Введение к работе
Актуальность темы. Для решения ряда актуальных физических и технических проблем, таких, как нагрев и диагностика плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, исследование свойств различных сред и синтез новых материалов, очистка и поддержание химического состава атмосферы и др. [1*-3*] требуются источники мощного когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Одним из таких источников, обладающим в указанном диапазоне рядом важных преимуществ перед другими типами источников, являются мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) [4*-7*].
МЦАР является разновидностью мазеров на циклотронном резонансе (МЦР), т.е. электронных СВЧ приборов, основанных на индуцированном циклотронном излучении электронов-осцилляторов, движущихся во внешнем магнитостатическом поле. Одновременно МЦАР является разновидностью мазеров на свободных электронах (МСЭ) - релятивистских СВЧ приборов, в которых используется высокое доплеровское преобразование частоты колебаний частиц. В отличие от наиболее развитой разновидности МЦР - гиротрона, электроны в МЦАР, как и в других разновидностях МСЭ, взаимодействуют с волной, распространяющейся под малым углом к направлению их поступательной скорости, благодаря чему частота волны может существенно превышать циклотронную частоту электронов. Это определяет преимущество МЦАР перед гиротроном в возможности достижения короткой длины волны излучения при использовании более низких магнитных полей. Кроме того, в процессе энергообмена частиц с полем синхронной волны изменение циклотронной частоты электронов в МЦАР частично компенсируется изменением доплеровской частотной поправки, благодаря чему поддерживается длительный резонанс' частиц с волной (авторезонанс [8*,9*]), и возможно достижение высокой эффективности МЦАР при сколь угодно -большой энергии электронов, в отличие от гиротрона, электронный "КПД которого падает при существенно релятивистских скоростях частиц.
Несмотря на то, что циклотронная частота электронов уменьшается с ростом их энергии, и вследствие этого доплеровское преобразование частоты в МЦАР растет пропорционально только первой степени энергии частиц, освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на высоком уровне мощности с помощью МЦАР представляется более простой задачей, чем создание для этих целей МСЭ, основанных на индуцированном ондуляторном излучении, -убитронов, доплеровский частотный выигрыш в которых пропорционален квадрату энергии. Дело в том, что период ондулятора в мощных убитронах из-за технических трудностей ограничен, как правило, несколькими сантиметрами, соответственно для генерации субмиллиметровых волн необходимы электронные пучки с энергией порядка 3-10 МэВ. В то же время техника получения сильных магнитных полей позволяет сравнительно легко достичь очень высокой частоты колебаний электронов (циклотронной частоты) в МЦАР, и соответственно, получить ту же длины волны, что и в убитроне, при меньшей энергии частиц 0.5-2 МэВ (что определяет существенно меньшие габариты и стоимость установок).
Однако уровень электронного КПД, достигнутый в экспериментах с МЦАР, был до недавнего времени в несколько раз ниже, чем КПД, продемонстрированный в лучших экспериментах с МСЭ-убитронами миллиметрового диапазона длин волн. Так, в Ливерморской национальной лаборатории (США) был реализован убитрон-усилитель с КПД 34% [10*]. Этот убитрон работал в так называемом режиме захвата и адиабатического торможения частиц [23*]. В Массачусетсском технологическом институте (США) был создан убитрон с комбинированным ондуляторным и "обратным" (вызывающим встречное вращение частиц) ведущим магнитным полем, обеспечивший КПД 27% [11*] (одновременно или даже немного раньше аналогичные результаты были получены в ОИЯИ [12*]). В то же время для МЦАР, для которого согласно теории [6*,7*,13*,14*] даже в простейших вариантах достижима не меньшая эффективность и, кроме того, возможно использование аналогичных методов повышения КПД (например, захвата и адиабатического торможения при использовании профилирования магнитного поля [15*]), до
недавнего времени в эксперименте КПД не превышал 4% для генераторов [16*-20*] и 6% для усилителей [21*,22*].
Теоретический анализ показывает, что после решения проблемы дискриминации паразитных мод наиболее существенным эффектом, влияющим на КПД МЦАР и убитрона, является разброс поступательных скоростей частиц. В отмеченных успешных экспериментах с убитронами, в отличие от большого числа экспериментов, где КПД был существенно ниже 10%, использовались селекторы частиц, пропускающие в рабочее пространство лишь часть электронного пучка, обладающую существенно меньшим разбросом, чем исходный пучок. Кроме того, как уже указывалось, в этих экспериментах использовались специфические режимы работы, менее критичные к разбросу частиц. До недавнего времени обе эти возможности не использовались в МЦАР.
В связи с этим особое внимание в данной работе уделяется решению проблем, позволяющих продемонстрировать основные преимущества МЦАР как перед гиротронами, так и перед МСЭ-убитронами.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование основных проблем, возникающих при создании МЦАР, и методов их решения, а также реализация МЦАР миллиметрового диапазона длин волн с высоким уровнем выходной мощности, высоким доплеровским преобразованием частоты и высоким электронным КПД. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:
анализ влияния скоростного разброса частиц на КПД и оптимальные параметры МЦАР с различной продольной структурой высокочастотного поля, а также возможности повьшіения электронного КПД и снижения критичности МЦАР к скоростному разбросу частиц при профилировании магнитного поля или фазовой скорости волны;
анализ эффективности использования в МЦАР-усилителях электродинамических систем с распределенными потерями для повышения устойчивости к самовозбуждению паразитных колебаний;
изучение эффектов пространственного заряда, в частности, неустойчивости отрицательной массы при релятивистских
скоростях частиц и учете собственных вихревых полей потока электронов, осциллирующих в магнитном поле;
исследование электронно-оптических систем МЦАР, позволяющих формировать сильноточные электронные пучки с необходимой поперечной скоростью частиц при малом скоростном разбросе;
экспериментальное исследование МЦАР-генераторов миллиметрового диапазона длин волн, включающее в себя реализацию новых методов формирования электронных пучков с малым скоростным разбросом, методов повышения электронного КПД и обеспечения устойчивой одномодовой генерации.
Научная новизна.
-
Для генераторов, основанных на инерционной группировке частиц, определена область параметров эффективного применения метода отражения частиц от потенциального барьера, образованного волной, который реализуется при профилировании параметра расстройки синхронизма электронов с волной. На основе этого метода для МЦАР продемонстрирована возможность существенного повышения электронного КПД в сочетании с высокой, устойчивостью к самовозбуждению паразитных гиротронных" колебаний при использовании рабочего волновода в виде расширяющегося конуса.
-
Для МЦАР-усилителей теоретически показана возможность более эффективного, чем в черенковских ЛБВ, использования электродинамических систем с распределенными потерями для повышения устойчивости к самовозбуждению паразитных колебаний.
-
Развита модель, позволяющая описывать эффекты высокочастотного пространственного заряда в МЦР при релятивистских скоростях частиц, когда наряду с кулоновским существенны вихревые поля электронного пучка. С учетом вихревых полей найдена зависимость инкрементов неустойчивости собственных колебаний пучка от энергии частиц и номера циклотронной гармоники. Найдено поле элементарного источника в виде заряженной плоскости, движущейся с произвольной релятивистской скоростью, и
исследованы ее циклотронные осцилляции с учетом радиационных потерь.
-
Предложен и использован в эксперименте метод компенсации паразитных поперечных пульсаций в электронном пучке, более эффективный, чем использование традиционных магнитных и электростатических линз. Разработаны и реализованы в эксперименте методы раскачки первоначально прямолинейных электронных пучков до необходимой поперечной скорости с помощью коротких неадиабатических систем (кикеров), слабо чувствительных к позиционному разбросу частиц.
-
В экспериментах с МЦАР продемонстрирована высокая эффективность новых электродинамических методов, обеспечивающих устойчивую одномодовую генерацию.
-
Впервые в эксперименте получен электронный КПД МЦАР, близкий к теоретическому значению для идеального электронного пучка.
Практическая ценность. Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы при разработке высокоэффективных МЦАР и МСЭ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, а также при создании электронно-оптических и электродинамических систем различных электронных СВЧ приборов.
Использование результатов работы. Результаты проведенных в работе исследований используются в экспериментах с МЦАР, проводимых в Стратклайдском университете (Великобритания), при проектировании электронно-оптической системы релятивистского гиротрона для спектроскоттсеских исследований (ИПФ РАН), а также были использованы при выполнении работ по грантам №R85000, №R85300 Международного научного фонда и №93-02-842 Российского фонда фундаментальных исследований.
Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-25] и докладывались на VI и VII Семинарах "Высокочастотная релятивистская электроника" (Свердловск, 1989; Томск, 1991), Всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград, 1990), Всесоюзной конференции
по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1991), IX Симпозиуме по сильноточной электронике (т/х Екатеринбург-Москва, 1992), 8-10-й Международных конференциях по мощным пучкам частиц (Новосибирск, 1990; Вашингтон, США, 1992; Сан-Диего, США, 1994), II Международной рабочей встрече "Мощные микроволны в плазме" (Н.Новгород, 1993), 19-й и 20-й Международной конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Сендай, Япония, 1994; Орландо, США, 1995), 16-й и 17-й Международной конференциях по лазерам на свободных электронах (Стэнфорд, США, 1994; Нью-Йорк, США, 1995), Всероссийском семинаре по физике микроволн (Н.Новгород, 1996), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 191 страницу, включая 117 страниц основного текста, 72 рисунка, размещенных на 63 страницах, и список литературы, который содержит 118 наименований и размещен на 9 страницах.
