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

путем (например, путем использования ферритового ма­ териала, реактивное сопротивление которого можно ме­ нять за счет регулируемого постоянным током магнитного поля) или механически (например, используя настроеч­ ные поршни или пластины, как в линейных ускорителях). Во-вторых, можно настраиваться на резонанс путем изме­ нения частоты источника СВЧ-мощности. Методы, в ко­ торых используется подстройка резонаторов, неприемле­ мы вследствие того, что введение в них материальных тел искажает поле в резонаторе итем самым уменьшает доброт­ ность. Следовательно, метод изменения частоты источни­ ка более предпочтителен, несмотря на свою техническую сложность.

Б. Подстройка и согласование сопротивлений. Важ­ ным свойством плазмы, нагружающей резонатор, являет­ ся то, что ее активная и реактивная проводимости обычно не постоянны, а могут принимать различные значения в широких пределах в зависимости от СВЧ-мощности, по­ глощаемой плазмой, от давления и типа газа, а также от вида колебаний резонатора.. Поскольку мощность, погло­ щаемая плазмой, зависит как от величины сопротивления, так и от частотной расстройки, попытка перестроить ча­ стоту системы обычно ведет к рассогласованию сопротив­ лений, а согласование может привести к частотной рас­ стройке. В некоторых случаях такая взаимозависимость параметров может препятствовать получению одновре­ менно и согласования и настройки. Это находится в соот­ ветствии с критерием устойчивости Кауфмана [14], ко­ торый заключается в том, что устойчивость разряда по­ стоянного тока сохраняется только до тех пор, пока абсолютная величина отрицательного «нагружающего со­ противления» вследствие наличия плазмы не превысит сопротивления, шунтирующего резонатор. Этот критерий использовался для объяснения разрыва в нагрузочных характеристиках СВЧ-разряда [15], когда нагрузка, воз­ никающая при разряде, была в основном резистивной. Од­ нако применимость этого критерия к СВЧ-разряду, ко­ торый вызывает заметную расстройку, пока еще не иссле­ дована. Тем не менее удовлетворительное решение задач согласования и перестройки на более низких частотах в иепях с сосредоточенными параметрами [161 показало,

что, пока нагружение не слишком мало, согласование и подстройку можно обычно осуществлять одновременно. Для этого нужно лишь иметь приемлемый метод наблю­ дения влияния регулировки согласования сопротивления и сдвига частоты. Для резонатора идеальным и, очевидно, практически применимым является метод использования автоматического измерителя импедансов. С помощью это­ го прибора влияние каждого малого изменения в согла­ совании сопротивлений или в частоте может оцениваться непрерывно, а параметры подстраиваются соответствен­ но таким образом, чтобы восстанавливать согласование системы и условия настройки в присутствии плазменной нагрузки. Без такого прибора регулировка становится слишком трудоемкой и утомительной для оператора.

В. Защита системы. При создании плазмы путем подведения СВЧ-мощности, достаточной для пробоя газа, и при наличии согласования по сопротивлениям и на­ стройке не исключается возможность появления больших резких изменений в нагрузке резонатора. Возможность таких изменений требует специальных мер предосторож­ ности, в особенности когда резкие изменения наблюдаются на уровне мощности, превышающем пробивную. В этом случае опасность, возникающая вследствие повреждения СВЧ-лампы из-за высокого к. с. в. и., больше, чем на низ­ ком уровне мощности. Защита лампы требует не только наличия цепи аварийного отключения мощности в случае опасной перегрузки: необходимо также использовать мощный вентильный элемент, чтобы обеспечить непрерыв­ ное поглощение отраженной мощности, возникающей вследствие большого рассогласования сопротивлений. Без такого вентиля было бы невозможно передать плазме требуемое большое количество энергии.

В качестве вентильных элементов (и притом сравни­ тельно недорогих) могут служить трех- и четырехплечие циркуляторы, рассчитанные на большие уровни мощности..VI

IV. Типичные системы

Рассмотрим две типичные мощные системы, предназна­ ченные для нагрева и удержания плазмы. Первая систе­ ма — одна из тех, в которых используется циклотрон-

ного сигнала. Лампы работают в режиме точной узкопо­ лосной настройки с усилением (в насыщении) ~ 5 0 дб на каждую лампу. На фиг. 6 схематически представлена типичная волноводная схема для одного клистрона. В си­ стему включены надежные предохранительные устройст­ ва, состоящие из охлаждаемых водой четырехплечих цир­ куляторов, выполняющих функции вентилей. Таким об­ разом осуществляется защита от возможного внезапного большого рассогласования вследствие дугового разряда в охлаждаемом водой волноводном тракте или (что менее вероятно) вследствие резких изменений в плазменной нагрузке. Участки волновода, расположенные между вы­ ходными окнами клистронов и окнами вакуумной каме­ ры, компрессируются сухим азотом при давлении 0,7 ати. Каждый клистрон связан с резонатором посредством двух волноводных секций, расположенных диаметрально. Для согласования сопротивлений на выходе клистрона, а так­ же для обеспечения нужной фазы и распределения мощ­ ности во входных волноводах резонатора используются 3-децибельные волноводные мосты. Всего резонатор имеет 12 волноводных вводов (для трех клистронов), располо­ женных попарно через каждые 60° Осевая линия каждой пары должна быть параллельна оси резонатора. Некото­ рые детали этих соединений видны на фиг. 7.

Так как резонатор в нормальном режиме работает на видах высших порядков, разделение видов колебаний очень мало и резонатор при этом приближенно можно рассма­ тривать как эхо-бокс. Таким образом, эта мощная СВЧсистема относительно нечувствительна к изменению ви­ дов, которое может наблюдаться при возникновении сме­ щения частоты вследствие изменения режима плазмы. Режим плазмы зависит как от давления (подачи газа), так и от входной мощности. Согласование сопротивлений во время работы не регулируется. Нагрузочные характе­ ристики в присутствии плазмы более похожи на характе­ ристики, присущие резонатору, заполненному диэлектри­ ком с потерями, чем на характеристики незаполненного, резонатора.

Типичная рабочая методика состоит в следующем. Сна­ чала подбирается магнитное поле для обеспечения цикло­ тронного резонанса на желаемой линии постоянного маг­

дет, а петли связи (или волноводные диафрагмы) будут вынесены за вакуумные окна. Резонатор возбуждается только на низших видах колебаний. Для основных иссле­ дований использовались виды ТМ010 и ТЕ011, и они же являлись контрольными видами, при которых не наблю­ далось удержания плазмы. Квадрупольные виды колеба­ ний ТМ 011 и ТЕ012> также использовались для основных исследований. Эти исследования показали, что квадрунольные виды колебаний обладают характеристиками, пригодными для целей удержания плазмы.

Клистронный

Двунаправленный

ответвитель^ х измерителю мощности

Квакуумному насосу

Ф и г. 8. Схема экспериментальной установки для удержания плазмы в СВЧ-поле.

Высокая мощность дециметрового диапазона подава­ лась от одного перестраиваемого 4-резонаторного усили­ тельного клистрона типа 4/Ш 3000 ЬК , который запускал­ ся генератором, как показано на фиг. 8. Этот клистрон с воздушным охлаждением и магнитной фокусировкой помещен в том же отсеке, что и его выпрямитель (мощность 10 кет, ток 0,75 а). Пульт дистанционного управления позволяет осуществить как индивидуальную, так и груп­ повую настройку четырех резонаторов клистрона во время работы без отключения мощности. Выходная мощ­ ность плавно регулируется от 0 до 2 кот путем изменения либо входной мощности, либо ускоряющего напряжения