Г Г. Козорезов НПОА “Фаза”, Ростов-на-Дону

У даній роботі наведені характеристики нового ряду потужних імпульсних магнетронів S- і L-діапазонів, розв’язують пристроїв, фазовращателей та інших необхідних елементів волноводного тракту для використання в потужних імпульсних лінійних і мікрронних прискорювачах рівня потужності 10-20 МеВ.

В даний час спостерігається стійке зростання вживаності імпульсних прискорювачів мікротрон або лінійного типу в самих різних сферах. Крім традиційних областей використання, таких як наука, медицина, дефектоскопія, прискорювачі потужністю 10-20 МеВ отримують широке поширення в системах знезараження, системах контролю великогабаритних вантажів в зонах митного контролю і т. п. [1].

У найбільш поширених потужних прискорювачах в якості джерел НВЧ зазвичай використовуються магнетрони або клістрони. Клістрони мають перевагу в порівнянні з магнетронами, що полягає в більш простому сполученні з прискорювачем, однак програють магнетрона в ціні, в простоті обслуговування і вартості обладнання, що забезпечує їх роботу.

За кордоном найбільш застосовувані магнетрони для прискорювачів – магнетрони фірми “Marconi Applied Technologies” (раніше “EEV”) з імпульсною потужністю від 1 до 6 МВт і середньою потужністю до 6 кВт.

Аналогічний ряд магнетронов для застосування в прискорювачах випускається підприємством НПОА “Фаза”. В останні роки, крім традиційно застосовуються в цій галузі застарілих магнетронов МІ-202, МІ-124-1, були розроблені магнетрони нового покоління МІ-202м, МІ-456А, Б; МІ-456М, МІ-480, мБинарм. В цей же час були створені потужні ферритові циркулятори серії ФВЦВ-2-81 спеціально для застосування в прискорювачах.

Основні характеристики магнетронів

При розробці магнетронов серії МІ-456, МІ-480 і “Бінар” використовувалися методи комп’ютерної оптимізації системи резонатора і простору взаємодії. Це дозволило реалізувати високі значення ККД, а також забезпечити сталу роботу магнетрона в широкому діапазоні анодних струмів, а значить, і вихідний імпульсної потужності.

Магнетрони виконані із застосуванням металокераміки на базі найсучасніших матеріалів: в них використовувалися Pt-Ba або металлопорістий імпрегноване катод з плазмовим напиленням вольфрамової губки. Все це дозволило добитися гарантованого терміну служби магнетронов не менше 3000 годин.

Висновок енергії магнетронов серії МІ-456 – прямокутний хвилевід перетином 72 х 34 мм, для магнетронів МІ-480 – 160 х 80 мм. При необхідності його орієнтація може бути змінена на 90 °. Магнетрони випускаються в пакетованому постійними Sm-Co-магнітами виконанні, проте в необхідних випадках можуть поставлятися і без магнітів, і тоді магнітна система для магнетрона є приналежністю обладнання прискорювача.

Магнетрони МІ-456 володіють імпульсною потужністю від 1,5 до 4 МВт при середній потужності до 7 кВт і виконуються в будь-якій частині частотного діапазону від 2700 до 3100 МГц з підстроюванням частоти в середньому 10 МГц.

Магнетрони “Бінар” є більш потужними у порівнянні з магнетронами МІ-456, їх вихідна імпульсна потужність становить величину 5-6 МВт при середній потужності до 4 кВт.

Магнетрони МІ-480 володіють імпульсною потужністю від 0,5 до 1 МВт і середньої до 0,5 кВт і виконуються в будь-якій частині частотного діапазону від 900 до 1400 МГц з підстроюванням частоти не менше 50 МГц.

Основні параметри вироблених в НПОА “Фаза” магнетронов для прискорювачів наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Тип

Імпульсна потужність, МВт

Діапазон робочих частот,

МГц

Анодное напря жение, кВ

Анодний струм, А

Длитель ність імпульсу, мкс

Сверд ність

Довговічність, ч

МІ-202

1,6

2790-2810

50

80

3

700

250

МІ-202м

1,6

2790-2810

50

80

10

700

2000

МІ-456А

2,5

2792-2802

<50

90

10,5

500

3000

МІ-456Б

2,5

2995-3005

<52

90

10,5

500

3000

МІ-465м

4

2792-2802

<53

125

10,5

570

3000

2995-3005

<53

125

10,5

570

МІ-480

1

1230-1280

<32

55

15

2000

3000

“Бінар”

6

2792-2802

65

150

4,5

1500

3000

2995-3005

Основні характеристики феритових циркуляторов

Ферритові циркулятори серії ФВЦВ-2-81 були розроблені з метою застосування їх в якості розв’язують пристроїв в прискорювачах. Основною особливістю цих циркуляторов є висока електрична міцність, досягнута за рахунок спеціальних технічних рішень при їх розрахунку і конструюванні. При надмірному тиску в тракті не більше 2 атм елегазу ці циркулятори дозволяють витримувати режим роботи на повне відбиття від навантаження при падаючої імпульсної потужності хвилі до 3 МВт і тривалості робочого імпульсу до 15 мкс. Циркулятори виконані в перетині прямокутного хвилеводу 72 х 34 мм (S-діапазону) і 160 χ 80 мм (Ζ-діапазону).

Основні характеристики циркуляторов ФВЦВ-2-81 наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Тип

Область частот,

МГц

Робоча смуга частот,

%

Імпульсна потужність, МВт

Середня мощ ність, кВт

Прямі втрати, дБ

max

Зворотні втрати, дБ min

КСХН

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

Як навантаження циркулятора використана рідинна навантаження, що дозволяє ефективно поглинати і при необхідності вимірювати потужність хвилі, відбитої від резонаторної структури прискорювача.

Основні схеми реалізації роботи магнетронів в прискорювачах

Магнетрони, використовувані в схемах мікротрон і лінійних прискорювачів, стабілізуються за частотою зовнішнім високодобротні (з добротністю від 8000 до 15000 одиниць) резонатором, одночасно виконує функцію прискорюючою секції прискорювача.

Таким чином, магнетрон і прискорює секція прискорювача являють собою єдиний ансамбль, в якому робоча частота магнетрона автоматично збігається з резонансною частотою прискорює секції прискорювача. Короткочасні стабільності частоти магнетрона в даному режимі роботи складають величину 10 “7 – 10"9.

Магнетрон МИ-456 працює в імпульсному режимі, забезпечуючи вихідну імпульсну потужність до 4 МВт при середній потужності до 7 кВт. Відповідно, прискорювачі є також імпульсними (з потужністю в імпульсі від 10 до 20 МеВ).

У 10-сантиметровому діапазоні частот через дуже високої добротності прискорює резонатора ширина спектра магнетрона не повинна перевищувати смугу пропускання прискорює резонатора, що накладає обмеження на тривалість робочого імпульсу (чим вище добротність резонатора, тим більше повинна бути тривалість робочого імпульсу). Як правило, для нормальної роботи потужного імпульсного прискорювача з магнетроном 10-сантиметрового діапазону частот необхідна тривалість робочого імпульсу не менше 3 мкс, а ширина спектра повинна становити величину не більше 0,3 МГц.

Для реалізації режиму стабілізації частоти магнетрона зовнішнім високодобротні резонатором необхідно в загальному випадку виконання двох умов. Перше – підбір оптимальної величини зв’язку між магнетроном і резонатором прискорювача. Друге – їх оптимальне фазування.

Найбільш проста схема сполучення магнетрона з прискорювачем показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема сполучення магнетрона і прискорювача: 1 – магнетрон, азовращатель, 3 – розв’язує пристрій, 4 – резонатор прискорювача.

У даній схемі величина зв’язку між магнетроном 1 і резонатором 4 прискорювача визначається ступенем розв’язки, забезпечується феритовим вентилем або циркулятором 3. Як правило, оптимальна величина розв’язки 15-20 дБ. Фазування магнетрона з резонатором прискорювача забезпечується фазовращателем 2. Спеціально для цих цілей розроблено ряд хвилеводних потужних фазовращателей перетином 72 χ 34 мм і 160 χ 80 мм, забезпечують підстроювання фази не менше ніж на 180 ° при власному КСХН <1,1.

Можлива більш проста схема сполучення магнетрона з резонатором прискорювача без використання фазовращателя [2]. Його роль виконує введений в навантаження циркулятора так званий “прапорець”, що представляє собою діелектричну скобу. Цей “прапорець” створює невелике неузгодженість з КСХН не більше 1,3, що забезпечує необхідну зворотний зв’язок магнетрона з резонатором прискорювача. Поворотом “прапорця” здійснюється фазова состройка магнетрона з прискорювачем.

Феритовий циркулятор ФВЦВ-2-81 випускається в двох модифікаціях – з прапорцем і без нього. Резонансний вид характеристики зворотних втрат циркулятора ФВЦВ-2-81 дозволяє здійснити ще один вид сполучення магнетрона з прискорювачем. Як видно з рис. 2, за рахунок зміни магнітного поля в робочому зазорі циркулятора за допомогою спеціальної котушки підмагнічування можна ефективно змінювати як фазову состройку між магнетроном і прискорювачем, так і величину зворотного зв’язку між німі.Необходімо відзначити також, що розроблені та виготовлені деякі інші елементи волноводного тракту в перетинах хвилеводу 72 χ 34 мм і 160 х 80 мм, необхідні для забезпечення роботи магнетрона на прискорювач. До них відносяться двонаправлені ответвители, навантаження, атенюатори, гермоокна. Останнє може бути зручним для реалізації дистанційній електричної керованої состройкі магнетрона з прискорювачем.

Рис. 2. Залежність фази зворотного сигналу <