Гусарова Мултипакторный разряд в сверхвысокочастотных узлах 2011

мощности без опасности возникновения в нем мультипакторного разряда вплоть до 180 кВт, при уровнях более 180 кВт возможно возникновение мультипакторного разряда в области широкой стенки волновода.

В связи с тем, что областью возникновения мультипакторного разряда является середина широкой стенки волновода, для подавления мультипакторного разряда было предложено рассмотреть конструкцию с пазом вдоль широкой стенки. Паз вдоль широкой стенки позволит внести незначительные изменения в распределение электромагнитного поля, которые, однако, могут повлиять на распределение электронов в структуре. Были рассмотрены конструкции с пазами 5×5, 5×10 и 10×5 мм, распределения электромагнитных полей в которых представлены на рис. 4.45.

Рис. 4.45. Конструкции прямоугольного волновода 165×85,5 мм с пазами 5×5, 5×10 и 10×5 мм

Результаты расчетов показали, что наиболее оптимальной является конструкция с пазом 5×5 мм. На рис. 4.46 показаны примеры полученного распределения электронов в структуре при уровне передаваемой мощности 200 кВт спустя 300 СВЧ периодов и график зависимости числа частиц в структуре от времени (СВЧ периода).

Отчетливо видны изменения, вносимые пазом в распределение электронов в структуре. Также видно, что график зависимости числа частиц в структуре носит затухающий характер. Это говорит об отсутствии в структуре мультипакторного разряда.

101

Рис. 4.46. Распределение электронов в прямоугольном волноводе с пазом при уровне передаваемой мощности 200 кВт и график зависимости числа частиц в структуре от времени (СВЧ периода)

Исследования показали, что внесение в конструкцию паза 5×5 мм позволяет повысить уровень передаваемой мощности без опасности возникновения мультипакторного разряда до 300 кВт. При уровнях поля более 300 кВт возможно возникновение мультипакторного разряда. Однако следует отметить, что мультипакторный разряд, возникающий в структуре при уровнях передаваемой мощности более 300 кВт, будет иметь менее устойчивый характер по сравнению с мультипакторным разрядом в структуре без паза.

Таким образом, можно сделать заключение, что данный волновод может использоваться в качестве устройства ввода мощности без опасности возникновения в нем мультипакторного разряда вплоть до 180 кВт, при уровнях более 180 кВт возможно возникновение мультипакторного разряда в области широкой стенки волновода.

Результаты исследований совпадают с экспериментальными данными, представленными в работе [72] и свидетельствующими

102

об эффективности описанного выше изменения геометрии волновода для подавления мультипакторного разряда.

4.7. Круглые диафрагмированные волноводы

Для линейных ускорителей электронов общепринятой ускоряющей структурой является круглый диафрагмированный волновод (КДВ), работающий на волне Е01. КДВ представляет собой цилиндрический волновод (диаметр 2b) с установленными в нем диафрагмами с отверстиями (диаметр 2a) для пролета пучка и электромагнитной связи между отдельными ячейками (рис. 4.47). Период ячеек, образуемый двумя диафрагмами и цилиндрической поверхностью волновода, обозначен на рисунке как L, а толщина диафрагм обозначена как t. КДВ обладает достаточно высоким шунтовым сопротивлением и технологичностью изготовления.

Рис.4.47. Круглый диафрагмированный волновод: продольное сечение (а), поперечное сечение (б)

В силу специфики распределения электромагнитного поля, в КДВ на внешней поверхности структуры, где электрическое поле принимает низкие значения, возможно возникновение мультипакторного разряда. На рис. 4.48 представлены характерное распределение электромагнитного поля в КДВ на виде колебаний 4π/3 и область возможного возникновения мультипакторного разряда.

103

Рис.4.48. Характерное распределение электрического поля в КДВ на виде колебаний 4π/3 и область возможного возникновения мультипакторного разряда

Проведены исследования мультипакторного разряда в круглых диафрагмированных волноводах различных сечений и конфигураций. Определены уровни электрического поля, при которых возможно развитие мультипакторного разряда. При расчетах использована программа MultP-M, позволяющая проводить трехмерное моделирование мультипакторного разряда в СВЧ структурах.

Исследования выполнялись для КДВ, рассчитанных на частоты 1300, 3000, 5712 и 7000 МГц. Коэффициент вторичной электронной эмиссии SYE задавался в соответствии со значениями, представленными на рис. 4.49. Параметры КДВ указаны в табл. 4.8.

104

Рис.4.49. Зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии соударения электронов с поверхностью

Определение уровней напряженности электрического поля в ускоряющем промежутке, при которых возможно возникновение мультипакторного разряда, проводилось с использованием функции программы MultP-M Relative Counter Function. Пример

Relative Counter Function для структуры, рассчитанной на частоту 3000 МГц, показан на рис. 4.50.

105

Первичный расчет проводился для 100 частиц, в диапазоне начальных от 0 до 360 с разбиением 60 (шаг 6°), в диапазоне напряженности поля Ez от 0 до 0.5 с разбиением 25 (шаг 0.02). Единица нормированного поля, указанного на графике Relative Counter Function по оси абсцисс, приблизительно равна 40 МВ/м, таким образом, исследовался диапазон напряженностей электрического поля в ускоряющем промежутке от 0 до 20 МВ/м с шагом 0.8 МВ/м. Фиксировались частицы с минимальным числом соударений 5. Длительность расчета 10 СВЧ периодов.

Рис.4.50. Relative Counter Function для КДВ 3000 МГц

По оси ординат показано процентное увеличение свободных электронов в структуре по отношению к первоначально заданному. Видно, что при напряженности поля Ez более 0,05 (2 МВ/м) наблюдается увеличение числа электронов в структуре. Исследование траекторий движения электронов, показало, что областью возникновения является внешняя поверхность ускоряющей структуры (рис. 4.51). Также были отмечены траектории на поверхности диафрагм (рис. 4.52).

106

Рис.4.51. Пример мультипакторной траектории движения электронов в КДВ 3000МГц на внешней поверхности структуры

Рис.4.52. Пример мультипакторной траектории движения электронов в КДВ 3000МГц на стенке диафрагмы

Следующий расчет был проведен в суженом диапазоне напряженности поля Ez от 0 до 0,1 (0 – 4МВ/м) с разбиением 25 (шаг 0,16 МВ/м). На рис. 4.53 представлен результат расчета.

107

Рис.4.53. Relative Counter Function для КДВ 3000 МГц

Из рис. 4.53 видно, что первый пик возможности возникновения мультипакторного разряда приходится приблизительно на 0,07, что соответствует 2,8 МВ/м. Ускоряющие структуры данного вида, рассчитываются на ускоряющие градиенты порядка 15 МВ/м, в этой связи необходимо принимать меры по предотвращению развития мультипакторного разряда. В работе [73] представлен вариант изменения геометрии структуры для подавления мультипакторного разряда. На рис. 4.54 наглядно представлены изменения конструкции, направленные на подавление мультипакторного разряда.

108

Рис. 4.54. Изменения геометрии для мультипакторного эффекта

Результаты расчета в программе MultP-M показали, что в структуре со скосом x = 5мм, dx = 0,4 мм уровень напряженности электрического поля в ускоряющем промежутке Ez может быть увеличен примерно на 1 МВ/м, что видно из полученной Relative Counter Function, представленной на рис. 4.55.

Рис.4.55. Relative Counter Function для КДВ 3000 МГц со скосами x = 5мм, dx = 0,4 мм

109

Аналогичные исследования были проведены для КДВ, рассчитанных на частоты 1300, 5712 и 7000 МГц. Минимальные уровни напряженности электрического поля в ускоряющем промежутке Ez, при которых возможно возникновение мультипакторного разряда, представлены в табл. 4.9.

Исследования структур, рассчитанных на частоты 1300, 5712 и 7000 МГц с измененной геометрией, аналогично изменениям, показанным на рис. 4.54 (скос x = 5 мм, dx = 0,4 мм), показали, что данное изменение геометрии не позволяет повысить порог возникновения мультипакторного разряда. Однако при расчетах не был учтен параметр масштабирования, и требуются исследования данных структур с измененными параметрами скоса.

Для увеличения групповой скорости в КДВ в секции предусматриваются дополнительные элементы связи по магнитному полю в виде узких щелей в диафрагмах рис. 4.56.

Рис.4.56. КДВ с рабочей частотой 5712 МГц со щелями связи

Параметры структуры КДВ с рабочей частотой 5712 МГц с положительной дисперсией (КДВ-МП) представлены в табл. 4.10.

110