Введение к работе
Актуальность исследований в данном
направлении обусловлена стремлением использовать
электромагнитные колебания все более коротковолновой
части миллиметрового диапазона волн, имеющих
высокую степень когерентности и стабтльности частоты, с большим уровнем мощности в ряде отраслей науки и техники таких как радиоастрономия, радиолокация, связь, диагностика сред и т.п.
Создание источников таких сигналов на базе классических СВЧ приборов требует дополнительных исследований по повышению их надежности {магнетрон, клистрон, ЛОВ, ЛБВ) и эффективности (ЛОВ, ЛБВ), а также улучшению частотных характеристик (магнетрон). Остаются нерешенными проблемы, особенно касающиеся качества частотных характеристик (когерентность сигнала и стабильность частоты), и для нового поколения СВЧ приборов, таких как гиротроны или сильноточные релятивистские СВЧ приборы.
К новому поколению СВЧ приборов относятся и нерелятивистские СВЧ устройства с открытыми электродинамическими системами, имеющие высокое качество частотных характеристик, даже когда их размеры значительно превышают величину рабочей длины волны. Подтверждением тому служат частотные характеристики действующих приборов этого класса: оротрона и ГДИ, работающих вплоть до КВЧ мм диапазона. Крупные успехи по дальнейшему повышению частоты генерируемых колебаний вплоть до сотен гигагерц в приборе этого класса - в плоском оротроне, достигнуты в США д-ром Уолушем . К сожалению, эти приборы малоэффективны и имеют уровень генерируемых колебаний позволяющий рассматривать их, главным образом, как источники для лабораторных исследований.
Большие успехи по повышению эффективности электронно-волнового взаимодействия в оротронах достигнуты в ИРЭ РАН. Созданная в ИРЭ РАН нелинейная теория оротрона, а также приобретенный богатый экспериментальный опыт показывают возможность реализации эффективных режимов работы
оротрона в мм диапазоне волн с большим уронш,; выходной мощности в режиме моногенерации.
Однако при этом остается проблемма достижения высоких значений КПД при относительно малых токах пучка, что особенно важно при продвижении этого прибора в коротковолновую часть мм диапазона волн. В диссертации предлагается решение этой проблемы за счет использования, ранее не учитываемых, резонансов периодических структур (ПС) мощных оротронов.
Цель данной работы заключается в выявлении и
исследовании закономерностей, обуславливающих
резонансы периодических структур мощных оротронов, а
также теоретическое (численным методом) и
экспериментальное исследование влияния резонансов
ПС на эффективность электронно-волнового
взаимодействия в мощных оротронах .
С научной точки зрения новизна работ состоит в следующем
1.Впервые выявлены и рассмотрены физические процессы, связанные с резонансами в периодических структурах открытых электродинамических систем (ОЭДС) мощных оротронов (резонанс первого рода).
2.Впервые предложено рассматривать открытую электродинамическую систему мощного оротрона в виде системы двух связанных резонаторов, один из которых - полусферический открытый резонатор, а другой - периодическая структура.
З.На основе разработанной физической модели открытой электродинамической системы мощного оротрона модифицирована одноволновая нелинейная теория этого прибора так, что стало возможным рассматривать эффективные режимы его работы с учетом конечных размеров периодической структуры.
4. Впервые получены соотношения для
определения коэффициентов трансформации поля
открытого резонатора в поле пространственной
синхронной гармоники с учетом резонансов в
периодических структурах, а также с учетом формы
распределения интенсивности ВЧ-поля в открытой
электродинамической системе оротрона.
5. Исследован численным методом процесс
формирования пространственных гармоник
периодических структур с учетом формы распределения интенсивности ВЧ поля в открытых электродинамических системах и показано, что амплитуды постранственных гармоник зависят как от формы распределения поля в области взаимодейтсвия, определяемой граничными условиями периодической структуры , так и от отношения толщины ламели периодической структуры к периоду.
-
Впервые экспериментально исследованы резонансные эффекты, связанные с рождением новой быстрой гармоники, "отрывающейся" от периодической структуры (резонанс второго рода) . Показано, что резонанс второго рода может быть использован для увеличения эффективности электронно-волнового взаимодействия при скоростях, значительно меньших скорости света с.
-
Результаты исследования резонансов в открытых периодических структурах , полученные в диссертации, расширяют представление о свойствах периодических структур, углубляют представления о физических процессах в области электронно-волнового взаимодействия в СВЧ приборах с открытыми электродинамическими системами и открывают пути к созданию новых эффективных СВЧ приборов.
8.Полученные экспериментальные и теоретические результаты могут с успехом быть использованы при численном моделировании режимов работы не только оротрона, но и других приборов этого класса (резонансных источников электромагнитных колебаний с длительным взаимодействием и открытыми электродинамическими системами).
Практическая значимость полученных
результатов заключается в том, что
1.Результаты исследований показывают
возможность увеличения КПД оротрона при относительно малых значениях тока пучка (меньших, чем при работе этого прибора в режиме без резонанса) за счет резонансного возбуждения электромагнитного поля в периодических структурах (ПС) (далее для простоты введем термин резнанс ПС). Это, в свою очередь, с одной стороны, позволяет при ограниченных возможностях эмиттеров увеличить предельно
допустимую мощность прибора данного диапазона волн, а с другой стороны , обеспечить возможность укорочения длинны волны при сохранении приемлемых значений мощности и КПД.
2. Резонанс второго рода может обеспечить высокоэффективные режимы за счет увеличения амплитуд всех гармоник ПС, возбуждаемых электронным потоком, и, как следствие, дает возможность надеяться на увеличение эффективности электронно-волнового взаимодействия на высших гармониках, что, в свою очередь, может дать возможность увеличить период ПС и высоту пролетного канала. Это существенно облегчит решение проблем по созданию мощного прибора этого класса в коротковолновой части мм диапазона волн.
3. Полученные результаты открывают новую
возможность создания нерелятивистских источников
электромагнитных колебаний с большим уровнем
мощности вплоть до коротковолновой части
милиметрового диапзон.
Достоверность экспериментальных результатов,
приведенных в диссертации подтверждается тем, что
они получены с помощью стандартной аппаратуры
по известным методикам, согласуются с
общефизическими представлениями об исследуемых процессах, обсуждены на научных конференциях и семинарах как отечественных, так и зарубежных и нашли отражение в публикациях, а правомерность использования оригинальных методик подтверждается тем, что результаты, полученные по ним согласуются с аналогичными результатами, полученными по известным методикам. Теоретические результаты получены на основе широко используемых математических методов и численных методов решения задач на ЭВМ с использованием стандартных программ. Достоверность результатов, полученных аналитическим и численным методами подтверждается экспериментальными данными. Апробация результатов и публикации Работа нашла отражение в пяти публикациях в периодических изданиях:
І.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, Влияние резонансов периодических структур на КПД оротрона //РЭ.1990. т.35. N5. с.1103.
2.A.H.Власов, В.А.Черепенин, С.Г.Чигарев,
Моделирование дифракционного излучения
релятивистского электронного потока в открытых периодических структурах // РЭ. т.35. N8. 1990 с. 1965. З.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, Модель электродинамической системы оротрона , как система двух связанных резонаторов//РЭ.1993.Т.38. №8 с.1461-1468
4. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, Т.А.Лыткина, Нелинейная теория оротрона , учитывающая пространственную ограниченность электродинамической системы // РЭ.1993. т.38 №12. с.2218-2224 б.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, А.Н.Власов, Экспериментальное моделирование многоволнового дифракционного излучения слаборелятивистского электронного потока // РЭ. 1995. т,40.№9. с1435 б.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, Исследование резоннансов в плоских пространственно-ограниченных периодических структурах мощных оротронов //РЭ. 1997. №6. т.42. с.733-737
шести докладах на всесоюзных конференциях и, семинарах, а также трех докладах на международных конференциях. По результатам работы получено пять авторских свидетельств:
1.AC.N794682. В.Д.Котов, С.Г.Чигарев.07.01.81.Бюл.1. П. 2.АС.М101065.В.Д.Котов,Е.А.Мясин,С.Г.Чигарев(Непуб) 3.AC.N1426333. ЕАМясин, С.Г.Чигарев.(Непубл.) 4.AC.N1723942. Е.А.МЯСИН, С.Г.Чигарев.(Непубл.) 5.AC.N1746843. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев.(Непубл.)
Материалы диссертации использованы в пяти НИР, две из них были проведены по хоз.договору.
Материалы диссертации нашли свое дальнейшее развитие в научных работах, профинансированных фондом Сороса (грант N7L000 июль 1994 г. - июнь 1995г., грант N7L300 январь 1995г. - декабрь 1995 г.) и финансируемых четвертый год Российским фондом фундаментальных исследований (грант №94-02-06074-а и грант № 96-02- 18347-а).
Лично автором предложена идея рассмотреть
возможность резонансного возбуждения
электромагнитных колебаний в периодических структур мощных оротронов, выведены соотношения для
определения коэффициентов трансформации "быстрого"
поля открытого резонатора в ВЧ-поле медленной
синхронной гармоники, разработан экспериментальный
макет мощного оротрона, позволивший изменять
рабочую частоту прибора в "горячем" режиме, а также
провести серию "горячих" экспериментов с
периодическими структурами, имеющими
неоднородную длинну ламелей (вид границы ПС в виде окружности) . Совместно с Е.А.Мясиным разработана физическая модель открытой электродинамической системы оротрона как системы двух связанных резонаторов и проведены соответствующие математические выкладки, проведена работа по модификации одноволновой нелинейной теории оротрона , приведшая к изменению уравнений за счет введения в них двух коэффициентов трансформации.
Совместно с сотрудниками ИРЭ РАН и МГУ им.
Ломоносова проведена серия экспериметов по
исследованию резонансов периодических структур,
обусловленных как их пространственной
ограниченностью, так и связанных с рождением новой,
"отрывающейся" гармоники. Проведены "горячие"
экспериментальные исследования эффективных
режимов работы оротрона с различными конструкциями
периодических структур как при резонансе, так и без
него. Лично проведен анализ полученных
экспериментальных результатов, а также полученных на
ЭВМ результатов численного расчета режимов работы
оротрона и численного моделирования процесса
формирования пространственных гармоник с учетом
пространственной ограниченноти и формы
распределения ВЧ поля в открытых
электродинамических системах.
Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Работа содержит 86 страниц основного машинописного текста, 43 рисунка, список литературы из 35 наименований.
