Свч-устройство

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)ОПИСАНЙЕ ЙЗ К ЙВТОРСКОМУ СВИДСХС ЕТЕНИЯ(71) Институт атомной эн(57) 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.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 Ог (см), а длины 1,2,з (см) трех участков и их параметры выбраны из соотношений-(1-3) ффй:2 3 3 2(Е Л)1 = ЛЗевс/ е 1 пГФЛ еп оД Л1 = (0,2 - 04)(1) 0 = р ф 9 Л/(2 тт) Ф рф 1 р.;рфз=1: Оз= рп/(1+Р.)Г 1=0,1-0,25; =(2 - 5)и,л/4 с О3.7 г/4.где ц - КПД автогенерации;ф и - приведенная скорость часть инжектируемого пучка;Г 1 - коэффициент отражения от левого (входного) торца замедляющей системы с учетом трансформации гармоник;Л- рабочая длина волны (см);гпое - масса покоя (кг) и заряд электрона (Кл)с - скорость света (см/с);п - пороговый ток автогенерации пучка (в режиме генерации) (А);ЕОЗМР - электродинамический параметр первого участка для основной гармоники( Ом);Су - параметр усиления 1-й гармоники на третьем участке, Су=0,05 - 0,25;О,Оз - периодзамедляющей структуры на первом и третьем участках, имеющей емкостный тип связи между элементами периодичностй (см);В 1 - вид колебаний на первом участке;Рф 1 - приведенная фазовая скорость основной волны на первом участке и в начале второго, имеющего линейное.по своейи длине изменение периода; фазовой скорости, электродинамического параметра;Дз - приведенная фазовая скоростьосновной длины в конце второго участка и5 на всем третьем участке;О, - напряжение (В) и ток (А) инжекциипучка;у - релятивистский фактор пучка,На фиг.1 представлена принципиальнаясхема подключения СВЧ-устройства; нафиг.2 - зависимости изменения основныхэлектродинамических параметров вдольструктуры;Р - 1 - приведенная фазовая скорость обратной волны игр - приведеннаягрупповая скорость.СВЧ-устройство, изображенное нафиг.1, содержит трансформатор типа волны(ТТВ) 1, три участка 1,2,3 замедляющейсистемы, согласованную поглощающую нагрузку 2, причем замедляющая система оснащена фокусирующей системой 3. Приэтом параметры пучка инжектора 4, замедляющей системы и коэффициента отражения от ТТВ выбраны в соответствии с25 условиями (1). ТТВ соединен с СВЧ-трактом5, который в зависимости от режима работыустройства соединен либо с нагрузкой 6 иизмерителем 7 мощности, либо с источником (внешним генератором) 8 СВЧ-мощно 30 стиСВЧ-устройство работает следующимобразом.В режиме генерации непрерывный немодулированный электронный пучок, пара 35 метры которого выбраны в соответсттвии сусловиями (1), удерживаемый магнитнымполем фокусирующей системы 3 от кулоновского расталкивания, поступает из инжектора 4 в замедляющую структуру40 СВЧ-устройства, в котором часть энергиипучка, взаимодействующего со структурой,преобразуется в энергию СВЧ-колебанийпо типу каскадного автогенератора ЛБВЛОВ, Затем эта энергия поступает по СВЧ 45 тракту 5 к потребителю в нагрузку 6 иизмеритель 7 мощности, которые построены по известной схеме и из стандартныхэлементов.Автогенерация пучка начинается на50 третьем участке как и в обычной ЛОВ привыполнении условийИп=И(8,2 йсвй)3= (0,2-0,4) Зппп, /Су, М= Э/ф-М)Ьр= йз сй=2 з-(1/Р- 1/Рп Я -К,(2)где Всв - сопротивление связи для 1-й гармоники;Р- ее фазовая скорость; Ьр- фазовое скольжение пучка относительно обрат-.ной волны на третьем участке, 1826807Генерируемое на третьем участке электромагнитное поле распространяется к левому торцу структуры со скоростью чгр(7) "Ргр(7)с (см.фиг.2) по втоРомУ УчасткУ. На этом участке пучок с полями структуры не взаимодействует ввиду нарушения условий синхронизма: 3-1=чаг 033; Рп сопзтю 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 3 ф 1 ф и, 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 (Р ф 2, р - 1= чаг), поэтому здесь скоростная модуляция переходит в фазовую. Покажем, что в режиме генерации небольшой мощности отраженной волны достаточно для заметной модуляции пучка, Считаем, что 111, где 1 - 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:г= 27 геОэ 12/Айос фп ) (3) где Оэ - амплитуда напряжения на зазоре эквивалентного резонатора;Оэ=11 1 Г 11 ( 1/Рп /Л )(Ео Л /ГР), (4) где Рп - СВЧ-мощность автогенерэции;Е 0 Х/ /Р Р - электродинамический параметр для основной гармоники на первом участке. Учитывая, что оптимальное значение параметра Г=1 - 1,5 и Р,= т/ О 1, из формул (3) и (4) получаем выражение для 12, 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 при4 А компенсируют друг друга. На конечном участке происходит интенсивная автогенерация, так как пучок модулирован и его скорость Рп ф. - 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 1, в котором участвуют обратная волна, отраженная волна, пучок, 5 10 15 20 25 3035 4050 следующих условий для третьего участка: Как показывают численное моделирование и эксперимент максимум КПД автогене- рации 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 (30-600 ь) и более, достигается здесь зэ 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 304.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), па СВЧтракту 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 продальнойкоординаты (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 г/2) к оптимальной фазе ускорения релятивистского пучка (вблизи О), осуществляемого натретьем участке, В согласованной СВЧ-нагрузке 2 утилизируется неиспользованная СВЧ-мощность бегущей волны. Для того, чтобь, списанной здесь традиционное ускорение было совместимо с возможностью эвтогенерэции в одной и той же структуре, необходимо выполнение одновременноР фа=.1 Р -1- Р и, где Р фз - приведенная фазовая скорость основной волны на третьем участке (и в конце второго), Отсюда следует условие выбора периода структуры на этом участке: Оз= Л 3 п /(1+ В) 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 2 зависят от выбора 1 Г 1. Как показали данные эксперимента и численного моделирования, приП 0,1 КПД автогенерэции снижается до уровня обычной ЛОВ (1 - 15;4) и увеличивается длина дрейфового (среднего) участка: иэ выражений для Су и 12 получаем, что при Р 1 0,5 Л; 1=2 Ь=0,6 А; с=0,0662/Л 141, т.е, учитывая, что для приборов О-типа ту бСу, получаем, что 12 22 Л Столь большая длинавторого участка неприемлема как с точки зрения большого затухания, приводящего к снижению КПД автогенерации в ехр(22 а) 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 кэк приемлемые значения темпа ускорения для ускорителя электронов 2 МэВ/м, Кроме того, если первый участок настолько короткий, что ИРфй, то, как известно из теории линейных ускорителей электронов, при типичных значениях мощности внешнего генератора порядка нескольких мегаватт на первом участке длиной 3 фй частицы не успевают совершить четверть периода фазовых колебаний, что приводит к уменьшению коэффициента захвата менее 50;(что для режима ускорения неприемлемо.Если0,25, 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. При1 3 рф 1 Л частицы пучка совершают внутри сепаратриссы при мощности генератора 10 МВт не мене половины периода фазовых10 более чем вдвое, Кроме того, иэ-за эффекта 15 20 50 25 30 35 колебаний, что также приводит к снижению коэффициента захвата менее 50, а это делает режим ускорения неприемлемым из-эа известного явления перегруппировки пучка на участке с постоянной фаэовой скоростью, При токе пучка 15 Ь=1,5 А в режиме автогенерации, как следует иэ эксперимента (и это согласуется с выводами нелинейной теории), КПД автогенерации снижается 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 1 з менее 0,2 Рп Л /С=20 см (при 1=1 А), что достигалось отключением соответствующих галет фокусирующего соленоида, автоколебания срывались, а приэ 60 см (что достигалось подключением новых галет соленоида, размещенного на внутриволноводной поглощающей нагрузке, изготовленной из стандартных идентичных ячеек, но покрытых альсифером) возникали фазовэя нестабильность и амплитудная модуляция сигнала (как и при увеличении 1 П=0,25). Выбор рабочего вида колебаний Окак и в обычном ЛУЭ на бегущей волне определяется возможностью согласованного ввода СБЧ-мощности мегаваттного уровня (без пробоев) и удовлетворительной постройки ячеек структуры при приближении к границам полосы пропускэния с малыми внутренними отражениями; 1 П 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 к/4ОЗл /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 резона10 182 б 807 15 20 25 30 35 45 тора 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 Формула изобретения СВЧ-УСТРОЙСТВО, содержащее инжектор пучка электронов и замедляющую систему, выполненную иэ 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 02 (см), а длины 11, 12, 1 з (см) трех участков и их параметры выбраны из соотношений1 = (1-З)р д 1;д Ф2 3 3 2Е Л1, =ЛРУшс/е 1 лГ 140 Т 12 и о 1,Р =1;зОз= Чп/(1+Р.);1 Гд = 0,1-0,25;= (2-5) и,д/4О37 г/4,где Ч - КПД автогенерации; рп - приведенная скорость частиц инжектируемого пучка;Г 1 - коэффициент отражения от левого (входного) торца замедляющей системы с учетом трансформации коэффициента связи надкритическая и определяется из того условия, что время использования СВЧ-энергии должно быть не меньше времени заполнения СВЧ-энергией 5 замедляющей структуры СВЧ-устройства.Благодаря различию времени накопления и использования СВЧ-мощности происходит увеличение СВЧ-мощности на порядок и более, что дает возможность получения уско ренных до релятивистских энергийимпульсов тока в таком устройстве. гармоник;Я - рабочая длина волны, см;гпо, е - масса покоя, кг, изарядэлектрона, Кл;с - скорость света, см/с;1 п - пороговый ток автогенерациипучка (в режиме генерации), А;о Ф- электродинамический параметр первого участка для основной гармоники, Ом;Су - параметр усиления - 1-й гармоники на третьем участке, Су = 0,05- 0,25;01, Рз - период замедляющей структуры на первом и третьем участках, имеющей емкостный тип связи между элементами периодичности, см;01 - вид колебаний на первом участке;Рфд - приведенная фазовая скорость основной волны на первом участке и в начале второго, имеющего линейное по своей длине изменение периода, фазовой скорости, электро- динамического параметра; Рз - приведенная фазовая скорость основной волны в конце второго участка и на всем третьем участке; О, 1 - напряжение, В, и ток, А, инжекции пучка;д - релятивистский фактор пучка,