше угол от 533163,О=-(Г 2 О 1 т);и=-1 Е О 1 ъ 1)4 45При напряжении в резонаторенравном О =О ф) О)у, нелинейные нагрузки обладаютнекоторыми равными коэффициентами отражения Г Г = Г(дО,).Появляющиеся в плечах(3) н 4) отрвжвнныв волны оуммнруютоя Нв плече (2) и образуют напряжение обрат- ной связи.О=1 Г(дО ) О, Ъ.:. В случае,когда О, = О и д О = Оо плечи (3) и (4)Т-моста согласованы с входными сопротивлениями нелинейных нагрузок, при этом 55Г ( д О ) = О; О в О и обратная связь не действует.Комплексный коэффициент обратной связи равен: В:) Г(д О и и при заданном коэффициенте передачи узла связи с резонатором 60 сечки, если работа осуществляется с отсе чкй,Габочнй участок характеристики нагрузки должен иметь, в зависимости от приложенного напряжения, монотонно нарастаюшую или спадающую крутизну с действительной величиной, что обеспечивает однозначное изменение знака Г с изменениемзнака возмушения амплитуды напряжения варезонаторе дОр,В заключение заметим, что в качественелинейной нагрузки, в зависимости от уровня мошности, на котором осушествляетсянелинейная обратная связь, может быть использован широкий класс, нелинейных активных элементов, работаюших на заданнойчастоте, а именно нелинейные резисторы,полупроводниковые элементы, электронныелампы - как в композиции с линейными резисторами, так и отдельно. Для повышения щэффективности работы на нелинейный элемент может быть подано постоянное смешение.Связь нелинейных нагрузок с плечамиТ-моста должна осуществляться через фильмруюшие устройства настроенные на рабочую частоту, например, через резонатор,в зазор которого включен нелинейный элемент.Четырехполюсник состоит из Т-моста 3 ЗОи двух одинаковых нелинейных нагрузок 4;Т-мост выполнен в виде квадрата из отреэков линий передачи длиной 3(4волновые сопротивления подводящих линий и сторон квадрата (1) - (ф 2) и (3) - (4) равны Р, а сторон (1)- (4) и (2)-(3) равны П, В плечо (1) подается из резона-тора ускорителя напряжение с комплекснойамплитудой О= О)7 которое поровну,делится между плечами (3) н (4) и падаюшие 4 Она входы одинаковых нелинейных нагрузокволны напряжения ( О и) составляют:(ЛЧ) определяется коэффициентом отражениянелинейных нагрузок Г(дО), Каждая нелинейная нагрузка выполнена в виде резонатора Рв зазор которого включен нелинейный элемент. Резонатор Р) нагруженныйнелинейным элементом, настроен на рабочую частоту системы, совпадвюшую с чвстотой первой гармоники тока через нелинейный элемент,Входное сопротивление резонатора, нагруженного нелинейным элементом, приведен-,ное к линии связиф йах игде ткоэффициент трансформации связиВаха (О,) В(О )+ РВх ср-шунтовое сопротивление ненагруженного резонатора РК;(О,) - сопротивление нелинейного элемента по первой гармонике импульса тока через нелинейный элемент, В согласованномрщсимекогда Г(дО 1=0 аГах фр илиадах=п Рах вах хопри этом 3, ф . Коэффициент отраже, Рания можно выразить кактВх дхИ)В +ЯВх ахд2где )а=1 чр й В (при В . Я ) вход,- д 1 о дное сопротивление йелинейного элемента в1исходной рабочей точке, когдаО Орф и Ь Ор ОИспользуя эквивалентную схему с генератором 1 э.д с. ( Ц), внутренним сопротивлением которого является )приведенное кзажимам нелинейного элемента волновоесопротивление линии связи г =ъ р ком 2У уплексную амплитуду ВЧ-напряжения на нелинейном элементе можно записатьОЯ, (О)(5)ър +3 Ж)э.д,с. О можно определить из режима холостого хода (когда нелинейный элементне проводит) через падаюшую волну напряжения (О) на входных зажимах резонатора,РОпуская величину набега фазы, сучетом формулы (3) можно записать Н =-2 ъох фП и )ъ О.В согласоввннод 4 режиме,й О ъ О 11 /")2 и О (6) Иэ выражений (5), (6) следует что изме нения модуля э,д.с. О, обусловленные возмушениями напряжения в резонаторедолж ны. вызывать изменения модуля О о и , (О,).Для достаточно эффективного испольэо ввния ВЧ-мощности, отбираемой из резона11тора ускорителя на обратную связь, например, для получения к.п.д, нелинейного четырехполюсника не хуже 25-40%1 нелинейная нагрузка должна обеспечивать коэффициент отражения Г Ф 0,4-0,65 при . остаточцом возмущении амплитудыВЧ-поляв резонаторе ускорителя (ь О ,Л.,Остаточное возмущение при замкнутой цепи обратной связи определяется допустимойстатической ошибкой стабилизации и, исходя из требований к стабильности амплитуды ВЧ-поля в резонаторе ускорителя, лежитв пределах 1-2%,При указанном достаточно малом остаточном возмушении ВЧ-поля относительнономинального уровня 0; для обеспечениявышеуказанных;-; значений 1 вольт-ампер-.ная характеристика нелинейного элементадолжна обеспечивать изменение Я в 2,54,5 раза по отношению к величине Ва напряжение на нелинейном элементе ц,должно также изменяться в 1,5-2 рза поотношению к величине напряжения Оо, во 1 Осогласованном режиме.Очевидно, что величина измененияна единицу изменения напряжения в резонаторе ускорителя увеличивается, когда ходизменения напряжения на нелинейном элементе соответствует ходу изменения егосопротивления по первой гармонике импульса тока, т.е. при увеличении Ос, растет и" и наоборот, Поэтому для наших целейнелинейные элементы, имеющие вольъ-амперную характеристику с нарастающей крутизной (диоды, варисторы), малоэффективны,Большой эффективностью обладают нелинейные элементы, имеюшие вольт-ампернуюхарактеристику с падающей крутизной (лампы, транзисторы), поскольку они обеспечивают вышеуказанный ход изменения КоНо скорость изменения крутизны у известьных приборов указанного типа недостаточна для обеспечения изменения В в вышеуказанных пределах эа счет малого изменения О р без дополнительного воздейстсвия на управляющий электрод.Поставленным требованиям могут удовлетворять нелинейные элементы, имеюшиеучасток вольт-амперной характеристики сотрицательной крутизной (туннельный диод,термистор, диод Ганна и т.д.1 у которыхза счет внутренней положительной обратной связи эффект изменения о можетбыть усилен,При малых изменениях напряжения врезонаторе ускорителя требуемый эффектизмененияможет быть также получени у нелинейных элементов типа управляв 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 мых ламп и транзисторов за счет введения положительной обратной связи с выходного электрода на управляющий, т.е. обеспечением режима регенеративного усилителя. Требуемый эффект изменения Ву этих элементов может быть также получен ,за счет дополнительного управления вольт-амперной характеристикой элемента с помощью управляюшего сигнала, пропорционального изменению напряжения в резонаторе ускорителя, который может быть;,подан как со входа (1) Т-моста, так и непосредственно из резонатора ускорителя.В качестве конкретного примера, для упрошения анализа рассмотрим нелинейный четырехполюсник (см. фиг. 2) нелинейной нагрузкой которого является триод Т с, внешним дополнительным управлением по сеточному смешению маломощным сигналом иэ резонатора ускорителя. К аноду триода Т приложено высокочастотное напряжение Ооопределяемое выражениями (5), (6).При изменении анодного напряжения изменяется угол отсечки (Э) импульса анод- ного тока, что приводит к изменению перь. вой гармоники анодного тока .3 а значит и сопротивления триода по первой гармонике Др, Указанный эффект значительно усиливается если одновременно осуществлять изменение сеточного смещения внужном направлении в зависимости от изменения напряжения в резонаторе у корителя. Дополнительное управление по сеточномусмешению осушествляется сигналом О -О (и2из резонатора ускорителя, который черезблокировочную емкость С.1 поступает навход диода ) к которому одновременно.приложено запирающее смешение Е черезразвязываюшее сопротивление Я , Запираюшее смешение выбрано иэ условия:Е ,. Разностный сигнал (О -6)Нро Одстдетектируется цепью Э - В- С и образуетотрицательное смешение (,) на сеткетриода, зависимое от изменения напряженияв резонаторе ускорителя. Работа осушествляется в области отрицательных смешенийна сетке триода, На фиг, 3 показана кусочно-линейная аппроксимация,анодных характеристик триода и временная диаграммаанодного напряжения.При изменении Ео происходит изменениесдвига рабочей аподной характеристики Еоотносительно начала координат, причем.,сдвиг Е:Е (т 1,а изменение сдвигааЕ =ьЕ /2(7)где, 2 - проницаемость триода,При этом происходит изменение углеоотсечки в пределах от В =90 до 9 =03 и а х ичто ограничено пределами изменения напря 1жения сдвига от Е,; Еа до Е =Е П). Пределы изменения напряжения сдвига, в свою очередь, ограничены пределами возможного изменения сеточного смешения от Гс,; "О, (при ОсЕ ) до напряжения за- пиранияЕ (при 0 )Е), Изменение Рсрсзбудет пройсходить от ф ( при Е,;=О) со ю гласно выражению5) будет также происхо-/ дитьиэменение 00 впРеделах отОа до Оа, а 4 О, причемв одномитомженаправлениисиэменением Еа . При этом амплитуда импульса анодного тока будет примерно сохраняться на уровне заданной величины Зтп .Используя метод кусочно-линейной аппроксимации, можно определить зависимость изменения В от соотношения Е а 1 О, . Амплитуда импульса анодного тока может быть представлена как3 =50 4- Соэ 6 3 (В) 101520 Е Э-ЕЗдесь Сов О =- =- Г (О (9)025.5= 1/ВЬ - крутизна анодной характеристики;В - внутреннее сопротивление триода,Сопротивлениек определяется среднейкрутизной 5 по первой гармонике импульса анодного токаср "/5 с 0011 /о 3 (1 О)9-5 ю 9 СозВс 1: коэффициент пеговой ХР". з 5моники. Йспольэуя выражения ( 8) и ( 10),На фиг. 4 йриведена зависимость изменения. В от соотношения Е /Оа, построенная на основании выражений (9), (11). 40Режиму согласования (Г=О) выходовТ-моста с входами нелинейных нагрузок,когда В =Ъ =и на фиг. 3, 4 соответствует точка Е/О 1 при этом принято, что Вао аоВ предложении, что Я,) на основасронии выражения (4) для коэффицйента отраЗс - Керижения можно записать Г= р +р(12)ср ВРоИзменение величины коэффициента стражения как функции относительного изменения амплитуды ВЧ-поля в резонаторе ускорителя (0 р/Ор ) определим, испольэуязависимостьЗ р=1(Е 10 а) при выбранном Вср =9%Для этого установим связь Еа /Оа=(д(зр 10 р,) вявном виде, Для этого представим Е,10,в виде суммы Е а 1 О (точка, где Ор= ОраИ Г = о ) и относительного изменения напряжения сдвига д Еа 10 (когда 0 =О иГФО), Сучетом выражения (5) для модуля Оа ивыражения (7) можно записать60 Ео,/ с 1- с, /Оа Всф /,р )дЕсоНапряжение, действующее в сеточнойпепи триода, можно представить следующимобразом;Е =0 обб-Е; Е =О Сова-Е;О =0 11 з ,о о " с с 1 Р со Ро 2 ф/гч (И) здесь; 6" -угол отсечки импульса тока диода 3, который определяется соотноше-, нием внутреннего сопротивления диода Л; ) и сеточного сопротивления М нз условия( 16)Если выбрать амплитуду сеточного напряжения 0 -2 оа,то в выражении (16) отношение п С ": 1 тог а2 т/и/О 1 дОРТаким образом, если выбрать О =2 Осо аото согласно (17) отношение Еа 10,изменяется вГфс /к +11 раэ сильнее, чем дО 1 О,что обеспечивает значительное изменение, а значит и коэффициента отражения при малых значениях д О /Ора.На фиг.5 приведена зависимость Г Гл УР/Оро)построенная на основании выражений (12)(17) и зависимости% =НЕ,и)при, =9 В и12 ф 0,01, На фиг, 5 видйо, что предельноезначение Га =+0,63, Отрицательное значение Гограничено полностью открытымсостоянием триода Г (когда .Ес =О,О,=0 атп,В =2 Н при ОсЕ ), а положительноезначение Г,о ограничено полностью закрь 1- тым состоянием триода Т (когда Е =ЕсОа=Одинаковые значения модулей (Г) и( Г,) обеспечиваются выбором шунтовогосопротивления Я ненагруженного резонатора Р ,Согласно выражению (3) модуль коэффициента обратной связид = Г 1 и, Согласно закону изменения Г на фиг, 5, модульв зависимости от величиныдОр Ор иэменяется от нуля до л 1 аксил 1 ального эначения 11 1=Г 1 и и палее остается постотпаа гпахянным, а фаза Ь изл 1 еняется скачком35 на 180 в зависимости от знака возмуще-.онояО рОР и далее остается постоянной.ОТаким образом высокочастотнаяотри нательная обратная связь вводится противофазно возмущению ВЧ-поля относительно номйнального уровня Ор с нарастающей глубиной обпатной связи от К г =0 (ппи .О= 0 ) до х =-к,при (цОр- ь 9 ) . Зависи- мость относительного изменении модуля Кр от относительного изменения амплитуды 10 ВЧ поля показана на фиг. 6, Приведенная зависимость построена на основании эави 1 кв Г симости(ьбрй 1 из условия,Р 1 КВ 1 Г при. ъ= соей,В зависимости От знака ЬОРОр модуль 15 К 5 изменяется несимметрично, что связано с асимметрией изменении модуля коэффициента отражения ( Г), Поэтому точность отработки возмущений с разными знаками будет несколько отличаться. Кроме 20 того, из-за уменьшения,(,К ) при уменьшении возмущений ВЧ-поля, начиная с некоторых значений (в нашем случае со значения у ЬО Ор 10 Ой ,.1 точность стабилизации уменьшается отК 5 с, до значений 5Х ьопределяемого заданной остаточ 1 )ной ошибкой стабилизации амплитуды 4 Ор с и связанной с ней остаточной ошибкой ста билизации фазы ь М. Л рассматриваемом случае при АО 10 =1 - : Е/о, КЬ =(0,2-:ОФфр ,I Однако полученная скорость изменения К в зависимости от ьОрОрсдостаточна для достижения необходимой точности стабилиозации по амплитуде (1+2%) и фазе (2+3 ) при невысоких значенияхК1.Напримерпри расстройке резонатора ускорителя, когда обобщенная расстройка=0,5, амплитуда ВЧ-поля уменьшается на 12%, а фаза изменяется на 29 то в40 рассматриваемом примере, с учетом закона изменения ( н 3 ), для получения вьпнеуказанной ошибки стабилизации по амплиту де и фазе достаточно иметь ( К .) )= 10-20.45Для получения еше более высокой скорости изменения ( К 5 ) при нарастании ЕО0 как указывалось - выше, можнор ро)использовать внутреннюю положительную обратную связь в нелинейном элементе (ре 10 жим регенеративного усилителя) (см. фиг.2) Внешнее управление по сетке при этом нетребуется.Более высокую скорость измененияКможно, по-видимому, также получить навышеуказанных нелинейных элементах сотрицательной крутизной вольт-амперной характеристики.Как отмечалось, в рассматриваемойсистеме нелинейный четырехполюсник имеет добротность во много раэ меньшую, чем добротность резонатора .ускорителя и, как следует из рассмотрения конкретной схемы нелинейного четырехполюсника, зто легко обеспечивается выбором нагружен ной добротности резонатора Р, т.е. режимом работы нелинейного элемента. При этом добротность нелинейного четырехполюсника может быть на несколько порядков меньше добротности резонатора ускорите ля и коэффициент передачи цепи обратной связи в полосе частот резонатора ускорители можно считать частотно-независимым. Поэтому структурная схема предлагаемой системы включает в себя одно высокодобротное резонансное звено-резонатор ускорителя.В данной системе состояние покоя считается ц =4 ,когда поле в резонаторе рав но номинальному Ор . Здесь коэффициент передачи линейной модели усилителя можно представить какНй,хк= б - бо ад вх хвх , а коэффициент передачи цепи обратной связиац"ри осуществлять анализ устойчивости переходом к малым колебаниям Относительно состояния покоя О вх = О вход или О О , Используя также критерий Найквиста, можно составить структурную схему системы для возмущений ВЧ-поля в резонаторе ускорителя, которая приведена на фиг, 7, Схема составлена с учетом запаздывания в кольце обратной связи и нагрузки резонатора пучком.Здесь К(а 1 усилительное звено с коэффициентом передачи по току на основе генератора тока )г( щ-звено нелинейного четырехполюсни тп 0) хка с максимальным коэффициентом передачи;рг Е"г - звенья запаздывания в це".) - генератор тока пучка,Комплексная передаточная функция системы для возмущений ВЧ-поля г)тносително" номинального уровня поля О р призамкнутой обратной связи имеет вид;3 д дОКос18 533163 где К (3 в)= К 1,(и) Е(3 в) - коэффициент передачи усилителя без обратной связи.После простых преобразований получим;К (щ) (18) оа щр Ро Гщ),( щ)тток ,1,Разделяя модуль и оргумент, окончательно имеем;-)Ч ф фа(Т +Т )к( ) ( ) к ф к 5 Здесьр - фаза усилителя и чел,1 К )рехполюсника обратной связи с учетом электрических длин линий связи; ТТ - время запаздывания в трактеК т.усилителя и цепи обратной связи,Согласно выражению (18) для устойчивой работы необходимо выполнить на всех частотах, хотя бы одно из следующих усло- вий(19)к(ю)р сыУслоЪия устойчивости (19) для предлагаемой системы аналогичны условиям устойчивости для известной системы, Поэ тому предельное значение глубины, обратной связи ( К , в предлагаемом системе как и в известной определяется соотношением; 1 СЦ у, - коэффициент шунтирования резонатора выходной цепью оконечного каскада усилителя,9 . - суммарная добротность нагруженных контуров предварительного усилителяи цепи обратной связи;У -суммарный сдвиг фазы в линияхй5 связи усилителя и цепи обратной связи.Таким образомдля обеспечения устойчивой работы в предлагаемой системе максимальное значение глубины обратной связи не должно превышать предельного эна чения, определяемого. как и для известнойсистемы выражением (20), т.е. К,Кф,Формула изобретения15 Система стабилизации высокочастотногополя в резонаторе линейного ускорителязаряженных частиц, содержащая задающийгенератор, выход которого подключен к20одному из входов моста сложения, второйвход которого через фазоврашатель и цепьобратной связи соединен с резонатором ускорителя, а один из выходов соединен с согласованной нагрузкой, усилитель, вход ко 25торого соединен со вторым выходом мостасложения, а выход - с резонатором ускорителя, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью повышения эффективности системыЗОстабилизации, в цепь обратной связи, междурезонатором ускорителя и мостом сложения,включен нелинейный четырехполюсник, выполненный, например, в виде Т-моста, вдва развязанных плеча которого включеныойчнаковые нелинейные нагрузки,Источники информации, принятые во вн 1- мание при экспертизе:1. Мурин Б. И. Стабилизация и регулирование ВЧ-полей в линейных ускорителях ионов. М., Атомиздат 1971, с. 234243,2. Мищенко А. В., Использование отрицательной обратной связи для стабилизацииВЧ-ускоряюших полей,НТ 8266-138 МРТЧ АН СССР, 1966,