Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Цель работы б
Положения, выносимые на защиту 7
Достоверность результатов 8
Научная новизна работы 8
Практическая значимость работы, внедрение результатов 10
Вклад автора 10
Публикации результатов 10
Структура и объем диссертации, краткое содержание 11
Список использованых сокращений 13
ГЛАВА 1. Сверхизлучение в релятивистской СВЧ-электронике 14
1.1. Экспериментальные исследования СИ в релятивистской СВЧ-электронике 16
1.2. Одномерная нестационарная модель 18
1.3. Оценка длительности импульса 21
1.4. Реализация режима пространственного накопления энергии 22
1.5. Выводы 22
ГЛАВА 2. Оптимизация параметров генератора 24
2.1. Однородная замедляющая система (xiz) = 1) 24
2.2. Гиперболический профиль сопротивления связи 24
2.3. Регулировка длительности импульса 27
2.4. Влияние длительности фронта пучка на время нарастания колебаний з
2.5. Расчеты в РІС модели ЗО
2.6. Максимум конверсии и остановка частиц 31
2.7. Влияние разброса частиц по скоростям 31
2.8. Влияние частотной дисперсии групповой скорости волны в замедляющей системе 35
2.9. Ограничения на повышение мощности и коэффициента конверсии 40
2.10. Выводы 41
ГЛАВА 3. Экспериментальные методики 43
3.1. Экспериментальные установки 43
3.1.1. Высоковольтный генератор СИНУС 43
3.1.2. Вакуумный диод 47
3.1.3. Соленоид 49
3.1.4. Измерение параметров электронного пучка 50
3.2. Измерение характеристик СВЧ-импульсов 51
3.2.1. Детекторы на горячих носителях 51
3.2.2. Приемная антенна 53
3.2.3. Калориметр 53
3.2.4. Гетеродин 57
ГЛАВА 4. Результаты экспериментов по генерации импульсов черен ковского сверхизлучения 62
4.1. Предварительные эксперименты 62
4.2. Система с резонансным рефлектором
4.2.1. Моделирование 64
4.2.2. Схема эксперимента QG
4.2.3. Результаты эксперимента 70
4.3. Система с высоким коэффициентом конверсии 73
4.3.1. Обоснование выбора схемы генератора 74
4.3.2. Моделирование 74
4.3.3. Схема эксперимента на установке СИНУС-200 76
4.3.4. Неустойчивость в электронном пучке 78
4.3.5. Режим генерации серии импульсов 80
4.3.6. Результаты эксперимента 81
4.3.7. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования 82
4.4. СИ-генератор в импульсно-периодическом режиме 83
4.4.1. Конструкция генератора 83
4.4.2. Проблемы долговременной стабильности параметров излучения 85
4.4.3. Результаты эксперимента , 87
4.4.4. Измерение микроструктуры тока пучка
4.5. Генератор 8-см диапазона 89
4.6. Выводы 94
4.6.1. Направления дальнейших исследований 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
ЛИТЕРАТУРА 99
Введение к работе
Сверхизлучение (СИ) — одно из наиболее интересных явлений в физике кооперативного электромагнитного излучения — было предсказано Р. Дике [1] в 1954 г. для двухуровневой квантовой системы с инверсной населённостью. Оно заключается в том, что при определённых условиях возможно формирование в активной среде мощного импульса излучения, энергия которого равна всей энергии, запасённой в системе, а мощность пропорциональна квадрату числа частиц, что говорит о том, что все частицы излучают в одной фазе, то есть излучение носит кооперативный характер. Интерес к поиску аналогов явления сверхизлучения в неквантовых системах возник в середине 80-х годов. В настоящее время возможность реализации сверхизлучательного механизма генерации электромагнитных импульсов как теоретически, так и экспериментально продемонстрирована в лазерах на свободных электронах, приборах с циклотронным и черенков-ским взаимодействием. Характерной особенностью режима СИ является формирование короткого импульса, содержащего всего несколько периодов электромагнитного поля. Оценки эффективности излучения (отношения энергии излучения к суммарной начальной энергии ансамбля электронов) в численном расчете дают величину 50%, что может значительно превышать энергетическую эффективность аналогичных приборов при работе в стационарном режиме. Высокая эффективность энергообмена обусловлена благоприятным продольным распределением амплитуды поля в электромагнитном импульсе, обеспечивающим формирование электронных сгустков в тормозящей фазе. Мощность излучения, как показано в описанных далее экспериментах , при этом может превышать мощность электронного пучка. Это связано с выполнением одного из условий СИ, когда время передачи энергии в электромагнитный пакет (или время высвечивания t%) значительно превышает его длительность At. Другим важным условием реализации режима СИ является ограниченность во времени электронного сгустка (tb tz). И наконец, как и в квантовой системе, время релаксации.
При малых длительностях электромагнитного импульса существенно возрастает электрическая прочность системы, что даёт возможность получения предельно высоких для микроволнового диапазона уровней мощности. Эти особенности делают сверхизлучательные приборы перспективным источником сверхмощных (гигаваттного уровня) электромагнитных импульсов.
Генераторы СВЧ-диапазона на основе эффекта сверхизлучения, благодаря своим уникальным параметрам (высокая мощность и эффективность, малая длительность импульса), могут послужить базой для развития радиолокации высокого разрешения, найти применение в биофизических исследованиях, ускорительной технике, физике плазмы. В перспективе, при решении ряда технических проблем, высокооэффективные генераторы коротких мощных СВЧ-импульсов могут найти и технологическое применение, например в катализе и плазмохимии.
Экспериментальные исследования сверхизлучательных СВЧ-генераторов ведутся в Институте электрофизики УрО РАН и Институте сильноточной электроники СО РАН.
Цель работы
Основной целью диссертационной работы являлось исследование нестационарной генерации сверхкоротких импульсов электромангитного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн при взаимодействии сильноточного электронного пучка с синхронной пространственной гармоникой встречной волны в периодических замедляющих системах типа лампы обратной волны.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения:
• Экспериментально показано, что в релятивистской лампе обратной волны с длиной электродинамической системы, многократно превышающей стартовую, в области параметров гофрировки, обеспечивающих минимальное расплывание волнового пакета из-за частотной дисперсии его групповой скорости, реализуется генерация сверхкоротких импульсов СВЧ-излучения с пиковой мощностью, превосходящей мощность электронного пучка. При длине электродинамической системы, превышающей стартовую в 6 раз, и отношении среднего диаметра замедляющей системы к длине волны излучения 1.5 в 3-см диапазоне длин волн получена пиковая мощность 3 ГВт при коэффициенте преобразования мощности от электронного пучка в излучение, равном 1.8.
• Сокращение длительности фронта импульса ускоряющего напряжения на вакуумном диоде с 2 не до 0.5 не позволяет увеличить ресурс стабильной генерации СВЧ-импульсов в релятивистской лампе обратной волны 3-см диапазона с уровнем магнитного поля ниже области циклотронного поглощения встречной волны при работе в импульсно-периодическом режиме с 104 до 106 импульсов, что связано с сокращением времени запаздывания тока в вакуумном диоде с взрывоэмиссионным катодом относительно импульса напряжения и уменьшением задержки возбуждения СВЧ-импульса.
• Наличие зависимости инкремента неустойчивости в системе элек 8
тронный пучок — встречная волна от диаметра пучка позволяет осуществлять регулировку длительности генерируемого СВЧ-импульса. В релятивистской лампе обратной волны с частотой генерации 3.7 ГГц, при 5% изменении диаметра электронного пучка, диапазон регулировки достигает 30%.
Достоверность результатов
Для анализа процессов генерации использовались как простые одномерные нестационарные модели, так и полномасштабные численные эксперименты на основе программы KARAT с реальными геометриями электродинамической системы ЛОВ. Достоверность теоретического анализа подтверждается качественным и количественным согласием с результатами экспериментов, проведеных как в ИСЭ СО РАН, так и в Институте электрофизики УрО РАН. Разнообразие использованных в экспериментальных работах методик регистрации, часто дублирующих друг друга, способствовало повышению точности и достоверности измерений выходных параметров генерации.
Научная новизна работы
В работе проведен разносторонний анализ нестационарных процессов в релятивисткой лампе обратной волны в сверхизлучательном режиме. Найдены условия для эффективной генерации импульсов излучения с длительностью в единицы периодов ВЧ-ПОЛЯ.
В численном расчете показано, что выходная мощность такого генератора может превышать мощность электронного пучка. Этот эффект объясняется аккумулированием энергии в коротком по сравнению с длиной системы электромагнитном импульсе, который, перемещаясь, взаимодействует с новыми порциями электронного потока. Возможность получения в релятивистской ЛОВ импульсов с пиковой мощностью, превосходящей мощность электронного пучка, была подтверждена экспериментально [23, 21, 24]. В ряде экспериментов [22, 23, 21, 24] весьма продуктивным оказалось использование относительно сверхразмерной замедляющей системы с пониженной дисперсией групповой скорости. Последующее наращивание пиковой микроволновой мощности обусловлено выбором оптимальных условий такого режима генерации, в частности, с использованием неоднородных замедляющих систем и профилированием ведущего магнитного поля.
Дальнейшие исследования были направлены как на определение фундаментальных и практических ограничений на мощность в импульсе (в настоящий момент максимальная мощность, полученная в СИ ЛОВ, составляет около 3 ГВт [25, 26]), так и создание установок для прикладных задач, в частности, работающих в импульсно-периодическом режиме. В связи с этим возникла потребность в повышении ресурса работы взрыво-эмиссионного катода, разработке систем, работающих при уровне ведущего магнитного поля ниже величины, соотвествующей циклотронному резонансному поглощению встречной волны, общей оптимизации системы с точки зрения энергетической эффективности, анализу влияния пучковых неустойчивостей на процесс генерации.
Высокие коэффициенты конверсии (отношение мощности СВЧ-излучения к мощности пучка) позволяют создавать установки гигаваттно-го уровня мощности при умеренной энергии электронов. Это позволяет не только значительно уменьшить габариты и стоимость системы, но и приводит к заметному снижению уровня рентгеновского тормозного излучения и упрощению биологической защиты.
Практическая значимость работы, внедрение результатов
Результаты работы позволили реализовать новый класс релятивистских СВЧ-приборов с уникальными параметрами. Разработана серия экспериментальных установок, работающих как в режиме однократных импульсов, так и импульсно-периодическом режимах. Установки использовались при проведении исследований в ИСЭ СО РАН, ИЭФ УрО РАН, компаниях ITHPP (Франция), ВАЕ Systems (Великобритания), университете NUDT (Китай).
Вклад автора
Вклад автора заключался в участии в постановке задач исследования, проведении численного моделирования, конструировании электродинамических систем и других частей экспериментальных установок, средств диагностики, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов. Все эксперименты выполнены либо непосредственно автором, либо с его активным участием.
Публикации результатов
Основные результаты диссертационной работы изложены в статьях [23, 21, 24, 25, 26, 33, 57, 58, 31, 55, 56] и представлены на конференциях BEAMS 2002 (Альбукерк, США), BEAMS 2006 (Великобритания), Международных симпозиумах по сильноточной электронике (2004 и 2006 г.г., г. Томск), Школе-семинаре по СВЧ-электронике и радиофизике (2006 год, г. Саратов), а также на семинарах ИСЭ СО РАН.
Структура и объем диссертации, краткое содержание
Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения. Объем диссертации составляет 106 страниц, включая 48 рисунков, 2 таблицы, и список литературы из 58 наименований.
Первая глава посвящена анализу работ в области релятивистской СВЧ-электроники по использовании нестационарных процессов для генерации коротких мощных импульсов СВЧ-излучения. В разделе 1.2 описывается система уравнений, соотвествующая одномерной нестационарной модели лампы обратной волны с однонаправленным движением электронов (гидродинамическая модель). Вводится параметр коэффициента конверсии, как отношение пиковой мощности СВЧ-излучения к мощности электронного пучка. В разделе 1.3 приводится оценка длительности импульса формируемого в замедляющей системе типа ЛОВ. Показано, что зависимость оптимальной длительности СВЧ-импульса от энергии инжектиру-мых электронов имеет тот же характер, что и длина пространства взаимодействия в классической ЛОВ. В разделе 1.4 указывается на целесообразность оптимизации профиля параметра связи по длине взаимодействия. В конце главы формулируются задачи исследования.
Вторая глава посвящена изложению теоретического обоснования решаемой задачи. В разделах 2.1—2.4 представлены результаты анализа расчетов, выполненных с использованием одномерной нестационарной модели. Найдены условия формирования в протяженной замедляющей системе коротких пиков мощности с высокой эффективностью.
Получены величины оптимальной длительности электронного пучка и уровня начальных возмущений. Показано, что в замедляющей системе с однородным сопротивлением связи, мощность импульса излучения на выходе может превышать мощность исходного электронного пучка. Использование неоднородных замедляющих систем позволяет увеличить выходную мощность ещё в несколько раз. Разделы 2.5—2.7 посвящены сравнению результатов гидродинамимического приближения с Р1С-моделью, допускающей остановку частиц. Также получена оценка влияния энергетического разброса электронов пучка на выходные параметры генератора. В разделе 2.8 обосновывается необходимость использования низкодисперсионных замедляющих систем.
В третьей главе описаны особенности использовавшихся экспериментальных установок и систем диагностики, приведены методики измерения временных, спектральных и энергетических параметров субнаносекундных СВЧ-импульсов сантиметрового диапазона гигаваттного уровня мощности.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований релятивистских электронных СВЧ-генераторов, разработанных в соответствии с описанными принципами.
Раздел 4.2 посвящен описанию генератора на базе ускорителя СИНУС-120, в этом эксперименте впервые в ЛОВ был получен СВЧ-импульс с мощностью, превосходящей мощность электронного пучка.
В разделе 4.3 описывается эксперимент, направленный на достижение максимального коэффициента конверсии. Использовался ускоритель типа СИНУС-200 и ЛОВ с увеличенной длиной ЗС и выводом излучения с катодного края. В эксперименте в 3-см диапазоне была получена выходная мощность 3 ГВт при длительности СВЧ-импульса 0.65 не и коэффициенте конверсии 1.8. Эксперимент показал важность учета пучковых неустойчи-востей при разработке протяженных замедляющих систем.
Последующие эксперименты ставили своей целью создание работающих в импульсно-периодическом режиме установок для практических применений. Продолжительный режим работы потребовал снижения рассеиваемой в соленоиде мощности, что привело к необходимости создания электродинамических систем способных работать в низких магнитных полях, ниже величины, соотвествующей резонансному циклотронному поглощению встречной волны.
Были разработаны генераторы 3-см (раздел 4.4) и 8-см (раздел 4.5) диапазонов. Коэффициент конверсии в обоих экспериментах составлял около 0.5. Использование двухсекционных соленодов с независимой регулировкой тока позвлило осуществить электронную перестройку длительности СВЧ-импульса за счет регулировки диаметра пучка в ЗС. Благодаря непосредственной регистрации ВЧ-сигнала в 8-см эксперименте был обнаружен эффект синхронизации фазы излучения с фронтом импульса напряжения на катоде.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
