Введение к работе
. Актуальность темы.
Современное состояние и тенденции развития радиолокации, физики-и техники ускорителей, систем космической связи и радионавигации, управляемого термоядерного синтзза и многих других областей науки и техники определяют основные требования к параметрам СВЧ ..риборов, спектр применения которых в указанных областях чрезвычайно широк. Это в первую очередь высокая эффективность, пгарокополосность, управляемость характеристик выходных сигналов, большая выходная мощность при минимальных весо-габаритннх параметрах.
Существующие в настоящее время 8лектрова..уумные и твердотельные усилители и генераторы СВЧ не в состоятш удовлетворить этому набору в основном взаимно противоречивых требований в силу ряда причин принципиального характера, связашшх с электродинамическими свойствами замедлящих структур, волноводных и резонаторних систем взаимодействия, используемых в традиционных СВЧ приборах. В связи с втим особую актуальность приобрели исследования новых нетрадиционных методов усиления и генерирования электромагнитных колебаний СВЧ диапазона, одним из которых является взаимодействие мощных электронных пучков с гибридными плазмешго-резонаторныни системами,теоретическое и экспериментальное исследование которого составляет содержание настоящей диссертации.
Цель работы заключалась: 1. В теоретическом исследовании дисперсионных характеристик плазнен-но-резонаторных систем, струк-уры полей возникающих в них. сиязашшх волн и структуры потоков энергии, создании программ расчета с трзбуе-
мой для разработки СВЧ прибора точностью.
-
Построении многоволновой нелинейной теории взаимодействия электронных пучков с гибридными плазмелно-резонаторными системами и создании программ численного расчета пучково-плазменных усилителей и генераторов на основе этих систем.
-
Экспериментальном исследовании взаимодействия электронных пучков с волнами гибридных плазменно-резонаторных систем.
-
Теоретическом и экспериментальном исследовании методов повышения эффективности п>-iKOBo-плазменных усилителей за счет использования неоднородных плагменно-резонаторных систем.
-
Экспериментальном исследовании процессов стохастизации СВЧ колебаний в генераторах на основе пучково-плэзменных усилителей с запаздывающей внешней "'ратной связью.
б.Экспериментальное исследование методов управления спектрами СВЧ колебаний,генерируемых в стохастических пучково-плазменных генераторах.
В работе использован комплексный метод исследований, включаючий в себя теоретические исследования, как аналитические,ттк и численные, в результате которых созданы программы расчета пучково - плазменных приборов и экспериментальные исследования на отпаянных лабораторных макетах усилителей и генераторов, проводившиеся на аттестованы): экс- . периментальных стендах с применением . электрических, радиофизических и СВЧ методов измерений.
_Достовер_'; сть_результатов подтверждается достаточно хорошої совпадением результатов экспериментальных исследований с расчетно-теоре-. лескими как с точки зрения динамики физических процессов, так и в количественном отношении.Кроме того достоверность теоретических и экспериментальных данных подтверадается 'результатами стендовых испытаний разработанных на их основе пучково-плазменных усилителей и генераторов (ППУ и ППГ) СВЧ-.
Научная_новизна_ работы состоит в следующем:
1. Впервые теоретически исследованы электродинамические характеристи-
кн гибридных плазменно-резокаторных захедлакщах систем, созданы програний количественного расчета дисперсионных а икаедансных характеристик, пространственной структуры колей и потоков энергии габрадных вовк.
-
Впервые разработана неяанейнаа многоволновая теорая взаимодействия электронных пучков с габрадными плазменно-резонаторными системами, создана арограчмы расчета энергетических а спектральних характеристик взаимодействия, получена параметра электронного пучка, плазми а электродинамической системы, необходимые для создания высокоэффективных широкополосных пучково-плазкенных приборов,
-
С целью повышения эффективности пучково-плазменкых приборов СЗ'Ї на основе гибридных плазкенно-резонаторных заиедляицах структур теоретически исследовано взаимодействие электронного пучка с пространственно неоднородными электродинамическими системами.Показана возможность получения режина обращенной автофазировка пучка с гибридными волнами и синхронизации поля волны и пола пространственного заряда,
-
В работе впервые проведено детальное экспериментальное исследование прсп,ессоь взаимодействия электронного пучка с алазменно-резонато-ркыма замедлягцима системами в отпаянных пучкоЕС-плазменных усилителях, созданных на основе проведенных расчетов.
-
Экспериментально исследованы процессы взаимодействия электронного пучка с гибридными волками в пучково-алазменнам усилителе с продольно неоднородным магнитным полем.Показана возможность повненая электронного кпд до 445 в режиме обращенной автофазаровкк.
5. Впервые получены и исследованы ренины стохастической генерации аи-рокспояоеных шумовых СВЧ колебаний больной корости в генераторах на основе гибридных пучково-пяазменных усилителей с внешней запаздывавшей обратной связью. В режиме фазовой нелинейности система исследована динамика перехода к стохастической генерации за счет перемежающейся турбулентности.
7. Впервые осуществлен а экспериментально исследован режим управления спектрами генерируемых СЗ'Ї колебаний за счет внешнего сигнала налой
I*
корости. Получена частотнаа кокпрессна спектра вукоЕых колебаний в окрестности частоти управлявшего сигнала н его частотнаа перестройка с неравномерность!; амплитудно-частотной характеристики не более 3 дВ.
Практическая значимость и реализация результатов
Результати исследований полоїєкц е основу разработки и создания мсрых иучкоБО-алазкепных приборов СЕ'"!;
высокоэффективное гибридное усилители дециметрового и сантиметрового диапазонов;
корые {азсстабилькке усилители іиї с временной кестабильксс-тьв фазы не Солее 0.01 радиана;
корне СЕЧ іенератеріі стохастических сигналов;
к эры с СЕ'-! итераторы с управляемым електрон генерируемых сигналов .
газраоотапные методы расчета гиорндных пучково-плазиенкых приборов универсальны но отноіеєниі; е типу используемых электродинамических систем и могут применяться при разработке перспективных СВЧ приборов с повышенной коростьм Еиоднш'х сигналов до кегаваг-ткого уровня. Е настоящее время проводятся исследования по использований пучко-
во-плазменных генераторов стохастических СВЧ сигналов для нагрева плазмы в установках по получению управляемого термоядерного синтеза, плазмохимических реакторах на основе СВЧ разряда и других технологических применениях.
_На_защиту_внносятся:
-
Метод теоретического исследования электродинамических характеристик гибридных плэзменно-резонаторных замедляющих систем, позволивший рас-читать дисперсионные характеристики, пространственную структуру электромагнитных полей и потоков энергии.
-
Результаты теоретического исследования физики взаимодействия електронних пучков с гибридными плазменно-резонаторными системами и созданные на их основе методы численного моделирования динамики пучково-плазменных приборов СВЧ большой мощности, реализованные в виде пакета программ и позволившие расчитать параметры электродинамических систем, электронных пучков и плазменных волноводов в соответствии с требуемыми энергетическими и спектральными характеристиками приборов
-
Методы повышения электронного кпд пучково-плазменных приборов СВЧ с использованием аффектов обращенной автофазировки и синхронизации поля пространственного заряда.
-
Результаты экспериментальных исследований взаимодействия электронных пучков с однородными и неоднородными плазменно-резонаторнымя системами и стендовых испытаний пучково-плазменных усилителей СЗЧ, подтвердившие их высокую вффективность.
-
Исследования динамики стохастизации колебаний в автогенераторах на основе пучково-плазменных усилителей с внешней згпаздыващей обратной связью, результаты которых использованы при создании мощного генератора стохастических сигналов.
-
Метода управления спектрами генерируемых колебаний в пучково-плазменных генераторах СВЧ большой средней мощности, позволившие осуществить управляемую компрессию спетров стохастических колебаний с перестройкой их центральной частоты.
__4?ШЕ?5еЦЗЗ_Е59і Результаты работы докладывались на:
Me ядународной конференции "Веапш-92" {Вашингтон, 1992г.)»
Международной конференции по сильноточной электронике ( Екатеринбург, 1992г.)-
Международной конференции "Мощное излучение в плазме" ( Нижний Новгород, 1993г.).
Международной конференции "Физика и применение микроволн"( Москва 1993г.).
Международной конференции по электродинамике гиротропных сред ( Сімферополь, 1992,1993гг.).
Всероссийском семинаре по електродинамике замедлящих структур ( Москва, 1991,1992,1993гг.).
Объединенном заседании Советов по плазменной электронике РАН и Академии наук Украины (Харьков,1993г.).
Лхбликации^ '.о теме диссертации опубликовано 20 печатных работ и получено 7 авторских свидетельств на изобретения.
