МАГНЕТРОНЫ С ФЕРРИТОВОЙ РАЗВЯЗКОЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ

November 16, 2014 by admin Комментировать »

Г Г. Козорезов НПОАО "Фаза", Ростов-на-Дону

В данной работе приведены характеристики нового ряда мощных импульсных магнетронов S- и L-диапазонов, развязывающих устройств, фазовращателей и иных необходимых элементов волноводного тракта для использования в мощных импульсных линейных и микрронных ускорителях уровня мощности 10-20 МэВ.

В настоящее время наблюдается устойчивый рост применяемости импульсных ускорителей микротронного или линейного типа в самых различных сферах. Кроме традиционных областей использования, таких как наука, медицина, дефектоскопия, ускорители мощностью 10-20 МэВ получают широкое распространение в системах обеззараживания, системах контроля крупногабаритных грузов в зонах таможенного контроля и т. п. [1].

В наиболее распространенных мощных ускорителях в качестве источников СВЧ обычно используются магнетроны или клистроны. Клистроны имеют преимущество в сравнении с магнетронами, заключающееся в более простом сопряжении с ускорителем, однако проигрывают магнетронам в цене, в простоте обслуживания и стоимости оборудования, обеспечивающего их работу.

За рубежом наиболее применяемые магнетроны для ускорителей – магнетроны фирмы "Marconi Applied Technologies" (ранее "EEV") с импульсной мощностью от 1 до 6 МВт и средней мощностью до 6 кВт.

Аналогичный ряд магнетронов для применения в ускорителях выпускается предприятием НПОАО "Фаза". В последние годы, кроме традиционно применяемых в этой области устаревших магнетронов МИ-202, МИ-124-1, были разработаны магнетроны нового поколения МИ-202М, МИ-456А, Б; МИ-456М, МИ-480, мБинарм. В это же время были созданы мощные ферритовые циркуляторы серии ФВЦВ-2-81 специально для применения в ускорителях.

Основные характеристики магнетронов

При разработке магнетронов серии МИ-456, МИ-480 и "Бинар" использовались методы компьютерной оптимизации резонаторной системы и пространства взаимодействия. Это позволило реализовать высокие значения КПД, а также обеспечить устойчивую работу магнетрона в широком диапазоне анодных токов, а значит, и выходной импульсной мощности.

Магнетроны выполнены с применением металлокерамики на базе самых современных материалов: в них использовались Pt-Ba или металлопористый импрегнированный катод с плазменным напылением вольфрамовой губки. Всё это позволило добиться гарантированного срока службы магнетронов не менее 3000 часов.

Вывод энергии магнетронов серии МИ-456 – прямоугольный волновод сечением 72 х 34 мм, для магнетронов МИ-480 – 160 х 80 мм. При необходимости его ориентация может быть изменена на 90°. Магнетроны выпускаются в пакетированном постоянными Sm-Co-магнитами исполнении, однако в необходимых случаях могут поставляться и без магнитов, и тогда магнитная система для магнетрона является принадлежностью оборудования ускорителя.

Магнетроны МИ-456 обладают импульсной мощностью от 1,5 до 4 МВт при средней мощности до 7 кВт и выполняются в любой части частотного диапазона от 2700 до 3100 МГц с подстройкой частоты в среднем 10 МГц.

Магнетроны "Бинар" являются более мощными по сравнению с магнетронами МИ-456, их выходная импульсная мощность составляет величину 5-6 МВт при средней мощности до 4 кВт.

Магнетроны МИ-480 обладают импульсной мощностью от 0,5 до 1 МВт и средней до 0,5 кВт и выполняются в любой части частотного диапазона от 900 до 1400 МГц с подстройкой частоты не менее 50 МГц.

Основные параметры производимых в НПОАО "Фаза" магнетронов для ускорителей приведены в табл. 1.

Таблица 1

Тип

Импульсная мощность, МВт

Диапазон рабочих частот,

МГц

Анодное напря жение, кВ

Анодный ток, А

Длитель ность импульса, мкс

Скваж ность

Долговечность, ч

МИ-202

1,6

2790-2810

50

80

3

700

250

МИ-202М

1,6

2790-2810

50

80

10

700

2000

МИ-456А

2,5

2792-2802

<50

90

10,5

500

3000

МИ-456Б

2,5

2995-3005

<52

90

10,5

500

3000

МИ-465М

4

2792-2802

<53

125

10,5

570

3000

2995-3005

<53

125

10,5

570

МИ-480

1

1230-1280

<32

55

15

2000

3000

"Бинар"

6

2792-2802

65

150

4,5

1500

3000

2995-3005

Основные характеристики ферритовых циркуляторов

Ферритовые циркуляторы серии ФВЦВ-2-81 были разработаны с целью применения их в качестве развязывающих устройств в ускорителях. Основной особенностью этих циркуляторов является высокая электрическая прочность, достигнутая за счёт специальных технических решений при их расчете и конструировании. При избыточном давлении в тракте не более 2 атм элегаза эти циркуляторы позволяют выдерживать режим работы на полное отражение от нагрузки при падающей импульсной мощности волны до 3 МВт и длительности рабочего импульса до 15 мкс. Циркуляторы выполнены в сечении прямоугольного волновода 72 х 34 мм (S-диапазона) и 160 χ 80 мм (Ζ-диапазона).

Основные характеристики циркуляторов ФВЦВ-2-81 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Тип

Область частот,

МГц

Рабочая полоса частот,

%

Импульсная мощность, МВт

Средняя мощ ность, кВт

Прямые потери, дБ

max

Обратные потери, дБ min

ксвн

ФВЦВ-2-81

2,7-3,1

1

3

5

0,4

20

1,3

ФВЦВ-2-81-L

1100-1300

2

1

0,5

0,4

20

1,2

В качестве нагрузки циркулятора использована жидкостная нагрузка, позволяющая эффективно поглощать и при необходимости измерять мощность волны, отраженной от резонаторной структуры ускорителя.

Основные схемы реализации работы магнетронов в ускорителях

Магнетроны, используемые в схемах микротронных и линейных ускорителей, стабилизируются по частоте внешним высокодобротным (с добротностью от 8000 до 15000 единиц) резонатором, одновременно выполняющим функцию ускоряющей секции ускорителя.

Таким образом, магнетрон и ускоряющая секция ускорителя являют собой единый ансамбль, в котором рабочая частота магнетрона автоматически совпадает с резонансной частотой ускоряющей секции ускорителя. Кратковременные стабильности частоты магнетрона в данном режиме работы составляют величину 10"7 – 10"9.

Магнетрон МИ-456 работает в импульсном режиме, обеспечивая выходную импульсную мощность до 4 МВт при средней мощности до 7 кВт. Соответственно, ускорители являются также импульсными (с мощностью в импульсе от 10 до 20 МэВ).

В 10-сантиметровом диапазоне частот из-за очень высокой добротности ускоряющего резонатора ширина спектра магнетрона не должна превышать полосу пропускания ускоряющего резонатора, что накладывает ограничения на длительность рабочего импульса (чем выше добротность резонаторной системы, тем больше должна быть длительность рабочего импульса). Как правило, для нормальной работы мощного импульсного ускорителя с магнетроном 10-сантиметрового диапазона частот необходима длительность рабочего импульса не менее 3 мкс, а ширина спектра должна составлять величину не более 0,3 МГц.

Для реализации режима стабилизации частоты магнетрона внешним высокодобротным резонатором необходимо в общем случае выполнение двух условий. Первое – подбор оптимальной величины связи между магнетроном и резонатором ускорителя. Второе – их оптимальное фазирование.

Наиболее простая схема сопряжения магнетрона с ускорителем показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема сопряжения магнетрона и ускорителя: 1 – магнетрон, азовращатель, 3 – развязывающее устройство, 4 – резонатор ускорителя.

В данной схеме величина связи между магнетроном 1 и резонатором 4 ускорителя определяется степенью развязки, обеспечиваемой ферритовым вентилем или циркулятором 3. Как правило, оптимальная величина развязки 15-20 дБ. Фазирование магнетрона с резонатором ускорителя обеспечивается фазовращателем 2. Специально для этих целей разработан ряд волноводных мощных фазовращателей сечением 72 χ 34 мм и 160 χ 80 мм, обеспечивающих подстройку фазы не менее чем на 180° при собственном КСВН <1,1.

Возможна более простая схема сопряжения магнетрона с резонатором ускорителя без использования фазовращателя [2]. Его роль выполняет введенный в нагрузку циркулятора так называемый "флажок", представляющий собой диэлектрическую скобу. Этот "флажок" создает небольшое рассогласование с КСВН не более 1,3, обеспечивающее необходимую обратную связь магнетрона с резонатором ускорителя. Поворотом "флажка" осуществляется фазовая состройка магнетрона с ускорителем.

Ферритовый циркулятор ФВЦВ-2-81 выпускается в двух модификациях – с флажком и без него. Резонансный вид характеристики обратных потерь циркулятора ФВЦВ-2-81 позволяет осуществить ещё один вид сопряжения магнетрона с ускорителем. Как видно из рис. 2, за счет изменения магнитного поля в рабочем зазоре циркулятора с помощью специальной катушки подмагничивания можно эффективно менять как фазовую состройку между магнетроном и ускорителем, так и величину обратной связи между ними.Необходимо отметить также, что разработаны и производятся некоторые другие элементы волноводного тракта в сечениях волновода 72 χ 34 мм и 160 х 80 мм, необходимые для обеспечения работы магнетрона на ускоритель. К ним относятся двунаправленные ответвители, нагрузки, аттенюаторы, гермоокна. Последнее может быть удобным для реализации дистанционной электрической управляемой состройки магнетрона с ускорителем.

Рис. 2. Зависимость фазы обратного сигнала <р и величины развязки циркулятора L от изменения магнитного поля в рабочем зазоре циркулятора В/Во.

* * *

Рассмотренный в данной работе ряд мощных импульсных магнетронов, ферритовых циркуляторов, фазовращателей, а также других элементов волноводного тракта в L- и S’- диапазонах частот позволяет эффективно реализовать самые различные схемы построения линейных и микротронных ускорителей мощностью от 1 до 20 МэВ.

Кроме того, подобные схемы построения могут быть реализованы и в устройствах компрессии импульсных СВЧ-сигналов, что является одним из самых привлекательных направлений исследований с возможной сферой применения в том числе и в радиолокации [3].

Литература

1.     Belugin V. et al. Compact Electron Linace for Radiation Technology Systems // Proc. of 2001 Particle Accelerator Conference Chicago. 2001.

2.     Jory H. R. Network for pulling a microwave generator to the frequency of its resonant load. U.S Patent № 3, 714, 592 Jan. 30, 1973.

Диденко А. К, Новиков С. А., Разин С. В., Чу мерин П. Ю., Юшков Ю. Г. Формирование мощных сверхширокополосных радиосигналов при последовательной временной компрессии СВЧ-энергии. М.: Доклады Академии наук СССР, 1991. Т. 321, № 3.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты