Исследование сильноточной ускоряющей структуры на четвертьволновых резонаторах и группирователя импульсного релятивистского пучка наносекундного диапазона на ее базе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

16 од

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ СУЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Шимко Анатолий Иванович

УДК 621.384.6

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛЬНОТОЧНОЙ УСКОРЯЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ НА ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ И ГРУППИРОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСНОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО ПУЧКА НАНОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА НА ЕЕ БАЗЕ

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сумы 1994 г.

Работа выполнена в Институте прикладной физики АН Украины, г. Сумы

Научный руководитель: доктор технических наук

И.С.Савченко

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., проф. Н.С.Репалов,

Защита диссертации состоится "12" Ми1994 г. в 15часов на заседании специализированного совета К 22.01.01 в Сумском Государственном университете Адрес: 244007 Сумы, ул. Р.-Корсакова, 2 тел. 33-34-65 ЭТ-2.1&

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГУ

Автореферат разослан 1994 г.

Просим принять участие в работе Совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации

Ученый секретарь специализированного совета

УНЦ ХФТИ, г.Харьков к.ф.-м.н., доц. Г.С.Воробьев, СГУ, г.Сумы

Ведущая организация: НИИ Электронной микроскопии , г.Сумы

К 22.01.01

Флат А.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последние годы развития науки и народного хозяйства можно характеризовать как интенсивным расходованием энергоресурсов, так и поиском путей их восстановления и пополнения. В этой связи все больше внимания уделяется космической энергетике. В энергетическом комплексе космической станции важное значение отводится преобразователям энергии первичного источника в энергию СВЧ колебаний. Рассматривается как модульный вариант мощностью до 5 кВт на основе полупроводниковых приборов, магнетронов и клистронов, так и источники более мощного излучения в единичном приборе.

Как показывает анализ публикаций наиболее перспективными считаются клистронные генераторы сверхвысоких уровней мощности с рассредоточенным энергоотбором от сгруппированного пучка. Важное место в проблеме отводится системе формирования релятивистского электронного пучка (РЭП) высокого качества. Для того, чтобы получить излучение средней мощности 10,0 МВт от единичного прибора, можно сформировать РЭП в импульсном режиме с большой частотой повторения, а затем преобразовать его в энергию СВЧ колебаний. При этом должны быть решены задачи пространственно-временных и переходных процессов, градиентов электрических полей, тепловых нагрузок электродинамических структур, утилизации отработавшего РЭП, транспортировки СВЧ излучения. Многие из перечисленных проблем прежде должны быть исследованы в лабораторных условиях и предложены реализуемые технические решения.

Задача тем более важна, что за последнее время к источникам сверхвысоких уровней СВЧ мощности живой интерес проявляют и раработчики ускорителей на сверхвысокие энергии.

Кроме того, создание сверхмощных генераторов может быть полезным в установках термоядерного синтеза, разделения изотопов, сверхдальней связи и локации. Все это делает весьма актуальной разработку и создание комплекса аппаратуры для формирования импульсного РЭП наносекундного диапазона и построение на его базе релятивистского клистрона.

Цель работы. Целью настоящей работы является исследование сильноточной ускоряющей структуры на четвертьволновых резонаторах в совокупности со всеми его структурными элементами; создание действующих полномасштабных образцов, совершенствование их конструкций и исследование характеристик при вариации нагрузки в широких пределах ; поиск оптимальных условий передачи максимальной мощности от генератора электронному пучку; численное исследование группирователя сформированного РЭП с учетом пространственно-временных и переходных характеристик, их влияния на АЧХ преобразователя энергии РЭП в энергию СВЧ колебаний; создание экспериментальной базы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- исследованы радиотехнические характеристики ускоряющей сруктуры на Х/Л резонаторах, узла связи, фидера передачи энергии от генератора к нагруженной ускоряющей структуре с целью их оптимального согласования с учетом сильноточного электронного пучка;

- впервые для изготовления крупногабаритных ускоряющих структур применен биметалл сталь-медь, полученный методом взрыва;

- предложен, разработан и испытан ионнозащищенный источник электронов с применением керамики ЬаВе, а также

/ V м

комбинированный источник для комплексных исследовании;

предложена и внедрена в четвертьволновых резонаторах методика очистки вакуумных поверхностей с помощью резонансного высокочастотного разряда (РВР);

- проведено численное моделироние динамики груп-|рования РЭП наносекундной длительности с учетом юстранственно-временных характеристик РЭП и реходных процессов в группирователе;

- предложены перспективные схемы сильноточных

V / У V \

|ухпучковых ускорителен (ионныи и электронный пучки), а кже способ и устройство группировки РЭП на его базе.

Практическая ценность заключается в разработке »упногабаритных ускоряющих структур из биметалла сталь->дь и методик рассчета их основных электрофизических рактеристик; создании и исследовании узла связи и

V

идера передачи максимальной мощности от генератора к труженной ускоряющей структуре, ионнозащищенного точника электронов, очистке поверхностей методами РВР; здании пакета программ расчета группирователя 1Истронного типа импульсного релятивистского пучка ^осекундного диапазона с учетом прстранственно-«менных характеристик РЭП и переходных процессов в юмежуточных резонаторах; предложены новые схемы •строения двухпотоковых ускорителей и перспективные рианты технической реализации преобразователя энергии )П в энергию СВЧ колебаний.

Апробация работы. Основные результаты работы жладывались и обсуждались на Межотраслевом •вещании (г.Москва, 1978 г.), на VI Всесоюзном семинаре > колебательным явлениям в электронных потоках Ленинград, 1976 г.), на научнотехнических конференциях 1>ТИ (г.Сухуми, 1985 - 1988 г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертации содер-атся в трех статьях и одном препринте. Оригинальные рвения защищены авторскими свидетельствами СССР на юбретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит I введения, четырех глав и заключения. Общий объем 1боты составляет 170 стр., из них машинописного текста

124 стр., 44 рисунка, 2 таблицы. Список использованных источников составляет 176 наименований.

В первой главе дан анализ как новых методов генерации СВЧ колебаний, так и традиционных, с использованием энергии РЭП. Приведен обзор наиболее перспективных ускорительных установок для формирования интенсивных РЭП, а также результаты экспериментальных работ по достижению высоких градиентов электрических полей в электродинамических структурах и темпов ускорения.

Во второй главе приведено описание сильноточного

резонаторного ускорителя на Х/4 резонаторах, исследований резонаторов из биметалла сталь-медь, их

электрофизических, энергетических и эквивалентных параметров; освещены вопросы согласования ВЧ генератора с нагруженным резонатором; описан ионнозащищенный источник электронов и даны результаты исследований применения резонансного высокочастотного разряда для очистки вакуумных поверхностей. Приведены результаты экспериментов по запуску ускорителя.

В третьей главе рассмотрены вопросы группировки импульсного РЭП наносекундного диапазона с учетом пространственно-временных характеристик пучка и переходных процессов в промежуточных резонаторах. Результаты численного моделирования приведены в виде трехмерных графиков, дается интерпретация результатов. Описан экспериментальный комплекс.

В четвертой главе кратко изложены характеристики

перспективных ускорителей на базе "к/4 резонаторов и их применение для формирования двухпучковых потоков: электронно-ионного и электронно-электронного с

предварительной группировкой его части.

Автор защищает, представляя настоящую работу как диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук, следующие основные положения, изложенные в диссертации:

1. Ускоряющую структуру на . двух четвертьволновых резонаторах, выполненных из биметалла сталь-медь и состыкованных емкостными зазорами, исследование ее характеристик и обеспечения высокоэффективной передачи энергии от высокочастотного ген'ератора электронному пучку.

2. Ионнозащищенный источник электронов и комбинированный инжектор на его базе.

3. Метод очистки вакуумных поверхностей резонаторов с помощью резонансного высокочастотного разряда.

4. Результаты численного моделирования процесса группирования наносекундных импульсов тока с учетом переходных процессов и пространственно-временной эволюции пучка.

5. Схему малогабаритного двухпучкового ускорителя и схему СВЧ преобразователя с предгруппирователем части пучка.

Содержание работы. Тенденция развития энергетики показывает, что наряду с традиционными источниками электроэнергии (тепловые, гидро- и атомные электростанции) широкое распространение получают и нетрадиционные (ветровые, приливные, термальные, солнечные и т.д.). Особое внимание за последние годы уделяется космическим электростанциям с СВЧ генераторами для передачи энергии на Землю. Для этих целей целесообразно поднять выходную мощность электровакуумных приборов СВЧ до 2-4 МВт, а в будущем - до 0,1-0,2 ГВт, используя в последнем случае усилители на релятивистских электронных пучках. Кроме того, такие области, как ускорители заряженных частиц сверхвысоких энергий, термоядерный синтез, радиолокация, по-прежнему остаются основными потребителями мощных СВЧ-приборов.

Как показывает опыт исследований ведущих научных центров наиболее перспективными приборами для применения в СВЧ-энергетике являются мощные клистроны на релятивистских электронных пучках (РЭП).

Анализу состояния разработок в области формирования РЭП и генераторов СВЧ-диапазона сверхвысоких уровней

мощности посвящена первая глава диссертации. Показано, что в качестве источника РЭП могут быть использованы резонаторные ускорители прямого действия с частотой возбуждения в единицы мегагерц на базе четвертьволновых коаксиальных резонаторов. Выпускаемые промышленостью на момент разработки мощные генераторные триоды ГИ-56А, коммутаторы ИРТ-б, полупроводниковые вентили СВЛ-0,25, биметалл сталь-медь и др. позволили внедрить при разработке многоцелевого ускорительного комплекса передовые достижения и обеспечить проектные параметры.

Так как потери в ускоряющей структуре пропорциональны напряжению в квадрате, а прирост энергии пучка линейно зависит от напряжения, наиболее рациональным следует считать последовательное размещение ускоряющих станций при одновременном увеличении ускоряющих напряжений. В этом отношении предпочтительно использование двух четвертьволновых коаксиальных резонаторов, стыковка которых осуществлена емкостными зазорами. В емкостной части одного из них размещен инжектор, а в другом фокусирующая система транспортировки пучка к мишени. В высокодобротном контуре изменение нагрузки приводит к изменению как активной, так и реактивной компоненты входного сопротивления, что в свою очередь требует перестройки согласующих и компенсирующих устройств. Решению этих вопросов наряду с технологическими, а также исследованию возможности группировки РЭП и преобразованию его энергии в энергию СВЧ колебаний посвящена настоящая работа.

Из анализа эквивалентной схемы следует, что такая ускоряющая структура будет иметь две резонансные частоты. Для одной из них характерно противофазное распределение поля. Напряжение между торцами будет в два раза больше, чем радиальное. Оно соответствует колебательному контуру, у которого эквивалентная емкость состоит из емкости цилиндрического участка, емкости рассеяния и емкости торцового зазора. Индуктивностью служит отрезок короткозамкнутой коаксиальной линии.

Основные проектные и измеренные геометрические и электрофизические характеристики приведены в таблице.

Таблица

1 Условн. Ед. из- Величина

Наименование параметра | обозна- мерения

| чения Расчетн.| Измерен

Диаметр наружной обечайки о, мм 3000 3000+/-3

Диаметр внутреннего

коаксиала мм 500 500+/-1

Диаметр емкостной насадки Ос мм _ 2600 2600+/-5

Длина обечайки мм 4000 4000+/-2

Длина внутреннего коакси-

ала '1 мм 2350 2350+/-2

Длина емкостной насадки '2 мм 1500 1500+/-2

Торцовый зазор "з мм 150 150+/-2

Эквивалентная емкость

резонатора Сэ пФ 1000 1070

Рабочая частота ; 'о МГц 5,8 5,72

Характеристическое сопро-

тивление Ро Ом 27,4 26,0

Электрическая длина Р1 рад 0,294 0,282

Собственная добротность Оо - 14500 9300

Шунтовое сопротивление Кое МОм 0,384 0,242

Вакуумируемый объем куб.м 28,2 28,2

Площадь поверхностей

газовыделения кв.м 95,6 95,6

Нагрузочная кривая 11(1) такого резонатора определяется собственными потерями, мощностью ускоренного пучка и условиями согласования комплексных сопротивлений фидера и резонатора. Показано, что при возбуждении ускоряющей структуры с нескомпенсированной реактивностью узла связи и при ограниченности входного высокочастотного напряжения невозможно передать пучку номинальную мощность. Подробно анализируется диодный режим, когда ток формируется ВЧ полем и подчиняется

релятивистскому закону "3/2". Для этого случая рабочие параметры обеспечиваются как установкой диодного зазора, так и величиной связи с питающим фидером. При полной мощности генератора 100 МВт в соответствии с нагрузочной характеристикой может быть обеспечен ток до 500А и напряжение до 3,0 МВ. С ростом ускоряемого тока КПД передачи энергии пучку может достигать 90-95%.

Аналитически исследована нагрузочная характеристика для выбранного зазора, площади петли связи и вариации нагрузки (тока пучка). Показано, что при параллельной схеме компенсации, хотя и рекомендуются узлы связи малой площади, но величина компенсирующей емкости зависит не только от индуктивности петли, но и от активной компоненты нагрузки гвх, т.е. от тока пучка. При последовательной схеме зависимости от гвх нет, но необходимо использовать узлы связи большой площади. Регулировка связи осуществлена поворотом петли связи вокруг ввода энергии, т.к. величина связи Хсв определяется только эффективной площадью связи с учетом кривизны поля, угла поворота и геометрии петли.

Конструктивно компенсирующий контур выполнен в виде отдельной экранированной сборки керамических К15-9 и вакуумного переменного КП1-3 конденсаторов. Исследован фидер передачи энергии на базе комплекта радиочастотных кабелей типа РК50-44-17, включенных параллельно. Определено, что наиболее целесообразно использовать низкоомные фидеры сопротивлением 8-12 Ом.

Изучены конструкции ускоряющих резонаторов действующих и проектируемых ускорителей с применением высокопроводящих покрытий и принято решение выполнить резонаторы из биметалла сталь-медь, изготовленного по индивидуальному заказу методом взрыва на Орско-Халиловском металлургическом комбинате; разработана технология сварки тонко- и толстолистовых заготовок, их обработки. Это позволило существенно упростить конструкцию, отказаться от дополнительного охлаждения крышек, наружной обечайки и емкостных насадок.

Конструктивно крышка выполнена из биметалла сталь >5мм - медь 7мм и снаружи подкреплена кольцевыми и радиальными ребрами жесткости. Наружная обе^чайка саждого резонатора выполнена из трех секций длиной 1333 им, подкрепленных в месте стыка кольцевыми и угловыми зебрами жесткости. Измерение собственной частоты при эткачке показало, что эквивалентный прогиб крышек вставляет 0,71 мм, а дрейф частоты при суточном изменении температуры - 68,5 Гц/К. На этапе тренировки эчистка токопроводящих поверхностей проводилась с помощью резонансного высокочастотного разряда при мощности возбуждения 500 Вт импульсами длительностью 500 мкс и частотой повторения 1 кГц. При технологическом развакуумировании применен метод опрессовки вакуумных поверхностей сухим азотом. Перечисленные меры позволили почти вдвое повысить начальный уровень тренировки и получить напряжение на ускоряющем промежутке 2,5-2,6 МВ.

После тренировки ускоряющих резонаторов исследовалась транспортировка пучка. Первые же эксперименты показали, что мощный плазменный факел и поток нейтральных частиц с мишени достигал ускоряющего промежутка, удаленного на расстояние 6,0 м от мишени. Появлялись пробои ускоряющей структуры, а эмиттер катодного узла разрушался. Это стимулировало поиск и разработку катодного узла, защищенного от встречного потока ионов, газов и частиц материала мишени. В результате был создан катодно- подогревательный узел КПУ 50-20 с центральным отверстием и танталовым ленточным нагревателем. При этом не было замечено изменений в однородности теплового поля по поверхности катода, и эмиссионных характеристик.

С усовершенствованным катодом были проведены эксперименты по формированию длинноимпульсного цуга электронного тока в диодном режиме. Исследовался дрейф

пучка в электронопроводе 045 мм с помощью подвижного коллектора в режиме малых токов (3-5 А) и при ускоряющем напряжении до 700 кВ. По следу пучка на токоприемной медной шайбе установлено, что диаметр пучка составляет не

более 10 мм. Аналогичные результаты при тех же энергетических характеристиках были получены методом прожига алюминиевых фолы, размещенных в электроно-проводе на специальной этажерке с шагом 1000 мм. Разработан и испытан комплексный источник электронов на базе КПУ50-20. В нем предусмотрен плазменный источник, который удаляется из высокотемпературной зоны и экранируется.

В диодном режиме формирования моноимпульс тока имеет колоколообразную форму, поэтому при транспортировке до физической камеры электроны, прошедшие ус-

V и I

коряющии зазор в приамплитуднои фазе, догоняют электроны, вышедшие с фазой менее 90°. Происходит пространственно-временная группировка моноимпульса тока, что подтверждено численными расчетами и экспериментально.

Проведено численное моделирование группирователя импульсного релятивистского клистрона наносекундного диапазона, на базе пучков, формируемых ускоряющей

структурой на X/4 резонаторах с учетом пространственно-временных характеристик пучка и изменения частоты конвекционного тока в результате дрейфа. Моделирование проводилось путем разбиения фазовой протяженности сгустка на условные крупные частицы со ступенчатым изменением амплитуды тока и напряжения.

Реакция промежуточных резонаторов на ступенчатое возбуждение сгруппированного пучка вычисляется в виде суммы всех ступенек до рассматриваемого временного интервала. Переходные процессы учитываются введением комплексного сопротивления, нагруженного ¡-й частицей резонатора. При этом расстройка п-го резонатора

складывается из конструктивной £20п! расстройки,

вызванной переменными характеристиками пучка и

переходными процессами и времяпролетной расстрой

^сПгг Расчеты проведены на ЭВМ серии ЕС-1055М. Программа работает в диалоговом режиме с выводом результатов счета на графопостроитель. Исходными данными приняты амплитуда ускоряющего напряжения 1)0 = 1,0 МВ,

амплитудное значение ускоряемого тока 1о=500 А,

длительность полупериода ускоряющего поля ти=80 не, <астота модуляции fQ = 3,0 ГГц, мощность модулирующего :игнала Р = 200 Вт. Для упрощения счета форма импульса гока принята прямоугольная.

Анализ процессов группирования показывает, что сину-:оидальная форма ускоряющего напряжения на низко-энергетичных "хвостах" приводит к перегруппировке импульса гока и, как правило, его потере. Для оптимального группи-эования наносекундных импульсов нагруженная добротность эезонаторов должна быть 50 - 200, а ^соседние резонаторы эасстроены вниз и вверх по частоте с учетом девиации сонвекционного тока. При этом' эффективная длительность группированного импульса значительно сокращается, что эграничивает в конечном счете КПД преобразования. Эксперименты по группировке РЭП проводились на

эднорезонаторном макете Я/4 ускорителя в режиме скопления энергии и формировании короткого цуга (2-3 ^оноимпульса) тока электронной пушкой с термокатодом.

В работе описан ускоритель и приведены результаты исследования в различных режимах; представлены аппаратурный состав и процедура согласования генератора с сгрузкой оперативной перестройкой параметров выходного сонтура мощного генератора. Приведены характеристики 1мпульсного СВЧ генератора на лампах ГИ12Б и »ысоковольтных детекторных секций на диодах 6Д16Д, их салибровка по мощности. Описаны эксперименты по формированию и транспортировке РЭП вдоль оси руппирователя.

В четвертой главе приведены предложенные автором 1екоторые перспективные схемы малогабаритных : ? • .Заторных ускорителей. Источник ВЧ мощности эазмещен непосредственно на короткозамыкающей крышке эезонатора. Он содержит две и более генераторных ламп, збъединенных в одном колебательном контуре. Передача »нергии в ускоряющий резонатор осуществляется через есколько индуктивных узлов, размещенных в

короткозамыкающей крышке. Ионные источник

V < V

расположены по наружной обечайке, а отклоняющие системь - внутри емкостной насадки. Ускоряющее напряженж устанавливается таким, чтобы время дрейфа ионов былс равно нечетному числу полупериодов колебанм

ускоряющего поля. Перспективным для генерации \ эффективного усиления СВЧ колебаний признано устройство в котором основной электронный поток формируется I резонаторном ускорителе от кольцевого катодного узла тип< КПУ50-20. Дополнительный пучок формируется I группируется до ускоряющего зазора и проходит чере: центральное отверстие в основном катоде. После ускорена оба пучка направляются в группирователь.

Основные результаты работы.

1. Впервые исследованы радиочастотные ха рактеристики ускоряющей структуры при вариации тока пучк. и условия согласования ее с питающим фидером обосновано применение биметалла сталь-медь, полученной методом взрыва.

2. Разработан и исследован новый ионно-защищенный I комбинированный источник электронов.

3. Предложена и внедрена методика очистки вакуумны: поверхностей с помощью резонансного высокочастотной разряда.

4. Проведено численное моделирование динамики груп пирования РЭП наносекундной длительности, впервы учтены пространственно-временные характеристики РЭП их влияние на процесс группировки.

5. Предложены перспективные схемы малогабаритных ус корителей, формирующих совмещенные потоки ионов электронов, а также с предгруппированием части пучка.

Основные результаты, рассмотренные в диссертации, опубликованы в работах:

1. Иремашвили Д.В., Шимко А.И. / Энергетически характеристики четвертьволновой ускоряющей структурь

груженной сильноточным пучком электронов // ВСРЭ. .р. ИРФ. - 1987. в.1(13).-с.60.

2. Иремашвили Д.В., Шимко А.И. / Сильноточный ре-наторный ускоритель миллисекундной длительности // зисы докл. Межотраслевого совещ. М.: НИИ Титан. - 1978.

3. Иремашвили Д.В., Шимко А.И. / К вопросу эф-гктивной передачи энергии сильноточному пучку электронов

ускоряющих структурах на коаксиальных Я/4 резонато-IX // ВСРЭ сер. ИРФ.- 1987. в.2(14). - ¿48.

4. Савченко И.С., Шимко А.И., Шавловский Б.Л. / ипульсный многорезонаторный группирователь реля-вистского клистрона наносекундного диапазона. Препринт 1Ф АН Украины № 07-93. Сумы„ 1993.

5. Иремашвили Д.В., Мухаметов С.М., Шимко А.И./

ИРК на базе Я/4 резонаторного ускорителя // Тезисы жл. VI Всесоюзного семинара по колебательным явлениям электронных потоках. Л.: СЗПИ 1976.

6. Иремашвили Д.В., Шимко А.И. / Двухпучковый груп-юватель ИМРК //.там же.

7. A.C. N511646 (СССР). Способ обезгаживания элементе электронных приборов / Сухомлинов В.В., Шимко А.И. публ. в БИ. - 1976. - N15.

8. Иремашвили Д.В., Кузнецов П.И., Шимко А.И. и др./ зучение пространственно-временных и энергетических

фактеристик электронных пучков А,/4 ускорителя // СРЭ. сер. ИРФ. - 1985. в.2(10).- с. 136.