Сверхпроводящий резонансный свч компрессор

Сверхпроводящий резонансный СВЧ компрессор относится к области радиотехники и может быть использован для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности. СВЧ компрессор содержит элемент ввода энергии, сверхпроводящий накопительный резонатор (1), который находится при криогенных температурах и устройство вывода энергии в виде расположенного при комнатной температуре интерференционного СВЧ переключателя. СВЧ переключатель выполнен в виде двух последовательно соединенных Н-тройников (3, 4) и имеет накопительный объем (2, 3, 4), с одной стороны ограниченный окном связи с резонатором (1), а с другой стороны боковым плечом второго тройника, связанного с выходом. Величина h коэффициента передачи окна связи, электрическая длина L ₁ переключателя от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча первого тройника и длина L₂ от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча второго тройника определяются следующими зависимостями h2>4, n>L1>(2n-1)/2, L2=(n+2), где , - постоянные затухания волн в резонаторе и накопительном объеме переключателя при их двойном пробеге в режиме передачи энергии из резонатора в накопительный объем переключателя, n - целое число, определяемое рабочей частотой компрессора, размерами резонатора и криостата и требованием расположения тройников переключателя за пределами криостата, но предельно близко к его крышке. Технический результат заключается в увеличении усиления и мощности выходных импульсов компрессора за счет накопления энергии в высокодобротном сверхпроводящем резонаторе, который при накоплении слабо связан с нормально проводящим переключателем, находящимся при комнатной температуре. 1 илл.

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для формирования мощных СВЧ импульсов наносекундной длительности.

Известен ряд оригинальных конструкций сверхпроводящих резонансных СВЧ компрессоров, работающих на основе накопления и быстрого вывода СВЧ энергии в резонансном объеме [А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 112]. Наиболее распространенными среди них являются компрессоры, накопительный объем которых выполнен в виде сверхпроводящего цилиндрического или сферического резонатора, а устройство вывода представляет собой интерференционный переключатель, организованный на основе Т-образного волноводного H- или E-тройника [см., например, 1. D. Birx, G.J. Dick, W.A. Little, J.I. Mercereau and D.G. Scalapino. Microwave power gain utilizing superconducting resonant energy storage. Appl. Phys. Lett. 32, 1, p. 68-70, 1 January 1978; 2. D. Birx, G.J. Dick, W.A. Little, J.I. Mercereau and D.G. Scalapino. Pulsed frequency modulation of superconducting resonantors. Appl. Phys. Lett. 33, 5, p. 68-70, 1 September, p. 466-468, 1978; 3. R.A. Alvarez, D. Birx, D. Byrne, M. Mendones and R.M. Johnson. Generation of high-power microwave pulses using a spherical superconducting cavity interference-type switch. IEEE Transaction on Magnetics. V. MAG - 17, 1, January, 1981, p. 935-938; 4. B.A. Августинович, Л.Я. Августинович, Ю.Г. Юшков. Вывод СВЧ энергии из сверхпроводящего цилиндрического резонатора через Е-тройник. ЖТФ, 1987, т. 57, 6, с. 1137-1138]. Одно из прямых плеч такого переключателя подсоединяется к накопительному резонатору и, в общем случае, имеет произвольную электрическую длину. Второе прямое либо боковое плечо выполняется полуволновым (в H-тройнике) или четвертьволновым (в E-тройнике) и ограничивается короткозамыкателем. В этом плече на расстоянии _в/4 от короткозамыкателя, где _в - длина волны в волноводе, размещается СВЧ коммутатор. Свободное плечо связывается с нагрузкой и через него осуществляется вывод энергии. Достигнутое усиление таких компрессоров составляет ~20-40дБ, а мощность выходных импульсов ~1-10 ⁵ Вт. Относительно невысокое, для компрессоров со сверхпроводящими накопительными резонаторами, усиление обусловлено либо относительно невысокой добротностью использованных накопительных резонаторов либо слабой связью резонаторов с переключателем. Низкий уровень мощности выходных импульсов связан с низкой электрической прочностью изолирующей среды переключателя, в качестве которой используется газообразный гелий.

Известен также сверхпроводящий СВЧ компрессор с выводом энергии через петлю связи, формируемую в полости резонатора плазмой разряда в газоразрядной трубке [О. Kobayashi, К. Minami, К. Saeki and . Awano. Extraction of microwave pulses from a superconducting cavity by gas discharge switch. J. Appl. Phys. 57 (1), 1 January, 1986]. Такой компрессор обеспечил усиление и мощность выходных импульсов, сопоставимые с усилением и мощностью, полученной при выводе энергии через сверхпроводящий интерференционный переключатель.

Практически аналогичные данные по усилению и мощности выходных импульсов зафиксированы и в сверхпроводящей системе с выводом энергии трансформацией вида колебаний [С.Н. Артеменко, А.Н. Диденко, В.Л. Каминский, Ю.Г. Юшков. Вывод СВЧ энергии из сверхпроводящего резонатора. ЖТФ, 1983, т. 53, 9, с. 1885-1887]. Максимальное усиление составило 30 дБ. Также как и в других сверхпроводящих СВЧ компрессорах, использование в таком компрессоре канала разряда в газообразном гелии в качестве элемента межвидовой связи ограничивает мощность его выходных импульсов, которая не превышает сотни ватт.

Таким образом, практически во всех известных сверхпроводящих СВЧ компрессорах получены результаты, по усилению значительно превышающие типичные результаты для обычных систем компрессии с нормально проводящими резонаторами, но заметно уступающие ожидаемым результатам для сверхпроводящих компрессоров, а по мощности - результаты несравнимо низкие. Основная причина невысокой мощности выходных импульсов во всех известных сверхпроводящих СВЧ компрессорах - низкая электрическая прочность газообразного гелия, используемого в качестве изолирующей среды коммутирующих устройств таких компрессоров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому компрессору, и потому взятым за прототип, является сверхпроводящий резонансный СВЧ компрессор, исследованный в работе D. Birx, G.J. Dick, W.A. Little, J.I. Mercereau and D.G. Scalapino «Microwave power gain utilizing superconducting resonant energy storage. Appl. Phys. Lett. 32, 1, p. 68-70, 1 January 1978». В этом компрессоре энергия из сверхпроводящего резонатора выводится через интерференционный СВЧ переключатель на основе Н-тройника, выполненного из обычного проводника и расположенного за пределами криостата при комнатной температуре. Такое исполнение переключателя позволяет перенести процесс переключения компрессора в режим вывода энергии из области криогенных температур в область температур комнатных, для которых разработаны СВЧ коммутаторы с уровнем рабочей мощности на два-три порядка превышающим уровень мощности криогенных коммутаторов. Вместе с тем, при таком исполнении компрессора сильная связь нормально проводящего переключателя со сверхпроводящим накопительным резонатором на порядки понижает собственную добротность сверхпроводящего резонатора и, соответственно, коэффициент усиления сверхпроводящего компрессора. К тому же, усиление такого компрессора занижено и в силу того, что в компрессоре-прототипе в режиме вывода обеспечивается сильная, но не полная (т.е. с коэффициентом передачи меньше единицы) связь накопительного резонатора с нагрузкой. Поэтому вывод энергии в компрессоре-прототипе за время двойного пробега волны вдоль резонатора невозможен и, следовательно, невозможно достижение максимального усиления, равного усилению накопительного резонатора. По этой же причине невозможно получение максимальной мощности, равной мощности бегущей волны накопительного резонатора.

Задачей полезной модели является создание сверхпроводящего СВЧ компрессора, обеспечивающего повышение усиления и рабочей мощности компрессора.

Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления и мощности выходных импульсов компрессора за счет накопления энергии в высокодобротном сверхпроводящем резонаторе, который при накоплении слабо связан с нормально проводящим переключателем, находящимся при комнатной температуре. Результат также достигается за счет сильной связи между резонатором и накопительным объемом переключателя и резонансной передачи энергии из резонатора в этот объем в колебательном режиме, а также за счет вывода энергии из этого объема в нагрузку за время двойного пробега рабочей волны вдоль объема.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом СВЧ компрессоре, содержащем, как и прототип, элемент ввода энергии, сверхпроводящий накопительный резонатор, который находится при криогенных температурах и устройство вывода энергии в виде расположенного при комнатной температуре интерференционного СВЧ переключателя из нормально проводящего проводника, в отличие от прототипа, переключатель выполнен в виде двух последовательно соединенных Н-тройников и имеет накопительный объем, с одной стороны ограниченный окном связи с резонатором, а с другой стороны боковым плечом второго тройника, связанного с выходом, при этом величина h коэффициента передачи окна связи, электрическая длина L₁ переключателя от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча первого тройника и длина L₂ от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча второго тройника определяются следующими зависимостями

h² >4,

n>L₁>(2n-1)/2,

L₂=(n+2),

где , - постоянные затухания волн в резонаторе и накопительном объеме переключателя при их двойном пробеге в режиме передачи энергии из резонатора в накопительный объем переключателя, n - целое число, определяемое рабочей частотой компрессора, размерами резонатора и криостата и требованием расположения тройников переключателя за пределами криостата, но предельно близко к его крышке.

Коэффициент передачи окна связи h переключателя с резонатором и электрическая длина L₁ входного плеча первого тройника выбирается такой величины, что в режиме накопления влияние переключателя на собственную добротность резонатора намного меньше, чем в прототипе. Коэффициент передачи h и электрическая длина L₂ переключателя от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча второго тройника выбирается такой, что после открывания первого тройника в переключателе организуется резонансный накопительный объем. И этот объем сильно связан со сверхпроводящим резонатором, в силу чего передача энергии из резонатора в объем идет резонансным образом в колебательном режиме, а вывод из объема в нагрузку осуществляется за время двойного пробега волны вдоль объема при открывании второго тройника в момент полной передачи энергии из резонатора в объем. Таким образом, в отличие от прототипа, переключатель предлагаемого СВЧ компрессора содержит два тройника из нормального проводника, расположенные на определенном расстоянии от окна связи с резонатором и друг от друга, и переключатель имеет более слабую связь с резонатором по сравнению со связью в прототипе.

Физические требования на величину связи - это требование слабой связи сверхпроводящего резонатора с переключателем в режиме накопления энергии, при которой переключатель не оказывает существенное влияние на собственную добротность резонатора. В то же время, - это требование сильной связи при резонансной передаче энергии в накопительный объем переключателя, когда наблюдается колебательный процесс передачи энергии из резонатора в объем и обратно.

На Фиг. 1 приведена схема предлагаемого сверхпроводящего резонансного СВЧ компрессора. Компрессор представляет собой сверхпроводящий накопительный резонатор 1 с элементом ввода энергии со стороны Входа и окном связи с коэффициентом передачи h между резонатором 1 и устройством вывода энергии в виде интерференционного переключателя с накопительным объемом 2-3-4, двумя H-тройниками 3, 4 из обычного проводника с СВЧ коммутаторами 5, 6 в короткозамкнутых полуволновых боковых плечах. Электрическая длина переключателя от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча первого тройника равна L₁ и до плоскости симметрии бокового плеча второго тройника равна L₂. Свободное прямое плечо второго тройника является выходом компрессора.

Предлагаемый сверхпроводящий резонансный СВЧ компрессор работает следующим образом. В сверхпроводящем накопительном резонаторе 1 от внешнего источника через элемент ввода со стороны Входа накапливается СВЧ энергия. Так как коэффициент передачи h окна связи резонатора 1 с накопительным объемом 2-3-4 переключателя выполнен соответствующим более слабой связи, чем в прототипе и так как электрическая длина переключателя L₁ выбрана отличной от длины полуволновой, то в режиме накопления энергии это обеспечивает резонатору 1 более высокую, чем в прототипе, добротность. Более высокая добротность обеспечивает резонатору более высокий коэффициент усиления и более значительный запас энергии. После завершения процесса накопления включается СВЧ коммутатор 5 первого тройника и этот тройник открывается. Так как электрическая длина L₂ выбрана полуволновой и второй тройник закрыт, то в компрессоре организуется система связанных резонаторов. При этом, так как связь между резонатором 1 и объемом выполнена соответствующей связи сильной, то в образовавшейся резонансной системе начинается периодический процесс передачи энергии из резонатора 1 в объем и обратно. Поскольку коммутаторы 5, 6 переключателя находятся при комнатной температуре, то в них можно использовать хорошо разработанные обычные коммутаторы, способные работать при высоком уровне мощности, например, плазменные газоразрядные СВЧ коммутаторы высокого давления. Время передачи энергии t определяется величиной коэффициента передачи h и временами T₁ и T₂ двойного пробега рабочей волны вдоль резонатора 1 и объема 2-3-4, соответственно. Это время равно t0,5(T₁T₂)^0,5/h и выбирается много меньше постоянной времени затухания колебаний в резонансной системе «сверхпроводящий накопительный резонатор 1 - накопительный объем 2-3-4 переключателя», не связанной с выходной нагрузкой компрессора. Энергия из накопительного объема 2-3-4 переключателя выводится в нагрузку на первой полуволне колебательного процесса в момент полной передачи энергии из резонатора 1 в объем 2-3-4. При этом время вывода равно времени двойного пробега волны вдоль объема и это время меньше времени вывода энергии в компрессоре-прототипе, что обеспечивает повышение коэффициента усиления компрессора и мощности выходных импульсов.

В качестве примера, демонстрирующего работоспособность принципа, лежащего в основе устройства предлагаемого СВЧ компрессора, рассмотрим результаты исследования макета такого компрессора, выполненного на основе высокодобротного медного накопительного резонатора 3-см диапазона длин волн с переключателем в виде двух последовательно соединенных T-образных H-тройников. Резонатор 1 макета был изготовлен из медной трубы диаметром 90 мм и длиной ~210 мм, он работал на частоте 9120 МГц на виде колебаний H₁₂₍₁₀₎ и имел собственную добротность Q₀7,8×10⁴ с величиной постоянной времени затухания колебаний около 1,35 мкс. Переключатель был выполнен из медных круглых волноводов диаметром 26 мм, он соосно подсоединялся к выходной торцовой стенке резонатора и связывался с резонатором через окно связи диаметром 9 мм. Входное прямое плечо первого тройника переключателя совместно с тройниками играло роль накопительного объема переключателя. Электрическая длина плеча составляла величину, немного менее 7 радиан. Выходное прямое плечо первого тройника и входное прямое плечо второго тройника были объединены и имели общую электрическую длину, равную немногим более 2 радиан. Таким образом, общая электрическая длина переключателя была полуволновой, т.е. длиной резонансной, и составляла 9 радиан. Боковые плечи тройников представляли собой отрезки круглого волновода, плавно переходящие в коммутирующую секцию волновода прямоугольного сечения. В этой секции располагался СВЧ коммутатор в виде отверстия в широкой стенке прямоугольной части секции на расстоянии 11 мм от ее короткозамыкателя. Отверстие использовалось для подсветки разрядного промежутка искрой электрического разряда и способствовало провоцированию СВЧ разряда в требуемом месте.

Собственная добротность резонансной системы переключателя достигала 1,8×10⁴ с величиной постоянной затухания колебаний около 220 нс. Подсоединение такого переключателя с закрытым первым тройником к резонатору практически не оказывало влияние на собственную добротность резонатора. При длительности входного СВЧ импульса компрессора ~1 мкс расчетный коэффициент усиления накопительного резонатора равнялся ~25 дБ. Расчетный коэффициент усиления накопительного объема переключателя при передаче энергии из резонатора составлял 23 дБ. Понижение усиления обусловлено полутора кратным превышением времени T₂ двойного пробега волны вдоль объема переключателя над временем T₁ пробега волны вдоль резонатора.

Экспериментально было получено максимальное усиление 15 дБ для первой ступени при длительности выходных СВЧ импульсов около 9 не и 19 дБ для двух ступеней при длительности выходных импульсов близкой к 2,5 нс. Время передачи энергии из резонатора в объем составляло - 120 нс. Коммутация осуществлялась в смеси воздуха с аргоном, получаемой подачей аргона в объем переключателя под небольшим избыточным давлением (~0,1 бар). В качестве источника входных импульсов компрессора использовался магнетрон с импульсной мощностью 50 кВт. Поэтому мощность выходных импульсов компрессора достигала 4 МВт.

Заметное отличие экспериментальных результатов от расчетных обусловлено потерями в плазме СВЧ коммутаторов, которые зависят от напряженности СВЧ поля, состава и давления газовой среды в разрядном промежутке СВЧ коммутатора. Особенно существенно влияние потерь в коммутаторе первого тройника. Это связано с тем, что потери в коммутаторе этого тройника имеют место не только при выводе энергии, но и при более длительном процессе - процессе передачи энергии из резонатора в объем переключателя. Потери при передаче в значительной мере определяются положением бокового плеча первого тройника относительно положения пучности стоячей волны в объеме переключателя, т.е. определяются электрической длиной L₁. При расположении этого плеча в пучности стоячей волны усиление компрессора минимально из-за сильной связи волны с этим плечом и значительных потерь в плазме коммутирующего СВЧ разряда. Такому положению соответствует четвертьволновая длина L₁ переключателя до бокового плеча первого тройника. Максимальному усилению соответствует длина L₁, близкая к длине полуволновой, но отличная от длины полуволновой, при которой в режиме накопления начинает сказываться влияние переключателя на добротность резонатора. Поэтому устройство требует оптимизации, сводящейся к обеспечению максимальной добротности объема переключателя в режиме накопления, выбору оптимальной связи резонатора с переключателем (минимальной, но обеспечивающей колебательный режим передачи) и выбору положения первого тройника в переключателе, при котором слабо влияние переключателя в режиме накопления и коммутатора первого тройника в режиме передачи.

Таким образом, проведенные эксперименты подтвердили работоспособность принципа, заложенного в основу предлагаемого сверхпроводящего резонансного СВЧ компрессора с повышенным усилением и повышенной мощностью выходных СВЧ импульсов, и определили основные условия, выполнение которых необходимо для реализации такого СВЧ компрессора.

Сверхпроводящий резонансный СВЧ компрессор, содержащий элемент ввода энергии, сверхпроводящий накопительный резонатор, который находится при криогенных температурах, и устройство вывода энергии в виде расположенного при комнатной температуре интерференционного СВЧ переключателя из нормально проводящего проводника, отличающийся тем, что переключатель выполнен в виде двух последовательно соединенных Н-тройников и имеет накопительный объем, с одной стороны ограниченный окном связи с резонатором, а с другой стороны - боковым плечом второго тройника, связанного с выходом, при этом величина h коэффициента передачи окна связи, электрическая длина L₁ переключателя от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча первого тройника и длина L₂ от окна связи до плоскости симметрии бокового плеча второго тройника определяются следующими зависимостями

где , - постоянные затухания волн в резонаторе и накопительном объеме переключателя при их двойном пробеге в режиме передачи энергии из резонатора в накопительный объем переключателя, n - целое число, определяемое рабочей частотой компрессора, размерами резонатора и криостата и требованием расположения тройников переключателя за пределами криостата, но предельно близко к его крышке.