Спосіб збудження електромагнітних полів в нвч прискорюючій структурі

Спосіб збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючій структурі, що включає зовніш ню генерацію електромагнітних коливань, підсилення їх НВЧ джерелом і передачу в прискорюючу структуру, який відрізняється тим, що прискорюючу структуру синхронно збуджують додатковим НВЧ полем, яке генерується контуром зворотного зв'язку, в режимі власних автоколивань структури і НВЧ джерела з регулюванням фази і амплітуди зворотного сигналу. Корисна модель відноситься до НВЧ техніці, переважно до методів збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючих структурах лінійних і циклічних прискорювачів заряджених часток, що працюють у неперервному чи імпульсному режимах. Вона придатна для збудження однозазорних і багатозазорних, резонаторних і хвилевідних НВЧ прискорюючих структур, що працюють як у звичайному «теплому», так і у надпровідному стані, ЇЇ також можна використовувати в НВЧ електронних приладах і пристроях, робота яких заснована на взаємодії заряджених частинок з електромагнітними полями. При передачі потужності НВЧ джерела і збудженні електромагнітних полів у НВЧ структурі, у неї самої та у передаючому фідері часто виникають паразитні електронні струми, що призводять до зриву її сталої роботи. Ці струми обумовлені багаторазовими вторинно-електронними резонансними явищами і розрядами, що виникають в однорідних електричних полях між електродними поверхнями структури Такі процеси, названі мультипакторними, можуть розвиватися між окремими плоскопаралельними ділянками електродів структури, що знаходяться в різних м областях. При цьому вони можуть виникати як у поздовжніх складових електричних полів структури, так і в поперечних. Основною умовою виникаючої мультипакці'і є рівність часу взаємодії електронів напівперюду гармонійного прискорюючого електричного поля. Відомо про спосіб збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючий структурі основної частини лінійного прискорювача Московської' ме зонної фабрики від зовнішньої системи НВЧ живлення [І]. Він реалізується при передачі в структуру енергії електромагнітних коливань НВЧ джерела за допомогою передаючого фідера Роботою НВЧ джерела керують підключеним до нього потужним задаючим пристроєм. Такий спосіб дозволяє збуджувати моногармонічні прискорюючи поля в структурі, як на основній моді коливань, так і у власній смузі частот. Однак, наростаючи напруженості електричних полів між електродами структури з постійним НВЧ періодом викликають виникнення паразитних електронних струмів. При реально наявних в описуваних прискорюючих структурах співвідношеннях' між напругою на електродах І їхніх геометричних розмірах, періоді НВЧ поля і часу взаємодії з ним, а також при коефіцієнті вторинно-електронної' емісії (КВЕЕ) мідних електродів більшому одиниці, ці струми утворять мультипакторні розряди в одній чи в декількох областях структури. Це призводить до зміни еквівалентних параметрів структури і порушенню умов передачі в неї НВЧ потужності. Обмежуються й амплітуди досягаемих напруженостей електричних полів у зазорах структури доти, поки не будуть відтреновані емісійні здібності матеріалу електродних поверхонь у збуджуваних НВЧ полях до КВЕЕ меншому одиниці. Досягнення при застосуванні цього способу СТІЙКОСТІ збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючий структурі, забезпечується складними системами автоматичного регулювання [1] і швидкого аварійного вимикання потужності НВЧ джерела в каналі НВЧ живлення прискорювача [2]. СО со CM 4266 І, якщо, з погляду забезпечення високої надійності прискорюючих структур у режимі прискорення пучків, такі міри, що застосовуються, у цілому можуть бути виправдані, то при дослідницьких, пусконалагоджувальних і ремонтних роботах вони вимагають спрощення Зазначені фактори, що ускладнюють експлуатаційне обслуговування і зменшують ККД прискорюючої структури, є основним недоліком даного способу збудження електромагнітних ПОЛІВ. Відомо про інший спосіб зовнішнього збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючих структурі, за яким електромагнітні коливання генерують в автогенераторному режимі роботи НВЧ джерела і передають їх у прискорюючу структуру [3]. НВЧ джерело при цьому охоплене контуром локального позитивного зворотного зв'язку, що з'єднує його вихід і вхід. Роботою НВЧ джерела керують зміною амплітуди і фази сигналу зворотного зв'язку. Збуджувані електромагнітні поля в структурі також моногармонічні, з постійним періодом НВЧ коливань. Однак, при деякому рівні амплітуд електромагнітних полів у структурі, між електродними поверхнями будь-якої області структури, виникають мультипакторні розряди, що викликає зміну еквівалентних параметрів структури й умов узгодженої' передачі в неї НВЧ потужності. Зміна вхідного опору структури при цьому забезпечує появу в тракті передачі відбитих хвиль і утворення стоячих хвиль, що веде до можливих пробоїв, як у фідері, так і на інших елементах, установлюваних у НВЧ джерелі чи прискорюючий структурі. Зміна напруги на елементі позитивного зворотного зв'язку, встановленому у фідері, викликає нестійке збудження НВЧ джерела, призводить до різких змін рівня його вихідної потужності і напруженостей збуджувальних електромагнітних полів. Це спричиняє зміну амплітудно-фазових умов мультипакЦІІ", при яких вона може заглушуватися чи знову виникати. Але при цьому змінюється і величина НВЧ потужності, що вводиться в структуру, а ефективність НВЧ тренування її електродних поверхонь стає низькою. Зміна еквівалентних параметрів структури, в умовах виникаючих мультипакторних розрядів у збуджуваних електричних полях і, супроводжуваний при цьому, нестійкий автогенераторний режим системи НВЧ живлення, призводить до додаткових труднощів введення потужності в прискорюючу структуру. Тому НВЧ тренування прискорюючої структури для досягнення високих напруженостей прискорюючих полів при даному способі дуже тривале в часі із проблемами боротьби з мультипакцією, що залишаються [4]. Це є основним недоліком даного способу збудження електромагнітних полів у НВЧ структурі. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є спосіб збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючий структурі, застосовуваний в автогенераторних системах НВЧ живлення лінійних прискорювачів електронів [5] Цей спосіб включає зовнішню генерацію електромагнітних коливань, посилення їх НВЧ джерелом і передачу в прискорюючу структуру. Збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючий структурі секції лінійного прискорювача електронів забезпечується автогенераторним режимом роботи НВЧ джерела. Вихідні параметри НВЧ джерела синхронізуються за допомогою малопотужного стабілізованого НВЧ генератора У відсутності синхронізуючого генератора автогенераторне збудження НВЧ структури з постійним періодом електромагнітних полів зберігається доти, поки виникаючі електронні процеси в збуджуваних полях, не досягнуть розрядних величин. Виникаючі мультипакторні розряди, однак, змінюють еквівалентні параметри структури, у тому числі і її вхідний опір, зриваючи режим узгодженої передачі в неї НВЧ потужності Швидко змінний сигнал зворотного зв'язку з фідера, керуючий авто-генераторним режимом роботи НВЧ джерела, призводить до різких змін його вихідних параметрів, у тому числі, і до зміни амплітуди генерованих коливань, що у свою чергу, порушує процеси електронної мультипакцп. Такий взаємний зв'язок нестійкого авто генератор ного режиму роботи НВЧ джерела, з порушенням умов електронної мультипакції, не забезпечує високої ефективності введення потужності в структуру, її НВЧ тренування і стійкого встановлення амплітуд напруженостей прискорюючих полів. Підключення на вхід авто генератор ного НВЧ джерела синхронізуючого генератора дозволяє примусово забезпечувати генерацію його коливань, при змінному сигналі зворотного зв'язку. У випадку зменшення, у деякі моменти часу, сигналу зворотного зв'язку до нуля, зриву генерації І зміни періоду автоколивань НВЧ джерела не відбувається Вихідна потужність НВЧ джерела, обумовлена при цьому вихідною амплітудою синхронізуючого генератора, продовжує надходити в НВЧ структуру, забезпечуючи процес збудження в ній електромагнітних полів. При цьому мультипакція в одних областях структури може заглушуватися, а в інших виникати Цим забезпечується на відповідному рівні потужності, що вводиться, НВЧ тренування електродних поверхонь структури. Після тренування електродних поверхонь структури, послабляється імовірність виникнення мультипакторних процесів, умови передачі потужності в структуру поліпшуються. Синхронізуючий генератор задає моногармоничність автоколивальних параметрів НВЧ джерела. Мультипакторні процеси при цьому можуть мати умови резонансного розвитку в інших областях електродних поверхонь структури. Час НВЧ тренування структури, при досягненні високих напруженостей прискорюючих полів скорочується, але умови виникнення мультипакторних розрядів, спонуканих, у тому числі, І розсіяними частинками прискорених пучків, у моногармоничних електричних полях між електродами структури, зберігаються Неможливість швидкого досягнення високих напруженостей прискорюючих полів при реалізації високих темпів прискорення і велика імовірність виникнення електронної мультипакції в цих полях є основними недоліками цього способу В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити спосіб зовнішнього збудження електромагнітних полів у НВЧ структурі шляхом її збудження додатковим НВЧ електромагнітним полем, параметри якого повинні визначатися прискорюю 4266 чою структурою Необхідно одержати загальний рівень електромагнітних полів, при яких будуть заглушуватися паразитні резонансні коливання електронів, що виникають у збуджуваних полях, і буде забезпечена ефективна взаємодія цих полів Із прискорюємими зарядженими частинками. Поставлена задача вирішується запропонованим способом збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючий структурі, який також як і спосіб, прийнятий за прототип, включає зовнішню генерацію електромагнітних коливань, посилення їх НВЧ джерелом і передачу в прискорюючу структуру. У відмінності від способу, прийнятого за прототип, у запропонованому способі прискорюючу структуру синхронно збуджують додатковим НВЧ полем, яке генерується контуром зворотного зв'язку, у режимі власних автоколивань структури і НВЧ джерела, з регулюванням зворотного сигналу по фазі й амплітуді. Зазначене регулювання здійснюють до заглушення електронної' мультипакции, при будь-яких значеннях номінальних амплітуд напруженостей прискорюючих полів структури. Пояснимо, як відмінні особливості запропонованого способу дозволяють вирішити поставлену задачу. Зовнішнє збудження електромагнітних полів у НВЧ прискорюючих структурі забезпечуючи виникнення паразитних резонансних електронних процесів у збуджуваних НВЧ полях, дозволяє при цьому розглядати таку збурену НВЧ структуру як єдине ціле. "її власні еквівалентні параметри, що змінюються, у цьому випадку визначаються як узагальненими індуктивністю, ємністю й опором активних втрат самої' структури, так і реактивними й активними опорами, внесеними електронною мультипакцією. Забезпечуючи власним контуром зворотного зв'язку додаткове автоколивальне збудження такої автономної системи синхронно з електронними процесами, що змінюються у структурі, в її вводять додаткову НВЧ потужність. Регулюючи амплітуду і фазу додаткової частини збуджуваних полів структури, безупинно збільшують електромагнітні поля між її електродами Цим самим порушуються амплітуд но-фазові умови резонансного руху електронів у збуджуваних полях. Інтенсивність мультипакторних процесів при цьому, безупинно від напівперіоду до напівперюду НВЧ коливань у структурі починає загасати. При зміненої кількості електронів, яка стає менше величини, при якій виникають розряди, автоматично відновлюються власні реактивні параметри структури, і стійкість установлення й електромагнітних полів основного типу коливань. При цьому загальне електромагнітне поле структури визначається алгебраїчною сумою складових збуджуючих й полів зовнішнього генераторного і власного автоколивального Вторинна електронна емісія між плоско-паралельними електродними поверхнями структури в безупинно наростаючих електричних полях ІНІЦІЮЄ мультипакцію, що не розвивається і не має шкідливого впливу на еквівалентні параметри структури. Суть корисної моделі пояснюється графічними матеріалами. На Фіг. 1 показана блок-схема одного з варіантів реалізації запропонованою способу при використанні генераторної системи НВЧ живлення прискорюючої структури. На Фіг.2 показана блоксхема другого варіанта реалізації запропонованого способу, при використанні автогенераторної системи НВЧ живлення структури. Розглянемо можливість реалізації запропонованого способу збудження НВЧ прискорюючий структури при різних режимах генерації' потужності НВЧ живлення структури. У першому варіанті запропонований спосіб реалізується при зовнішній генерації основного рівня електромагнітних полів структури і синхронно збуджуваного додаткового НВЧ поля, генеруємого контуром зворотного зв'язку, у режимі власних автоколивань структури і НВЧ джерела. Блок-схема цього варіанта (див.Фіг.1) містить НВЧ прискорюючу структуру 1, У вигляді секції лінійного прискорювача електронів десяти сантиметрового діапазону з елементами узгодження його входу і виходу, підключеної до НВЧ джерела 2 клістронного типу, наприклад, клістрону КИУ-12 з вихідною потужністю від 12 до 20Мвт, при тривалості НВЧ імпульсу від 10 до Змксек. Частота коливань у структурі задається пристроєм зовнішньої генерації 3, підключеному до одному з входів мостового пристрою 4, вихід якого з'єднаний з виходом НВЧ джерела 2. Вихід прискорюючої структури 1 підключений до амплітудно-фазового регулятора режиму власної генерації 5, другий кінець якого з'єднаний із другим входом мостового пристрою 4. Процес збудження структури, в умовах виникаючої електронної мультипакції, відбувається таким чином. Вихідний сигнал (див Фіг. 1) генеруємий задаючим пристроєм 3 підсилюється НВЧ джерелом 2 і передається по фідеру в прискорюючу структуру 1. При цьому між її електродними поверхнями збуджуються відповідні електромагнітні поля. Частина потужності наростаючих електромагнітних коливань структури 1, яка відбирається контуром зворотного зв'язку, амплітуда і фаза якої змінюються за допомогою власного регулятора 5, подається на вхід НВЧ джерела 2 і передається в структуру 1. При цьому забезпечується синхронне з зовнішньої генерацією збудження додаткового НВЧ поля, генеруємого в режимі власних коливань структури і НВЧ джерела. Подача на вхід НВЧ джерела 2 сигналів від задаючого пристрою зовнішньої генерації 3 і контуру зворотного зв'язку здійснюється мостовим пристроєм 4. При цьому вихідна потужність кожної складової частини генерації визначається величиною відповідного сигналу, що діє на вході НВЧ джерела 2. Номінальний рівень прискорюючих полів у структурі забезпечується сумою частин збуджуваних НВЧ полів. Починаючи з низьких рівнів напруженостей електромагнітних полів, між електродними поверхнями виникають емісійні електрони, які взаємодіють з цими полями. В окремих ділянках плоскопаралельних електродних поверхонь, що забезпечують однорідність електричного полю, ініціюються резонансні електронні процеси, що мають тенденцію порушити еквівалентні параметри структури. Але контур зворотного зв'язку, що виконує за допомогою НВЧ джерела 2 безупинний цир 4266 кулюючий процес збільшення амплітуд власних коливань структури 1, у тому числі збуджених мультипакцією, забезпечує її збудження додатковим НВЧ полем. При цьому в структурі підтримується загальний рівень електромагнітних полів, що задаються параметрами зовнішньої генерації і власного зворотного зв'язку. Співвідношення між зазначеними рівнями збуджуваних полів вибирають, регулюючи амплітуду і фазу власного зворотного зв'язку регулятором 5, до заглушення мультипакторних розрядів у всьому діапазоні зміни номінальних прискорюючих полів структури 1. В другому варіанті пропонований спосіб реалізується також як і в першому, але зовнішня генерація частини електромагнітного полю НВЧ структури здійснюється автогенератор ним режимом роботи НВЧ джерела. Блок-схема цього варіанта (див Фіг.2) містить аналогічні прискорюючу структуру лінійного прискорювача електронів 1 І НВЧ джерело клістронного типу 2 Автогенераторний режим джерела забезпечується за допомогою спрямованого відгалужувана 6, встановленого в тракті передачі потужності. Відгалужуючи частину потужності з тракту, і підключаючи її до амплітудно-фазового регулятора зовнішньої автогенерації 7, другий кінець якого з'єднаний з одним із входів мостового пристрою 4, а вихід підключений до НВЧ джерела 2, цю потужність підсилюють і по фідеру передають в прискорюючу структуру. При цьому забезпечується авто генератор не збудження електромагнітних полів у прискорюючий структурі 1 лінійного прискорювача електронів. Відгалужуючи із структури 1 частину потужності власних коливань, І, регулюючи амплітуду і фазу відбираємого сигналу за допомогою регулятора 5, її підсилюють НВЧ джерелом 2 і знову передають в структуру 1. При цьому забезпечується додаткове автоколивальне збудження прискорюючої структури 1. Синхронне накладення в самій структурі 1 окремих частин збуджуваних електромагнітних полів створює загальний рівень її прискорюючих полів. Виникаючі при цьому в прискорюючий структурі 1 емісійні електрони, що ініціюють мультипакторні явища, не мають умов досягнення великих інтенсивностей здатних змінювати еквівалентні параметри структури. Це відбувається завдяки тому, що додаткове 8 НВЧ поле в структурі 1 продовжує безупинно збуджуватися, незалежно від інтенсивності мультипаКЦІІ. Незалежність зовнішнього авто генераторного І власного автоколивального збудження структури 1 не допускає виникнення вторинних електронних процесів, які мають шкідливий вплив на еквівалентні параметри прискорюючої структури, забезпечуючи реалізацію високих темпів прискорення в лінійних прискорювачах електронів. При цьому повною мірою реалізуються переваги автогенераторного збудження прискорюючої структури з використанням як локального, так і повного зворотного зв'язку. Таким чином, запропонований спосіб, завдяки відмінним особливостям подачі власної НВЧ генерації на вхід структури, забезпечує ефективне збудження електромагнітних коливань при заглушенні виникаючої електронної мультипакції в збуджуваних НВЧ полях Джерела інформації: 1. Б.И. Поляков, Ю.Д Иванов, А.В. Мищенко и др./Параметры и структура системы ВЧ питания линейного ускорителя мезоннои фабрики.// Труды РТИ №28, Москва, 1977, с.26-32. 2 В.В. Пеплов, С И . Шараментов./Система быстрого аварийного выключения мощности в каналах СВЧ питания основной части ЛУМФ. // XIV Совещание по ускорителям заряженных частиц, т 1. Протвино, 1994, с.256-259 3. Г.Ґ. Оксузян, Э М. Лазиев, В.Л Серов и др./Использование мощного клистрона в режиме автогенерации в качестве возбудителя на линейных ускорителях электронов. // Вопросы атомной науки и техники. Серия. Физика высоких энергий и атомного ядра. Вып.4(6), Харьков. 1973, с.67-70. 4. Е 3 Биллер, В.Н. Борискин, В.А. Вишняков и др./Исследование электрической прочности и СВЧ разрядов в ускоряющих секциях ЛУЭ // Вопросы атомной науки и техники. Серия' Ядернофизические исследования. Вып.10(18), Харьков, 1990, с.22-27. 5. В.И Белоглазое, Л.М Завада, В.А. Кушнир и др./Синхронизируемый автогенератор на мощном усилительном клистроне. // ПТЭ №5, 1987, с.101-102 (прототип). 4266 10 Прискорююча структура ч \ ДЖфСЛО \ \ \ Амгашуднофазов ийреiyjurrof >влас Задаючий пристрій Мостовий пристрій ЗОВНІШНЬОЇ ноі ген еращї генерації І Фіг. 1 Ч \ Прискорююча структура Відгалужувач спрямований і \ 4 НВЧ -. ДЖЄрЄЯО Мостовий - пристрій 7 ч Амплітуднофазовий регулятор зовншіньої ге 5 Амшгітудн*5-фазовнй per тор шіасьІОЇ генфжц ї Фіг. 2 Комп'ютерна верстка В Мацело Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького 45, м Київ, МСП 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м К и ї в - 4 2 , 01601