Введение к работе
Актуальность темы
Генераторы и усилители СВЧ, использующие механизм черенковского взаимодействия прямолинейных сильноточных релятивистских электронных пучков с полями различных замедляющих структур, на сегодняшний день являются одним из наиболее распространенных классов СВЧ-устройств, обеспечивающих получение мощного и сверхмощного микроволнового излучения в сантиметровом диапазоне длин волн (например, [1*, 2*]). Переход к пространственно-развитым, сверхразмерным замедляющим структурам с отношением диаметра волновода к рабочей длине волны D/X » 1 (при осуществлении селекции мод вблизи я-вида [3*]), а также использование секционирования, привело к значительному повышению эффективности генерации и уровня выходной мощности, которая в многоволновом черенковском генераторе (МВЧГ) достигла 1010 Вт [4*-6*].
В последнее десятилетие происходило расширение экспериментальной базы релятивистской электроники черенковских СВЧ-устройств и был достигнут существенный прогресс в области диагностики характеристик получаемого излучения, что позволило сделать качественный скачок в результативности проводимых исследований. При этом преследовалась цель более тщательного и углубленного изучения физических механизмов взаимодействия электронного пучка и поля замедляющей структуры, а также исследование влияния различных параметров СВЧ-устройств на характеристики выходного излучения. Так, для устройств на основе диэлектрической втулки были проведены исследования зависимости выходной мощности от величины диэлектрической проницаемости и доказано определяющее влияние наличия рассогласования на концах замедляющей структуры для реализации режима генерации [7*]; при этом, измеренная полоса генерации оказалась намного уже теоретически найденной (из решения одного лишь дисперсионного уравнения) полосы. Подробное изучение процессов взаимодействия пучка и поля сверхразмерных периодических замедляющих структур вблизи высокочастотной границы полосы
прозрачности (я-вида), позволило обнаружить здесь наличие заметной перестройки длины волны генерации, характер которой отличался от ожидаемого ранее [5]. Было также найдено сильное влияние мелко-масштабных (порядка полпериода замедляющей структуры) изменений длины трубы дрейфа на параметры выходного излучения и режимы работы сверхразмерных двухсекционных СВЧ-устройств (МВЧГ) [6].
С целью моделирования процессов, происходящих в различных черенковских СВЧ-устройствах, широко применяются линейные теории и модели этих устройств, которые способствуют как достижению понимания основных механизмов их работы, так и созданию базы для дальнейших исследований, уже с помощью более сложных теорий. Линейные модели, благодаря своей относительной простоте и компакт-ности получаемого программного кода, менее требовательны к компьютерным ресурсам, и поэтому дают возможность проведения широких исследований и быстрого получения конечного результата. Эти модели могут являться эффективным инструментом на начальной стадии проектирования и изучения конкретного СВЧ-устройства.
Появление ряда неожиданных экспериментальных фактов привело к необходимости как развития линейной модели, адекватно описывающей используемые (в общем случае - сверхразмерные, секционированные) диэлектрические и периодические замедляющие структуры конечной длины и основанные на них экспериментальные черенковские СВЧ-устройства, так и проведения на базе такой модели их широких и тщательных численных исследований. Основное внимание в данной работе уделяется поиску закономерностей, определяющих частоты (полосу) и стартовые условия генерации в мощных и сверхмощных СВЧ-устройствах, использующих несогласованные замедляющие структуры конечной длины. Конкретные численные исследования проводятся для черенковских СВЧ-устройств на основе диэлектрической втулки (в широком диапазоне частот) и на основе сверхразмерных одно- и двухсекционных периодических замедляющих структур (в области частот вблизи 7і-вида). Полученные результаты подробно сравниваются с экспериментальными данными; при этом производится ин-
терпретация последних с точки зрения развитой линейной модели.
Цель диссертационной работы - развитие эффективной линейной стационарной самосогласованной модели черенковских СВЧ-устройств на основе сверхразмерных секционированных замедляющих структур и проведение на базе такой модели широких численных исследований влияния различных параметров на спектр и стартовые условия генерации микроволнового излучения в устройствах указанного типа, а также на возможные режимы их работы, что способствовало бы как выявлению основных механизмов, определяющих процессы в данных приборах, так и объяснению ряда экспериментально наблюдаемых фактов.
Научная ценность и новизна результатов
Развита эффективная линейная стационарная самосогласованная модель сверхразмерных секционированных черенковских СВЧ-устройств. Результаты проведенных с помощью данной модели численных исследований развивают представление об электродинамических свойствах используемых в различных экспериментах замедляющих структур конечной длины (в общем случае - сверхразмерных и секционированных), а также позволяют выявить влияние этих свойств на частоты (полосы) и стартовые условия генерации СВЧ-излучения в основанных на таких структурах мощных и сверхмощных черенковских устройствах.
Изучены свойства продольных электронных колебаний в СВЧ-устройствах указанного типа при изменении в них различных параметров в широком диапазоне значений. Объяснена обнаруженная в эксперименте перестройка длины волны генерации вблизи л-вида. Впервые проведен последовательный учет конечности длины замедляющей структуры в исследованиях черенковских СВЧ-устройств на основе несогласованной диэлектрической втулки. Найдена полоса генерации в таком СВЧ-устройстве и изучена ее внутренняя структура.
Впервые подробно исследованы резонансные свойства двухсекционных замедляющих структур, и изучены зависимости
частот и стартовых токов генерации продольных электронных колебаний от величины длины трубы дрейфа в сверхразмерных двухсекционных СВЧ-устройствах (МВЧГ). Объяснены обнаруженные в экспериментах влияния мелкомасштабных изменений длины трубы дрейфа на спектр генерации МВЧГ. Найдена периодичность в значениях частот и стартовых токов генерации его электронных колебаний, проявляющаяся при изменении длины трубы. Выделены два характерных типа длин трубы дрейфа в зависимости от фазового сдвига в ней низшей симметричной волны гладкого волновода, и объяснена реализация в эксперименте двух различных режимов работы МВЧГ.
Практическая ценность работы
Численная модель реализована в виде пакета программ для персонального компьютера IBM/PC-AT486 и позволяет за короткие времена счета провести исследования широкого круга задач: рассчитать дисперсию волн в диэлектрических и периодических замедляющих структурах в отсутствие и при наличии в них электронного пучка, исследовать электродинамические свойства используемых сверхразмер-ных многосекционных замедляющих структур, найти частоты и стартовые токи генерации излучения в черенковских СВЧ-устройствах на основе таких структур, определить в них коэффициент линейного усиления заданного сигнала в широком диапазоне частот, построить продольные и поперечные распределения электромагнитного поля, а также провести анализ потоков мощности в произвольном сечении исследуемого устройства.
Результаты линейной модели хорошо согласуются с данными различных экспериментов, что делает ее эффективным инструментом исследования уже имеющихся устройств, а также позволяет использовать при создании и проектировании новых СВЧ-устройств черенковского типа.
Положения, выносимые на защиту.
1. Развита линейная стационарная самосогласованная модель сверхразмерных секционированных черенковских СВЧ-устройств, основанная на электродинамическом описании взаимодействия релятивистского электронного пучка с полями аксиально-симметричных слоисто-диэлектрических и перио-
дических замедляющих структур конечной длины и позволяющая исследовать широкий круг проблем, связанных с физикой указанного типа СВЧ-устройств.
2. Перестройка длины волны генерации, реализующаяся
вблизи л-вида при изменении энергии электронов пучка в ре
лятивистских черенковских СВЧ-устройствах со сверхразмер
ными периодическими замедляющими структурами, связана с
сохранением фазовых соотношений электронных волн в цепи
внутренней обратной связи этих устройств при их самовозбуж
дении на продольных электронных колебаниях.
-
Изменение длины двухсекционного СВЧ-устройства типа МВЧГ за счет изменения длины трубы дрейфа приводит к квазипериодическому повторению значений длин волн и стартовых токов генерации возбуждаемых в нем электронных колебаний. При длинах трубы дрейфа, много больших рабочей длины волны, период этих повторений совпадает с полудлиной низшей симметричной волны гладкого волновода, что связано с определяющей ролью этой волны в организации связи между секциями структуры.
-
Учет конечности длины замедляющей структуры приводит к сужению теоретически получаемой полосы генерации в черенковском СВЧ-устройстве на основе несогласованной диэлектрической втулки.
Публикации и апробация реультатов.
Материалы по теме диссертации опубликованы в статьях [1-6], докладывались на IX республиканском семинаре "Методы расчета ЭОС" (Ташкент, 1988), VI Всесоюзном семинаре по высокочастотной релятивистской электронике (Свердловск, 1989), VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), на Всесоюзной школе-семинаре "физика и применение микроволн" (Москва, 1991), IX Международной конференции по мощным электронным и ионным пучкам (Вашингтон, 1992), XVI Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Москва-Санкт-Петербург, 1994), Международных симпозиумах по физической оптике (Лос-Анжелес 1993, Лос-Анжелес 1994, Сан-Диего 1995).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит, из 5 глав, введения и заключения. Объем диссертации составляет 233 страницы, включая 69 рисунков и список литературы из 115 наименований.
