Введение к работе
Актуальность темы. Последние десятилетия отмечены интенсивным развитием электроники больших мощностей и прежде всего технологий, связанных с проектированием и производством гиротронов.
Гиротроны являются наиболее мощными источниками когерентного излучения миллиметрового диапазона длин волн. Выходная мощность гиротронов достигает 1 МВт при длительности импульса в несколько секунд. Эти качества обуславливают их широкое применение для электронно-циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу, а также их использование в технологических процессах в качестве источников СВЧ излучения.
В связи с большой научно-технической важностью этих приборов актуальна задача разработки методов измерений и совершенствования технологии проектирования элементов их электродинамической системы.
Особенностью измерений структур полей гиротронов является го, что практически трудно создать опорный источник когерентного излучения с известным фазовым распределением для измерения фазы волнового пучка на выходе прибора. Подобная проблема с опорным эталонным каналом возникает и при так называемой "холодной" (на милливаттовом уровне мощности) диагностике элементов, перед их установкой в промышленные гиротроны. Поэтому важна разработка принципиально новых методов реконструкции фазы только по измерениям интенсивности полей.
Помимо диагностики полей актуальна задача совершенствования технологии проектирования элементов гиротонов, связанная с тем, что практическое применение приборов электроники больших мощностей требует увеличения мощности их выходного излучения при одновременном увеличении длительности импульса.
Поперечная структура рабочих волн гиротронов сложна, а для практических применений необходимы узконаправленные пучки с линейной поляризацией, как правило гауссовы, или волна НЕц для закрытых линий передачи излучения. Для использования и транспортировки излучения приборов электроники больших мощностей необходимы высокоэффективные квазиоптические преобразователи [1].
Классический преобразователь представляет собой сложную систему зеркал и призван решить следующие задачи: 1) Обеспечение вывода максимума излучения из гиротрона через вакуумный барьер-окно, так как диффракционные потери внутри
лампы снижают общую эффективность всего устройства и, главное, могут разрушить прибор.
-
Создание оптимального распределения поля на окне гиротрона -наиболее критичной с точки зрения тепловой нагрузки части прибора. Максимально плоские или кольцеобразные структуры поля на окне наиболее типичны для длинноимпульсных гиротронов большой мощности.
-
Обеспечение согласования выходного волнового пучка гиротрона с внешней линией передачи. Создание на выходе лампы гауссова волнового пучка или волны НЕц .
В принципе, решения этих задач противоречат друг другу. Например, плоское и кольцеобразное распределения поля на окне имеют малое содержание гауссовой компоненты. С другой стороны, гауссов волновой пучок на выходе гиротрона перегружает окно. Однако, компромисс может быть найден путем применения сложных зеркальных систем.
До недавнего времени проблема дизайна квазиоптических преобразователей решалась путем использования зеркал с квадратичной фазовой коррекцией. Такие зеркала не критичны к юстировке, однако, в этом случае коэффициент трансформации рабочей моды гиротрона в гауссов пучок не превышает 80%, и окно оказывается перегруженным.
Необходимо было разработать новый подход для комплексного решения задачи расчета квазиоптических преобразователей на основе процедуры синтеза систем сложнопрофильных зеркал, формирующих заданные распределения полей на окне, выходе гиротрона и обеспечивающих минимальные диффракционные потери внутри прибора.
Цепь настоящей работы состояла в создании методов, алгоритмов и программных средств :
для реконструкции амплитудно-фазовой структуры полей по измерениям их интенсивности;
для синтеза зеркал, формирующих заданное пространственное распределение поля, и их практического внедрения в квазиоптических преобразователях серийных промышленных гиротронов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен новый метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля по измеренным распределениям интенсивности поля в нескольких поперечных распространению волнового пучка сечениях. Принципиальным преимуществом нового метода в сравнении с существующими методами является отсутствие
порного канала с известными характеристиками. Эффективность етода подтверждена экспериментально.
2. Разработан алгоритм быстрого вычисления
иффракционного интеграла Гюйгенса-Кирхгофа для итерационного
ешения задач реконструкции и синтеза пространственных структур
олей. Алгоритм предназначен для декартовых и цилиндрических
истем координат и эффективно использует геометрию задачи.
3. Впервые на основе быстрого алгоритма реализован метод
интеза заданных амплитудно-фазовых структур полей в гиротронном
вазиоптическом преобразователе. Впервые сложнопрофильные
:ркала применены в экспериментальных и серийных промышленных
яротронах.
Практическая значимость.
-
АСНИ для исследования амлитудно-фазовых распределений !ВЧ полей в сочетании с пакетом программ параметризации ысокоэффективна при "холодном"-' на милливаттовом уровне ющности - тестировании элементов СВЧ трактов и проведении аучных исследований в миллиметровом диапазоне.
-
Процедура пересчета полей по методу Гюйгенса-Кирхгофа вляется базовой для многих задач электродинамики, акустики, птики и т.д. Разработанный алгоритм быстрого вычисления иффракционного интеграла Гюйгенса-Кирхгофа предназначен для терационного решения задач реконструкции и синтеза ространственных структур полей и обеспечивает выигрыш в перациях комплексного умножения в 160^-570 раз для двумерных омплексных данных 171x171-5-343x343.
-
Метод полной трехмерной реконструкции поля по аспределениям интенсивности поля в двух-трех поперечных аспространению волнового пучка сечениях, базирующийся на ниверсальном принципе диффракции и реализованный в виде рограммного пакета, может быть применен для исследования труктуры полей в свободном пространстве, диагностики и еконструкции источников полей в различных прикладных областях.
-
Реализованный на основе быстрого алгоритма, метод интеза заданных структур полей с помощью ситемы линз или зеркал южет иметь широкие приложения в силу безразмерности и ниверсальности для решения прикладных задач в различных бластях.
-
Пакет программ для моделирования и синтеза полей в иротронном квазиоптическом преобразователе является ффективным средством для проектирования в реальном времени ложных рефлекторных систем. Пакет программ неоднократно
проверен на практике: с помощью него были спроектированы і
изготовлены квазиоптические преобразователи для дву;
экспериментальных и четырех серийных промышленных гиротроно] 140 и 110 ГГц, измеренные структуры полей в которых хорош< согласуются с расчетными данными.
Использование результатов работы. Методы и программны* средства, созданные при выполнении диссертационной работы применялись для проектирования узлов приборов злектроникі больших мощностей в ИПФ РАН, НПО "Салют" г. Нижниі Новгород, НПО "Торий" г. Москва.
Апробация результатов работы. Материалы диссертацш
докладывались на всесоюзном научном семинаре "Математическо*
моделирование и применение явлений диффракции" (Москва 1990)
на 17 международной конференции по инфракрасным г
миллиметровым волнам (Пасадена, США, 1992), на 4 конференцій Европейского космического агенства по развитию исследований і области электромагнетизма (Нордвайк, Нидерланды, 1994), а также на научных семинарах ИПФ РАН.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит и; введения, двух глав и заключения. Объем диссертации составляет 166 страниц, включая 68 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 3f наименований.
