WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

сдвига фаз поля между секциями и величины параметОдномерные расчеты двухзазорной системы выполняра. Если = 0, то пролетные частицы для < 4.лись для небольшого (до 50%) превышения тока над поглощают энергию поля при любых углах пролета.

вторым критическим во втором зазоре и ограничивались Если = - /2, то при Lслучаем L1 (0.1-0.2)L2. По отношению к отраженным /Lот ВК частицам моделировались две простейшие ситуа >cr = sin /L2 ции. В первом случае разделяющая промежутки фольга полностью пропускала частицы в обоих направлениях.

пролетные частицы, так же как и отраженные, могут передавать энергию ВЧ полю. При во взаи- ZЧастота релаксационных колебаний, возникающих при установлемодействии участвуют только пролетные частицы. нии равновесного токопротекания в сильноточной системе, определяется характерным временем накопления объемного заряда. В обычном Если z /L2 1, то модулирующий зазор оказывает диоде это время пролета электронов через промежуток. В случае слабое влияние на возбуждение колебаний, а двухзасуществования ВК, как показывает численное моделирование, релакзорная система становится по своим свойствам близкой сационная частота определяется временем пролета инжектированных к однозазорной. частиц до ВК и обратно.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 86 С.А. Кицанов, А.И. Климов, С.Д. Коровин, И.К. Куркан, И.В. Пегель, С.Д. Полевин между секциями имеем соответственно max = 20% при a1 = 0.4, a2 = 1.6, и max = 13% при a1 = 0.55, a2 = 1.7, т. е. эффект отсечения отраженных частиц на фольге имеет иной знак. Отметим, что режимы с оптимальным сдвигом фаз отличаются наиболее узким рабочим диапазоном отношения a2/a1.

При фиксированном превышении тока над критическим, при f = f и одинаковых условиях на фольге, r зависимость КПД от величин ускорительных параметров и абсолютные значения КПД мало изменяются в широком диапазоне энергий электронов (от in 1.5 до in 10).

При оптимальных величинах ускорительных параметров положительные значения КПД приблизительно соответствуют диапазону сдвига фаз (-/2 < < /2) и достигаются в достаточно широкой области пролетных углов (рис. 3), что в реальной конструкции виркатора позволяет надеяться на возможность варьирования частоты генерации за счет настройки электродинамической системы при неизменных параметрах электронного пучка.

Рис. 3. Эффективность генерации двухсекционного виркатора В режимах с высоким КПД определяющее влияние на как функция величины фазового сдвига между ВЧ полядинамику энергообмена оказывают ВЧ поля объемного ми в секциях и невозмущенного угла пролета электронов.

заряда электронного потока. На коллектор проходят a1 = 0.4, a2 = 1.6, без отсечения отраженных частиц на в основном электроны, потерявшие энергию в первом фольге.

зазоре. Положительный вклад в энергообмен с волной вносят в основном отраженные от ВК частицы, а индивидуальный КПД проходящих частиц мал и может быть Во втором случае частицы, пересекающие фольгу в отрицателен.

отрицательном направлении, изымались из расчета.

Использование сдвига фазы между ВЧ полями в Конструкция виркатора секциях двухзазорной системы позволяет достичь более благоприятного распределения ВЧ поля на траектории Основным фактором, определяющим тип конструкции электрона с точки зрения модуляции тока и энергообдвухсекционного виркатора, является выбор величины мена по сравнению с однозазорным случаем. Расчеты фазового сдвига между ВЧ полями на траектории элекпоказали, что эффективность двухзазорной системы при тронного пучка в секциях. Для осуществления режима in = 500 keV может более чем втрое превышать эфс оптимальным сдвигом фаз ( /2) могут быть фективность однозазорной системы. При этом в отличие использованы электродинамические системы с бегущей от последней максимум эффективности наблюдается при волной. В резонансных электродинамических системах сравнении частоты ВЧ колебаний с частотой релакпредставляет интерес случай с синфазными полями сационных колебаний ВК. Далее везде рассматривает( = 0).

ся именно этой случай. Оптимальная величина сдвига В экспериментальной конструкции виркатора, описыфаз opt зависит от угла пролета электронов через ваемой ниже, сделана попытка реализовать режим синсистему, уменьшается с ростом энергии электронов и фазных полей. Электродинамическая система виркатора практически не зависит от условий на разделяющей представляет собой два прямоугольных волновода, свяфольге. Так, при L1 = 1cm, L2 = 5cm, jin 1.35 jcr2 занных прямоугольным отверстием связи (рис. 4). Рабоимеем opt 85 при in = 250 keV, opt 80 чее колебание — низшая мода TE10. Расчетная структура при in = 500 keV, opt 70 при in = 1MeV, полей, представленная на рисунке, соответствует воз opt 65 при in = 5MeV (везде поле во втором буждению резонатора заданным линейным источником зазоре колеблется с опережением).

тока, расположенным поперек второго зазора. В этом Условия на разделяющей фольге оказывают замет- случае колебание в первой и второй секциях выше ное влияние на максимальную величину эффективности источника тока имеет вид стоячей волны, а излучение и соответствующие величины ускорительных парамет- выводится из второй секции в виде бегущей волны (на ров в секциях. Так, при in = 500 keV и = opt рисунке по направлению вниз). В реальной системе без отсечения отраженных частиц на фольге имеем через пучности поля пропускается электронный пучок max = 29% при a1 = 0.45, a2 = 1.8, а отсечением круглого сечения.

частиц max = 38% при a1 = 1.05, a2 = 4.6. В другом Размеры резонатора выбраны из следующих сообпрактически важном случае при нулевом сдвиге фаз ражений. Во-первых, во избежание образования ВК в Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Виркатор с предмодуляцией электронного пучка на основе сильноточного... Рис. 4. Расчетная картина эволюции амплитудного распределения электрического поля в плоскости срединного сечения электродинамической системы виркатора в течение полупериода ВЧ колебания (с интервалом 20) при возбуждении заданным линейным источником тока. Карта векторов соответствует последнему моменту времени.

первом зазоре его длина должна быть много меньше колебания, излучение имело узкий спектр. Зависимость длины второго ( 1/5). Во-вторых, для максимального частоты генерации от импеданса вакуумного диода окаснижения рабочей плотности тока (что желательно с залась сравнительно слабой (менее 4% при изменении точки зрения формирования сильноточного пучка в ва- импеданса на 50%), а эффективность генерации сохранякуумном диоде и его транспортировки через резонатор лась на уровне 10–12% в широком диапазоне мощностей с разделительными фольгами или сетками), а также при- электронного пучка.

ближения конфигурации электронного потока в зазорах В расчете была продемонстрирована возможность резонатора к планарной, диаметр электронного пучка плавной перестройки частоты генерации в полосе выбран близким к длине второго зазора Db L2, что в 20% (по половинному уровню мощности) за счет свою очередь вызвало ограничение поперечного размера изменения геометрических размеров резонатора, при волноводных секций снизу величиной 2L2. С другой неизменных параметрах электронного пучка.

стороны, ширина волноводов ( 0.7) выбиралась такой, чтобы на рабочей частоте она совпадала с половиной Экспериментальные результаты волноводной длины волны и, таким образом, масштаб поперечной неоднородности ВЧ поля, имеющего в сечеНа рис. 5 приведена схема эксперимента. Электроннии пучка синусоидальное распределение по X и Y, был ный пучок формировался в планарном вакуумном диоде одинаков по обеим координатам. К сожалению, удовс холодным взрывоэмиссионным катодом без внешнелетворение этой совокупности требований привело к тому, что рабочая частота виркатора оказалась несколько ниже невозмущенной релаксационной частоты ВК в данной системе (например, 2.7 GHz против 4GHz), что в дальнейшем, по-видимому, негативно сказалось на величине эффективности генерации. Ширина и положение отверстия связи подбирались таким образом, чтобы напряженности ВЧ полей в зазорах на рабочей частоте были приблизительно одинаковыми: E1 E2.

Предварительная оптимизация параметров виркатора была выполнена с помощью трехмерной версии PIC-кода KARAT [12]. Виркатор моделировался в совокупности с вакуумным диодом либо в упрощенном варианте с инжекцией в резонатор электронного пучка с заданными параметрами [7,8]. Расчеты продемонстрировали резонансный характер СВЧ генерации по отношению к величине импеданса вакуумного диода (оптимальная величина 60, превышение тока над критическим 30%) и настроечным параметрам резонатора (положение поршней, размер и положение отверстия связи).

Рис. 5. Схема виркатора: 1 —катод; 2 — вакуумный диод;

Время раскачки колебаний при возбуждении прямо- 3 — модулирующий зазор; 4,5 — настроечные поршни; 6 — угольным фронтом тока составило около 15 периодов излучающая рупорная антенна; 7 — приемная антенна.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 88 С.А. Кицанов, А.И. Климов, С.Д. Коровин, И.К. Куркан, И.В. Пегель, С.Д. Полевин площадью. Антенны калибровались с помощью измерителя S-параметров HP8510. СВЧ сигналы с антенн либо детектировались, либо подавались непосредственно на вход широкополосного осциллографа HP54720D. Полная мощность излучения определялась путем суммирования по диаграмме направленности. Энергия в микроволновом импульсе измерялась с использованием калориметра, аналогичного описанному в [14]. Калориметр был собран в прямоугольном сверхразмерном волноводе размером 20 30 cm и был заполнен этиловым спиртом.

С учетом точности калибровок ошибка в измерении мощности излучения не превышала ±20%.

В экспериментах виркатор настраивался на режим максимальной мощности и требуемую частоту генераРис. 6. Зависимость мощности и частоты излучения виркатора ции путем изменения зазора в диоде, а также параметров от положения поршня 4 (a — эксперимент, b — электродинарезонатора. При больших зазорах в диоде (высоких знамические измерения.) чениях импеданса диода) ток был недостаточен для формирования ВК и излучение отсутствовало. Оптимальная величина зазора соответствовала 30%-му превышению го фокусирующего магнитного поля и инжектировалтока над критическим для второй секции, что хорошо ся в двухсекционный резонатор с зазорами длиной согласуется с результатами численного моделирования.

L1 /8, L2 /2 соответственно. Пучок транспорПри больших значениях инжектируемого тока мощность тировался сквозь тонкие фольги или сетки с высоким излучения существенно уменьшалась, а спектр излучекоэффициентом прозрачности, первая из которых раздения уширялся. В этом случае в виркаторе отсутствовали ляла диод и первую секцию, а вторая устанавливалась в регулярные ВЧ колебания. Наличие оптимума может перегородке между двумя секциями. Рабочая мода вирбыть связано как с неравномерностью распределения катора TE10 излучалась в открытое пространство в виде потенциала по радиусу электронного пучка, так и с измеквазигауссова пучка посредством рупорной антенны с нением пространственного положения ВК в резонаторе размером апертуры около 8.

при изменении импеданса вакуумного диода.

Колебание волны TE10 в первой секции имело три ваВ оптимальном режиме генерации (напряжение в риации в поперечном по отношению к оси пука направвакуумном диоде 1 MV, ток электронного пучка 19 kA) лении (вдоль волновода). Варьирование резонансной чамощность излучения виркатора составила 1GW при стоты достигалось изменением длины волновода путем КПД около 5%, частота излучения — 2.65 GHz, длисогласованного смещения настроечных поршней. Были тельность микроволнового импульса на половинном проведены электродинамические измерения параметров уровне мощности — 25 ns. Диаграмма направленности резонатора с использованием панорамного измерителя соответствовала излучению моды TE10 из рупорной S-параметров. Резонатор возбуждался с помощью коротантенны. Плотность мощности излучения в максимуме кого штыря, расположенного в первой секции вдоль оси диаграммы направленности на расстоянии 3 m от руэлектронного пучка. Результаты измерений перестройки порной антенны составляла около 60 kW/cm2, энергия резонансной частоты моды TE103 отображены далее в микроволновом импульсе, измеренная с помощью нарис. 6 (кривая b). Резонансные частоты двух соседних калориметра, 20 J.

мод TE102 и TE104 отстояли примерно на 15%. Величина В данных экспериментах КПД генерации определялдобротности колебания TE103 зависела от размера отся как отношение пиковой микроволновой мощности верстия связи и для оптимальной геометрии на рабочей к соответствующей величине мощности электронного частоте составляла около 40, при этом напряженности пучка, рассчитанной с учетом полного тока в вакуэлектрических полей в секциях были приблизительно умном диоде. Однако, как показали измерения, от одинаковы.

до 50% величины тока в диоде составлял паразитный Экспериментальные исследования виркатора проток, текущий с изготовленного из нержавеющей стали водились на импульсно-периодическом ускорителе фокусирующего электрода, окружающего рабочую поSINUS-7 [13], (длительность импульса по полувысоте верхность катода. Этот ток выпадал на коллимирующую 50 ns, энергия электронов до 2 MeV, ток пучка до 20 kA, частота следования импульсов до 100 Hz). Для фор- диафрагму, установленную на входе виркатора, и не мирования электронного пучка использовался металло- давал вклада в микроволновую генерацию. Величина КПД, рассчитанная с учетом полезной величины тока, диэлектрический катод с экранирующим электродом и составляла 8–10%, что близко к расчетной величине.

диаметром эмиссионной поверхности /2.

Параметры микроволновых импульсов (мощность, Максимум мощности излучения достигается при шиформа импульса, спектр) измерялись с использованием рине отверстия связи Ac w/30 (w — длина волны нескольких дипольных антенн с различной эффективной в волноводе), что результатам электродинамических Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Виркатор с предмодуляцией электронного пучка на основе сильноточного... спад мощности можно объяснить значительным влиянием фольги на движение низкоэнергетических электронов, существующих в электродинамической системе виркатора в условиях их взаимодействия с сильными ВЧ полями. При меньшем напряжении (650 kV) спад мощности генерации с ростом толщины фольги был более быстрым. Аналогичные экспериментальные зависимости наблюдались при исследовании виркаторов в работах, приведенных в обзоре [6]. Зависимость мощности генерации от свойств фольги, разделяющей вакуумный диод и модулирующую секцию, была заметно слабее.

Так, при толщине алюминиевой фольги около 15 µm и напряжении в диоде 1 MV спад мощности излучения составлял около 30%.

Рис. 7. Экспериментальная зависимость мощности и эфСтруктура электронного пучка контролировалась по фективности излучения виркатора от мощности электронного его отпечаткам на полимерной пленке. Поперечное пучка.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.