ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 62-69
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.384.64
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАКТА ДЛЯ ОТКЛОНЯЮЩИХ СТРУКТУР НА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЕ
© 2014 г. А. А. Завадцев, Д. А. Завадцев, Е. А. Савин*, А. Ю. Смирнов*, Н. П. Собенин*, Д. В. Чуранов
ООО "Нано Инвест" Россия, 111394, Москва, ул. Полимерная, 8а *Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 E-mail: es-abyss@yandex.ru Поступила в редакцию 22.11.2013 г. После доработки 27.03.2014 г.
Сконструированы элементы высокочастотного тракта для отклоняющих структур S-частотного диапазона, входящих в состав комплексов диагностики электронного пучка для лазера на свободных электронах (XFEL, Германия). Разработаны волноводно-коаксиальный и волноводно-полос-ковый направленные ответвители, волноводные поглощающая нагрузка, окно, Е-изгиб, а также рассчитана связка двух отклоняющих структур посредством U-образного отрезка прямоугольного волновода.
DOI: 10.7868/S0032816214060196
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время возрастает интерес к новым возможностям, которые открывает использование источников мощного электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны.
К таким источникам относятся, прежде всего, генераторы монохроматического когерентного излучения — рентгеновские лазеры на свободных электронах (л.с.э.). В данной статье представлены материалы по разработке высокочастотных дефлекторов для ускоренных пучков уникального
Рис. 1. Высокочастотный тракт дефлектора ВС-2. 1 — две отклоняющие секции ВС-2; 2 — волноводная нагрузка; 3 — Ц-образный прямоугольный волновод; 4 — баночное окно; 5 — Е-изгиб; 6 — волноводно-полосковый направленный ответвитель; 7 — клистрон; 8 — модулятор.
Рис. 2. Модель Е-изгиба (а) и распределение электрического поля в нем (б).
ускорительного комплекса Европейского лазера на свободных электронах XFEL (X-ray Free-electron Laser), DESY (Deutsche Electronen-SYnctrotron), Гамбург; Германия [1].
Строительство XFEL началось в 2009 г., а запуск планируется в 2017 г. Комплекс XFEL представляет собой линейный ускоритель электронов со сверхпроводящими ускоряющими резонаторами длиной 1.7 км на энергию до 17.5 ГэВ с последующим получением синхротронного излучения в ондуляторах. В последних рентгеновское излучение будет генерироваться самоусиливающейся
S11, дБ -35 г
2.90 2.95 3.00 3.05 3.10
Частота, ГГц
Рис. 3. Частотная зависимость отражения £ц(/) в Е-изгибе.
спонтанной эмиссией, т.е. в процессе взаимодействия электрона с излучением, создаваемым соседними электронами.
Высокочастотные (в.ч.) дефлекторы [2] для лазера на свободных электронах XFEL, работающие на дипольной волне Е11, частоте 2997.2 МГц и виде колебаний 2п/3 в режиме бегущей волны, входят в состав трех поперечных отклоняющих систем, предназначенных для диагностики сверхкоротких электронных сгустков. Поперечные отклоняющие системы должны быть размещены после инжектора [2], где энергия электронного сгустка длиной 2 мм составляет 130 МэВ. Далее установлены две секции компрессии пучка BC-1 и BC-2 (bunch compressor), энергия частиц в которых со-
2
Рис. 4. Волноводно-полосковый направленный от-ветвитель. 1 — основная линия — прямоугольный волновод; 2 и 3 — вакуумные корпуса вспомогательных полосковых линий.
64
ЗАВАДЦЕВ и др.
Рис. 5. Полосковая линия направленного ответвителя: слева — вид сверху, справа — общий вид. 1 — медная полосковая линия; 2 — вакуумный корпус; 3 — выходной в.ч.-разъем; 4 — чип-резистор 50 Ом; 5 — отверстие связи.
ставляет 500 и 2000 МэВ, а длины сгустков — 110 и 25 мкм соответственно. Для измерения продольного профиля пучка, энергетического спектра и эмиттанса поперечные отклоняющие структуры должны быть установлены во всех трех диагностических секциях [3].
СОСТАВ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАКТА
Высокочастотный тракт соединяет клистрон с отклоняющей структурой. В состав в.ч.-тракта в.ч.-дефлектора, находящегося в инжекторной части, входят:
— волноводный изгиб с детектором искрений;
— два направленных ответвителя;
— два керамических волноводных окна;
— волноводный тракт (40 м, прямые волноводы, Е-изгибы, Н-изгибы).
В состав в.ч.-тракта дефлекторов ВС-1 и ВС-2 (рис. 1) входят: направленный ответвитель, вол-новодный изгиб с детектором искрений, керамическое волноводное окно.
Кроме того, в состав в.ч.-тракта дефлектора ВС-2 входит и-образный волновод, соединяющий две отклоняющие секции. Длина этого волновода выбрана так, чтобы иметь заданную фазу волны на входе второй секции.
ВОЛНОВОДНЫЙ Е-ИЗГИБ С ДЕТЕКТОРОМ ИСКРЕНИЙ
Модель Е-изгиба и распределение электрического поля в нем, а также частотная зависимость отражения Б11(/) приведены на рис. 2 и 3.
Согласно рис. 3, элемент настроен на минимальное отражение на рабочей частоте 2997.2 МГц.
НАПРАВЛЕННЫЙ ОТВЕТВИТЕЛЬ
Направленные ответвители (н.о.) — это четы-рехпортовые устройства, предназначенные для направленной передачи из в.ч.-тракта части электромагнитной энергии падающей или отраженной волны [5]. Направленный ответвитель состоит из двух связанных между собой линий: основной, по которой проходит основной поток электромагнитной энергии, и вспомогательной, куда ответвляется только ее часть. Направленные ответвители характеризуются коэффициентом переходного ослабления С (отношение входной мощности в основной линии к мощности, ответвленной в рабочее плечо вспомогательной линии) и коэффициентом направленности (отношение
Таблица 1. Расчетные и экспериментальные данные для волноводно-полоскового н.о.
Параметр Расчет Эксперимент
Переходное ослабление -60 -59
С, дБ
Направленность В, дБ 30 30
Таблица 2. Расчетные и экспериментальные данные для волноводно-коаксиального н.о.
Параметр Расчет Эксперимент
Переходное ослабление -60 -57
С, дБ
Направленность D, дБ 30 31
мощностей на выходе рабочего и нерабочего плеч вторичной линии).
Как самостоятельные устройства н.о. используются для контроля параметров сигнала в линии и ее согласования с нагрузкой. Задача н.о. при использовании их в в.ч.-тракте дефлектора — идентификация электрического пробоя в рабочем объеме дефлектора (при этом отражение от него будет практически полным). В связи с этим н.о. должны быть расположены в волноводе, подводящем в.ч.-мощность к отклоняющей структуре.
Спроектированы н.о. двух типов: волноводно-полосковый и волноводно-коаксиальный. Основное отличие между ними заключается в виде вспомогательной линии. В первом случае она выполнена в виде полосковой линии на печатной плате с использованием материала Rogers 4003C (в = 3.55) в качестве диэлектрика, а во втором — в виде коаксиально-полосковой линии с воздушным заполнением. Волноводно-полосковый н.о. (рис. 4) является двойным, т.е. состоит из двух вторичных линий, расположенных по разные стороны от основной, с одним рабочим выходом у каждой из них. Основная передающая линия обоих н.о. — это прямоугольный волновод сечением 72 х 34 мм2, связанный с вспомогательной линией через круглое отверстие в своей широкой стенке.
На рис. 5 изображены элементы вторичной по-лосковой линии с волновым сопротивлением 50 Ом, заданным толщиной диэлектрика 0.508 мм и поперечным сечением полосковой линии 1.09 х 0.018 мм2. Вакуумный корпус представляет собой металлический цилиндр, образованный круглой обечайкой диаметром 62 мм, широкой стенкой прямоугольного волновода и вращающимся круглым фланцем с припаянным к нему в.ч.-разъемом N-типа (50 Ом).
С, дБ
Рис. 6. Зависимость коэффициента переходного ослабления волноводно-полоскового н.о. от диаметра отверстия связи.
D, дБ
Ф,градус
Рис. 7. Зависимость коэффициента направленности волноводно-полоскового н.о. от угла ф между осями полосковой линии и прямоугольного волновода.
10
Порт 4 J и § Порт 3 3 1 J 038 /
Порт 1 0Do 2 ^ Порт 2
Рис. 8. Схематический чертеж волноводно-коаксиального направленного ответвителя. 1 — основная линия (прямоугольный волновод 72 х 34 мм); 2 — корпус вспомогательной коаксиально-полосковой линии; 3 — ее внутренний проводник.
Рис. 9. Внешний вид волноводного окна (а) и распределение амплитуды электрического поля в модели окна (б).
Поскольку коэффициент переходного ослабления С зависит от диаметра отверстия связи Бо, в процессе расчетов величина этого диаметра выбиралась из условия достижения С = —60 дБи и составила 8 мм. Необходимая направленность 30 дБ получена путем варьирования угла ф между осями полосковой линии во вторичной линии и основного прямоугольного волновода. Она также зависит от качества согласования полосковой линии с чип-резистором. Результаты измерений и расчетные данные приведены в табл. 1. Можно отметить хорошее согласие данных.
Полагая, что входной и выходной волноводные порты трехплечевого н.о. (четвертый терминирован чип-резистором) имеют номера 1 и 2 соответственно, а коаксиальный порт — номер 3, можно, зная значения элементов матрицы рассеяния, вычислить переходное ослабление как С = 201§( 5"31) дБ, а
^11, дБ
74_I_I_I_I_I
2877 2 9 0 0 2 9 5 0 3 0 0 0 305 0 3 1 00
Частота, МГц
Рис. 10. Частотная зависимость отражения £ц(/) от волноводного окна.
направленность как Б = 201§( 5^/5^). На рис. 6 и 7 приведены рассчитанные зависимости коэффициентов С и Б на рабочей частоте 2997.2 МГц от диаметра отверстия связи Бо и угла ф соответственно.
Величина угла, при котором данный н.о. имеет требуемую направленность, равна 75°.
На рис. 8 приведена схема волноводно-коак-сиального н.о. Как и в конструкции волноводно-полоскового н.о., вспомогательная линия здесь расположена внутри цилиндрического корпуса (диаметр 38 мм), но внутренний проводник имеет круглое сечение диаметром 1.0 мм и соединен с двух концов с коаксиальными разъемами 8МА-
Р
I
Рис. 11. Схема связки двух дефлекторов 1 и 2 для ВС-2 посредством Ц-образного прямоугольного волновода 3. Р — мощность питания.
типа (50 Ом). Волновое сопротивление коакси-ально-полосковой линии настроено на 50 Ом путем выбора расстояния Нх между внутренним проводником и крышкой корпуса, равным 0.19 мм, и высоты к = 3 мм (см. рис. 8).
Для данного н.о. характеристические коэффициенты рассчитываютс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.