Введение к работе
История вопроса и актуальность темы.
В основе действия лазеров на свободных электронах лежат две основополагающие идеи. Во-первых, это выдвинутая В. Л. Гинзбургом и Мотцем в начале 50-х годов идея получения коротких волн с помощью доплеровского преобразования частоты излучения электронов-осцилляторов, ,. движущихся с поступательной скоростью, близкой к скорости света. При этом имелось в виду или излучение отдельных электронов или заранее сформированных коротких Св масштабе длины волны) электронных сгустков, т.е. речь шла о спонтанном излучении или излучении при заданном движении. Вторая основополагающая идея о возможности придания коротковолновому излучению вынужденного (индуцированного) характера, т.е. возможности разбиения .в результате автофазироЕки первоначально стационарного электронного потока на когерентно излучающие сгустки, в соединении с идеей доплеровского сдвига частоты была высказана Пантеллом и Мзйди значительно позже, в 1968-1971гг . К этому і времени общие представления о вынужденном излучении ансамблей электронов-осцилляторов были развиты в работах А.В. Гапонова с сотрудниками.
Введенный Мэйди термин "лазер на свободных электронах"(ЛСЭ) в настоящее время используется в широком и узком смысле. В широком смысле Сем., например, [1-6]) к ЛСЭ можно отнести большой класс электронных приборов, использующих доплеровское смещение частоты вверх. Подобные "доплертроны" могут быть основаны на различных механизмах индуцированного излучения Сциклотронном, ондуляторном, вынужденном рассеянии волн), т. е. отличаться способом сообщения электронам осцилляторного движения. В, узком смысле ЛСЭ называют устройства, основанные на .вынужденном, ондуляторном излучении
Сизлучении в периодическом магнитостатическом поле) или вынужденном рассеянии волн. Указанные два процесса идентичны в сопровождающей электрон системе отсчета, где периодическое магнитостатическое поле трансформируется в электромагнитную волну накачки, и за небольшим исключением эти процессы могут быть описаны в рамках универсальной теории. В данной работе термин ЛСЭ используется в указанном узком смысле. При этом для приборов, основанных на ондуляторном излучении, используется также их традиционное в электронике СВЧ название - убитроны. Для симметрии устройства, основанные на вынужденном рассеянии волн, называются скаттронами [1, 8] Сот английского scattering - рассеяние).
Следует отметить , что для убитронов достаточно успешные экспериментальные реализации предшествовали созданию строгой теории. Упомянем здесь мощный убитрон миллиметрового диапазона с субрелятивистским электронным пучком (Филлипс, 1968), релятивистский генератор типа лампы встречной волны, реализованный в совместном эксперименте ФИАН, НИРФИ С1976) и, наконец, ЛСЭ Ж диапазона, созданный на базе Стзнфордского линейного ускорителя С1977) . Последний эксперимент привлек очень большой интерес к этому классу^, источников когерентного излучения. К числу первых работ, в которых была построена нелинейная теория ЛСЭ, принадлежат работы автора С 6-8].
Дальнейшее развитие экспериментальных исследований потребовало углубления и расширения теоретического анализа, когда наряду с фундаментальными принципами стало необходимым рассмотрение таких важных для эксперимента факторов, как влияние собственных электрических и магнитных полей пучков, разброса параметров пучков, неоднородности высокочастотных волн, характера поляризации этих волн- и т.д. Кроме того, весьма актуальными в практическом
отношении проблемами явились поиски методов оптимизации параметров и повышения КПД, разработка методов электродинамической и электронной селекции мод, построение теории многочастотной генерации. Следует также отметить, что широта диапазонов длин волн, в которых могут быть реализованы убитроны и скаттроны Сот оптического до СВЧ), а также значительное число типов используемых инжекторов Ссильноточные ускорители, линейные ускорители, микротроны, накопительные кольца и т.д.) обуславливает большое разнообразие специфических эффектов и связанных с ними теоретических вопросов. Так, для источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазона с сильноточными РЭП кардинальное влияние оказывает наличие фокусирующего магнитного поля. С другой стороны, пучки высоких энергий, используемые в ЛСЭ инфракрасного и оптического диапазонов, формируется линейными ускорителями, микротронами и т.п., и представляют собой последовательность коротких . импульсов; в этом случае важной задачей становится исследование механизма синхронизации резонаторних мод и построение теории импульсного режима генерации. Таким образом, анализ физических процессов в убитронах и скаттронах представляет собой достаточно многогранный комплекс проблем. Изложению теоретических результатов, полученных автором в рамках указанной проблематики, и посвящена данная диссертационная работа. Цели диссертационной работы.
-
Развитие методов усредненного описания движения релятивистских электронов в полях двух разночастотных электромагнитных волн и построение на этой основе нелинейной теории убитронов и скаттронов.
-
Учет влияния на процесс усиления и генерации дополнительных факторов, присущих реальному эксперименту: неоднородности ВЧ гилей, влияния высокочастотного пространственного заряда, наличия
фокусирующего магнитного поля, разброса скоростей электронов и т.д.
-
Поиск методов оптимизации параметров и повышения КПД.
-
Исследование процессов многочастотной генерации и воздействия электронного потока на пространственно-временную структуру поля излучения.
Научная новизна работы. В результате выполнения данной работы:
1. Проведено обобщение метода усредненного высокочастотного
потенциала применительно к описанию движения релятивистских
электронов в полях двух разночастотных электромагнитных волн в
условиях комбинационного синхронизма.
-
Построена нелинейная теория усилительных и генераторных вариантов убитронов и скаттронов как для простейших одномерных моделей, так и для моделей, учитывающих поперечную неоднородность ВЧ полей, влияние фокусирующего магнитного поля.
-
Исследовано влияние на процесс взаимодействия собственных электрических и магнитных полей РЭП.
-
Проанализированы дополнительные механизмы излучения, в т. ч. излучение на гармониках частоты осцилляции электронов в поле накачки, а также излучение, связанное 'с возбуждением внутренних степеней свободы осцилляторов Ссложный нормальный и аномальный эффект Доплера).
-
Построена теория многочастотной генерации в автогенераторах с различными типами механизмов обратной связи Срезонансные генераторы, генераторы встречной волны, генераторы, работающие вблизи полосы непрозрачности). Проанализирована смена режимов генерации по мере превышения тока пучка над стартовым значением. Обнаружены автомодуляционные Св т.ч. стохастические) режимы генерации.
-
Предложен ряд методов повышения КПД, в частности, основанный на
использовании некогерентной накачки и ведущего магнитного поля. 7. Исследованы эффекты канализации и сверхизлучения, возникавшие в процессе вынужденного излучения пространственно-локализованных ансамблей электронов-осцилляторов в свободном пространстве, когда такие ансамбли выступают в роли активных волноводов и резонаторов. Практическая значимость.
Результаты исследований, изложенных в диссертации, в основном направлены на применение их для целей генерации мощного коротковолнового когерентного излучения с помощью релятивистских электронных пучков СРЭП). Они могут быть использованы для расчета генераторных и усилительных вариантов убитронов и скаттронов как с КЕазиоптическими, так и с волноводными электродинамическими системами. Для решения проблемы селекции мод принципиально важен развитый в работе анализ многочастотных процессов и эффектов канализации излучения. Исследованное в работе явление автомсдуляции излучения электронных СВЧ-генераторов при больших параметрах надкритичности может быть использовано для создания мощных источников шума. Использование результатов.
Результаты диссертации были использованы при разработке убитрона с брэгговским резонатором, экспериментально реализованного в ИПФ АН СССР, а также убитрона, работающего на-'уквази-критической частоте, созданного в ИСЭ СО АН СССР. Результаты диссертации использовались также при интерпретации экспериментов по наблюдению вынужденного рассеяниия волн на РЭП, проведенных в ИОФ АН СССР и ИСЭ СО АН СССР.
В части, касающейся динамики генераторов встречной Собратной) волны, результаты работы получили экспериментальное подтверждение в работах, выполненных в СГУ. В ИРЭ АН УССР разработан источник шумового излучения на основе обнаруженного в
работе эффекта стохастической автомодуляции в указанном классе генераторов.
Апробация работы , Материалы диссертационной работы докладывались на семинарах ИПФ АН СССР, а также на семинарах НИРФИ, НИИ "Титан", МИЭМ, ФИ АН СССР, ОИЯИ, ХФТИ, на всесоюзных и международных конференциях, семинарах и симпозиумах: "Электроника СВЧ", Ростов-на-Дону, 1976, Киев, 1979, Минск, 1983, Орджоникидзе, 1986, "Релятивистская высокочастотная электроника", Горький, 1978, 1983,. Томск, 1980, 1991, Москва, 1984, Новосибирск, 1987, Свердловск, 1989, "Колебательные явления в потоках заряженных частиц", Ленинград, 1977, 1981, "Синхротронное излучение", Москва, 1980, "Рабочие совещания по мазерам и лазерам на свободных электронах" , Москва, 1981, Горький, 1984, 1986, "Когерентная и нелинейная оптика", Ленинград, 1978, Киев, 1980. "Оптика лазеров", Репино, 1980, "Всесоюзные симпозиумы по сильноточной электронике", Новосибирск, 1986, 1988, Москва, 1992,"Зимние школы-семинары инженеров по электронике СВЧ и радиофизике", Саратов,,1978, 1981, 1990, заседания секции Релятивистская высокочастотная : электроника Научного Совета АН СССР "Физическая электроника", "Международные конференции по мощным электронным и ионным пучкам", Новосибирск, 1979, Вашингтон,' 1992, "Международная конференция по многофотонкым процессам", Будапешт, 1980, "Советско-финский симпозиум по квантовой электронике", Ташкент, 1983, Международное рабочее совещание "Мощное микроволновое излучение в плазме", Суздаль, 1990, "Международная конференция по коллективным методам ускорения", Харьков, 1992. "Международная конференция по нетрадиционным и лазерным технологиям, Москва, 1992.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из 6-ти глав, введения и заключения. Объем работы \413 листов, включая 92
рисунка. Библиография насчитывает 214 цитированных источников и (отдельно) 77 публикаций автора по теме диссертации.
