Введение к работе
Актуальность темы. Современные сильноточные электронные уско-
ИТеЛИ (СЭУ) ПреДОСТаВЛЯЮТ ВОЗМОЖНОСТЬ ДОСТИЖЄНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ МОЩ-
остей РЭП порядка 10,г Вт с энергией до 106 Дх. Благодаря столь-нушительным энергетические характеристикам сильноточные пучки, ак хороию известно, находят широкое применение г различных науч-ых исследованиях и в технике. Одним из наиболее успешно развива»-іпсся приложений для интенсивных РЗП стала высокочастотная реляти-истская электроника. За два десятилетия были созданы СВЧ-генера-оры с мощностями излучения порядка 10' Вт на сантиметровых волах, 10s Вт на миллиметровых волна/., свыше 30е Вт в инфракрасном иапазоне. Эти достижения и дальнейший прогресс экспериментальной ВЧ-электроники больших мощностей в значительной степени базируггг-я на исследованиях процессов внутри интенсивных релятивистских отоков, формируемых обычно со взрывозмиссионных катодов и направ-яемых сильными сторонними магнитными поляьм. Сильные магнитные эля ограничивают поперечные дрейфовые и осцилляторнке смещения лектронов на уровнях, существенно меньших характерных поперечных азмерав систем {зазоры в инжекторах, расстояния от РЭП до стенок знала транспортировки и т.д. ), а также способствуют подавлению эперечных волновых неустойчивостей РЭП. Обусловленное этими Си экоторыми другими) причинами широкое применение систем с магнит--зй изоляцией в релятивистской СВЧ-электронике поставило в семиде-ятых годах целый ряд проблем и задач, образовавших в совокупности рачительный раздел исследований в физике интенсивных потоков за- . явенных частиц.
Задачи работы. Из обширного круга проблем, выдвигаемых прак-якой использования магнитоизоліфованньк СВЧ-систем, в настоящей зооте исследованы, как нам представлялось, ключевые - фзрдирова-яе и транспортировка интенсивных РЭП, а также актуальные смежные генерация мошного СВЧ-излучения потоком непосредственно в реля-
тивкстском диоде в шпаггостатическом поле Срелятивитивистскіїй магнетрон), динамика пристеночных СВЧ-разрядов.
Первоочередные задачи работы связывались с неойходашостыо построения теории устойчивой транспоргировки интенсивного РЭП и его формирования с требуемыми для мойных генераторов СВЧ характеристика!^,:. Известно, что эффективное преобразование энергии электронов в когерентное излучение при взаимодействии РЭП с полили различных элеетродинамических структур требует создания стабильных Св течение рабочего импульса) пучков, главным образом, трубчатой конфигурации с четко определбнньв.аі. и управляемыми интегральными характеристиками, а также с .малым разбросом электронов по скоростям. Среди систем формирования интенсивных РЗП этим требованием наиболее полно удовлетворяют бёсфольговые дііодьі с магнитной изоляцией (ДМИ), в частности, коаксиальные (КДМ1)1. Однако существовавшая теория сильноточных РЭП не .позволяла получать нужных сведений об интегральных и структурных ^характеристиках сфорлірованного в КДМИ пучка (о токе, его поперечном распределении, энерпш электронов, расслоении по скоростям) в зависимости от стороннего магнитного поля. Открытым оставался вопрос о способах управления важнейшими параметрам РЭП, в том числе о регулировке тока в канале при заданной геометрии пучка (без значительного изменения полного импеданса КДМИ ) но возможности выравнивания плотности тока в поперечном сечеюш пучка. Неясно было, как влияют на характеристики сформированного пучка потоки других частиц - ионов из коллекторной плазмы и отраженных от коллектора электронов. Недостаточно были изучены кеустоПчзгвота волновых колебаний сильноточных РЭП (черепковских, циклотронных, диокотронных и др.) внутри различных дрейфовых каналов вакуумных СВЧ-сисгем, требовался анализ скоростей нарастания колебаний в зависимости от тока РЭП, от его конфигурации и от ведущего мапштного поля.
Интерес к КДМИ в злектронике больших мощностей не исчерпыва-
1 В КДМИ катодный цилиндр (полый или сплошной) обычно размешается внутри анодной трубы, взрывная эмиссия может ш.кэть место как с профилированной торцевой поверхности катода, обращенной в сторону, какала транспортировки, так и с боковой поверхности цилиндра. Медленность разлета прнкатодной плазмы поперек осевого магнитного поля обеспечивает, необходимую стабильность пучка в течешь соген наносекунд; отсутствие рассеивающих элементов (типа фольги в планар-ном диоде) позволяет получать тонкостенные трубчатые пучки с малыми разбросами электронов по скоростям.
гея его рольп наиболее подходящей системы фор-мрования РЭП для зямспролетных ШЧ-гєкєраторов. Известно, что энергии вращавщего-1 вокруг катода электронного потока можно преобразовать нз эерэд-івєішо внутри мездгуэлектроднего зазора в энергию мощных СВЧ-коле-їкий - по аналопш с традиционными магнетронами. Однако для рете-т вопроса об энергетических возіюзаюстях реляпшистсіап-с ?.іагнет-экоз с различными частотами излучения и для разработки наиболее эпесообразных их конструктивных вариантов нужно было дать реляти-гетское обобщение аналитической теории магнетрона, указать пряної выбора его оптимальных параметров с точки зрения приближения к недельным мощностям излучения Сс учетом ограничивалцкх факторов?.
В мощных СВЧ-систємах релятивистской электроники часто г.х>гут хздаваться условия, благоприятствущгкз весникновешю пристеночных геричне-змисспонкых разрядов, которые поглощает энергии СВЧ-колэ-шнй, могут инициировать явления пробоя и ограничивать тем самым иргетические возмокнести систем. В этой связи появилась нзетоя-зльная потребность в анализе пристеночного разряда в изолирующем ігнитсстатическсм паке: как для выяснения условия его возншено-:иия, так. и для определения характеристик на развитой стадіпі.
В соответегглм с изложенными проблемами в диссертации рассмо-жны слздукцде основные группы зад^ч:
1. Формирование и транспортировка сильноточных РЭП в мошянх
гнераторах и усилителях СВЧ.
Сада вклячены аналитические и численные решения задачи форми-;пачия РЭП от эмиттпрув'дей. поверхности катода КДМИ до однородной юти какала транспортіфовки, анализ возможных состоякий и струк-tj РЭП в вакуумных каналах с ведущим магнитным полем, расчет віття встречных потоков частиц из коллекторной области на характе-кггики пучка в КЛЇ-Я1, нахождение путей управления рабочим током и о радцальньи распределением.
2. Колебания і! неустойчивости РЭП в каналах транспортировки -
осеbum шгнитостатическш полем.
Здесь содержится цикл исследования колебаний РЭП и их неус-ійчквостей в различных каналах транспортировки, представляющих терэс для ряда приложений, в тем числе и для релятивистских ямопролетных черепковских приборов, магнетронних систем, для орки пульсаций и фокусировки потоков.
3. Физические процессы в СВЧ-диодах с магнитной гзоляцией
ояятяеистсккє магнетроны).
Сада отнесены результаты, есставлящке основу аналитической ории релятивистского магнетрона - одного из самых мощных и зфйз-
кшвных генераторов в сантиметровом диапазоне дгаш волн - включа выяснение их энергетических возможностей, определение оптимальны геометрических и электрических параметров.
4.Пристеночный вторично-эмиссионный СВЧ-разряд (ВЭРР) в юг тостатическом поле.
Здесь содержится анализ процессов в пристеночном ВЗРР на оа предложенных моделей и расчетов для стартовой и развитой стадий, определение основных параметров ВЗРР в ьатаитостатическом поле.
В совокупности выполненные исследования относятся к физике интенсивных потоков электронов в мощных СВЧ-системах с магнитной изоляцией. Изучение колебаний в активных средах, их неустойчивое тей, возможностей использования для генерации и усиления, анализ паразитных явлений втих - всегда спухши объектом исследований радиофизике и электронике. Трудно представить более характерную автоколебательнуо или усилительнув систему, чем вакуумный СВЧ-пр бор. По своей сути їґ- активная среда такой системы - поток электр нов - и электродинамическая структура являптся связанные мезду собой колебательными или волновыми системами. Н?иоЬлее сложные процессы имеит место в электронном потоке. И если для нерелятиви стских потоков основные задачи решены, то с появлением интенсивн РЭП большинство задач приходится решать как бы заново. Начинать, естественно, следует с "создания" активной среды, т.е формирован РЭП (первая группа задач, см.выше), используя методы, хзрактернь для вакуумной и плазменной электроники. Следующий шаг - изучение различных неустойчивестей (вторая группа задач) в РЭП и в систеи РЭП-электродинамическая структура - требует использования методе традиционных для динамических систем в теории колебаний и волн. Исследования релятивистского магнетрона Стретья группа задачЗ и пристеночных разрядов (четвертая группа) также выполнены с прю. нением типичных радиофизических методов, включая методы теории I* лебаний, а самі объекты исследований и процессы в них характера, для вакуумной и плазменной электроники. Сказанное позволяет считать, что в части объекта и методов исследования диссертация ота сится к специальности Радиофизика", а в прикладной своей части ь специальности "Вакуумная и плазменная электроника".
Цель работы. Цель» настоящей диссертационной работы явилосі исследование физических процессов в мощных электронных потоках СВЧ-систем с шгнитной изоляцией, направленное на:
создание оптимальных устройств формирования и транспортировки РЭП в микроволновых генераторах,
определение областей существования и характеристик основі
лідов неустопчивостел РЭП С з каналах с ведущим магнитным полем),
- получение мощного когерентного излучения в высоковольтном шоде магнетронного типа Срелятивистском магнетроне),
-. выяснение основных особенностей пристеночного СВЧ-раэряда.
Научная новіпзна. По перечисленным выше группам задач новизна' >эзультатоа кратка сводится к следующему:
і. В отличие стр предшествовавших и проводившихся параллельна заоот транспортировка РЭП и его формирование на участке ускорения <ДМИ здесь рассмотрены во взаимосогласованной форме как для неог->анчченно сильных, так и для конечных сторонних магнитных полей к. Ьучены интегральные и структурные (траектории, скорости, распре-іеленне плотности) характеристики РЭП и их эволюция с изменением мієшнєго магнитного поля и геометрических параметров (профиля ио-їерхности катода) КДЖ Получены аналитические решения задачи фор-лкровашія РЭИ в КЛШ на основе использования безвихревых моделей (справедливых при тонкостенном трубчатом катоде) и моделей с инте-ісіюньм вихрем обобщенного импульса (при сильном замагничивании). Эоъяснено влияние встречных потоков частиц - злеісгронов и ионов из соллехторнои области - на формирование РЭП в КДМИ. Указаны практически полезные способы профіиіиіюяашія катодов КДМИ, позволяющие ефективно управлять величиной рабочею тока пучка и его поперечным распределением, подавлять иаразш-кые потоки электронов.
г. Найдены и сопоставлены инкременты сх;есимл;етричных и несимметричных колебаний РЭП в областях черепковской и циклотронной не-устоіічивостеа внутри замедляющие волноводов при различных магнита-магических полях ії. Проанализировано влияние нерезонансного поля при различных токах и конфигурациях сильно заыагничекного РОП на раскачку колебании вблизи районакса (синхронизма) пучка с основной модой. Проведен расчет и дач анализ диокотронши неустойчивости грубчатых РЭП на нулевоЛ частоте с учетам собственных магнитоста-гических полей пучка, найдены характеристики нарастния статиче--wx винтовых уплотнения (фиі.чментации) вдоль оси системы.
3. Представлено релятішистсксе сообщение аналитической теории магнетронного диода и магнетронного автогегерчіюрз ("динамика электронов, КПД, мощность излучения). Выявлены пути управления параметрами для максш.оізаіиві виходноіі мощности редялшюпжот магнетрона, оценены его предельные возможности в зависимости от длины волны. Показана перспективность релятивистского мзіиетроиа в качестве о111сс1Г1«лыю несложного источника мощного (гпгаватгн) короткоимпу-льсного (десятки, сотни наносекунд) излучения в сантиметровом диапазоне длин волн.
4. Дтн расчет и анализ процессов в пристеночном вторично-эмиссионном СВЧ-разряде (ВЭРР) в изолирующем шгнитсстатическом иоле - как в стартовом режиме лавинного нарастания Сс учетом возможно-сти нрисуїствия электростатического поля), так и на стадии насыщения (ограничения сооственнши полями). Найдены области существования КЭРР по частоте и налряженнсстям электрических полей, определены поглощаемые разрядом мощности, оценено время его установления.
Вклад автора. Автору принадлежит определявший вклад в постановку задач, получение и анализ основных результатов диссертации2.
Практическая значимость. Выполненные исследования направлены на применение их результатов в релятивистской электронике больших мощностей. Их значимость определяется как уже реализованными приложениями (см. нижа), так и еозноляостлілн последующих использований при разработке инжекторных систем СЗУ, систем формирования РЭП с различньо.ш характеристиками, ГОЧ-генераторов шгнетрониот типа, при анализе условий возникновения и подавления пристеночных СВЧ-разрядов в мощных системах с *атггостатическііми полями.
Основные положения теории формирования РЭП в КДКИ использовались при разработке злектронно-оігпічеокіос систем релятивистских СВЧ-генераторов черенковского типа: для определения интегральных параметров трубчатого пучка, для.оценки распределения электроно, но энергиям движешія и составляэдим скоростей (гг,2Э,зэ,Э5Ь Нашли применение и конкретные приложения теории формирования: управление рабочим током в канале с комовіьо донолицгельнга-о пучка без существенного рассогласованин диода и системы подачи шнульса напряжения, а такхе без изменения обьема кнешнего магнитного поля lie,isj (НПФ АН, МГУ, 1ЮФ АН, 1ЕЭ СО АН), управление поперечный распределением плотности тока РЭП (в частности, выравнивание) с помощью профилирования катодной поверхности (30j (Ш*> АН, 117»* АН), подбор конфигурации нолей и электродов КЛМИ с цель» подайленкя паразитных
2 Представленные в диссертации результаты получены автором лично и, частично, в соавторстве. К иехзледним относятся отдельные результаты теории формирования РЭП в KJB>51 (совместно с М. И. 4уксом), прикладная часть теории релятивистского ыагнетрона С с М. И. Фуксом) анализ встречных потоков частиц в КДМИ Сс Н. И. Зайцевы», И. С. Кулагиным), рассчеты режимов одностороннего ВЭРР (с Л. Г. Бляхюн). Част статей написана в авторских коллективах Свштчая экспериментаторов специалиеггав по численному ыоделнрованш), объединенных обадшн за-дачаш исследований. Работы [1,4,5,7,8.14,19,29,31,33,35,41,421 выполнены без соавторов.
уюхав (ill и посьмешія знергсрзсурса СЭУ (НПФ АК, ФИ АЮ. Методо
иалігпічєского расчета оптимальных параметров релятивистских маг-.
этропов [6, is J были использованы при создании СБЧ-генера*лороз ги-
зпаттаого уровня мощности на сактиметроЕых волнах (ШФ АН, <Ш АН,
И'ІЯЇ» ТШ). Предложенные методы, анализа пристеночного ВЭРР [23.241
рименллись для определения возкатности возникновения разряда з
сектродішашческик трактах мощных релятивистских СВЧ-генераторов
КП> АН, МГУ, ИСЭ СО АН). . '
Внедрение и использование результатов. Результат» работы вхо-ет в отчеты по хоздоговорам с отраслевыми институтами. Полученные диссертации вывода и рекомендации использовались в ИШ АН, МГУ, >ї> АН, ФИ АН, ИСЭ СО АН, НИИ ЯФ ТЛИ, ВЦ СО АН и др. организациях, то подтверждено соответстЕущі&лі документами.
Апробация работы. Результаты работа содержатся з статьях [1-8, 0-13,16-19,22-20,28,31-34,41,421 в трудах її Международного сшио-нуна по коллективным методам ускорения <21убка,1975) fs],n и ir ээдународных симпозиумов по сильноточным электронным и ионным пукам (Нопоснбирся,1979; Шлнзо,Франция, 1931) [20,27); имеется реакционное сообщение, - аннотация но материалам доклада, представ-оннога на 1.4гждународныП симпозиум по высокочастотным устройствам
Зрландо,СШ,1979)3. Часть резу./штзтов опубликована также а-трудах ii.iy.y Всесоюзных семинаров по сильноточной электронике (Томск, Э70; Новосибирск, 1932 Д984) [15,29,30,351, YI Всесоганого се-мина-а но колебательным явлениям в потоках заряженных частиц СЛенин-рэд,1977) [14), IY Всесоюзной конференции по электронике СВЧ (Кй-з,157Э) [211, Yiir.ix и х Всесоюзных семинаров по методам расчета иектрошга-оптаческих систем (Ленинград, 19S3; Ташкент,1988; Львов, К.;5 [37-40). Кроме того, результаты диссертации содержались в рех приглашенных докладах на і,іи еегдшарах по релятивистской і.кскочзстоткоо' электронике (Горький,1978,1В03); двух докладах на І семінаре (СьердловскДЭЗЭ), в четырех докладах на Научных сес-яях но физике плазмы АН (Звенигород,1974,1376,1930), в трех лек-иях на школах-сецинзрах по электронике (Саратов,1978,1983)г в до-ладах на семинарах "Проблемы электроники" (ЖН, 1976), лаборато-нп ФИ АН (1974/1076,1982,1985). И0Ф АН (1985), ИСЭ СО АН C19SS5, екаїнарв огдела ИПФ АН (многократно).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введе-ия, четырех глав. Общего заключения, списка литературы. В конце эядой главы имеется заключение с выводами, главные результаты
Microwaves. 1979, June. P. 26.
X.0
сфорлулированы в Обшей заключении. Padcrra изложена на .384 crip, на шшгописиого текста, включая 303 стр. основного текста, 53 стр. с 60 рисунками, 5 стр. с таблицами, 23 стр. библиографии с 160 цити рованньаш источниками и СотдеяыгаЗ 42 публикациями автора по теме диссертации.
