Способ получения сверхвысокочастотного электрического поля

 

Изобретение ртносится к технике СВЧ и может быть использовано в ускоИзобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в ускорительной технике. Целью изобретения является увеличение напряженности возбуждаемого электрического поля при заданной энергии электронов возбуждающего пучка путем увеличения тока пучка. На фиг. 1 изображено распЪложение электронного пучка и резонатора} на фиг. 2 приведено распределение полей. в резонаторе. рительной технике. Целью изобретения является увеличение предельной напряженности возбуждаемого электрического поля. Цель достигается за счет увеличения тока электронного потока, пропускаемого в запредельной области открытого резонатора в соответствии с изобретением. При этом размеры резона тора выбираются такими, чтобы у стенок резонатора электромагнитные поля имели только тангенгальные составляющие электрического поля, а компонента поля, с которой взаимодействует .электронный поток, плавно спадала вдоль радиуса резонатора. Таким образом можно достигать требуемых соотношений между напряженностями электромагнитных полей в области прохождения электронного потока и в области максимальных напряженностей полей. Частота модуляции -электронного потока выбирается равной частоте собственного колебания открытого резонатора. 2 ил. (Л С Открытый резонатор образован сое- , динением запредельных цилиндрического волновода 1 и радиального волновода 2, в области 3 связи двух волноводов устанавливаются электромагнитные поля с азимутально направленной электрической составляющей при возбуждении резонатора предварительно промодулированным электроннЕтм потоком 4, который проходит в радиальном волноводе 2. При этом электронный поточ возбуждает в структуре электромагнитное поле, СЛ эо ю X) со СП

союз советсних социАлистичесних

РЕСПУБЛИК.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изОБРетениям и отнРытиям

ПРИ ГКНТ СССР (46) 15.05. 91. Нные. Р 18 (21) 4351б33/21 (22) 28.!2.87 (72) И.Е. Кулешов и А.M. Шендерович (53) 621.385.6(088.8) (56) Коробкин В.А. и Какеев Ю.Г. Собственные электромагнитные колебания разветвления круглого и радиального волноводов. — Радиотехника и электро-. ника, 1987, т. 32, в. 3. !

Вишняков В.А., Ракитянский А.А. и Шендерович A.M. Ускорение электронных пучков в стоячей электромагнитной волне с тангенсально направленным вблизи стенок резонатора электрическим полем. — Вопросы атомной науки и техники, Серия: Техника физического эксперимента, 1981, вып. 3(9), с. 1-72. (54) CII0COb ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (57) Изобретение относится к технике

СВЧ и может быть использовано в ускоИзобретение относится к технике

СВЧ и может быть использовано в ускорительной технике.

Целью изобретения является увеличение напряженности возбуждаемого

:электрического поля при заданной энергии электронов возбуждающего пучка, :путем увеличения тока пучка.

На фиг, 1 изображено расположение электронного пучка и резонатора; на фиг. 2 приведено распределение полей. в резонаторе, 09) (10 . (51)5 Н 01 P 7/06, Н 05 Н 7/18 рительной технике, Целью изобретения является увеличение предельной напряженности возбуждаемого электрического поля. Цель достигается за счет увели-. чения тока электронного потока, пропускаемого в запредельной области открытого резонатора в соответствии с изобретением. При этом размеры резонатора выбираются такими, чтобы у стенок резонатора электромагнитные поля имели только тангенсальные составляющие электрического поля, а компонента поля, с которой взаимодействует .электронный поток, плавно спадала вдоль радиуса резонатора. Таким образом можно достигать требуемых соотно- а ф шений между напряженностями электромагнитных полей в области прохождения электронного потока и в области максимальных напряженностей полей. Час- С тота модуляции электронного потока выбирается равной частоте собствен- 2 ного колебания открытого резонатора.

2 .ил.

Открытый резонатор образован сое-, динением запредельных цилиндрического волновода 1 и радиального волновода

2, в области 3 связи двух волноводов устанавливаются электромагнитные поля с азимутально направленной электрической составляющей при возбуждении резонатора предварительно промодулиро-, ванным электронним потоком 4, который проходит в радиальном волноводе 2.

При этом электронный, пота < возбуждает в структуре электромагнитное поле, 1582935

k, (Уе, ) сов(Р х) яри г а

Ф-« г

4 m fi.P t("1) Ф CO

m i ь* () m1 11„Г I«(У t a) k«(7tå )1

Ь-1 — (-1) сЬ(1 „1/2) .4 mtP,„

Ь) у . „. (Z (P п .r) х1 4 1/2 рйспределейие на»пряженности азймутальной компоненты которого вдоль радиуса системы (кривая 5); существенным образом отличается от распределения поля в закрытом цилийдрическом резонаторе, который использован в прототипе (кривая 6). При этом азимутальная компонента в закрытом резонаторе достаточно быстро сйядает вблизи стенки

7 резонатора,.

I

Е = .Q и -1 ">< - R ". лрн х 1/2 ,(ii» 1 (Р- i) -gt,„(z ttt> к — — — -- — сов(Р „х) . при r < а, 1, (У t .r)

11(7ь а) ™б . где К вЂ” п6стояяная, определяемая ам-, плйтудой поля; Об ttt Я "on

= (- — ) — ,2 1 о" 1.а ЗО

27! 7 (ш1(1 2) 2. . -(-;-); = () -(.— -)

«. ь 1 1. . «ол

Р корни уравнения I,(1 „а) = 0; n =, 1 «2 « « ° ° ° «, 1 о (1 < > r) 1 (Р1 r) - 4yHK .ции Бесселя 1 рода, I „ (Р« r) †.моди. фиф4рованние функции. Бесселя; k,,(у1 г)1в, -4уЫкции Макдональда; 3: - резонансйая длина волны резонатора.

40 .. Из этих формул следует, что элект; рическое поле tt запредельной области радиального волновода не имеет рЕзкой границы. Поэтому перемещая место пролета. лучка с заданной энергией частиц «5

- в сторону больших радиусов (увелнчиВая одновременно ток пучка), можно увеличить напряженность возбуждаемого

: пучком электрического поля. Этот факт иллюстрируется кривой 5,- на которои 0 ., изображено распределение,электрическо.to СВЧ-поля в плоскости х = 0 в yeso" наторе с A = 10 см; а 5,95 си;: 1 =

Р, 3«74 см. Экспериментальные измере- ния. Показали .что добротность з акого 53 4 резонатора равна 2 1()

То есть в данном случае можно воз- . будить выделенный тип колебаний от-. крытого резонатора. Поэтому в дальЪ

Резонатор возбуждают путем пропускания модулированного пучка электронов в зайредельной области радиального волновода 2 перпендикулярно оси резонатора i. Частота следования сгустков пучка .выбирается равной собственной частоте резонатора.

Распределение собственногО элект рического поля в таком резонаторе описывается следующими выраженнями-: „И.Ией» k (И- И

1 (» +(- -) )« -- — -- 4-з Л <(I, (у e) .k, (j .a)) нейшем можно для расчетов возбуждения данного резонатора пользоваться стандартными формулами возбуждения резонансных типов колебаний электронным потоком.

При таком способе возбуждения .резо-. натора электронным потоком, выигрыш . достигается за счет того, что собст-. венная мода. типа ТК „ резонатора, образованного соединением запредельных цилиндрического и радиального волноводов, имеет вблизи металлических поверхностей только тангенсальные составляющие электрического поля, а ком-. понента К,«,.с которой взаимодействует,:поток, в области радиального волново-,. да является плавно спадающей вдоль радиуса, Исходя из этого можно подоб-, рать требуемое соотношение между максимальной напряженностью поля E и полем Е; в области лрохождеййя электронного потока. Иэ самосогласован ного решения задачи о возбуждении электронным потоком резонатора и,о движении электронного потока -в наведенном электрическом поле можно найти-соотношение между/ током пучка-, энер-". гией частиц пучка при заданном значении максимальной напряженности элект . ,рического поля К „„ и кратчайшим расстоянием от оси резонатора до траек- : тории пучка. Эти условия имеют следу" ющий вид!

601о

0О

1п- — +-+

Р 2r„2

t lп (21-1) 1 r

I (2k-1) 1

4 (2kl) -r г

lп +

1 (2kl)

+ - Г1п (2k-1) 1 «(2Ю

Это выражение сильно упрощается при .r „<< 1 б

Рассмотрим пример реализации способа при возбуждении резонатора с па30 раметрами a=5,95 см, 1=3,74 см;

10 см пучком электронов с энер.гией 200 кэВ.. Расчет показывает, что при пролете пучка по траек! ории» проходящей вблизи границы запредельной области (b 6 см), Е "3 10 В/см.

При пролете пучка на (юльших. расстоя- ниях от оси резонатора Е возрасМ«ВС тает согласно данным, приведенным в, таблице. В этой же таблице приведены .

4О рассчитанные значения тока пучка ? (требуемые для получения указанных значений Е„„„„,). (1- 1 Тъ

0 60 — - 1п —.— + — + — — р 2r„.2 48 !

Максимальные потери энергии частиц

Возбуждающего пучка в резонаторе

2хА макс . еЕмакс .:, ° .Ам«кс .

Для того, чтобы пучок прошел через резонатор и возбудил его, начальная - энергия частиц Я должна быть больше

LIE» « с+ е0

Е v 62,+eU.

Ь, см

9,0

7,0

6»0

3,2 10 7,3 1О 1,7 10 3,9.10 9,:.1 !О. »» мам

В/см

1»0 5,1

28 147 800.. Из таблицы 1 следует, что, перемещая место пролета пучка в сторону

% больших радиусов, можно путем увеличения тока пучка существенно увелиI / ..чить напряженность возбуждаемого поля.,Так, изменяя параметр b от 6 до !

О см, можно увеличить Eма„, в, 30 раз. При реальных параметрах пучка

fo = -=200 кэВ, f = 800 А можно полу-, чить максимальную напряженность электр. рического поля Е « 10 В/си.

Формула изобретения

Способ получения сверхвысокочастотного электрического поля в резонаторе

7 1582935 н

УСловйе пРфктически всегда выполняе-. — рассматриваемый резонатор в области даже дЛя максимального разумного пролета пучка представляет собой две значения К „„ 10 B/см. Например, металлические плоскости, расположен. для условий» йрактически достижимых ные на расстоянии 1, то задача сво(= ., см, - "200 кэВ), учитывая, дится к определению провнсания потенчто при b = 10 см, К „„ = 9 ° 10 В/см, циала между этими пластинами и пучком

<О 15 а при В= 5 см, Я=300 кзВ

»» дем считать это провисание малым по

< 0 04. Это связано с тем обстоя„ 10 сРавнению с энеРгией частиц. Тогда р представляя пучок равномерно эаряжен,тельством, что возбуждающий пучок,про- ным цилиндром, движущимся со сколетай в запредельной области отк ыто- . и открыто- .. ростью V, задачу решим методом иэобго резонатора, встречает на своем пу- . ражений. В результате получим следуюти электрическое поле, значительно щее выражение для провисания потенцименьшее Е „,„„, ала от каждой иэ пластин до оси пучка

Второе соотношение учитывает силы йространственного заряда. Поскольку

1582935

Е„„„Л И1! 163 k (2-- 1-16kf) Г "2- (Т

1 %

-66 <дi4, 262.

I 1

1210 QAА

2хА о> ,а- е»

66Cr)(t у Ф

A2«дс 71-16 ш еаза Г 1 1 7) ) с=bO --- (1п --- + - + — - 7 eF.

2г„2 48 где 1, Iî - амплитуда резонансной 10 гармойики и среднее значение в импуль. се тока пучка, А; 3 - собственная длина волны резонатора, м; Е„«„,- требуемое. максимальное значение напряженности возбуждаемого поля„ В/и, О

В---. Ь вЂ” кратчайшее расстояние от я 2 центра резонатора до траектории пучка, 1 м: В=-" 1 - расстояние между пласти23 20 нами радиального нолновода, и; М

1 !> г

" — у ) А dV где А - вектор-потенциал собственного поля в резонаторе, г

А — — — — -- — - ----"- -- — — — — - — — -r ld г ° И г 1, { — (1-16е ) kt (— - 1-I6е )

7 (4 4 } 4 116ж Ры (<„

1 (— (1-!6д ) k (1-16д )

2е 2»

X(t}-Õ0(t)+õ „(t) в Xe(t) "ЧО t!

V(t) V +V (t); P(t) P +Р, (t) l

Обозначая наибольшее значение величин

Е и Е через Е и проводя интегI и рирование, получим р PF, (е}+Р, (t)).), Е1(V t) — — сов. (2> t дС;

Е6 — — - еЫсд t dt«q (V t>

P(t)=Р, (1+ ° где Р, (е)-и

Щ

Р (t)(>J еЕ

ЭЯ. °

Р 4>{>

Р У вЂ” импульс и скорость частиц ()6 ..e пучка до влета в резонатор.,с е

Считая, что (г с(1, имеем. /

Из формулы для V(t} следует, что движение частиц будет мало отличатьсв

Р от свободного . когда --- (<1. Это г

Х, I, — модифицированные функции

Ьесселя; 4- корень функции Бесселя

1,(J)=0> Первое соотношение пОлучено в приближении заданного тока. Покажем, что при практически реальных значениях Е,„ до 1О В/см это приг ближение снраведливо с высокой точHoctbI0 zlpH условии малости влияния 40 кулоновскнх полей. . Для этого расс))<отрим самосогласованную задачу о возбуждении резонато, ра последовательностью сгустков, пролетающих в запредельной области резо" натора с кратчайшим расстояним от его . . оси, равным;Ъ. Принимая за направление движения пучка ось х, электрическое поле в резонаторе запишем в виде

Е(х,t)=Е (х)сов(2г й+E (x)si.пай

Уравнение движения частицы имеет вид

I с . = 1

-.= еЕ (х(е))сов<>с +еЕ (х())вдгый в

Рассмотрим, при каких условиях дви-. жение частицы мало отличается от свободного. Для этого запишем интегрирование проводится по объему резонатора; К, — функция Макдональда, Ц - добротность резонатора А „„максимальное значение вектор-йотен циала собственного поля; Е - энергия частиц возбуждающего пучка, Дж;

-. †- ° mc — энергпя покоя элект » тс г

t рона; V " -скорость электронов, м/c) с — скорость света, м/с; е -.заряд, .

l электрона1 Кл1 Ы -»в g радиус ци» линдрического запредельного волново-. да, м; г в - радиус лучка, и, I

1582935 10 на TE-типе колебаний с тангенциально рического Поля, в качестве резонатоиаправленным у стенок резонатора эле- ра использован открытый резонатор, ктрическим полам путем .возбуждения образованный соединением Запредельныя резонатора модулированным пучком зле- круглого и радиального волноводов, а ктроиов, пропускаемым перпендикуляр- . пучок электронов пропускают в радиально его оси, о т л и ч а.ю шийся ном волноводе, вне пределов круглого тем, что, с целью увелйчения предель- волновола. чой напряженностй возбуждаемого электI 582935. Е

Ерекле

-дЮ б

Составитель Е. Шитова

Техред Л.Олийнык Корректор С. Ыекмар

Тираж 353 Подписное комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Редактор Т! Лошкарева

Заказ 2444

ВНИИПИ Государственного

1)30359

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101