книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

модели с растяжками доказано, что можно поднять в воздух (на высоту около 15 м) аппарат тяжелее воздуха (2,8 кг вместе с ректенной) на длительное время (около 10 час непрерывно). При этом вся выпрямленная мощ­ ность (^ 2 8 0 вт) передавалась СВЧ-лучом от наземного передатчика. В настоящее время разрабатывается авто­ матическая система управления, которая будет длитель­ но удерживать летательный аппарат в заданном положе­ нии относительно питающего луча. Описанное применение служит иллюстрацией мощной СВЧ-системы, содержащей много элементов, и показывает взаимосвязи между этими элементами с учетом технико-экономических показате­ лей.

Следующий раздел кратко знакомит читателя со сред­ ствами радиоэлектронного противодействия, в частности с применением организованных помех (например, помехи со спектром гауссова шума и т. д.) против средств связи и радиолокации. Рассмотрены наиболее важные характе­ ристики гауссова шума, в том числе функции плотности вероятности, автокорреляционные функции и спектраль­ ная плотность. Описаны свойства гауссова шума с огра­ ниченной полосой частот и свойства огибающей на выходе детектора. Освещаются вопросы генерации и передачи шумовых сигналов. Обращается внимание на ограниче­ ния, обусловленные конечным динамическим диапазоном усилителя. Показано, в частности, что симметричное огра­ ничение гауссова шума незначительно влияет на среднюю выходную мощность при условии, что уровень ограниче­ ния по крайней мере в три раза превышает величину сред­ неквадратичного отклонения шума.

Если судить по вышеизложенному, то для военной тех­ ники энергия СВЧ представляет лишь косвенный интерес. Следовательно, нельзя ожидать больших заказов со сто­ роны военных ведомств, за исключением тех областей при­ менения СВЧ-энергии, которые относятся к связи и ра­ диолокации. Однако косвенно военные применения ока­ зывают существенное влияние на направления и темпы развития генераторов СВЧ и техники волноводной пере­ дачи. Таким образом, рассмотрение в этой книге наиболее важных военных применений можно считать оправдан­ ным.

5.4.ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-УСКОРИТЕЛИ

На н э н

I. Введение

После появления в 40-х годах СВЧ-генераторов с многомегаваттной импульсной мощностью физики всего мира начали теоретическую и экспериментальную разработку электронных СВЧ-ускорителей. В начале 50-х годов боль­ шая часть работ была посвящена созданию линейных уско­ рителей электронов (ЛУЭ) мощностью 50—1000 Мэе для исследований в области ядерной физики и мощностью 5—10 Мэе для получения мощных рентгеновских лучей, используемых при лечении рака. Во второй половине 50-х годов были сконструированы линейные ускорители

ческие исследования. Хотя основные усилия и в особен­ ности производство были сосредоточены в области ЛУЭ, в этот период продолжались работы и по циклическим ускорителям (микротронам), особенно в СССР, Канаде и Швеции. Промышленное изготовление микротронов ожи­ дается в следующем десятилетии.

Конструкция электронных ускорителей определяется главным образом наличием источников СВЧ-мощности. В качестве таких источников используются магнетроны, амплитроны и клистроны. Уровень их импульсной мощ­ ности лежит в пределах 1—30 Мет, а средней — от 1 до 150 кет. Диапазон частот простирается от 600 до 9000 Мгц. При работе в импульсном режиме с длитель­ ностями импульсов 1—30 мксек требуется высокая ампли­ тудная, частотная и фазовая стабильности.

Впоследующих разделах описаны способы ускорения

иуправления электронными пучками и их применение в исследовательских работах, медицине и промышленности. Для иллюстрации приводится описание специально изго­ товленных установок и определяется направление их будущего развития.

Приведен краткий перечень литературы, относящийся к этой теме. Часть ссылок представляет собой обзорные статьи или книги, содержащие обширную библиографию1.

П.Способы ускорения

А.Линейный ускоритель. Большая часть современ­ ных ЛУЭ предназначена для работы в 10-сантиметровом

диапазоне (обычно от 2856 до 2998 М гц), и лишь некото­

фиг. 1 показан типичный волновод ускорителя 3-санти­ метрового диапазона. Он состоит из ряда цилиндриче­ ских резонаторов (три резонатора на длину волны), рабо­ тающих на виде колебаний, подобном ТМ 01ъ, и связанных по оси диафрагмами для прохождения пучка и возбуждаю­ щей мощности. СВЧ-энергия, запасенная в каждом резо­ наторе, колеблется на резонансной частоте, но с фазовым сдвигом 120° от середины одного резонатора до середины следующего2. Таким образом, электрон, летящий со скоростью света и попадающий в момент прохождения середины одного резонатора в максимум электрического поля, будет попадать в максимум электрического поля и в середине каждого последующего резонатора. В тот момент, когда этот электрон достигнет диафрагмы между резонаторами, отстоящей от их середин на 60°, электриче­ ское поле в этих резонаторах составит соз60° = 0,5 мак­ симального, т. е. 50% , а электрическое поле на .оси в пло­ скости диафрагмы — примерно 80% максимального. Т а­ ким образом, проходя через ускоритель, электрон испы­ тывает влияние электрического поля, меняющегося в каждом резонаторе примерно от 40 до 100% и наоборот. На фиг. 1 показано распределение по оси интенсивности и фазы всего электрического поля и электрического поля,

1 Читателю, интересующемуся современным состоянием работ

ихарактером проблем, связанных с ускорением заряженных частиц,

ив частности электронов, можно рекомендовать сборник «Труды VII Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий», 1969, т. 1, Ереван, Изд-во АН Арм.ССР, 1970.—

Прим. ред.

2 Вид 2я/3.— Прим. ред.

оказывающего влияние на пролетающий электрон. Это последнее распределение можно разложить в ряд Фурье, состоящий из основной волны, распространяющейся со

па

г и

Фиг . 1. Напряженность и фаза аксиального электрического поля в продольном сечении волновода, работающего в режиме 2л/3-вида.

скоростью света, и гармоник, распространяющихся с фа­ зовой скоростью, в (± 1 , 2, 3, ...) раз большей, чем основ­ ная волна. Для расчета коэффициента передачи энергии электронов и фазы берется амплитуда электрического поля ^только этой основной бегущей волны, так как при боль­ шом числе резонаторов влияние пространственных гар­ моник в среднем равно нулю. (Однако пространственные

гармоники надо учитывать при расчете энергии и фазы электрона в одном или двух первых резонаторах, где часто происходят большие изменения фазового сдвига между электроном и основной волной.) Основная волна пред­ ставляет собой синусоиду и распространяется со скоростью света. Фазовый угол 0, соответствующий максимуму Ег в середине резонатора, принимается равным —90° Элек­ троны, достигающие середины резонатора при фазовом угле —90°, попадают в пучность бегущей волны, и на расстоянии г их энергия возрастает на величину Е 6г. Электроны с другими фазовыми углами по отношению к бегущей волне получают приращение энергии Е 0(51П 0)2.

Чаще всего волноводы ускорителя конструируют для постоянного градиента энергии при нулевом токе пучка. Уравнения для электронных линейных ускорителей бегу­ щей волны с постоянным градиентом энергии представле­ ны в табл. 1. В качестве первого приближения предпола­ гается, что на протяжении всей длины волновода шунто-

Таблица 1

Уравнения для ЛУЭ бегущей волны с постоянным градиентом

ные потери в стенках резонаторов на всей длине волновода. В 10-сантиметровом диапазоне для Р штипично значение 56 Мом/м. При I = 2 ж и ДЯ = 2 Мет У0 = 1 5 М эе. Если верхний предел потерь АР в стейках резонатора в непрерывном режиме составляет, скажем, 0,1 Мет, а наи­ большая длина Ь = 5 м, то У0 = 5 Мэе. Отсюда ясно, что для того, чтобы получить энергию пучка больше не­ скольких миллионов электронвольт, нужен импульсный источник СВЧ-мощности.

В линейных ускорителях бегущей волны мощность СВЧ-источника, пройдя через волновод ускорителя, по­ падает в оконечную высокочастотную нагрузку. Если желательно получить максимальную энергию У0>то Диаметр диафрагм между резонаторами делается малым. Это ведет к уменьшению групповой скорости угр и соответст­ венно сводится к минимуму попадание мощности СВЧисточника в высокочастотную нагрузку. В этом случае имеют место относительно большие потери при передаче мощности от первых резонаторов к последующим, в результате чего эффективность преобразования СВЧ-мощ- иости в мощность пучка уменьшается. Кроме того, тре­ буется большее время наполнения, уменьшается широкополосность волновода и требуются более жесткие допу­ ски на геометрические размеры, частоту и тепловые ре­ жимы. Если нужна высокая эффективность преобразова­ ния СВЧ-мощности в мощность пучка, между резонато­ рами ставят диафрагмы большого диаметра.

Для того чтобы обеспечить потоку мощности, проходя­ щему вдоль волновода, постоянный градиент, групповая скорость потока должна уменьшаться с расстоянием. Это означает, что поскольку при прохождении мощности по волноводу на возбуждение каждого последующего резо­ натора должна расходоваться примерно одинаковая мощ­ ность, то с расстоянием на каждый резонатор должна приходиться все большая доля общего потока мощности. Это достигается уменьшением диаметра диафрагмы каж­ дого последующего резонатора (или группы резонаторов

для аппроксимации к постоянному градиенту). Если надо обеспечить постоянный градиент не при нулевом, а при некотором выбранном уровне тока пучка, то, так как поток мощности будет падать с расстоянием еще быстрее, потребуется более резкое изменение диаметра диафрагм.

Поток мощности через диафрагму определяется инте­ гралом аксиальной компоненты вектора Пойнтинга по площади этой диафрагмы. Если бы резонаторы имели короткозамыкающие торцы и работали в режиме чистого ГЛ1010-вида колебаний, вектор Пойнтинга имел бы только радиальную компоненту, и мощность колебалась бы с ре­ зонансной частотой между осью резонатора и наружными цилиндрическими стенками. Введение диафрагмы в тор­ цевую стенку каждого резонатора создает радиальные компоненты электрического поля, которые в векторном произведении с азимутальным магнитным полем дают аксиальные компоненты вектора Пойнтинга Р [уравне­ ние (3)]. Хотя компоненты Е г и # е увеличиваются с ра­ диусом почти линейно, групповая скорость потока мощ­ ности пропорциональна четвертой степени радиуса диаф­ рагмы а. Таким образом, чтобы получить нужный энерге­ тический градиент, размеры диафрагм должны иметь жесткие допуски (обычно 2—3 мкм).

В волноводе ускорителя могут возникнуть и поддер­ живаться виды более высокого порядка, чем ТМ0Х01. Ближайшим высшим видом является вид ТМ110, колеблю­ щийся в каждом резонаторе с частотой примерно на 50% больше, чем частота основного вида. Истинное соот­ ношение этих частот зависит от диаметра диафрагмы. Этот вид имеет на оси нулевое электрическое поле и большое поперечное магнитное поле, которое может быть индуциро­ вано пучком, Колебания возникают из шума, так же как в любом автогенераторе. При прохождении через возбуж­ денный резонатор последующие части пучка совершают поперечные колебания. Этот колеблющийся с высокой ча­ стотой пучок возбуждает в следующем резонаторе колеба-

1 Здесь и далее вместо правильного, но громоздкого термина

вид колебаний, подобный ТМ тпр-виду будет употребляться просто

ТМ тпр-вид, хотя реальное распределение поля в' диафрагмирован­ ном круглом волноводе не точно соответствует распределению поля в гладком цилиндре.— Прим. ред.

мени наполнения и может достигать только нескольких наносекунд. Обычно почти половина энергии, возбужден­ ной и запасенной в резонаторах ускорителя за время на­ полнения, передается пучку в течение нескольких нано­ секунд. В этом режиме при заданной импульсной мощ­ ности СВЧ-источника большее время наполнения в де­ циметровом диапазоне позволяет запасать в волноводе

Фи г . 2. Структура ускорителя со стоячей волной и резо­ наторами связи (два ускоряющих резонатора на длину волны).

1— канал для п уч ка ; 2— ускоряю щ ий резонатор; 3— резонатор спязн-

больше энергии и получать во время каждого импульса пучка больше джоулей, чем в том же режиме в 10-сан- тиметровом диапазоне.

При простой нагрузке волновода в виде дисков макси­ мальное шуитовое сопротивление получено для случая трех резонаторов на длину волны. Для четырех или пяти резонаторов на длину волны потери в стенках чрезмерно велики. В случае двух резонаторов на длину волны начи­ нает слишком сильно влиять время пролета и вся система резонирует на отсечке (групповая скорость равна нулю), а прохождение мощности через диафрагмы практически отсутствует. Но при двух резонаторах на длину волны влияние пролетного времени можно уменьшить, а шунтовое сопротивление приблизить к оптимальному, сделав резонаторы замкнутыми. Требуемая связь (с малыми по­

терями) между ускоряющими ячейками может быть обеспе­ чена применением резонаторов связи. На фиг. 2 показана именно такая конструкция. Измеренное шунтовое сопро­ тивление оказалось на 40% выше, чем в случае обычной конструкции (фиг. 1) с тремя резонаторами на длину вол­ ны. Ускоритель такого типа работает в режиме стоячей волны. Его резонаторы связаны между собой, и эта связь обеспечивает высокую групповую скорость в широкой полосе частот. В режиме стоячей волны для создания уско­ ряющих полей может быть использована вся входная мощность. При этом при изменении тока пучка распреде­ ление ускоряющего поля остается однородным вдоль всей длины системы, а наличие переменной связи на входе поз­ воляет сохранить приращение энергии относительно по­ стоянным в широком диапазоне изменений нагрузки то­ ком пучка. Если требование малой длины ЛУЭ является превалирующим, то дополнительное усложнение системы,

ряющее поле только один раз. В циклических ускорите­ лях, чтобы пройти через одно и то же ускоряющее поле несколько раз, пучок искривляется магнитным полем. Для циклического ускорения электронных пучков СВЧмощностыо применяются следующие общие методы:

а. Постоянная орбита, переменное магнитное поле. Такая конструкция называется синхротроном. Обычно СВЧ-колебания имеют частоту около 500 Мгц, энергия электронов лежит в пределах от 1000 до 10 000 Мэе.

б. Спиральная траектория, постоянное магнитное поле. Уже создана одна установка такого типа с непрерывной высокочастотной мощностью 25 кет на частоте 925 Мгц с одним резонатором, работающим в режиме вращающегося вида ТЕП1. Установка разгоняет электроны до энергии

1Мэе.

в.Несколько орбит, касательных к ускоряющей части установки, постоянное магнитное поле. Такая система называется микротроном. В следующем разделе разби­ раются два обычных варианта микротрона.