Высокочастный тракт дефлектора для лазера на свободных

Высокочастный тракт дефлектора для лазера…
Р.О. БОЛГОВ, М.Н. КУЗЬМИН, К.И. НИКОЛЬСКИЙ,
А.Ю. СМИРНОВ, Н.П. СОБЕНИН, А.А. ЗАВАДЦЕВ 1
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
1
ООО “НАНОИНВЕСТ”
ВЫСОКОЧАСТНЫЙ ТРАКТ ДЕФЛЕКТОРА
ДЛЯ ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ (X-FEL, DESY)
Для высокочастотного тракта дефлекторов международного проекта X-FEL выбраны и рассчитаны основные
СВЧ-узлы, включающие волноводные мосты, регулируемые аттенюаторы, поглощающие нагрузки.
В МИФИ на кафедре «Электрофизические установки» при участии сотрудников ИЯИ РАН и
ООО «НАНОИНВЕСТ» в рамках международного проекта лазера на свободных электронах, создаваемого в DESY (Германия), при активном участии РФ были разработаны отдельные узлы высокочастотного тракта для трех дефлекторов [1]. Дефлекторы предназначены для измерения длины и фазового пространства ускоренных электронов при энергиях 150, 500 и 2000 МэВ. СВЧмощность в дефлекторы поступает от трех источников с импульсной мощностью до 20 МВт на
частоте 3 ГГц. К числу таких узлов относятся волноводные мосты, регулируемые аттенюаторы,
поглощающие нагрузки. Выбору конструкций этих узлов и их расчету посвящена настоящая работа.
Поглощающая нагрузка. При разработке поглощающей согласованной нагрузки на высокий уровень рассеиваемой СВЧ-мощности в качестве поглощающего материала использовался
альсифер с толщиной 0,3 мм и проводимостью 1,667 ∙ 106 См/м. Значение магнитной проницаемости было неизвестным.
Для определения магнитной проницаемости альсифера проводились расчеты и измерения с
использованием цилиндрического резонатора с волной типа Е010. Внутри резонатора на фторопластовой прокладке крепился медный диск, покрытый с двух сторон альсифером (рис. 1).
Рис. 1. Вид модели для расчета магнитной проницаемости альсифера
Метод заключался в том, чтобы при изменении величины магнитной проницаемости совпали рассчитанные и экспериментально определенные добротности. Рассчитанная и измеренная
добротности совпали и оказались 210 при магнитной проницаемости 8100.
На рис. 2 представлены конструкции с одним и двумя клиньями на основе прямоугольного
волновода с размерами 72,134 мм, где ступеньки и стенки волновода покрыты альсифером толщиной 0,3 мм. В процессе расчетов варьировались как указанные параметры, так и число ступенек
(от 3 до 5), высота ступенек, их длина (от четверти до половины длины волны).
В процессе расчетов добивались минимизации значения коэффициента отражения и величины напряженности электрического поля по длине нагрузки не значительно превышающей напряженность в регулярном волноводе.
Высокочастный тракт дефлектора для лазера…
а
б
Рис. 2. Поглощающие нагрузки с двумя (а) и одним (б) клиньями
Параметры лучших вариантов следующие: коэффициент отражения в случае нагрузки с одним и двумя клиньями составил –47 и –52 дБ соответственно, и перенапряженность электрического поля, определяемая как отношение максимального ее значения в нагрузке к полю в волноводе, –
1,11 и 1,19. Длина нагрузок, состоящих из четырех ступенек, – 360 мм.
Трехдецибельный направленный ответвитель. Направленный ответвитель устройство
для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. Математически свойства направленных ответвителей описываются с помощью S-матриц
(матриц рассеяния). На рис. 3 представлен общий вид модели трехдецибельного направленного
ответвителя, а также обозначены основные размеры. При создании направленного ответвителя
требуется настроить его так, чтобы мощности при рабочих частотах 3000 МГц, проходящие во 2-е
и 3-е плечи, делились поровну, т.е. модули элементов матрицы рассеяния S21 = S31 = 0,707 (–3 дБ), а
отражение в 1-е плечо (S11) было минимальным. Выбрана конструкция на базе прямоугольного
волновода с поперечными размерами 72,134 мм и со связью по широкой стенке [2]. Для согласования использовали четвертьволновый трансформатор, размеры которого Ls, l1, hs рассчитывались
с использованием трехмерных программ численного моделирования.
В табл. 1 приведены подобранные размеры мостового соединения и модули коэффициентов
матрицы рассеяния. Расчеты проводились с использованием тетраэдрической сетки. Число узлов
сетки – 93 000 после 8-го прохода. Точность расчета элементов матрицы рассеяния – 0,0002.
а
б
Рис. 3. Трехдецибельный направленный ответвитель:
а – общий вид модели, б – размеры и их обозначение
Таблица 1
Размеры и характеристики мостового соединения
Размеры модели, мм
S-параметры
Ls = 59,0
hs = 6,6
L = 87,0
l1 = 6,655
Lc = 86,5
S11 = 0,0036 (–48,88 дБ)
S21 = 0,7063 (–3,02 дБ)
S31 = 0,7062 (–3,022 дБ)
S41 = 0,0038 (–48,52 дБ)
В процессе настройки мостового соединения были рассчитаны функции чувствительности
модулей элементов матрицы рассеяния к основным размерам (табл. 2).
Высокочастный тракт дефлектора для лазера…
Таблица 2
Чувствительность S-параметров к размерам и частоте
Параметр
чувствительности
Ls, 1/мм
Lc, 1/мм
L, 1/мм
l1, 1/мм
hs, 1/мм
f,1/МГц
S11
S21
S31
S41
–0,00105
0,00396
0,0038
0,003756
–0,01154
0,00036
0,0001
–0,0108
–0,00022
–0,02378
–0,0227
0,00018
–0,0001
0,0106
–0,00003
0,023556
0,0236
–0,0002
–0,00093
0,0037
0,00387
0,003022
–0,01257
0,00036
В качестве примера на рис.4 приведены зависимости модулей элементов матрицы рассеяния
от ширины щели связи Lc. Зависимость этих параметров от частоты линейная и значение ее приведено в табл. 2.
Рис. 4. Зависимости модулей элементов матрицы рассеяния от изменения размера Lc
Регулируемый аттенюатор. Регулируемые аттенюаторы применяются для регулировки
уровня больших уровней мощности, поступающих для питания дефлектора для лазера на свободных электронов. В случае инжекционной секции дефлектора X-FEL, создаваемого в первую очередь по проекту PITZ, необходимо использовать имеющийся в распоряжении клистрон на уровень
мощности в несколько раз больше, чем требуется для нормальной работы этой секции. На рис. 5 и
6 изображен регулируемый аттенюатор, состоящий из трех трехдецибельных мостов, уголковых
соединений и спаренных подвижных короткозамыкателей.
Рис. 5. Общий вид модели регулируемого аттенюатора
К портам 3 и 4 подключены согласованные нагрузки. На рис. 6 указаны выбранные размеры
устройства. Для случая перемещения короткозамыкателей на четверть длины волны в волноводе
(длина волны в волноводе на частоте 3000 МГц составляет 138,62 мм) на рис. 7 приведены зависимости модулей коэффициентов матрицы рассеяния S11, S21, а также аргумента коэффициента S21
Высокочастный тракт дефлектора для лазера…
от положения короткозамыкающих поршней H на длине 75 мм. Коэффициент передачи S21 менялся от 0 до 1, при этом коэффициент отражения не превышал 0,05. Абсолютная точность расчета Sпараметров для этой модели составила ΔS = 0,03.
Рис. 6. Размеры регулируемого аттенюатора и их обозначение
а
б
в
Рис.7. Зависимости модулей коэффициентов матрицы рассеяния S11 (а), S21 (б) и
аргумента коэффициента S21 (в) от положения короткозамыкающих поршней H
на частоте 3000 МГц
Заключение. Характеристики разработанных узлов соответствуют поставленным требованиям. Они находятся в стадии рабочего проектирования и будут изготовлены для проекта X-FEL.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анисимов А.А., Каминский В.И, Лалаян М.В. и др. // Научная сессия МИФИ-2009: Сборник научных
трудов. Т.1: Ядерная физика и энергетика. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы
науки. Информационная безопасность. М.: НИЯУ МИФИ, 2009. С. 46.
2. Собенин Н.П., Милованов О.С. Техника сверхвысоких частот. М.: Энергоатомиздат, 2007.