Введение к работе
Актуальность темы
Вопросы преобразования энергии релятивистских электронных потоков в когерентное электромагнитное излучение являются предметом изучения релятивистской высокочастотной электроники (РВЭ) - сравнительно новой, интенсивно развивающейся в последние десятилетия области физики. Прогресс РВЭ обусловлен возможностью увеличения мощности и частоты излучения релятивистских источников по сравнению с приборами классической электроники, что позволяет получить более мощное излучение в уже освоенных СВЧ-электроникой диапазонах, а также осуществить легко перестраиваемую генерацию в новых коротковолновых диапазонах от субмиллиметрового до ультрафиолетового, доступных ранее только для квантовых генераторов.
Использование мощного когерентного высокочастотного излучения открывает широкие перспективы в решении таких актуальных проблем, как нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, ионизация газов, исследование взаимодействия мощного излучения с поверхностью различных материалов, радиолокация, ускорение частиц, инициирование химических реакций и т.д.
К настоящему времени экспериментально исследовано большое число приборов РВЭ, основанных на различных механизмах индуцированного излучения. При этом разделение диапазонов мевду релятивистскими генераторами различных типов носит следующий характер. В сантиметровом диапазоне по мощности и КПД доминируют релятивистские прибори черенковского типа - магнетроны, ЛОВ, ЛБВ, оротроны. Однако по мере продвижения в область более коротких волн масштаб замедляющих систем, используемых в черепковских генераторах, должен уменьшаться. Поэтому в миллиметровом, субмиллиметровом и более коротковолновых диапазонах на первый план выступают источники, основанные на индуцированном тормозном излучении электронов и вынужденном рассеянии волн релятивистскими электронными пучками (РЭП) . В таких генераторах возможность укорочения длины волны основана на эффекте Доплера, в соответствии с которым частота излучения электрона-осциллятора, движущегося с поступательной скоростью V,, , определяется соотношением
10 = ~ * (о.1)
1 - -^- COS lf>
Согласно (0.1) в направлении, составляющем малый угол с
направлением поступательного движения ф ^ "f , при
поступательной скорости, близкой к скорости света с , частота
излучения может существенно превосходить частоту осцилляции
& :
00 *- 2ГгЯ, (0.2)
где Ц~ /mcl - (f—-г] - релятивистский масс-фактор, & энергия электронов.
Идея получения коротких волн с помощью доплеровского преобразования частоты излучения релятивистских электронов-осцилляторов, поступательная скорость которых близка к скорости света, была выдвинута впервые В.Л.Гинзбургом и Мотцем в конце 50-х годов применительно к спонтанному излучению или излучению заранее сформированных сгустков . Позднее, в 1968-1971 г.г. Пантеллом и Мэйди было предложено использовать доплеровский сдвиг частоты для генерации вынужденного коротковолнового излучения, когда первоначально стационарный электронный поток в результате автофазировки разбивается на когерентно излучающие сгустки. Приборы, основанные на вынужденном излучении электронных потоков и использующие доплеровское смещение частоты вверх, получили название мазеров и лазеров на свободных электронах (МСЭ и ЛСЭ). Эти приборы могут различаться механизмами индуцированного излучения (циклотронное и ондуляторное излучение, вынужденное рассеяние волн).
Релятивистские генераторы, основанные на циклотронном
излучении электронов в направлении, близком к направлению их
поступательного движения - релятивистские мазеры на циклотронном
авторезонансе (МЦАР) - позволяют на высоком (вплоть до
гигаваттного) уровне мощности освоить миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны. Частота осцилляции электронов в МЦАР равна релятивистской гирочастоте
а - шн = еН0/тсГ (о.з)
и поскольку эта частота падает с увеличением массы электрона, частота излучения в МЦАР растет по мере увеличения энергии частиц как If .
В приборах, основанных на индуцированном ондуляторном излучении в магнито- или электростатическом периодическом поле (убитроны) и рассеянии волн (скаттроны) частота осцилляции электронов равна баунс-частоте
(0.4)
Gj = bMv„
- период ондулятора) или доплеровски смещенной частоте волны накачки
& = 0)1 + hi V„ (0.5)
( и)і , h; - частота и продольное волновое число волны накачки). Как следует из (0.2), (0.4), (0.5), в убитронах и скаттронах с ростом энергии частиц частота излучения увеличивается как % По этой причине потенциальные возможности продвижения в коротковолновые диапазоны у убитронов и скаттронов выше, чем у МЦАР.
За последние годы было проведено большое количество экспериментальных исследований убитронов , скаттронов, а также мазеров на циклотронном авторезонансе. Одновременно интенсивно развивалась теория таких устройств . После выяснения основных закономерностей работы релятивистских приборов с криволинейными электронными пучками стало необходимым рассмотрение таких важных для эксперимента факторов, как влияние собственных полей пучков, разброса параметров пучков, неоднородности полей высокочастотных волн, характера поляризации этих волн и т.д. Весьма актуальными
в практическом отношении проблемами явились поиски методов оптимизации параметров и повышения КПД убитронов и МЦАР. Следует также отметить, что для убитронов и скаттронов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, где используются сильноточные релятивистские электронные пучки, кардинальное влияние оказывает наличие фокусирующего магнитного поля.
В последнее время в РВЭ наряду с относительно длинноимпульсными процессами, в которых длительность импульса тока существенно превышает время пролета электронов через пространство взаимодействия, возник интерес к предельно короткоимпульсным процессам, когда длительность импульса тока меньше времени пролета. В этом случае речь идет о когерентном излучении не электронных потоков, а пространственно-локализованных электронных сгустков (кластеров), характерные размеры которых, вообще говоря, превышают длину волны. Процесс стимулированного излучения в подобных ансамблях электронов-осцилляторов получил название сверхизлучения или когерентного колллективного излучения по аналогии с известным в квантовой электронике сверхизлучением Дике. При сверхизлучении происходит автофазировка электронов в сгустке и высвечивание очень короткого электромагнитного импульса, причем пространственная структура поля излучения формируется самим электронным сгустком.
Цель работы 1. Построение теории убитронов и скаттронов с магнитонаправляемыми РЭП и волноводными электродинамическими системами.
-
Поиск методов оптимизации параметров и повышения КПД убитронов и МЦАР.
-
Исследование в рамках простейших одно- и двумерных моделей процессов сверхизлучения в ансамблях электронов, осциллирующих в поле ондулятора или электромагнитной волны накачки, а также вращающихся в однородном магнитном поле.
Научная новизна работы В результате выполнения данной работы:
1. Построена линейная теория убитрона с плавно включающимся
полем ондулятора и однородным фокусирующим магнитным полем.
Показано, что кроме излучения на обычном ондуляторном
синхронизме, возможно излучение, обусловленное возбуждением
осцилляция электронов около равновесной винтовой траектории.
-
Построена нелинейная теория генераторного и усилительного вариантов убитрона и скаттрона с учетом влияния поперечной неоднородности и поляризации высокочастотных волн, собственных полей пучка и фокусирующего магнитного поля.
-
Предложены методы повышения КПД и снижения чувствительности к разбросу начальных параметров электронного пучка для убитрона на квазикритической частоте и секционированного МЦАР.
4. Исследована генерация мощных ультракоротких
электромагнитных импульсов в результате развития
сверхизлучательной неустойчивости в слоях
электронов-осцилляторов. Показано, что при возбуждении
осцилляции электронов под воздействием интенсивной
электромагнитной волны накачки возможно коллективное ускорение электронного слоя до релятивистских энергий.
Практическая значимость Результаты исследований, изложенные в диссертации, в основном направлены на применение их для целей генерации мощного коротковолнового излучения с помощью релятивистских электронных пучков. Они могут быть использованы для расчета усилительных и генераторных вариантов убитронов и скаттронов с волноводными электродинамическими системами, а также для расчета ЩАР-генератора с квазиоптическими резонаторами и секционированного МЦАР-усилителя. Исследованное в данной работе явление сверхизлучательной неустойчивости может быть использовано для генерации мощных ультракоротких (длительностью до десятков пс) электромагнитных импульсов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.
Использование результатов Результаты диссертации были использованы при разработке убитрона с брэгговским резонатором, экспериментально реализованного в ИПФ РАН, а. также убитрона, работающего на квазикритической частоте, созданного в ИСЭ СО РАН. Результаты диссертации использовались также при интерпретации экспериментов по наблюдению вынужденного рассеяния волн на Р.ЭП, проведенных в ИОФ РАН и ИСЭ СО*РАН.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, на российских и международных конференциях и семинарах: "Релятивистская высокочастотная электроника", Горький, 1983, Новосибирск, 1987, "Колебательные явления в потоках заряженных частиц", Ленинград, 1984, 1991, "Рабочие совещания по лазерам и мазерам на свободных электронах", Горький, 1984, "Зимние школы-семинары инженеров по электронике СВЧ и радиофизике", Саратов, 1981, "Международная конференция по коллективным методам ускорения", Харьков, 1992, Международная конференция "Явления электрического разряда и изоляции в вакууме", Россия, 1994.
Основные результаты работы составили содержание 12 научных статей и обзоров, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 195 страниц, 28 рисунков и список литературы из 155 наименований.
