Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время в системах СВЧ-питания линейных зезонансных ускорителей электронов (ЛУЭ) для увеличения энергии ускоренных пучков 5ез повьппения потребляемой ускорителем мощности все активней используются пассивные способы повышения мощности питающих СВЧ-импульсов. Способы основаны шбо на накоплении энергии импульсов в резонансных объемах и последующем быстром ;е выводе в нагрузку, либо на дроблении, с помощью переключателей и линий задержек, входных импульсов на более короткие с последующим их суммированием. В литературе >ни получили практически общепринятое сейчас название - способы временной (или імпульсной) компрессии СВЧ-мощности, а реализующие их приборы соответственно даываются СВЧ-компрессорами.
Интерес к таким способам повышения энергии пучков обусловлен тем >бстоятельством, что традиционный метод увеличения энергии, состоящий в іаращивании числа ускоряющих секций и источников СВЧ-питания, является весьма рудоемким и дорогостоящим, а потому не всегда возможным и доступным, особенно в скорителях на высокие и сверхвысокие энергии. Другие известные методы, такие как іетод рекуперации СВЧ-мощности или автоускорения, не всегда достаточно эффективны і приемлемы. Способам же, основанным на пассивном повышении амплитуды СВЧ-мпульсов, кроме возможности увеличения энергии пучков без повышения потребляемой скорителем мощности, сопутствуют еще и относительная простота реализующих их стройств при невысокой стоимости и удовлетворительных энергетических арактеристиках. Поэтому использование систем компрессии, например, в ЛУЭ, риентированных на технологические нужды, означает снятие существенных ограничений а широкое применение таких ускорителей в радиационных технологиях при дновременном расширении их функциональных возможностей. В проектах ЛУЭ на ысокие и сверхвысокие энергии, таких, например, как ВЛЭПП и т.п., где во избежание резмерной громоздкости и стоимости установок достижение высокого темпа ускорения -100 МэВ/м) является принципиальным, использование компрессоров может позволить е только снизить стоимость ускорителей, но и сократить сроки реализации проектов, т.к. тя таких установок адекватной замены компрессорам в сочетании с традиционными ВЧ-генераторами в настоящее время пока нет. Кроме того, в любом случае системы
традиционными СВЧ-генераторами в настоящее время пока нет. Кроме того, в любом случае системы компрессии позволяют повышать импульсную мощность любого СВЧ-генератора либо сохранять ее на заданном уровне путем замены мощного генератора на сочетание менее мощного (и менее дорогого) с СВЧ-компрессором.
Основная потребность ускорительной техники в СВЧ-компрессорах в настоящее время связана с устройствами, формирующими не только мощные (~100 МВт), но и достаточно длинные (~100 не) импульсы СВЧ. При этом в большинстве случаев, в силу компактности и более высоких значений коэффициента усиления или плотности запасаемой энергии, наиболее подходящими оказываются резонансные СВЧ компрессоры с многоволновыми объемными резонаторами, имеющие большие накопительные объемы и способные обеспечить требуемые характеристики выходных импульсов, что определяет актуальность разработки и исследования систем компрессии с такими резонаторами. Кроме того, системы компрессии с многоволновыми объемными резонаторами могут найти применение и в других областях науки и техники, где требуются источники мощного когерентного СВЧ-излучения.
Рабочие характеристики резонансных СВЧ-компрессоров и параметры формируемых импульсов в значительной мере определяются динамикой процессов накопления и вывода энергии, которая в многоволновых объемных резонаторах может существенно отличаться от динамики процессов в одноволновых системах. Отличия обусловлены характерными особенностями многоволновых объемных резонаторов: высокой собственной добротностью, большими габаритными размерами, высокой плотностью спектра собственных колебаний и их взаимодействием, сложностью обеспечения сильной связи с внешней нагрузкой для быстрого вывода накопленной энергии. Определение степени влияния этих особенностей на процесс компрессии требует проведения детальных теоретических и экспериментальных исследований.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. Разработкой и исследованием СВЧ-компрессоров с многоволновыми резонаторами занимаются в крупнейших ускорительных центрах как за рубежом, так и в России. За рубежом, прежде всего, в Стэнфордском университете и ряде других исследовательских центров США. Ведутся аналогичные работы во Франции, Японии и Китае. В России разработкой резонансных СВЧ-компрессоров широкого спектра назначений более двух десятков лет занимаются в НИИ ЯФ ТПУ (г.Томск), а применительно к нуждам ускорительной техники, прежде всего, в МИФИ (г.Москва), ИЯФ
им.Г.И.Будкера СО РАН (г.Новосибирск) и РНЦ "Курчатовский институт" (г.Москва). В последнее время к проблеме создания систем компрессии активно подключается ИПФ РАН (г.Нижний Новгород). В этом же направлении ведутся работы и в других научных организациях России. В частности, в ИХКиГ СО РАН (г.Новосибирск), МГТУ им. Н.Э.Баумана (г.Москва), ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург).
Среди известных систем компрессии наибольшее распространение получила система SLED, предложенная в Стэнфорде для удвоения энергии пучка ЛУЭ на 20 ГэВ и основанная на использовании для увеличения мощности СВЧ-импульсов двух сильносвязаиных с питающим трактом и соединенных через 3*-дБ мост многоволновых резонаторов, фаза питающей волны которых после завершения процесса накопления изменяется на 180. Увеличение мощности в системе достигается за счет почти двукратного превышения амплитуды волны, излучаемой из силъносвязанного резонатора, над амплитудой питающей волны, а после инверсии фазы, в результате синфазного сложения излучаемой и отраженной от резонатора волн, - почти трехкратного превышения.
На теплой системе SLED получено рекордное значение СВЧ-мощности для устройств подобного типа - -400 МВт при коэффициенте усиления 7.8 дБ и длительности формируемых импульсов 0.4 мкс. Ее достоинствами являются простота и возможность переключения резонаторов из режима накопления в режим вывода на низком уровне мощности (-1-Ю3 Вт) входного тракта усилителя СВЧ-колебаний. Вместе : тем, система имеет два существенных недостатка- невысокий коэффициент усиления [<9, обьино 6-7.5 дБ) и выходной импульс с быстро спадающей амплитудой. Поэтому высокая импульсная мощность в системе достигается за счет применения мощных хитающих СВЧ-генераторов. Как правило, это усилительные клистроны мощностью -10-70 МВт. С целью получения прямоугольной огибающей формируемых импульсов разработаны различные способы ее коррекции. Предложен и реализован ряд модификаций системы SLED, направленных на повышение ее коэффициента усиления и <ПД или на реализацию возможности отказа от развязывающего устройства. Разработка модификаций связана и с потребностью в таких системах в коротковолновой части щапазона СВЧ для проектов ВЛЭПП и т.п. Этим обусловлено, например, появление :истемы SLED с открытым резонатором, работающим в режиме бегущей волны, гредложенной и исследованной в ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН.
Характеризуя состояние проблем, связанных с созданием систем типа SLED, в целом, необходимо отметить, что в силу рада причин (базовая система предложена одной из первых среди систем компрессии и исходно ориентирована на применение в действующих ускорителях; простота и возможность коммутации режимов работы на низком уровне СВЧ-мощности и т.д.) среди всех прочих они исследованы наиболее полно. В частности, в МИФИ и ИЯФ ии.Г.И.Будкера изучен широкий круг вопросов, касающихся переходных процессов, амплитудной и фазовой стабильности выходных сигналов, методов коррекции их огибающей, а также вопросов, связанных с выбором оптимальных размеров объемных резонаторов, при которых локальная плотность спектра собственных колебаний в области рабочего вида минимальна; затронут ряд проблем технического плана, касающихся конструирования элементов и узлов ее волноводньм трактов. Рассмотрена возможность использования в системе открытых резонаторов, работающих в режиме бегущей волны без развязывающего устройства.
Вместе с тем, некоторые моменты, связанные с особенностями системы, из рассмотрения выпали. Неизученной или, по крайней мере, неосвещенной в известной литературе осталась проблема влияния межвидовой связи в резонаторах на процесс компрессии и характеристики системы. При относительно небольших накопительных объемах проблему межвидовой связи можно решить компенсацией связи и выбором геометрии резонаторов, обеспечивающей допустимую локальную плотность спектра колебаний в области рабочего вида. Однако в резонаторах с предельно большими объемами эти методы могут оказаться неэффективными. Особенно, если принять во внимание, что в системе всегда имеется потенциальный элемент сильной межвидовой связи в виде окна связи резонатора с СВЧ-трактом, и что для достижения высоких характеристик системы в качестве рабочих выбираются наиболее добротные колебания, а во избежание сильного перенапряжения поля в резонаторе его объем желательно брать максимально большим. Насколько чувствительна система к воздействию явления перемешивания колебаний и каков реальный предельный объем накопительных резонаторов - вопросы, которые представляют несомненный интерес.
В стороне остался и вопрос о сверхпроводящем варианте системы SLED. В силу высокой добротности сверхпроводящих резонаторов (~109-1010) такой ее вариант, с одной стороны, может позволить получать коэффициент усиления, близкий к теоретическому пределу, и формировать относительно длинные импульсы СВЧ (~1 мке) с практически
прямоугольной огибающей без какой-либо ее коррекции, а с другой, может быть использован как тонкий инструмент исследования вопроса о влиянии межвидовой связи на процесс компрессии и характеристики системы. Практический интерес такая система может представлять, например, для ЛУЭ на космических аппаратах.
Существенно слабее или вовсе не представлены в ускорительной технике другие известные системы компрессии с многоволновыми объемными резонаторами. Прежде всего это хасается компрессоров с выводом энергии через интерференционные переключатели на основе прямоугольных волноводных тройников, а также систем с выводом трансформацией колебаний или через интерференционные переключатели на основе сверхразмерных коаксиальных линий. В таких компрессорах повышение импульсной СВЧ-мощности достигается за счет быстрого вывода накопленной энергии при резком увеличении связи резонатора с нагрузкой от практически нулевой до сильной пересвязи. Длительное отсутствие должного интереса к ним в определенной степени является следствием того, что в силу относительной сложности они достаточно долго считались неперспективными для использования в ускорительной технике. Отчасти это связано с тем, что переключение режимов работы таких компрессоров осуществляется на высоком уровне мощности, а отчасти - с неудовлетворительной формой огибающей их выходных сигналов, которая, как правило, заметно отличается от прямоугольной. Это создает проблемы, связанные с необходимостью разработки мощных коммутаторов и эффективных методов коррекции огибающей. Немаловажное значение имели и неясности в вопросе о стабильности амплитуды, частоты и фазы их выходных сигналов. При этом игнорировалось и такое их неоспоримое преимущество перед системой SLED, как более высокий коэффициент усиления, а также то обстоятельство, что они сохраняют возможность наращивания мощности и энергии формируемых СВЧ-импульсов путем последовательной компрессии или параллельной с суммированием выходных сигналов. Не учитывалась естественная возможность определенной коррекции огибающей выходных сигналов таких систем использованием межвидового взаимодействия.
Несомненно заслуживает внимания идея осуществлять компрессию СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии в резонаторе от электронного пучка. Работы в этом направление ведутся в РНЦ "Курчатовский институт" и НИИ ЯФ ТПУ. Однако должного развития они пока не получили. Связано это, по-видимому, с имеющимся в
основе идеи определенным противоречием. Оно состоит в том, что, с одной стороны, есть опыт создания мощных СВЧ-генераторов с их проблемами, из-за которых, отчасти, идет поиск более эффективных методов увеличения энергии пучков ЛУЭ, а с другой, -идея накапливать СВЧ-энергию в закрытом резонаторе непосредственно от пучка, реализация которой может позволить создавать источники СВЧ-излучения, способные работать в режимах генератора и компрессора.
В целом, системы компрессии с многоволновыми объемными резонаторами требуют более детального исследования и определенного обобщения. Прежде всего, это касается изучения физических процессов, в той или иной степени влияющих на динамику компрессии в системах. В любом случае представляет интерес вопрос о возможностях систем и их перспективности.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - теоретическое и экспериментальное исследование динамики импульсной компрессии СВЧ-мощности в известных и оригинальных системах компрессии с теплыми и сверхпроводящими многоволновыми объемными резонаторами, определение энергетических характеристик таких систем и установление степени влияния на них протекающих в системах физических процессов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в решении ряда теоретических задач, касающихся импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах, способов и устройств вывода энергии из таких резонаторов, а также в получении, по исследуемой проблеме, ряда новых экспериментальных данных фундаментального характера. Результаты работы способствовали развитию актуального научного направления - резонансная импульсная компрессия СВЧ-мощности. Впервые получены следующие новые научные данные:
1. Выполнен теоретический анализ процессов накопления и вывода СВЧ-энергии в многоволновых объемных резонаторах:
решена задача о влиянии межвидовой связи на динамику импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах, на перераспределении энергии между взаимодействующими колебаниями и энергетические характеристики компрессоров;
определены оптимальные условия накопления СВЧ-энергии, обеспечивающие максимальные значения КПД и коэффициента усиления компрессоров с проходными многоволновыми резонаторами;
на примере монотрона, совмещенного с СВЧ-компрессором, решена задача о динамике
компрессии СВЧ-мощности в объемном резонаторе с прямым накоплением энергии от электронного пучка; оценены КПД и коэффициент усиления совмещенного прибора;
выявлены наиболее приемлемые для накопления энергии виды колебаний многоволновых теплых и сверхпроводящих объемных резонаторов различной геометрии; определены требования к степени идеальности геометрии таких резонаторов;
установлена связь феноменологических параметров метода матрицы рассеяния, использованного при проведении анализа, с электродинамическими характеристиками резонаторов, позволяющая переводить результаты анализа в плоскость практических расчетов.
2. Исследована динамика компрессии СВЧ-мощности в сверхпроводящей системе
SLED:
проведен полный анализ переходных процессов в системе, на основе которого выявлено влияние различных факторов, в том числе межвидовой связи в резонаторах, на процесс компрессии и энергетические характеристики системы; экспериментально продемонстрирована возможность формирования в сверхпроводящей системе SLED мощных СВЧ-импульсов микросекундной длительности с огибающей, близкой к прямоугольной без ее коррекции, и коэффициентом усиления, близким к теоретическому пределу; подтверждена возможность коррекции опібающей формируемых системой СВЧ-импульсов межвидовым взаимодействием.
3. Исследованы процессы межрезоиансного обмена энергией:
решены задачи о динамике обмена энергией между колебаниями резонатора при быстром включении межвидовой связи, а также при кратковременном совпадении частот взаимодействующих колебаний;
обоснована возможность эффективного вывода энергии из многоволновых резонаторов трансформацией вида колебаний; возможность подтверждена экспериментально на оригинальных теплых и сверхпроводящих системах компрессии с выводом энергии трансформацией колебаний на плазме разряда в резонаторе или окне связи резонатора с переключателем.
4. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование процесса
компрессии в многоволновых резонаторах с выводом энергии через интерференционные
переключатели:
решена задача о динамике компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах с интерференционными переключателями; определены амплитудные и частотные характеристики таких систем;
выявлена степень влияния процесса коммутации, потерь в газоразрядных коммутаторах и взаимодействия колебаний на окне связи резонатора с переключателем на динамику компрессии и энергетические характеристики компрессоров; установлены критерии сохранения высоких характеристик рабочего вида колебаний в режиме накопления;
экспериментально продемонстрирована эффективность компрессии СВЧ-импульсов в многоволновых объемных резонаторах с выводом энергии через интерференционные переключатели, включая компрессию в оригинальных системах с прямым накоплением энергии от электронного пучка и с переключателями на основе сверхразмерных коаксиальных линий для вывода энергии из резонаторов с объемом -0.1-1 м3; разработан способ коррекции огибающей сигналов таких систем.
5. Исследована динамика последовательной и параллельной компрессии в
системах с многоволновыми объемными резонаторами:
определены оптимальные условия последовательной компрессии в цепочке связанных и несвязанных многоволновых объемных резонаторов, обеспечивающие максимальные КПД и коэффициент усиления;
экспериментально реализована последовательная компрессия в системе связанных резонаторов с многоволновым резонатором в первой ступени, а также параллельная компрессия в синхронно возбуждаемых многоволновых резонаторах с выводом энергии через интерференционные переключатели и суммированием выходных сигналов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность работы заключается в использовании ее результатов при разработке и изготовлении резонансных СВЧ-компрессоров для ряда отечественных и зарубежных потребителей: в России - для ИОФ РАН (г. Москва) и различных НИИ МО РФ, во Франции - для фирмы Thomson.