Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Создание мощных импульсных источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения является актуальной задачей электроники больших мощностей. Потребность в таких источниках обусловлена рядом фундаментальных задач и практических приложений, включая физику плазмы и твердого тела, фотохимию, биофизику, исследование свойств и синтез новых материалов, ускорительные приложения и т.д.
В настоящее время наибольшая мощность излучения получена с помощью гиротронов [1], которые при использовании субрелятивистских электронных пучков позволили освоить миллиметровый диапазон на мегаватт- ном уровне мощности [2 - 5] и продвинуться в субмиллиметровый диапазон с мощностью в десятки киловатт [6, 7]. Перспективными источниками импульсного излучения являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [8 - 11], основанные на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле) релятивистских электронных пучков (РЭП) в условиях доплеровского преобразования частоты и способные, таким образом, обеспечить узкополосное излучение с мульти-мегаваттным уровнем мощности в диапазонах от терагерцового [12 -16] до субмиллиметрового [17, 18] и миллиметрового [19 - 29].
Для достижения больших импульсных мощностей в микроволновом диапазоне при запитке МСЭ используются сильноточные (~0.1-10кА) магнитонаправляемые РЭП с умеренной энергией частиц (~ 0.5 -1.5 МэВ) и гигаваттным уровнем мощности. Фокусировка и транспортировка подобных пучков в пространстве взаимодействия осуществляется, как правило, ведущим магнитным полем, наличие которого существенно влияет как на процесс формирования винтовых РЭП, так и на работу МСЭ [30 - 37, 1А].
Основными конкурентами МСЭ, также использующими доплеровское преобразование частоты, являются мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) - генераторы, основанные на циклотронном излучении магнитона- правляемых РЭП [38]. Однако, как показали проведенные экспериментальные [39, 23, 24, 24А] и теоретические [19А] исследования, МСЭ с ведущим магнитным полем обладают меньшей критичностью к разбросу параметров РЭП по сравнению с МЦАР и, таким образом, предпочтительны с точки зрения получения большей эффективности и мощности излучения.
Традиционными электродинамическими системами МСЭ-генераторов в настоящее время стали брэгговские резонаторы в виде отрезков волноводов со слабой однопериодической гофрировкой [21, 40]. Данные резонаторы, реализующие одномерную распределенную обратную связь (РОС), как и предшествующие оптические аналоги [41,42] обеспечивают связь двух встречно-распространяющихся волн, обладающих значительной групповой скоростью. Однако во всех проведенных экспериментах [21, 26 -28] поперечные размеры «традиционных» брэгговских резонаторов составляли не более нескольких (1-2) длин волн излучения, а генерируемая мощность не превышала десятков мегаватт. Дальнейшее увеличение поперечных размеров таких электродинамических систем ведет к потере их селективности.
Одним из возможных путей увеличения мощности выходного излучения МСЭ при сохранении ее средней плотности может быть развитие пространства взаимодействия вдоль одной из поперечной координат и использование сильноточных РЭП ленточной и трубчатой конфигурации. В настоящий момент реализованы подобные пучки с характерными поперечными размерами до IO2 см и запасом энергии -IO2-IO3 кДж [43, 44]. В микроволновом диапазоне ширина этих пучков на несколько порядков превосходит длину волны, и при создании генераторов на их основе на первый план выступает проблема обеспечения режима одномодовой генерации в условии существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.
В электронике СВЧ накоплен достаточно большой опыт эффективного решения проблемы электродинамической и электронной селекции мод [45 - 50]. Одним из наиболее успешных решений явилось использование квазиоптических резонаторов в виде отрезков слабонерегулярных волноводов, в которых электронный поток возбуждает моды на квазикритических частотах. Такой метод селекции широко применяется в гиротронах [1] и оротро- нах [50] и позволяет использовать в этих приборах существенно сверхразмерные электродинамические системы, составляющие до 20 -30 длин волн [2-5]. Однако в МСЭ, работающих на быстрых, распространяющихся вдоль электронного потока, волнах, эти методы селекции не применимы.
Для эффективной селекция мод в МСЭ с поперечно-развитым пространством взаимодействия Н.С.Гинзбургом и др. было предложено использование двумерной распределенной обратной связи [4А - 6А], реализуемой с помощью, так называемых, «двумерных» брэгговских резонаторов. Эти резонаторы представляют собой отрезки планарных или коаксиальных волноводов с двоякопериодической гофрировкой, связывающей четыре парциальные волны, две из которых распространяются вдоль поступательного движения электронов и во встречном направлении (подобно традиционным брэгговским резонаторам [21, 40 - 42]), а две другие - в поперечном (азимутальном) направлении. Включение в цепь обратной связи поперечно- распространяющихся волновых потоков позволяет обеспечить эффективную селекцию мод по поперечному (азимутальному) индексу (по «широкой» поперечной координате) и когерентность излучения пространственно- развитых РЭП ленточной или трубчатой геометрии.
В то же время, задача укорочения длины волны излучения требует развития пространства взаимодействия и по второй («узкой») поперечной координате. Данная проблема может быть решена на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь квазикритических и распространяющихся мод [53А, 56А]. Таким образом, комбинация механизмов селекции, реализуемых в модифицированных и двумерных брэггов- ских структурах, позволяет обеспечить развитие системы по обеим поперечным координатам и реализовать в перспективе на базе существующих пучков узкополосные генераторы микроволнового излучения с гигаваттным уровнем мощности.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование MC Э с одномерной и двумерной распределенной обратной связью на основе сильноточных магнитонаправляемых РЭП, поиск путей увеличения их мощности, повышения КПД и обеспечения устойчивости режима узкополосной одномодовой генерации в условиях существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.
Научная новизна
-
Построена нелинейная теория MC Э с ведущим магнитным полем, основанная на использовании усредненного описания движения частиц. Исследованы особенности формирования винтовых РЭП и их энергообмена при различных соотношениях между гиро- и баунс-частотами. Найдены оптимальные режимы работы МСЭ, продемонстрирована возможность увеличения их эффективности.
-
Теоретически и экспериментально исследованы условия реализации одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов. При умеренной сверхразмерности (1-2 длины волны) показана эффективность использования брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки с точки зрения повышения КПД и устойчивости одномодовой генерации.
-
Продемонстрирована возможность работы брэгговского МСЭ- генератора на высокодобротную резонансную нагрузку. На основе 30-ГГц МСЭ реализован стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных ВЧ-импульсов.
-
Проведен анализ электродинамических свойств и «холодное» тестирование новых типов брэгговских резонаторов, в том числе, двумерных брэгговских резонаторов и модифицированных брэгговских резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показаны их преимущества перед традиционными аналогами с точки зрения поддержания селективности в условиях существенной свехразмерности пространства взаимодействия.
-
Исследована возможность использования двумерной РОС для получения мощного пространственно-когерентного излучения в генераторах, запитываемых широкими (в масштабе длины волны) ленточными и трубчатыми РЭП. Развита концепция сверхмощных МСЭ-генераторов с двумерной РОС на основе подобных пучков.
6. В мм диапазоне длин волн продемонстрирована работоспособность новых схем МСЭ с одномерной и двумерной РОС.
Практическая значимость диссертационной работы
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию МСЭ с рекордными параметрами излучения. Данные генераторы могут быть использованы в ряде фундаментальных и инженерных приложений. На основе реализованного ОИЯИ-ИПФ МСЭ разработан стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных микроволновых импульсов.
Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть также использованы при разработке других мощных узкополосных электронных мазеров, а также при создании высокоселективных электродинамических систем мм и суб-мм диапазонов.
Положения, выносимые на защиту
-
-
В МСЭ-генераторах на основе интенсивных магнитонаправляемых релятивистских электронных пучков, обладающих большим разбросом параметров, оптимальными с точки зрения получения высокого электронного КПД являются режимы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля.
-
В МСЭ с двухзеркальными брэгговскими резонаторами, реализующими одномерную распределенную обратную связь, одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции мод и, соответственно, в условиях нестабильности параметров пучка носит мультиста- бильный характер. Использование брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки позволяет обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации с КПД до 20 - 30% при свехразмерности пространства взаимодействия 1-2 длины волны.
-
В качестве электродинамических систем мощных МСЭ-генераторов, работающих в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах, могут быть использованы модифицированные брэгговские резонаторы, основанные на связи бегущих и квазикритических волн. Наличие в цепи обратной связи квазикритических волн позволяет улучшить селективные характеристики по сравнению с традиционными аналогами и обеспечить режим стабильной одномодовой генерации в МСЭ при сверхразмерности пространства взаимодействия до 10 длин волн, достаточной для транспортировки интенсивных релятивистских пучков.
-
При использовании двумерных брэгговских резонаторов планарной и коаксиальной геометрии с неглубокой двоякопериодической гофрировкой поверхности могут быть реализованы мощные МСЭ генераторы с двумерной распределенной обратной связью. В соответствии с результатами теоретического анализа, возникающие в такой системе поперечные (по отношению к направлению распространения электронного пучка) волновые потоки позволяют синхронизовать излучение релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии с поперечными размерами, достигающими IO2 - IO3 длин волн.
5. Экспериментально показано, что комбинация методов селекции и управления волновыми потоками, реализуемых в одномерных и двумерных брэг- говских структурах, позволяет обеспечить узкополосную одномодовую генерацию в МСЭ на основе интенсивных релятивистских электронных пучков и реализовать когерентные источники микроволнового излучения мультимегаваттной мощности.
Публикации и апробация результатов
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1А - 80А], среди которых 40 статей в зарубежных реферируемых журналах и 40 статей в отечественных журналах, рекомендованных ВАК. Материалы диссертации докладывались автором на V и VII Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький 1987; Томск 1991), VIII Всесоюзном и IX Международном симпозиумах по сильноточной электронике (Свердловск 1990, Екатеринбург-Москва 1992), Всесоюзном семинаре «Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа» (Ленинград 1990), Всесоюзной школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Москва 1991), Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1991, 2002, 2004), Всесоюзных школах-семинарах по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992, 1994), Всероссийских семинарах по физике микроволн (Н.Новгород 1996, 1999) и физике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н.Новгород 2005, 2007, 2009), II Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск 1995), 12, 17 и 18 Российско-германских семинарах по гиротронам и электронно-циклотронному нагреву плазмы (Н.Новгород 2000, 2006, Графсвальд, Германия 2005), 23 и 24 Международных конференциях по физике плазмы (Великобритания, Крифф 1996, Лиидз 1997), XXV и XXVI Генеральных ассамблеях Между народно го радиофизического общества (Франция, Лилль 1996, Канада, Торонто 1999), II - VII Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме» (Н.Новгород 1993, 1996, 1999, 2002, 2005, 2008), X, XI, XV и XVI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996, Санкт-Петербург, 2004, Великобритания, Оксфорд 2006), 31, 32 и 35 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Китай, Шанхай 2006, Великобритания, Кардифф 2007, Рим, Италия 2010), Международной конференции по Терагерцовому излучению (Новосибирск 2010), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН, ОИЯИ, Стратклайдского университета (Великобритания), Исследовательского центра Карлсруе (Германия) и др.
Личный вклад автора
В работах [1А, 2А] развит подход к нелинейной теории МСЭ с ведущим магнитным полем, основанный на усредненном описании движения частиц. Исследованы особенности энергообмена интенсивных магнитонаправляе- мых РЭП в МСЭ, показаны механизмы увеличения их эффективности. Объяснен высокий КПД, реализованный в МСЭ с обратным ведущим полем [16А] и продемонстрированы их преимущества перед МЦАР [19А].
На основе пространственно-временного подхода, развитого Н.С.Гинзбургом и А.С.Сергеевым, соискателем проведено моделирование МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, определены условия установления одномодовых и многомодовых режимов генерации [17А]. Продемонстрирована возможность достижения высокого КПД при использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки [24А, 32А]. Разработаны электродинамические системы МСЭ, реализованного на основе ускорителя ЛИУ-3000 (ОИЯИ). Экспериментальные исследования этого генератора ведутся совместно с А.К.Каминским и С.Н. Седых и др. в ОИЯИ. В последние годы автор принимал ключевое участие в создании стенда для исследования свойств материалов на данного МСЭ-генератора [73 А, 78А].
Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских структур, основанных на связи бегущих и квазикритических волн [53А, 56А], показаны их высокие селективные свойства вплоть до суб-мм диапазона [69А, 77А]. Для демонстрации работоспособности новой схемы МСЭ проведены моделирующие эксперименты в 8-мм диапазоне длин волн с упомянутыми выше соавторами [76 А].
Идея использования двумерной распределенной обратной связи предложена Н.С.Гинзбургом в работах [4А - 6А] при участии А.С.Сергеева и соискателя. Последнему принадлежит построение электродинамический теории двумерных брэгговских резонаторов и исследование их характеристик в «холодных» тестах [ЗОА, ЗЗА], в частности, демонстрация существования основной моды в центре брэгговской полосы [61 А, 64А]. При непосредственном участии соискателя проведено моделирование различных схем МСЭ с двумерной РОС [23А, 34А, 41 А, 75А].
Эксперименты по созданию мощных МСЭ с двумерной РОС проводятся на крупномасштабных стендах, и как следствие, экспериментальные работы [29А, 62А, 63А, 72А] написаны в большом коллективе соавторов. В исследованиях планарной схемы МСЭ, которые выполняются в ИЯФ СО РАН совместно с А.В.Аржанниковым, С.Л.Синицким и др., автор проводил расчеты электронно-волнового взаимодействия, разработку и оптимизацию электродинамических систем, а также принимал непосредственное участие в обработке, интерпретации и обсуждении экспериментальных результатов. Создание специализированного стенда для исследования коаксиальной схемы МСЭ с двумерной РОС проводилось в Страклайдском университете при участии ИПФ РАН, в проектировании и расчете всех его ключевых компонентов соискатель выступал как основной исполнитель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 307 страниц, включая 2 таблицы и 183 рисунка, списки цитированной литературы (166 наименований) и авторских публикаций (123 наименования), размещенные на 22 страницах.
Похожие диссертации на Мощные мазеры на свободных электронах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью
-
