Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Релятивистские высокочастотные электронные мазеры позволяют существенно повысить уровень мощности излучения в диапазонах длин волн, освоенных нерелятивистской электроникой, а также продвинуться на высоких уровнях мощности в новые, доступные ранее лишь для квантовых приборов, диапазоны от субмиллиметрового до ультрафиолетового [1-7]. Соответственно, релятивистские электронные генераторы представляются перспективными для использования при решении таких важных физических и технических проблем, как нагрев и диагностика плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, синтез новых материалов, очистка и поддержание химического состава атмосферы, спектроскопия и др. [5,6,8,9].
К настоящему времени теоретически исследовано и реализовано в эксперименте множество разновидностей релятивистских электронных приборов, основанных на различных механизмах индуцированного излучения частиц. В сантиметровом диапазоне длин волн доминируют модификации традиционных приборов, основанных на черенковском и переходном индуцированном излучении электронных пучков: ЛБВ, клистрон, ЛОВ, магнетрон [10-13], а по мере продвижения в область более коротких волн оказываются более привлекательными так называемые электронные мазеры [14-27] - приборы, основанные на индуцированном тормозном излучении потоков электронов-осцилляторов, колеблющихся либо в однородном магнитостатическом поле (мазеры на циклотронном резонансе), либо в пространственно-периодическом поле накачки (убитроны и скаттроны).
Самой популярной на сегодняшний день разновидностью мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) является гиротрон [14, 15] - прибор, основанный на излучении электронов в направлении, почти перпендикулярном к направлению их поступательного движения в магнитостатическом поле. Достоинствами гиротронов являются высокий КПД, а также высокая селективность, которая достигается при использовании относительно простых микроволновых систем. Недостатки гиротронов обусловлены использованием в них высокодобротных квазикритических рабочих волн; к ним можно отнести определенные сложности при реализации схем с перестройкой частоты излучения, а также ограничение электронного тока и, соответственно, мощности генерации.
Использование доплеровского преобразования частоты колебаний электронов, поступательно движущихся в направлении, близком к направлению СВЧ излучения, со скоростью, близкой к световой, является одним из путей увеличения частоты генерации электронных мазеров. Основанные на этом принципе прибору П(7ГТУ1Т?'1И название лазеров и
РОС. ММІИОНАЛЬНАЯ БИГ.Зи .ГЕКА С.Петербург 300 &РК
мазеров на свободных электронах (ЛСЭ и МСЭ) [16-27]. Генераторы, в которых происходит доплеровское преобразование электронной циклотронной частоты - мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) [16-18] - позволяют в перспективе освоить миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны при существенно меньших, чем в гиротронах, магнитных полях. В то же время, вследствие зависимости релятивистской циклотронной частоты электронов от их энергии, преобразование частоты в МЦАР растет пропорционально только первой степени энергии частиц. В этой связи МСЭ, основанные на индуцированном ондуляторном излучении (убитроны) и вынужденном рассеянии (скаттроны) [19-27], в которых доплеровское преобразование пропорционально квадрату энергии, имеют преимущества при продвижении в коротковолновые диапазоны.
В последние годы было проведено большое количество экспериментальных исследований релятивистских МЦР, убитронов и скаттронов. Одновременно развивалась теория этих приборов. Если говорить о мазерах со слабо/умеренно-релятивистскими электронными пучками (в которых энергия электронов составляет десятки/сотни кэВ), то большинство успешных экспериментов было осуществлено в коротковолновой части сантиметрового и миллиметровом диапазонах длин волн. С точки зрения эффективности первенство, несомненно, принадлежит слаборелятивистским гиротронам, электронный КПД которых составляет, как правило, 30-35%. При этом, однако, мощность генерации этих приборов ограничена уровнем в несколько МВт. Что касается существенно более мощных умеренно-релятивистских электронных мазеров, то их КПД, как правило, довольно низок и достигает 20-30% лишь в некоторых, наиболее успешных экспериментах [28-31]. К наиболее актуальным проблемам, стоящим перед теорией электронных мазеров на современном этапе, прежде всего относится исследование путей повышения эффективности и мощности источников, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн, а также продвижение мазеров со слабо/умеренно-релятивистскими электронными пучками в субмиллиметровый диапазон длин волн.
Цели диссертационной работы. Диссертационная работа посвящена разработке и теоретическому исследованию новых разновидностей электронных мазеров. Основной целью является поиск путей повышения эффективности и мощности электронных мазеров, а также увеличения частоты их генерации. При этом важной задачей является обеспечение стабильности генерации и одномодовости выходного излучения. В рамках указанной проблемы в настоящей работе:
предложены и теоретически исследованы новые схемы реализации в электронных мазерах режима захвата и адиабатического торможения частиц;
предложены и исследованы новые схемы двухволновых электронных мазеров, а именно: одночастотные схемы, основанные на кооперации двух мод микроволновой системы с разными поперечными структурами, а также двухчастотные схемы, основанные на умножении частоты;
предложены и исследованы новые методы генерации мощных коротких импульсов когерентного СВЧ излучения, основанные на спонтанном когерентном излучении коротких электронных сгустков, а также на компрессии СВЧ испульсов вследствие брэгговского рассеяния волн на пространственно-модулированном электронном пучке;
проведен анализ различных типов конкуренции мод в МСЭ-генераторах с нефиксированной структурой СВЧ поля и широкополосной обратной связью.
Научная новизна работы
1. Для электронных мазеров предложена новая схема режима захвата и
адиабатического торможения частиц - так называемый режим
«нерезонансного» захвата. Его главной особенностью является
нефиксированность резонансных параметров системы, что обеспечивает
низкую критичность к скоростному разбросу электронов и возможность
широкополосной перестройки частоты в усилительных схемах.
2. Развита теория режима захвата и адиабатического торможения
частиц в секционированных генераторных схемах электронных мазеров.
Показано, что использование двухсекционнной схемы (генераторная и
усилительная секции) с плавным распределением СВЧ поля при переходе
из первой секции во вторую обеспечивает практически полный захват
» электронов. Для реализации такой ситуации предложено использование
генераторной секции с распределенной обратной связью.
3. Предложены новые схемы МЦР-генераторов, основанные на
, кооперации двух поперечных мод микроволновой системы, находящихся в
резонансе с электронами на одной и той же частоте, но на разных циклотронных гармониках. Возможность достижения высокого КПД в этих приборах продемонстрирована как в расчетах, так и в экспериментах.
4. Развита теория электронных мазеров с умножением частоты. В
частности, для умножителей клистронного типа предложен новый режим
взаимодействия электронов с внешней сигнальной волной на удвоенной
частоте этой волны. Преимуществом такого режима является увеличение
фактора умножения частоты за счет улучшения группировки на четных
гармониках частоты сигнальной волны, а также улучшения селективности
вследствие малости нечетных гармоник электронного тока. В качестве
возможной схемы реализации такого режима предложено использовать
взаимодействие частиц одновременно с попутной и встречной
компонентами запертой в резонаторе стоячей волны при выполнении
двухволнового резонансного условия специального типа.
5. Предложены новые методы генерации мощных ультракоротких
широкополосных электромагнитных импульсов субмиллиметрового
диапазона длин волн, основанные на спонтанном когерентном излучении
коротких электронных сгустков: синхротронное излучение униполярных
импульсов квазиплоскими сгустками релятивистских электронов, которые
движутся по ограниченной криволинейной траектории, а также
циклотронное излучение СВЧ импульсов, возникающее при раскачке
электронов полем лазерного импульса.
6. Предложено использование пространственно-модулированного
(«гофрированного») электронного пучка в качестве активного ключа
компрессора СВЧ импульсов. Основной идеей является использование
брэгговского рассеяния волн на «гофрированном» пучке для быстрой
трансформации высокодобротной волны накачки в низкодобротную
выходную волну.
7. Развита теория конкуренции поперечных мод в МСЭ-генераторах с
широкополосной обратной связью и нефиксированной структурой СВЧ
поля. Детально исследован механизм потери устойчивости одномодовой
генерации и предложен простой метод анализа устойчивости одномодового
режима. Предложены методы учета частотной дисперсии обратной связи в
уравнениях пространственно-временной теории возбуждения генератора и
продемонстрировано существенное влияние широкополосной дисперсии на
процесс взаимодействия мод. Выяснено влияние скоростного разброса
частиц на динамику конкуренции продольных мод. Исследован процесс
смены «рабочей» моды при перестройке частоты генерации; в частности,
продемонстрирован скачкообразный характер перестройки частоты при
плавном изменении резонансных параметров системы в течение одного
длительного импульса электронного тока.
Научная и практическая ценность работы
Использование предложенных схем реализации режима захвата и адиабатического торможения частиц представляется привлекательным путем повышения эффективности электронных мазеров, снижения их критичности к скоростному разбросу электронов, а также (для усилительных схем) обеспечения возможности широкополосной перестройки частоты.
Важными достоинствами предложенных схем МЦР-генераторов, основанных на кооперации двух поперечных мод (МЦАР-гиротрон и гиро-ЛОВ-ЛБВ) являются возможность достижения высокого электронного КПД, а также селективное возбуждение бегущей волны при использовании простых электродинамических систем.
Осуществление в электронных мазерах с умеренно-релятивистскими электронными пучками умножения частоты представляется привлекательным путем использования резонансного электронно-
волнового взаимодействия в уже относительно хорошо освоенном миллиметровом диапазоне длин волн для селективной генерации СВЧ-излучения субмиллиметрового диапазона. На освоение этого диапазона направлены и работы, посвященные методам генерации ультракоротких широкополосных импульсов электромагнитного излучения на основе спонтанного когерентного излучения коротких электронных сгустков.
Результаты приведенных в диссертации исследований, посвященных конкуренции мод в генераторах с широкополосной обратной связью и нефиксированной структурой СВЧ поля, представляются важными с точки зрения проблемы обеспечения стабильной одномодовой генерации и могут быть использованы для широкого класса электронных мазеров. Например, они широко использовались при конструировании мощного мазера на свободных электронах (Институт плазменной физики, Нидерланды), а также при объяснении результатов экспериментов с этим генератором.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1*-68*], докладывались на 17-19-й, 23-26-й Международных конференциях по ИК и ММ волнам (Пасадена, США, 1992; Колчестер, Великобритания, 1993; Сендаи, Япония, 1994; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтерей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001), Международных рабочих встречах "Мощные микроволны в плазме" (Н.Новгород, 1993, 1996, 1999 и 2002), 16-й и 19-25-й Международных конференциях по лазерам на свободных электронах (Стенфорд, США, 1994; Пекин, КНР, 1997; Вильямсбург, США, 1998; Гамбург, Германия, 1999; Дурхам, США, 2000; Дармштадт, Германия, 2001; Аргонн, США, 2002; Цукуба, Япония, 2003), Международной конференции EuroEM-2000 (Эдинбург, Великобритания, 2000), 12-й Международной конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Хайфа, Израиль, 1998), 10-й Международной рабочей встрече по электронному циклотронному излучению и нагреву (Амеланд, Нидерланды, 1997), 25-й Генеральной ассамблее Международного радиофизического союза (Лилль, Франция, 1996), Международной школе по стохастическим явлениям в радиофизике (Саратов, 1994), 2-м азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск, 1995), Международных рабочих встречах по МСЭ и ММ волнам (Ньювегейн, Нидерланды, 1992-1997), а также семинарах ИПФ РАН и семинарах, проведенных в Стратклайдском университете (г. Глазго, Великобритания) и Технологическом университете г. Хельсинки (Финляндия).
Значительная часть работ, изложенных в диссертации, была включена в цикл работ «Теоретическое и экспериментальное исследование мощных мазеров на свободных электронах», за который автор (совместно с Н.Ю.Песковым и С.В.Самсоновым) был удостоен Медали и Премии РАН
для молодых ученых за лучшую работу 1999 года в области общей физики и астрономии.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, в котором перечислены основные результаты работы. Объем диссертации составляет 343 страницы; она содержит 173 рисунка, 9 таблиц, и список цитируемой литературы (159 пунктов).