Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава І. ГИРОУМНОЖИТЕЛИ С ВНЕШНИМ СИГНАЛОМ 17
1.1. Оптимальные условия генерации в клистронной схеме18
1.2. Подавление группировки на низких гармониках 36
1.3. Разрежение спектра гармоник тока за счет модуляции пучка на умноженной частоте внешнего сигнала 42
Глава Н. САМОВОЗБУЖДАЮЩИЕСЯ ГИРОУМНОЖИТЕЛИ 58
II. 1. Клистронная схема , 59
II.2. Однорезонаторная схема с однородным магнитным полем.. 65
И.З. Однорезонаторная схема с профилированным магнитным полем 78
Глава III. МЦР В РЕЖИМЕ «НЕРЕЗОНАНСНОГО» ЗАХВАТА ЧАСТИЦ 93
III. I. Захват в усилителе 94
Ш.2. Захват в умножителе частоты 109
Ш.З. Захват в генераторе .;... 116
Приложение. «НЕРЕЗОНАНСНЫЙ» ЗАХВАТ В УБИТРОНЕ 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ЛИТЕРАТУРА
Введение к работе
В настоящее время мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) [1-6] являются наиболее мощными источниками СВЧ излучения в миллиметровом диапазоне длин волн. МЦР успешно используются в различных физических и технических приложениях, в частности для нагрева и диагностики плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, спектроскопии и диагностики различных сред, синтеза новых материалов и плазмохимии [7-11]. Приборы этого класса основаны на индуцированном тормозном излучении электронов, вращающихся в магнитном поле [12-17]. В отличие от приборов, основанных на черенковском и переходном излучении заряженных частиц (ЛБВ, ЛОВ, магнетроны, клистроны и др.), где взаимодействие частиц происходит с замедленными волнами, фазовая скорость которых меньше скорости света, в МЦР электроны могут взаимодействовать с быстрыми электромагнитными волнами. Это свойство тормозного излучения позволяет использовать в качестве электродинамических систем МЦР гладкие волноводы и резонаторы с размерами, существенно большими длины волны излучения. В диапазоне миллиметровых волн это позволяет получать в циклотронных мазерах значительно большую мощность, чем в черенковских приборах.
Наиболее распространенной и развитой разновидностью МЦР является слаборелятивистский гиротрон [2,5], в котором электроны взаимодействуют с волнами, распространяющимися почти поперек магнитостатического поля. Такое взаимодействие обеспечивает ряд преимуществ гиротрона перед другими типами МЦР, а именно, низкую . чувствительность к разбросу скоростей частиц в пучке из-за отсутствия доплеровского сдвига частоты, обусловленного поступательным движением частиц, высокую селективность, позволяющую работать на модах с очень высокими индексами, простоту электродинамической системы. К настоящему времени гиротронами достигнута высокая мощность излучения (до 1 МВт в квазинепрерывном режиме на частоте 170 ГГц [18-21]). В гиротроне на первой циклотронной гармонике при использовании очень сильных импульсных магнитных полей получено излучение на частоте до 650 ГТц [22] с мощностью до 40 КВт; в гиротроне на второй гармонике при использовании криомагнита получена непрерывная генерация на частоте до 850 ГТц с мощностью в несколько десятков ватт [23]. Определенным недостатком гиротронов является трудность обеспечения широкополосной (более 1%) перестройки частоты излучения. Кроме того, частота излучения слаборелятивистских гиротронов существенно ограничена величиной магнитного поля. Между, тем в настоящее время актуальным, в первую очередь в задачах спектроскопии, представляется увеличение частоты излучения вплоть до нескольких терагерц при одновременном обеспечении достаточно широкополосной перестройки частоты. В связи с этим весьма востребованным является развитие тех разновидностей МЦР, в которых может быть получена большая частота излучения (при той же величине магнитного поля), и которые обладают более широкой частотной полосой.
Одним из хорошо известных способов повышения частоты излучения является переход к работе на высоких циклотронных гармониках [23-28]. В принципе, данный подход позволяет в несколько раз увеличить рабочую частоту гиротрона при фиксированной величине магнитного поля; для. повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия на высоких гармониках часто применяются существенно релятивистские (сотни кэВ) электронные пучки [26,28]. Другая возможность повышения частоты МЦР связана с использованием доплеровского преобразования при излучении в попутную волну с фазовой скоростью, близкой к скорости света. Метод доплеровского увеличения частоты используется в мазерах на циклотронном авторезонансе (МЦАР) [3,4,29-31], в которых электроны взаимодействуют с волнами, распространяющимися под малым углом к магнитному полю. В ультрарелятивистском случае частота излучения МЦАР растет пропорционально релятивистской энергии частиц [30]. При этом, согласно теории [29,30], благодаря эффекту авторезонанса [32,33] с ростом релятивизма не происходит резкого снижения КПД.
Несмотря на указанные достоинства, МЦАР и гиротроны на высоких (третьей и выше) циклотронных гармониках пока не получили широкого распространения, оставаясь, в основном, в стадии лабораторных экспериментов. Это связано, прежде всего, с тем, что в большинстве экспериментов [23,27,28,34-43] КПД этих приборов оказался сравнительно низким: существенно ниже значений, предсказываемых теорией, и ниже, чем у традиционных гиротронов на первой циклотронной гармонике. Такая ситуация вызвана рядом принципиальных факторов. Одной из основных причин невысокого КПД гиротронов на высоких циклотронных гармониках, не позволяющей работать при оптимальных токах, является конкуренция со стороны мод резонатора, возбуждающихся на основном циклотронном резонансе. Поскольку при не очень больших энергиях частиц связь электронов с полем ослабевает с ростом номера гармоники, такие низкочастотные колебания имеют значительно меньшие стартовые токи, чем моды, возбуждаемые на высоких гармониках, и возбуждаются раньше рабочих колебаний. При . этом взаимодействие с низкочастотным полем приводит к такому динамическому разбросу электронов, который делает пучок непригодным для высокочастотной генерации. Низкий , КПД большинства реализованных МЦАР связан с высокой чувствительностью этого прибора к разбросу электронов по скоростям, обусловленной доплеровским сдвигом частоты в этом приборе [31]. Кроме того, эффективной работе МЦАР также препятствует конкуренция со стороны квазикритических (пфотронных) колебаний, в том числе и на высоких гармониках. Нужно отметить, что эти препятствия существенны и для других разновидностей МЦР, в которых рабочая волна распространяется под углом к магнитному полю и в которых существенен доплеровский сдвиг частоты - в гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ. Между тем, эти разновидности являются более широкополосными в сравнении с гиротроном и гироклистроном, поэтому актуальной является проблема нахождения более эффективных механизмов взаимодействия электронного пучка с электромагнитным полем в таких приборах.
Идея использования излучения на высоких циклотронных гармониках для повышения частоты получила также развитие в концепции гироумножителя частоты. [1,44-52]. Хорошо известно, что при работе гиротрона даже на основной циклотронной гармонике в спектре его излучения, помимо рабочей частоты, присутствуют также и составляющие на кратных частотах (подобный эффект имеет место и в других СВЧ-генераторах). Это связано с тем, что электронный пучок является нелинейной средой, и в нем под воздействием волны появляется отклик (то есть происходит группировка электронов и последующее излучение) не только на частоте этой волны, но и на ее гармониках. Умножитель частоты, основанный на этом эффекте, использует относительно низкочастотный сигнал для организации группировки и последующего высокочастотного излучения на одной из высоких циклотронных гармоник. При этом низкочастотный сигнал может либо поступать в прибор из внешнего источника, либо возбуждаться тем же электронным пучком. Очевидно, что такой подход позволяет существенно снизить рабочий ток системы, вплоть до очень низких значений в первом случае и до стартового тока низкочастотных колебаний во втором. Кроме того, поскольку пространственно-временная структура высокочастотной волны в таком приборе навязана сгруппированным пучком, в значительной мере решается проблема селективности генерации и стабильности частоты.
Следует отметить, что последнее свойство имеет и оборотную сторону, налагая дополнительные условия на выбор типа рабочего колебания электромагнитного поля на умноженной частоте. Действительно, в гироумножителе недостаточно иметь электродинамическую систему, обладающую резонансными свойствами на гармонике низкой частоты; необходимо еще, чтобы пространственная структура высокочастотной моды соответствовала пространственной структуре сгруппированного пучка. Эта проблема, усугубляется тем, что, как уже отмечалось, в случае слаборелятивистской энергии электронов их связь с электромагнитным полем на высоких гармониках является
очень слабой, и чтобы повысить при этом мощность излучения, приходится использовать высокодобротные электродинамические системы. Это обстоятельство еще более усложняет синхронизацию низкочастотной и высокочастотной мод и становится критическим в субмиллиметровом диапазоне, где практически достижимая минимальная погрешность при изготовлении резонаторов не всегда позволяет прогнозировать резонансные свойства проектируемой системы с требуемой точностью. Таким образом, наряду с повышением эффективности гироумножителей, актуальным является также создание более легко настраиваемого и воспроизводимого прибора. Это может быть достигнуто как за счет уменьшения числа резонаторов, требующих синхронизации, так и за счет использования менее добротных рабочих мод. В последнем случае на первый план снова выходит проблема повышения эффективности отличных от гиротрона разновидностей МЦР, в том числе уменьшение чувствительности к скоростному разбросу электронов при их взаимодействии с распространяющимися вдоль магнитного поля волнами.
Основной целью диссертационной работы является изучение возможных путей повышения эффективности одночастотных схем МЦР и схем с умножением частоты. В рамках этой задачи были проведены:
? теоретический анализ методов увеличения КПД и повышения селективности многорезонаторной схемы гироумножителя;
? теоретическое исследование возможности одновременного уменьшения числа рабочих резонаторов гироумножителя и отказа от использования внешнего источника
? низкочастотного сигнала;
? теоретическое исследование нового режима электронно-волнового взаимодействия в МЦР с попутной волной (режима «нерезонансного» захвата), способного обеспечить высокий КПД при слабой чувствительности к скоростному разбросу частиц.
Научная новизна
I. Для повышения селективности генерации в клистронной схеме гироумножителя с внешним сигналом предложены несколько методов избирательного подавления группировки электронов на паразитных (нерабочих) низких гармониках частоты, включая основную.
II. Предложены несколько схем однорезонаторных самовозбуждающихся гироумножителей, основанных на взаимодействии как с распротраняющимися, так и с близкими к отсечке волнами.
III. Подробна исследован и теоретически развит режим «нерезонансного» захвата в различных (усилительной, генераторной и умножительной) схемах МЦР.
Практическая значимость
Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы при разработке эффективных МЦР миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.
Использование результатов работы
Результаты работы были использованы в ИПФ РАН для разработки нескольких схем МЦР миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, а также для анализа результатов экспериментов. ,
Структура диссертации
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Приложения и Заключения. Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 86 страниц основного текста, 55 рисунков, размещенных на 55 страницах, и список литературы, приведенный на 11 страницах и состоящий из 126 наименований.
Краткое содержание диссертации
В Главе I исследуется гироумножитель частоты [1,45-52] с внешним источником низкочастотного сигнала. Наиболее очевидной и известной схемой такого прибора является клистронный вариант [45,50-52], в котором для модуляции пучка и отбора СВЧ мощности используется последовательность из нескольких резонаторов, разделённых пространствами дрейфа.
В разделе 1.1. вводятся необходимые определения и дается обзор существующих теоретических методов описания клистронной схемы гироумножителя [1,3,5,45,47,53-56]. При этом основное внимание уделяется оценке максимального КПД прибора при преобразовании энергии электронного пучка в излучение на высокой гармонике частоты внешнего сигнала. Главным фактором, ограничивающим эффективность такой генерации, является ослабление связи электронов с электромагнитным полем с ростом номера гармоники. Так, в наиболее интересном с практической точки зрения слаборелятивистском случае, -когда источник электронного пучка может быть относительно компактным и способен работать в непрерывном режиме генерации, фактор связи электронов с полем имеет степенную зависимость к-pi от номера рабочей циклотронной гармоники н, где р± - поперечный импульс частицы [1,45]. Это приводит к тому, что значения электронного КПД на соседних высоких гармониках при остальных фиксированных параметрах могут отличаться на порядок. -Другое обстоятельство, уменьшающее эффективность прибора на высоких гармониках, - рост влияния скоростного разброса электронов на качество группировки.
В разделе I.I. рассмотрен также вопрос о наиболее подходящей для гироумножителей электронно-оптической системе. Показано, что правильный выбор типа электронного пучка может упростить настройку прибора и значительно увеличить устойчивость системы к возникновению паразитных колебаний на низких циклотронных гармониках. При этом оптимальным является использование тонкого приосевого пучка, в котором все частицы вращаются в магнитном поле вокруг общей оси, совпадающей с осью аксиально-симметричной электродинамической системы - волновода или резонатора [25,26,28,40,41,43,57-62]. В случае идеальной реализации приосевого пучка в круглом волноводе могут возбуждаться только моды с азимутальными индексами, совпадающими с. номером циклотронной гармоники, на которой происходит взаимодействие; при этом направление вращения возбуждаемых циркулярно-поляризованных мод совпадает с направлением вращения электронов в магнитном поле. Таким образом, использование приосевого пучка поззоляет существенно проредить спектр конкурирующих колебаний.
Впервые использовать приосевые пучки в МЦР было предложено в [25] для гиротронов на высоких гармониках (так называемые гиротроны с большими орбитами •.электронов, Large-Orbit Gyrotrons [25,26,28]). Такие пучки могут быть сформированы раскачкой прямолинейного нитевидного электронного пучка в поперечном магнитном поле кикера [28,40,41,43] или в поле волны накачки [59-62], а также раскачкой прямолинейного цилиндрического или нитевидного электронного пучка в системе с каспом магнитного поля [26,63].
Кроме электронной, селекции колебаний по поперечной структуре мод, использование приосевого пучка в клистроннои схеме гироумножителя обеспечивает также и более совершенную электродинамическую селекцию по продольной структуре мод. Л именно, малый радиус пучка позволяет использовать дрейфоше пространство, закритическое для всех низкочастотных колебаний; при этом резонаторы оказываются изолированными друг от друга, благодаря чему исключается возможность возбуждения паразитных низкочастотных мод с продольными масштабами, превышающими длину отдельного резонатора.
В разделе Ї.2. предложен способ избирательного подавления группировки электронов на низких (в том числе и на основной) гармониках частоты внешнего сигнала юо [1 ]. В выходном резонаторе клистронного гироумножителя, предназначенном для возбуждения на умноженной частоте, присутствие этих гармоник электронного тока может привести к паразитному возбуждению на низких частотах. Предложенный способ основывается на использовании двух промежуточных резонаторов, расположенных в пространстве дрейфа. Первый из этих резонаторов настроен на взаимодействие на одной из высоких гармоник частоты внешнего сигнала соо и служит для сообщения пучку дополнительной модуляции на этой гармонике. Собственная частота второго резонатора близка к со0, однако благодаря правильно подобранной небольшой частотной отстройке ее от частоты внешнего сигнала фаза возбуждаемых в этом резонаторе колебаний такова, что дополнительная модуляция пучка на основной частоте оказывается противоположной по знаку модуляции, приобретаемой электронами в модулирующем резонаторе. В результате в пучке развивается группировка только на высокой гармонике, а амплитуды низших гармоник тока, напротив, уменьшаются и достигают минимального значения в выходном резонаторе. Кроме повышения селективности, предложенная схема позволяет также увеличить амплитуду высокочастотной гармоники тока в выходном резонаторе по сравнению с умножителем без низкочастотного компенсирующего резонатора.
В разделе Ї.З. предложен более радикальный способ прорежения спектра гармоник высокочастотного тока, позволяющий подавить группировку не только на низших, но и на более высоких гармониках. Группировка в такой схеме происходит преимущественно на определенных гармониках частоты влешнего сигнала qNa [2М ,9 ]. Такой эффект может возникать, когда параметр связи электронов с низкочастотной волной в модулирующем резонаторе является специального вида квазипериодической функцией продольной координаты. В этом случае в импульсном пространстве на ларморовской окружности может возникать несколько (N) центров группировки, что соответствует модуляции пучка на iV-й гармонике частоты. Во многом этот процесс аналогичен возникновению двух состояний равновесия у маятника с колеблющейся точкой подвеса (маятник Капицы); другой аналогией является движение заряда под действием усредненной пондеромоторной силы Гапонова-Миллера [86]. В данном разделе также показано, что этот же эффект может быть достигнут в регулярном (т.е. без периодического профилирования) рабочем пространстве при взаимодействии электронов сразу с двумя волнами, которые относительно далеки от циклотронного резонанса, но удовлетворяют условию «двухволнового» усредненного резонанса. При этом наиболее привлекателен режим группировки на умноженной частоте, реализующийся, когда
-9 электроны взаимодействуют с двумя встречно бегущими одночастными волнами, продольные волновые числа которых относятся как простые числа: А,//г2 s,/s1; в этом случае N = si+s2.
Для создания необходимой структуры поля предложено использовать двухзеркальный брэгговский резонатор, преобразующий рабочие волны из одной в другую на концах пространства взаимодействия; кроме этого, плавное нарастание поля на входе такой системы обеспечивает постепенный ввод электронов во взаимодействие с волнами, что необходимо для симметричной группировки на умноженной частоте. Преимуществами предложенной схемы являются простота реализации, а также весьма привлекательный характер электронно-волнового взаимодействия, обеспечивающего группировку частиц. Последнее означает, что хотя обе бегущие волны могут быть далеки от отсечки, условие усредненного резонанса и, соответственно, рабочая фаза резонансной группирующей силы имеют «гиротронный» характер: в них не фигурирует поступательная скорость частиц. Это означает, что, так же как в гиротроне, процесс взаимодействия электронов с этими волнами должен быть слабо чувствителен к скоростному разбросу частиц. Возможность достижения группировки с умножением частоты продемонстрирована в случае N = 2 + 4 с помощью численного моделирования, • которое проводилось на основе неусредненных уравнений движения электронов в поле волны с фиксированной пространственной структурой.
Глава II посвящена исследованию самовозбуждающихся гироумножителей, то есть таких двухьолновых генераторов, в которых и низкочастотная, и высокочастотная волны возбуждаются одним и тем же электронным пучком [1 ,5 -10 ]. Такие системы могут оказаться более удобными и компактными, поскольку в них отсутствует потребность во внешнем источнике низкочастотного сигнала. Это особенно важно при работе в субмиллиметровом диапазоне, когда возникает проблема с получением достаточной мощности модулирующего сигнала.
В разделе II. 1. исследуется возможность реализации самовозбуждающегося гироумножителя клистронного типа. В такой конфигурации прибор аналогичен гироумножителю с внешним сигналом, с той лишь разницей, что модулирующий резонатор представляет собой автогенератор и работает в режиме самовозбуждения. Оказывается, что для такой схемы, основанной на инерционной группировке частиц, характерна ситуация, когда все гармоники высокочастотного тока насыщаются уже і внутри низкочастотного генератора. Аналитически это может быть продемонстрировано наиболее просто, если таким автогенератором является гиротронный вариант лампы" обратной волны (гиро-ЛОВ). В атом случае режим работы прибора определяется только -10 одним параметром І - приведенной длиной пространства взаимодействия гиро-ЛОЗ - и варьируется от устойчивого одночастотного режима при 1.95" Z 2.82 до режима автомодуляцнонных колебаний при 1 2.82 [64]. Как показывают расчеты [1 ,5 -10 ], плотность высокочастотного тока на основной гармонике частоты ЛОВ на всем отрезке, соответствующем одночастотному режиму (в том числе и вблизи стартовой длины
= 1.95), успевает достичь насыщения внутри модулирующего резонатора. Что касается более высоких гармоник, то они насыщаются еще раньше, после чего их амплитуда уменьшается, уі в дальнейшем они претерпевают только мелкие осцилляторные изменения. Аналогичная ситуация имеет место также в случае, когда в качестве низкочастотного генератора используется гиромонотрон. Таким образом, в самовозбуждающейся клистронной схеме в выходной резонатор, предназначенный для излучения волны на высокой гармонике, поступает перегруппированный пучок, из-за чего эффективность такого излучения оказывается невысокой. В отличие от гиро-ЛОВ, в гиромонотроне при работе вблизи стартового режима возможна ситуация, когда насыщение гармоник высокочастотного тока происходит за пределами резонатора, однако для импульсных приборов такой режим в ряде случаев является нестабильным. Кроме того, схема гироумножителя с таким низкочастотным генератором имеет еще один существенный недостаток, а именно - сложность синхронизации низкочастотного и высокочастотного резонаторов ввиду большой добротности рабочих колебаний. В этом смысле вариант с гиро-ЛОВ может оказаться более удобным, поскольку он позволяет в небольших пределах перестраивать частоту низкочастотного генератора.
В свете описанных выше проблем более привлекательной выглядит схема, в которой области генерации низкочастотной и высокочастотной волн совмещены в одном резонаторе [1 ,5М0 ]. При этом, во-первых, появляется возможность использовать для генерации на высокой гармонике максимально сгруппированный пучок, а во-вторых, упрощается настройка системы, поскольку относительная разница собственных частот единственного резонатора оказывается фиксированной его геометрией. Таким образом, основной задачей становится нахождение условий (формы резонатора, типов мод, конфигурации магнитного поля), при которых возможно резонансное возбуждение такой двухчастотной системы.
В разделе Н.2. используется, главным образом, электродинамический подход к-решению этой задачи. Другими словами, резонатор подбирается таким образом, чтобы в нем существовали собственные моды с подходящей для умножения частоты пространственной (поперечной и продольной) структурой и максимально близкими к кратным частотами. Показано, что в системах круглого сечения это может быть сделано только для некоторых коэффициентов умножения л. Так, если в качестве рабочих колебаний используются волны, близкие к отсечке, то такмми значениями коэффициента умножения являются и = 5 при рассеянии ТЕ-моды в ТЕ-моду и п - 3 при рассеянии ТЕ-моды в ТМ-моду. Указанный факт вытекает из свойств бесселевых функций, описывающих поперечную структуру мод круглого волновода. Так, критические частоты мод ТЕт,р и ТЕ5т,5р-з отличаются почти в и = 5 раз (при этом их азимутальные индексы, т и 5т отличаются также в пять раз, что необходимо для соответствия поперечной структуры волны структуре сгруппированного пучка), причем точность, с которой частоты кратны, растет с ростом радиального индекса р. Небольшая рассинхронизация мод при конечном р может быть минимизирована путем сокращения длины резонатора. После того, как «холодные» (т.е. в отсутствие электронного пучка) резонансные полосы низкочастотного и высокочастотного колебания на оси приведенных частот перекроются, «горячей» (хотя и очень узкой) полосы перестройки рабочей частоты ©о низкочастотного гиротрона может быть достаточно для точного попадания гармоники этой частоты пщ в максимум кривой высокочастотного резонансного отклика. Перемещение рабочей точки внутри этой полосы может осуществляться с помощью подстройки магнитного поля. Особенности работы такой, системы проанализированы с помощью численного моделирования для случаев умеренно-релятивистского (250 кВ) приосевого электронного пучка (гиротрон с большой орбитой) и слабо-релятивистского (25-70 кВ) полого электронного пучка («традиционный» гиротрон).
Исследована также возможность работы умножителя при неполном соответствии продольных структур низкочастотной и высокочастотной волн, возникающая в силу пространственной ограниченности максимума высокочастотного тока на высокой гармонике. При этом особенно привлекательным является вариант рассеяния квазикритической (гиротронной) моды в волну с небольшой групповой скоростью с повышением частоты в л = 2 или п = 6 раз.
В разделе Н.З. предложен способ реализации эффективного режима работы гироумножителя с произвольным коэффициентом умножения. При этом в качестве рабочих выбираются моды электродинамической системы с кратными частотами и подходящей поперечной структурой (с отличающимися в то же число раз азимутальными индексами), а несоответствие продольных структур вблизи максимума высокочастотной гармоники тока компенсируется с помощью локального профилирования магнитного поля. Другими словами, создается профиль магнитного поля, обеспечивающий резонансные условия для низкочастотной волны в начале пространства взаимодействия
-12 для модуляции пучка на низкой частоте и в конце пространства взаимодействия (вблизи максимума рабочей низкочастотной гармоники тока) для возбуждения низкочастотной волны. При этом резонансные условия для возбуждения высокочастотной волны выполнены в средней части пространства взаимодействи.ч вблизи максимума соответствующей гармоники тока. Такая схема на низкой частоте аналогична клистрону с положительной обратной связью, секционирование пространства взаимодействия в котором осуществляется с помощью магнитного поля. При этом резонансные для низкочастотной волны участки соответствуют модулирующему и выходному резонаторам клистрона, а высокочастотная секция встроена в дрейфовое пространство этого «клистрона».
В данном разделе детально исследованы также особенности электронной группировки в условиях описанного профиля магнитного поля и показано, что предпочтительным является уменьшение величины магнитостатического поля в средней секции. В случае, когда низкочастотный генератор представляет собой гиротрон, это соответствует излучению высокочастотной волны, распространяющейся попутно частицам. Численное моделирование подобного умножителя при п = 5 показало, что за счет меньшей эффективной добротности такой высокочастотной моды по сравнению с квазикритической волной необходимая точность настройки магнитного поля также уменьшается. Кроме того, рассчитаны варианты приборов с коэффициентом умножения я = 4. В этих случаях низкочастотный генератор должен работать в режиме гиро-ЛОВ, что упрощает частотную синхронизацию системы, а в схеме, когда излучение на высокой гармонике также происходит в распространяющуюся моду, обеспечивает даже небольшую полосу частотной перестройки прибора. Показано, что в схеме с бегущей низкочастотной волной первая секция с резонансным для этой волны магнитным полем является необязательной и профиль магнитного поля может быть одноступенчатым. В этом случае модуляция пучка происходит за счет быстрого влета электронов в область большой амплитуды волны [11 -14 ].
Глава III посвящена исследованию предложенного в [65] нового режима электронно-волнового взаимодействия в СВЧ-приборах - так называемого режима «нерезонансного» захвата. Этот режим сочетает в себе такое важное достоинство «традиционного» режима захвата и адиабатического торможения электронов [66-73], как возможность достижения высокого; электронного КПД, с отсутствием требования электронно-волнового резонанса на входе в пространство взаимодействия. Последнее означает, что резонанс электрона с волной обеспечивается не на входе, а в некоторой произвольной области внутри пространства взаимодействия. В этой области происходит
-13 захват электронов полем волны вследствие углубления создаваемой волной потенциальной ямы, которое происходит из-за роста амплитуды СВЧ волны. Затем отбор энергии захваченных электронов осуществляется аналогично «традиционному» режиму захвата. Главной особенностью такого режима является его в определенном смысле нерезонансный характер: нефиксированность положения резонансной области в пространстве взаимодействия с профилированными параметрами обуславливает нефиксированность резонансных значений частоты волны и скорости электронов. Этот факт позволяет, во-первых, существенно снизить критичность прибора к скоростному разбросу электронов, и, во-вторых, увеличить частотную полосу усилителя. Действительно, в случае разброса по скоростям условие электронно-волнового резонанса для различных фракций пучка выполняется в различных точках пространства взаимодействия, и скоростной разброс ведет лишь к «разбросу» точек захвата различных фракций электронов в пространстве взаимодействия. Аналогично этому, смена рабочей частоты в усилителе приводит лишь к сдвигу в пространстве взаимодействия резонансной области, в которой происходит захват, но слабо влияет на долю захваченных частиц и, следовательно, на электронный КПД. Более того, в противоположность «традиционным» режимам (режиму инерционной группировки и «резонансному» режиму захвата), в режиме «нерезонансного» захвата допустимый скоростной разброс и полоса усиления определяются разницей между начальным и конечным положениями профилируемого параметра и могут быть, в принципе, сколь угодно велики.
В разделе ІТІ.Ї. режим «нерезонансного» захвата исследуется применительно к усилительной схеме МЦР. В усилителе причиной быстрого роста амплитуды волны на этапе захвата является резонансное электронно-волновое взаимодействие в режиме инерционной группировки при попадании частоты волны в полосу усиления. На основе универсальных асимптотических уравнений детально. исследован процесс захвата ансамбля частиц, которые в начале пространства взаимодействия были достаточно далеки от резонанса с рабочей волной, выяснено влияние на этот процесс скоростного разброса электронов и эффектов высокочастотного пространственного заряда. Кроме того, справедливость этих уравнений для широкого класса электронных приборов, основанных на инерционной группировке частиц, позволяет распространить теорию режима «нерезонансного» захвата на другие разновидности электронных мазеров. В Приложении к главе III это сделано для убитронной разновидности мазера на свободных электронах (МСЭ).
Раї/гол НТ.2 посвящен исследованию возможности реализации режима «нерезонансного» захвата в секционированной схеме МЦР - одночастотном гиротвистроне-усилителе и гироумножителях. В такой схеме амплитуда рабочей волны на входе пространства взаимодействия равна нулю, а ее рост на этапе захвата происходит за счет излучения предварительно сгруппированного пучка. Возможность реализации этого режима показана аналитически для слабо-релятивистской схемы МЦР в рамках асимптотических уравнений, а затем проведена оптимизация такого прибора. Рассчитанные варианты гироприбороа (одночастотный усилитель и у множители, частоты в два и три раза) обладают КПД около 40% при слабой чувствительности к скоростному разбросу, а также допускают перестройку рабочей частоты в полосе шириной несколько процентов.
Раздел Ш.З. посвящен реализации режима «нерезонансного» захвата в генераторной схеме МЦР. Следует заметить, что непосредственная попытка построения схемы генератора с использованием простейшей микроволновой системы - волновода с отражениями от концов - сталкивается с рядом трудностей. Главная их них связана с тем, что для обеспечения «нерезонансного» захвата необходимо обеспечить существенный росте координатой эффективной амплитуды рабочей СВЧ-волны в резонансной области пространства электронно-волнового взаимодействия. Однако в генераторах с бегущими рабочими волнами продольная структура СВЧ-поля фиксируется (по крайней мере, частично) резонатором, и для них характерен относительно небольшой перепад амплитуды рабочей волны. Наиболее принципиальным элементом предложенной схемы, позволяющей преодолеть эту трудность, является входной рефлектор рабочего резонатора, который представляет собой секцию гофрированного волновода (брэгговский рефлектор) с высоким коэффициентом отражения для рабочей моды. Важно, что этот рефлектор является частью (по сути, входной секцией) пространства взаимодействия. В такой системе амплитуда.попутной рабочей волны быстро растет с координатой внутри рефлектора вследствие рассеяния в нее встречной волны обратной связи. При нахождении резонансной точки внутри этого рефлектора быстрый рост может обеспечить эффективный «нерезонансный» захват частиц. Важно, что скорость роста амплитуды рабочей волны определяется только параметрами рефлектора. Это означает, что в предложенной схеме для обеспечения захвата частиц не требуются большие токи, как это необходимо в усилительном варианте режима. В качестве примера реализации режима «нерезонансного,» захвата рассчитан умеренно-релятивистский МЦР-геиератор миллиметрового диапазона длин волн, имеющий КПД около 50% при реальных параметрах электронного пучка.
В Приложени и рассмотрена возможность реализации режима «нерезонансного» захвата в убк троне. Конкретно, исследованы убитронные разновидности МСЭ-усилител я
-15 и генератора миллиметрового диапазона длин волн с так называемым обратным ведущим магнитным полем [74,75]. Причиной такого выбора стал ряд успешных экспериментов с усилительными и генераторными схемами этого прибора, проведенных в ОИЯИ (г. Дубна) [76,77]. Использование режима «нерезонансного» захвата предлагается в качестве развития этих работ. Согласно расчетам, этот режим позволяет избавиться от критичности прибора к скоростному разбросу электронов в пучке и увеличить ширину частотной полосы усилительной схемы.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертации, которые одновременно являются положениями, выносимыми на защиту.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1 -19 ] и докладывались на международных, конференциях по лазерам на свободных электронах FEL-2002 (Чикаго, США) и FEL-2003 (Цукуба, Япония), на 9-П-й Нижегородских научных сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2004-2006), на 15-й Международной конференции по мощным пучкам частиц (Санкт-Петербург, 2004), на Всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Нижний Новгород, 2005), на 7-м международном семинаре по плотным потокам энергии и мощному излучению (Каламата, Греция, 2005), на 30-й и 31-й Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам и терагерцовому издучению (Вильямсбург, Внржиния, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006), на 10-й и 11-й Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Звенигород, Московская область, 2005 и 2006), на VI Международной конференции «Мощные микроволны в плазме» (Нижний Новгород, 2005), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН. .
