Введение к работе
История вопроса и актуальность темы
Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) -
относительно молодая наука, заявившая о своем появлении в
начале семидесятых годов и превратившаяся к настоящему
времени в высокоразвитую область научных исследований.
Обладая уже сейчас неплохим заделом в решении прикладных
задач, она может, по-видимому, послужить в будущем основой
для развития на ее базе технических отраслей, таких,
например, как СВЧ-энергетика. С физической точки зренияя
РВЭ - это наука о преобразовании энергии релятивистских
электронных потоков (т.е. потоков заряженных частиц,
которые движутся со скоростями, близкими к скорости света и
соответственно обладают энергией, значительно превышающей
их энергию покоя) в энергию электромагнитного излучения. В
этом смысле критериями ее успехов можно считать, во-первых,
достигнутую эффективность преобразования энергии или
величину КПД электронного прибора и, во-вторых, уровень
мощности излучения, который эти приборы могут обеспечить в
различных диапазонах длин волн. На последующих этапах
берутся в расчет уже более "тонкие" характеристики приборов,
такие как стабильность, устойчивость, перестранваемость
(управляемость) и т.д.
Что касается первого критерия - эффективности, то здесь
РВЭ ни в теории, ни в эксперименте практически не уступает
своей предшественнице и прародительнице - традиционной
нерелятивистской СВЧ-электронике. Так уже в первых
совместных экспериментах (НИРФИ, ФИАН СССР, 1973) был достигнут КПД преобразования мощности электронного пучка в мощность электромагнитного излучения свыше 10%. В более поздних экспериментах (ИСЭ СОАН СССР, ИПФ АН СССР, 1980) он был поднят до (30-35)%. Теоретические расчеты для релятивистских приборов, основанных на механизме взаимодействия типа "0", дают в зависимости от конструкции электродинамической системы предельный уровень в (40-60)%, а при переходе к механизму типа "Т" (захвату частиц полем волны) до (70-90)%.
По второму критерию - достигнутому уровню мощности,
РВЭ вне конкуренции по величине пиковых мощностей в
импульсном режиме (особенно в относительно длинноволновых
сантиметровом и миллиметровом диапазонах, где достигнут
гигаваттный уровень мощности), но она пока всего лишь на
уровне, а в ряде диапазонов и отстает от достигнутого с
помощью других источников излучений в смысле средних
значений. Если же говорить о широте охвата с ее помощью
различных диапазонов шкалы электромагнитных волн, то здесь
ей нет равных, ибо приборы РВЭ работают в сантиметровом,
миллиметровом диапазонах длин волн, в диапазоне видимого
света и прилегающих к нему, в ультрафиолетовом диапазоне, а
наиболее смелые проекты нацелены уже и на рентгеновский
диапазон. Конечно, степень проникновения в каждый из
перечисленных диапазонов с помощью приборов РВЭ весьма
различна, как различны и конструкции создаваемых для
каждого конкретного диапазона устройств. Однако сам факт
освоения практически всей шкалы частот электромагнитных
волн с помощью приборов, работающих на единых физических
принципах, говорит о высокой степени развития РВЭ как науки.
Начало научной деятельности автора по счастливой случайности
совпало с моментом зарождения релятивистской
высокочастотной электроники в нашей стране. Первые работы,
выполненные им под руководством академика А.В.Гапонова-
Грехова и профессора М.И.Петелина, были направлены на
расчет и экспериментальное исследование некоторых
конкретных видов приборов, но одновременно касались и
принципиальных вопросов теоретического и
экспериментального обоснования возможностей эффективного преобразования энергии релятивистских электронных потоков в СВЧ-излучение. (Эти работы легли в основу кандидатской диссертации автора).
Дальнейшая его деятельность оставалась также в русле
развития релятивистской высокочастотной электроники и была
направлена в основном на поиск механизмов взаимодействия и
методов, их использования, позволяющих повысить КПД
электронных приборов. Конкретные цели, которые ставил
перед собой автор, и полученные результаты, составившие содержание данной работы, сформулированы ниже.
Цели диссертационной работы.
1. Теоретическое и экспериментальное изучение различных
типов релятивистских СВЧ-приборов и совершенствование
конструкций наиболее перспективных из них до уровня,
позволяющего использовать такие приборы не только в
исследовательских работах, но и в радиотехнических системах
и в других прикладных целях.
-
Развитие методов повышения КПД приборов, использующих релятивистский эффект Доплера (лазеров и мазеров на свободных электронах).
-
Оптимизация выходных параметров некоторых типов релятивистских приборов. В первую очередь - повышение эффективности, коэффициента усиления, стабильности.а также снижение стартового тока и ряда других параметров.
4. Разработка методов эффективного преобразования частот в
электронных СВЧ-приборов.
Научная новизна и практическая значимость работы.
1. Предложена и развита конструкция релятивистских
генераторов типа ЛОВ с неоднородным импедансом связи,
обладавших весьма высоким КПД и способных работать в
режиме периодического следования импульсов. На их основе
кооперацией из нескольких институтов создана
радиолокационная станция с высокой контрастностью
изображения объектов.
2. Теоретически и экспериментально исследован ряд
секционированных приборов с релятивистскими электронными
пучками. Решены задачи о нахождении наиболее стабильных
режимов генерации, о достижимом коэффициенте усиления в
двухрезонаторцом клистроне, о повышении эффективности
отбора энергии у неоптимально сгруппированного пучка. С
использованием этих идей в совместных экспериментах ИПФ
РАН и ИСЭ СО АН РАН реализован секционированный
генератор миллиметрового диапазона с разделенным
электронным пучком.
3. Развит метод расчета приборов с нефиксированной
структурой поля, которые могут обладать выходными
параметрами, эквивалентными сопоставляемому с ними
генератору с заданным полем. С помощью этого метода прове
дена оптимизация ЛСЭ-усилителя, решена задача об
обеспечении стационарного режима в "бесконечно" длинном
СВЧ-приборе с тянущим электрическим полем и распределенным
отбором СВЧ-энергии, о достижении предельно высокой
эффективности умножителя частот с захватом частиц полем
волны.
4. Рассмотрен новый тип квазиоптической замедляющей
системы, сочетающей большое поперечное сечение с высокими
селективными свойствами и высоким сопротивлением связи в
ней волны й пучка. Такая система может найти применение
как в СВЧ-приборах, так и в ускорителях.
5. Предложены нетрадиционные методы преобразования частот в
приборах пролетного типа, позволяющие поднять эффективность
преобразователей до уровня моночастотных генераторов. На
основе таких преобразователей созданы источники
широкополосных шумовых сигналов в миллиметровом
диапазоне длин волн.
Использование результатов.
Результаты диссертации были использоаны при создании в совместных экспериментах ИСЭ СО РАН и ИПФ РАН мощных и эффективных ЛОВ сантиметрового диапазона. Эти лампы в свою очередь стали основой для создания кооперацией из нескольких институтов РЛС с генераторной частью на релятивистском приборе.
Теоретические изыскания автора и сделанные на основе
развитой теории расчеты неоднократно использовались при
конструировании различных типов релятивистских приборов
для экспериментов, проводившихся в ИСЭ СОАН CCCPf СКВ
НП УрОт АН СССР и для интерпретации получаемых
результатов.
Развитые в диссертации методы преобразования частоты были использованы при создании широкополосных шумовых источников миллиметрового диапазона, нашедших применение в спектроскопии газовых сред и в исследвашгах по воздействию шумовых сигналов на биологические объекты.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на
семинарах в ИПФ АН СССР (Нижний Новгород), ИСЭ СОАН
СССР (Томск), ИОФ АН СССР (Москва), НИИ "Титан"
(Москва), ОИЯИ (Дубна), ЦКБ "Алмаз" (Москва), а также на
Всесоюзных и международных конференциях, семинарах и
симпозиумах: "Электроника СВЧ" - Киев 1979, Минск 1983,
Орджоникидзе 1986, "Релятивистская высокочастотная
электроника" - Горький 1978, 1983, Томск 1980, 1991, Москва
1984, Новосибирск 1987, Свердловск 1989, "Колебательные
явления в потоках заряженных частиц' - Ленинград 1977,
1981, "Рабочие совещания по лазерам и мазерам на свободных
электронах" - Москва 1981, Горький 1984, 1986, "Всесоюзные
симпозиумы по сильноточной электронике - Новосибирск-Томск
1986, "Зимние школы - семинары инженеров по электронике
СВЧ и радиофизике" - Саратов 1978, 1987, "Плазменная
электроника" - Харьков 1988, "Совещание по новым методам
ускорения, включая коллективные методы ускорения ионов" -
Киев 1989, "Мощные электронные пучки" - Новосибирск 1990,
Вашингтон 1992, "Международный микроволновой симпозиум" -
Альбукерке 1992, "Международная конференция по
миллиметровым и субмиллиметровым волнам и их
применению" - Сан-Диего 1994.
Структура и объем диссертации.
