Система стабілізації частоти електромагнітних коливань мікротрона

Реферат: Cистема стабілізації частоти електромагнітних коливань мікротрона належить до техніки автоматичного керування і може бути використана для забезпечення стійкого режиму роботи мікротрона. Система містить магнетрон, секцію хвилеводу з елементом зв’язку, феритову розвязку, прискорюючий резонатор, детекторну головку, підсилювач потужності, виконавчий механізм, та додатково містить коаксіально-хвилевідний перехід, регульований атенюатор, відрізок хвилеводу, всередині якого на осі моделюючої котушки розміщений феритовий зразок, другу феритову розв′язку Запропонована система стабілізації частоти коливань мікротрона заснована на сумісній дії ефекту затягування частоти і АПЧ прискорюючого резонатора за частотою феромагнітного резонансу (ФМР) у феритовому зразку. Запропонований винахід забезпечує стійкий режим роботи мікротрона. UA 108300 C2 (12) UA 108300 C2 UA 108300 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки автоматичного керування і може бути використаний для забезпечення стійкого режиму роботи циклічного прискорювача електронних згустків мікротрона. Відома система стабілізації частоти електромагнітних коливань мікротрона складається з магнетрона, феритової розв'язки та прискорюючого резонатора, увімкнених послідовно у хвилевідний тракт високого рівня потужності, де в умовах сильного зв'язку між магнетроном і резонатором реалізується ефект затягування частоти магнетрона, при якому частота генерованих коливань стабілізується відносно власної частоти резонатора завдяки впливу електромагнітної хвилі, що відбивається від резонатора і повертається через неідеальну феритову розв'язку до магнетрона [1]. Недоліком відомої системи стабілізації частоти є відсутність автоматичного підстроювання власної частоти прискорюючого резонатора, яка може змінюватись із-за нагрівання стінок резонатора, із-за реакції електронного пучка, а також із-за характерної для резонатора, як нелінійного осцилятора, залежності власної частоти від амплітуди коливань. Якщо під дією вказаних вище факторів власна частота прискорюючого резонатора виходить за межі області затягування частоти, то стійкий режим роботи мікротрона не може бути забезпечений, оскільки при цьому автоколивальна система мікротрона може змінити частоту і амплітуду коливань або взагалі призупинити коливання, або попасти в режим стрибкоподібних змін амплітуди і частоти [2]. Найбільш близькою за технічною суттю до запропонованого винаходу є система автоматичного підстроювання власної частоти прискорюючого резонатора, що містить магнетрон, секцію хвилеводу з петлею зв'язку, феритову розв'язку та прискорюючий резонатор з елементом виходу - петлею зв'язку, які увімкнені послідовно у хвилевідний тракт високого рівня потужності, а також кільцевий міст, перший вхід якого за допомогою фазообертача з'єднаний з петлею зв'язку секції хвилеводу, а другий - безпосередньо з петлею зв'язку резонатора, перший і другий виходи моста зв'язані з першою і другою детекторними камерами, з'єднаними відповідно з входами першого і другого відеопідсилювачів, виходи яких увімкнені до першого і другого входів схеми порівняння, вихід якої за допомогою підсилювача потужності з'єднаний з виконавчим механізмом, зв'язаним з елементом підстройки частоти резонатора, причому петля зв'язку резонатора за допомогою третьої детекторної камери увімкнена до входу амплітудного дискримінатора, вихід якого з'єднаний з входом виконавчого механізму [3]. Недоліком прототипу є неможливість його вмикання у мікротрон, прискорюючий резонатор якого не обладнаний елементом виходу. Задача винаходу - забезпечити можливість вмикання системи стабілізації частоти електромагнітних коливань у мікротрон, прискорюючий резонатор якого не обов'язково обладнаний елементом виходу. Поставлена задача вирішується тим, що система стабілізації частоти електромагнітних коливань мікротрона, яка містить магнетрон, секцію хвилеводу з елементом зв'язку, першу феритову розв'язку, прискорюючий резонатор, увімкнені послідовно у хвилевідний тракт високого рівня потужності, детекторну головку, перший підсилювач потужності та виконавчий механізм, зв'язаний з елементом підстроювання частоти резонатора, згідно з винаходом додатково містить коаксіально-хвилевідний перехід, атенюатор, відрізок хвилеводу, всередині якого на осі модулюючої котушки розміщений феритовий зразок, другу феритову розв'язку, увімкнені послідовно у хвилевідний тракт низького рівня потужності, причому вхід коаксіальнохвилевідного переходу увімкнений до елемента зв'язку секції хвилеводу, вхід детекторної головки - до виходу другої феритової розв'язки, а діод детекторної головки - до входу вузькосмугового підсилювача, вихід якого увімкнений до першого входу синхронного детектора, вихід якого з'єднаний з входом першого підсилювача потужності, вихід якого навантажений виконавчим механізмом, зв'язаним з елементом підстроювання частоти прискорюючого резонатора, постійний магніт, на плоских полюсних наконечниках якого розміщені котушки підмагнічування, з'єднані послідовно між собою та з виходом регульованого джерела постійного струму, причому відрізок хвилеводу з модулюючою котушкою та феритовим зразком розміщені між полюсними наконечниками постійного магніту, утворюючи разом частотний дискримінатор, генератор звукових частот, перший вихід якого з'єднаний з входом другого підсилювача потужності, навантаженого модулюючою котушкою, а другий - з другим входом синхронного детектора. Перевага запропонованої системи стабілізації частоти електромагнітних коливань мікротрона полягає у тому, що мікротрон, працюючи у режимі стабілізації автоколивань за рахунок затягування частоти магнетрона прискорюючим резонатором, додатково містить підсистему автоматичного підстроювання частоти (АПЧ) резонатора за частотою 1 UA 108300 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 феромагнітного резонансу (ФМР) у феритовому зразку, причому електромагнітна хвиля подається на вхід частотного дискримінатора підсистеми АПЧ не безпосередньо від прискорюючого резонатора, а опосередковано - від магнетрона, частота коливань якого визначається власною частотою прискорюючого резонатора. Завдяки цьому прискорюючий резонатор мікротрона може бути не обладнаний елементом виходу. На фіг. 1 приведена структурна схема системи стабілізації частоти електромагнітних коливань мікротрона, а на фіг. 2 - графіки електричних коливань, що пояснюють принцип дії системи стабілізації. Система стабілізації частоти містить магнетрон 1, секцію 2 хвилеводу з елементом зв'язку, першу феритову розв'язку 3, прискорюючий резонатор 4, увімкнені послідовно у хвилевідний тракт високого рівня потужності, детекторну головку 5, перший підсилювач 6 потужності та виконавчий механізм 7. Система стабілізації частоти містить також коаксіально-хвилевідний перехід 8, регульований атенюатор 9, відрізок 10 хвилеводу, всередині якого на осі модулюючої котушки 11 розміщений феритовий зразок 12, другу феритову розв'язку 13, детекторну головку 5, увімкнені послідовно у хвилевідний тракт низького рівня потужності, причому вхід коаксіально-хвилевідного переходу 8 увімкнений до елемента зв'язку секції 2 хвилеводу, а діод детекторної головки 5 - до входу вузькосмугового підсилювача 14, вихід якого увімкнений до першого входу синхронного детектора 15, вихід якого увімкнений до входу першого підсилювача 6 потужності, вихід якого навантажений виконавчим механізмом 7, зв'язаним з елементом підстроювання частоти прискорюючого резонатора 4, постійний магніт 16, на плоских полюсних наконечниках якого розміщені котушки 17 підмагнічування, з'єднані послідовно між собою та з виходом регульованого джерела 18 постійного струму, причому відрізок 10 хвилеводу з модулюючою котушкою 11 та феритовим зразком 12 розміщені між полюсними наконечниками постійного магніту 16, утворюючи разом частотний дискримінатор, генератор 19 звукових частот, перший вихід якого з'єднаний з входом другого підсилювача 20 потужності, навантаженого модулюючою котушкою 11, а другий - з другим входом синхронного детектора 15. Система стабілізації частоти мікротрона працює таким чином. Імпульси надвисокочастотних (НВЧ) електромагнітних коливань потужністю Р, протяжністю t з періодом слідування Т (фіг. 2а) від магнетрона 1 через секцію 2 хвилеводу з елементом зв'язку та феритову розв'язку 3, надходять в об'ємний резонатор 4, де відбувається циклічне прискорення електронних згустків. Частота магнетрона, як і будь-якого автогенератора, при високій потужності, що передається, залежить від навантаження. Це - ефект затягування частоти, який за певних умов при збудженні коливань у резонаторі мікротрона забезпечує стабілізацію частоти магнетрона поблизу однієї з власних частот прискорюючого резонатора. Резонатор є нелінійним осцилятором, власна частота якого залежить від амплітуди коливань поля у його порожнині. Власна частота резонатора залежить також від температури та інтенсивності електронного пучка. Збурення частоти прискорюючого резонатора за рахунок вказаних вище залежностей може спричинити порушення стійкого режиму роботи мікротрона, оскільки на краях області затягування частоти мають місце стрибки частоти і амплітуди автоколивань, а за певних умов можливе і їх гасіння. Разом з тим, при підвищенні температури за рахунок збільшення декремента затухання резонатора звужуються як область затягування частоти, так і область стабілізації [2]. Щоб убезпечити роботу мікротрона від впливу названих вище факторів, необхідно додатково автоматично підстроювати власну частоту прискорюючого резонатора за допомогою резонансної системи з високою добротністю, речовина і конструкція якої слабо реагує на зміну зовнішніх умов. Такою, зокрема, є система, заснована на ефекті феромагнітного резонансу у феритовому зразку [4]. Незначна частина потужності коливань магнетрона 1 за допомогою елемента зв'язку секції 2 хвилеводу, коаксіально-хвилевідного переходу 8 та регульованого атенюатора 9 подається у відрізок 10 хвилеводу, що працює на хвилі типу ТЕ01. Відрізок хвилеводу містить модулюючу котушку 11, на осі якої у центрі знаходиться феритовий зразок 12, виготовлений у вигляді ретельно шліфованої сфери малого діаметра. Вісь котушки перпендикулярна до широких стінок хвилеводу. Вона збігається з напрямом силових ліній магнітного поля постійного магніту 16 і проходить через точку кругової поляризації магнітної складової НВЧ поля. Напруженість Н постійного магнітного поля, прикладеного до феритового зразка 12, регулюється за допомогою котушок 17 підмагнічування та джерела 18 постійного струму. Атенюатор 9 служить для регулювання рівня потужності Р імпульсів НВЧ коливань у феритовому зразку 12 та для розв'язки останнього від коаксіально-хвилевідного переходу 8. Полюсні наконечники постійного магніту 16 забезпечують високооднорідне сильне магнітне поле у просторі розміщення феритового зразка, яке доводить останній до стану магнітного насичення. Шляхом зміни 2 UA 108300 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 напруженості постійного магнітного поля Н резонансну систему настроюють на частоту ФМР 0 = Н0, що збігається з кутовою частотою  НВЧ поля.  - модуль гіромагнітного відношення електрона, Н0 - резонансне значення напруженості магнітного поля Н (фіг. 2б). За допомогою модулюючої котушки 11, генератора 19 звукових частот та підсилювача 20 потужності здійснюється слабка зміна напруженості магнітного поля в околі значення Н0 з амплітудою hом 0; якщо >0