УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СВЯЗЬЮ

Изобретение относится к ускорительной технике, может быть использовано для создания ускорителей заряженных частиц.

Известна ускоряющая структура (УС) с параллельной связью, содержащая соосно расположенные не связанные между собой ускоряющие резонаторы, в которой СВЧ мощность подводится к каждому ускоряющему резонатору из подводящего волновода через индивидуальную диафрагму связи [1, 2]. Коэффициент передачи диафрагм связи ускоряющих резонаторов выбирают таким, чтобы связь УС с подводящим волноводом, с учетом ускоряемого тока пучка, была близка к критической связи [3].

Однако при выборе коэффициента передачи диафрагм связи ускоряющих резонаторов необходимо учитывать, что чем больше ускоряемый ток пучка, тем больше коэффициент передачи, соответственно тем больше размер отверстий в диафрагмах связи. Отверстия в диафрагмах связи искажают структуру ускоряющего поля в УС, причем тем сильнее, чем больше их размер. При искажении структуры ускоряющего поля кроме основной ускоряющей моды возникают моды с поперечной компонентой электрического поля, что приводит к нарушению режима ускорения пучка. Размер отверстий, и, соответственно, степень влияния на структуру ускоряющего поля можно уменьшить, уменьшая коэффициент передачи диафрагм связи. Однако при этом не достигается критическая связь, возникают отражения от УС - уменьшается уровень вводимой СВЧ мощности, понижается кпд.

При распространении волны в стенках волновода и резонаторов возникают потери. По мере отбора мощности в ускоряющие резонаторы уменьшается амплитуда волны в подводящем волноводе, что приводит к необходимости изменения (повышения) коэффициента передачи, и, соответственно, увеличения размеров соответствующих диафрагм связи. Это усложняет расчет, моделирование и конструкцию УС. Кроме того, из-за возникающих отражений появляется необходимость введения индивидуальных элементов согласования каждого ускоряющего резонатора с подводящим волноводом [1, 2], что также усложняет конструкцию.

Задачей изобретения является разработка конструкции УС, позволяющей обеспечить критическую связь с учетом тока ускоряемого пучка при одновременном уменьшении коэффициента передачи диафрагм связи ускоряющих резонаторов и заданную зависимость амплитуды ускоряющего поля от продольной координаты структуры без дополнительных индивидуальных элементов согласования, за счет изменения конструкции УС.

Поставленная задача решается заявленной ускоряющей структурой с параллельной связью, которая, как и известная УС, содержит соосно расположенные не связанные между собой ускоряющие резонаторы, каждый из которых имеет диафрагму связи для ввода СВЧ мощности. В отличие от известной, заявленная УС снабжена проходным резонатором с высокой собственной добротностью, имеющим выходные диафрагмы по количеству входящих в УС ускоряющих резонаторов, каждая из которых совмещена с диафрагмой связи соответствующего ускоряющего резонатора, и входную диафрагму для ввода СВЧ мощности от генератора, причем коэффициенты передачи указанных диафрагм удовлетворяют соотношениям:

T₁=[1+(Т₀/Т-Т/Т₀)²/4]^-1/2; Т<Т₀, где Т и T₁ - коэффициенты передачи соответственно выходных и входной диафрагм проходного резонатора, Т₀ - коэффициент передачи диафрагмы связи ускоряющего резонатора при отсутствии проходного резонатора.

Проходной резонатор в заявленной УС выполнен из закороченного на концах отрезка замедляющей структуры с малыми потерями, фазовая скорость распространения волны в которой совпадает со скоростью укоряемых частиц, а выходные диафрагмы связи расположены в эквивалентных точках замедляющей структуры. Вариантом исполнения отрезка замедляющей структуры является прямоугольный волновод, нагруженный штырями.

Введение в УС проходного резонатора с высокой собственной добротностью позволяет повысить амплитуду поля волны, падающей на диафрагмы связи ускоряющих резонаторов УС, что дает возможность уменьшить величину отверстий связи в диафрагмах и, соответственно, искажение поля в указанных резонаторах, а также упростить конструкцию УС с параллельной связью за счет исключения индивидуальных элементов настройки связи каждого ускоряющего резонатора. Высокая добротность и повышение амплитуды поля достигается за счет выполнения проходного резонатора из закороченного на концах отрезка замедляющей структуры с малыми потерями. В замедляющей структуре возбуждается стоячая волна, в максимумах значения магнитного поля которой расположены выходные диафрагмы, совмещенные с диафрагмами связи ускоряющих резонаторов. За счет этого соседние ускоряющие резонаторы диафрагмами связи подсоединены к электрически эквивалентным точкам замедляющей структуры, и в них при одинаковых отверстиях в диафрагмах без дополнительных элементов согласования возбуждаются электромагнитные колебания с одинаковыми амплитудами и сдвигом фаз пи. Варьированием размеров отверстий достигается заданная зависимость амплитуды поля в ускоряющих резонаторах вдоль оси УС. Например, нарастающая зависимость необходима для обеспечения захвата в режим ускорения при малых энергиях пучка в инжекционной части ускорителя. Фазовая скорость распространения волны в замедляющей структуре выбирается совпадающей со скоростью ускоряемых заряженных частиц, за счет чего обеспечивается синхронизм ускоряемых частиц и ускоряющей гармоники электромагнитного поля в УС. При выполнении замедляющей структуры в виде отрезка прямоугольного волновода для уменьшения фазовой скорости волны до скорости ускоряемых частиц указанный волновод нагружен штырями.

На фигуре 1 представлена схема заявленной ускоряющей структуры. На фигуре 2 приведена упрощенная схема, использованная для проведения измерений.

УС содержит соосно расположенные ускоряющие резонаторы 1 цилиндрического типа с видом колебаний Е₀₁₀, в каждом из которых установлена диафрагма связи 2. К ускоряющим резонаторам 1 подсоединен проходной резонатор 3, выходные диафрагмы которого совмещены с диафрагмами связи 2. Диафрагмы 2 являются диафрагмами связи ускоряющих резонаторов 1 и выходными диафрагмами возбуждающего проходного резонатора 3, который является общим для всех ускоряющих резонаторов, выполнен из закороченного на концах отрезка замедляющей структуры - прямоугольного волновода, закороченного на концах и возбужденного на виде колебаний Н_10N-1, где N - количество ускоряющих резонаторов. Выходные диафрагмы 2 находятся в областях максимумов магнитного поля проходного резонатора 3. Связь между ним и ускоряющими резонаторами 1 осуществляется по магнитному полю. Ввод СВЧ мощности от генератора осуществляется через входную диафрагму 4 по волноводу 5. Для ввода ускоряемого пучка в УС служат отверстия 6. Штыри 7 в проходном резонаторе 3 предназначены для уменьшения фазовой скорости волны в волноводе (тип волны Н₁₀) до скорости ускоряемых заряженных частиц.

Ускоряющая структура работает следующим образом.

СВЧ мощность от генератора подают по волноводу 5 через входную диафрагму 4 проходного резонатора 3, в котором возбуждается вид колебаний H_10N-1 с максимумами магнитного поля в области выходных диафрагм 2. Амплитудные значения указанных полей в области максимумов совпадают, направления векторов полей в области соседних диафрагм противоположны друг другу. Через отверстие связи в соответствующей диафрагме 2 каждый ускоряющий резонатор 1 возбуждается на виде колебаний Е₀₁₀ с компонентой ускоряющего электрического поля, направленного вдоль оси структуры. При одинаковых размерах отверстий в диафрагмах связи 2, одинаковых добротностях и размерах в соседних ускоряющих резонаторах 1 возбуждаются электромагнитные колебания с равными амплитудами и противоположными фазами. В соответствии с принятой терминологией, УС возбуждается на пи-виде колебаний и может быть использована для ускорения заряженных частиц, скорость которых близка к фазовой скорости волны в замедляющей системе, из отрезка которой выполнен проходной резонатор 3. Варьированием размеров отверстий в диафрагмах связи 2 можно менять соотношения амплитуд полей в ускоряющих резонаторах и получать заданное распределение поля вдоль оси структуры, в том числе однородное, когда амплитудные значения ускоряющих полей во всех резонаторах одинаковы. Ввод пучка на ось структуры, в область максимума ускоряющего поля ускоряющих резонаторов 1, осуществляется через отверстия 6.

Коэффициенты передач диафрагм связи проходного резонатора определяют в соответствии с приведенными математическими выражениями. Для обоснования достоверности этих выражений приведем рассмотрение прохождения СВЧ мощности через диафрагму в волноводе, если на нее падают СВЧ волны с двух сторон. В частности, в таком режиме работают диафрагмы связи УС с подводящей линией при ее возбуждении от генератора [3]. По определению, при амплитуде волны а, СВЧ мощность, распространяющаяся в волноводе, равна а²/2 [4]. Пусть на резонансной частоте на диафрагму связи ускоряющего резонатора УС падает возбуждающая волна с амплитудой а, при этом амплитуда волны, падающей на эту же диафрагму с другой стороны (амплитуда волны в резонаторе УС), равна b. Тогда амплитуда волны с, излученной из УС в подводящий волновод через диафрагму связи, определяется из соотношения: c=Тb, где Т - коэффициент передачи диафрагмы связи, а амплитуда отраженной волны равна (c-а) при малых Т [4]. Соответственно, передаваемая в резонатор УС СВЧ мощность Р=а²/2-(c-а)²/2=Tab-(Tb)²/2≅Tab, при и Tb/2<<а. Таким образом, если амплитуда волны, падающей на диафрагму связи ускоряющего резонатора УС, равна а, СВЧ мощность Р, передаваемая в этот резонатор, определяется из соотношения Р≅Tab и, следовательно, можно уменьшить Т за счет увеличения а при сохранении Р. Повышение амплитуды волны достигают перед вводом в УС, пропуская СВЧ мощность от генератора через проходной резонатор с высокой собственной добротностью, подсоединенный к УС.

В заявленной УС в проходном резонаторе 3 устанавливается стоячая волна за счет двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из волн (далее - волна a₁) падает на диафрагмы связи 2, вторая (далее - волна а₂) на входную диафрагму 4. Волна a₁ возбуждает ускоряющие резонаторы 1.

Пусть связь рассматриваемого устройства, состоящего из ускоряющих резонаторов 1 и проходного резонатора 3, с подводящим волноводом 5 близка к критической связи.

При этом коэффициент передачи диафрагмы связи 2 каждого ускоряющего резонатора равен Т, коэффициент передачи входной диафрагмы 4 проходного резонатора 3 равен T₁, амплитуда волны во входном волноводе 5 равна а, соответственно СВЧ мощность от генератора Р_г=а²/2, амплитуда волны в проходном резонаторе, падающей на диафрагмы 2, равна a₁, соответственно мощность этой волны Р'=a₁ ²/2, амплитуда волны в проходном резонаторе, падающей на диафрагму 4, равна а₂, амплитуда волны в ускоряющем резонаторе равна b. При связи, близкой к критической, при условии малых потерь в проходном резонаторе, можно записать соотношения:

где N - количество ускоряющих резонаторов.

Соотношение (1) устанавливает, что а₂T₁ - амплитуда волны, излученной из проходного резонатора в подводящий волновод, равна - амплитуде отраженной волны от входной диафрагмы этого резонатора. Эти волны на резонансной частоте имеют противоположные фазы, в результате полная амплитуда отраженной от проходного резонатора волны равна нулю. Таким образом, соотношение (1) соответствует условию критической связи по входу в устройство.

Соотношение (2) определяет связь между волной с амплитудой a₁, падающей на диафрагмы связи ускоряющих резонаторов, и волнами в проходном и ускоряющих резонаторах с амплитудами соответственно а₂ и b, при условии малых потерь в проходном резонаторе.

Соотношение (3) отражает сохранение энергии в системе при условии малых потерь в проходном резонаторе. В ускоряющие резонаторы вводится вся СВЧ мощность от генератора Рг=а²/2, эта мощность равна разнице между падающей мощностью на диафрагмы связи ускоряющих резонаторов a₁ ²/2 и отраженной от них мощностью a₂ ²/1.

В известном устройстве-прототипе возбуждение ускоряющих резонаторов осуществляется без дополнительного проходного резонатора. При этом ускоряющие резонаторы возбуждает волна, падающая на диафрагмы 2 непосредственно из подводящего волновода 5. Пусть в этом случае при критической связи УС с подводящим волноводом усредненный коэффициент передачи диафрагмы связи ускоряющего резонатора, приведенный к входу в УС, равен Т₀, амплитуда падающей волны от генератора в подводящем волноводе, также как и в первом случае (при наличии проходного резонатора) равна а, амплитуда волны в ускоряющем резонаторе также равна b. Тогда a=NT₀b, и, соответственно, b=a/NT₀.

Подставляя последнее выражение для b в уравнения (3) и (2), приведенные выше, с учетом (1), для коэффициента передачи входной диафрагмы проходного резонатора T₁ и мощности волны, падающей на диафрагму связи ускоряющего резонатора , получаем:

где, как и выше, Рг=а²/2 - СВЧ мощность от генератора. При любых Т, Т₀ дробь (Т²+Т₀ ²)/2ТТ₀≥1, поэтому всегда P'≥Р_г (равенство выполняется при Т=Т₀, при этом T₁=1). В полученные соотношения (4), (5) коэффициенты Т и Т₀ входят симметрично, следовательно, выбирая Т<Т₀ и устанавливая коэффициент передачи входной диафрагмы проходного резонатора T₁ в соответствии с приведенным соотношением (4), обеспечиваем критическую связь системы с подводящим волноводом.

Таким образом, при возбуждении УС через проходной резонатор, за счет повышенного уровня СВЧ мощности, падающей на диафрагмы связи ускоряющих резонаторов УС, может быть выполнено соотношение Т<Т₀, т.е. уменьшен размер отверстий связи в этих диафрагмах и тем самым уменьшена степень влияния диафрагм связи УС на структуру ускоряющего поля, при этом сохраняется критическая связь УС с подводящим волноводом.

Сопоставление устройств, известного и заявленного, было проведено на макетах. Для упрощения измерений ускоряющая структура моделировалась только одним ускоряющим резонатором (Фиг.2). В устройстве-прототипе отсутствует диафрагма 4, остальные элементы подобны. Ускоряющий и проходной резонаторы моделировались отрезками прямоугольного волновода длиной 116 мм с поперечным сечением 72×34 мм². В качестве диафрагм связи использовались плоские пластины одинаковой толщины 3 мм с отверстием связи для ввода СВЧ мощности.

В заявленном устройстве (Фиг.2) ввод СВЧ мощности из подводящего волновода 5 в ускоряющий резонатор 1 осуществлялся через промежуточный резонатор 2, образованный отрезком волновода 3, ограниченного диафрагмами 4 и 2. В устройстве-прототипе СВЧ мощность в ускоряющий резонатор 1 вводилась непосредственно из подводящего волновода 5 через диафрагму 2. В этом случае из волновода убиралась диафрагма 4, заменялась диафрагма 2 на диафрагму с большим отверстием связи.

В обоих случаях варьированием размеров отверстий связи достигалась критическая связь по входу, измерялись собственные добротности ускоряющего Q_ус. и проходного Q_пр. резонаторов и размеры отверстий связи. Значения коэффициентов передачи диафрагм вычислялись по измеренным размерам отверстий и толщины диафрагм с помощью программы HFSS. Результаты измерений и вычислений приведены в таблице, частота f₀=2442 МГц.

Результаты проведенных экспериментов подтверждают, что введение в ускоряющую структуру проходного резонатора с высокой собственной добротностью позволяет существенно (в несколько раз) уменьшить размер отверстий связи в диафрагмах связи ускоряющих резонаторов УС, тем самым уменьшить их влияние на структуру ускоряющего поля при сохранении критической связи УС с подводящим волноводом, при этом в УС отсутствуют дополнительные элементы согласования ускоряющих резонаторов с подводящим волноводом.

ЛИТЕРАТУРА

1. R.M.Sundelin, J.L.Krchgessner, and M.Tiger Parallel Coupled Structure. IEEE Trans. on Nucl. Science, Vol.NS-24, No.3, 1977, p.1686.

2. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Ускоряющая структура с параллельной связью. ЖТФ, 1986, т.56, N12, с.2407.

3. Зверев Б.В., Собенин Н.П. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. М.: Энергоатомиздат. 1993.

4. Альтман Дж. Устройства СВЧ. М.: Мир. 1968.