Введение к работе
Актуальность темы
С момента своего появления в конце 60х начале 70х годов, источники мощного когерентного СВЧ-излучения нашли применение в различных отраслях науки. Это-физика плазмы, спектроскопия, физика твердого тела и др. Однако для широкого использования мощных СВЧ-генераторов при решении ряда прикладных задач, таких как радиолокация, экология, разработка и производство новых материалов, медицина, управляемый термоядерный синтез необходимо создание источников микроволнового излучения одновременно удовлетворяющих многим требованиям. В первую очередь, это должны быть генераторы с высокой импульсной мощностью, способные работать в импульсно-периодическом режиме с высокой стабильностью и большой средней мощностью.
Решение поставленной задачи возможно как по пути создания принципиально новых устройств с высокой эффективноспо преобразования энергии электронного пучка в энергию электромагнитного поля, так и путем усовершенствования уже предложенных. Развитие вычислительной техники и появившиеся возможности моделирования задач электродинамики на различных уровнях сложности делают второй вариант даже более предпочтительным.
Из широкого спектра генераторов мощного когерентного излучения, реализованных на основе сильноточных импульсно-периодических ускорителей, лампа обратной волны (ЛОВ) наиболее популярна. Это объясняется присущей ЛОВ высокой степенью адаптивности к изменениям параметров электронного пучка, малым временем переходных процессов. Немаловажна простота конструкции ее электродинамической системы (ЭС), одновременно обеспечивающая высокую электропрочность.
Как было показано ранее на простой численной модели, эффективность энергообмена однородной ультрарелятивистской ЛОВ может достигать 15%, а с переменным сопротивлением связи до 45%.
Впервые, релятивистский генератор встречной волны был реализован в совместном эксперименте ФИ АН и НИРФИ в 1973 году. Мощность Зсм излучения составила 300-400 МВт при КПД более 12%. Годом позже аналогичные результаты были продемонстрированы в Корнельском Университете, США. В 80х годах КПД
ЛОВ удалось повысить до 30% за счет использования замедляющих структур неоднородным вдоль длины прибора распределением сопротивления связи.
Однако, разработанные до сих пор генераторы встречной волны имели ли высокую импульсную мощность микроволнового излучения (около ІГВт) в режи однократного следования импульсов при плохой воспроизводимости СВЧ-сигнаш либо относительно низкий уровень выходной мощности (усредненная по мноп импульсам пиковая мощность составляла около 400-500 МВт).
В тоже время, как в теоретических, так и в экспериментальных исследование неучтенными остались многие факторы, такие как влияние отраженной запредельного сужения попутной волны, возможность реализации переменной вдо длины прибора фазовой скорости синхронной волны. В расчетах использовало ультрарелятивистское приближение по энергиям электронов.
Цель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальн< исследовании методов повышения эффективности сильноточной умерен релятивистской ЛОВ и создании генераторов, способных работать с высок импульсной мощностью и стабильностью.
Научная новизна
На основании анализа процессов энергообмена умеренно релятивистск классической ЛОВ показаны основные причины ограничения эффективное генерации микроволнового излучения в стационарном режиме и возможные мето; их устранения. Предложена модель неоднородной по сопротивлению связи ЛО работающей с высокой эффективностью (до 35%) на втором угле пролета электрон относительно синхронной волны.
Теоретически показано, что КПД классического генератора встречной волі может быть повышен до 60% при использовании периодических структур одноступенчатым увеличением фазовой скорости синхронной волны. На бг сильноточного ускорителя электронов реализован двухсекционный изохронш генератор, работающий на длине волны 3.25см с выходной мощностью 500 МВт п электронном КПД 40%. Одновременно показано, что применение неоднородні электродинамических систем снижает стабильность работы ЛОВ и усложня процесс настройки генератора.
Исследованы основные факторы и закономерности влияния отраженной запредельного сужения попутной волны на работу ЛОВ. Найдены условия, п которых наличие попутной волны вносит значительные возмущения в процес
модуляции электронного пучка и его энергообмена с обратной волной. Предложены и экспериментально продемонстрированны методы оптимизации ЛОВ по взаимодействию с попутной волной. Разработана конструкция генератора, в которой предусмотрено смещение периодической структуры от запредельного сужения в сторону коллектора. Это позволяет обеспечить предварительную модуляцию электронного пучка в поле прямой волны и благоприятное соотношение фаз наводимого в потоке ВЧ-тока и поля обратной волны. Теоретическая эффективность однородного генератора на основе ЛОВ с учетом дополнительного энергообмена с попутной волной может достигать 40%.
Показано влияние попутной волны на характер оптимального распределения фазовой скорости синхронной волны в изохронной ЛОВ. Найдена зависимость оптимального скачка фазовой скорости от параметров несинхронной волны.
Дан анализ влияния пространственного заряда электронного пучка на процессы энергообмена ЛОВ и генератора на ее основе для случая умеренно релятивистских энергий электронов. Показано, что использование периодических структур с переменной фазовой скоростью приводит к снижению критической величины поля пространственного заряда, превышение которой ведет к резкому падению КПД генератора. Этот эффект выравнивает максимально достижимые эффективности однородных и неоднородных ламп и в раде случаев делает использование последних нецелесообразным.
Экспериментально показано заметное влияние отражений попутной волны от выхода из периодической структуры на эффективность и частоту генерации.
При использовании разработанных методов оптимизации генератора создано несколько однородных ламп, работающих на длине волны 3-ьЗ.Зсм с КПД 25% и хорошей воспроизводимостью СВЧ- импульсов. Нестабильность мощности излучения соответствовала нестабильности параметров инжектируемого пучка. Максимальная СВЧ- мощность составляла более 650 МВт.
Практическая ценность
Генераторы микроволнового излучения на основе сильноточной релятивистской ЛОВ применяются в настоящее время в ИСЭ СО РАН и Университете Нью-Мексико (США) для исследований в области СВЧ- электроники и физики твердого тела. Результаты исследований методов повышения эффективности
ЛОВ могут использоваться при разработке мощных источников когерентног излучения
Публикации и апробация результатов
Материалы по теме диссертации опубликованы в статьях [1-5], докладывали! на 8-9 Всесоюзных семинарах по релятивистской сильноточной электронш (Свердловск, 1990, 1992), 7-10 Международных конференциях по мощны электронным и ионным пучкам (Карлсруэ-1988, Новосибирск-1990, Вашингтон-199 Сан-Диего-1994), Международной конференции по Импульсной Технике (Альбукер 1993), Международной конференции по Физике плазмы (Санта-Фе, 1994 Международном симпозиуме по электромагнитным средам EUROEM (Бордо, 1994 XVI Международном симпозиуме SPIE по разряду и электрической изоляции вакууме (Москва-Санкт-Петербург, 1994), 40 Международном симпозиуме г физической Оптике (Сан-Диего, 1995).
Структура диссертации. Диссертация состоит из трех глав, введения заключения. Обьем диссертации составляет 154 страницы, включая 104 страниц основного текста, 65 рисунков и список литературы из 85 наименований.
