Введение к работе
Введение, актуальность темы диссертации. Проблемы генерации электромагнитного излучения занимают ' значительное место в современной физике, что связано с большим разнообразием природных явлений, обусловленных излучением, и с неуклонно увеличивающимися практическими потребностями. В качестве иллюстрации здесь достаточно упомянуть историю создания и развития магнетронов, ламп бегущей волны и особенно лазеров, коренным образом изменивших многие области науки и техники: локацию, связь, спектроскопи», технологию нагрева и т. д. В связи с этим становится понятным значительный интерес, проявленный к идее применения для генерации мошных высокочастотных импульсов релятивистских электронных пучков СРЭГО, получаемых в сильточных электронных ускорителя:: ССЭУ) с холодными взрывоэмиссиокными катодами. К этой идее исследователей привлекли необычайно высокие мощность (до 1013 ВтЭ и плотносгь тока Сдо 106 А/смг) электронных пучков, получаемых в СЭУ. Их возможное применение вселяло надежду на существенное увеличение выходной мощности источников СВЧ излучения и освоение ультракоротких диапазонов длин волн, в частности, миллш.ютрового и субмиллиметрового. Активно обсуждались возможности создания мощных рєнгеновских автогенераторов на основе РЭП. Однако реіиение этих задач оказалось далеко не простым. Так в экспериментах, выполненных до 1973 г. эффективность преобразования энергии РЭП в энергию электромагнитного излучения не превышала долей процента и, что самое существенное, получаемое в них излучение обладало низкой степенью когерентности.
Началом формирования нового этапа в развитии релятивистской электроники стали проведенные в 1971-1973 гг. по инициативе
A. В. Гапонова-Трехова и М. С. Рабиновича в <И1АНе совмрстно с НИРЭД
эксперименты и теоретические исследования М. И. Петелина и
B. К. Юппатова. Их результатом явилось создание первого в міра СВЧ
генератора на основе РЭП, обладавшего высоким {более 10 X) КПД. Год
спустя этот эксперимент был успешно воспроизведен в США. С этого
времени работы по релятивистской СВЧ электронике получили широкое
развитие во многих отечественных и зарубежных институтах и
лабораториях.
К настоящему времени высокочастотная релятивистская электроника превратилась в раздел прикладной физики с достаточно обширной и
олее или менее четко определившейся областью исследований. Здесь вно выделились два направления - повышение мощности и увеличение астоты колебаний генерируемого электромагнитного излучения, в аждом из которых есть свои специфические проблемы. С другой стороны ба указанных направленій объединены стремлением к использовании елятивистских электронных пучков со все большими токами и лектродинамических систем со все большими (по сравнешш с длиной олны излучения) геометрическими размерами. В связи с этим возникла отребность в развитии методов обеспечения когерентности выходного злучения.
Вместе с тем определились и возможности различных механизмов ндуцированного излучения. Так в коротковолновой части иллимэтрового и особенно в субмиллиметровом диапазоне редпочтительны источники, действие которых основано на тимулированном магаїтотормозном излучении. В более длинноволновых иапазонах - . миллиметровом и сантиметровом - целесообразно спользование источников, основанных на переходном и черенковском злучений релятивистски электронов. Основное преимущество, ыделяотее устройства последнего типа, связано с возшгностьп ри?,«енения простых электронно-оптических систем, способных ормировать и транспортировать РЭП с большой плотностыэ тока и, оотвэтственно, с большой плотностьв потока энергии.
Здесь необходимо о-шетить, что дать универсальный признак, дназначно выделявщий источники черенковского типа, довольно сложно з-за трудности выделения "чистых ьеханизмов" при достигнутых араметрах в существущих экспериментах, .а также из-за стремления к спользованив нормированных взаимодействии. Нэ претендуя на трогссть, в дальнейшем к черенковским отнесены те источники, в оторых доминирущим является взаішодеиствие поступательно вижущихся электронов с медленными волнами или медленными ространственными гармониками быстрых волн злектродинаїлических истем з условиях черенковского синхронизма. Отметим, что в качестве лектродіщамических систем могут применяться и плазменные волноводы резонаторы.
В релятивистской электронике, особенно в последнее время, сследования были направлены не только на достижение рекордных езультатов по увеличении выходной мощности, частоты излучения и ПД, но и на обеспечение когерентности поля выходного излучения.
получение предельно . узких спектральных лиши в генераторах, разработку источников с управляемыми выходными характеристиками, ] том числе и усилителей, достижение высокой стабильности режима работы и их адаптивности по отношении к изменению параметра электронного пучка и т.д. Другими словами, большее внимай» уделяется "потребительским качествам" создаваемых источников. 1 связи с этим становятся актуальными задачи разработки новых, баш детальных методов расчета и анализа отдельных элементов j функциональных узлов релятивистских генераторов и усилителей. Целями диссертационной работы являлись:
- исследование возможности применения сильноточных релятивистски
электронных пучков для высокоэффективной генерации мощны
импульсов когерентного электромагнитного излучения;
- построение теории взаимодействия релятивистских электронных пучко
с попутными, обратаыми и квазшеритичзскими электромагнитным
волнами в условиях "черенковского ешсфонизыа и выяснения на е
основе путей создания новых эффективных источнико
высомчастотаого излучэния;
- экспериментальная реализация наиболее перспективных вариантов
релятивистских черенковсісих гекератороз и усилителей.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
- построены линейная и нелинейная теории, позволяодие детальн
исследовать- процессы взаимодействия РЭП. с попутными, обратными
квазикритичэскима электромагнитными волнами _ в условия
черенковского синхронизма. Определены области оптимальног
взаимодействия для всех трех случаев. Оценено влияние на эт
процессы ряда побочных факторов, в частности, исследован
"циклотронное поглощение" и индуцированное шгаитодипольнс
излучение, возникающие в системах с магнитной фокусировке
электронных пучков;
- предложены новые эффективные штоды селекции шд, которь
позволили в разработанных мощных высохочастотных источниках
сильноточными ЕЗП обеспечіггь режимы когерентной генерации;
- разработана серия новых источников мощного когерентної
электромагнитного излучения коротковолновой части сантиметрової
диапазона длин волн. Первый из этой серии - релятивистега
кареинотрон -положил качало широким экспериментальным исследование
в релятивистской высокочастотной электронике и в настоящее врек
является одшш из наиболее популярных ооъектоз исследований. В созданном секционированном усилителе за счет улучшения параметров электронно-оптической системы в настоящее вреші достигнуто усиление, превышающее 70 дБ;
- разработаны новые эффективные методы анализа и расчета полей в сложных волноведущих периодических системах, позволяющие на их основе создать простые и достаточно универсальные компьютерные программы.
Научная и практическая ценность.
-
Развита теория, позволяющая анализировать основные характеристики взаимодействия РЭП с различными электрогигнитными и плазменньки волнами в условиях черепковского синхронизма. Теория позволяет достаточно детально рассчитывать релятивистские высокочастотные источники черепковского типа и служит эффективным аппаратом,' используемым при создании новых СВЧ генераторов и усилителей.
-
Разработана конструкция релятивистского карсинотрона, широко применяемая в экспериментах по генеращш мощного когерентного электро.'.агнитного излучения в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Источники мощного злєктромагнігтного излучения на основе карсинотронов используются во многих прикладных исследованиях.
-
Предложены новые методы селекции мод, ряд которых использован в конструкциях действующи мощных импульсных СВЧ генераторов и усилителей. Эти методы могут быть основой для разработки новых высокочастотных источников с пространственно развитыми электродинамическими системами, а также, для построения других, в частности, диагностических систем, использующих эффекты взаимодействия электронных пучков с электромагнитным излучением.
-
Предложенные в диссертации методы исследования распространения электро!.агнитных еолн в широком классе нерегулярных волноводов и периодических структур прга.еняются для расчета гофрированных волноводов, дифракционных выводов, брэгговских рефлекторов, ф преобразователей и резонаторов, выходных волноводных трактов, а такзе могут быть использованы для исследования дифракции волн на решетках, расположенных в различных средах, в частности, обладаниях пространственноЯ дисперсией.
Вклад автора. В работах, выполненных в коллективе, результаты которых вынесены на защиту, автором внесен определящдЯ вклад в
постановку задач, теоретический анализ и разработку методики расчетов, выбор конструкции экспериментальных макетов и интерпретацию результатов.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты применялись и применяется:
при создании и исследовании новых мощных источников одактромагнитного излучения в ИПФ РАН (і\Нижний Новгород), ФИ РАН, ИОФ РАН, ЬРТИ РАН, МГУ, ИРЭ РАН С г. Москва), ИСЭ С» РАН, НИИЯФ при ТЛИ С г. Томск). ИЭФ УрО , РАН С г. Екатеринбург), НИЮФА Сг. Санкт-Петербург), Софийской университете С Болгария); - при использовании мощного электромагнитного излучения в прикладных целях в НПФ РАН (г. Нижний Новгород), МРТИ РАК С г. Мэсква), ИСЭ СО РАН Сг. Томск).
Апробация работы и публикации. Материалы, вошедшие в диссертационнуо работу обсуждались на семинарах ИПФ РАН, НИРЗИ, ІШ СО РАН, НИИ "Исток", ЙИИЭФА, МИЭМ, Нижегородского госуниверситета, Нижегородского политехнического института, Софийского университета.' По данным материалам было сделано солее 50 докладов на 23 международных, всесоюзных, межотраслевых и межрегиональных конференциях, симпозиумах и семинарах, 27 докладов опубликовано в виде тезисов.
Основные результаты диссертации вошли в опубликованные в ведущих научных журналах и изданиях 33 статьи и обзора, 7 из которых написаны автором единолично. По материалам диссертационной работы получено 13 авторских свидетельств на изобретения.
