Система стабилизации высокочастотного поля в резонаторе
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (11) 5 З163
»» (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 11.03.75(21) 2112342/25 (51) М Кл о
Н 05 Н 7/02 с присоединением заяв»<и №
Государственный комитет
Совета Министров СССР оо делам изобретений и открытий (23) Приоритет (43) Опубликовано 05.06.77Бюллетень № 21 (4б) Дата опубликования описания,12.08.77 (53) УДК 621.384..6 (088,8) (72) Авторы изобретения
И. Г. Мальцев и В, A. Тепляков (71) Заявитель (54) СИСТЕМА СТАБИЛИЗАБИИ ВЫСОКОЧАС! ОТНОГО ПОЛЯ
B ГЕЗОНАТОРЕ
Изобретение относится к ускорител» ной технике, в частности, к системам ВЧпитания ускорителей.
Известна система для стабилизации высокочастотного поля в резонаторе линейного ускорителя, содержашая автономные системы для стабилизации амплитуды и фазы ВЧ-поля (1). Недостатком такой системы является сложность конструкции.
Наиболее близким техническим решением»п к данному изобретению является система для стабилизации высокочастотного поля в резонаторе линейного ускорителя заряженных частиц, содержашая задаюший генератор, вь»ход которого подключен к одному 1л из входов моста сложения, второй вход которого через фазоврашатель и цепь обратной связи соединен с резонатором ускорителя, а один иэ выходов соединен с согласованной нагрузкой, усилитель, вход которого соединен со вторым входом моста сложения, а выход — с резонатором ускорителя (2).
Такая система характеризуется невь»сс» кой эффективностью системы стабилизации. оа
Так как такая система уменьшает нестаоильность амплитуды и фазы напряжения в резонаторе, вызванную только нестабильностью коэффициента передачи системы усилительреэонатор и изменением нагрузки пучков,в (1+К PJ раз, где К«коэффициент усиления усилителя при разомкнутом кольце обратной связи, Р-коэффициент передачи цепи обратной связи.
При этом во столько же раз уменьшается коэф»рициент усиления усилителя и не компенсируется изменение ВЧ-поля в резонаторе, вызванное возмушением ат а»литудь» выходного напряжения эадак »»его генератора.
Бель изобретения - повышение эффектик ности системы стабилизации, Это достигается тел», что в цепь обратной связи между реэонаторол» ускор»»теля и мостом сло жения включен нелинейный четырехполюсник, выполненный, например, в виде Т-л»оста, в два раэвязанпых плеча которого включены одинаковые нелинейные нагрузки.
На фиг. 1 представлена схема предлага» емого устро"; на фиг.253;.<.163 один из вариантов нелинейного четырехполюсника; на фиг, 3-7 — диаграммы и блоксхема соответственно.
Резонатор 1 посредством линии и петли связи подключен к выходу усилителя 2, ох5 ваченного кольцом обратной связи. Сигнал обратной связи, пропорциональный напряжению в резонаторе 1, второй петлей связи выведен в линию обратной связи и подан на вход нелинейного четырехполюсника 3, выIO полненного в виде Т-моста, к двум другим развязанным плечам которого подключены одинаковые нелинейные нагрузки 4.
Сигнал обратной связи, определяемый степенью рассогласог ания нелинейных нагрузок 4 с плечами T-моста 3 при изменении напряжения в резонаторе, образуется на выходе Г-моста 3, который подключен к одному из входов моста сложения 5 через фазоврашатель 6. К другому входу моста сложения 5 подключен выход задаюшего генератора 7. К одному из выходов моста сложения 5 подключен вход усилителя 2, к другому выходу подключена согласова ная нагрузка 8.
На вход нелинейного четырехполюсника поступает напряжение, пропорциональное напряжению в резонаторе 0 Р (здесь и далее знаком "-" помечены комплексные величины). Выходное напояжение нелинейного четырехполюсника 0oñ которое в качестве сигнала обратной связи поступает на вход моста сложения с напряжением задаюшего генератора О,„,имеет амплитуду, автома 35 тически из|иеняюшуюся от нуля до некоторого максимального значения в зависимости от изменения амплитуды ВЧ-поля в резэнаторе4 1Р относительно заданного
НОминального Уровня ОРэ - Мэа выходно 40 гэ напряжения нелинейного четырехпэлюсника определяется фазой напряжения в резонаторе 9Р, а знак фазы автоматически изменяется на противоположный при изменении знака воз ryшeния амплитуды ВЧ-поля <30Р> 45 чем обеспечивается противофазность сигнала обратной связи возмущению ВЧ-поля в резонаторе.
Таким образом, нелинейный четырехполюсник выдает ВЧ-сигнал обратной связи, который следит за амплитудно-фазовыми возмушениями ВЧ-поля в резонаторе, а его амплитуда и нак фазы являются функцией величины и знака возмушения амплитуды
ВЧ-поля в резонаторе dцР . Величина коэф- ы фициента передачи четырехполюсника изменяется от нуля при ОР = ОРэ до некоторого заданного предельного значения ((dUpJ То свойство нелинейного четырехполюсника, что сигнал обратной связи на его выходе определяется не полным напряжением в резонаторе, а его изменениями, позволяет сушественно повысить коэффициент усиления системы с замкнутой обратной связью. При этом увеличение глубины обратной связи(К )не приводит к необходимости сушественного увеличения выходного напряжения задаюшего генератора. Г1редельнэе значение К „ „ a данной сиспред теме задается из условий устойчивости работы. Лля конкретной схемы К п еав предлагаемой и известной системах примерно одинаков, т,к. введение нелинейного четырехполюсника, добротность которого значительно ниже добротности резонатора ускорителя и сравнима с добротностью усилителя системы, сушественно не сказывается на нестациэнарнэм процессе в системе и не уменьшает К пРе пэ сравнению с известной системой, Отличие состоит лишь в том, что при одинаковых напряжениях эадаюших генераторов, одинаковых коэффициентах усиления усилителей и заданном уровне поля в резонатэре, в предлагаемой системе мэжнэ пэлучать значения К Р большие, чем в измакс вестной, не превйшая К („„êîòoðHIé для пред обоих случаев примерно одинаков. Это отличие позволяет проше реализовать стабилизации, т.к. для получения такого же значения| „аа„с как и в известной системе, здесь требуется усилитель с меньшим коэффициентом усиления. Сам нелинейный четырехполюсник, выполнен, например, в виде T-м эста, даa развязанных плеча которого нагружены одинаково изменяюшимися нелинейными нагрузками, на одно из неподсоединенных к нагрузке развязанных плеч подан сигнал из резона- тора, а с другого снимается сигнал обрат» ной связи, При номинальном уровне поля в резонаторе LI> рабочие точки на характеристиках нелинейных нагрузок выбраны так, что их входные сопротивления равны и сот ласованы с плечами Т-моста, при этом вся мошность, поступающая на обратную связь из резонатора, рассеивается в нагрузках. Изменения уровня ВЧ-поля, обусловленные всеми возмушаюшими факторами, включая и изменения амплитуды напряжения задаюшего генератора, приводят к изменениям входных сопротивлений нелинейных нагрузок. При этом на выходе Т-моста появляется сигнал обратной связи в виде суммы отраженных от нагрузок волн, определяемый 533163 25 В исходном состоянии в резонаторе установлена номинальная комплексная амплитуда ВЧ-поля 0р =K U (c заданным модуЗг > лем и фазой), которому соответствует исходный коэффициент передачи К системы g0 усилитель-резонатор, нагруженный пучком, и исходная комплексная амплитуда выходного напряжения эадаюшего генератора 0,г го Поскольку фаза напряжения U должна быть постоянной, то положим для простоты =О, тогда "pо=КО " . B это время на входе Т-моста действует напряжение, определяемое величиной О /и при 9 ) 1, где — коэффициент передачи петли связи резонатора с цепью обратной связи. 60 величиной и знаком коэффициента отражения а также напряжением, поданным из резонатора на вход Т-моста, т.е.0» — + (p> "p Коэффициент отражения является функцией амплитуды и знака возмушения ВЧ-поля и определяет величину и знак коэффициента передачи нелинейного четырехполюсника. Изменение знака Г при изменении знакадОр обеспечивает возможность введения сигнала обратной связи противофазно возмушению ВЧ-поля в резонаторе. Поскольку в данном случае не определяется фазой напряжения в резонаторе, то стабилизация по фазе осушествляется с точностью до постоянства фазы напряжения задаюшего генератора т =сап в то время как стабизг лизация по амплитуде осушествляется с точностью до стабильности зависимости коэффициента передачи от приложенного напряжения или стабилькости зависимости входных .сопротивлений нелинейных нагрузок от приложенного напряжения, что, в свою очередь, определяется стабильностью их ьольт-амперных характеристик и режима работы, Будем считать, что в исходном состоянии резонатор 1, нагруженный ускоряемым пучком, и усилитель 2 настроены на рабочую частоту, линия связи усилителя с резонатором согласована с учетом под- Ç0 груэки резонатора цепью обратной связи, илитель установлен в несколько недонапряженный режим, суммарный набег фаз по кольцу обратной связи отрегулирован с помошью фазоврашателя 6. Исходя из усло- 3l вия введения сигнала обратной связи противофаэно возмушению ВЧ-поля в резойаторе, суммарный набег фаз должен составлять (Zmi11 lt. при тт =0,1,2,3 ... Указанное условие должно быть выполнено с уче- 40 том знака коэффициента отражения нелинейной нагрузки, который определяется видом вольт-амперной характеристики применяемой нагрузки. Режим работы нелинейных нагрузсл 4 и коэффициент связи их с плечами T-моста 3 выбраны такими, что коэффициент отражения от их входов Г=О, а средняя крутизна их характеристик (действительная величина) 5 = S =3 /Li, где 3 — амплитуда первой о н, гармоники тока через нелинейную нагрузку, 0н - амплитуда напряжения, приложеннс "о го к нагрузке. При этом модуль напряжения обратной связи на выходе Т-моста 3 0 =О, а значит и модуль коэффициента пе редачи нелинейного четырехполюсника р =О. Если при разомкнутой цепи обратной связи напряжение в резонаторе изменяется на величину 4 U>, определяемую изменениями dK и 00 -исходных величин Ко и (.го. то Зг при замкнутой цепи обратной связи это изменение равно стати ческ ой ошибке 0,, а средняя крутизна характеристик нелинейных нагрузок изменяется на величину + d S в зависимости от знака и величины иэл енения напряжения на нем dU d,, При этом коэффициент отражения нагрузок становится равным Г=+ Г(д0 1и ил еет знак, соответствуюший знаку возмушения d О „ а напряжение обратной связи будет равно По =ГЫО „10 !п.Сигнал обратной связи прс тивофазно возмушению Й 0 складывается на мосте сложения 5 с напряжением 0 зг Сумма указанных комплексных напряжений образует на входе усилителя 2 напряжение возбуждения 6 =4ИТ (0„. (3 u ). Здесь коэффициент передачи пепи обрат1 ной связи = — „Г<ЙО,сможет принимать одно иэ значений Ь в зависимости от знака d Up и знака изменения крутизны dS(d p.cr) Для пояснения основных соотношений, действуюших в сис. еме, и обших требований, которым должна удовлетворять нелинейная нагрузка, обратил ся к теории. Используя эквивалентное представление системы усилитель резонатор, нагруженный пучком в виде двух источников тока, сдвинутых по фазе на т (т- — синхронная фаза в ускорителе), работаюших на обь|ую нагрузку - эквивалентное сопротивление реэ натора К>, представим ВЧ-усг литель генератором тока с амплитудой 7„ и коэффициентом передачи К1, ускоряемый пучок— генератором тока, являюшегося, потребителем энергии, с амплитудой первой гармоники наведенного в стенках резонатора тока П На основе указанного эквивалентного представления и с учетол обратной связи за пишем систему уравнений: U,= = Э„-Э,) Z 533163 ой связи усилитель с меньшим K а К увеличивать за счет увеличения . Это отличие системы с нелинейной обратной связью позволяет проще осуществлять стабилизацию ВЧ-полей в многорезонаторных ускорителях, которые, как правило, имеют разветвленную схему ВЧ-питания, а также получать больший коэффициент стабилизации при введении обратной связи на большем 1О уровне мощности. Йля определения общих требований, которым должна удовлетворять нелинейная нагрузка, воспользуемся соотношением /=1 ПИ (/О „ /, откуда следует,что для увеличения J 1s необходимо уменьшить ъ и иметь возможно большее значение . Определим общую зависимость Г от изменения крутизны не линейной нагрузки по первой гармонике d и остаточного возмущения ВЧ-поля в резонаторе BV> ст Общее выражение для коэффициента отра4/S*» р жения можно записать как Гп *",,где 1! &и + Р Р -волновое сопротивление линий связи нагрузки с Т-мостом, w -коэффициент трансформации узла связи нагрузки с линией связи. Полагая S=S<> dS,v р= ®,при /р.ст.) р /р„> зо Q д получим T = — —, + d S 28о Изменение амплитуды напряжения на нелинейной нагрузке равно dU„= pe 1 2/и QU а изменение крути=ны d5=dS/äU ЙУ„= — 7l„S/ 5 dU 40 при К p )) 1, G 1+0р Таким образом, возможное уменьшение 45 коэффициента усиления системы определяется относительным возмущением амплиту ды ВЧ-поля в резонаторе. Используя результаты анализа, следует заметить, что в отличии от системы с линейной обратной связью (11 P)pae увеличе" «» ние фактора стабилизации(К p) при заданном напряжении задаюшего генератора требует автома ического увеличения I(для получения заданного уровня поля в резонаторе, в нашем случае, когда отрицательная обратная связь осуществляется по воэмуше нию ВЧ-поля в резонаторе и при замыкании кольца обратной связи, 1< изменяется незначительно, можно охватывать кольцом обрат-(60 И пользуя очевидные соотношения 3„= О К 1 г К„=.у,- Х Хр= <„ éõp4 и) где // и - коэффициент передачи по напряжению системы мост сложения-усилитель-резонатор без учета нагрузки пучком: / =P и 0 р) 5д+ 5а =(2л+ф) в сйстеме уравнений (1) и, решив ее относительно Ор, будем иметь К П (2) Р +К„. В выражении (2) напряжение в резонаторе представим как сумму номинального значения бра, заданного исходными парамет. рами О, K.,Z,Ç,,ù-,ь полного дифференциРо) 90) ала 3 Q, являющегпся функцией полных дифференциалов о U„, су <, d Рр,д:у„изменяющихся величин О„,К„ИР 3,. Учитывая усговие, что P (d U> ) /6 = 0 =О, получим Uр р<> c3 U> И + К Коэффициент усиления системы усилительрезонатор, нагруженный пучком, при номина.-.ьном ВЧ- поле в резонаторе определим как К = О,/ О,„З,тогда при возмущении ВЧ-псм пя коефтипиейт уонпения при рееомкнутоя обратной связи будет К= К + д К К +дОр I U и при относительном изменении амплйтуды ВЧ«поля в резонаторе g = d U I Ор, «< для модуля К получим К=К (1 тп ). При замко р нутой цепи обратной связи коэффициент усиления системы будет равен Н = Н,+BKII+II uP и при тт (< 1 модуль К с определяется выражением К„= К (Пр) +К,„ Ь). Возможное уменьшение коэффициента усиления системы при замкнутой обратной связи можно определить как отношение $ т Др 6= 1
Вводя относительное изменение крутизны d.=ds/S =1/Vi п,SI> „-д0р..п.будемиметьГ.- gi Используя для аппроксимации вольт-ам-1 перной характеристики нелинейной нагруэки один из обших методов - степенной полином с отсечкой, можно показать, что I производная S =k Анализ зависимости S = (U, S,7,8.) показывает, что, чем выше требуемая точность стабилизации, т.е. чем меньше с" р,,т при Д0 заданном сигнале из резонатора на входе нелинейного четырехпопюсника, тем больше должна быть крутизна вольт-амперной характеристики нелинейной нагрузки, степень нелинейности нагрузки и меныпе угол отГм 533163! О, 0„=- { (т и {; 0„=-1{ Е- U It (5) з 4, 45 При напряжении в резонаторе>равном 0 =U ть 0р, нелинейные нагрузки обладают некоторыми равными коэффициентами отражения Г Г = ({ (> " ) Появляющиеся в плечах (3) н (4) отрвжвнныв волны оуммнруютоя SO в плече (2) и образуют напряжение обрат ной связи.U 1Г{ь0 ) U !11.: . В случае, когда u = О и ь U = OI плечи (3) и (4) Т-моста согласованы с входными сопротивлениями нелинейных нагрузок, при этом 55 Г(аU„3=o;0 =0 и обратная связь не действует. Комплексный коэффициент обратной связи равен: р= jr(nu >IT(и при заданном коэф1> фициенте передачи узла связи с резонатором 6О сечки, если работа осушествляется с отсечк»ii, Рабочий участок характеристики наг рузки должен иметь, в зависимости от приложенного напряжения, монотонно нарастаюшую или спадающую крутизну с действительной величиной, что обеспечивает однэзначное изменение знака Г с изменением знака возмушения амплитуды напряжения в резонаторе д0р. В заключение заметим, что в качестве нелинейной нагрузки, в зависимости от уровня мошности, на котором осуществляется нелинейная обратная связь, может быть использован широкий класс, нелинейных актив- 15 ных.элементов, работаюших на заданной частоте, а именно нелинейные резисторы, полупроводниковые элементы, электронные лампы - как в композиции с линейными резисторами, так и отдельно. Для повышения 2р эффективности работы на нелинейный элемент может быть подано постоянное смешение. Связь нелинейных нагрузок с плечами Т-моста должна осуществляться через филь в 25 руюшие устройства, настроенные на рабо чую частоту, например, через резонатор, в зазор которого включен нелинейный элемент. Четырехполюсник состоит из Т-моста 3 и двух одинаковых нелинейных нагрузок 4; Т-мост выполнен в виде квадрата из отрееков линий передачи длиной Л(4, волно вые сопротивления подводящих линий и сторон квадрата (1) - (ф2) и (3) — (4) равны Р, а сторон (1) (4) ° (2) (3) р щ ны p/ Ã2. В плечо (1) подается из резонатора ускорителя напряжение с комплексной амплитудой U„= UIW, которое поровну, делится между плечами (3) и (4)» и падаюшие 4О на входы одинаковых нелинейных нагрузок волны напряжения {, О и) составляют: (>1) определяется коэффициентом отражения нелинейных нагрузок { ( Входное сопротивление резонатора, нагруженного нелинейным элементом, приведен-, ное к линии связи { „ * Я „ 111 „ где ткач -коэффициент трансформации связи ! й„=a ({! ia 1м ! (>)! -шунтовое сопротивление ненагруженного резонатора P К;„(О„) - сопротивление нелинейного элемента по первой гармонике импульса тока через нелинейный элемент. В согласованном P e,êoãäà Г(40 !=Огв»=."вх Р илиЗв» =" P .В» ввх хо 1 при этом 3, = . Коэффициент отраже, >ярo ния мОжнО Вы разить KBE . I вх в» И) R +М в» а где Rs 1ч„р - Я (пр Я . + > исходной рабочей точке, когда 0ð Орм И Ь U О Используя эквивалентную схему с генератором 1 э.д с. (O), внутренним сопротивлением которого является (приведенное к зажимам нелинейного элемента волновое сопротивление линии связи У. =ъ р кома Я плексную амплитуду ВЧ-напряжения на нелинейном элементе можно записать G.R, {0 ) (5) а и p+R 0 ) э.д.с. U можно определить из режима холостого хода (когда нелинейный элемент не проводит) через падаюшую волну напряжения (U„) на входных зажимах резонатора,Р Опуская величину набега фазы, с учетом формулы (3) можно записать Н = .- Z Ä uÄ= фП 11„{11.U„.В согласованноь4 режиме, 0 0 Ъ 0 1-(I (21ч 0 (6) Иэ выражений (5), (6) следует что изме нения модуля э.д.с. 0, с)бусловленные воз мушениями напряжения в резонаторе,, долж ны. вызывать изменения модуля U О и К, { Ud). Для достаточно эффективного использования ВЧ-мощности, отбираемой из резона 533163 11 тора ускорителя на обратную связь, например, для получения к.п.д. нелинейного четырехполюсника не хуже 25-40% 1 нелинейная нагрузка должна обеспечивать коэффициент отражения Г 0,4-0,65 при . остаточном возмущении амплитуды I ВЧ-поля в резонаторе ускорителя (ь О Остаточное возмущение при замкнутой цепи обратной связи определяется допустимой статической ошибкой стабилизации и, исходя из требований к стабильности амплитуды ВЧ-поля в резонаторе ускорителя, лежит в пределах 1-2%. При указанном достаточно малом остаточном возмущении ВЧ-поля относительно номинального уровня 0 /; для обеспечения вышеуказанных;- ; значений вольт-ампер-. ная характеристика нелинейного элемента должна обеспечивать изменение R в 2,54,5 раза по отношению к величине а напряжение на.нелинейном элементе б должно также изменяться в 1,5-2 паза по отношению к величине напряжения 0 в о согласованном режиме. Очевидно, что величина изменения на единицу изменения напряжения в резонаторе ускорителя увеличивается, когда ход изменения напряжения на нелинейном элементе соответствует ходу изменения его сопротивления по первой гармонике импуль са тока, т.е. при увеличении 0С, растет и и наоборот, Поэтому для наших целей нелинейные элементы, имеющие вольчамперную характеристику с нарастающей крутизной (диоды, варисторы), малоэффективны. Большой эффективностью обладают нелинейные элементы, имеюшие вольтамперную характеристику с падающей крутизной (лампы, транзисторы), поскольку онк обеспечивают вышеуказанный ход изменения >, Но скорость изменения крутизны у извест ных приборов указанного типа недостаточна для обеспечения изменения В в вышеуказанных пределах эа счет малого изменения U gp, без дополнительного воздейст» вия на управляющий электрод. Поставленным требованиям могут удовлетворять нелинейные элементы, имеющие участок вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной (туьнельный диод, 1 термистор, диод Ганна и т.д./, у которых за счет внутренней положительной обратной связи эффект изменения с может быть усилен. При малых изменениях напряжения в резонаторе ускорителя требуемый эффект изменения может быть также получен и у нелинейных элементов типа управляв5 25 зю 55 ью мых ламп и транзисторов за счет введе» ния положительной обратной связи с выходного электрода на управляющий, т.е. обеспечением режима регенеративного усилителя. Требуемый эффект изменения R у этих элементов может быть также получен,-за счет дополнительного управления вольт-амперной характеристикой элемента с помощью управляющего сигнала, пропорционального изменению напряжения в резонаторе ускорителя, который может быть;,подан как со входа (1) Т-моста, так и непосредственно из резонатора ускорителя. В качестве конкретного примера, для упрощения анализа рассмотрим нелинейный четырехполюсник (см. фиг. 2) нелинейной нагрузкой которого является триод Т с; внешним дополнительным управлением по сеточному смешению маломощным сигналом иэ резонаropB ускорителя. К аноду триода Т приложено высокочастотное напряжение 0,1 определяемое выражениями (5), (6). При изменении анодного напряжения изменяется угол отсечки (9) импульса анодного тока, что приводит к изменению перьвой гармоники анодного тока J а значит и сопротивления триода по первой гармонике К . Указанный эффект значительно усиливается, если одновременно осуществлять изменение сеточного смещения внужном направлении в зависимости or изменения напряжения в резонаторе у корителя. дополнительное управление по сеточному смешению осушествляется сигналом 0 = / In 2 из резонатора ускорителя, который через блокировочную емкость С./ поступает на вход диода D,к которому одновременно. приложено запирающее смешение E через развязываюшее сопротивление Я . Запира юшее смешение выбрано из условия: Е, . Разностный сигнал (О -Е) ро ь орет. детектируется цепью Э вЂ” " С и образует отрицательное смешение (E,) на сетке триода, зависимое от изменения напряжения в резонаторе ускорителя. Работа осуществляется в области отрицательных смешений на сетке триода. На фиг. 3 показана кусочно-линейная аппроксимация .анодных ха рактеристик триода и временная диаграмма анодного напряжения. При изменении Е происходит изменение сдвига рабочей аподной характеристики Е о относительно начала координат, причем., сдвиг E = р / д,a изменение сдвига а Е =ьЕ /2, (7) где . 2 — проницаемость триода. При этом происходит изменение угла о отсечки в пределах от & -90 до & =0 тпснх 711171 1 533163 что ограничено и реде лами изменен ия н ип ря1 женин сдвига от Е;„Е до Е „сЕ „1п Пределы изменения напряжения сдвига, в свою очередь, ограничены пределами возможного изменения сеточного смешения от 6с?„; 0; (при Uc < Е ) до напряжения запиранияЕ (при Uc >Е). Изменение Rñð Сз будет пройсходить ото ?„„. (приЕс,„;„=О) согласно выражению (5) будет также происхо-/ дитьиэменение 0а впределах от0а,. до Ца а„4 U, причем в одном и том же направлениисиэменением Еа . При этом амплитуда импульса анодного тока будет примерно сохраняться на уровне заданной величины - 1?п . Используя метод кусочно-линейной аппроксимации, можно определи ь зависимость изменения Ворот соотношения E a 1 Оа . Амплитуда импульса анодного тока может быть представлена как 3 =50 «- Cos&7 (8) 1О Еа1 Ес Здесь С,os О ==- Г,„ /иа ()) 0 Ol 25 S=«/R; 5 - крутизна анодной характеристики; R„ - внутреннее сопротивление триода. Сопротивление, М определяется средней крутизной 5 по первой гармонике импульса анодного тока ) ср "/Sc 0а /3„=0 /*„ 3 „(«О) @ - SI ?I & Cos9 р, (1- соьэ) коэффициент пегчой гар 35 моники. Йспольэуя выражения (8) и (10), На фиг. 4 йриведена зависимость изменения. R от соотношения Fa/U, построенная на основании выражений (9), (11). Режиму согласования (Г=О) выходов Т-моста с входами нелинейных нагрузок, когда с =Я сп„ на фиг. 3, 4 соответствует точка E /U 1при этом принято, что R» "о ао Впредложении,,что Я,„»Ч на основасро нии выражения (4) для коэффицйента отра сР Исро жения можно записать Г= +> (12) ср + ср о Изменение величины коэффициента стра жения как функции относительного изменения амплитуды ВЧ-поля в резонаторе ускорителя ( Для этого установим связь Еа /" а= ((1р/ U!,,) в Явном вице, ДлЯ BTGI G пРецставим Е „ t Ua в виде суммы F„1U (точка, где Up=0» И Г =o ) и относительного изменения напряжения сдвига с Еа10 (когда 0 =б иГФо). С учетом выражения (5) для модуля U è выражения (7) можно записать 60 -о ".. 2-)) —. ., ср 4Ес о Напряжение, действуюшее в сеточной цепи триода, можно представить следуюшим образом; Е =U os e„-E; Е =0 Сов& -Е;0 =0 III; С С 1 ) С С « С Ро 2 0С= u /? (14) здесь: )" -угол отсечки импульса тока диода 3, который определяется соотноше-, нием внутреннего сопротивления диода (й; ) и сеточного сопротивления Я из условия - & -е Изменение сеточного смешения с учетом выражения (14) равно 4 ЕС= 40р / и . Сов 6; («5) Используя выражения (6), (15), и (13) получим: 1 4 Ор Г 11?12 СОЯ 8«) а а а, а, 1) О Я ?1 1?7 11, сро ср 1 (16) Если выбрать амплитуду сеточного напряжения 0 20а,то в выражении (16) от ношение Со " = 1 тог а 2 ? „ / и /0 1 4ОР Таким образом, если выбрать 0 =20 со ао! то согласно {17) отношение Fа 10,„изме няется в у%с /R +«)раз сильнее, чем 4U 10, ls что обеспечивает значительное изменение, а. значит и коэффициента отражения при малых значениях 4 О /Up . На фиг.5 приведена зависимость!1 /(„1/р /11р!!1 построенная на основании выражений (12) (17) и зависимости R =НЕ„!0)при R = 9R. и ! 2*0,0« . На фиг. 5 видйо, что предельное 1 ! значение Г„оа „=+0,63. Отрицательное значение Г„„ограничено полностью открытым состоянием триода T (когда .Ес =О, Ua= 10а?птп,Rc>=2RÄ. при Uc F ),аположительное значение Г,„о„ ограничено полностью закрь1тым состоянием триода Т (soma F<=FcgUa Одинаковые значения модулей (",„,„„) и (Г?„«„) обеспечиваются выбором шунтового сопротивления Я ненагруженного резона тора р . Согласно выражению (3) модуль коэффициента обратной связи1! = Г1?! . Согласно закону изменения Г на фиг. 5, модуль в зависимости от величины 0р10ро и=->меняется от нуля до максил«ального значения 1Ъ I=1 lII и далее остается посто?пал п ах янным, а фаза Ь изл«еняется скачком 533163 16 на 180 в зависимости от знака возмушеи ния О р (01 и далее остается постоянной. О Таким образом высокочастотная " .отри нательная обратная связь вводится противофазно возмущению ВЧ-поля относительно номйнального уровня U1 с нарастающей глубиной обпатной связи от " =0 (ппи U>= 0 ) до К =-хр при (Й О«- дЦ ). Зависи.мость относительного изменении модуля К от относительного изменения амплитуды 10 ВЧ поля показана на фиг, 6, Приведенная зависимость построена на основании эави1к ь1 r сим ости f f (IKGрй) ) из условия .Р 1кв „1 г при и = G Q 71 5 t, В зависимости от знака д0р)U модуль 15 К 5 изменяется несимметрично, что связано с асимметрией изменении модуля коэффициента отражения (Г) . Поэтому точность отработки возмущений с разными знаками будет несколько отличаться. Кроме 20 ТОГО, ИЗ-За УМЕНЬШЕНИЯ,(,1х jb) ПРИ УМЕНГ шенин возмущений ВЧ-поля, начиная с не»которых значений (в нашем случае со значения у ЬОр Ьр.10ой„ . 1) точность стабилизации уменьшается от/kp „„) до значений 5 ! Х ) . определяемого заданной остаточГ п1п > ной ошибкой стабилизации амплитуды д 0р.су. и связанной с ней остаточной ошибкой ста билизации фазы д М „. B рассматриваемом случае при дО „ IUp <+ г;,о; IÊð „1=(p g-:pj), g 30 Однако полученная скорость изменения tKPI в зависимости от д0р)Орсдостаточна для достижения необходимой точности стабилиозации по амплитуде (1+2%) и фазе< (2+3 ) 35 при невысоких значениях! K Р „1. Например, при расстройке резонатора ускорителя, когда обобшенная расстройка 1 =0,5, амплитуда ВЧ-поля уменьшается на 12%, а фаза изменяется на 29 то в 40 рассматриваемом примере, с учетом закона изменения (К P ), для получения выше-. указанной ошибки стабилизации по амплиту де и фазе достаточно иметь (K „Ь 10-20. Иля получения еше более высокой скорости изменения (К ) при нарастании д0 U как указывалось — выше, можно р ро использовать внутреннюю положительную обратную связь в нелинейном элементе (реъ 10 жим регенеративного усилителя) (см. фиг.2) Внешнее управление по сетке при этом не тре буе тся. Более высокую скорость изменения К I5 ) можно, по-видимому, также получить на вышеуказанных нелинейных элементах с отрицательной крутизной вольт -амперной характеристики. Как отмечалось, в рассматриваемой системе нелинейный четырехполюсник имеет добротность во много раэ меньшую, чем добротность резонатора .ускорителя и, как следует из рассмотрения конкретной схемы нелинейного четырехполюсника, зто легко обеспечивается выбором нагружен ной добротности резонатора 9,,т.е. режимом работы нелинейного элемента. При этом добротность нелинейного четырехполюсника может быть на несколько порядков меньше добротности резонатора ускорите» ля и коэффициент передачи цепи обратной связи в полосе частот резонатора ускорители можно считать частотно-независимым. Поэтому структурная схема предлагаемой системы включает в себя одно высокодобротное резонансное звено-резонатор ускорителя. В данной системе состояние покоя считается 0 „=41 „,когда поле в резонаторе рав но номинальному 1-1р . Здесь коэффициент передачи линейной модели усилителя можно представить как di(u „1 К = lu O о gu вх вхо вх, а коэффициент передачи цепи обратной связи au„ "lu "р и осуществлять анализ устойчивости переходом к малым колебаниям относительно состояния покоя U вх = 1 вхО илн U 0 „. Используя также критерий Найквиста, можно составить структурную схему системы для возмущений ВЧ-поля в резонаторе ускорителя, которая приведена на фиг, 7, Схема составлена с учетом запаздывания в кольце обратной связи и нагрузки резонатора пучком. Здесь K (j®)- усилительное звено с коэффициентом передачи по току на основе генератора тока 3„ (j uu)-звено нелинейного четырехполюсни тпсхх ка с максимальным коэффициентом переда« чи; 0 " д - звенья запаздывания в це» ) пях усилителя и обратной связи; 2, ()и ) звено резонатора ускорителя; Р 3 „„ - генератор тока пучка. Комплексная передаточная функция сис темы для возмушений ВЧ-поля относител но" номинального уровня поля 0 р при замкнутой обратной связи имеет вид: (3 ь) дИ K ос ьО Р В Рдо о зг (О„,I> > u, I«I I Ьг 17 533163 где К (j После простых преобразований получим: к(и ) (18) k à(jul(U>=U> +aUg„-1, (щ) к(р) max Разделяя модуль и оргумент, окончатель1 но имеем; -q(V„+ вт„) l(Ä(i®) (;-О о+лЦ =К(,)г -1(Ч + Р +à(T +Т ) 1-N(cu)p „() " " Р К В Здесь - фаза усилителя и че.гйI< ) рехполюсника обратной связи с учетом электрических длин линий связи; T Т - время запаздывания в тракте К тусилителя и цепи обратной связи, Согласно выражению (18) для устойчивой работы необходимо выполнить на всех частотах, хотя бы одно из следующих усло вий (+ф +En (T +> )f 2.?3+ к (19) К(св)р „(св) а1 УслоЪия устойчивости (19) для предла гаемой системы аналогичны условиям устойчивости для известной системы. Поз» тому предельное значение глубины, обратной связи (к pjll<, в предлагаемом системе как и в известной определяется соотношением: 1 С (К )„„= (200) Рд= а „Е Здесь Я р - добротность резонатора ускорителя; ., - коэффициент шунтирования резонатора выходной цепью оконечного каскада усилителя, 8 . - суммарная добротность нагруженных контуров предварительного усилителя и цепи обратной связи; У - суммарный сдви1 фазы в линиях и связи усилителя и цепи обратной связи. Таким образом для обеспечения устойчивой работы в предлагаемой системе мак симальное значение глубины обратной связи не должно превышать предельного эна10 чения, определяемого. как и для известной системы выражением (20), т.е. К,„ „ Кф, „ Формула изобретения Система стабилизации высокочастотного поля в резонаторе линейного ускорителя заряженных частиц, содержащая задающий генератор, выход которого подключен к 20 одному из входов моста сложения, второй вход которого через фазоврашатель и цепь обратной связи соединен с резонатором ус корителя, а один из выходов соединен с согласованной нагрузкой, усилитель, вход,ко25 I торого соединен со вторым выходом моста сложения, а выход - с резонатором ускорителя, о т л и ч а ю ш а я с я тем, что, с целью повышения эффективности системы 30 стабилизации, в цепь обратной связи, между резонатором ускорителя и мостом сложения, включен нелинейный четырехполюсник, выполненный, например, в виде Т-моста, в два развязанных плеча которого включены одинаковые нелинейные нагрузки. Источники информации, принятые во вн1 -. мание при экспертизе: 1. Мурин Б. И. Стабилизация и рег) лирование ВЧ-полей в линейных ускорителях ионов. М., Атомиздат 1971, с. 234243, 2. Мищенко А. В., Использование отрицательной обратной связи для стабилизации ВЧ-ускоряющих полей,llT 8266-138 М РТЧ АН СССР, 1966, 15 12 У б,У D 8 b Я 12 Риг. b Риг. 1 ПИ Заказ 1 72 2/ l 62 Тираж ) god Подписное Филиал ППП Патент r . Ужг ор од, ул. Пр оектна я, 4
