Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Когерентное электромагнитное излучение миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн используется для широкого круга различных приложений, включая спектроскопию и диагностику различных сред и объектов, системы связи, радары, обработку и спекание различных материалов, нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и многие другие. В связи с разнообразием приложений велик и диапазон требований, предъявляемых к источникам коротковолнового излучения [1]. Для большинства спектроскопических методов достаточно излучения с малой мощностью, от долей нановатта до милливатт, для получения которого используются, как правило, твердотельные приборы, работающие на классических (в миллиметровом диапазоне) или квантовых (в терагер-цовом диапазоне) принципах. Для нагрева плазмы в установках УТС, где требуются десятки мегаватт непрерывной мощности на частотах от 70 до 300 ГГц, используются мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) — гиротроны [2-4]. В то же время в качестве источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения средней мощности используются преимущественно классические электровакуумные СВЧ-приборы О-типа, в первую очередь лампы бегущей (ЛБВ) [5] и обратной (ЛОВ) [6,7] волны, основанные на черенковском взаимодействии прямолинейных электронных потоков с медленными электромагнитными волнами или медленными пространственными гармониками волн в металлических периодических структурах. В области их применимости основным преимуществом перед гиротронами является отсутствие необходимости использования дорогих сверхпроводящих криомагнитов.
В настоящее время черенковские приборы позволяют получать когерентное электромагнитное излучение во всем миллиметровом диапазоне и в значительной части субмиллиметрового диапазона (до длин волн около 0,2 мм). Наиболее высокочастотными приборами с медленными волнами являются низковольтные (до 6 кВ) лампы обратной волны [7,8], способные работать на частотах до 1,4 — 1,5 ТГц. Эти компактные, перестраиваемые напряжением в широком частотном диапазоне генераторы очень широко используются в спектроскопии. Мощность этих ЛОВ составляет от сотен милливатт в длинноволновой части миллиметровой области спектра до нескольких милливатт на частоте 1,4 ТГц.
В миллиметровом диапазоне наиболее распространенным черенковским прибором является, по-видимому, лампа бегущей волны (ЛБВ), что связано с востребованностью усилителей средней мощности для систем космической связи и радаров.
Значительные сложности, возникающие при увеличении рабочей частоты че-ренковских генераторов, связаны в первую очередь с уменьшением поперечных размеров периодических электродинамических структур и пространства взаимо-
действия. Действительно, характерные размеры электродинамической структуры ограничены сверху величиной, приблизительно равной половине длины волны, в противном случае возникающая конкуренция мод может перевести генератор в нестационарный режим работы. Уменьшение поперечных размеров приводит к необходимости увеличения плотности рабочего тока. В результате для низковольтных субмиллиметровых приборов черенковского типа требуемые плотности тока составляют десятки и даже сотни ампер с квадратного сантиметра [9,10]. В то же время в наиболее распространённых современных ленточных катодах плотность эмиссии, как правило, ограничена величиной 5-50 А/см2 [11].
Одним из приборов, в котором описанные трудности могут быть частично преодолены, является оротрон [12-16]. Основная особенность оротрона, отличающая его от традиционных усилителей и генераторов с замедленными волнами, заключается в наличии эффективной селекции поперечных мод, которая обеспечивается открытым резонатором. Благодаря этому поперечный размер электродинамической системы и электронного пучка в оротроне (в направлении, перпендикулярном движению электронов и нормали к поверхности замедляющей структуры) может быть много больше длины рабочей волны. На коротких миллиметровых и субмиллиметровых волнах это обстоятельство может обеспечить достижение существенно большей выходной мощности по сравнению с другими черенковскими приборами [14,17,18]. Другим методом селекции поперечных мод, также позволяющим увеличить поперечный размер пространства взаимодействия в черенковских приборах, может быть использование поперечной дифракции поверхностной волны [19-21].
Следующей фундаментальной трудностью, ограничивающей мощность черенковских генераторов в субмиллиметровом диапазоне, является увеличение при-жатости рабочей волны к поверхности замедляющей системы (к границам канала, по которому движутся электроны, в случае цепочки связанных резонаторов) при росте частоты. Традиционным выходом, позволяющим смягчить эту проблему, является использование в черенковских приборах сложных периодических структур, например, многорядных и многоштыревых [7,8,17]. Другим известным способом преодоления проблемы прижатости волны является использование такого режима, в котором электронный пучок наклонен под небольшим углом к замедляющей структуре [14,22-24]. В такой системе каждый из электронов «толстого» пучка постепенно приближается к поверхности периодической структуры и все частицы находятся примерно в одинаковых условиях. При этом амплитуда поля синхронной СВЧ-гармоники, действующей на электрон, нарастает, и в определенный момент частица оказывается в области сильного поля, что позволяет более эффективно использовать ток пучка. Этот принцип лежит в основе разновидности лампы обратной волны, получившей название «клинотрон» [23].
Ещё одним подходом, позволяющим увеличить рабочую частоту генератора, распространённым как в твердотельной, так и в вакуумной электронике, является
получение высоких гармоник низкой частоты. Речь идёт не только об использовании умножителей частоты, возбуждаемых внешним сигналом, но и о самовозбуждающихся устройствах с преобразованием частоты внутри объёма генератора. В вакуумной электронике нелинейной средой, обеспечивающей умножение частоты, является электронный пучок, а высокочастотная волна излучается электронными сгустками, сгруппированными самовозбуждающейся низкочастотной волной (см., например, [25]). Использование режимов умножения частоты в вакуумной электронике, в частности, позволяет существенно снизить рабочую плотность тока, что особенно важно в субмиллиметровом диапазоне. В умножителе с коэффициентом умножения п теоретически возможна работа при токе, в п2 раз меньшем, чем стартовый ток прибора на высокой частоте.
Более мощные, по сравнению с низковольтными ЛОВ, оротронами и кли-нотронами, черенковские приборы миллиметрового диапазона основаны на использовании аксиально-симметричных электронных пучков с ускоряющим напряжением в несколько десятков киловольт. Максимальная мощность этого класса приборов в непрерывном режиме (или средняя мощность в импульсном режиме) получена при использовании нитевидных электронных пучков и электродинамических систем в виде изогнутого волновода или цепочки связанных резонаторов и составляет около 1,5 кВт на частоте 35 ГГц [26], 400 Вт на частоте 94 ГГц [27] и единицы ватт на частоте 220 ГГц [28]. Наиболее высокочастотная ЛБВ, работающая на частоте 650 ГГц, продемонстрировала выходную мощность около 100 мВт [29]. Важную альтернативу нитевидным пучкам составляют тонкостенные электронные пучки: плоские ленточные пучки [30] в планарных замедляющих системах и трубчатые электронные пучки в осесимметричных системах [31]. В частности, трубчатая форма электронного пучка обеспечивает возможность проведения вблизи гофрированной периодической структуры значительно большего полного тока при сохранении плотности тока и той же тепловой нагрузке на стенки. Схемы с трубчатыми сильноточными электронными пучками широко используются в релятивистских черенковских приборах [32-38]; кроме этого, трубчатые пучки использовались ранее при создании импульсных нерелятивистских приборов О-типа сантиметрового [39] и длинноволновой части миллиметрового [40] диапазонов. В настоящее время в ряде лабораторий исследуются возможности повышения мощности приборов О-типа коротковолновой части миллиметрового диапазона.
Цели диссертационной работы
Целью настоящей диссертационной работы является детальное исследование методов увеличения эффективности низковольтных черенковских генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона: исследование клинотронного режима в оротроне и в нерезонансной ЛОВ; исследование оротронного самовозбуждающегося умножителя частоты, а также вопросов, связанных с конкуренцией
поперечных мод в оротронных умножителях и в черенковских генераторах; экспериментальная демонстрация оротронного умножителя частоты; теоретическое исследование черенковских генераторов с трубчатыми электронными пучками, оптимизация их параметров и подготовка эксперимента в трёхмиллиметровом диапазоне длин волн. В рамках этих задач в настоящей работе:
Построена нелинейная теория оротрона, работающего в клинотронном режиме.
Теоретически исследован клинотронный режим в нерезонансной ЛОВ.
Построена теория самовозбуждающегося оротронного умножителя частоты.
Исследована синхронизация излучения от отдельных фракций широкого электронного пучка при дифракции поверхностной волны и при использовании открытого резонатора.
Получена генерация в самовозбуждающемся оротронном умножителе частоты.
Теоретически исследованы слаборелятивистские черенковские генераторы средней мощности коротковолновой части миллиметрового диапазона с трубчатыми электронными пучками; рассчитаны привлекательные варианты генераторов, рассчитаны и изготовлены электродинамические структуры для эксперимента в трёхмиллиметровом диапазоне.
Научная новизна работы
Исследована временная динамика нерезонансной ЛОВ с наклонным электронным пучком в нелинейном режиме.
Построена нелинейная теория оротрона с наклонным электронным пучком; исследовано влияние высокочастотного пространственного заряда.
Предложен и впервые продемонстрирован в эксперименте самовозбуждающийся оротронный умножитель частоты на 7г-моде. Построена теория этого прибора. Исследованы возможности использования широких электронных пучков.
В рамках квазиоптического приближения исследована динамика поверхностной волны, возбуждаемой приповерхностным нерелятивистским электронным пучком. Теоретически показана возможность эффективной селекции поперечных поверхностных мод в этой системе.
Теоретически исследована возможность создания эффективных нерелятивистских черенковских источников коротковолновой части миллиметрового диапазона (лампы обратной волны, оротрона, умножителя частоты) с тонкостенными осесимметричными электронными пучками и электродинамической системой в виде отрезка волновода с гофрированной поверхностью. Разработаны проекты источников трёхмиллиметрового диапазона длин волн, способные обеспечивать выходную мощность излучения до 1 кВт в непрерывном режиме.
Научно-практическая ценность работы
Полученные в процессе выполнения работы могут использоваться при разработке низковольтных черенковских генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Результаты, представленные в работе, использовались в ИПФ РАН при выполнении грантов РФФИ (10-02-92604-КО-а, 09-02-00637-а, 07-02-01158-а, 06-02-16431-а, 12-02-31722-мол-а).
Результаты диссертации могут быть использованы в ИПФ РАН, ИРЭ РАН, ННГУ, ОИЯИ, ИОФ РАН, ИЯФ СО РАН, ИСЭ СО РАН, ЗАО НПП «Гиком» и других организациях.
Апробация результатов работы
В общей сложности по теме диссертации опубликовано 9 статей в ведущих российских и зарубежных журналах, входящих в список ВАК, а также 18 докладов в трудах и сборниках отечественных и международных конференций.
Результаты диссертационной работы докладывались на внутренних семинарах Института прикладной физики (ИПФ РАН), а также на следующих российских и международных школах и конференциях: Школа «Волны», Звенигород, Московская область, 2006 и 2009; XIII Школа молодых учёных «Актуальные проблемы физики» РИИС ФИАН, Москва, 2010, Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, Нижний Новгород, 2007, 2008, 2009, 2013, 18-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» («КрыМиКо»), Севастополь, 2008, 6th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, Харьков, Украина, 2007, International Symposium «Terahertz radiation: generation and application», Siberian Synchrotron radiation center, Новосибирск, 2010, International Workshop «Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Practical Applications» (TERA-MIR), Marmaris, Turkey, 2009, 35th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2010, 8th International Workshop «Strong microwaves and terahertz waves: sources and applications» (SMP-2011), Nizhniy Novgorod — St. Petersburg, Russia, July 9-16, 2011, 4th Euro-Asian Pulsed Power Conference and 19th International
Conference on High-Power Particle Beams, Karlsruhe, Germany, September 30 -October 4, 2012.
Личное участие автора в получении опубликованных результатов
Основные результаты, представленные в диссертации и вошедшие в работы [al-а27], получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Теоретические исследования проводились автором при консультативной поддержке со стороны научного руководителя и соавторов совместных работ. Большая часть численных расчетов выполнена автором диссертации. Экспериментальное исследование оротронного умножителя частоты (п. 2.3 диссертации) было выполнено совместно с соавторами [а7,а18]. Постановка задач, обсуждение и интерпретация результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами совместных работ.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и двух приложений. Объём работы составляет 164 страницы, включая 96 иллюстраций и список литературы из 114 наименований.
Положения, выносимые на защиту
-
Согласно построенной нелинейной теории, использование клинотронных режимов в оротроне коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов позволяет существенно увеличить эффективность генерации и интегральную мощность прибора по сравнению с традиционном режимом. В нерезонансной ЛОВ использование клинотронного режима позволяет увеличить нормированный КПД и существенно отодвинуть границу режимов стационарной генерации и автомодуляции; нормированный КПД нерезонансного ЛОВ-клинотрона оказывается выше, чем в традиционном режиме, но ниже, чем в резонансном клинотроне.
-
Предложенный самовозбуждающийся оротронный умножитель частоты, основанный на совместной генерации низкочастотной поверхностной волны и высокочастотной моды открытого резонатора, может обеспечить генерацию излучения на более высокой частоте, чем оротрон с теми же параметрами электронного пучка.
-
При возбуждении широким электронным пучком дифракционное расплыва-ние поверхностной волны плоской замедляющей системы с глубокой гофрировкой обеспечивает эффективную селекцию поперечных мод.
-
Возбуждение поверхностной волны планарной периодической структуры плоским широким электронным пучком в симметричной конфигурации может приводить в нелинейном режиме к стационарной одночастотной генерации поля с несимметричной поперечной структурой.
-
Благодаря большему эффективному току и меньшей тепловой нагрузке, связанной с осаждением пучка, нерелятивистские источники с трубчатыми электронными пучками с относительно низкой плотностью тока и электродинамическими системами в виде аксиально-симметричных гофрированных волноводов способны обеспечить в коротковолновой части миллиметрового диапазона в непрерывном режиме более высокую выходную мощность, чем приборы с плотными нитевидными электронными пучками.
