Усиление и генерация микроволн релятивистскими электронными пучками в секционированных системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Усиление и генерация микроволн релятивистскими электронными пучками в секционированных системах

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Последние десятилетия 20-го века ознаменовались появлением и стремительным развитием нового направления исследований в физике микроволн - высокочастотной релятивистской электроники. Предметом этого раздела физической электроники является изучение возможностей преобразования энергии ускоренных до релятивистских скоростей электронных потоков большой интенсивности в мощное когерентное электромагнитное излучение и применение этого излучения в различных отраслях науки и техники [1* - 6*]. Базой развития высокочастотной релятивистской электроники послужили, во-первых, разработка принципов и технологий эффективной временной компрессии энергии, обеспечившие генерацию мощных электрических импульсов наносекундной длительности [3*, 7*], и, во-вторых, открытие явления взрывной эмиссии электронов [8*]. Сильноточные ускорители, созданные на этой основе, позволили получить электронные потоки с исключительно высокой плотностью - порядка 10¹⁴ см^-3 и большой импульсной мощностью - свыше 10¹² Вт. Применение интенсивных релятивистских электронных пучков для генерации микроволнового излучения уже в первых экспериментах, проведенных в начале 70-х годов в СССР [9*] и в США [10*], позволило достичь рекордных уровней выходной мощности СВЧ генераторов. К настоящему времени с помощью релятивистских источников освоен практически весь микроволновый диапазон: для сантиметровых волн достигнут уровень импульсной мощности 10⁹-10¹⁰ Вт, для миллиметровых - 10⁸-10⁹ Вт.

Очевидно, что генерация и транспортировка микроволнового излучения столь высокой мощности потребовала разработки новых подходов и методов, во многом отличных от тех, которые применялись в традиционной электронике. Основная проблема, с которой сталкивается мощная электроника, - это обеспечение достаточной электропрочности электродинамических систем, используемых для канализации мощного микроволнового излучения, при одновременной совместимости этих систем с интенсивным электронным пучком. Важно отметить, что методы повышения электропрочности, основанные на специальных методах обработки поверхности электродинамических систем (дегазация, антидинатронные покрытия и др.), в сильноточной релятивистской электронике имеют весьма ограниченное применение. Это связано с интенсивным выделением адсорбированного газа и образованием плазмы, которые сопровождает взрывную эмиссию электронов и осаждение пучка частиц большой плотности на поверхности коллекторов [11*]. Относительно невысокая частота следования импульсов, характерная для сильноточных ускорителей делает малоэффективными технологии, основанные на «тренировке» рабочих поверхностей. В связи с этим предотвращение высокочастотного разряда, существенно влияющего на работу микроволнового источника, что обычно и понимается под электропрочностью, кардинально может быть достигнуто только в пространственно-развитых электродинамических системах. Увеличение площади поперечного сечения СВЧ генератора позволяет поднять величину осваиваемого электронного тока (при фиксированном напряжении), а тем самым и мощность прибора, при одновременном снижении вероятности пробоя электродинамической системы за счет снижения напряженности электрического поля на ее элементах. При этом применение электронного пучка с малой плотностью электронного тока замедляет десорбцию остаточных газов и образование плазмы в областях инжекции и осаждения электронов.

Вместе с тем, очевидно, что применение пространственно-развитых систем, принципиально обеспечивая высокую электропрочность, одновременно требует использования специальных методов, направленных на достижение когерентности излучения микроволнового источника. Это связано с тем, что простое увеличение сечения генератора ведет к росту числа колебаний, возбуждаемых электронным потоком. Возбуждение же нескольких независимых мод, имеющих разные частоты и отличающихся своей поперечной структурой, соответствует потере когерентности выходного излучения.

Результаты исследований по самоорганизации (самосинхронизации) динамических процессов в мощных электронных микроволновых приборах показывают, что на основе этих механизмов пока не удается создание источника СВЧ излучения с воспроизводимыми выходными характеристиками.

Наиболее перспективным и надежным приемом обеспечения когерентности излучения в мощных микроволновых приборах представляется селекция мод, то есть создание условий преобразования энергии пучка в излучение с заранее известной когерентной структурой, которая, вообще говоря, может и не совпадать с какой-либо из «холодных» мод электродинамической системы. По существу, разработка и реализация методов селекции мод определяли и определяют развитие всей высокочастотной электроники больших мощностей. Примерами могут служить применение высокоселективных систем типа «восходящее солнце» в магнетронах, комбинации дифракционной решетки с открытым резонатором в оротронах, электронной селекции мод в мощных гиротронах и др. Для релятивистской высокочастотной электроники, естественно, наряду с адаптацией известных приемов, потребовались и специальные методы селекции мод, учитывающие особенности механизмов взаимодействия релятивистских частиц с электромагнитным полем, а также специфику формирования и транспортировки интенсивных пучков.

Необходимость применения пространственно-развитых электродинамических систем возникает, естественно, при достаточно больших уровнях мощности электронного прибора. Так, в сантиметровом диапазоне длин волн серьезные ограничения в применении одномодовых (или близких к ним) систем наступают при выходной мощности генератора или усилителя порядка 10⁹ Вт. При этом высокочастотные электрические поля вблизи стенок волноведущей системы источника достигают величин, достаточных для начала взрывной эмиссии электронов [12*], сопровождающейся появлением плазмы. Такая плазма изменяет электродинамическую конфигурацию высокочастотного пространства взаимодействия, в результате чего источник СВЧ излучения прекращает свою работу [13*]. В то же время источники излучения с выходной мощностью 10⁹ и более ватт представляют значительный практический интерес для наносекундной радиолокации [14*, 15*] и других радиотехнических приложений, для разработки ускорителей элементарных частиц нового поколения [16*], для управления плазмохимическими процессами, в том числе и атмосферного характера [17*], для реализации нетеплового микроволнового воздействия на различные среды и объекты в технике [18*], биологии и медицине [19*, 20*]. В связи с этим проведение исследований, направленных на разработку надежных методов обеспечения когерентности излучения в микроволновых источниках гигаваттного уровня выходной мощности, представляется актуальной задачей как фундаментального, так и прикладного характера.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ, методики применения и экспериментальной реализации в релятивистских микроволновых приборах способа селекции мод, основанного на секционировании пространства взаимодействия. Данный метод [21*, 4] использует разбиение рабочего пространства СВЧ прибора на участки, связь которых друг с другом в сильной степени зависит от пространственной структуры высокочастотных полей в секциях. Очевидно, что согласованная работа прибора в целом будет реализована только при определенном наборе мод в отдельных секциях, причем спектральная плотность таких комбинаций уменьшается с ростом числа секций, то есть с увеличением числа локальных рабочих мод, что и обеспечивает принципиальную возможность построения селективного прибора с пространственно-развитой электродинамической системой.

В диссертационной работе разработка методов селекции мод была ориентирована преимущественно на приборы, основанные на черенковском механизме индуцированного излучения электронов. В этих системах прямолинейно движущиеся электроны взаимодействуют с волной, фазовая скорость которой близка к поступательной скорости частиц v_phv_e (условие черенковского синхронизма). Для пучков таких электронов удается совместить большую импульсную мощность, стабильность характеристик и простоту формирования, поэтому в тех диапазонах, где достаточно просто реализовать электродинамические системы, канализирующие медленные волны (например, в диапазоне сантиметровых волн), черенковские приборы представляются наиболее адекватными источниками мощных микроволн.

Цели и задачи исследования. При выполнении диссертационной работы ставились следующие цели:

· исследование физических процессов при взаимодействии релятивистских электронных потоков с высокочастотными электромагнитными полями в сверхразмерных электродинамических структурах;

· разработка методов селекции мод в источниках микроволнового излучения черенковского типа, основанных на комбинации механизмов взаимодействия электронов с высокочастотными электромагнитными полями;

· разработка принципов и схем построения секционированных микроволновых генераторов и усилителей, обеспечивающих получение когерентного микроволнового излучения большой мощности;

· создание и экспериментальная реализация макетов источников мощных микроволн с пространственно-развитыми электродинамическими системами на основе разработанных методов селекции мод.

Основные положения, выносимые на защиту:

Секционирование пространства взаимодействия в релятивистских микроволновых генераторах и усилителях черенковского типа со сверхразмерными электродинамическими системами позволяет реализовать условия получения когерентного выходного излучения одновременно с достижением высокой эффективности взаимодействия электронного потока и высокочастотных полей.

Особенности взаимодействия релятивистских магнитонаправляемых электронных пучков с высокочастотными полями при двойном - черенковском и циклотронном - резонансе могут быть использованы для селекции мод в пространственно - развитых электродинамических системах микроволновых генераторов и усилителей. Наряду с избирательным подавлением электронным пучком паразитного самовозбуждения таких систем управление возбуждением циклотронных волн дает возможность расширить диапазон допустимых величин фокусирующих магнитных полей для приборов черенковского типа.

В пространственно-развитых периодических электродинамических системах существенный характер приобретают квазисинхронное и несинхронное взаимодействие релятивистского электронного пучка с основной пространственной гармоникой высоких мод этих систем. Следствием таких взаимодействий являются: а) подавление выходной волны в брэгговских рефлекторах с электронным пучком в рабочем объеме - аналог комфнеровского подавления в ЛБВ; б) брэгговское рассеяние рабочей волны в релятивистской ЛОВ, приводящее к существенному изменению характеристик генератора; в) качественная перестройка дисперсионной характеристики рабочей волны в релятивистском оротроне, ведущая к подавлению в нем самовозбуждения низших продольных мод; г) ограничение мощности черенковских приборов вследствие изменения скорости электронов при пролете через потенциальный барьер, образуемый полем несинхронной волны.

В релятивистских СВЧ приборах с интенсивными электронными пучками существенную роль играют процессы, обусловленные собственным квазистатическим электрическим полем таких пучков. Динамический разброс энергии частиц в пучке меняет режим его транспортировки и ведет к отражению частиц от коллекторной области, сопровождающемуся разрушением стационарной микроволновой генерации. Применение схем с переменным в пространстве собственным полем электронного пучка реализует системы с доускорением частиц, в которых значительно увеличивается эффективность взаимодействия электронов с высокочастотным полем.

В секционированных СВЧ приборах возможен режим автозахвата, в котором модулированный электронный пучок возбуждает высокочастотное поле, захватывающее, в свою очередь, электронные сгустки. Применение данного режима позволяет совместить устойчивость и эффективность микроволновой генерации в секционированных приборах каскадного типа.

Экспериментальная реализация серии релятивистских ЛОВ со сверхразмерными электродинамическими системами, в том числе и с распределенным выводом микроволновой энергии, обеспечиваемым брэгговскими трансформаторами волн. В генераторах этого типа впервые применен метод циклотронно-резонансной селекции мод, обеспечивший когерентность входного излучения, а также позволивший применить в релятивистских ЛОВ слабозамагниченные электронные пучки.

Экспериментальная реализация серии секционированных микроволновых генераторов сантиметрового диапазона длин волн с гигаваттным уровнем выходной мощности на основе сверхразмерной релятивистской ЛБВ на медленных волнах, в том числе: резонансных ЛБВ с цепью обратной связи на селективных рефлекторах электродинамического и / или электронного типов; каскадных генераторов с нелинейным усилением сигнала субгенератора.

Экспериментальная реализация гигаваттного микроволнового усилителя секционированного типа на основе последовательного соединения предусилителя - модулятора на базе ЛОВ, канала дрейфа электронного пучка, совмещенного с вводом управляющего сигнала и секции ЛБВ, работавшей на медленной гибридной волне сверхразмерного гофрированного волновода.

Научная новизна работы:

1. Построена теория индуцированного черенковского излучения релятивистских электронов в пространственно-периодических системах, учитывающая ряд эффектов, обусловленных совместным действием нескольких пространственных гармоник высокочастотного поля, в том числе: а) возникновение в области локализации полей несинхронных гармоник потенциального барьера, изменяющего характер свободного движения частиц; б) циклотронно-резонансное взаимодействие магнитонаправляемых электронов с полями пространственных гармоник; в) квазисинхронное воздействие полей быстрых гармоник на релятивистские электроны в сверхразмерных электродинамических системах.

2. Разработан и впервые экспериментально реализован метод обеспечения когерентности выходного излучения в релятивистских микроволновых генераторах и усилителях с пространственно-развитыми электродинамическими системами, основанный на циклотронно-резонансном подавлении электронным пучком самовозбуждения паразитного волн - циклотронно-резонансная селекция мод.

3. Проведен теоретический анализ процессов индуцированного черенковского излучения в сверхразмерных секционированных системах, на основе которого развиты принципы построения секционированных генераторов и усилителей, сочетающих высокую селективность работы с высокой эффективностью преобразования энергии электронного пучка в энергию СВЧ излучения. Экспериментально реализована серия микроволновых генераторов секционированного типа сантиметрового диапазона длин волн, в которых получено импульсное когерентное СВЧ излучение гигаваттного уровня мощности. Впервые экспериментально реализован импульсный микроволновый усилитель секционированного типа с усилением входного сигнала около 50 дБ и выходной мощностью свыше 10⁹ Вт.

4. Предложены, исследованы и экспериментально реализованы методы перестройки несущей частоты импульсного излучения релятивистских СВЧ генераторов, основанные на: а) применении трансформаторов волн брэгговского типа с изменяемой полосой преобразования и б) изменении реактивных свойств электронного пучка вблизи зон циклотронно-резонансного взаимодействия в СВЧ генераторах с пространственно-периодическими электродинамическими системами.

5. Теоретически исследован ряд эффектов в релятивистских СВЧ генераторах, обусловленных собственными квазистатическими полями сильноточного электронного пучка, в том числе: а) новый механизм формирования автомодуляционного режима колебаний, основанный на возникновении виртуального катода в пучке с динамическим энергетическим разбросом частиц; б) увеличение эффективности передачи энергии частиц микроволновому излучению в системах с адиабатическим изменением собственного поля электронного пучка.

Практическая ценность результатов:

Цикл теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в работе, позволил определить основные принципы создания селективных микроволновых генераторов и усилителей с выходной мощностью свыше 10⁹ Вт и энергией в импульсе более 100 Дж.

Разработанные методы селекции мод использовались при создании мощных микроволновых генераторов и усилителей в Институте прикладной физики РАН, Московском радиотехническом институте РАН, Университете электронной науки и технологии Китая (г. Чэнду, КНР), Корнельском университете (США), Университете Нью-Мексико (США), компании Thomson-Short-Systemes (Франция).

СВЧ генераторы, созданные при выполнении работы, использовались в ИПФ РАН и МРТИ РАН для проведения исследований в различных областях физики плазмы и газового разряда. Представляется перспективным их применение для других физических приложений, в частности, в ускорителях элементарных частиц нового поколения и в радиотехнических системах. Разработанные методы селекции мод могут быть использованы при создании более мощных, а также более коротковолновых релятивистских генераторов и усилителей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, ИОФ РАН, факультета электроники Университета Нью-Мексико (США), Университета электронной науки и технологии Китая (КНР), Института электроники Китайской академии инженерной физики (КНР), отдела перспективных технологий компании Thomson-Short-Systemes (Франция).

По материалам диссертации сделаны доклады на 4-м (1984, Москва), 5-м (1987, Новосибирск), 6-м (1989, Свердловск) и 7-м (1991, Томск) Всесоюзных семинарах по высокочастотной релятивистской электронике; на 7-м (1986, Новосибирск) и 8-м (1988, Новосибирск) Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике; на 9-м Международном симпозиуме по сильноточной электронике (1992, Пермь-Москва); на 10-й (1990, Новосибирск), 13-й (1996, Прага), 14-й (1998, Тель-Авив) и 16-й (2002, Альбукерк) Международных конференциях по мощным пучкам частиц; на 9-м (1994, Бордо), 11-м (1998, Хайфа) и 12-м (2000, Эдинбург) Международных симпозиумах по электромагнитному окружению; 2-м (1993), 3-м (1996), 4-м (1999) и 5-м (2002, все - Нижний Новгород) Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме»; на 13-й Международной конференции по импульсной энергии (2002, Лас-Вегас); на 16-й Международной конференции по разряду и электрической изоляции в вакууме (1994, С. Петербург); на Международном совещании по мощным микроволнам (1997, Эдинбург); на Международном совещании НАТО по перспективным исследованиям (ARW NATO) «Квазиоптическое управление мощными микроволновыми потоками» (2004, Нижний Новгород).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации отражены в 46 публикациях, включая 14 статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах, 28 публикаций в трудах Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференций, 1 авторское свидетельство на изобретение, 3 статьи в сборниках научных трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 219 страницах и состоит из Введения, 4-х разделов, Заключения и списка литературы, включающего 180 наименований. Диссертация содержит 2 таблицы и 129 рисунков.

Содержание работы

микроволновый генератор усилитель когерентный

Во Введении представлена общая характеристика работы, сформулированы цели работы, ее научная новизна, научная и практическая значимость, а также кратко излагается содержание работы.

В разделе 1 рассмотрено современное состояние исследований и разработок источников мощного микроволнового излучения большой мощности на релятивистских электронных пучках и изложены основные принципы применения секционирования пространства взаимодействия для селекции мод в релятивистских микроволновых устройствах [3,4,8,11,13,26,31,35,43,46].

Секционирование рабочего пространства с целью достижения высокой эффективности взаимодействия применялось уже в первых микроволновых приборах, примером чего может служить двухрезонаторный клистрон, в котором два коротких зазора с высокочастотными полями, разделенных пространством дрейфа, обеспечивали электронный КПД, равный 58%. Однако, в рассматриваемом аспекте более важным оказывается то, что секционирование одновременно позволяет решать задачи селекции мод. Исторически первым такое использование секционированных приборов, по всей видимости, произошло при построении усилителя бегущей волны с локальным поглотителем (рис. 1а).

В этом приборе замедляющая система разделена участком со значительным поглощением электромагнитной волны. Так как нормальная волна, попутная электронному пучку, имеет существенную электронную компоненту, то подавление электромагнитной составляющей относительно слабо сказывается на распространении волны в целом. Встречная волна является полностью электромагнитной и поэтому ослабление для нее оказывается большим. В результате происходит селективное подавление канала паразитной обратной связи и, тем самым, обеспечивается режим чистого усиления. Принцип согласования секций прибора для работы на одной заранее выбранной собственной волне системы является кардинальным для достижения селективности устройства в целом.

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Рис. 1. Схема электродинамической системы ЛБВ с локальным поглотителем (а) и с разрывом связи в сверхразмерном волноводе (б)

Рассмотрим, как реализуется селективное взаимодействие в многомодовых системах на примере двухсекционного прибора черенковского типа с усилением волны, попутной электронному пучку. Электродинамические системы обеих секций представляют собой периодические волноводы с винтовой гофрировкой боковой поверхности с периодами и азимутальной симметрией соответственно (рис 1б). Рабочие волны секций имеют основные постоянные распространения h_a и h_b, азимутальные индексы m_a и m_b. Так как m_a, ? m_b, то волны в секциях ортогональны и прямая электродинамическая связь между ними отсутствует. Организация непрерывного взаимодействия с электронным пучком в рассматриваемой системе возможна, если совпадают фазовые скорости и азимутальная структура пространственных гармоник, синхронных пучку:

. (1)

Поскольку прямой электродинамической связи между секциями нет, то для предотвращения паразитного самовозбуждения достаточно обеспечить устойчивость усиления в каждой секции, что значительно проще, чем для системы в целом.

Принцип секционирования может быть применен к широкому кругу микроволновых приборов. Простейшими вариантами построения секционированных генераторов и усилителей представляются:

а) резонансная лампа бегущей волны (ЛБВ), где основное взаимодействие электронов с ВЧ полем происходит в секции, представляющей собой усилитель попутной волны, а соединенные с ней секции узкополосных рефлекторов осуществляют селективную обратную связь. Существенно, что в рассматриваемом варианте генератора могут быть использованы не только пассивные рефлекторы, связывающие электромагнитные волны друг с другом, но и активные, в которых электромагнитная волна связывается с волнами электронного пучка;

б) каскадный генератор, в котором входная секция представляет собой самостоятельный низкоэффективный, но обладающий хорошими селективными свойствами самовозбуждающийся генератор начального сигнала. В выходной секции, представляющей собой аналог релятивистской ЛБВ, происходит усиление этого сигнала и основной отбор энергии от электронного пучка;

в) секционированный усилитель, в котором усилительные элементы, связанные общим электронным пучком и изолированные электродинамически, соединены последовательно.

В разделе 2 анализируются особенности процессов взаимодействия высокочастотных полей и электронного пучка в сверхразмерных электродинамических системах и рассмотрены свойства элементов секционированных СВЧ генераторов и усилителей [1-6,12,14,17,19,24,28-30,37,39,41,42,44-46]. С точки зрения селекции мод ключевым моментом для создания секционированного генератора или усилителя является такая комбинация характеристик отдельных элементов, что их согласованная работа становится возможной только при определенном сочетании структур полей в этих элементах. Очевидно, что определение свойств этих элементов, реализуемых с помощью пространственно-развитых электродинамических систем, имеет первостепенное значение. В качестве элементов секционированных приборов могут быть использованы аналоги ламп бегущей и обратной волны, рефлекторы и преобразователи мод и т.п.

Лампы бегущей волны. Как следует из принципа секционирования, усилитель попутной волны является основным элементом секционированных генераторов и усилителей. На этот элемент возлагается значительная роль в обеспечении селекции мод в приборе в целом, кроме того, ЛБВ секции обеспечивают основной отбор энергии у электронного пучка.

Пассивные волновые рефлекторы. Отражатели, выполненные на основе полых металлических волноводов с неглубокой гофрировкой боковых стенок широко используются в мощной микроволновой электронике. Селективные свойства таких рефлекторов обеспечиваются резонансной связью взаимодействующих волн, характеристики которых должны удовлетворять условиям Брэгговского рассеяния. Для винтовой гофрировки вида , R - средний радиус волновода, l - глубина гофрировки, , d - период гофрировки, эти условия выглядят как

, (2)

где h₁, h₂ - постоянные распространения, а m₁, m₂ - азимутальные индексы взаимодействующих волн. Для улучшения селективных свойств отражателей могут быть применены схемы, использующие связь более, чем двух волн.

Активные рефлекторы. Лампа обратной волны, работающая ниже порога самовозбуждения, может рассматриваться как рефлектор, связывающий электромагнитную волну с волнами пространственного заряда электронного пучка. В такой секции встречная электромагнитная волна модулирует электронный пучок, или наоборот, модулированный пучок возбуждает обратную волну. При этом, электронный пучок, будучи активной средой, обеспечивает не только отражение, но и усиление волн. Преимущества активного рефлектора связаны с возможностью реализации высокого усиления при работе в регенеративном режиме вблизи порога самовозбуждения. Относительно узкая частотная полоса такого усиления может быть использована как дополнительный селективный фактор. Сильная зависимость усиления ЛОВ от величины амплитуд взаимодействующих волн делает активный рефлектор аналогом насыщающихся зеркал в оптике и позволяет с его помощью обеспечивать в генераторах малую длительность переходных процессов и высокую эффективность взаимодействия.

Самовозбужденные секции. Каскадный генератор отличает работа двух (или более) секций в нелинейном режиме. Эксперименты, проводившиеся как в традиционной, слаборелятивистской, так и релятивистской электронике, продемонстрировали принципиальную работоспособность и высокую эффективность каскадных генераторов. Основной проблемой такой работы является совмещение стабильности автогенерации в первой секции с эффективным излучением микроволн во второй. Глубокая модуляция пучка как по плотности, так и по энергии частиц, на выходе самовозбужденной секции затрудняет соединение этих свойств в простейших вариантах генератора, поэтому более перспективным оказывается применение нерегулярных выходных секций, обеспечивающих необходимую коррекцию фазовых соотношений между модуляцией пучка и высокочастотного поля.

В п. 2.1 исследуются особенности функционирования усилителей бегущей волны в составе секционированных приборов. Рассмотрены варианты электродинамических систем усилительных секций, совместимых с электронным пучком и обладающих высокой электропрочностью. Проведен анализ возбуждения усилительной секции комбинированным сигналом, представляющим собой суперпозицию электромагнитной волны и высокочастотной модуляции параметров электронного пучка (скорости и плотности частиц). Отмечено существование ситуации, в которой такой комбинированный сигнал оказывается ортогональным одной из собственных волн усилительной секции, в частности, электронно-электромагнитной волне с нарастающей амплитудой.

Теоретически проанализирована возможность увеличения эффективности работы ЛБВ с релятивистскими электронными пучками в системах с дополнительным ускорением частиц в пространстве взаимодействия. Принципиальной особенностью рассматриваемого подхода является формирование профиля ускоряющего потенциала собственным электрическим полем сильноточного электронного пучка. Показано, что применение переменного в пространстве провисания потенциала пучка позволяет поднять расчетные значения эффективности для релятивистских ЛБВ черенковского типа до величин порядка 50%.

Представлены результаты экспериментальных исследований: а) устойчивости работы релятивистских ЛБВ по отношению к самовозбуждению, обусловленному отражениями рабочей волны от концов электродинамической системы; б) влияния собственных шумов электронного потока на выходные характеристики секции.

В п. 2.2 проведено теоретическое исследование элементов секционированных приборов, представляющих собой релятивистские аналоги ламп обратной волны (ЛОВ). Показано, что в линейном режиме такие секции могут быть использованы как узкополосные модуляторы электронного пучка, работающие в режиме регенеративного усиления, то есть в условиях близости рабочего тока прибора к значению, соответствующему порогу самовозбуждения секции. При входных сигналах большой интенсивности коэффициент усиления ЛОВ сильно зависит от амплитуды высокочастотного поля, что позволяет использовать ее как нелинейный рефлектор и получать секционированные генераторы со специальными динамическими характеристиками. Предложен и проанализирован вариант ЛОВ-модулятора с изменяемой рабочей частотой на основе электродинамической системы с регулируемой нерегулярностью.

П. 2.3 посвящен анализу эффектов, связанных с брэгговским рассеянием в различных элементах секционированных генераторов. Брэгговские преобразователи, выполненные на основе периодически гофрированных волноводов, совместимы с мощным электронным пучком и обеспечивают селективное по частоте и модам отражение электромагнитных волн. Рассмотрены возможности реализации и применения в секционированных приборах рефлекторов с перестраиваемой рабочей частотой. Особое внимание уделено применению брэгговских рефлекторов со сверхразмерными электродинамическими системами. Показано, что в этом случае возможно квазисинхронное взаимодействие релятивистского электронного пучка с высокочастотными полями в рефлекторе, которое оказывает существенное влияние на его характеристики. В частности, при этом изменяется коэффициент трансформации волн, уменьшаясь вплоть до нулевого значения (эффект, аналогичный Компфнеровскому подавлению входного сигнала в ЛБВ). Кроме того, в рассматриваемых условиях электронный пучок приобретает паразитную модуляцию, которая может влиять на возбуждение других секций СВЧ генератора. Найдены условия, когда комбинация выходных сигналов рефлектора оказывается ортогональной по отношению к возбуждению в секции с бегущей волной поля с нарастающей по длине лампы амплитудой (рис. 2).

Рис. 2. Нормированные зависимости коэффициентов отражения рефлектора без пучка (кривая 1), с электронным пучком (кривая 2) и возбуждения нарастающей волны (кривая 3) от расстройки рефлектора

Рис. 3. Дисперсионные характеристики волн в электродинамической системе оротрона при закритической величине параметра связи; 1 и 2 - рабочие волны резонатора, 3 - одна из низших волн системы

В данном параграфе рассмотрена также и обратная ситуация, когда брэгговское рассеяние возникает как дополнительный эффект в генераторе типа релятивистской лампы обратной волны при использовании в ней электродинамической системы в виде сверхразмерного гофрированного волновода. Показано, что в результате такого рассеяния происходит существенное изменение рабочих характеристик СВЧ генератора: увеличивается стартовый ток; деформируется пространственная структура выходного излучения; изменяется сценарий установления режима генерации в ЛОВ.

В п. 2.4 рассмотрены возможности применения релятивистских оротронов в качестве элементов секционированных генераторов. Показано, что гофрировка боковых стенок электродинамических систем таких оротронов, необходимая для организации черенковского взаимодействия, ведет к значительному искажению дисперсионной характеристики рабочей волны (рис. 3). Этот эффект, ведущий к снижению добротности основного колебания оротрона, с одной стороны, необходимо принимать во внимание при создании оротронных секций, а с другой стороны, его можно использовать для подавления возбуждения паразитных квазикритических волн в СВЧ приборах. Для оротронных секций, работающих в секционированных приборах в качестве задающего генератора, основной проблемой является обеспечение устойчивости их работы. В настоящем параграфе проведен анализ устойчивости работы оротрона-модулятора, в качестве количественной оценки которой выбрано условие сохранения автогенерации при малых колебаниях энергии электронов и тока пучка. На примере оротрона рассмотрена также роль несинхронных взаимодействий в релятивистских черенковских генераторах. В мощных микроволновых приборах амплитуды несинхронных пучку компонент высокочастотного поля, например, основной пространственной гармоники волн периодических волноводов, могут быть настолько велики, что приращение энергии электрона за полупериод высокочастотного поля сравнимо с его начальной энергией. Очевидно, что влияние несинхронных полей на работу СВЧ прибора в этих условиях становится существенным. На основе релятивистского обобщения метода усредненного высокочастотного потенциала показано, что область локализации несинхронных полей образует потенциальный барьер, замедляющий дрейфовое движение электронов. Оптимальные характеристики прибора при этом достигаются лишь в области повышенных стартовых токов самовозбуждения.

П. 2.5 посвящен исследованию эффектов, проявляющихся в черенковских микроволновых приборах при фокусировке электронного пучка конечным магнитным полем. Основное внимание уделено двойному - черенковскому и циклотронному - резонансу, который реализуется при совпадении периода электродинамической системы с ларморовским шагом винтового движения электронов в продольном магнитном поле. При нулевых начальных вращательных скоростях электронов при двойном резонансе происходит возбуждение в пучке быстрой циклотронной волны, поглощение части высокочастотной энергии и, в конечном итоге, срыв генерации. В данном параграфе построена нелинейная теория эффекта циклотронного поглощения в черенковских высокочастотных приборах. Показано, что при встречном по отношению к движению пучка направлении распространения электромагнитной волны проявляется значительное нелинейное уширение линии поглощения по величине магнитного поля. Наряду с непосредственным поглощением энергии волны выявлен дополнительный механизм срыва генерации, обусловленный нелинейной расстройкой черенковского синхронизма, происходящей из-за нарастания поперечных осцилляций электронов в поле волны. Здесь же обсуждаются возможности применения эффектов, обусловленных циклотронным взаимодействием, для осуществления селекции мод в релятивистских электронных микроволновых генераторах.

В п. 2.6. рассмотрена нелинейная динамика компенсационных состояний в релятивистских электронных СВЧ приборах с распределенным взаимодействием при увеличении амплитуды входного сигнала. Компенсационные состояния, примером которых являются режим подавления входного сигнала в ЛБВ (условие Компфнера) или усиление при отсутствии экспоненциальной неустойчивости (крестатронное усиление), образуются когерентным сложением нормальных волн системы волна - электронный пучок. В данном параграфе рассмотрены несколько компенсационных ситуаций, характерных для секционированных приборов. Показано, что увеличение амплитуды волны ведет к разрушению указанных состояний и, соответственно, к изменению выходных параметров прибора. Обсуждены возможности применения рассмотренных эффектов для создания микроволновых приборов или их элементов со специальными динамическими характеристиками.

П. 2.7 посвящен анализу явлений в микроволновых релятивистских генераторах, связанных с особенностями транспортировки сильноточного электронного пучка в процессе его взаимодействия с ВЧ полем. Мощные релятивистские СВЧ генераторы работают при электронных токах, составляющих заметную часть от предельного вакуумного значения. В связи с этим представляется реальной опасность того, что при изменении конфигурации канала транспортировки может образоваться область виртуального катода с отражением части электронов пучка. На примере процессов в релятивистской ЛОВ проанализировано влияние отраженных от области виртуального катода частиц на микроволновую генерацию. Показано, что наличие таких частиц может приводить как к срыву генерации, так и к возникновению сложных автомодуляционных режимов работы генератора.

Раздел 3 посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям вариантов секционированных генераторов [2,8,11,13,15,16,18,19,25,30-33,36,38,40,44-46].

В п. 3.1 рассматриваются релятивистские резонансные лампы бегущей волны, построенные на основе соединения усилительной секции с селективными рефлекторами-трансформаторами брэгговского типа, а также с селективными модуляторами на основе ЛОВ-усилителей. Основное внимание в данном параграфе уделено особенностям практической реализации резонансной ЛБВ: выбору рабочих мод, обеспечивающих наилучшую селективность, подбору оптимальных параметров, разработке критических элементов конструкции. Представлены результаты экспериментальных исследований нескольких резонансных ЛБВ: ЛБВ на низшей гибридной волне HE₁₁ круглого гофрированного волновода с обратной связью на моде шепчущей галереи TE₄₁; ЛБВ с перестройкой рабочей частоты брэгговскими нерегулярными рефлекторами. В экспериментальных макетах релятивистских резонансных ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн получена импульсная выходная мощность микроволнового излучения 1-1,5 ГВт при эффективности 15-20% и длительности импульса до 100 нс (рис. 4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Пространственная структура излучения резонансной ЛБВ для двух взаимно-перпендикулярных поляризаций (слева) и высокочастотный пробой воздуха при отражении излучения металлическим экраном (справа)

В п. 3.2 исследованы секционированные генераторы каскадного типа. Наиболее простой вариант каскадного генератора может быть реализован соединением релятивистского оротрона - высокоселективного автогенератора с электродинамической системой в виде открытого резонатора - с усилительной секцией. Основной проблемой, возникающей при создании подобных устройств, является совмещение устойчивой, относительно низкоэффективной генерации во входной секции с высоким КПД устройства в целом. Особенностью работы каскадного генератора является также глубокая модуляция электронного пучка по плотности и по энергии частиц на входе в усилительную секцию, что связано с работой входной секции в режиме автогенерации. Проведенный теоретический анализ показывает, что в каскадном генераторе простейшего типа могут быть реализованы режимы с высоким КПД прибора - более 50%, однако их устойчивость крайне низка. В областях максимальной устойчивости эффективность оказывается значительно меньшей - около 15%, поэтому в таком приборе необходимо выбирать компромиссные варианты по устойчивости и эффективности. Для решения этой проблемы предложено использовать неоднородные усилительные секции, в том числе и обеспечивающие процесс автозахвата электронов, при котором модулированный электронный пучок возбуждает высокочастотное поле, захватывающее, в свою очередь, электронные сгустки.

Рассмотрен пример экспериментальной реализации релятивистского каскадного генератора сантиметрового диапазона, состоящего из самовозбужденного оротрона-модулятора с рабочей модой TE₃₁ круглого волновода и усилительной (твистронной) секции на медленной волне TM₀₁ круглого гофрированного волновода. В генераторе на частоте 9,1 ГГц получено импульсное излучение с пиковой мощностью 2 ГВт и длительностью импульса 100 нс при КПД более 15%.

П. 3.3 посвящен секционированным релятивистским лампам обратной волны. Рассмотрены принципы построения таких генераторов, в которых в качестве одной из секций используются брэгговские рефлекторы-трансформаторы мод. Показано, что соединение рефлекторов и ЛОВ-секций позволяет: осуществить вывод энергии из генератора волной, удобной для формирования требуемой выходной диаграммы направленности; обеспечить спектральную фильтрацию излучения ЛОВ с помощью селективных свойств трансформатора; оптимизировать взаимодействие электронов и электромагнитной волны за счет синтеза благоприятной продольной структуры высокочастотного поля в генераторе. Теоретически, включая анализ нестационарных процессов, исследовано несколько вариантов секционированных ЛОВ. Рассмотрены особенности построения экспериментальных версий генераторов, вопросы селекции мод, оптимизации вывода СВЧ излучения, снижения величин магнитных полей, фокусирующих электронный пучок. Представлены результаты экспериментальных исследований нескольких секционированных ЛОВ, отличавшихся как схемой построения, так и рабочими модами. В генераторе типа «рефлектор-ЛОВ» с рабочими модами TM₀₂ и ТЕ₁₁ получена выходная мощность около 700 МВт в гауссовом волновом пучке при КПД около 10% и длительности импульса более 100 нс. В генераторе, построенном по схеме «ЛОВ-рефлектор-ЛОВ» с рабочими модами TM₁₁ и ТЕ₁₁ достигнута выходная мощность 700 МВт при КПД 15% и длительности импульса 40 нс.

Раздел 4 посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям секционированных релятивистских усилителей [9,20-23,25-27,34,35,43,46].

В п. 4.1 сформулированы и проанализированы основные проблемы создания мощных микроволновых усилителей на релятивистских электронных пучках. Наряду с общими для всех источников мощного микроволнового излучения задачами обеспечения электропрочности, селективности, совместимости с мощными электронными пучками при создании усилителей возникает ряд специфических проблем, таких как: создание надежных систем ввода высокочастотного сигнала, снижение влияния собственных шумов сильноточного электронного пучка, совмещение устойчивости к самовозбуждению с высоким коэффициентом усиления и другие. В подразделе рассмотрены различные подходы к разработке усилительных систем, анализируются известные экспериментальные реализации мощных микроволновых усилителей. Для сантиметрового диапазона длин волн проведено обоснование построения релятивистского усилителя на основе концепции секционирования пространства взаимодействия.

П. 4.2 посвящен параметрическому анализу и разработке конструкции экспериментального варианта усилителя, выполненного на основе соединения ЛОВ-модулятора и ЛБВ-усилителя. Рассмотрены различные режимы работы секций, проведена оптимизация параметров конструкции для достижения максимального коэффициента усиления и импульсной мощности при сохранении приемлемой частотной полосы усиления. Анализируются особенности выбора и построения электродинамических систем элементов усилителя. На основе проведенного анализа разработан экспериментальный вариант секционированного усилителя 3-х сантиметрового диапазона длин волн, состоящий из: усилителя обратной волны с рабочей модой ТЕ₄₁ круглого волновода; пространства дрейфа электронного пучка, конструктивно совмещенного с вводом внешнего высокочастотного сигнала квазиоптического типа; усилителя бегущей волны на гибридной волне НЕ₁₁ круглого гофрированного волновода.

В п. 4.3 описаны условия и результаты экспериментальных исследований усилителя сантиметрового диапазона длин волн с выходной мощностью гигаваттного уровня. В режиме усиления получено выходное излучение с импульсной мощностью 1,1 ГВт при КПД около 20%, достигнут коэффициент усиления 48 дБ, полоса усиления составила 1%. Экспериментально продемонстрирована возможность перестройки центральной частоты полосы усиления в диапазоне около 5% за счет изменения реактивности электронного пучка при перестройке величины фокусирующего магнитного поля вблизи зоны циклотронного резонанса (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость центральной частоты полосы усиления секционированного усилителя от величины фокусирующего магнитного поля. Сплошная и штриховая линии соответствуют разной ориентации магнитного поля

Экспериментально доказана взаимная когерентность входного и выходного сигналов усилителя, исследована временная динамика устойчивости усилителя по отношению к паразитному самовозбуждению.

В Заключении приведены основные результаты работы:

1. Разработан и теоретически проанализирован метод получения когерентной генерации в мощных микроволновых системах с релятивистскими электронными потоками, основанный на секционировании пространства взаимодействия. Предложены и исследованы секционированные генераторы на основе релятивистских ЛБВ с высокоселективными брэгговскими и электронно-волновыми трансформаторами волн в канале обратной связи. Обнаружено и теоретически исследовано явление аномально низкого значения начальной амплитуды нарастающей волны в ЛБВ при ее возбуждении электронным пучком с комбинированной фазовой и энергетической модуляцией. Теоретически исследованы особенности работы секционированных генераторов с самовозбуждением отдельных секций (каскадные генераторы). Найдены критерии стабильной генерации в таких устройствах, предложены и проанализированы методы, позволяющие совместить эффективность и стабильность работы каскадных генераторов.

2. Построена нелинейная теория релятивистских микроволновых приборов черенковского типа, описывающая процессы при циклотронном резонансе рабочей волны с магнитонаправляемым электронным пучком. Выявлены особенности проявления двойного - черенковского и циклотронного - резонанса в различных зонах циклотронного поглощения, образующихся при взаимодействии замагниченного электронного пучка с электромагнитными волнами в периодических электродинамических системах. На основе проведенного теоретического анализа разработан метод циклотронно-резонансной селекции мод в пространственно - развитых электродинамических системах микроволновых генераторов и усилителей, основанный на избирательном подавлении электронным пучком паразитного самовозбуждения таких систем.

3. Теоретически исследованы эффекты в релятивистских микроволновых устройствах, обусловленных воздействием на электронный пучок интенсивных несинхронных компонент высокочастотных полей, в том числе ограничения мощности черенковских приборов вследствие изменения скорости электронов при пролете через потенциальный барьер, образуемый полем несинхронной волны.

4. Обнаружен и исследован ряд эффектов в периодических пространственно-развитых электродинамических системах черенковских высокочастотных приборов, проявляющихся при релятивистских скоростях электронов пучка. В числе этих эффектов: а) подавление выходной волны в брэгговских рефлекторах с электронным пучком в рабочем объеме - аналог компфнеровского подавления в ЛБВ; б) брэгговское рассеяние рабочей волны в релятивистской ЛОВ, приводящее к существенному изменению характеристик генератора; в) качественная перестройка дисперсионной характеристики рабочей волны в релятивистском оротроне и связанное с этим подавление в нем самовозбуждения низших продольных мод.

5. Теоретически исследованы эффекты в релятивистских СВЧ приборах, связанные с собственными квазистатическими электрическими полями сильноточного электронного пучка. Показано, что динамический разброс энергии частиц в пучке на выходе СВЧ прибора существенно меняет режим транспортировки пучка и ведет к отражению частиц от коллекторной области, сопровождающемуся разрушением стационарной микроволновой генерации. Предложено использование переменного в пространстве собственного поля пучка для реализации систем с доускорением частиц в процессе взаимодействия с высокочастотным полем, позволяющим существенно увеличить эффективность такого взаимодействия.

6. Экспериментально реализованы релятивистские ЛОВ со сверхразмерными электродинамическими системами, в том числе с распределенным выводом микроволновой энергии, обеспечиваемым брэгговскими трансформаторами волн. В генераторах этого типа впервые применен метод циклотронно-резонансной селекции мод, обеспечивший когерентность выходного излучения, а также позволивший применить в релятивистских ЛОВ слабозамагниченные электронные пучки. В сантиметровом диапазоне длин волн с помощью релятивистских ЛОВ с циклотронно-резонансной селекцией мод достигнута импульсная мощность до 1,5 ГВт при эффективности до 15%.

7. Разработаны и экспериментально реализованы секционированные микроволновые генераторы черенковского типа на основе сверхразмерной релятивистской ЛБВ на медленных волнах, в том числе: резонансные ЛБВ с цепью обратной связи на селективных рефлекторах электродинамического и / или электронного типов; каскадные генераторы с нелинейным усилением сигнала субгенератора. Разработаны и экспериментально реализованы методы междуимпульсной перестройки несущей частоты в секционированных генераторах. В сантиметровом диапазоне длин волн с помощью секционированных генераторов достигнуты: импульсная мощность микроволнового излучения до 2 ГВт, энергия в импульсе до 200 Дж, перестройка частоты в пределах 5%, эффективность генерации до 20%.