Новая система импульсной компрессии СВЧ-мощности для линейного коллайдера ВЛЭПП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

СЫРАЧЕВ Игорь Владимирович

НОВАЯ СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОЙ КОМПРЕССИИ СВЧ-МОЩНОСТИ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО КОЛЛАЙДЕРА ВЛЭПП

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук _

НОВОСИБИРСК—1997

Работа выполнена в Филиале Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН г. Протвино.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

БАЛАКИН — доктор физико-математических наук,

Владимир Егорович член-корр. РАН,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КАРЛИНЕР — доктор физико-математических наук,

Марлен Моисеевич Институт ядерной физики

им. Г.И.Будкера, СО РАН, г. Новосибирск.

ЧЕРНОУСОВ — кандидат технических наук,

Юрий Дмитриевич Институт химической кинетики горен

СО РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ — Институт прикладной физики РАН,

ОРГАНИЗАЦИЯ: г. Нижний Новгород.

Защита диссертации состоится • г » ¿^¿¿-¿ыД 1997 г. " / часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.02 г

Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан " ¿р ¿АЛ С/ 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / "]/ /

академик ' ии V Б.В. Чнрико

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Будущее физики элементарных частиц неразрывно связано с разви-м физики и техники ускорителей. Особое внимание в последнее время ляется прогрессу в области линейных суперколлайдеров на встречных ктрон-позитронных пучках. Эти машины, свободные от недостатков лических ускорителей, связанных с радиационными потерями частиц : их движении по круговой орбите, позволят поднять рабочую энергию :нтре масс сталкивающихся пучков в область 0.5 - 1.5 ТэВ. Линейный ерколлайдер является одним из наиболее дорогостоящих проектов в ременной физике. Поэтому из экономических соображений (стоимость оительства и эксплуатации), а также для сохранения длины машины азумных пределах (около 20 км), в последние годы международное эщество физиков-ускорителыциков сосредоточило свои усилия на до-жении ускоряющих градиентов в линейном ускорителе порядка 100 па 1 м ускоряющей структуры.

В линейном ускорителе темп ускорения определяется величиной, лопающей от источника в ускоряющую структуру импульсной СВЧ-дюсти. В некоторых из существующих проектов (например, ВЛЭПП, 1!, ЛЬС-Х) желание понизить уровень импульсной СВЧ-мощности, не-эдимой для достижения столь высоких темпов ускорения привело к [ению покинуть хорошо освоенный дециметровый диапазон и перейти Зласть более высоких частот. Этот переход вызвал бурное развитие ^-усилителей Х-диапазона, способных в течение 100 - 250 нсек обес-ить импульсную СВЧ-мощность порядка 100 - 200 МВт на 1 метр

ускоряющей структуры. За последние 10 - 15 лет появились разнооб[ ные проекты импульсных СВЧ-источников Х-диапазона, призванные шить эту задачу. Некоторые из этих приборов достигли определенн прогресса и/или находятся в стадии дальнейшего развития. Однако основе имеющейся информации можно с достаточной долей уверенно заключить, что в ближайшее время ни один из них не будет доведен стадии работоспособного образца.

Поэтому основное внимание уделяется практической разработке статочно стандартных сверхмощных усилительных СВЧ-клистро1 обеспечивающих длительность СВЧ-импульса порядка нескольких I мен заполнения ускоряющей структуры, которые работают совмес с системой временной (импульсной) СВЧ-компрессии (СВК), позвол щей за счет укорочения длительности исходного импульса в нескол раз увеличить импульсную СВЧ-мощность. Использование СВК в стеме СВЧ-питания будущего линейного коллайдера предполагает ] преимуществ:

• Управление СВК осуществляется на низком уровне СВЧ-мощно (от нескольких Вт до 1 кВт ), что гарантирует простоту упр<и ния, высокую надежность и стабильность работы.

• СВК являются пассивными СВЧ-устройствами. То есть в них присутствует взаимодействие заряженных частиц с ВЧ-полем. ! этому они имеют достаточно большой ресурс работы и низкую с имость по сравнению с самим СВЧ-усилителем.

• Применение СВК позволяет существенно понизить требовани импульсной СВЧ-мощности клистрона, а соответственно, дел возможным повысить эффективность работы клистрона. Либо счет работы одного клистрона на несколько ускоряющих струк: существенно сократить полное количество усилителей, необхо. мое для работы всего коллайдера.

Таким образом, разработка простой, высокоэффективной и надеж! системы импульсной компрессии СВЧ-мощности является весьма ва ной и актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является:

1. Разработка, в рамках программы ВЛЭПП, новой высокоэффективной системы импульсной компрессии СВЧ-мощности сантиметрового диапазона длин волн, использующей в качестве накопителя СВЧ-энергии так называемый "Бочкообразный Открытый Резонатор" (БОР);

2. исследование поведения разработанной СВК на высоком, порядка 100 МВТ, уровне импульсной СВЧ-мощности;

3. изучение возможности изменения формы выходного СВЧ-импульса СВК с накопительными резонаторами, с целью расширения возможной области применения таких систем.

Научные результаты и новизна работы.

1. В работе впервые предложено использовать открытый бочкообразный резонатор, как накопитель СВЧ-энергии устройства, работающего в сантиметровом (2-3 см) диапазоне длин волн. Проведен детальный анализ, макетирование и измерение параметров нескольких типов таких резонаторов. Экспериментально получена добротность БОР на уровне 2 — 3 х 105.

2. Разработана конструкция новой малогабаритной и эффективной системы импульсной комрессии СВЧ-мощности на основе БОР, работающей в режиме бегущей волны. Проведено тестирование системы на высоком уровне мощности. В ходе испытаний достигнута рекордная для такого типа СВЧ-компрессоров выходная импульсная мощность порядка 150 МВт.

3. Предложены новые методы коррекции формы выходного СВЧ-импульса для СВК с накопительным резонатором, позволяющие улучшить некоторые параметры системы. Представлены результаты экспериментального исследования некоторых из рассмотренных методов коррекции.

Практическая ценность работы.

Разработанный автором новый тип системы импульсной компрес-ш СВЧ-мощности позволяет существенно понизить требования к им-ульсному источнику СВЧ-мощности для питания будущего линейного

коллайдера, работающего в сантиметровом диапазоне длин волн. г самым оказывается возможным значительно снизить стоимость изгс вления и эксплуатации всей системы СВЧ-питания коллайдера, а та] существенно уменьшить полную длину ускорителя за счет обеспече высокого темпа ускорения.

Компактность, простота конструкции и высокая эффективность nj лагаемой системы обеспечивают ее высокую конкурентоспособност аналогичными системами (например, SLED, SLED II, ВРС).

На защиту выносятся:

1. Расчет и оптимизация параметров системы импульсной компрео СВЧ-мощности на основе накопительного резонатора для ВЛЭ1

2. Результаты теоретического и экспериментального исследова] бочкообразного открытого резонатора в сантиметровом диапаз длин волн как накопителя СВЧ-энергии СВК для ВЛЭПП.

3. Конструкция новой системы импульсной компрессии СВЧ-мощнс Результаты тестирования новой СВК на высоком, порядка МВт, уровне импульсной СВЧ-мощности.

4. Новые методы коррекции формы выходного СВЧ-импульса СВ] накопительным резонатором.

Апробация работы.

Основные результаты работы неоднократно докладывались на р личных международных конференция и рабочих совещаниях: Между родное совещание по линейным коллайдерам - LC-90 (Япония), LC (Россия), LC-93 (США), LC-95 (Япония); Международное совещание мощным СВЧ-источникам - RF-93 (Россия), RF-96 (Япония); Европ екая конференция по ускорителям заряженных частиц - ЕРАС-92 (Г мания), ЕРАС-94 (Англия); Международная конференция по линейш ускорителям - LINAC-94 (Япония); XV совещание но ускорителям за] женных частиц (Россия, 1996).

Цикл работ автора по созданию нового устройства импульсной СВ компрессии получил международное одобрение. В 1994 г. в Лондоне имени Европейского Физического Сообщества (Ускорительное Подраз. ление) автору была присуждена Европейская Премия по Ускорител (European Accelerator Prize).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка ературы из 56 наименований. Объем диссертации 103 страницы, ючая 44 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время известно несколько типов конструкций СВК. Их нцип работы основан на следующем: энергия поля СВЧ-источника дается в СВЧ-накопительном элементе в течение большей части тельности импульса источника, затем передается в нагрузку за бо-короткий период времени. Таким образом осуществляется временная прессия импульса.

По типу накопительного СВЧ-элемента СВК можно разделить на две ппы. Это может быть высокодобротный СВЧ-резонатор либо линия :ржки с малыми потерями. По способу перевода СВК из режима на-пения СВЧ-энергии в режим ее использования их также можно разде-ь на несколько групп. Такой перевод можно осуществить несколькими ямп: изменением фазы источника СВЧ-энергии, изменением коэффи-ита связи резонатора с передающей линией либо совместным измене-м фазы и коэффициента связи.

По сравнению с другими системами СВК с изменением, фазы волны ют одно существенное преимущество. В этих системах коммутация, вводящая из режима накопления в режим использования осуществля-I на относительно низком уровне СВЧ-мощности (от нескольких Вт 1 кВт в импульсе). При односгустковом режиме работы линейных зрителей ВЛЭПП не требуется какой-либо специальной формы пита-гго СВЧ-импульса. Так как при однократном взаимодействии пучка с эряющим полем в отдельной ускоряющей структуре наиболее важно егральное увеличение ускоряющего напряжения, то в случае исполь-шия СВК необходимо обеспечение максимально возможной эффек-ностн компрессии импульса. Поэтому для ВЛЭПП, из экономических зражений, СВК с накопительными резонаторами оказываются более ^почтительны, чем СВК с линиями задержек.

Принцип работы СВК с накопительными резонаторами основан на , что фаза волны, излучаемой из резонатора, противоположна фазе ны, отраженной от него, а амплитуда этой волны в установившемся име, в случае сильной связи, может в 2 раза превышать амплитуду

волны, падающей на резонатор. Резонаторы осуществляют в течен! большей части длительности выходного импульса клистрона накопл ние СВЧ- энергии и частично излучают ее в линию с фазой, обрати« фазе отраженной волны. Результирующая волна на выходе системы ее: продукт сложения излученной и отраженной волн. За время до конца m пульса клистрона, равное длительности заполнения ускоряющей секци осуществляется быстрый переворот СВЧ-фазы входного сигнала на 180 В результате отраженная волна суммируется с излучаемой и поступает нагрузку. В идеальном случае пиковое значение амплитуды результир ющей волны может увеличиться до 3 раз с соответственным увеличение мощности до 9 раз.

При заданных рабочих параметрах системы коэффицент связи резон тора с линией ¡3 должен иметь некоторое оптимальное значение. Одна1 для практической оценки эффективности работы СВК в широком ди пазоне рабочих параметров можно воспользоваться следующими сообр жениями. Известно, что для достижения максимальной величины зап сенной в резонаторе энергии, при фиксированной длительности периох накопления t\, должно выполняться условие:

Введя следующие безразмерные переменные

Qo .у= 1 .с= 1

Тг/f 2 ¿2 ~ h

где <2 - длительность входного импульса, выразим амплитуду волны i; выходе системы в течение периода использования СВЧ-энергии: tj < t <2 в следующем виде:

Евых.{у) = 2 (l - I х ^ - 1] + 1, < у < 1, (;

Наиболее важными параметрами любой СВК являются эффектш ность (t)) и коэффициент усиления мощности (Рд). Поскольку при работ на согласованную нагрузку мощность волны пропорциональна квадрат напряженности поля, определим 77 и Рд следующим образом:

<2 <2 Т) = J\EablI.(t)\2 dt, / J \E.x.(t)\2 dt, Pg = T]C (<

Интегрируя выражение (3) в соответствии с (4), получим зависимости rc. 1), связывающие параметры х и С для заданных значений эффек-зности системы либо коэффициента усиления мощности. Так, например, в проекте ВЛЭПП предполагаются следующие пара-гры системы СВЧ-питания: / = 1АГГц,1ъ = бООксек и С = 5.5. На-ким дополнительные ограничения на параметры умножителя:^ > 0.65 > 3.5. В соответствии с рис. 1 видим, что для выполнения этих усло-i значение параметра х должно быть: х > 6 . Откуда, в соответствии 2), собственная добротность накопительных резонаторов должна быть ниже 150 ООО.

С

[с. 1: Изолинии эффективности компрессии (сплошная линия) и ко-фициента усиления (пунктир) СВК с накопительным резонатором, в ординатах С — х.

Традиционно в технике СВЧ в качестве высокодобротных резонато-в используются цилиндрические резонаторы с рабочим типом колеба-я Но„т. Однако достижение в медном резонаторе добротности выше 5, при работе в сантиметровом диапазоне, неизбежно связано с силь-ш уплотнением спектра собственных колебаний резонатора. В работе казано, что средняя плотность частот собственных колебаний в резо-торе с добротностью выше 150 ООО на частоте ВЛЭПП - 14 ГГц, будет :нее 0.1 % . Следствием такой ситуации может быть следующее:

1. Колебания обычных объемных резонаторов в определенном интер вале частот, как правило, имеют примерно одинаковое затуханш вызванное тепловыми потерями в стенках резонатора; вследстви этого при высокой плотности спектра возникает сильная конкурен ция между колебаниями, их резонансные кривые перекрываются : резонатор начинает терять свои резонансные свойства. Кроме тоге даже небольшая межтиповая связь, возникающая из-за неидеалыю сти геометрии резонатора и той неоднородности, что представляв' собой элемент связи резонатора с трактом, может сильно понизит: уровень выводимой на рабочем типе колебаний СВЧ-энергии, з. счет перекачки части СВЧ-энергии в паразитные моды, практи чески не имеющие связи с трактом.

2. Наличие в спектре выходного СВЧ-сигнала умножителя дополни тельных частот может вызвать паразитную модуляцию энергш ускоряемого сгустка вдоль его длины, что является крайне неже лательным.

3. Возбуждение паразитных колебаний в резонаторе может привест! к снижению его электрической прочности и СВЧ-рассогласованик всей системы.

Как способ преодоления этих проблем, Балакиным В.Е. была предложена, а автором диссертации исследована и продемонстрирована возможность использовать в качестве накопителя СВЧ-энергии умножител» с накопительным резонатором т. н. Открытый Бочкообразный Резонатор (БОР). Это явилось новым техническим решением, закрепившим зг системой собственное название: VPM - VLEPP Power Multiplier (Умножитель мощности ВЛЭПП), которое теперь общепринято.

Геометрия БОР выбирается таким образом, чтобы эффективно возбуждались колебания с большими азимутальными индексами ("волны шепчущей галереи"), а колебания со слабой азимутальной зависимостью не могли формироваться. В результате многократного отражения электромагнитных волн от стенки резонатора, поле колебаний с большими азимутальными индексами оказывается сосредоточенным в относительно малом объеме, вблизи отражающей поверхности резонатора и защищено от излучения в свободное пространство каустическими поверхностями. Добротность такого резонатора, обусловленная омическими потерями в стенках, может быть определена из геометрических соображений с использованием коэффициентов отражения Френеля. Для колебания TMmnq

щучим:

Ятм = —, (5)

где а - радиус резонатора; в - толщина скин-слоя.

Не трудно видеть, что для медного резонатора, если отношение 2а/А >лее 10, то добротность колебания более 100 ООО.

В диссертации представлена краткая теория такого класса резона->ров и результаты компьютерного моделирования полей в открытом :зонаторе.

Для экспериментальных исследований БОР были изготовлены не-олько типов резонаторов. При их изготовлении была использована :ециальная технология для обеспечения высокого качества поверхно-•и и максимально возможного соответствия профиля резонатора теоре-пескому. Измерения БОР проводились на специально разработанном 1Тором автоматизированном стенде. Для идентификации собственных шебаний измерялись азимутальное и радиальное распределения полей 1бочего колебания в резонаторе. Собственная добротность измерялась еловым методом. Ошибка измерения добротности не превышала 3 % . Табл. 1 сведены результаты измерений.

Таблица 1. Параметры трех типов БОР

№ Тип колебания Диаметр (мм) Высота (мм) Частота (ГГЦ) <?о/Ю5

1 £51,1,1 400 160 14.000 3.1

2 £725,1,1 263 140 11.424 1.9

3 £31,1,1 258 120 14.000 2.0

На следующем рисунке представлены: общий вид 11.424 ГГц открыто резонатора (рис. 2, вверху), частотный спектр резонатора с откры-,ши торцами (рис. 2, внизу) и с закороченными проводящими поверх-1стями торцами (рис. 2, в середине).

Одна из серьезных проблем, которую необходимо решать при работе пюбым открытым СВЧ-резонатором - это наличие нерезонансного из-чения из отверстия связи, потому что, благодаря специфике открытых стем только часть питающей СВЧ-энергии идет на возбуждение коле-ний в них, остальная же - излучается через его торцы в свободное юстранство, формируя нерезонансный фон. Структура поля колеба-[й типа "шепчущая галерея", БОР позволяет преодолеть эту проблему. >льшое число азимутальных вариаций такой моды позволяет органи-вать возбуждения резонатора в режиме "бегущей волны". Этот режим

цггс*-'.. "бЬ-йгпетюйяРС!:«»«*'

Рис. 2: 11.424 ГГц бочкообразный открытый резонатор (пояснения в те сте).

реализуется путем возбуждения резонатора через большое число отверстий связи, расположенных в общей стенке резонатора и питающего волновода, огибающего резонатор по всему периметру в его средней части. Правильный выбор ширины волновода обеспечивает равенство фазовых скоростей в резонаторе и волноводе, чем достигается максимальная связь резонатора с волноводом и их хорошее согласование. В этом случае можно ожидать и существенное подавление нерезонансного фона, так как поле возбуждающей волны оказывается "прижатым" к стенке резонатора.

Режим бегущей волны также позволяет отказаться от дублирования накопительных резонаторов и развязывающего моста, что выгодно отличает VPM от оригинальной схемы SLED. Измеренное значение КСВН для различных модификаций VPM лежит в пределах 1.1-1.2. Большое число отверстий связи и сама их геометрия позволяют надеяться, что система будет иметь достаточный запас по электрической прочности при работе на высоком уровне СВЧ-мощности. В рамках международного научно-технического сотрудничества в Филиале ИЯФ СО РАН были разработаны и изготовлены два умножителя СВЧ-мощности VPM-J на частоту 11.424 ГГц для использования на ускорительном стенде JLC (Япония), смотри Рис. 3.

В данной конструкции умножителя не предусматривается механической подстройки частоты резонатора, все точные настройки предполагается производить путем изменения температуры охлаждающей жидкости с ее последующей термостабилизацией на уровне < 0.3° С.

Испытания VPM (JLC) на высоком уровне СВЧ-мощности проводились в КЕК (Япония). В процессе тренировки умножителя выходная СВЧ-мощность клистрона 35 МВт при длительности плоской вершины импульса 0.5 сек были определены как предельные выходные параметры клистрона во избежание опасности электрического пробоя выходных керамических окон клистрона. Тренировка велась при частоте следования импульсов 25 Гц (включая 5 часов при 50 Гц). Как предусматривалось в проекте, переворот фазы импульса клистрона осуществлялся за 110 нсек до его конца. Измерения СВЧ-мощности на входе и выходе умножителя проводились с помощью калиброванных СВЧ-детекторов. В результате потерь в питающем волноводе максимальная СВЧ-мощность, подводимая к умножителю, составила 31.5 МВт. За 18 часов тренировки была достигнута выходная пиковая СВЧ-мощность 134 МВт при 31.3 МВт входной СВЧ-мощности. Этот режим был достаточно стабилен, так как в течение 1 часа непрерывной работы не было зафиксировано ни одного СВЧ-пробоя умножителя. Позднее были предприняты попытки увеличить уровень входной СВЧ-мощности; имели место несколько наблюдений пико-

Ж

Рис. 3: 11.424 ГГц VPM-J.

ой выходной мощности 150 МВт и выше. Но тренировка умножителя а таком уровне мощности была затруднительна, так как каждый СВЧ-робой соправождался значительным ухудшением вакуума в районе ке-амических окон клистрона. На рис. 4 приведен временной график тре-ировки VPM-J. На следующем рисунке (смотри рис. 5) представлены ормы импульсов, полученные в ходе тренировки. Экспериментальные азультаты хорошо согласуются с предварительными теоретическими щенками.

Результаты испытаний VPM показали его надежную работу на высо-эм уровне СВЧ-мощности. Благодаря своей простоте и компактности, го устройство является одной из наиболее перспективных систем им-г'льсной компрессии СВЧ-мощности для работы в сантиметровом диапа-ите длин волн в системах импульсного СВЧ-питания будущих линейных шлайдеров.

Заключительная часть диссертации посвящена развитию методов, по-оляющих без существенного усложнения конструкции накопительного ВЧ-элемента умножителя, скорректировать форму выходного СВЧ-тульса. Такая коррекция позволяет существенно расширить возмож-1Сти умножителя с накопительным резонатором. В частности, для манн с ускорением большого числа сгустков, конфигурация поля, запол-ющего ускоряющую структуру, имеет существенное значение, что называет достаточно жесткие требования на форму питающего СВЧ-шульса. Кроме того, возможность понизить в 1.5-2 раза значение ковой выходной СВЧ-мощности при сохранении эффективности комиссии позволяет повысить надежность работы системы. В работе детально описан умножитель СВЧ-мощности, использую-ш в качестве накопительного элемента цепочку связанных резонато-в. Такое устройство было впервые предложено в ФИЯФ СО РАН и зработано автором.

В технике СВЧ цепочка связанных резонаторов представляет собой зивалент линии задержки. Поэтому при достаточно большом количе-ве резонаторов в цепочке можно обеспечить форму выходного СВЧ-пульса, близкую к прямоугольной. На основе численного моделирова-я такой системы автором был разработан умножитель СВЧ-мощности двух связанных открытых резонаторах. Расчетное значение эффек-вности компрессии СВЧ-мощности устройства с оптимизированными эаметрами практически совпало с эффекивностью компрессии умно-теля с одним резонатором.

Макет умножителя на частоту 14 ГГц был изготовлен в ФИЯФ СО II и прошел тестирование на малом уровне СВЧ-мощности. На рис. 6

Импульсная мощность (МВт)

с«о

1М

1СО

■в

°в в ю ^a и ' н щ ¿« Время тренировки (часы)

Рис. 4: График тренировки УРМ-Л.

...............1""1......

1 •

• 6-1*

• •

•

•

г I г ' ■■■ ....................

не. б: Общий вид 14 ГГц уножителя СВЧ-мощности на двух связанных гкрытых резонаторах.

эказан общий вид умножителя. Необходимая величина коэффициента зязи между резонаторами подбиралась экспериментально, путем из-енения полувысоты каждого резонатора в области их общей кромки, аким образом, связь между резонаторами осуществлялась за счет пе-зкачки части СВЧ-энергии из одного резонатора в другой через общий зрец. Параметры экспериментального образца несколько отличались от ттимальных, так как на данном этапе основное внимание уделялось во-эосам отработки конструкции системы. На следующем рисунке (рис. 7 |) изображен выходной импульс макета двух-резонатоного УРМ, полу-;нный в ходе экспериментов на низком уровне СВЧ-мощности, а также ипульс, полученный по результатам компьютерного моделирования ра->ты системы (рис. 7 б)). Входные параметры для расчета были взяты 1 экспериментальных данных.

Исследованы другие методы коррекции формы выходного СВЧ-.шульса: система с низкодобротными корректирующими резонаторами; иогомодовый резонатор; работа умножителя с накопительным резона-)ром в режиме модуляции входного импульса; гибридный метод - два

связанных резонатора в режиме модуляции входного импульса. Анализ проводился в предположении, что прямоугольная форма выходного импульса является оптимальной.

Показано, что в случае амплитудной модуляции неизбежны большие потери в эффективности компрессии. А при фазовай модуляции входного сигнала сохранение достаточно высокой эффективности компрессии возможно лишь при частичной коррекции формы выходного СВЧ-импульса умножителя - длительность плоской части составляет примерно половину полной длительности выходного импульса. Поэтому целесообразность применения данного метода сильно зависит от того, насколько в каждом конкретном случае допустимы искажение формы импульса и вариации СВЧ-фазы выходного сигнала системы.

-5

° ч о *

я

Я 3 о 2 2

е* ч

о

о

X 3

о г 2

<0

А— _J

л4^

100

гоо зоо чоо Время (нсек)

500

Рис. 7: Выходной СВЧ- импульс умножителя: а) - экспериментальные данные; б) - расчет.

Проведен анализ предложенного автором гибридного метода, с использованием двухрезонаторного умножителя, работающего в режиме

фазовой (амплитудной) модуляции входного сигнала. При этом обеспечивается практически плоская вершина выходного импульса, используются преимущества обоих использованных подходов и сохраняется высокая эффективность компрессии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ различных систем импульсной компрессии СВЧ-мощности для работы в системе СВЧ-питания будущего линейного электрон-позитронного коллайдера. В результате обоснован выбор метода компрессии для работы в сантиметровом диапазоне длин волн в рамках проектов ВЛЭПП (Россия). На основе компьютерного моделирования работы СВК определены основные требования к рабочим параметрам системы.

2. Приведены результаты теоретического исследования и компьютерного моделирования параметров "Открытого Бочкообразного Резонатора", предложенного использовать в качестве накопителя СВЧ-энергии СВК для ВЛЭПП. Представлены результаты экспериментального исследования БОР, проведенные автором на специально разработанном измерительном стенде.

3. Описана технология изготовления БОР, позволившая обеспечить высокое качество поверхности резонатора. Показано, что данный тип резонаторов отвечает практически всем требованиям, необходимым для эффективной работы СВК Х-диапазона.

4. Представлена конструкция новой компактной системы импульсной компрессии СВЧ-мощности Х-диапазона для ВЛЭПП - VPM и ее модификации для JLC (Япония) - VPM-J на основе БОР, работающего в режиме бегущей волны.

5. Приведены результаты испытаний VPM-J на высоком уровне СВЧ-мощности, в ходе которых достигнута пиковая выходная мощность порядка 150 МВт. Продемонстрировано хорошее совпадение экспериментальных результатов с теоретическими и численными расчетами.

6. Рассмотрены различные методы коррекции формы выходного импульса СВК с накопительными резонаторами с целью расширения возможной области применения таких систем. Представлены результаты экспериментального исследования СВК на двух

связанных открытых резонаторах Х-диапазона (VPM-2) и одно резонаторного VPM с фазовой (частотной) модуляцией вход ноге СВЧ-импульса. На основе полученных данных сделано заключе ние, что VPM-2 является наиболее перспективным кандидатом дл! использования в качестве СВК для ВЛЭПП.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих рабо тах:

1. Balakin V.E., Syrachev I.V. " A New Approach in RF Powe Multiplication", Proc. II-th Int. Workshop on Next-Generation Linea Collider, KEK, Tsukuba, Japan, 1990.

2. Balakin V.E., Syrachev I.V. "VLEPP RF Power Multiplier", Proc. Ill rd Int. Workshop on Next Generation Linear Collider, Branch INF Protvino, Russia, 1991. pp. 145-156.

3. Balakin V.E., Syrachev I.V. " Status of VLEPP RF Power Multiplie (VPM)", Proc. III-rd European Particle Accelerator Conference, Berlin Germany, 1992, pp. 1173-1175.

4. Syrachev I.V. "The Progress of X-Band "Open" Cavity RF Puis Compression System", Proc. IV-th European Particle Accelerato Confe rence, London, UK, 1994, pp. 375-379.

5. Балакин B.E., Сырачев И.В. " Умножитель импульсной СВЧ мощности для ВЛЭПП", Препринт ФИЯФ 95-1.

6. Syrachev I.V., Vogel V.F., Mizuno Н., Odajiri J., Otake Y., Tokumot S. "The Results of RF High Power Tests of X-Band Open Cavity R Pulse Compression System", Proc. Int. Conference Linac-94, Tsukub; Japan, 1994, pp. 475-477.

7. Syrachev I.V. "Some Methods of RF Pulse Shape Correction of the R Pulse Compression System", Proc. of the 1st. Int. Workshop on Pulse RF Sources for Linear Collider, Dubna, Russia, 1993, pp. 351- 356.

8. Syrachev I.V. "Complicated Phase/Frequency Modulation of the inpi Pulse for the SLED-type RF pulse Compession System, as a Metho of Pulse Shape Correction of the Output Pulse", Proc. IV-th In Workshop on Next-Generation Linear Collider, SLAC, Stanford, Gl USA, 1993.