Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ
|
Игумнов, Владислав Сергеевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Томск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.20
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Па правах рукописи
Игумнов Владислав Сергеевич
Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний
01.04.20 фи шка пучков заряженных частиц п ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
г 1' юя 20)3
Томск 2013
005539255
005539255
Работа выполнена в лаборатории 4G Федерального государственного бюджетного образоиате. итого учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательским Томским политехническим университет»
Научный руководитель:
Артёмепко Сергей Николаевич, доктор физико-математических наук
Официальные оппоненты:
Винтизепко Игорь Игоревич, доктор фпзико-математическнх паук.
ФГБОУ ВПО НИ ТПУ. заведующий лабораторией Jf»53
Черноусой Юрий Дмитриевич, кандидат технических паук.
Институт химическом кинетики н горения С'О РАН. научный сотрудник
Ведущая организация: Институт сильноточной электроники СО РАН
Защита состоится « 17 » декабря 2013 года в 15-0(1 часов па. заседании диссертационного совета Д 212.269.05 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томским политехнический университет» по адресу: 634050. г. Томск, нр. Ленина, 2 А, ТПУ
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: G34028, г. Томск, ул. Белинского, 53.
Автореферат разослан
ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета.
кандидат физико-математических наук
Кожевников A.B.
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования
Источники ВЧ питания ускорителей заряженных частиц в значительной мере определяют не только технические характеристики ускорителей, но и их стоимость. Поэтому стремление уменьшить затраты на создание или модернизацию ускорителей стимулирует работы, направленные на снижение стоимости источников питания. Одним из результатов такой работы является предложенный в 70-е годы прошлого века пассивный способ повышения импульсной СВЧ мощности - резонансная компрессия СВЧ импульсов, основанная на накоплении энергии импульса в резонаторе н быстром ее выводе в нагрузку [1а-3а]. Интерес к способу обусловлен относительной простотой и невысокой стоимостью реализующих его резонансных СВЧ компрессоров. Компрессоры легко интегрируются в систему питания ускорителя и позволяют повышать импульсную мощность системы и энергию ускоренных частиц без существенных материальных и финансовых затрат.
Для питания ускорителей требуются мощные и энергоемкие СВЧ импульсы. В резонансных СВЧ компрессорах значительный запас энергии можно получать, используя большие накопительные объемы с размерами много больше длины рабочей волны. Одной из проблем компрессоров с такими резонаторами является быстрый вывод накопленной энергии. Сложность проблемы заключается в противоречивости предъявляемых к резонатору требований. Как правило, для достижения эффективной компрессии резонатор должен иметь высокую добротность в режиме накопления и низкую в режиме вывода. Совместное выполнение этих требований в крупных накопительных объемах представляет собой непростую техническую задачу. В силу этого ряд компрессоров с выводом энергии из сверхразмерных резонаторов ограничен и пока ни один из них в полной мере предъявляемым требованиям не удовлетворяет [4а-8а]. Поэтому разработка способов быстрого вывода энергии из крупных резонаторов является актуальной.
Многообразие ускорителей и требований к параметрам пучка ускоренных частиц диктует необходимость в импульсах ВЧ питания с таким же многообразием их основных параметров - мощности, длительности, частоты следования. Возможности регулирования этих параметров в известных компрессорах ограничены, что ведет к необходимости разработки для каждого типа ускорителя соответствующего типа компрессора. Управляемый вывод энергии может расширить эти возможности и позволить СВЧ компрессорам с таким выводом охватывать более широкий ряд ускорителей. Поэтому разработка СВЧ компрессоров с управляемым выводом также практически важна.
Актуальность диссертационной работы обусловлена и растущим интересом к резонансным СВЧ компрессорам как источникам мощных СВЧ им-
пульсов, которые могут найти применение для решения задач и в ряде других областей науки и техники.
Предмет исследований
В диссертационной работе исследуется способ формирования СВЧ импульсов с регулируемыми параметрами, основанный на выводе энергии из сверхразмерного резонатора управляемой трансформацией вида колебаний. При таком способе энергия в резонаторе накапливается на высокодобротном виде колебаний. На быстро включаемом элементе межвидовой связи этот вид трансформируется в вид. сильно связанный с выходом. В результате накопленная энергия в форме СВЧ импульса поступает в нагрузку.
В первом компрессоре такого типа элементом связи служил плазменный канал газового разряда в объеме резонатора [9а]. При этом низкая электрическая прочность элемента ограничивала мощность импульсов. В качестве более прочного элемента в [10а] предложено использовать окно связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом в виде Т-образного Н-тройника. В таком компрессоре одно прямое плечо шлейфа-тройника подключается к резонатору и имеет длину, при которой связь видов колебаний отсутствует. Второе плечо ограничивается подвижным короткозамыкателем, а в боковом, также короткозамкнутом плече, располагается СВЧ коммутатор. Коммутатор осуществляет переключение тройника из режима «закрыто» в режим «открыто» и меняет электрическую длину шлейфа. Это приводит к изменению картины поля на окне и изменению связи между видами колебаний и с нагрузкой. Подвижный короткозамыкатель обеспечивает управление длиной шлейфа и регулирование связи видов колебаний и параметров импульсов.
Работоспособность резонансных СВЧ компрессоров с трансформацией волн, но на распределенных стационарных элементах связи, продемонстрирована и на серии компрессоров, предложенных в [11а, 12а].
В данной работе исследуется защищенный патентом модернизированный вариант резонансного СВЧ компрессора с трансформацией вида колебаний на окне связи [2] (Рис.1). Для повышения мощности импульсов и расширения возможностей управления процессом вывода на выходе компрессора установлен второй тройник, позволяющий регулировать связь резонатора с нагрузкой, и выход компрессора сопрягается с резонатором через плавный согласующий переход. При закрытом тройнике передача энергии идет от добротного к добротному виду, и тройник открывается после завершения процесса передачи энергии от вида к виду. Согласованный переход обеспечивает вывод за минимальное время, равное времени двойного пробега волны вдоль резонатора, и формирование импульсов СВЧ с прямоугольной огибающей. В компрессоре с передачей энергии к вида-' низкодобротному тройник в вы-
ч3
Н(ц—>Н1
гр-1
ходном волноводе открыт постоянно и возможно формирование импульсов с регулируемыми параметрами.
^ ^ Рис. 1. Схема резонансного СВЧ
компрессора. 1 - накопительный резонатор, 2 - устройство ввода энергии, 3 - шлейф-тройник, 4 - окно-элемент межвидовой связи, 5,6 - СВЧ коммутаторы, 7 - подвижный короткозамыка-тель шлейфа, 8 - выходной волновод, 9 - выходной тройник.
Цель работы
Целью диссертационной работы являлось установление закономерностей процесса формирования СВЧ импульсов при выводе энергии из сверхразмерного резонатора управляемой трансформацией вида колебаний и создание действующих макетов резонансного СВЧ компрессора с регулируемыми параметрами формируемых импульсов
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Проанализированы процессы накопления и вывода СВЧ энергии в резонансной системе с исследуемым способом вывода.
2. Рассчитаны и разработаны макеты СВЧ компрессоров, реализующих способ.
3. Разработанные макеты исследованы на низком и высоком уровне мощности.
4. Сформулированы базовые принципы проектирования СВЧ компрессоров с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом .
Научная новизна работы
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
1. Определены основные закономерности процесса межвидовой передачи энергии в резонаторе при трансформации вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.
2. Построена модель для описания переходных процессов при накоплении и выводе энергии в системе компрессии с трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.
3. Впервые осуществлена последовательная компрессия СВЧ импульсов в двух связанных видах колебаний резонатора, позволяющая повышать рабочую мощность компрессора и получать импульсы СВЧ с формой огибающей, близкой к прямоугольной.
4. Впервые показана возможность дробного вывода СВЧ энергии из резонатора и формирования серии импульсов СВЧ суб- и (или) наносекундной длительности с частотой следования свыше 1МГц в пределах входного импульса компрессора.
5. Продемонстрировано суммирующее действие синхронно и синфазно работающих элементов межвидовой связи, позволяющее уменьшить время вывода энергии и увеличить мощность импульсов СВЧ компрессора.
Положения, выносимые на защиту
1. Процессы накопления и вывода энергии в СВЧ компрессоре с трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с волноводным шлейфом определяются интерференцией волн, формируемых межвидовой связью на окне, и волн, излучаемых окном из шлейфа.
2. Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с волноводным шлейфом позволяет формировать СВЧ импульсы с регулируемыми параметрами: мощностью, длительностью, формой огибающей и частотой следования.
3. Эффективность СВЧ компрессоров с выводом энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с волноводным шлейфом сопоставима с эффективностью известных активных СВЧ компрессоров, что позволяет их использовать в системах питания линейных резонансных ускорителей.
Научная и практическая значимость
Научная значимость результатов работы заключается в получении новых данных о процессах накопления и вывода энергии в системе компрессии СВЧ импульсов с трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с ко-роткозамкнутым волноводным шлейфом. В частности, в установлении закономерностей процессов и факторов, их определяющих, демонстрации возможности управления процессом вывода. Научная значимость также заключается в прогнозировании и демонстрации сопоставимости эффективности систем компрессии с трансформацией вида колебаний на быстро включаемом элементе связи с эффективностью известных активных систем компрессии.
Практическая значимость работы обусловлена возможностью создания на основе полученных данных источников мощных СВЧ импульсов суб- и (или) наносекундной длительности с регулируемыми параметрами. Реализованная последовательная компрессия СВЧ импульсов в связанных видах колебаний может служить основой для разработки мощных СВЧ компрессоров, формирующих импульсы с прямоугольной огибающей в системах ВЧ питания ускорителей. Практическая значимость обусловлена и тем, что кроме ускорительной техники разработанные источники СВЧ импульсов с регулируемыми
параметрами могут найти применение и в ряде других областей науки и техники. Например, при проведении лабораторных и полигонных исследований, в радиолокации, связи и т.д.
Публикации и апробация результатов
Материалы диссертации, в основном, получены при выполнении Гранта РФФИ №08 - 08 - 155а и Государственного задания «Наука» Минобрнауки РФ № 0.3.2012 и опубликованы в работах [1-16], в числе которых 6 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК и три патента на изобретения. Результаты работы докладывались автором на международной конференции студентов и молодых ученых Перспективы фундаментальных исследований в 2009 году (г.Томск) и пяти международных конференциях: 16-м международном симпозиуме по сильноточной электронике, 13-й и 14-й Международных конференциях молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM, 2012, 2013, Россия, Алтай, Эрлагол ), 7 международном форуме по стратегическим технологиям (IFOST, 2012, Россия, г. Томск), 3-м международном конгрессе по радиационной физике и химии конденсированных сред, сильноточной электронике и модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками (2012, Россия, г. Томск).
Материалы диссертации также докладывались на научных семинарах лаборатории №46 ФТИ НИ ТПУ в 2009 - 2013 гг.
Личный вклад автора
Представленные в диссертации результаты теоретических исследований и расчетов, а также экспериментальные данные получены автором либо при его непосредственном участии. Большая часть работы, касающаяся выбора метода теоретического анализа исследуемой системы, а также разработки и анализа модели системы определена автором.
Расчет и разработка конструкций исследованных СВЧ компрессоров, а также расчет энергетических характеристик компрессоров выполнен при непосредственном участии автора. Большинство исследований разработанных систем компрессии на низком уровне мощности выполнено автором.
Экспериментальные исследования на высоком уровне мощности проведены совместно с соавторами. Материалы к конференциям [1,5,9,10,11,16] и ряд публикаций [3,6,8,14] готовились, оформлялись и докладывались автором.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 130 страниц, включая 55 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы и публикаций автора из 87 наименований.
Содержание диссертации
Во введении диссертации дается краткий обзор известных систем компрессии, обосновывается актуальность, и формулируются цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Кратко излагается содержание, и формулируются научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены результаты теоретического анализа работы резонансного СВЧ компрессора с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.
В разделе 1.1 формулируются основные требования к резонансным СВЧ компрессорам, используемым в источниках питания линейных резонансных ускорителей. Характеризуются известные системы компрессии. Приводится перечень возможностей исследуемой системы.
В разделе 1.2 кратко описывается явление трансформации волн и примеры его использования в СВЧ устройствах. Обосновывается выбор методов анализа явления. Делается заключение о достаточности для решения задач работы двух методов - приближенного электродинамического метода, в котором взаимодействующие виды представлены связанными колебательными контурами, и метода матрицы рассеяния с представлением взаимодействующих видов связанными резонаторами.
В разделе 1.3 методом матрицы рассеяния анализируются две граничные схемы вывода энергии трансформацией вида колебаний на быстро включаемом элементе связи. Первая схема основана на передаче энергии от основного добротного вида к добротному вспомогательному виду и последующем выводе со второго вида в нагрузку. Схема идентична последовательной компрессии в связанных резонаторах. Быстрая передача энергии от вида к виду обеспечивает повышение электрической прочности системы на вспомогательном виде. Связь этого вида с нагрузкой регулируется СВЧ переключателем, находящимся вне области, заполненной полем основного вида. При накоплении и передаче переключатель закрыт. По завершении передачи он открывается. Схема используется для получения мощных СВЧ импульсов прямоугольной формы. В силу высокой добротности видов схема может быть реализована при относительно слабой межвидовой связи. В другой граничной схеме передача идет к виду предельно низкодобротному с открытым переключателем и полной связью с нагрузкой. В таком исполнении компрессор с управляемой связью колебаний может формировать импульсы с регулируемой мощностью, длительностью и формой огибающей. Отмечаются особенности передачи энергии в граничных схемах, выполняются оценки энергетических характеристик СВЧ компрессоров с такими схемами вывода.
Раздел 1.4 касается анализа накопительной системы компрессора, а именно, анализа амплитудно-частотных характеристик резонатора, связанного с тройником-шлейфом. Формулируется предположение о механизме регулирования связи резонатора с нагрузкой. Предполагается, что в основе регулирования лежит интерференция волн, формируемых межвидовой связью на окне связи резонатора со шлейфом, и волн, излучаемых окном из шлейфа. Опираясь на это предположение и используя амплитудно-частотные характеристики системы, показано, что для окна с любым коэффициентом передачи имеется длина шлейфа (входного плеча тройника), при которой межвидовая связь и, следовательно, связь с нагрузкой компенсируется. Показано также, что, меняя длину выходного плеча и открывая тройник с помощью быстродействующего СВЧ коммутатора, можно управлять связью, определяемой параметрами окна, резонатора и шлейфа.
В разделе 1.5 на основе приближенной электродинамической теории взаимодействия видов колебаний выполнен расчет коэффициента межвидовой связи 712 на окне связи резонатора со шлейфом. По результатам раздела 1.3 и результатам расчета коэффициента получены численные оценки условия отсутствия связи между видами и с нагрузкой. Расчет и оценки выполнены по известным формулам для 712 и коэффициента передачи /г между связанными резонаторами [1а,14а]:
где V и 8У - соответственно, объем резонатора и объем «деформированной» его части, на которой происходит взаимодействие, Н1, Н2, Е\, Е^ - векторы магнитных и электрических компонент поля взаимодействующих видов колебаний, из - циклическая рабочая частота, Т\ и Тг и Т - время двойного пробега рабочих волн вдоль резонатора. Здесь же оценено количество окон — элементов связи, необходимое для полного преобразования основного вида в вид вспомогательный. Показано, что для полного преобразования вида при однократном взаимодействии его волны с элементами и достижения усиления и мощности импульсов, сопоставимых с усилением и мощностью волны в резонаторе, необходимо, чтобы площадь окон была сопоставима с площадью сечения резонатора. Расчетные зависимости усиления компрессора б от радиуса окна связи г для умеренно многомодового и сверхразмерного цилиндрического резонатора с разным количеством окон п приведены на рис.2. Расчеты выполнены для использованных в экспериментах резонаторов с основным рабочим видом колебаний Нщт) и вспомогательным Нщр).
Рис.2. Расчетные зависимости усиления мощности компрессора (3 от радиуса окна связи г резонатора со шлейфом при различных величинах радиуса резонатора Я. Трансформация на одном окне связи п = 1: 1) Я = 2.2 см; 2) Л = 4.5 см. Трансформация на п окнах связи: 3) Я = 2.2 см, п = 3; 4) Я = 4.5 см, п = 10.
В разделе 1.6 изложены результаты анализа работы модели исследуемого СВЧ компрессора. Модель построена на основе следующих трех постулатов: 1. Накопительная система компрессора представляет собой соединение трех волноводных линий - резонатора, шлейфа и линии связи с нагрузкой. 2. Регулирование связи с нагрузкой обеспечивается интерференцией волн, формируемых на окне и излучаемых окном из шлейфа. 3. Распределение волн в системе идентично распределению волн в волноводном тройнике с короткоза-мкнутым плечом. Поэтому система представлена в виде //-тройника с резонатором в одном прямом плече тройника, со вторым прямым плечом, связанным с нагрузкой, и шлейфом в боковом плече. Методом матрицы рассеяния выполнен анализ работы модели в стационарном режиме, а через приближенные дифференциальные уравнения (2), полученные разложением в ряд рекуррентных соотношений между амплитудами волн в системе, - и в динамическом режиме.
db2(t) +b2(t)
где а
dt
_ 72jh,
Т\
~§—1~ЗФ
ка\ — abn{t),
dbi(t) b4(t)
dt
T2
Sb2(t)
(2)
rie-^l + vT^e-")'
2 jk
Tiv/PPe-xfl+v/Pie-i) '
s =
jhe
v/2T2v/l:I7Pe-i-^
численные параметры и
2 -5-'-
Т2
(l-VT^Fe-т-^)
— постоянные времени резонатора на связанных видах колебаний.Установлена особенность процесса накопления в системе, заключающаяся в проявлении некомпенсированной межвидовой связи на переходных процессах на фронте и спаде входного импульса в условиях компенсации связи в стационарном состоянии. Особенность проявляется в форме затухающих биений амплитуды выходной волны, идентичных биениям в системе
связанных резонаторов [13а], и может приводить к дополнительным потерям при накоплении (рис.3). Показано, что подбором параметров системы доля теряемой энергии может быть понижена до уровня, не влияющего на энергетические характеристики системы. В компрессоре с взаимодействующими добротными видами этот процесс может использоваться для повышения эффективности накопления. Показано также, что при передаче энергии к низкодобротному виду система позволяет регулировать мощность, длительность, частоту следования и форму огибающей выходных импульсов (Рис.4). Это достигается изменением электрической длины шлейфа, обеспечивающим режимы непрерывного или возможности дробного вывода энергии. Получены аналитические выражения для огибающих импульсов и оценены энергетические характеристики системы.
0.5
0.25
1
ад 1 ,3
Рис.3. Огибающие СВЧ сигниала на вспомогательном виде колебаний при наколе-нии и системе с передачей энергии от добротного вида к добротному виду: к = 0.05, 1) ф = 0; 2) ф = 0.005; 3) ф = 0.05.
1, 10"7 С
о
Рч
20
15
10
7^4
-2
м . « А
Рис.4. Огибающие выходного СВЧ импульса при выводе энергии в системе с передачей от добротного вида к виду предельно низкодобротному: Н = 0.05 1) ф = 0.0; 2) ф = 0.2; 3) ф = 0.3; 4) ф = 0.4.
^ ю"8 С
где Ротн. = Рвых./Рб.в.р ~ отношение мощности волны вспомогательного вида к мощности бегущей волны основного вида в резонаторе. На рис.5 приведены огибающие выходных импульсов, рассчитанные через реккурентные соотношения при различной электрической длине шлейфа. Как видно из картин рис.5, изменение длины шлейфа ведет к быстрому изменению основных параметров формируемых СВЧ импульсов. Увеличение межвидовой связи ведет к эволюции огибающей к прямоугольной форме.
0 12 3
I, 10 с
(в)
I. 10 с
1 2 3
, , I, 108С (г)
Рис.5. Огибающие выходных импульсов СВЧ при различной электрической длине шлейфа и выводе с передачей энергии от добротного вида к низкодобротному: к = 0.4 (а) ф = 0; (б) ф = 0.6; (в) ф=1- (г) ф = 1.57.
Вторая глава включает в себя результаты расчета и проектирования макетов СВЧ компрессоров 3-см диапазона длин волн, а также данные их исследования на низком уровне мощности. Целью работы, результаты которой изложены в главе, являлось создание макетов и их подготовка к экспериментам на высоком уровне мощности. Основными задачами в этой части работы были выбор конструкции компрессоров, расчет характеристик и выявление особенностей поведения взаимодействующих видов колебаний.
В соответствии с этим в разделе 2.1. обоснован выбор геометрии резонаторов, выполнен расчета их размеров и электрофизических характеристик, а также ожидаемых значений коэффициента усиления и КПД компрессоров.
Расчет СВЧ компрессора с умеренно многомодовым резонатором представлен в подразделе 2.1.1. Компрессор с таким резонатором использован для исследования передачи энергии, как к добротному, так и предельно низкодобротному виду колебаний. Умеренно многомодовым резонатор выбран преднамеренно с целью более четкого выявления особенностей взаимодействия видов в условиях относительно низкой плотности спектра колебаний (¿Л^/5/ и 103А(_1). Использован цилиндрический резонатор диаметром « 1.5Л с пятью распространяющимися типами волн, где А - длина волны в свободном пространстве. В качестве основного вида выбран высокодобротный аксиально-симметричный вид Н0цт), роль вида вспомогательного отведена виду НЩп), сильно связанному с выходным волноводом.
(а)
(б)
Рис.6. Внешний вид резонансного СВЧ компрессора 3-см диапазона длин волн с умеренно мпогомодовым резонатором (а) и с выводом энергии из сверхразмерного резонатора (б).
Окно связи выполнялось на входной торцевой стенке резонатора, на середине радиуса цилиндра. В этом месте расположен максимум магнитной составляющей поля основного вида и сопоставима величина магнитной составляющей вспомогательного вида. Это обеспечивало возможность реализации сильной связи между рабочими видами. Шлейфом служил //-тройник из прямоугольного волновода сечением 23 х 10 мм2. Выходом компрессора являлась вторая торцевая стенка резонатора, выполненная в форме плавного перехода чебышевского типа, запредельного для волны основного вида, согласованного для волны вспомогательного вида в полосе частот ~ 1/Т, где Т - время двойного пробега волны этого вида вдоль резонатора, и связанного с нагрузкой через одномодовый круглый волновод. Размеры резонатора выбиралась из условия совпадения частот рабочих видов в отсутствие паразитных видов в полосе частот ~ 50 МГц. Высокая добротность вспомогательного вида обеспечивалась размещением в выходном волноводе //-тройника, закрытого при накоплении и передаче и открытого по завершении передачи. При передаче к низкодобротному виду этот тройник переводился в режим «открыто», что достигалось выбором длины его бокового плеча четвертьволновой. Приведены результаты расчета характеристик компрессора, выполненные с учетом влияния шлейфа на электрофизические характеристики резонатора.
В подразделе 2.1.2 представлены результаты расчета и проектирования СВЧ компрессора со сверхразмерным резонатором диаметром ~ ЗА с более чем двадцатью распространяющимися по резонатору типами волн. Рабочими видами колебаний остались виды Нщт) и Нщпу В отличие от системы с умеренно многомодовым резонатором в этой системе возбуждение основного вида было предусмотрено как через одно, так и через два окна, расположенных симметрично на одном диаметре, ортогональном диаметру с двумя элементами межвидовой связи. Симметричное расположение элементов выбрано для компенсации сильной связи между видами в режиме накопления при любой одинаковой длине шлейфов. Внешний вид компрессора представлен на рис.66.
Разделы 2.2 и 2.3 посвящены результатам экспериментального исследования СВЧ компрессоров на низком уровне мощности.
В разделе 2.2 изложены данные исследований поведения рабочих видов при импульсном возбуждении и возбуждении в режиме частотной модуляции. Изучалась динамика процессов возбуждения при изменении параметров элемента межвидовой связи - размеров окна и электрической длины шлейфа, а также отличия частот взаимодействующих видов. Установлено, что для любых размеров окна, вплоть до размеров в полное сечение волновода шлейфа, имеется электрическая длина шлейфа, при которой преобразование видов и, следовательно, передача энергии в нагрузку по завершении процесса накопления отсутствует. Этот результат согласуется с данными теоретического анализа. Установлено также, что на переходных процессах при импульсном возбуждении имеет место трансформация с биениями амплитуды колебаний взаимодействующих видов. Однако вариацией длины шлейфа биения могут быть уменьшены до уровня, практически не влияющего на энергетические характеристики компрессора. Этот результат также находится в соответствии с данными теоретического анализа. Картины переходных процессов при возбуждении колебаний в режиме частотной и импульсной модуляции приведены на рис.7. Сигналы сняты для отраженной от резонатора волны и волны в выходном волноводе.
Рис.7. Картины переходных процессов в режиме частотной (а) и амплитудной (б) модуляции. Верхние осциллограммы - при компенсированной межвидовой связи, нижние - при некомпенсированной связи. В верхней половине осциллограммы приведен отраженный сигнал (1), в нижней половине — с выхода (2).
(а) (б)
Осциллограммы демонстрируют возможность полного запирания основного рабочего вида колебаний при накоплении и сильную гибридизацию видов при выводе. Кроме того, они демонстрируют и возможность повышения эффективности накопления использованием режима биений, подобно тому, как это осуществляется в системе связанных резонаторов [13а].
Раздел 2.3 представляет данные экспериментального определения зависимостей коэффициента межвидовой связи от параметров элемента — размеров окна связи и электрической длины шлейфа. Коэффициент измерялся по известной функциональной связи с величиной отличия частот взаимодействующих видов колебаний в точке совпадения их парциальных частот. Полученные зависимости удовлетворительно согласуются с расчетными данными. Согласие может служить мерой достоверности оценок усиления компрессора и условия компенсации межвидовой связи. Расчетные и экспериментальные зависимости коэффициента межвидовой связи от параметров шлейфа приведены на рис.8.
В заключение главы формулируются ее основные результаты и выводы.
Ги
0.002
0.001
1
/ / 1 1 ( \ \ /5 I/4
¡и № \ - V %. С"".
Л.2'
1 3
2
3 1 \
1
1
У / 1- 2
л г 1
-0.1 -0 05/0 0.05 0 1
1 <Р. рал
(а)
-0 2-0 1 С 0 1 0 2
<Р, рал
(б)
Рис.8. Расчетные зависимости коэффициента межвидовой связи 712 (а): 1) г = 6мм; 2) г = 7 мм; 3) г = 8 мм; 4) г = 9 мм; 5) г = 10 мм. Экспериментальные зависимости коэффициента 712 (б): 1) г = 8 мм; 2) г = 9 мм; 3) г = 10мм.
В третьей главе изложены результаты экспериментов с разработанными макетами СВЧ компрессоров на высоком уровне мощности. Во введении к главе формулируются цель и задачи экспериментов. Основная цель - проверка выводов теоретического анализа и оценок ожидаемых энергетических характеристик. Задачи — обеспечение работоспособности макетов, определение основных характеристик и выявление проблем.
В разделе 3.1 представлены данные экспериментов с макетом СВЧ компрессора с умеренно многомодовым резонатором. На таком компрессоре исследован вывод как с передачей энергии к добротному, так и предельно низкодобротному виду колебаний. При передаче к добротному виду компрессор работал как аналог системы последовательной компрессии в связанных резонаторах [8]. Подтверждено, что такой вариант компрессора обеспечивает формирование мощных СВЧ импульсов с формой огибающей, близкой к прямоугольной. Процесс компрессии осуществлялся в два этапа. На первом этапе
энергия накапливалась на основном виде колебаний и после включения межвидовой связи быстро передавалась вспомогательному виду. После передачи открывался тройник в выходном волноводе, и энергия на волне вспомогательного вида за время двойного пробега волны вдоль резонатора выводилась в нагрузку. Получены импульсы СВЧ усилением 15 дБ, мощностью 1.5 МВт, длительностью ~ 3 пс. Эффективность передачи от вида к виду достигала ~ 0.7, КПД составил ~ 0.1. Осциллограмма процесса передачи без вывода энергии представлена на рис.9а , с выводом - на рис.96.
Рис.9. Осциллограммы переходного процесса при передаче энергии от добротного вида к виду добротному без вывода (а), с выводом (б) и огибающая выходного импульса (в), (г) - зависимость эффективности передачи г/ от электрической длины шлейфа ф. 1 — отраженный сигнал.
Осциллограмма выходного СВЧ импульса приведена на рис.Эв. Рис.Эг демонстрирует зависимость эффективности передачи от электрической длины шлейфа при диаметре окна связи 10мм. Полученные данные показывают, что использование в компрессоре такого типа более длинного накопительного резонатора или замедляющей линии может позволить формировать мощные и относительно длинные, более 10 не на метр длины резонатора, импульсы СВЧ с практически прямоугольной огибающей.
На этом же компрессоре исследован процесс передачи энергии к виду предельно низкодобротному. Результаты приведены в разделе 3.2. В такой системе тройник в выходном волноводе, как в режиме накопления, так и в режиме вывода, находился в состоянии «открыто». Система позволила изучить динамику изменения межвидовой передачи энергии при изменении параметров элемента связи - размеров окна связи и электрической длины шлейфа. Получено хорошее качественное согласие с расчетными данными. На компрессоре продемонстрирована возможность формирования импульсов СВЧ с регулируемой мощностью, длительностью, огибающей и частотой следования. Подтверждено, что определяющую роль в управлении параметрами импульсов играет электрическая длина шлейфа. Динамика изменения мощности, длительности и огибающей импульсов отражена осциллограммами
рис.10а-в. Рис.Юв демонстрирует осциллограмму огибающей импульса, практически идентичную огибающей импульса при выводе энергии через тройник (рис.Юг). Отличие в усилении импульсов, формируемых этими способами, не превышало 1 дБ и достигало, соответственно, ~ 9 и ~ 10 дБ при длительности ~ 9 и ~ 11 не, мощности ~ 0.4 и 0.5 МВт, соответственно. Величина КПД составляла ~ 0.08 и ~ 0.11.
(а) (б) (и) (г)
Рис.10. Огибающие выходных СВЧ импульсов при передаче энергии к предельно низкодобротному виду для различной межвидовой связи; (г) при выводе энергии через тройник. В верхней части осциллограмм отображен отраженный сигнал.
В этой серии экспериментов подтверждена также возможность дробного вывода энергии с формированием импульсов суб- или наносекундной длительности. Такой вывод реализуется при выборе общей электрической длины прямых плеч тройника, равной длине входного плеча и обеспечивающей отсутствие межвидовой связи. Длительность импульсов задается временем двойного пробега волны вдоль шлейфа, по истечении которого межвидовая связь отключается. В экспериментах длительность составила ~ 0.85 пс при усилении ~ 3 дБ и мощности ~ 0.1 МВт (рис.11). ..........г.....:....................
! 'А'П
....................>.....................•. Рис.11. Огибающая субнаносеундного СВЧ импульса.
Раздел 3.3 посвящен результатам исследования вывода энергии при ее передаче к виду предельно низкодобротному в сверхразмерном резонаторе с диаметром ~ ЗА. Сверхразмерность резонатора позволила организовать на его торцевой стенке две пачки элементов межвидовой связи (по два тройника в каждой), расположенные симметрично на одном диаметре на серединах радиусов. Симметричное возбуждение основного вида и симметричное расположение элементов связи позволяло компенсировать связь видов при любой одинаковой длине входных плеч тройников. Это важно для оптимизации системы по электрической прочности и добротности. На системе проверена возможность формирования как импульсов СВЧ наносекундной длительности
при полном выводе энергии, так и серии субнаносекундных СВЧ импульсов в пределах входного импульса при дробном выводе. Эксперименты подтвердили возможность формирования при таком выводе серии СВЧ импульсов субнаносекундной длительности с частотой следования свыше 1 МГц в пределах входного импульса компрессора. На этой же системе проверено суммирующее действие синхронно и синфазно срабатывающих элементов связи. Установлено, что наличие в компрессоре суммирующего устройства, в роли которого выступает резонатор, дает возможность наращивания мощности импульсов таким способом. Синхронное включение двух элементов позволило увеличить мощность импульсов на ~ 2 дБ. Примеры осциллограмм огибающих СВЧ импульсов, формируемых компрессором со сверхразмерным накопительным резонатором, представлены на рис.12.
• ...... >------- --------------а I
(а) (61 (в) (г) ................(а)
Рис.12. Выходные СВЧ импульсы, формируемые при полном (а) - (б), дробном (в), (г) и смешанном выводе энергии (д) из сверхразмерного резонатора.
Основные результаты диссертационной работы:
1. Предложен защищенный патентом резонансный СВЧ компрессор с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний накопительного резонатора и регулируемыми параметрами выходных импульсов.
2. Выполнен анализ переходных процессов для двух граничных случаев передачи энергии в резонаторе — от добротного вида к виду добротному и от добротного к предельно низкодобротному. Оценены эффективность передачи, коэффициент усиления и КПД компрессора для этих случаев. Показана возможность формирования мощных СВЧ импульсов с прямоугольной огибающей при передаче энергии к добротному виду и импульсов с регулируемыми параметрами при передаче к виду предельно низкодобротному.
3. Проанализирована работа СВЧ компрессора исследуемой конфигурации - с выводом энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом. Определено условие компенсации связи резонатора с нагрузкой и оценено усиление компрессора. Показано, что эффективность формирования СВЧ импульсов в таком компрессоре может быть сопоставимой с эффективностью формирования в известных активных СВЧ компрессорах.
4. Разработана и проанализирована модель резонансного СВЧ компрессора с выводом энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резона-
тора с короткозамкнутым волноводным шлейфом. Установлены особенности процессов накопления и вывода в таком компрессоре. Показана возможность формирования в компрессоре наносекундных СВЧ импульсов с регулируемой мощностью, длительностью и огибающей при непрерывном выводе энергии, а также серии субнаносекундных СВЧ импульсов в пределах импульса возбуждения при дробном выводе.
5. Основываясь на результатах анализа, рассчитаны, спроектированы и изготовлены действующие макеты резонансных СВЧ компрессоров 3-см диапазона длин волн с исследуемым способом вывода энергии. На макетах на низком уровне мощности исследованы переходные процессы при импульсном возбуждении резонатора со шлейфом и возбуждении в режиме частотной модуляции, а также зависимости межвидовой связи от параметров элемента связи. Установлены закономерности поведения взаимодействующих видов колебаний и основные факторы, определяющие эффективность взаимодействия. Получено удовлетворительное численное соответствие экспериментальных данных и результатов теоретического анализа, подтверждающее адекватность описания процессов на основе принятой модели.
6. Выполнены исследования действующих макетов разработанных СВЧ компрессоров на высоком уровне мощности. Подтверждена возможность формирования СВЧ импульсов с регулируемыми параметрами при выводе энергии трансформацией вида колебаний на управляемом элементе межвидовой связи. В частности, подтверждена возможность формирования наносекундных СВЧ импульсов с прямоугольной формой огибающей, а также наносекундных импульсов СВЧ с регулируемыми параметрами при непрерывном выводе энергии. Показана возможность повышения мощности формируемых импульсов суммирующим действием синхронно и синфазно срабатывающих элементов связи. Показана также сопоставимость эффективности вывода исследуемым способом и вывода через Н-тройник. Подтверждена возможность формирования субнаносекундных СВЧ импульсов с высокой частотой следования в пределах входного импульса при дробном выводе энергии.
7. По результатам исследований сформулированы базовые принципы проектирования резонансных СВЧ компрессоров с выводом энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом. Принципы сводятся к следующему:
а) Для формирования наиболее мощных импульсов с прямоугольной огибающей необходимо обеспечить передачу энергии от добротного вида к виду добротному с последующим выводом энергии в нагрузку;
б) Формирование мощных импульсов с регулируемыми параметрами возможно при передаче энергии к виду предельно низкодобротному. Для повышения мощности может использоваться аддитивное действие пакета синхронно срабатывающих элементов связи;
в) Формирование серии суб- и наносекундных импульсов СВЧ с высокой частотой следования в пределах входного импульса компрессора возможно при дробном выводе энергии с пакетом элементов связи.
Основным результатом работы является создание действующих макетов резонансного СВЧ компрессора с регулируемыми параметрами выходных импульсов. В комплексе с разработанными в [15а,16а] сверхразмерными интерференционными СВЧ переключателями такие системы могут позволить создавать мощные СВЧ компрессоры с регулируемыми параметрами импульсов в источниках питания линейных резонансных ускорителей.
Список публикаций по теме диссертации:
1. Игумнов B.C. Межмодовая передача энергии в накопительном объёме резонансного СВЧ компрессора с трансформацией мод // Перспективы развития фундаментальных наук : труды VI Международной конференции студентов и молодых ученых, Томск, 26-29 мая 2009 г. в 2 т. / Томский политехнический университет (ТПУ) ; под ред. Г. А. Вороновой. — 2009. — Т. 1 . - С. 109-111
2. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Новиков С.А., Игумнов B.C. Резонансный СВЧ компрессор. Патент на полезную модель. №89285 Бюл.№33 от 27.11.2009
3. Артеменко С.Н., Августинович В.А., Дьяченко В.Ф., Игумнов B.C., Новиков С.А. Резонансная компрессия СВЧ импульсов в паре связанных мод сверхразмерного резонатора // Изв. ВУЗов Физика. 2009. № 11/2. С.301-306
4. Артеменко С.Н., Игумнов B.C. Резонансный СВЧ компрессор. Патент на полезную модель. №94062 Бюл.МЗ от 10.05.2010
5. Igumnov V., Avgustinovich V., Artemenko S., Novikov S. and Yushkov Yu. Series Compression of Microvawe Pulses by Using Two Coupled Modes of Overmoded Cavity // Proceedings of 16th Intern. Sympos. On High Current Electronics, Tomsk, Russia, 19-24 September, 2010, P.474-477
6. Августинович В.А., Артеменко C.H., Игумнов B.C., Новиков C.A., Юшков Ю.Г. Компрессия СВЧ импульсов двумя связанными модами сверхразмерного резонатора // Электромагнитные волны и электронные систе-мы.2011.Т.16, №7,С.43-45.
7. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов B.C., Новиков С.А., Юшков Ю.Г. Формирование нано- и субнаносекундных СВЧ импульсов при выводе энергии из резонатора трансформацией моды колебаний // Изв. ВУЗов. Физика. 2011. Т.54. № 11/2. С.224-229.
8. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов B.C. Исследование механизма регулирования межмодовой связи в СВЧ компрессоре с трансформацией колебаний // Изв. ВУЗов. Физика 2012.Т.16, №7,С.43-45.
9. Igumnov V.. Avgustinovich V., Artemenko S., Novikov S. and Yushkov Yu. Simulation of Compression in the Cavity of the Microvawe Pulses with the Output Energy of the Oscillations Transformation // Abstract book of 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia, 17-21 September, 2012, p.202-203 •
10. Igumnov V., Avgustinovich V., Artemenko S., Novikov S. and Yushkov Yu. Modeling of Output Power in a Resonant Microwave Compressor with The Transformation of The Oscillations // Proceedings of 7th inrenational forum on strategic technology, Tomsk, Russia, 17-21 September, 2012, Vol. 2, p. 405-409
11. Igumnov V. S., Avgustinovich V. A., Artemenko S. N. Modeling Process of Interaction Electromagnetic Waves in a Resonant Microwave Compressor // 2012 IEEE 13th International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2012), Altai, Erlagol, Russia, 2-6 July 2012, pp.80-84
12. Артеменко C.H., Игумнов B.C. Способ и устройство формирования субнаиосекундных СВЧ импульсов. Патент на изобретение. №94062 Бюл.№13 от 10.05.2013
13. Августинович В.А., Артеменко С.Н., Игумнов B.C., Юшков Ю.Г. Формирование импульсов с регулируемыми параметрами в резонансном СВЧ компрессоре с трансформацией моды колебаний // Письма в ЖТФ. 2013.Т.39, №17,0.43-45.
14. Артеменко С.Н., Игумнов B.C. Усиление мощности резонансного СВЧ компрессора с выводом энергии трансформацией моды колебаний // Известия ТПУ. 2013.Т.16, №7,С.43-45.
15. Igumnov V., Avgustinovich V., Artemenko S., Novikov S. and Yushkov Yu. Formation of Pulses with Controlled Parameters in a Resonance Microwave Compressor Employing Oscillation Mode Transformation // Technical Physics Letters, 2013, Vol.39, №9,P.755-757
16. Igumnov V. S. Gain power radio signal in a resonant microwave compressor with the transformation of vibration modes // 2013 IEEE 14th International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2013), Altai, Erlagol, Russia, 1 - 5 July 2013, pp. 63-67
Цитируемая литература:
la, Диденко A.H., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., 112 с.
2а. Богданович Б.Ю. Системы высокочастотного питания линейных ускорителей электронов с накоплением энергии СВЧ поля. М.: МИФИ, 2002. 96 с.
За. Диденко А.Н., Малыхин А.В. и др. Разработка установки для форми-
рования методом компрессии наносекундных СВЧ-импульсов мощностью до 1ГВт. ISBN 5-7262-0523-5. Научная сессия МИФИ-2004." Том 8, С. 32-33.
4а. Farcas Z.D., Hogg Н.А., Loew G.A., Wilson P.B. SLED: A Method of Doubling SLAC's Energy // Proc. 9-th Conf. on High Energy Accelerator, SLAC, Stanford, CA, USA, May 2-7, 1974. P.576-582.
5a. Wilson P.B., Farkas Z.D., Ruth R.D., SLED-II: A new method of RF pulse compression /7 Proc. of Linear Accl. Conf., Albuquerque, NM, SLAC-PUB-5330 (1990).
6a, Lavine T. L. RF pulse compression in the NLC. Test Accelerator at SLAC /,/ Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, California 94309; SLAC-PUB-95-6742.
7a. Balakin V. E., Syrachev I. V. A New Approach in RF Power Multiplication // VLEPP-Note-06/1990, 1990.
8a. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Быстрый вывод СВЧ энергии из резонатора // ЖТФ. Т.65. В.5. 1995. С. 194-197.
9а. Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю. Г. Вывод энергии из резонансного СВЧ накопителя. ЖТФ. Т.7. В.24. 1981. С.1529-1533.
10а. Артеменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Накопление и вывод энергии на Н01 волне из цилиндрического резонатора, ЖТФ. Т.56. В.7. 1986. С.1424-1425.
11а. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А. и др. Активный компрессор СВЧ-импульсов на осесимметричной моде круглого волновода. // Письма в ЖТФ, 1998, Т.24, №20, С.6-11.
12а. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Колда-нов В.А., Кузиков С.В., Хиршфилд Дж.Л., Голд С.Х. Двухканальный 100-мегаваттный СВЧ компрессор трехсантиметрового диапазона длин волн // Изв. вузов. Радиофизика, 2008, т. 51, № 8, с. 660-674.
13а. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Переходные процессы в паре связанных резонаторов // Письма в ЖТФ. 2013.Т.65, №5, С. 162167.
14а. Штейншлейгер В.Б. Явления взаимодействия волн в электромагнитных резонаторах. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1955 г., 114 с.
15а. Августинович В. А, Артёменко С.Н., Жуков А. А. Вывод СВЧ-энергни из резонатора через сверхразмерный интерференционный переключатель // Письма в ЖТФ 2013, Т.39, вып. 10, С.89-94.
16а. Артёменко, Августинович. Артеев. Синхронный вывод СВЧ-энергии из резонаторов через пакет интерференционных переключателей // Письма в ЖТФ 2013г. Т. 39, вып. 23, С.26-33.
Подписано к печати 14.11.2013. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,16. Заказ 1267-13.Тираж 100 экз.
ИЗДАТЕЛЬСТВО Ж ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
04201450774
На правах рукописи
Игумнов Владислав Сергеевич
ВЫВОД СВЧ ЭНЕРГИИ ИЗ РЕЗОНАТОРА УПРАВЛЯЕМОЙ ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ВИДА КОЛЕБАНИЙ
01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: д. ф.-м. н.,
Артеменко Сергей Николаевич
Томск-2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ И ВЫВОДА..................................................14
1.1. Требования к резонансным СВЧ компрессорам для их применения в источниках питания линейных резонансных ускорителей. Возможности исследуемой системы................15
1.2. Явление трансформации волн. Выбор метода анализа........................................................18
1.3. Общий анализ процесса межвидовой передачи энергии......................................................22
1.3.1. Передача энергии к добротному виду.............................................................................24
1.3.2. Передача энергии к предельно низкодобротному виду.................................................27
1.4. Амплитудно-частотная характеристика исследуемой системы..........................................30
1.5. Расчет коэффициента межвидовой связи и оценка усиления мощности............................36
1.5.1. Расчет межвидовой связи...............................'...................................................................36
1.5.2. Оценка мощности формируемой и излучаемой волны.................................................39
1.5.3. Условие компенсации......................................................................................................41
1.5.4. Максимальная мощность и усиление..............................................................................44
1.6. Анализ работы модели исследуемой системы......................................................................46
1.6.1. Обоснование и описание модели.....................................................................................47
1.6.2. Анализ без учета переходных процессов в шлейфе.......................................................50
1.6.3. Анализ с учетом переходных процессов в шлейфе........................................................53
1.6.4. Анализ процесса вывода через реккурентные соотношения........................................59
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ СВЧ КОМПРЕССОРОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ НА НИЗКОМ УРОВНЕ МОЩНОСТИ........................................................................................................................................67
2.1. Расчет и проектирование СВЧ компрессоров с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний.....................................................................................................67
2.1.1. Резонансный СВЧ компрессор с умеренно многомодовым резонатором...................68
2.1.1.1. Расчет без учета влияния шлейфа.................................................................................72
2.1.1.2. Расчет с учетом влияния шлейфа..................................................................................75
2.1.2. Резонансный СВЧ компрессор со сверхразмерным резонатором...............................79
2.2. Исследование процесса возбуждения связанных видов колебаний....................................84
2.3. Измерение коэффициента межвидовой связи.......................................................................90
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫВОДА ЭНЕРГИИ НА ВЫСОКОМ УРОВНЕ МОЩНОСТИ........................................................................................................................94
3.1. Компрессия СВЧ импульсов в умеренно многомодовом резонаторе с передачей энергии к добротному виду колебаний..........................................................................................................95
3.2. Компрессия СВЧ импульсов в умеренно многомодовом резонаторе с передачей энергии к виду низкодобротному.................................................................................................................104
3.3. Управляемый вывод энергии из сверхразмерного резонатора..........................................111
3.3.1. Выбор и описание системы.............................................................................................111
3.3.2. Результаты экспериментов.............................................................................................116
3.3.3. Формирование СВЧ импульсов при дробном выводе энергии...................................119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................................................121
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ..................................................................................123
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................125
#
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования
Мощные электромагнитные импульсы СВЧ диапазона широко используются в различных областях науки и техники, непрерывно и динамично развивающихся, что постоянно предъявляет новые требования к источникам и параметрам импульсов. В соответствии с требованиями развиваются и совершенствуются традиционные электронно-лучевые и твердотельные СВЧ генераторы и усилители [1,2]. Параллельно с развитием активных СВЧ приборов исследуются системы пассивного усиления СВЧ мощности, работающие на основе временной компрессии импульсов активных источников [3-8].
В первых пассивных системах компрессия осуществляется передачей частотно-модулированного СВЧ импульса по волноводной линии с сильной дисперсией. Зависимость групповой скорости передаваемой волны от несущей частоты приводит к тому, что спектральные составляющие импульса движутся по линии с различной скоростью. Усиление достигается подбором параметров линии и закона модуляции такими, что в заданную часть линии составляющие приходят одновременно, обеспечивая повышение мощности СВЧ импульса. Однако системы такого типа имеют относительно низкий коэффициент усиления, как правило, не превышающий несколько единиц [9-11].
В 60-70-е годы прошлого века появились первые публикации по усилению мощности СВЧ импульсов другим пассивным способом - резонансной компрессией. В основе способа лежит накопление энергии относительно длинного СВЧ импульса в резонаторе и быстрый ее вывод в нагрузку [12]. Использование резонаторов с большим объемом и значительным запасом энергии и быстрый вывод накопленной энергии обеспечивают таким источникам высокий уровень мощности формируемых импульсов. В ряде случаев он сопоставим с уровнем мощности наиболее мощных на сегодняшний день релятивистских СВЧ генераторов и усилителей [13-15].
Простота резонансных СВЧ компрессоров, невысокая стоимость, возможность работы с высокой частотой следования и возможность исполнения на хорошо освоенной промышленной элементной базе делает такие приборы перспективными для применения в различных областях науки и техники. Компрессоры позволяют модернизировать действующие СВЧ генераторы и усилители и, расширяя их технические характеристики, создают новые источники мощного импульсного СВЧ излучения для станций РЛС, лабораторных и полигонных исследований [1622]. Резонансные СВЧ компрессоры легко интегрируются в системы ВЧ питания ускорителей и успешно в них используются [3,23,24], увеличивая импульсную мощность систем и энергию
ускоренных частиц без значительных финансовых и материальных затрат. Из возможных вариантов решения проблемы источников в проектах крупных ускорителей, таких, например, как NLC [25,26,5], ВЛЭПП [27-30] или КЕК [4,31,32] и т.п., применение СВЧ компрессоров считается экономически наиболее оправданным.
Использование СВЧ компрессоров для увеличения импульсной мощности системы ВЧ питания ускорителей на сегодня является одной из наиболее востребованных областей применения компрессоров. При этом общее стремление к минимизации размеров ускорителей диктует необходимость увеличения темпа ускорения и использования источников питания с высокой импульсной мощностью (до ~1ГВт) и большим запасом энергии в импульсе (до -10 -ЮОДж). В системах компрессии импульсы с такими параметрами могут быть получены только при использовании больших накопительных объемов с размерами много больше длины рабочей волны, т.е. сверхразмерных объемов.
Одной из основных проблем резонансных СВЧ компрессоров с таким объемом является проблема быстрого вывода энергии. Сложность проблемы заключается в противоречивости требований, предъявляемых к способу и устройству вывода. Для достижения высокого КПД устройство должно обеспечивать высокую добротность резонатора в режиме накопления и низкую, вплоть до добротности резонатора с полной связью с нагрузкой, в режиме вывода. Совместное выполнение этих требований в крупном резонаторе представляет собой непростую техническую задачу.
В поисках эффективных способов и устройств вывода сформировалось два направления реализации компрессоров - с пассивным и активным способом вывода. В соответствии с этим резонансные СВЧ компрессоры делятся на пассивные с переключением в режим вывода без изменения нагруженной добротности резонатора, и активные - с модулированием добротности резонатора.
Среди пассивных систем наиболее известной является система SLED [3]. В этой системе для накопления используется два идентичных резонатора, сильно связанных с питающим трактом и соединенных через 3-дБ мост, развязывающий источник входных импульсов и нагрузку. Искусственно создаваемое синфазное сложение волны, отраженной от входа резонатора, и волны, излучаемой из резонатора, обеспечивают дополнительное повышение мощности волны, поступающей в нагрузку. Предельная величина повышения составляет девятикратное значение. На практике, как правило, обеспечивается 3-4-х кратное повышение. Вместе с тем, при таком усилении система имеет высокий КПД, достигающим 60-80% [4,28,33]. Достоинством системы также является переключение в режим вывода на относительно низком уровне мощности входного тракта. Все это определяет интерес разработчиков ускорителей к системе SLED и ее модификациям, таким, например, как SLED-П [33] или VPM [29,30] и т.п.
Наиболее известный среди активных резонансных СВЧ компрессоров - компрессор с выводом энергии через интерференционный СВЧ переключатель на основе волноводного Н-тройника [12,34]. Управление режимом накопления и вывода в таком компрессоре в большинстве случаев осуществляется плазменным газоразрядным СВЧ коммутатором, расположенным в одном из короткозамкнутых плеч тройника. Коммутатор управляет интерференцией волн, излучаемых из плеч в нагрузку. В таком исполнении компрессоры способны иметь существенно более высокий коэффициент усиления, пропорциональный отношению добротности резонатора в режиме накопления и вывода и превышающий ~10дБ при длительности импульсов -10 - 100нс. Вместе с тем, из-за потерь в СВЧ коммутаторе известные активные компрессоры имеют относительно низкий КПД, составляющий 30-40%, в лучшем случае немногим более 50% [35,36]. Тем не менее, в ускорителях требуются компрессоры не только с высоким КПД, но и высоким усилением, обеспечивающим понижение мощности входных импульсов и, следовательно, стоимости их источников. Поэтому более высокий коэффициент усиления активных или сочетания активных и пассивных систем компрессии определяет интерес и к ним.
Ряд известных способов и устройств вывода из больших объемов ограничен [3,4,29,30,37], и на сегодняшний день ни один из них в полной мере предъявляемым требованиям не удовлетворяет. Поэтому разработка способов и устройств вывода из крупных накопительных объемов является актуальной.
Многообразие ускорителей, отличающихся техническими и эксплуатационными характеристиками, требует соответствующего многообразия параметров питающих импульсов - длительности, мощности, частотой следования и т.д. Известные СВЧ компрессоры имеют достаточно ограниченные возможности регулирования этих параметров. Поэтому применительно к компрессорам это требование означает необходимость создания соответствующего многообразия компрессоров. В силу этого практически значимой представляется и разработка СВЧ компрессоров с управляемым выводом энергии, позволяющим расширить диапазон регулирования параметров формируемых импульсов и обеспечить компрессорам определенную универсальность.
Актуальность разработки СВЧ компрессора с управляемым выводом обусловлена и быстро растущим интересом к резонансным СВЧ компрессорам как источникам мощных СВЧ импульсов в других областях науки и техники. Например, в качестве источников зондирующих импульсов в радиолокации [19-22], в исследованиях по воздействию мощного электромагнитного излучения на природные и техногенные объекты [38,39], для модификации поверхности материалов [16,17], а также для решения исследовательских и прикладных задач в ряде других областей науки и техники [40,41].
Предмет исследований
В данной работе исследуется защищенный патентом [2а] СВЧ компрессор с выводом энергии из сверхразмерного резонатора управляемой трансформацией вида колебаний. Энергия в резонаторе такого компрессора накапливается на высокодобротном основном рабочем виде колебаний и выводится на низкодобротном вспомогательном виде. В этот вид идет трансформация основного вида колебаний, и через выходной волновод вспомогательный вид связывается с нагрузкой. В отличие от известного компрессора с трансформацией на элементе связи в виде плазменного канала разряда в полости резонатора [42], элементом связи в исследуемом варианте служит окно связи резонатора с волноводным шлейфом на основе Н-тройника. Одно прямое плечо тройника-шлейфа подключено к резонатору, второе плечо ограничено подвижным короткозамыкателем, а в боковом, также короткозамкнутом плече, расположен плазменный газоразрядный СВЧ коммутатор. Коммутатор переключает тройник из режима «закрыто» в режим «открыто», меняет параметры элемента межвидовой связи и, соответственно, величину связи между видами и с нагрузкой. Такой элемент отличается и более высокой электрической прочностью.
Для расширения возможностей управления процессом вывода в выходной волновод исследуемого компрессора встроен интерференционный СВЧ переключатель. При передаче энергии от добротного вида к виду добротному этот переключатель закрыт и открывается только после завершения процесса передачи энергии от вида к виду. В варианте компрессора с передачей энергии к виду предельно низкодобротному переключатель в выходном волноводе открыт постоянно. В этом случае параметры формируемых импульсов определяются величиной межвидовой связи и устройством вывода энергии.
Цель диссертационной работы - установление закономерностей процесса формирования СВЧ импульсов при выводе энергии из сверхразмерного резонатора управляемой трансформацией вида колебаний и создание действующих макетов резонансного СВЧ компрессора с регулируемыми параметрами формируемых импульсов.
Поэтому задачами работы были:
1. Анализ процессов накопления и вывода СВЧ энергии в резонансной системе с исследуемым способом вывода.
2. Расчет и разработка макетов СВЧ компрессоров, реализующих способ.
3. Исследование макетов на низком и высоком уровне мощности.
4. Формулирование базовых принципов проектирования СВЧ компрессоров с выводом энергии управляемой трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.
Научная новизна
В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
1. Определены основные закономерности процесса межвидовой передачи энергии в резонаторе при трансформации вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.
2. Построена модель для описания переходных процессов при накоплении и выводе энергии в системе компрессии с трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом.
3. Впервые осуществлена последовательная компрессия СВЧ импульсов в двух связанных видах колебаний резонатора, позволяющая повышать рабочую мощность компрессора и получать импульсы с формой огибающей, близкой к прямоугольной.
4. Впервые показана возможность дробного вывода СВЧ энергии из резонатора и формирования серии импульсов СВЧ суб- и наносекундной длительности с частотой следования свыше 1МГц в пределах входного импульса компрессора.
5. Продемонстрировано суммирующее действие синхронно и синфазно работающих элементов межвидовой связи, позволяющее уменьшить время вывода энергии и увеличить мощность выходных импульсов СВЧ компрессора.
Научная значимость
Научная значимость результатов работы заключается в получении новых данных о процессе вывода энергии трансформацией вида колебаний на окне связи резонатора с короткозамкнутым волноводным шлейфом. В частности, в установлении закономерностей процесса и факторов, его определяющих. Научная значимость также заключается в прогнозировании и демонстрации сопоставимости эффективности систем компрессии с трансформацией вида колебаний на быстро включаемом элементе связи с эффективностью известных активных систем компрессии.
Практическая значимость
Практическая значимость работы обусловлена возможностью создания на основе
полученных данных источников мощных СВЧ импульсов с регулируемыми параметрами.
Реализованная на практике последовательная компрессия СВ
