Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Последние десятилетия отмечены интенсивным развитием электроники больших мощностей (ЭБМ) и, прежде всего технологий, связанных с проектированием, производством и применением гиротронов. Гиротроны являются наиболее мощными источниками когерентного излучения миллиметрового диапазона длин волн [20, 23, 29, 33]. Выходная мощность гиротронов достигает 1 МВт при длительности импульса в сотни секунд. Эти качества обуславливают широкое применение гиротронов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу (УТС), а также их использование в технологических процессах, основанных на СВЧ нагреве [25, 31, 35-37, 41]. Поэтому, актуальна задача разработки эффективных методов анализа и синтеза волновых полей в электродинамических системах гиротронов и системах передачи их излучения.
Особенностью измерений в свободном пространстве структур волновых полей мощных СВЧ приборов является то обстоятельство, что практически невозможно создать опорный источник когерентного излучения для измерения фазы волнового поля. С другой стороны, техника измерений интенсивности поля, включая измерения мощных волновых пучков с помощью инфракрасных камер, достаточно хорошо развита и не требует сложного оборудования [28, 34]. Кроме того, и существующие методы анализа амплитудного спектра в волноводных линиях передачи, использующие сепарацию мод внутри специальных устройств, достаточно сложны, требуют специального дорогостоящего оборудования и не позволяют определять фазы мод [26]. Однако при диагностике волновых полей в гиротронных линиях передачи важно определять полный спектр, т.е. как амплитуды, так и фазы мод. Поэтому, актуальна разработка не требующих опорного канала, принципиально новых методов анализа волновых полей только на основе измерений интенсивности.
Для решения прикладных задач требуется увеличение мощности выходного излучения гиротронов при одновременном увеличении длительности импульса. При этом, основным сдерживающим фактором является перегрев различных частей прибора из-за дифракционных и омических потерь в квазиоптическом преобразователе, осуществляющем трансформацию рабочей моды в волновой пучок. Схема квазиоптического преобразователя была разработана в 70-х и начале 80-х годов в ИПФ РАН и НПО «Салют-ЭВП» при участии Л.Н. Агапова, С.Д. Богданова, С.Н. Власова, В.Н. Глазмана, В.И. Курбатова, К.М. Ликина, О.В. Малыгина, Л.В. Николаева, И.М. Орловой, В.И. Хижняка [12, 18, 19, 22] (см. Рис.1). К сожалению, при высоких радиальных индексах рабочей моды, в силу конструктивных ограничений - прежде всего из-за наличия электронного пучка, не удается использовать имеющие большую длину известные решения, предложенные
Синтезированный излучатель *
Квази-
парабола
e-
Волноводная
линия передачи
Окно гиротрона
Резонатор
Синтезированные зеркала *
Коллектор
Поле в
резонаторе
Поле в линии передачи
[12, 18, 19]
Рис.1. Объект исследования – сверхразмерная электродинамическая система гиротрона [12, 18, 19, 22]. *) – элементы, синтезировать которые предложено в диссертации.
Г.Г. Денисовым, М.И. Петелиным и Д.В. Виноградовым, для преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий [27, 40]. Кроме того, к преобразователю предъявляется ряд требований [10*], которым одновременно зачастую нельзя удовлетворить, применяя симметричные полиномиальные зеркала [27, 40]. Соответственно, одной из целей работы была разработка нового подхода для комплексного решения проблемы расчета и синтеза квазиоптических преобразователей гиротронов (см. Рис.1).
Актуальной практической задачей, имеющей место в экспериментах с приборами ЭБМ, является согласование волнового пучка большой мощности с линией передачи, только на основе анализа тепловизионных измерений интенсивности. При этом потери на согласование, учитывая большую мощность пучков, не должны превышать нескольких процентов. Необходимо было разработать принципиально новый подход для решения этой
Измерение
2D распределений
интенсивности поля
волнового пучка
ПУЧОК
Реконструкция
пространственной
амплитудно-фазовой
структуры поля
Определение
параметров
волнового пучка
Синтез
волнового пучка
с требуемыми
параметрами
Рис.2. Цикл диагностики и управления параметрами
волновых полей гиротронов.
проблемы, замкнув цикл диагностики и управления параметрами волновых полей приборов ЭБМ (Рис.2).
Высокая сверхразмерность является особенностью рассматриваемых в этой работе систем. Приближение геометрической оптики не обеспечивает требуемой точности при описании распространения волнового поля в этих системах из-за явления дифракции. Для повышения точности расчетов, с целью уменьшения дифракционных потерь в квазиоптических преобразователях гиротронов мегаваттного уровня мощности, необходимо учитывать дифракцию поля, прежде всего на волноводном срезе преобразователя, что, в частности, не удается сделать на основе обычно используемого для расчетов излучателей известного метода связанных волн [27, 40]. Существующие программы, реализующие алгоритмы для прямого численного решения уравнений Максвелла, требуют достаточно мощных компьютеров и практически не используются для расчета сверхразмерных систем S>>l2 [38]. Прямой расчет полей с учетом дифракции по методу Гюйгенса-Кирхгофа, использованному в этой работе, также требует значительного времени.
Таким образом, помимо разработки новых физических методов, необходимо было предложить новые быстрые алгоритмы физической оптики и реализовать их в виде программного комплекса, который позволил бы на компьютерах со средними характеристиками решать перечисленные актуальные задачи.
Цели диссертационной работы
Создание методов, алгоритмов и программных средств анализа для:
измерения распределений интенсивности мощных волновых полей;
реконструкции трехмерной амплитудно-фазовой структуры полей по измерениям их интенсивности;
определения спектра мод в волноводных линиях передачи по измерениям интенсивности;
расчета поля бегущей волны в свехразмерном круглом волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом влияния несимметричного среза;
параметризации амплитудно-фазовых распределений полей;
и синтеза для:
разработки эффективных квазиоптических преобразователей мощных длинноимпульсных гиротронов;
разработки высокоэффективных излучателей гиротронов, более коротких и более широкополосных, по сравнению с известными;
согласования волновых полей гиротронов на основе тепловизионных измерений с комбинированными линиями передачи установок по электронно-циклотронному нагреву плазмы;
разработки элементов линий передачи, преобразователей типов волн, резонаторов и других узлов мощных СВЧ приборов;
а также экспериментальное исследование синтезированных квазиоптических устройств и их использование в приборах ЭБМ.
Научная новизна
1.1. Предложен новый метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях.
1.2. Разработан новый метод анализа комплексного спектра мод по измерениям интенсивности поля в поперечных сечениях сверхразмерных волноводов.
1.3. Предложен новый метод анализа поля бегущей волны в цилиндрическом сверхразмерном волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом дифракции на несимметричном конце волновода.
2.1. Впервые синтезированные неквадратичные зеркала использованы в квазиоптических преобразователях мощных промышленных гиротронов.
2.2. Предложен новый метод синтеза поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе. Метод использован при разработке нового прибора - многочастотного мегаваттного гиротрона в диапазоне 105-152 ГГц.
2.3. Показана возможность синтеза наиболее добротного собственного колебания с заданной пространственной структурой в открытых двухзеркальных резонаторах.
3. Предложен новый подход, основанный на анализе тепловизионных измерений интенсивности поля и синтезе систем корректирующих зеркал сложного профиля, для решения задачи согласования волновых пучков мощных СВЧ приборов с линиями передачи.
Практическая значимость
1.1. Метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях, используется как для диагностики узлов мощных СВЧ приборов на милливаттном, так и для измерений волновых полей мощных СВЧ приборов на мегаваттном уровнях мощности.
1.2. Метод анализа комплексного спектра мод по измерениям интенсивности поля в поперечных сечениях сверхразмерных волноводов используется для диагностики на милливаттном уровне мощности волноводных элементов и волноводных линий передачи для комплексов УТС и технологических установок.
1.3. Метод анализа поля бегущей волны в цилиндрическом сверхразмерном волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом дифракции на несимметричном конце волновода используется при проектировании излучателей гиротронов.
2.1. Комплекс программ синтеза систем зеркал используется в ИПФ РАН и НПП «Гиком» при разработке квазиоптических преобразователей мощных промышленных гиротронов в диапазоне 68-170ГГц и элементов зеркальных и волноводных линий передачи гиротронного излучения.
2.2. Метод синтеза поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе использован при разработке многочастотного мегаваттного гиротрона (105-152 ГГц) и технологического гиротрона (28ГГц).
2.3. Синтезированы резонаторы для субмиллиметрового оротрона и высокоэффективного возбудителя волны HE11 для диагностики волноводных линий передачи.
3. Проанализированы волновые пучки и синтезированы системы согласующих зеркал в более 50-ти экспериментах на установках электронно-циклотронного нагрева плазмы в диапазоне 28-170ГГц: T-10 (Институт ядерного синтеза, Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва), ADITJA (Institute for Plasma Research, Индия), HT-7 (Southwestern Institute of Physics, КНР), LHD (National Institute for Fusion Science, Япония), TdeV (Centre Canadien de Fusion Magnetic, Канада), DIII-D (General Atomics, США), FTU (Italian National Agency for New Technologies, Energy and the Environment, Италия), ASDEX-Up и W7-AS (Max-Planck-Institut fr Plasmaphysik, Германия), TRIAM (университет Кюсю, Япония).
Разработанные в диссертации методы и программные средства анализа и синтеза волновых полей могут оказаться полезными не только в СВЧ -диапазоне, но и в акустике, оптике и т.д.
Личный вклад автора
1.1. В публикациях [2*, 12*, 28*] автором предложен метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях, разработаны быстрые эффективные алгоритмы и комплекс программ для анализа волновых пучков.
1.2. В публикациях [11*, 32*] автором реализован метод анализа спектра мод в волноводных линиях передачи по распределениям интенсивности. Разработанные программы использованы при анализе линий передачи на основе гофрированных волноводов прямоугольного [4*, 14*, 21*, 34*, 45*, 52*, 61*] и круглого [30*, 36*, 39*, 43*, 53*, 60*, 64*] сечений.
1.3. В публикациях [6*, 22*] автором предложен и реализован, на основе быстрого алгоритма, метод анализа поля бегущей волны в цилиндрическом сверхразмерном волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом дифракции на несимметричном конце волновода, выполнены расчеты для численного и экспериментального подтверждения метода.
2.1. В публикациях [5*, 10*, 18*] автором предложено использовать итерационную процедуру Б.З. Каценеленбаума и В.В. Семенова [7] для синтеза зеркал гиротронных квазиоптических преобразователей, разработан комплекс программ для моделирования полей в электродинамической системе гиротрона. Синтезированы зеркала для ряда промышленных и экспериментальных гиротронов в ИПФ РАН и НПП «Гиком» в диапазоне 68-170ГГц [6*, 40*, 44*, 46*, 49*, 54*, 56*-58*, 62*, 63*, 79*].
2.2. В публикации [6*, 7*, 65*- 68*] автором предложен и реализован, также на основе быстрой численной процедуры, метод синтеза поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе, выполнен синтез излучателя для многочастотного 105-152 ГГц гиротрона.
2.3. В публикации [3*] автором предложено использовать итерационную процедуру Б.З. Каценеленбаума и В.В. Семенова [7] для синтеза наиболее добротного собственного колебания заданной формы в простейших двухзеркальных резонаторах. Рассчитаны резонаторы для субмиллиметрового оротрона и высокоэффективного возбудителя волны HE11 для диагностики волноводных линий передачи [53*, 55*, 64*].
3. В публикациях [8*, 24*] автором предложен новый подход для решения задачи согласования волновых пучков мощных СВЧ приборов с линиями передачи на основе анализа тепловизионных измерений интенсивности поля. Синтезированы системы зеркал в экспериментах по согласованию мощных волновых пучков с линиями передачи [15*, 20*, 35*, 36*, 43*, 47*, 55*, 62*, 67*, 75*, 80*].
Для реализации всех предложенных или использованных методов, перечисленных в результатах диссертации, выносимых на защиту, автором было разработано программное обеспечение на основе оригинальных быстрых алгоритмов физической оптики.
Апробация работы
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1*-80*] и докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Институте электроники (Ченду, КНР), Институте физики плазмы (Нивехайн, Нидерланды), Штуттгартском университете (ФРГ), на ежегодных совместных семинарах ИПФ РАН и Института им. Макса Планка (Гархинг, ФРГ) в 1992-2007 годах, на всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990), на 4-м симпозиуме Европейского космического агентства по развитию исследований в области электромагнетизма (Нордвайк, Нидерланды, 1994), на XXVIII международной конференции по теории и технологии антенн (Москва, 1998), на всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, 2004), на всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Нижний Новгород, 2005), на 3-6 международных конференциях «Сильные волны в плазме» (Нижний Новгород, 1996, 1999, 2002, 2005), на 10 и 11 международных совещаниях по электронно-циклотронному нагреву плазмы (Амеланд, Нидерланды, 1997; Охараи, Япония, 1999), на 4 и 10-ой международных конференциях по вакуумной электронике (Сеул, Корея, 2003; Партенкирхен, ФРГ, 2004), на 17 и 20-32 международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Пасадена, США, 1992; Орландо, США, 1995; Берлин, ФРГ, 1996; Винтергрин, США, 1997; Колчестер, Англия, 1998; Монтерей, США, 1999; Пекин, Китай, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Охтсу, Япония, 2003; Карлсруэ, ФРГ, 2004; Вильямсбург, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006; Кардифф, Англия, 2007).
Структура диссертации
