Высокочастный тракт дефлектора для лазера… Р.О. БОЛГОВ, М.Н. КУЗЬМИН, К.И. НИКОЛЬСКИЙ, А.Ю. СМИРНОВ, Н.П. СОБЕНИН, А.А. ЗАВАДЦЕВ 1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 1 ООО “НАНОИНВЕСТ” ВЫСОКОЧАСТНЫЙ ТРАКТ ДЕФЛЕКТОРА ДЛЯ ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ (X-FEL, DESY) Для высокочастотного тракта дефлекторов международного проекта X-FEL выбраны и рассчитаны основные СВЧ-узлы, включающие волноводные мосты, регулируемые аттенюаторы, поглощающие нагрузки. В МИФИ на кафедре «Электрофизические установки» при участии сотрудников ИЯИ РАН и ООО «НАНОИНВЕСТ» в рамках международного проекта лазера на свободных электронах, создаваемого в DESY (Германия), при активном участии РФ были разработаны отдельные узлы высокочастотного тракта для трех дефлекторов [1]. Дефлекторы предназначены для измерения длины и фазового пространства ускоренных электронов при энергиях 150, 500 и 2000 МэВ. СВЧмощность в дефлекторы поступает от трех источников с импульсной мощностью до 20 МВт на частоте 3 ГГц. К числу таких узлов относятся волноводные мосты, регулируемые аттенюаторы, поглощающие нагрузки. Выбору конструкций этих узлов и их расчету посвящена настоящая работа. Поглощающая нагрузка. При разработке поглощающей согласованной нагрузки на высокий уровень рассеиваемой СВЧ-мощности в качестве поглощающего материала использовался альсифер с толщиной 0,3 мм и проводимостью 1,667 ∙ 106 См/м. Значение магнитной проницаемости было неизвестным. Для определения магнитной проницаемости альсифера проводились расчеты и измерения с использованием цилиндрического резонатора с волной типа Е010. Внутри резонатора на фторопластовой прокладке крепился медный диск, покрытый с двух сторон альсифером (рис. 1). Рис. 1. Вид модели для расчета магнитной проницаемости альсифера Метод заключался в том, чтобы при изменении величины магнитной проницаемости совпали рассчитанные и экспериментально определенные добротности. Рассчитанная и измеренная добротности совпали и оказались 210 при магнитной проницаемости 8100. На рис. 2 представлены конструкции с одним и двумя клиньями на основе прямоугольного волновода с размерами 72,134 мм, где ступеньки и стенки волновода покрыты альсифером толщиной 0,3 мм. В процессе расчетов варьировались как указанные параметры, так и число ступенек (от 3 до 5), высота ступенек, их длина (от четверти до половины длины волны). В процессе расчетов добивались минимизации значения коэффициента отражения и величины напряженности электрического поля по длине нагрузки не значительно превышающей напряженность в регулярном волноводе. Высокочастный тракт дефлектора для лазера… а б Рис. 2. Поглощающие нагрузки с двумя (а) и одним (б) клиньями Параметры лучших вариантов следующие: коэффициент отражения в случае нагрузки с одним и двумя клиньями составил –47 и –52 дБ соответственно, и перенапряженность электрического поля, определяемая как отношение максимального ее значения в нагрузке к полю в волноводе, – 1,11 и 1,19. Длина нагрузок, состоящих из четырех ступенек, – 360 мм. Трехдецибельный направленный ответвитель. Направленный ответвитель устройство для ответвления части электромагнитной энергии из основного канала передачи во вспомогательный. Математически свойства направленных ответвителей описываются с помощью S-матриц (матриц рассеяния). На рис. 3 представлен общий вид модели трехдецибельного направленного ответвителя, а также обозначены основные размеры. При создании направленного ответвителя требуется настроить его так, чтобы мощности при рабочих частотах 3000 МГц, проходящие во 2-е и 3-е плечи, делились поровну, т.е. модули элементов матрицы рассеяния S21 = S31 = 0,707 (–3 дБ), а отражение в 1-е плечо (S11) было минимальным. Выбрана конструкция на базе прямоугольного волновода с поперечными размерами 72,134 мм и со связью по широкой стенке [2]. Для согласования использовали четвертьволновый трансформатор, размеры которого Ls, l1, hs рассчитывались с использованием трехмерных программ численного моделирования. В табл. 1 приведены подобранные размеры мостового соединения и модули коэффициентов матрицы рассеяния. Расчеты проводились с использованием тетраэдрической сетки. Число узлов сетки – 93 000 после 8-го прохода. Точность расчета элементов матрицы рассеяния – 0,0002. а б Рис. 3. Трехдецибельный направленный ответвитель: а – общий вид модели, б – размеры и их обозначение Таблица 1 Размеры и характеристики мостового соединения Размеры модели, мм S-параметры Ls = 59,0 hs = 6,6 L = 87,0 l1 = 6,655 Lc = 86,5 S11 = 0,0036 (–48,88 дБ) S21 = 0,7063 (–3,02 дБ) S31 = 0,7062 (–3,022 дБ) S41 = 0,0038 (–48,52 дБ) В процессе настройки мостового соединения были рассчитаны функции чувствительности модулей элементов матрицы рассеяния к основным размерам (табл. 2). Высокочастный тракт дефлектора для лазера… Таблица 2 Чувствительность S-параметров к размерам и частоте Параметр чувствительности Ls, 1/мм Lc, 1/мм L, 1/мм l1, 1/мм hs, 1/мм f,1/МГц S11 S21 S31 S41 –0,00105 0,00396 0,0038 0,003756 –0,01154 0,00036 0,0001 –0,0108 –0,00022 –0,02378 –0,0227 0,00018 –0,0001 0,0106 –0,00003 0,023556 0,0236 –0,0002 –0,00093 0,0037 0,00387 0,003022 –0,01257 0,00036 В качестве примера на рис.4 приведены зависимости модулей элементов матрицы рассеяния от ширины щели связи Lc. Зависимость этих параметров от частоты линейная и значение ее приведено в табл. 2. Рис. 4. Зависимости модулей элементов матрицы рассеяния от изменения размера Lc Регулируемый аттенюатор. Регулируемые аттенюаторы применяются для регулировки уровня больших уровней мощности, поступающих для питания дефлектора для лазера на свободных электронов. В случае инжекционной секции дефлектора X-FEL, создаваемого в первую очередь по проекту PITZ, необходимо использовать имеющийся в распоряжении клистрон на уровень мощности в несколько раз больше, чем требуется для нормальной работы этой секции. На рис. 5 и 6 изображен регулируемый аттенюатор, состоящий из трех трехдецибельных мостов, уголковых соединений и спаренных подвижных короткозамыкателей. Рис. 5. Общий вид модели регулируемого аттенюатора К портам 3 и 4 подключены согласованные нагрузки. На рис. 6 указаны выбранные размеры устройства. Для случая перемещения короткозамыкателей на четверть длины волны в волноводе (длина волны в волноводе на частоте 3000 МГц составляет 138,62 мм) на рис. 7 приведены зависимости модулей коэффициентов матрицы рассеяния S11, S21, а также аргумента коэффициента S21 Высокочастный тракт дефлектора для лазера… от положения короткозамыкающих поршней H на длине 75 мм. Коэффициент передачи S21 менялся от 0 до 1, при этом коэффициент отражения не превышал 0,05. Абсолютная точность расчета Sпараметров для этой модели составила ΔS = 0,03. Рис. 6. Размеры регулируемого аттенюатора и их обозначение а б в Рис.7. Зависимости модулей коэффициентов матрицы рассеяния S11 (а), S21 (б) и аргумента коэффициента S21 (в) от положения короткозамыкающих поршней H на частоте 3000 МГц Заключение. Характеристики разработанных узлов соответствуют поставленным требованиям. Они находятся в стадии рабочего проектирования и будут изготовлены для проекта X-FEL. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Анисимов А.А., Каминский В.И, Лалаян М.В. и др. // Научная сессия МИФИ-2009: Сборник научных трудов. Т.1: Ядерная физика и энергетика. Нанофизика и нанотехнологии. Фундаментальные проблемы науки. Информационная безопасность. М.: НИЯУ МИФИ, 2009. С. 46. 2. Собенин Н.П., Милованов О.С. Техника сверхвысоких частот. М.: Энергоатомиздат, 2007.