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1、第25卷第6期高能物理与核物理Vol.25,No.62001年6月HIGHENERGYPHYSICSANDNUCLEARPHYSICSJune,2001大功率速调管自激振荡实验研究王言山李大治张少平李永贵(中国科学院高能物理研究所北京100080)摘要利用北京自由电子激光装置中的微波系统,进行了大功率速调管自激振荡的实验研究.通过调节速调管在振荡模式工作时的反馈回路参数,对速调管自激振荡输出功率、频率和频率稳定性、建立时间等性能进行了测量,实验结果说明大功率速调管振荡工作模式可以满足作为电子直线加速器微波功率源的要求.关键
2、词速调管自激振荡电子直线加速器微波1引言[1]速调管自30年代发明以来,由于它具有提高功率的极大潜力和高增益等优点.在[2]电子直线加速器和储存环中得到广泛应用.在储存环中,大多数的连续波速调管工作在UHF波段,功率可以达到1MW以上,效率达到70%.在S波段电子直线加速器中,速[14]调管的功率输出从几个兆瓦到200MW以上,加速电子从5MeV正朝着1TeV迈进.对需要高平均功率的工业加速器而言,可延长宏脉冲宽度和提高重复频率来满足使用的要求.本文拟开拓长脉冲大功率速调管在工业加速器的应用.大功率速调管一般工作于它激模式,本文对一个
3、4MW速调管进行了自激振荡模式[5,6]的实验研究,从而使某些应用的单节电子直线加速器可以省去晶体振荡信号源和放大器系列.实验结果说明,这种工作模式可以用于工业加速器系统,以降低成本,简化结构.2工作原理从电子线路理论中,我们知道,在自激振荡的过程中,经过放大后的信号经耦合作为输入信号.这样,可以用下列公式来表示:nPout=A(A1A2An)Pnoise,(1)这里A1,A2,An分别为速调管从小信号到大信号到饱和的放大倍数,A1!A2!!2000-05-10收稿571576572高能物理与核物理(HEP&NP)第2
4、5卷An,n为从白噪声到饱和功率所需的放大次数,A为速调管饱和的放大倍数,为耦合系[7]数,Pnoise是速调管白噪声功率,Pout为饱和输出功率,公式(1)满足饱和振荡条件:A!1,(2)微波技术同低频电子线路不同的是,速调管的渡越时间、波导传输时间和同轴元件传输时间是微波波长的数倍,因此必须考虑相位同步.只有在合适的相位上才能产生出所需的[7]自激信号:fkT+f(w+c)=N.(3)这里N为整数、f为速调管的自激振荡频率.kT为速调管的渡越时间和延迟时间,w为信号在波导中的传输时间,c为信号在同轴元件中传输的时间.由于速调管
5、工作在脉冲条件下,所以每个脉冲都有一个建立时间,速调管饱和功率建立后在一个脉冲内输出平整的波形.这里=n(kT+w+c).(4)3实验原理图1为速调管供电的是高压脉冲调制器,它的输出电压为0130kV可调.速调管输出的微波信号首先通过耦和度为23dB的定向耦合器1,再与波导谐振腔、移相器、衰减器一起构成反馈回路.监测信号从耦合度为50dB的定向耦合器2引出,通过分功率器,一路经检波器到示波器来观测振幅;另一路通过鉴相器后到示波器,以便观测频率,实验参数见表1.北京自由电子激光微波功率系统的信号源是晶振经过倍频锁相后的微波功率源,具有
6、单一频率,稳定性为3∀-810/h,低相位噪声等特点,可以为鉴相器图1速调管自激振荡实验原理图提供标准信号。如果去掉反馈回路,并使用微波放大器,就可以做速调管它激实验,以便我们进行比较.表1实验中有关器件的主要参数移相器移相范围:0#360#;1.1dB衰减波导谐振腔1中心频率:2856MHz;QL=1500,Q0=13500;1.5dB衰减波导谐振腔2中心频率:2856MHz;QL=3400,Q0=13500;6.8dB衰减信号源频率:2856MHz定向耦合器1耦合度23dB定向耦合器2耦合度50dB衰减器7.7dB衰减导线7dB衰减调制
7、器0130kV,稳定性:0.1%速调管增益:41.5dB第6期王言山等:大功率速调管自激振荡实验研究5734实验结果与讨论4.1速调管输出功率[5,6,8]在自由电子激光的微波系统中,我们采用相幅检测的直接手段.这里我们可以将速调管自激输出功率电平与它激输出功率电平进行直接比较.通过实验,我们发现这两种方法得到的输出电平完全一致,这表明速调管自激与它激工作模式输出功率的大小和纹波是相同的.其功率输出波型和频率测量波型如图2(a)所示.这时,A=415dB,=-403dB,满足公式(2)的自激振荡条件.P测量功率稳定性
8、:=1%,与速调管P[6]工作在放大状态一致.4.2频率、频率稳定性我们采用差频方法直接测量频率的稳[9]定性,由于北京自由电子激光的
