Введение к работе
1. Формулировка и актуальность проблемы
Релятивистские электронные генераторы и усилители [1, 2] являются достаточно актуальными примерами распределенных радиофизических систем, используемых для практических приложений. При этом электродинамические системы во многих вариантах этих устройств включают волноводы с периодически гофрированными стенками [3, 4]. В случае приборов черенковского типа [5-13] с прямолинейными электронными пучка такие волноводы могут служить замедляющими системами. С другой стороны, на основе периодически-гофрированных структур могут быть реализованы брэгговские зеркала и резонаторы, с помощью которых создается распределенная обратная связь в мазерах на свободных электронах (МСЭ) с криволинейными электронными пучками [14-16]. Еще одна область приложения гофрированных структур - их применение в гироусилителях с целью оптимизации дисперсионных характеристик [17].
Предшествующий теоретический анализ как релятивистских черенков-ских генераторов и усилителей (ламп бегущей и обратной волны, оротро-нов) [18-21,], так и МСЭ с распределенной обратной связью (РОС) [15], опирался на теорию возбуждения волноводов [22]. При этом поперечная структура поля в большинстве моделей предполагалась фиксированной, совпадающей с одной из объемных волноводных мод. Такой подход вполне адекватен для описания электронно-волнового взаимодействия с сантиметровом и в длинноволновой части миллиметрового диапазона, когда поперечный размер электродинамических систем сравним с длиной волны. Вместе с тем, в последнее время становится актуальной задача освоения коротковолновых, в частности, терагерцового диапазонов, что неизбежно требует использования сверхразмерных электродинамических систем и, соответственно, квазиоптических методов описания электронно-волнового взаимодействия. Для черенковских источников в качестве предельного случая может быть рассмотрена задача о стимулированном излучении в свободном пространстве ленточного электронного пучка, движущегося прямолинейно над периодически-гофрированной металлической поверхностью, вдоль которой могут распространяться медленные поверхностные волны.
Генераторы поверхностной волны в настоящий момент привлекают значительное внимание как один из перспективных источников когерентного коротковолнового, в т.ч. субмиллиметрового излучения [23-25]. Важно подчеркнуть, что имеется значительный экспериментальный опыт реализации этого класса генераторов. При этом релятивистские генераторы поверхностной волны (генераторы на колебаниях "л-вида" ) со сверхразмерными электродинамическими системами и трубчатыми электронными пучками - многоволновые черенковские генераторы (МВЧГ) на протяжении ряда лет остаются наиболее мощными источниками излучения сантиметро-
вого и миллиметрового диапазона [10-12]. Тем не менее, достаточно полное теоретическое описание таких устройств до настоящего момента отсутствовало.
Указанные обстоятельства обуславливают актуальность теоретического анализа генераторов поверхностной волны, включающего как исследование формирования самосогласованной структуры поля в стационарных режимах генерации, так и условия обеспечивающие установление стационарных режимов при большой сверхразмерности пространства взаимодействия. Как показано в настоящей диссертации, в случае достаточно высоких энергий частиц, когда для организации взаимодействия черенковского типа требуется относительно небольшое замедление волны и, соответственно, относительно небольшая глубина гофра, для описания генераторов поверхностной волны может быть использован квазиоптический подход. В рамках такого подхода поле излучения в канонических схемах генераторов поверхностной волны с однопериодической гофрировкой представляется в виде двух встречных квазиоптических волновых пучков, связанных на гофрированной структуре. Для описания такой связи может быть использован метод эквивалентных поверхностных магнитных токов [26].
Представление поля поверхностной волны как совокупности связанных волновых потоков является весьма продуктивным не только с точки зрения анализа процессов электронно-волнового взаимодействия в традиционных схемах, но и позволяет предложить усовершенствованные варианты, в частности, генераторы поверхностной волны с двумерно-периодическими структурами. Аналогично МСЭ с двумерной распределенной обратной связью [27, 28], такие структуры позволяют организовать дополнительные потоки электромагнитной энергии, распространяющиеся в поперечном (азимутальном) по отношению к поступательной скорости частиц направлении и синхронизующие излучение широких ленточных или трубчатых электронных потоков.
С другой стороны, методы анализа формирования самосогласованной структуры поля по координате, направленной по нормали к гофрированной поверхности, могут быть использованы и в теории МСЭ с одномерными и двумерными брэгговскими резонаторами. В частности, на их основе могут быть промоделированы процессы конкуренции мод с различным числом вариаций поля по указанной координате.
Заметим, наконец, что квазиоптические методы оказываются эффективными и при анализе релятивистских черенковских усилителей на основной замедленной гармонике, которые также экспериментально исследовались в ряде работ, в частности, в [13].
В качестве прототипов исследуемых в работе генераторов и усилителей в традиционной слаборелятивистской электронике могут рассматриваться схемы ЛБВ усилителей и генераторов, работающих в окрестности верхней границы полосы прозрачности [29, 30]. Здесь, прежде всего, следует отме-
тить ЛЕВ на цепочках связанных резонаторов (ЛБВ-ЦСР). Для анализа подобных систем наиболее часто используется дискретный подход [31]. В ряде работ, например [32], на основе дискретного подхода строится теория релятивистских генераторов на колебаниях "л-вида". Однако в условиях, когда глубина гофра мала, представляется более адекватным использование предложенного в данной работе квазиоптического волнового описания. При этом в отличие от [33] дисперсионные характеристики волн по заданным параметрам гофра определяются самосогласованным образом, а не задаются феноменологически.
Цели диссертационной работы, исходя из перечисленных выше актуальных проблем, можно сформулировать следующим образом:
-
Исследование (в рамках квазиоптического подхода) распространения волн над металлическими плоскостями с мелкой периодической гофрировкой поверхности.
-
Анализ релятивистских усилителей поверхностной волны в рамках импедансного приближения
-
Развитие квазиоптической теории черенковских релятивистских генераторов поверхностной волны с традиционными одномерно-периодическими структурами планарной и цилиндрической геометрии. Сопоставление результатов усредненного квазиоптического подхода с результатами прямого численного моделирования в рамках PIC (particle in cell) кода CST Studio Suite.
-
Анализ возможности увеличения поперечных размеров и интегральной мощности излучения генераторов поверхностной волны за счет использования двумерно-периодических замедляющих систем.
-
Моделирование на основе развитой теории ряда макетов релятивистских генераторов и усилителей поверхностной волны СМ и ММ диапазонов, реализованных в проведенных ранее экспериментальных исследованиях. Анализ возможности реализации приборов данного типа в субмиллиметровом диапазоне.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Поверхностные волны над периодически гофрированной структурой с малой глубиной гофра могут быть представлены как совокупность квазиоптических волновых пучков, связанных на гофрированной поверхности посредством возбуждения эквивалентных магнитных токов.
-
На частотах далеких от брэгговского резонанса усиление излучения релятивистскими электронными пучками, движущимися над гофрированной поверхностью, может быть описано в рамках импедансного приближения, в котором поля излучения представляются в виде замедленной основной пространственной гармоники.
-
Динамика генераторов поверхностной волны с традиционными од-нопериодическими замедляющими структурами планарной и цилиндрической геометрии может быть описана на основе квазиоптического подхода, в рамках которого поле излучения представляется в виде двух встречных парциальных квазиоптических волновых пучков, связанных на гофрированной поверхности. Синхронное взаимодействие с прямолинейным ленточным электронным потоком на частотах близких к брэгговской частоте возникает с учетом замедления нормальной поверхностной волны.
-
Повышение выходной мощности генераторов поверхностной волны может быть достигнуто за счет использования двумерно-периодических структур планарной и цилиндрической геометрии. Возникающие в таких структурах поперечные (азимутальные) потоки энергии позволяют синхронизовать излучение ленточных и трубчатых РЭП с одним из поперечных размеров, существенно превосходящим длину волны.
Научная новизна:
-
Впервые для анализа распространения волн над слабогофрированной поверхностью использован квазиоптический подход, в рамках которого поля излучения представляются в виде совокупности нескольких связанных волновых пучков.
-
Обосновано использование импедансного приближения для описания релятивистских усилителей на основной замедленной гармонике.
-
Для описания канонических схем генераторов поверхностной волны с однопериодической гофрировкой, в т.ч. многоволновых черенковских генераторов, поле излучения представляется в виде двух встречных квазиоптических волновых пучков, связанных на гофрированной структуре.
-
Предложены новые типы релятивистских черенковских генераторов поверхностной волны, отличительной особенностью которых является использование двумерно-периодических замедляющих систем. Дополнительные поперечные потоки энергии, возникающие в подобных системах, позволяют синхронизовать излучение широких ленточных и трубчатых электронных потоков.
-
На основе проведенного анализа показана перспективность реализации генераторов и усилителей поверхностной волны в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах длин волн
Практическая значимость диссертационной работы
Практическая значимость работы обусловлена ее направленностью на разработку методов радикального увеличения мощности и частоты излучения релятивистских электронных генераторов и усилителей с прямолинейными (ЛЕВ, ЛОВ, МВЧГ) электронными пучками. Генераторы большой (сверхбольшой) мощности сантиметрового и миллиметрового диапазонов в
последнее время привлекают значительное внимание с точки зрения их практического использования в системах электронного противодействия, создания новых локационных систем, фотохимии и т.д. Мощные источники терагерцового диапазона используются прежде всего для визуализации скрытых объектов.
Апробация работы
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1а-25а] и обсуждались на Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн 2009, 2011 и 2013 гг., российско-германских семинарах 2010 и 2012 гг., международных конференциях "Терагерцовое и микроволновое излучение - генерация, детектирование и приложения" (Москва, Россия, 2012 г.) и "Инфракрасные и миллиметровые волны" (Хьюстон, США, 2011, Воллонгонг, Австралия, 2012, Майнц, Германия, 2013), ICOPS (Эдинбург, Великобритания, 2012), "Мощные микроволны и терагерцовые волны: источники и приложения" (Нижний Новгород-С.Петербург, 2011) и Всероссийской научной конференции «Проблемы СВЧ-электроники» (Москва, 2013), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН. Результаты докладывались на конкурсе молодых ученых ИПФ РАН 2013 года и вошли в список основных результатов ИПФ 2012 года.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 24 работы, из которых 17 статей опубликовано в реферируемых журналах, 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка трудов по диссертации и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 174 страницы, включая 54 рисунка. Список литературы содержит 136 наименований.
