Содержание к диссертации
Введение
1. Создание пассивных квазиоптических систем высокой мощности 27
1.1 Сверхразмерные периодические структуры 28
1.2 Эффекты Тальбота в квазиоптических волноводах 36
1.2.1 Интерференция параксиальных волновых пучков в волноведущих системах 36
1.2.2 Дистанционное сканирование волнового пучка в плазме 48
1.2.3 Повышение эффективности волноводных систем путем коррекции спектра их собственных волн 57
1.3 Транспортировка излучения по квазиоптическим линиям передачи 64
1.3.1 Зеркальные линии передачи 64
1.3.2 Волноводные и комбинированные линии передачи 66
1.3.3 Компоненты линий передачи 71
1.4 Преобразование структур полей волновых потоков 87
1.4.1. Методы создания преобразователей и восстановления структур волновых полей 87
1.4.2 Синтез волноводных систем на основе численного интегрирования уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке 98
1.4.3 Синтез преобразователей волн волноводов в параксиальные волновые пучки методом интегрального уравнения 118
2. Переключение и компрессия микроволновых импульсов 130
2.1 Системы управления мощным излучением, основанные на интерференции волновых пучков в волноводах 138
2.2 Пассивная компрессия импульсов 147
2.2.1 Оптимизация электродинамических систем компрессоров 147
2.2.2 Синтез систем компрессии 177
2.3 Активные коммутаторы микроволнового излучения 185
2.3.1 Плазменные переключатели 185
2.3.2 Переключатели на основе эффекта индуцированной фотопроводимости в полупроводниках 201
2.3.3 Переключатели на основе инжекторов электронных потоков 223
2.4 Активная компрессия импульсов 238
2.4.1 Компрессор импульсов на основе трехзеркального резонатора 239
2.4.2 Компрессоры на основе закрытых сверхразмерных
резонаторов с плазменными переключателями 242 2.5 Развитие методов компрессии импульсов 250
3 Управление колебаниями и волнами электродинамических систем мощных электронных источников излучения и ускорителей заряженных частиц 255
3.1 Релятивистские гиро-приборы и мазеры на свободных электронах
3.1.1 Селекция мод в резонаторах гиротронов с релятивистскими электронными пучками 262
3.1.2 Компоненты гироклистрона, работающего на последовательности объемных мод 284
3.1.3 Открытый брэгговский резонатор для мазера на свободных электронах миллиметрового диапазона длин волн 298
3.1.4 Создание источников когерентного рентгеновского излучения на основе микроволновых ондуляторов 310
3.2 Увеличение темпа набора энергии заряженных частиц в линейных ускорителях суперколлайдеров 335
3.2.1 Экспериментальные исследования импульсного теплового нагрева 348
3.2.2 Возможности увеличения градиента ускорения 358
3.2.3 Многочастотные ускоряющие структуры и источники электронных сгустков на основе фотоинжекторов 378
Заключение
- Дистанционное сканирование волнового пучка в плазме
- Синтез волноводных систем на основе численного интегрирования уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке
- Переключатели на основе эффекта индуцированной фотопроводимости в полупроводниках
- Открытый брэгговский резонатор для мазера на свободных электронах миллиметрового диапазона длин волн
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие источников мощного когерентного микроволнового излучения и постоянный прогресс потребителей этого излучения в таких областях науки и техники как управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорение элементарных частиц, радиолокация и связь, плазмохимия, биология и медицина обуславливают постоянно растущие и усложняющиеся требования к электродинамическим системам, используемым для генерации, передачи и преобразования волновых потоков [1*-20*]. Суть этих требований в конечном итоге сводится к необходимости эффективного управления параметрами излучения, его пространственной и временной структурой.
Специфика систем высокой пиковой и средней микроволновой мощности проистекает из того, что высокочастотный пробой, омические потери и импульсный нагрев не позволяют в полной мере использовать одномодовые волноводы, а применение оптических аналогов ограничено требованиями компактности. Поэтому актуальной задачей остается развитие методов квазиоптики.
В ходе разработки пассивных квазиоптических систем управление часто подразумевает решение таких задач как сохранение заданной поперечной моды, преобразование одной или нескольких мод в другую моду или суперпозицию мод, повороты линий передачи, защита источника от отраженного излучения и другие.
При необходимости изменения направления передачи излучения, суммирования или деления волновых потоков в течение микроволнового импульса возникает потребность в коммутаторах (или переключателях). Эти устройства могут быть как пассивного типа (для переключения используется изменение фазы источников излучения), так и активного типа, в которых применяются элементы с электрически управляемыми свойствами. На основе коммутаторов обоих типов в настоящее время создаются соответствующие компрессоры импульсов, позволяющие многократно увеличить пиковую мощность излучения при укорочении его длительности.
Наиболее многообразны требования к электродинамическим системам
мощных электронных источников микроволнового излучения и ускорителей
элементарных частиц. Традиционно необходимо уметь управлять
спектральным составом излучения, обеспечивая стабильную одномодовую
генерацию или усиление микроволн. Однако развитие техники
фотоинжекторов электронных сгустков, повсеместно применяемой для создания пучков в линейных ускорителях высоких энергий, требует не
просто стабильного одночастотного излучения, но и привязки частоты и фазы этого излучения к частоте и фазе следования электронных сгустков.
Одна из фундаментальных задач современной техники ускорителей состоит в достижении тераэлектронвольтных уровней энергий электронов и позитронов, что неразрывно связано с получением градиента ускорения выше 100 МВ/м. Для решения этой задачи, связанной с преодолением пороговых значений пробоя и импульсного нагрева, могут быть использованы “гребенки” из коротких гигантских импульсов излучения, что требует как новых типов источников излучения, так и новых типов ускоряющих структур, в которых осуществляется одновременное управление и пространственной, и временной динамикой микроволн.
Цели и задачи диссертационной работы
Цель теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, состояла в обобщении и развитии способов управления мощными микроволнами, а также в создании принципиально новых методик, направленных на:
-
Создание высокоэффективных методов преобразования волновых потоков и способов их расчета [3, 4, 15, 22, 39, 40, 46, 53, 54, 59].
-
Разработку эффективных линий передачи мощного излучения и их компонентов [1, 5, 8, 12, 13, 15, 16, 44, 27, 32, 43, 51, 52, 59].
3. Реализацию активных и пассивных устройств для управляемого
переключения потоков мощного излучения [8, 12, 13, 24, 25, 29, 37, 38,
53-55, 58, 61].
-
Создание мощных высокоэффективных компрессоров микроволновых импульсов [6, 7, 9-11, 14, 18, 26, 35, 36, 42, 45, 55].
-
Разработку компонентов мощных релятивистских гиротронов и гироклистронов, мазеров на свободных электронах (МСЭ) и источников когерентного рентгеновского излучения на основе микроволновых ондуляторов [2, 16, 19-21, 23, 34, 47, 48, 58, 60, 62-66].
-
Анализ возможностей увеличения градиента ускорения элементарных частиц в линейных ускорителях, создание ускоряющих структур нового типа и микроволновых источников для них [17, 30, 31, 41, 49, 50, 52, 56, 57, 59].
Научная новизна
1. Разработана новая универсальная методика синтеза преобразователей волновых потоков, основанная на использовании алгоритмов численного решения уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке
(FDTD) [39]. Разработан метод синтеза квазиоптических
преобразователей с использованием процедуры Фокса-Ли и формализма интегральных уравнений, позволяющих учитывать векторный характер полей [40].
-
Найдены эффекты в сверхразмерных волноводах, имеющие общую физическую природу с эффектами Тальбота, которые позволяют осуществлять эффективное управление режимами переключения, суммирования, деления и передачи квазиоптических волновых пучков [8, 54].
-
Предложены мощные высокоэффективные компрессоры СВЧ импульсов:
пассивные компрессоры, работающие на осесимметричных модах волновода круглого поперечного сечения, которые позволяют исключить нормальные поверхностные поля на стенках электродинамической системы [26];
активные компрессоры с плазменными коммутаторами микроволнового излучения, с коммутаторами, переключаемыми инжектированными электронными пучками и индуцированными токами одностороннего мультипакторного разряда на металле [38, 55].
-
С использованием предложенных высокоэффективных вводов СВЧ мощности впервые реализован мультимегаваттный гироклистрон с релятивистским электронным пучком на частоту 30 ГГц, работающий на последовательности объемных мод высокого порядка [20, 63-66].
-
С целью реализации эффективной модовой селекции и достижения стабильной одномодовой генерации в МСЭ миллиметрового диапазона длин волн с приосевым электронным пучком предложен “открытый” брэгговский резонатор на гауссовой моде, состоящий из двух отражающих секций с зазором между ними [60].
-
Показано, что спектр излучения релятивистских электронов в микроволновых ондуляторах на стоячей волне существенно ухудшается за счет негативного воздействия попутной электронам электромагнитной волны. Предложены новые типы резонаторов, в которых попутная волна отличается по поперечной структуре от встречной и не портит спектр выходного излучения рентгеновского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в режиме усиления спонтанного излучения короткого сгустка электронов (SASE) [62].
-
С целью повышения градиента ускорения в линейных ускорителях предложены ускоряющие структуры нового типа, работающие на суперпозиции нескольких эквидистантно расположенных по частоте гармониках поля [41, 49, 50, 56].
8. Сформулированы принципы построения источников микроволнового излучения, частота и фаза которых управляются с помощью лазеров, работающих с высокой частотой следования коротких импульсов [58, 61].
Практическая значимость результатов
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в ней смодержится решение ряда прикладных задач.
Часть результатов, полученных при выполнении диссертационной
работы, уже нашли свое применение в некоторых ведущих физических
лабораториях. Так, в экспериментах, направленных на создание электрон-
позитронного коллайдера нового поколения CLIC в Европейском
ускорительном центре (CERN), использовались квазиоптическая линия
передачи мощного излучения на частоту 30 ГГц на моде TE01; компрессор
импульсов на частоту 12 ГГц, с помощью которого был продемонстрирован
экспериментально градиент ускорения электронов 80 МэВ/м; управляемые
волноводные переключатели и фазовращатели, другие волноводные
компоненты. Активные компрессоры импульсов использовались в
экспериментах, проводимых лабораторией физики пучков Йельского
университета (США), лабораторией NRL (США), ускорительным центром
SLAC (США). При использовании результатов диссертации были созданы
ряд релятивистских гиротронов и гироклистронов высокой выходной
мощности в ИПФ РАН. Компоненты МСЭ, включающие резонатор и
выходной преобразователь, в настоящее время используются в
многочисленных экспериментах в ОИЯИ (Дубна). Выполненные с помощью этого уникального источника эксперименты по определению времени жизни медных структур под действием импульсного теплового нагрева, вызванного интенсивными микроволнами, могут оказаться важны при проектировании будущих ускорителей на высокие частоты.
Антенна дистанционного сканирования волнового пучка в плазме может быть использована в установках УТС нового поколения.
Работы по микроволновым ондуляторам, направленные на создание нового поколения ЛСЭ рентгеновского диапазона, позволили выявить проблемы, отличающие их от периодических систем на постоянных магнитах, и предложить пути их решения.
Разработанные методы синтеза преобразователей находят применение при создании волноводных трактов и источников излучения различных диапазонов.
Предложенные многочастотные структуры могут оказаться
востребованными в новых проектах высокоградиентных ускорителей и
фотоинжекторов интенсивных электронных сгустков. Рекомендации по созданию нового типа микроволновых источников с управляемой частотой и фазой для питания ускоряющих структур и фотоинжекторов могут оказаться значимы также при проектировании установок лазерно-плазменного ускорения.
При выполнении диссертационной работы получен патент по многочастотным ускоряющим структурам.
Апробация работы
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-62] и докладывались на:
научных семинарах в ИПФ РАН (1992-2013); Международных
конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам IRMMW (Эссекс
1993, Орландо 1995, Берлин 1996, Винтергрин 1997, Монтерей 1999, Пекин
2000, Отсу 2003); совместных Международных конференциях по
инфракрасным и миллиметровым волнам и терагерцовой электронике
(Шанхай 2006, Кардиф 2007); Международных рабочих встречах “Мощные
микроволны в плазме” (Нижний Новгород 1993, 1996, 2000, 2003, 2006,
2009, 2011); Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и
субмиллиметрового диапазонов (Нижний Новгород 2011 и 2013);
Европейских конференциях по ускорителям заряженных частиц EPAC
(Люцерн 2004, Эдинбург 2006, Генуя 2008); Международных конференциях
по ускорителям заряженных частиц PAC (Нью-Джерси 1999, Нью-Мексико
2007, Ванкувер 2009); Российских конференциях по ускорителям
заряженных частиц RuPAC (Дубна 2004, Протвино 2010); Международных совещаниях по новым концепциям ускорения AAC (Балтимор 1998, Санта Фе 2001, Мандела Бич 2002, Нью-Йорк 2004, Аннаполис 2010, Аустин 2012); Международных совещаниях по линейным коллайдерам LC (Протвино 1997, Фраскати 1999); Международном совещании по ускорителям высоких энергий HEACC (Дубна 1998); 9-ом симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург, 1992); Международной конференции по электронно-циклотронной эмиссии и электронно-циклотронному нагреву EC (Амеланд 1997); 28-ой Международной конференции по теории и технологии антенн (Москва 1998); Международном совещании по импульсным микроволновым источникам для коллайдеров RF’98 (Пахаро Дюнс 1998); 18-ой Международной конференции по ядерному синтезу (Сорренто 2000); Международных совещаниях по микроволнам высокой плотности энергии и мощности RF (Каламата 2006, Беркли Спрингс 2003); Международных конференциях по линейным ускорителям LINAC (Любек 2004, Тель-Авив 2012); 15-ой конференции по мощным пучкам заряженных
частиц BEAMS (Санкт-Петербург 2004); Международных конференциях по
лазерам на свободных электронах FEL (Триест 2004, Ливерпуль 2009);
Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород 2004 и 2005);
Рабочем совещании по квазиоптическому управлению мощными
микроволнами (Нижний Новгород 2005); Международном рабочем
совещании CLIC’09 (Женева 2009); Международных конференциях по
ускорителям частиц IPAC (Киото 2010, Сан-Себастьян 2011); 18-ой научно-
технической конференции “Вакуумная наука и техника” (Судак, Украина,
2011); 22-ой Международной крымской конференции по микроволнолнам и
телекоммуникационным технологиям КрыМиКо (Севастополь 2012); 6-й
Всероссийской школе-семинаре “Физика и применение микроволн”
(Красновидово 1997); 8-ом Международном совещании памяти
В.П.Саранцева (Алушта 2009); 5-ой Международной конференции по вакуумной электронике (Монтерей 2004); 1-ой Европейской конференции по новым концепциям ускорения EAAC (Эльба, 2013).
Отдельные результаты изданы в сборниках отчетов по научным проектам МНТП России “Физика микроволн” за 1995, 1996 и 2001 годы, в научном отчете ITER за 2000 год, в препринтах ИПФ РАН.
Публикации
Результаты исследований по теме диссертации содержатся в 192 публикациях, включающих 62 статьи в научных журналах. Из них 28 статей опубликованы в зарубежных журналах, 34 статьи – в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов. Имеется патент на изобретение. После защиты кандидатской диссертации опубликованы 55 статей.
Личный вклад автора
При выполнении работ по теме диссертации соискатель принимал непосредственное участие в постановке и решении задач, в проведении экспериментов, обработке их результатов.
Статьи [4, 6, 8, 40, 54] написаны единолично.
В статье [1] автором разработана конструкция узкополосного модового фильтра на основе несимметричных волноводных расширений и осуществлено тестирование прототипа такого фильтра.
Автор участвовал в экспериментах, послуживших основой для публикации по исследованию взаимной когерентности релятивистских ламп бегущей волны (ЛБВ) [2], а также отвечал за подготовку к публикации.
В работе [3] соискателем разработана разновидность метода интегрального уравнения, которая была использована для анализа
собственных мод волноводов сложного поперечного сечения при решении многих задач, выполненных в рамках диссертационной работы.
Автором предложен метод синтеза волноводных преобразователей, реализованный с применением формализма FDTD (Finite Difference Time Domain) [39].
В исследованиях антенны сканирования волнового пучка в плазме автор разработал методы расчета и выполнил численный анализ антенны применительно к токамаку ITER [12], принимал участие в проведении экспериментов по проверке работы антенны на низком уровне мощности [13, 32]. В статье [28] автором предложен способ увеличения эффективности волноводных компонентов, работающих на эффекте Тальбота, за счет введения продольной гофрировки волновода. Соискателем разработаны оригинальные коды для численного анализа проблемы.
Автором предложен безотражательный пассивный компрессор на комбинации осесимметричных мод [26] и безотражательный компрессор на основе бочкообразного резонатора c винтовой гофрировкой поверхности [9, 10]. Автор был ответственным за проведение экспериментов по пассивной компрессии импульсов с помощью трехзеркального резонатора [11, 18].
Вклад автора в работы по активной компрессии с плазменными переключателями и переключателями на основе инжекции электронного пучка состоял в разработке схем компрессии и расчете основных элементов компрессоров, включая переключатели, а также в проведении некоторых экспериментов [7, 14, 24, 35-38, 42, 45]. При выполнении работ по активному переключателю, управляемому с помощью одностороннего мультипакторного разряда в скрещенных полях, автор осуществлял постановку задачи и участвовал в анализе экспериментальных результатов [55]. При разработке переключателя на основе индуцированной фотопроводимости автор принимал участие в разработке концепции и проведении расчетов и экспериментов [25, 29].
Под руководством автора диссертационной работы выполнялись разработка, расчет и тестирование СВЧ компонентов, линий передачи и компрессоров, поставляемых в CERN по контрактам с НПП Гиком, для экспериментального стенда CTF3 [53-54].
Автором предложены вводы мощности и выходной преобразователь для
гироклистрона, работающего на релятивистском электронном пучке [20, 46].
Предложены способы улучшения селекции мод в резонаторах
релятивистских гиротронов, работающих на осесимметричных модах [34]. В работе [47] автору принадлежит методика “холодного” расчета многозеркального резонатора гиротрона.
В работе [62], где дан анализ концепций микроволновых ондуляторов,
автору принадлежит идея применения резонаторов с прямыми и встречными
волнами разных типов. Соискателем предложен открытый резонатор для
МСЭ миллиметрового диапазона длин волн [60]. При проведении работ по
исследованию электродинамических систем МСЭ с двумерной
распределенной обратной связью автор участвовал в тестировании электродинамических структур [23, 33].
В работах [30-31] предложены принципы расчета времени жизни микроволновых компонентов, подвергающихся воздействию мощного импульсно-периодического микроволнового нагрева. Автором разработана электродинамика стенда для экспериментального исследования импульсного теплового нагрева с помощью мощного МСЭ на частоту 30 ГГц, автор принял непосредственное участие в тестировании стенда и в получении экспериментальных результатов на высоком уровне мощности [16-17, 48, 52, 57, 59].
Автором предложена концепция многочастотных ускоряющих структур [41, 49-50, 56].
Для СВЧ питания фотоинжекторов, СВЧ ондуляторов и многочастотных
ускоряющих структур предложены принципы построения микроволновых
источников, частота и фаза которых управляются короткими
периодическими лазерными импульсами [61]. Для источников мощных коротких импульсов сверхизлучения с модулированной обратной связью автором предложены полупроводниковые ключи, также управляемые лазерным излучением [58].
В работах [27, 44] соискателем разработана концепция волноводных поворотов на моде TE01 на основе принципа снятия вырождения рабочей моды. При разработке поворотов в линии передачи, предназначенной для дистанционного сканирования волнового пучка, соискателем предложена схема расчета антенны и проведен анализ полученных численных результатов по моделированию антенны [43].
При моделировании волноводных преобразователей излучения
гиротронов автором осуществлялась постановка задачи, были выполнены численные расчеты козырькового преобразователя на моду TE02 [22].
В работе [5], где исследованы возможности восстановления модового состава излучения в сверхразмерном волноводе по измерениям распределений интенсивности поля в нескольких поперечных сечениях, вклады всех авторов можно считать равноценными.
В представляемой диссертационной работе были использованы результаты кандидатских диссертаций, защищенных под руководством соискателя [46*, 47*, 48*].
Основные положения, выносимые на защиту
-
В сверхразмерных волноводах управление структурой излучения, формируемой квазиоптическими пучками с контролируемыми взаимными фазами, может быть основано на эффектах когерентной интерференции волновых потоков (эффектах Тальбота), обусловленных приближенной эквидистантностью спектра волновых чисел собственных волн. Повышение эффективности приборов, осуществляющих повторение, суммирование, деление и ответвление волновых пучков может быть достигнуто путем коррекции спектра волновых чисел за счет оптимизации поверхностного импеданса и поперечного профиля волновода.
-
Достижение мультимегаваттного уровня выходной мощности и высокой эффективности переключателей и компрессоров микроволновых импульсов требует разработки электропрочных электродинамических систем по отношению к высокочастотному пробою. Существуют вакуумированные переключатели и системы компрессии, в которых возможны нулевые поверхностные поля. Примерами могут служить пассивный компрессор частотно-модулированных импульсов на основе безотражательного брэгговского резонатора на комбинации осесимметричных мод и резонаторный ключ активного компрессора на осесимметричной моде, переключаемый инжектируемым электронным потоком. Повысить коммутируемую мощность распределенных плазменных переключателей позволяют резонансное переключение, при котором за счет отстройки от резонанса снижены поля на активном элементе, и расположение этого элемента в узлах поля.
-
Спектр излучения релятивистских электронов в микроволновом ондуляторе на стоячей волне ухудшается из-за наличия отклоняющих полей попутной электронам электромагнитной волны, фазовая скорость которой близка к скорости частиц. Этот эффект может быть устранен в резонаторе, в котором попутная волна имеет поперечную структуру, отличающуюся от структуры встречной волны и имеющую нулевое поле в области пучка.
-
Использование в металлических ускоряющих структурах с нормальной проводимостью стенок нескольких гармоник поля, эквидистантно расположенных по частоте, позволяет сократить время и площадь экспозиции поверхности микроволнами, а также уменьшить вызывающие автоэлектронную эмиссию и пробой поверхностные поля.
Эти эффекты могут быть использованы для увеличения градиента ускорения заряженных частиц.
Структура и объем диссертации
Дистанционное сканирование волнового пучка в плазме
В то же время длина, на которой происходит повторение структуры поля по другой координате не изменяется. Разница в длинах повторения может быть скомпенсирована изменением поперечных размеров волновода. Поскольку повторения в невозмущенном
Например, для угла изгиба 18 повторение волнового пучка с высокой эффективностью на длине L =6010 мм обеспечивается в волноводе с размерами 50x51,75 мм . На Рис. 1.22 представлена эффективность повторения в этом случае. Благодаря тому, что угол инжектрирования варьируется в плоскости, перпендикулярной к плоскости сканирования, зависимость эффективности симметрична относительно а=0. Эффективность высока и схожа с соответствующим значением в невозмущенном волноводе (Рис. 1.21а).
Использование эффектов Тальбота рассматривается далее во многих частях диссертации. Наиболее интересные варианты использования эффектов Тальбота для создания коллектора электронов гироклистрона и для сети распределения СВЧ мощности по ускоряющим структурам в коллайдере частиц рассмотрены в разделах 3.1.2 и 2.1.
Дистанционное сканирование волнового пучка в плазме Сканирование пучка в системе электронно-циклотронного нагрева токамака необходимо для подавления неустойчивостей плазмы и предполагает изменение угла ветрела пучка на несколько градусов [45 ]. Расчет распространения волнового пучка в замагниченной плазме в условиях резонансного поглощения и расчет динамики подавления неустойчивостей представляют собой сложные электродинамические задачи [303 ]. Далее будет рассмотрена лишь задача об антенне, устанавливаемой снаружи токамака, которая обеспечивала бы необходимое сканирование пучка. В частности, на Рис. 1.23 показана принципиальная схема дистанционного сканирования пучка в плазме, впервые предложенная в [45 ], а затем улучшенная в работах [46 , 12-13, 31, 187].
Благодаря эффекту повторения структуры поля на расстоянии L = входной пучок, встреливаемый под углом в, имеет на выходе ту же структуру поля и тот же по модулю угол распространения относительно оси волновода. Это позволяет управлять углом ветрела пучка в плазму с помощью механически вращаемого зеркала без использования подвижных охлаждаемых зеркал вблизи плазмы, где присутствуют сильные магнитные поля и потоки нейтронов.
Антенна дистанционного сканирования пучка в плазме (а), распределение поля в ней при встреливании пучка под углом к оси (б).
Для исследования характеристик антенны рассмотрим кратко моды гофрированного волновода прямоугольного поперечного сечения ахЬ (Рис. 1.24) в приближении импедансного граничного условия, которое сводится к тому, что на гофрированной поверхности должны удовлетворяться граничные условия [7 ]:
Найденные таким образом моды иногда обозначают LP и LM. Поскольку граничные условия в виде Еу=0 автоматически выполняются при х=0 и х=а, то при подстановке полей из (1.38) в импедансные граничные условия (1.34), которые должны удовлетворяться при у=0 и у=Ь, получаем систему уравнений для неизвестных поперечных индексов по координате у qj и неизвестных коэффициентов
Если импеданс гофрировки стремится к бесконечноси (амплитуда гофрировки стремится к четверти длины волны) система имеет простое решение: С/=со и qj=mj (m/=l,2...), что позволяет записать простые формулы для полей: где аё - полуширина пучка. Пучок с распределением (1.41) при встреливании в центр волновода приобретает дифракционные потери из-за того, что "хвосты" гауссова распределения промахиваются мимо входной апертуры. Чем меньше полуширина пучка, тем меньше потери. Однако пучок маленького размера влечет за собой большие потери на передачу по волноводу из-за большего числа возбуждаемых непараксиальных мод. Поэтому обычно выбирают максимальный размер пучка, при котором дифракционные потери еще приемлемы. В таблице 1.1 показаны параметры пучка для волноводов двух сечений и дифракционные потери в них.
Для вычисления эффективности передачи пучка по волноводу исходное распределение поля (1.41) с учетом угла ветрела может быть разложено по модам (1.40) (в случае бесконечного импеданса), вычисляется фазовый набег для каждой моды, затем восстанавливается поле на выходной апертуре антенны путем суммирования всех мод с их комплексными коэффициентами.
На Рис. 1.25 представлен пример расчета модового состава и диаграммы направленности антенны длиной 8 м на частоту 170 ГГц, которая проектировалась для верхнего порта токамака ITER. Эффективность антенны в смысле взаимной мощности получающегося и ожидаемого распределений полей для этой антенны показана на Рис. 1.26. Видно, что высокая эффективность сохраняется вплоть до углов ветрела 12. При больших углах возбуждаются высшие моды, для которых параксиальное приближение не справедливо.
Синтез волноводных систем на основе численного интегрирования уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке
На больших сечениях волновода более эффективным становится квазиоптическое решение, в котором мода ТЕоі излучается из раскрыва исходного волновода в виде волнового пучка в свободное пространство, а затем с помощью нескольких зеркал преобразуется в Гауссов пучок [52 , 69 ]. Первое зеркало на Рис. 1.69, выполненное в виде гофрированной поверхности, согласует поляризационную структуру волн, превращая кольцевое поле в линейно поляризованное за счет разницы фаз отражения ТЕ и ТМ волн при отражении от гофры. Последующие зеркала с помощью фазовой коррекции превращают поперечное распределение поля с нулем в центре, описываемое Бесселевой функцией с индексом 1 и соответствующее моде ТЕоі, в гауссово распределение. В работе [52 ] описан преобразователь, который при радиусе исходного волновода кто 20, имел эффективность 97%.
Квазиоптический преобразователь моды ТЕоі в гауссов пучок. Преобразователи в гауссовы пучки всегда сложнее, потому что ни поляризация, ни распределение поля какой-либо одной моды волноводов прямоугольного или круглого сечений не совпадает гауссовым. Высокую степень гауссовости (-98%) имеет лишь мода НЕ и гофрированного волновода с бесконечным импедансом стенок, а также одна из двух низших мод волновода квадратного сечения (также при условии бесконечного импеданса гофрировки стенок). Излучатели гауссовых волновых пучков, работающие на принципе адиабатического преобразования заданной моды (ТЕп или ТМп круглого волновода) в моду НЕп гофрированного волновода существуют давно [64 ]. Однако к их недостаткам следует отнести большую длину (много больше длины волны) и техническую сложность, поскольку необходимо изготавливать волновод с изменяющейся глубиной гофрировки. Настоящими "бестселлерами" стали альтернативные рупора, принцип работы которых основан на представлении гауссова пучка в виде суперпозиции всего двух волн. В круглом волноводе гауссов пучок с точностью 98.5% представляется суперпозицией 85% ТЕц и 15% ТМц [7 ]. Требуемая суперпозиция мод может быть получена из исходной моды ТЕц посредством периодической, азимутально-симметричной деформации стенок, преобразующей в нужной пропорции и фазе ТЕц в ТМц. В [67] был сформулирован простой алгоритм построения таких рупоров на основе периодически расширяющихся волноводов, который массово используется в настоящее время.
Более общей постановке задачи, когда с высокой эффективностью и наилучшей компактностью в гауссов пучок необходимо преобразовать произвольную моду волновода, посвящено большое число работ [20 , 27 , 44 , 52 , 65 - 68 ]. Несомненно, окончательного слова в этой многообразной проблеме все еще не сказано. Рассмотрим лишь ключевые моменты. В работах [44 , 65 -67 ] были сформулированы принципы, позволяющие сопоставить любой моде сверхразмерного волновода описание в виде непрерывного потока лучей. Согласно этому представлению высшая волна плоского волновода представляется потоком лучей, испытывающим последовательные отражения от стенок без изменения угла отражения (Рис. 1.70а). Расстояние вдоль оси волновода между двумя последовательными отражениями луча называют длиной Бриллюэна.
На основе лучевого представления можно определить область Бриллюэна G, G , G" на Рис. 1.70 как область на поверхности волновода, на которую падают все лучи, образующие данную моду. Распространение волны в рамках лучевого представления выглядит как последовательное отражение потока лучей от примыкающих друг к другу областей Бриллюэна, засвечиваемых равномерно.
С точки зрения концепции областей Бриллюэна преобразование моды в параксиальный волновой поток возможно путем вырезания в стенке волновода одной области Бриллюэна. На последующие за вырезанной областью Бриллюэна стенки волновода в этом случае не попадает уже ни один луч, следовательно, их можно также удалить. Преобразователь, состоящий из выполненного таким образом среза волновода и дополненный зеркалом, переводящим расходящийся по азимуту поток лучей в поток параллельных лучей, называют козырьковым или преобразователем Власова (Рис. 1.71) [65 -66 ]. В геометрооптическом приближении козырьковый преобразователь создает пучок, по форме совпадающим с областью Бриллюэна и с не зависящими от поперечных координат распределениями амплитуды и фазы.
Эффективность козырькового преобразователя, если определять ее как взаимную мощность такого распределения и гауссова распределения составляет -80%. Для повышения эффективности перед козырьковым преобразователем Г.Г.Денисовым и др [27 ]. было предложено установить высокоэффективный волноводный преобразователь, который формировал бы на Бриллюэновской области гауссово распределение поля, не меняя при этом угла распространения лучевого потока. Впоследствии эта идея была развита во многих работах [44 , 67 , 72, 79, 95]. Принцип действия такого типа преобразователей основан на создании суперпозиции нескольких мод, в которой к основной моде подмешиваются в общем случае 8 сателлитных волн, отличающихся от исходной моды азимутальными и радиальными индексами. Преобразование осуществляется относительно коротким отрезком волновода (длина составляет половину длины биений нормальных волн) с деформацией много меньшей длины волны. Такие преобразователи, дополненные корректирующими зеркалами, многие годы успешно используются в промышленных гиротронах для установок УТС [68 ].
Однако не во всех случаях можно гарантировать, что эффективность преобразования в гауссов волновой пучок на основе сформулированных рецептов высока. Во-первых, методика справедлива только для высших волноводных мод. Она не применима, если, например, азимутальный индекс моды мал. Методика была сформулирована на языке формализма связанных волн, применение которого ограничено только малыми в масштабе длины волны деформациями стенок. В случае преобразования осесимметричных волн с низкими радиальными индексами в гауссовы пучки последнее ограничение хотя и может быть выполнено, но только ценой удлинения преобразователя.
Рассмотрим подробнее случай преобразования моды ТЕог в гауссов пучок. Преобразование будем осуществлять с помощью козырькового преобразователя, который в этом случае превращается в вырез 180-градусного сектора длиной равной половине длины Бриллюэна. Если не трогать структуру поля моды ТЕог, то эффективность преобразования оказывается даже ниже упоминавшейся оценки (-70%). На Рис. 1.72 представлен расчет мгновенных полей козырькового преобразователя методом FDTD [21].
Переключатели на основе эффекта индуцированной фотопроводимости в полупроводниках
Бегущая собственная волна резонатора согласно аналитическому расчету по гауссовой теории должна иметь гауссово же поперечное распределение. Корректное нахождение собственной моды с учетом возможного отличия от гауссового распределения может быть произведено при помощи итерационной процедуры решения скалярного операторного уравнения относительно распределения поля пучка на решетке: где Uj (s, у) - распределение поля на у -ой итерации, s ж у - координаты параллельные решетке в плоскости падения и перпендикулярной плоскости соответственно, /л -собственное число. Оператор L описывает распространение пучка от решетки через систему двух фокусирующих зеркал обратно на решетку. Технически оператор построен следующим образом: Берется начальное распределение поля U0(s,y), например гауссово. Находится двумерный угловой спектр этого распределения в координатах, связанных с направление распространения пучка:
При этом поле, оказавшееся за апертурой зеркала, считается потерянным (приближение Киргофа). С помощью формул для фазовой коррекции получается поле сфокусированного пучка. Затем опять вычисляется спектр и поле на втором зеркале, фазовая коррекция и, наконец, спектр пучка, падающего на решетку. Этот спектр умножается на коэффициент отражения от решетки, зависящий от углов падения, и вычисляется поле на решетке на первой итерации. Вторая итерация стартует с этого распределения поля. Комплексное собственное число /и = /и + і/й" находится на каждой итерации как отношения максимумов полей на текущей и предыдущей итерациях. Мнимая часть позволяет сосчитать потери за проход по резонатору и добротность, а действительная часть позволяет найти поправку к собственной частоте. Итерационный процесс считается закончившимся, если распределения полей на соседних итерациях отличаются менее чем на какую-то величину (меньшую чем ослабление за проход).
Проверка работы компрессора на частоту 34 ГГц на низком уровне СВЧ мощности включала два режима работы, с переворотом фазы и с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Резонатор в виде равностороннего треугольника с расстоянием между зеркалами 296 мм имел собственную добротность 65000, нагруженную добротность 3400 при поперечных размерах фокусирующих зеркал 180x196 мм (Рис. 2.38).
В первом режиме использовались импульсы длительностью 80 не, что при пятикратной степени компрессии позволяло достичь пиковой мощности -4.4 по отношению к мощности исходного импульса и эффективности -70% (Рис. 2.39).
В экспериментах с ЛЧМ модуляцией входного импульса его амплитуда могла быть представлена в виде: где C0g - начальная частота ЛЧМ импульса, /и - скорость изменения частоты. Длительность выходного импульса при заданной степени компрессии s принимается равной T/s. Эффективность определим как отношение энергии содержащейся в интервале времени T/s к энергии во входном импульсе. Эффективность компрессии является функцией трех независимых переменных: а = TT/JQT2 , отвечающим за скорость изменения частоты, р = (&Q - со )Г, отвечающем за начальную отстройку частоты сигнала от резонансной, у = COQT / 2 2Ш, являющейся длительностью импульса, нормированной на время высвечивания энергии из резонатора. Для каждого значения коэффициента компрессии могут быть найдены перечисленные оптимальные параметры, что позволяет построить зависимости эффективности и усиления по мощности от s (Рис. 2.40а). При степени компрессии 5=4, которая была выбрана для экспериментов, оптимальные параметры: а=11.78, Р=8.61, у=2.11. При этих значениях эффективность г=65.9% (точка А на Рис. 2.40а). Экспериментально были получены сжатые импульсы, соответствующие расчетным (Рис. 2.406).
Эффективность компрессии ц и коэффициент усиления по мощности Pg в зависимости от степени компрессии s при сжатии импульсов с ЛЧМ в резонаторе (а) и б -осциллограммы входного (тонкая сплошная кривая) и выходного (толстая сплошная кривая - эксперимент, штриховая - расчет с учетом потерь в резонаторе) импульсов компрессора на основе трехзеркального резонатора.
Эффективность составила 60%. Следует подчеркнуть, что эффективность вычислялась по энергетическому критерию, то есть в выходном импульсе неизбежно содержится остаточная фазовая модуляция. Последнее обстоятельство делает малопригодной компрессию с ЛЧМ для ускорения заряженных частиц.
Позднее были также предложены варианты трех- и четырех- зеркальных компрессоров, в которых лучи в системах ввода-вывода и резонаторе не лежат в одной плоскости [110 ]. В таких резонаторах, однако, появляется нормальная компонента поля на зеркалах, что делает их менее привлекательными для использования на высокой мощности.
Далее перейдем к рассмотрению компрессоров типа SLED-II. Как уже отмечалось во введении ко второй главе, компрессоры SLED-II отличаются от компрессоров SLED-I тем, что вместо резонаторов в них используются длинные линии задержки (Рис. 2.2). Линии задержки запитываются через диафрагмы связи, а выходной импульс, как и в обычном компрессоре SLED, формируется при перевороте фазы входного импульса за счет суммирования излучения, накопленного в линии задержки, и излучения, возникающего при отражении входного импульса от диафрагмы связи. Длительность выходного импульса при этом равна удвоенной длине линии задержки, деленной на групповую скорость рабочей волны в ней. В течении этого времени амплитуда и фаза выходного импульса неизменны, что и делает SLED-II весьма привлекательным для ускорительных приложений.
Зависимости коэффициента усиления и эффективности компрессии от степени компрессии для SLED-II качественно не отличаются от характеристик SLED (характеристики SLED были представлены на Рис. 2.3). Без учета внутренних потерь в линиях задержки максимальная эффективность достигается при 5=3 и составляет г=89%, а коэффициент усиления равен 2.66 [111 ]. То есть, без учета потерь эффективность SLED-II выше, чем SLED-I из-за лучшей формы импульса (Рис. 2.41).
Наиболее значимым недостатком компрессоров типа SLED-II можно считать их значительные габаритные размеры в случае, если длительность выходного импульса велика. Например, для получения 100 не импульса уже необходима длина, превышающая 10 м (слишком малой групповую скорость сделать нельзя из-за искажения формы импульса). Поэтому возможное развитие компрессоров типа SLED-II может состоять в замене обычных волноводных линий задержки более компактными системами. Наиболее простое решение такого рода может состоять в замене волноводных линий задержки на моде ТЕоі на зеркальные линии. На Рис. 2.42а демонстрируется, каким образом может быть построена такая линия [120]. А на Рис. 2.426 показана схема компрессора на частоту 30 ГГц, где зеркальная линия работает в режиме бегущей волны, а для развязки вместо -3 дБ ответвителя использована дифракционная решетка, которая питает линию за счет -1-ого дифракционного максимума [120].
Открытый брэгговский резонатор для мазера на свободных электронах миллиметрового диапазона длин волн
В этом разделе рассматриваются СВЧ коммутаторы, переключаемые с помощью электронных потоков, создаваемых либо взрывоэмиссионными катодами [37, 179], либо в результате мультипакторного СВЧ разряда на поверхности металла [53, 168, 174].
Как отмечалось, одной из главных проблем дизайна плазменных и полупроводниковых переключателей является обеспечение их электропрочности при сохранении эффективности переключения. Перспективным представляется решение этой проблемы на основе инжекторов электронных потоков, в которых диэлектрики в области высоких СВЧ полей отсутствуют вовсе. До переключения в этом случае электропрочность СВЧ ключа определяется только порогом пристеночного пробоя в вакууме (-400 МВ/м при длительностях импульсов, составляющих сотни наносекунд). Электропрочность в переключенном состоянии, о чем свидетельствуют многочисленные эксперименты с электронными СВЧ приборами, как правило, ниже за счет появления затравочных электронов, эффектов вторичной эмиссии, ионизирующих излучений, а также сопровождающих электронный пучок статических электрических и магнитных полей. Однако, даже с учетом всех этих эффектов электропрочность электронного ключа может быть настолько высока, что коммутируемая мощность достигает гигаваттного уровня в трехсантиметровом диапазоне длин волн [140 ].
Принципиальная возможность переключения СВЧ излучения с помощью инжектируемого электронного пучка была показана еще в работе [141 ]. Эффективность переключения, однако, до сих пор остается нетривиальным вопросом разработки, поскольку способность к переключению зависит в первую очередь от количества инжектированных частиц. Концентрация электронов в электронных сгустках, получаемых с неразрушающихся катодов, не может достигать значений, характерных для металлов. В этом отношении переключатели на основе электронных потоков уступают по своим возможностям плазменным и полупроводниковым переключателям. По этой причине для усиления воздействия электронного пучка на распространение СВЧ излучения приходится использовать добротные резонаторы со встроенными инжекторами электронов.
Полученные значения токов не превышают предельного тока транспортировки пучка для заданного напряжения и отношения радиуса анода к радиусу катода ( 2) [143 ].
В отличие от переключателей, рассмотренных в предыдущих разделах, до переключения резонатор естественно считать настроенным на рабочую частоту, поскольку всегда проще разрушить резонанс, чем создать его. Электронный пучок при этом согласно (2.55) желательно инжектировать в максимум поля. Размеры резонатора желательно иметь минимальными. Чем выше добротность резонатора, тем лучше переключение при заданном токе пучка. Однако увеличение добротности ограничено максимально допустимым временем переключения. Дело в том, что при характерных временах коммутирования электронных пучков, составляющих обычно наносекунды, время переключения определяется большей величиной, т«б;/ "0. При g/=3102 на частоте 34 ГГц время переключения уже составляет несколько наносекунд.
Рассмотрим конструкции отражающих переключателей на основе осесимметричных волноводных резонаторов на электропрочной моде ТЕоі (Рис. 2.111) [34 , 129 , 37, 179]. Эти устройства могут использоваться как быстрые фазовращатели, переключающие фазу отражения на 180 за счет выведения резонатора из резонанса. Во всех конструкциях цилиндрический резонатор в форме волноводного расширения имеет диафрагму связи и катод, вставленный в резонатор. Катод изолирован от тела резонатора с помощью керамической втулки. Электроны, вылетающие с катода, движутся в статическом поле и в конечном счете оседают на стенке резонатора. В представленных вариантах переключателей катод не оказывает существенного влияния на частоту и распределение поля в резонаторе. В верхнем варианте на Рис. 2.111 катод задвинут вглубь закритического сужения, в нижнем варианте катодная пластина располагается вблизи нулей поля стоячей волны. Это позволяло настраивать резонатор и положение катода, влияющего на эффективность и скорость переключения, независимо друг от друга. Добротность резонатора (300-450) также практически не зависела от положения поршня, а определялась потерями в медных стенках.
