Излучение мощных электронных потоков в резонансных периодических электродинамических системах

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.................................................................7
Глава 1. Теоретические и экспериментальные исследования мощных устройств СВЧ с длительным взаимодействием (Обзор литературы)...............................................................20
1.1. Классификация излучений и приборы СВЧ электроники....................20
'ф 1.1.1. Излучение одиночного электрона....................20
1.1.2. Механизмы излучения электронных потоков в устройствах СВЧ......22
ф 1.2. Теоретические подходы к анализу взаимодействия потока и поля замедляющих
систем....................................................................25
1.2.1. Полевые методы, связанные с выделением «синхронных» гармоник
поля................................................................ 25
1.2.2. Методы, основанные на выделении резонансных объемов в электродинамической структуре.........................................26
ф 1.2.3. Численное моделирование микроволновых источников на
свсрхразмерных волноводах с помощью точных электродинамических методов...............................................................28
1.3. Мощные источники СВЧ.................................................30
1.3.1 .Типичные конструкции и характеристики устройств мощной слаборелятивистской электроники СВЧ...................................30
1.3.2. Типичные конструкции и достижения релятивистской электроники...32
1.4. Физические процессы при взаимодействии электронных потоков с ПОЛЯМИ
™ резонансных периодических структур........................................36
ф 1.4.1. Волны в периодических структурах...............................36
1.4.2. Особенности взаимодействия электронных потоков с полями резонансных замедляющих структур..................................................37
Глава 2. Возбуждение электромагнитных полей электронными
потоками. Основные уравнения..............................................40
2.1. Уравнения электроники при выделении вихревых полей...................40
2.1.1. Вихревые поля и вихревые токи..................................40
2.1.2. Электронный поток. Особенности моделирования...................44
® 2.1.3. Возбуждение вихревых полей нерегулярных волноводов вихревыми
токами................................................................50
2.1.4. Представление нерегулярных волноводов цепочками связанных волновых ^ трансформаторов...............................................58
2
2.2. Особенности анализа возбуждения электродинамических систем в резонансных режимах. Метод эквивалентных схем..............................61
2.2.1. Описание вихревых полей переменной структуры с помощью эквивалентных схем...................................................61
2.2.2. Эквивалентное описание резонансных замедляющих систем, связанных с
электронным потоком, в малосигнальном приближении......................65
2.2.3 Уравнения нелинейного нестационарного анализа черепковского излучения электронных потоков в одномодовых периодических системах.....76
2.3. Матричный многомодовый метод анализа взаимодействия электронного потока и поля сверхразмерного периодического волновода. Малосигнальное приближение.........................................................82
2.3.1. Постановка задачи...............................................82
2.3.2. Возбуждение вихревого поля периодического сверхразмерного волновода...............................................................84
2.3.3. Учет граничных условий в сечениях входа и выхода. Определение структуры полей в односекционных и многосекционных устройствах.......92
2.3.4. Анализ точности и сходимости решения.............................97
2.4. Многомодовый метод анализа нестационарных процессов в черенковских генераторах на периодических волноводах...................................106
2.4.1. Система матричных уравнений возбуждения полей нерегулярного волновода релятивистским электронным потоком........................106
2.4.2. Анализ сходимости решения и точности результата.................111
Результаты и выводы 2-й главы.............................................116
Глава 3. Резонансное взаимодействие электронного потока и
электромагнитного поля в одномодовых периодических
системах..................................................................117
3.1. Общие свойства собственных волн замедляющих систем с электронным потоком...................................................................117
3.1.1.Дисперсия и структура волн в периодических системах с электронным потоком.............................................................И 8
3.1.2. Область усиления и "горячая" граница полосы прозрачности........124
3.1.3. Усиление и самовозбуждение при наличии потерь...................126
3.2. Возбуждение колебаний и волн в замедляющих системах конечной длины. ..129
3.2.1. Возбуждение и подавление продольных мод в замедляющих системах с электронным потоком.................................................129
3.2.2. Особенности возбуждения системы при взаимодействии ЛБВ-типа.....133
3.2.3. Динамические эффекты в системах с преимущественным взаимодействием ЛОВ-гипа............................................137
3.3. Анализ ЛБВ на цепочках связанных резонаторов.........................141
3.3.1. Конструкция системы и особенности взаимодействия потока и поля в ЛБВ на цепочках связанных резонаторов......................................141
3.3.2. Частотные характеристики секций ЛБВ.............................144
3.3.3. Усиление и самовозбуждение колебаний в секциях ЛБВ..............147
3.3.4. Анализ усиления колебаний в мощных многосекционных ЛБВ..........155
3.4. Исследование релятивистской ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе.......159
3.4.1. Конструкция и особенности теоретического описания...............159
3.4.2. Дисперсионные характеристики и собственные волны устройства.....163
3.4.3. Самовозбуждение ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе..............167
3.5. Волны в резонансной замедляющей структуре с электронным пучком и плазмой...................................................................169
3.5.1. Постановка задачи...............................................169
3.5.2. Уравнения возбуждения плазменно-пучковых волн ..................170
3.5.3. Уравнения возбуждения волн замедляющей структуры................172
3.5.4. Матрица передачи и дисперсионное уравнение......................174
3.5.5. Дисперсия ноли в системе. Результаты численных расчетов.........175
3.6. Основные закономерности взаимодействия потока и поля в черепковских генераторах на поверхностной волне........................................180
3.6.1. Постановка задачи...............................................180
3.6.2.0собенности возбуждения поверхностного поля периодического волновода на частоте границы полосы прозрачности....................183
3.6.3. Взаимодействие потока и поля в релятивистском генераторе поверхностной волны. Линейное приближение...........................188
3.6.4. Нестационарные процессы в генераторе поверхностной волны........191
3.6.5. Синхронизация колебаний в генераторе на периодическом вол поводе.. 200 Результаты и выводы 3-й главы.............................................210
Глава 4. Особенности комбинированного взаимодействия в
электронных приборах на резонансных замедляющих
системах...............................................................213
4.1. Механизмы поперечного и комбинированного взаимодействия в электронных приборах на резонансных замедляющих системах.............................214
4.1.1. Электродинамические свойства структур и их описание............214
4.1.2. Соотношение между параметрами структуры и параметрами эквивалентной цепи.................................................216
4.2. Дисперсия воли в устройствах с комбинированным взаимодействием потока и поля.....................................................................219
4.2.1. Влияние фокусирующего магнитного поля на дисперсию волн в системах с поперечным взаимодействием.......................................219
4.2.2. Изменения решений дисперсионного уравнения вблизи границы полосы прозрачности.......................................................221
4.2.3. Решение дисперсионного уравнения для устройств с комбинированным взаимодействием....................................................224
4.3. Усиление и пусковые условия генерации в МЦР на аномальном эффекте Доплера....................................................................227
4.3.1. Распределение полей вдоль системы................................227
4.3.2.Частотные характеристики, стартовые условия генерации.............229
4.3.3. Зависимость усиления от величины магнитного поля.................231
4.3.4. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов..........232
4.4. Соотношение между черепковским и МЦР механизмами в релятивистских генераторах на периодических волноводах....................................236
4.4.1 Взаимодействие волн в релятивистских приборах СВЧ.................236
4.4.2. Возбуждение релятивистских генераторов ЛБВ-ЛОВ, МЦР АД, ЛОВ-ЛБВ-МЦРАД...............................................................238
4.5. Уменьшение обратных связей в усилителях на комбинированном взаимодействии.............................................................241
4.5.1 Возбуждение одной возрастающей волны..............................242
4.5.2. Возбуждение возрастающей и убывающей волн........................244
4.5.3. Уменьшение влияния обратной волны................................245
4.5.4. Проблема создания релятивистского усилителя с резонансной замедляющей структурой..............................................246
Результаты и выводы 4-й главы..............................................247
Глава 5. Многоволновые релятивистские источники микроволн на сверхразмерных периодических волноводах.................................248
5.1. Дифракционное излучение релятивистского электронного потока вблизи открытых периодических структур.............................................248
5.1.1. Определение дисперсии волн открытых периодических структур методом пробного источника....................................................248
5.1.2. Линейная теория продольного взаимодействия релятивистского электронного потока с поверхностными волнами периодических структур. ...253
5.2. Дисперсия и структура волн в периодических волноводах..................258
5.2.1. Волны в периодическом волноводе с Ц,/Я ~ 1,0......................258
5.2.2. Исследование собственных воли сверхразмериого периодического волновода (Е)в/Л» 1.0)................................................263
5.3. Собственные волны свсрхразмерного периодического волновода с электронным потоком.........................................................270
5.3.1. Дисперсия волн в периодическом волноводе с кольцевым электронным потоком...............................................................270
5.3.2. Структура собственных волн периодического волновода с электронным потоком...............................................................274
5.4. Взаимодействие электронного потока и электромагнитного ноля в секциях сверхразмерных периодических волноводов.............................280
5.4.1. Возбуждение объемных и поверхностных полей в секциях периодических волноводов.................................................280
5.4.2. Резонансы электромагнитных полей в секциях сверхразмсриых периодических волноводов..........................................283
5.4.3. Резонансные явления в секционированных усилителях черепковского типа..............................................................288
5.5. Анализ многоволнового черенковского тенератора......................295
5.5.1. Взаимодействие потока и поля в многоволновом черепковском генераторе...................................................... 295
5.5.2. Исследование полей в многоволновом черепковском усилителе.
Приближение малых сигналов............................................306
5.5.3 Особенности генерационных процессов в многоволновых генераторах черенковского типа....................................................311
Результаты и выводы 5-й главы............................................319
Заключение..............................................................321
Список литературы
326
Введение
Актуальность работы. В последние годы в различных областях науки и техники большое распространение получили мощные источники СВЧ излучения: генераторы и усилители. Мощное СВЧ излучение используется для радиолокации, передачи энергии на большие расстояния, в системах дальней связи, при изучении взаимодействия излучения с веществом, в биологических исследованиях и т.д.
К одному из наиболее обширных классов мощных приборов микроволновой электроники относятся источники излучения, принцип действия которых основан на продольном взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем периодических электродинамических структур имеющих положительную или отрицательную дисперсию основной волны. Наибольшее усиление и устойчивая генерация в устройствах данного класса наблюдается при реализации синхронизма потока и поля на частотах вблизи границ полосы прозрачности волноведущих систем. В этих частотных диапазонах все периодические системы проявляют резонансные свойства, в них одновременно могут возбуждаться прямые и обратные волны. В области традиционной электроники больших мощностей примером усилителей с взаимодействием вблизи границы полосы волноведущей системы, имеющей отрицательную дисперсию, служат часто применяемые на практике мощные ЛББ на цепочках связанных резонаторов. В сверхмощной электронике, где обычно применяются релятивистские сильноточные электронные пучки, перспективными оказались черенковские и дифракционные генераторы, использующие резонансные периодические структуры с положительной дисперсией основной волны и поперечными размерами, значительно превышающими длину волны излучения. Преимущества взаимодействия потока и поля на частотах вблизи границ полос прозрачности могут быть использованы также и в системах с поперечным взаимодействием, примером
7
такого устройства является мазер на циклотронном резонансе и аномальном эффекте Доплера (МЦРАД).
Первые успешные эксперименты с релятивистскими сильноточными потоками были проведены в 70-х годах прошлого столетия, в частности, в карсинотроне была получены мощность излучения 108 Вт при КПД-10% в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн [1]. В этих экспериментах не наблюдалась перестройка частоты излучения при изменении энергии электронов, кроме того, длительность импульса излучения была существенно короче длительности импульса тока. Для анализа причин этих явлений было предложено провести ряд экспериментов на физическом факультете МГУ на сильноточном ускорителе «Тандем», имевшем длительность импульса тока ~1 мкс. В результате экспериментальных и теоретических исследований было сделано предположение о том, что в экспериментах с карсинотроном могло быть реализовано взаимодействие потока и поля на частоте тс-вида колебаний электромагнитного поля системы, что и приводило к фиксации частоты генерации. Тогда же была выдвинута идея использования сверхразмерных структур для уменьшения вероятности пробоя вблизи металлических стенок структур [2,3,4,5,6]. Выдвинутые идеи и результаты экспериментов положили начало новому направлению в релятивистской высокочастотной электронике, основанному на многоволновом взаимодействии релятивистского потока и поля сверхразмерных структур [7,8,9]. Рекордные до настоящего времени уровни мощности были получены в экспериментах с многоволновыми черенковскими генераторами, проведенных в Томске в ИСЭ СО РАИ, совместно с ИРЭ РАЛ и физическим факультетом МГУ (15 ГВт в 3-х см диапазоне длин волн [10] и 5 ГВт в 8-и мм диапазоне [11). Теоретический анализ физических процессов в новых микроволновых генераторах потребовал разработки специальных методов, так как традиционные методы исследования взаимодействия потока и поля в приборах СВЧ-элекгроники не могли быть использованы для анализа процессов вблизи границы полосы прозрачности. Исключением являются
8
метод эквивалентных схем [12,13] и модифицированный волновой подход [14,15]. Кроме того, переход к пространственно-развитым системам потребовал новых подходов, включающих точный электродинамический расчет электромагнитных полей сверхразмерных структур с релятивистским электронным потоком.
Основными проблемами при создании микроволновых устройств на резонансных периодических структурах с положительной или отрицательной дисперсией является устранение обратных связей и получение удовлетворительных полосовых характеристик в усилителях, получение одночастотной генерации с высокой эффективностью в генераторах. Надежная селекция мод, высокие уровни усиления, устойчивая генерация невозможны без детального изучения линейных и нелинейных процессов взаимодействия потока и поля в таких системах. Актуальным является изучение общих закономерностей взаимодействия потока и поля на частотах вблизи границ полосы прозрачности (прежде всего вблизи д-вида), а также особенности физических процессов в типичных усилителях и генераторах на резонансных периодических структурах. Этот круг проблем и является предметом изучения в диссертационной работе.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании процессов усиления, самовозбуждения и развития генерации в устройствах, основанных на длительном взаимодействии прямолинейных электронных потоков с полями резонансных одномодовых и многомодовых электродинамических структур для повышения эффективности и мощности излучения микроволновых источников. Специфика исследования заключается в изучении процессов взаимодействия потока и поля на частотах важных для практического применения резонансов вблизи низкочастотных или высокочастотных границ полос прозрачности низшей моды структуры.
Основные задачи, поставленные в диссертационной работе, относятся к исследованию взаимодействия потока и поля вблизи я-вида границы
полосы прозрачности систем с отрицательной и положительной дисперсиями
и состоят в следующем.
1. В разработке теоретического метода анализа взаимодействия электронных потоков с нолями пространственно-развитых электродинамических систем, позволяющего рассматривать линейные, нелинейные и нестационарные процессы в мощных источниках микроволнового излучения.
2. В изучении дисперсионных характеристик и структуры собственных волн сверхразмерных периодических волноводов с электронным потоком и особенностей их возбуждения в системах конечной длины.
3. В анализе общих закономерностей усиления, самовозбуждения и развития генерации в мощных микроволновых источниках, в том числе, при учете поперечного и комбинированного (продольного и поперечного) взаимодействий потока и поля.
4. В исследовании особенностей взаимодействия в ряде реализованных на практике мощных устройств: многосекционных ЛЕВ на цепочках связанных резонаторов, релятивистских ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе, МЦР на аномальном эффекте Доплера, релятивистских генераторах поверхностной волны, многоволновых черепковских генераторах.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- в реализации теоретических методов анализа взаимодействия электронных потоков с полями пространственно-развитых
электродинамических систем, позволяющих с единых позиций
рассматривать линейные, нелинейные и нестационарные процессы в мощных источниках микроволнового излучения, в том числе на частотах вблизи границы полосы прозрачности одной из мод системы,
- в анализе изменения дисперсии и структуры собственных волн периодических систем с электронным потоком, позволившем, в частности, выявить особенности формирования зависящей от влияния потока «горячей» границы полосы прозрачности, изучить многоволновый характер взаимодействия потока и поля в сверхразмерных волноводах,
- в исследовании роли электронной среды, приводящей к дополнительному рассогласованию системы и возбуждению продольных колебательных мод структуры на динамически сдвинутых резонансных частотах,
- в изучении соотношения между черепковским и МЦР механизмами излучения позволяющего повысить эффективность взаимодействия релятивистского электронного потока с полем резонансной замедляющей структуры на частотах вблизи границы полосы прозрачности,
- в выявлении роли поверхностной волны в формировании усиления и обратных связей в релятивистских черенковских генераторах на сверхразмерных периодических волноводах, в том числе использующих многоволновое взаимодействие потока и поля,
10
- в обнаружении и исследовании повышения эффективности излучения генераторов при отстройке синхронизма потока и поля от частоты л-вида в сторону ЛБВ или ЛОВ и принципиальных отличий спектра генерации для систем с преобладающим взаимодействием ЛБВ или ЛОВ- типов,
- в изучении внешней и внутренней синхронизации в секциях многосекционных генераторов и доказательстве определяющей роли первой секции в формировании спектра генерации,
- в анализе физических процессов в многосекционных усилителях типа ЛБВ на цепочках связанных резонаторов, в первых образцах релятивистских генераторов типа ЛБВ-ЛОВ, МЦР на аномальном эффекте Доплера, в многоволновых черенковских генераторах.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- на основе единого подхода разработан набор теоретических методов различного уровня сложности и создан комплекс программ, позволивших исследовать электродинамические свойства периодических волноводов, процессы усиления, самовозбуждения и генерации в одномодовых устройствах и устройствах релятивистской электроники на сверхразмерных периодических структурах,
- установленные в работе особенности самовозбуждения устройств вблизи границ полосы прозрачности, позволяют находить частоты генерации и стартовые условия и, могут быть использованы при создании новых конструкций черенковских источников микроволн на сверхразмерных периодических волноводах,
- результаты исследования соотношения между черенковским и МЦР излучениями в релятивистских устройствах применимы для объяснения характерных зависимостей мощности выходного СВЧ сигнала от магнитного поля и могут быть использованы для решения проблемы селекции мод в многомодовых устройствах релятивистской электроники,
- на основе развитого в работе волнового анализа, основанного на выделении собственных волн системы и позволяющего определять трансформацию волн на входе и выходе устройства, изучены особенности
возбуждения паразитной генерации, показана принципиальная возможность создания усилителей с уменьшенными обратными связями,
- результаты анализа эффективности взаимодействия потока и поля и формирования спектра излучения релятивистских источников на сверхразмерных волноводах объясняют ряд характеристик существующих экспериментальных макетов многоволновых генераторов и могут быть использованы для создания новых источников с улучшенными параметрами.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Разработанный в работе теоретический метод позволяет с единых позиций рассмотреть стационарные и нестационарные процессы взаимодействия потока и поля на частотах границ полос прозрачности в мощных источниках СВЧ излучения: ЛБВ на цепочках связанных резонаторах (в том числе с плазменным заполнением), ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе, МЦР на аномальном эффекте Доплера, релятивистском генераторе поверхностной волны на сверхразмерном периодическом волноводе, многоволновом черепковском генераторе.
2. В микроволновых генераторах и усилителях на периодических волноводах существует область значений фокусирующего магнитного поля, при которых реализуется синхронизм циклотронных волн потока и поля на частотах границы полосы прозрачности и резко возрастает усиление и электронный КПД в системе. Этот механизм усиления может быть использован для селекции колебаний в МЦР на аномальном эффекте Доплера и выбора оптимальных фокусирующих магнитных полей в релятивистских источниках на продольном взаимодействии.
3. В мощных усилителях и генераторах на сверхразмерных периодических волноводах взаимодействие потока и поля поверхностной волны на частоте границы полосы прозрачности является эффективным методом селекции колебаний. В этом случае:
- релятивистский электронный поток изменяет структуры полей собственных волн периодического волновода, в частности, образуется электронная мода с максимумом вихревого поля в области локализации пучка, а также электромагнитные моды, характеризующиеся минимумом поля в области потока,
- существует оптимальный радиус потока, определяемый многоволновым характером взаимодействия и обеспечивающий наилучший энергообмен потока и поля,
- электрическое поле характеризуется наличием двух областей локализации - вблизи поверхности волновода (возбуждение
поверхностной волны) и на оси структуры (рассеяние поверхностной волны и возбуждение объемных волн структуры).
4. Исследования формирования одночастотного электромагнитного поля в многоволновом черепковском генераторе, проведенные в рамках линейной и нелинейной нестационарной методик позволили установить:
- для получения максимальной эффективности генерации в релятивистских источниках на сверхразмерных волноводах (РГПВ и МВЧГ) необходимо отстраиваться от точного синхронизма потока и поля на л-виде,
- в процессе развития генерации происходит конкуренция основных механизмов взаимодействия потока и поля, в результате установившееся значение частоты генерации близко к частоте ближайшей к л-виду продольной моды колебаний поверхностной волны,
- при реализации преобладающего взаимодействия ЛБВ-типа (типичного для МВТ) мощность генерации может на порядок превышать мощность генерации в системе с преобладающим взаимодействием ЛОВ-типа, при этом, спектр излучения генератора ЛБВ- типа характеризуется набором дискретных частот, на которых наблюдается самовозбуждение и генерация, в генераторе типа ЛОВ частота генерации плавно изменяется при изменении точки кинематического синхронизма;
- В многосекционных генераторах спектр генерации в основном определяется процессами в первой секции.
Достоверность результатов устанавливается:
- соответствием данных, полученных теоретическими методами различного уровня сложности,
- совпадением экспериментальных и теоретических результатов при
исследовании мощных многосекционных ЛБВ на связанных резонаторах,
- совпадением экспериментальных и теоретических результатов при
исследовании релятивистских ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе,
МЦР на аномальном эффекте Доплера, многоволновых черенковских генераторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских
конференциях и школах-семинарах: на всесоюзных семинарах "
Колебательные явления в потоках заряженных частиц ” (Ленинград, 1977г. 1979г. 1981г.), всесоюзных конференциях по электронике СВЧ (Киев, 1976,
Минск, 1983 г., Орджоникидзе, 1986 г.), всесоюзной конференции
«Автоматизация проекторских и конструкторских работ» (Москва, 1979г.), на всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике ( Новосибирск , 1982г., Томск, 1986г., 1988 г., Свердловск, 1990 г.), Ill Всесоюзном семинаре «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький, 1983 г.),
всесоюзном семинаре проблемы электроники " (Москва, МИЭМ, 1981г.), на Всесоюзном семинаре по электродинамике периодических и нерегулярных структур (Москва, МЭИ, 1982г.), 7 Inter. Conf. on High-Power ParticleBeams (Karlsruhe, 1988), на 44 Всесоюзной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 1989, Новосибирск, 1989.), на всесоюзном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции (Москва, МГУ, 1990), на 10 всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград, 1990 ), 9 Intern. Conference on High-Power Particle Beams (1992), 16 Intern. Symp. on discharges and Electr. Insulation (1994), всероссийских школах-семинарах «волновые явления в неоднородных средах» и «физика и применение микроволн» (Москва, МГУ, 1991-2004 гг.).
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 88 печатных работ (1 монография, 27 статей в российских и зарубежных журналах, 18 статей в тематических сборниках и сборниках трудов научных конференций, 4 депонированных рукописи, 1 препринт, 37 тезисов докладов).
Содержание работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 358 страниц основного текста, 131 рисунок, список литературы из 272 наименований.
В первой главе дается обзор литературы, отражающий современное
состояние рассматриваемой проблемы. Обсуждаются вопросы
классификации индивидуального и коллективного излучений и особенности
14
когерентного излучения потоков в мощных микроволновых источниках. Рассматриваются различные теоретические подходы к анализу длительного взаимодействия потока и поля.
Анализируются достижения мощной микроволновой электроники. Рассмотрены характерные параметры и типичные конструкции мощных электровакуумных нерелятивистских и слаборелятивистских устройств СВЧ. Рассматриваются особенности развития релятивистской СВЧ электроники, приводятся характеристики типичных релятивистских источников.
Дается анализ основных результатов исследований длительного взаимодействия электронных потоков с полями одномодовых и сверхразмерных периодических структур. Приводятся известные данные относительно особенностей взаимодействия потока и поля вблизи границы полосы прозрачности, соответствующей "я"-виду колебаний.
Во второй главе излагаются используемые в работе методы теории возбуждения электромагнитных полей электронными потоками. Уравнения электроники записываются в рамках кулоновской калибровки потенциалов с разделением полей и токов на вихревые и потенциальные части. Записываются уравнения, описывающие одномодовое и многомодовое взаимодействие воли электронного потока с полями нерегулярных и периодических волноводов. В приближении малого сигнала уравнения сводятся к матричному виду, позволяющему исследовать волноведущие свойства одномодовых и сверхразмерных периодических систем с электронным потоком, рассматривать системы конечной длины при адекватном учете условий трансформации волн на концах устройства.
Записаны уравнения анализа нелинейных нестационарных процессов в релятивистских генераторах на периодических и нерегулярных волноводах. Уравнения возбуждения записаны в слабонестационарном приближении с выделением опорной частоты и позволяют исследовать источники мккроволиового излучения с одномодовыми и сверхразмерными периодическими и нерегулярными электродинамическими структурами.
15
В третьей главе исследуются особенности усиления и самовозбуждения колебаний при одномодовом взаимодействии потока и поля. Рассматриваются общие свойства собственных волн периодических систем с электронным потоком..
Исследуются многосекционные ЛБВ на связанных резонаторах, проводится анализ усиления и самовозбуждения колебаний в отдельных секциях и в многосекционных системах, проводится оптимизация амплитудно-частотных характеристик и сопоставление с экспериментальными данными по полосе и коэффициенту усиления.
На примере ЛБВ на цепочках связанных резонаторов исследуется дисперсия воли в резонансной замедляющей структуре с электронным пучком и плазмой. Определена область параметров системы, при которых усиливаемая пучком плазменная волна с большим инкрементом имеет возможность связываться с волной структуры и обмениваться с ней энергией, образуя гибридные волны. Вследствие этого коэффициент усиления волны структуры резко возрастает.
Проводится теоретический анализ релятивистского черенковского генератора на гофрированном и диафрагмированном волноводах. В широком диапазоне изменения параметров потока исследуются дисперсионные зависимости, распределения полей вдоль системы и частотные характеристики. Показывается, что в устройстве одновременно присутствуют как механизмы усиления типа ЛБВ, так и обратные связи типа ЛОВ. Проводится сравнение с экспериментальными данными
Проводится теоретическое исследование релятивистского генератора на поверхностной волне. С помощью матричного многомодового метода показывается, что в генераторе поверхностной волны преобладающую роль играют резонансы поверхностного поля, объемные поля не вносят существенного вклада в процессы усиления и слабо влияют на стартовые условия самовозбуждения. В широком диапазоне изменения параметров потока с помощью нелинейной нестационарной методики проводится анализ
16
установления колебаний в системе. Рассмотривается влияние секционирования системы на повышение эффективности генерации. Изучаются процессы внутренней синхронизации колебаний в секциях многосекционных генераторов.
Четвертая глава посвящена исследованию поперечного и комбинированного взаимодействия потока и поля в релятивистских источниках на периодических волноводах. Изучается влияние величины фокусирующего магнитного поля на дисперсию волн в системах с поперечным взаимодействием, когда взаимодействие происходит вблизи границы полосы прозрачности, а собственные волны системы характеризуются максимальными инкрементами нарастания.
Для МЦР на аномальном эффекте Доплера исследованы частотные характеристики устройства для различных значений величины магнитного поля. Определены пусковые условия генерации без учета влияния продольного взаимодействия • и с учетом. Найдены области значений магнитного поля, когда продольное взаимодействие облегчает возбуждение устройства, показано, что существуют области значений величины магнитного поля, когда механизмы продольного и поперечного взаимодействия являются конкурирующими. Для конкретной конструкции МЦР АД изучены зависимости величин выходной мощности от фокусирующего магнитного ноля, проведено сравнение теоретических результатов с данными эксперимента.
Исследуется соотношение черепковского и МЦР механизмов взаимодействия релятивистского электронного потока с полем резонансной замедляющей структуры в условиях комбинированного резонанса. Найдены области значений величии магнитного поля, когда одновременное действие продольного и поперечного взаимодействия приводит к уменьшению или увеличению обратных связей в устройстве. Па ряде примеров показывается, что устройство комбинированного типа ЛОВ-ЛБВ-МЦРАД обладает наименьшими пусковыми токами и наибольшей выходной мощностью.
Анализируются принципиальные подходы, необходимые для улучшения согласования системы при сильной электронной нагрузке и переходу от генерационных к усилительным режимам. Определяются требования, предъявляемые к входному и выходному устройствам, уменьшающие величину обратных связей, обусловленных отражениями. На основе развитого во второй главе волнового метода рассматриваются условия "горячего" согласования комбинированных устройств с внешними трактами. Обсуждаются конструкции соответствующих одномодовых усилителей с резонансными замедляющими структурами на продольном и поперечном взаимодействии, работающих в условиях черенковского синхронизма и комбинированного резонанса.
Пятая глава посвящена исследованию релятивистских устройств на сверхразмерных периодических волноводах, в которых принципиальным является возбуждение многих воли системы.
Предложен теоретический метод определения дисперсии волн в открытых периодических структурах, не требующий решения дисперсионного уравнения. Построена линейная теория продольного взаимодействия релятивистского электронного потока с дифракционным нолем открытых периодических структур в режиме возбуждения поверхностных волн.
Исследуются собственные волны сверхразмерных периодических волноводов, нагруженных интенсивным электронным потоком, характерных для многоволновых черепковских устройств. Показывается, что в общем случае в них одновременно могут возбуждаться несколько мод различной структуры: волны, близкие к модам Е02 , Е03 , и т.д., две почти
поверхностных волны моды Е01 (соответствующие периодической связи ) и две волны электронного потока одинаковой структуры (возрастающая и затухающая с продольной координатой).
В рамках линейной многомодовой методики проводится анализ распределения объемных и поверхностных полей в секциях сверхразмерных
18
периодических волноводов с электронным потоком Исследуется зависимость мощности излучения на выходе секции от ее длины. Показывется. что глобальные максимумы соответствуют продольному резонансу возрастающей волны и обратной поверхностной волны, а локальные максимумы - бриллюэновским резонансам объемных волн в системе конечной длины. В случае двух секций периодического волновода, разделенных участком гладкого волновода обратная связь между секциями приводит к раздвоению максимумов мощности излучаемого вихревого поля на выходе системы.
Исследуются условия самвозбуждения миоговолновых черенковских устройств на релятивистских электронных потоках. Получено соответствие данных теории и эксперимента для пусковых токов и частоты возбуждения для многосекционного черенковского генератора. Проведен анализ эффективности излучения МВЧГ в зависимости от величины фокусирующего магнитного поля, показано, что существуют две области значений магнитной индукции, при которых наблюдаются максимумы излучения. Получено соответствие данных этих исследований экспериментальным результатам. Изучена диаграмма направленности излучения МВЧГ, показано, что существенную роль в формировании диаграммы направленности играет возбуждение поверхностной волны.
С помощью нестационарной многомодовой методики изучаются процессы установления генерации в многоволновом черепковском генераторе. Показано, что с течением времени в устройстве происходит смена основных механизмов взаимодействия потока и поля. Установившееся значение частоты генерации близко к частоте N-1 продольной моды колебаний в отдельной секции, при этом доля мощности переносимая поверхностной волной увеличивается при уменьшении ускоряющего напряжения.
ГЛАВА 1. Теоретические и экспериментальные исследования мощных устройств СВЧ с длительным взаимодействием (обзор литературы). 1.1. Классификация излучений и приборы СВЧ электроники.
1.1.1. Излучение одиночного электрона.
В классической электродинамике выделяются три основных типа излучения одиночного электрона: переходное излучение равномерно
движущегося заряда у неоднородностей, черепковское излучение заряженной частицы при движении в среде с постоянной скоростью, большей скорости электромагнитных волн, тормозное излучение заряда, движущегося с ускорением в вакууме или в среде.
Переходное излучение представляет собой излучение заряда, движущегося прямолинейно с постоянной скоростью у2 в неоднородной среде или около отдельных тел. Излучение проявляется при достаточно быстром изменении собственного поля частицы, происходящего, например,
V
при изменении параметра ——, где - фазовая скорость света в точке
нахождения заряда. Развитие теории переходного излучения происходит в двух направлениях [16]. Первое направление связано с исследованием излучения электрона возникающего при пересечении им одной или ряда границ раздела между средами [17], другое направление относится к исследованию излучения наведенных (индуцированных) зарядов, возникающих при пролете равномерно движущегося заряда вблизи различных тел, в том числе - тел дифракции. Последнее излучение носит название дифракционного [18]. Различные случаи переходного излучения объединяются существованием зоны формирования, излучения [19].
Черенковское излучение возникает при равномерном движении заряда со скоростью, большей фазовой скорости электромагнитного поля в среде.
Среда может быть однородной или периодической, безграничной или ограниченной, важно лишь только, чтобы структура полей волн в среде успевала устанавливаться и соответствовала процессу, распространяющемуся с определенной фазовой скоростью. Теория черепковского излучения в настоящее время достаточно хорошо разработана [20, 21, 22], выведены формулы для излучения электрона как в изотропной, так и в анизотропной диспергирующих средах. Обращается внимание, что излучает не сам движущийся заряд (при равномерном движении в вакууме излучения нет), а заряды и токи, наведенные в среде. В этом смысле черенковское излучение может рассматриваться в качестве предельного случая переходного, возникающего при увеличении числа неоднородностей приходящихся на длину волны излучения или достаточно большом числе периодических неоднородностей.
При рассмотрении излучения отдельного заряда, движущегося с ускорением следует разделять тормозное излучение в электрическом поле и излучение, возникающее при изменении вектора скорости в магнитном поле [23]. Последнее носит название магнитотормозного излучения. Для различных приложений существенно излучение при осцилляторном движении в однородном (циклотронные осцилляции) или знакопеременном (ондуляторное движение) магнитном поле. При малой (нерелятивистской) скорости движения электрона в однородном магнитном поле магнитотормозное излучение носит дипольный характер и его частота равна циклотронной частоте вращения электронов.
При движении с релятивистской скоростью излучение приобретает направленность и ориентировано вперёд, а частота осцилляции из-за доплеровского сдвига смещается в сторону более высоких частот. Излучение релятивистского заряда обладает рядом интересных особенностей и называется синхротронным [23. 24]. Доплеровским сдвигом частоты осциллирующего электрона отличается также ондуляторное излучение [25] и излучение, возникающее при движении быстрых частиц в кристалле при так
называемом каналировании [ 26] .
1.1.2. Механизмы излучения электронных потоков в устройствах
СВЧ.
Рассмотренные принципы индивидуального излучения частиц в вакууме или в среде нашли широкое применение при проектировании мощных устройств СВЧ. Однако в отличие от собственного излучения отдельного излучателя в приборах СВЧ используется коллективное индуцированное или собственное излучение ансамбля электронов, а основную роль играют самосогласованные процессы. В некоторых случаях излучение можно рассматривать как индуцированное излучение, происходящее в определенную моду возбуждающего поля [27, 28]. В большинстве секционированных устройств СВЧ существенную роль играет коллективное собственное излучение периодических сгустков электронов (излучение заданных токов).
Мощные многосекционные устройства часто действуют при сильной нагрузке электронным потоком. Моды вихревого поля, определенные с учетом самосогласованного взаимодействия с электронным потоком, могут существенно отличаться от мод, определенных без учета потока. Взаимодействие потока и поля обусловлено механизмами индуцированного и собственного излучения одновременно [29, 30, 31, 32, 33, 34]. Этот факт определяет специфику и сложность задач электроники: уравнения поля и уравнения движения нужно решать совместно. Задачи электроники являются самосогласованными.
Примерами устройств на магнитотормозном излучении являются мазеры на циклотронном резонансе, действующие на нормальном (гиротроны) [35] и аномальном (МЦРАД) [6] эффектах Доплера. В гиротронах закрученный в магнитном поле поток электронов попадает в поле резонатора, где взаимодействует со стоячими волнами, для которых \>ф =оо. В
том случае, когда достигается равенство циклотронной частоты вращения
электронов и частоты электромагнитных колебаний резонатора, происходит образование сгустков и эффективное магнитотормозное излучение. В МЦРАД используется излучение потока электронных осцилляторов при скорости их движения большей скорости света в среде. Излучение сопровождается раскачкой поперечных колебаний в соответствии с аномальным эффектом Доплера [36] и отличается достаточно эффективным взаимодействием без какой-либо предварительной закрутки электронов. Устройства, использующие направленное синхротронное излучение [37] названы электронными синхротронными мазерами (ЭСМ). Использование секций ЭСМ перспективно в комбинированных устройствах, типа умножителей частоты [38, 39], в которых, по существу, реализуется процесс индуцированного резонансного рассеяния [40, 41, 42] с предварительной группировкой потока.
Примерами устройств СВЧ, работающих па переходном излучении служат клистроны в режиме ограниченных КПД [31, 43]. В клистронах в явном виде используется излучение при наведении зарядов в резонаторах, на стенках труб дрейфа, образующих зазоры взаимодействия. При повышенных КПД в выходных резонаторах или на выходных участках области взаимодействия происходит сильное торможение сгустков и преобладающим является тормозное излучение в переменном электромагнитном поле. Численная оптимизация процессов в многорезонаторных клистронах позволила выработать рекомендации по получению высоких КПД 70-90% [44, 45]. В нерелятивистских генераторах дифракционного излучения (ГДИ [46]) и релятивистских устройствах (РГДИ [47, 48]) используется
когерентное излучение зарядов, наведенных на периодических неоднородностях. Это излучение называется также излучением Парселла-Смита, впервые наблюдавших шумовую генерацию электромагнитных волн в световом диапазоне [49].
Большим классом устройств СВЧ, в которых используется механизм черенковского излучения являются ЛБВ и ЛОВ на продольном
взаимодействии "(Г-типа с периодическими электродинамическими системами [50, 31,33]. Поток электронов находится в синхронизме с одной из пространственных гармоник поля системы, что приводит к эффективному черенковскому излучению. При слабых сигналах процессы в ЛБВ и ЛОВ "0"-типа анализируются методами связанных волн и объясняются периодической и непериодической связью медленной волны пространственного заряда с волной замедляющей структуры. С этой точки зрения процессы в ЛОВ и ЛБВ "(Г-типа и соответствующих МЦРАД во многом схожи, и МЦРАД можно классифицировать как ЛОВ или ЛБВ на поперечном взаимодействии с периодической или непериодической связью медленной циклотронной волны и волны замедляющей структуры. Черепковский и МЦР механизмы излучения используются и в плазменных генераторах на сильноточных релятивистских электронных потоках [51, 52,].
В мощных устройствах СВЧ зачастую трудно выделить преобладающий тип излучения: переходное, черепковское или тормозное. Процессы легко переходят в нелинейную стадию, теоретический анализ при этом должен строиться на едином подходе. В том случае, когда процессы происходят на одной частоте или медленно меняются во времени при построении теоретического метода удобно основываться на разделении полей и токов на вихревые и потенциальные части в рамках кулоновской калибровки потенциалов [29].
1.2. Теоретические подходы к анализу взаимодействия потока и поля замедляющих систем.
1.2.1. Полевые методы, связанные с выделением «синхронных» гармоник поля.
При анализе устройств СВЧ, основанных на длительном взаимодействии электронного потока с полями периодических структур, большое распространение получили методы, связанные с разложением электромагнитного поля по модам и с выделением гармоник поля, синхронных с электронным потоком. Такой подход вначале был использован Пирсом [50] при исследовании свойств ЛБВ и ЛОВ. Он рассматривал взаимодействие потока с одной пространственной гармоникой системы. В отечественной литературе рассмотрение задачи ведется на базе более общих уравнений возбуждения волноводов и периодических структур [53, 54]. Поля в системе разлагаются по собственным волнам гладкого или периодического волновода (и пространственным гармоникам этих волн) с известными из эксперимента или теоретического анализа постоянными распространения. Записываются уравнения возбуждения этих полей, для улучшения сходимости рядов выделяется квазистатическая часть возбуждающего тока, силы пространственного заряда определяются с помощью коэффициентов депрессии. Такая методика используется при анализе взаимодействия потока и поля замедляющей системы вдали от границ полосы прозрачности. В дальнейшем в работах этого направления [14,15, 55, 56] был осуществлен принципиальный переход от вводимых в теории сопротивлений связи отдельных пространственных гармоник к комбинированным сопротивлениям связи. Большую роль в приборах СВЧ играет правильный выбор условий на входе а выходе устройства, в рамках полевого подхода этот вопрос обычно не исследуется - в теорию феноменологически вводятся коэффициенты отражения волн от входа и выхода системы. Первые попытки рассмотрения
приближенного к реальным условиям учета отражения волн от краев системы в рамках полевого подхода содержатся в упрощенной
нестационарной теории [57].
Рассмотренные полевые методы стали основой для построения нелинейных нестационарных методов исследования источников
слаборелятивистской и релятивистской электроники [58].
1.2.2. Методы, связанные с выделением резонансных объемов в электродинамической структуре.
Многие приборы СВЧ электроники основаны на взаимодействии электронных потоков с полями резонансных периодических систем, то есть электродинамических систем, в которых могут быть выделены периодически повторяющиеся резонансные области с известной структурой мод.
Теоретическое рассмотрение в этих случаях удобно вести с использованием известных, заранее определенных характеристик выделенных объемов. Наиболее последовательно это удается сделать при решении уравнений поля в рамках кулоновской калибровки потенциалов с разделением полей и токов на вихревые и потенциальные части [59, 60, 61]. Дело в том, что при таком подходе в общем случае возбуждение каждой моды резонатора происходит не конвекционным током пучка, а распределенным во всем пространстве (объеме, взаимодействия) источником - вихревым током. Следует отметить, что при рассмотрении мощных устройств СВЧ правильный выбор калибровки потенциалов помогает преодолеть трудности в анализе энергообмена потока и поля. В рамках кулоновской калибровки непосредственно запаздыващее взаимодействие зарядов не рассматривается, запаздывание входит в теорию посредством возбуждения вихревых полей. В частности, токи, наведенные на стенках волновода, удовлетворяют теореме Рамо без поправки на запаздывание [62].
В каждой ячейке резонансной электродинамической системы структура мод считается фиксированной, при введении электронного потока
изменяются лишь амплитуды и фазы мод. Такой подход позволяет рассматривать каждый отдельный резонатор как волноводный трансформатор, описываемый многополюсником, включающим электронный поток. Вся электродинамическая система представляется в виде цепочки связанных многополюсников. Чаще всею анализируются одномодовые электродинамические системы, описываемые связанными
четырехполюсниками», которые, в свою очередь, заменяются эквивалентными схемами. Методы, связанные с введением эквивалентных схем, обладают простотой и наглядностью. Элементы эквивалентных схем находятся из решения электродинамической задачи с учетом вариационных принципов [63, 64] и уточняются данными эксперимента. Введение схем без учета вариационных принципов и последовательного решения уравнений Максвелла, как показано в [63], может вести к неправильным результатам при исследовании взаимодействия потока и поля.
Интерес к методам, основанным на выделении резонансных объемов электродинамических структур проявился, в основном, в связи с необходимостью анализа работы мощных ЛБВ на связанных резонаторах [65, 66], причем, развивались как линейиые[12, 67, 68, 13, 69, 70], так и нелинейные методы анализа традиционных приборов СВЧ [71, 72, 73, 74, 75] Подход с введением эквивалентных схем наиболее удобен при сильном влиянии электронного потока на электродинамические свойства, системы (взаимодействие вблизи гршпц полосы прозрачности [12], релятивистские устройства с резонансными замедляющими структурами на сильноточных электронных потоках [5], многолучевые системы, выходные-резонаторы). Иногда используются многомерные эквивалентные схемы, связанные между собой и получаемые при выделении в электродинамической системе последовательности объемов с полем, поддающимся простому описанию [76]. Теория позволяет проводить последовательный учет «трансформации» полей на входе и выходе прибора [77].
1.2.3. Численное моделирование микроволновых источников на сверхразмерных волноводах с помощью точных электродинамических методов.
Для анализа взаимодействия электронных потоков и электромагнитных полей сверхразмерных волноводов необходимо использовать точные электродинамические методы. К таким методам можно отнести подходы, основанные на неполном методе Галеркина [78, 79, 80, 81 82, 83]. Эти методы основаны на разложении полей волновода по функциям поперечных сечений и позволяют рассматривать возбуждение как симметричных, так и несимметричных мод волноводов [84]. К достоинствам методов линейной теории, основанных на неполном методе Г&теркина, следует отнести относительно высокую скорость счета, позволяющую детально анализировать резонансные и волноведущие свойства электродинамической системы, процессы усиления и условия самовозбуждения генератора. Для анализа генераторов на сверхразмерных электродинамических структурах перспективным оказывается развитие методик, использующих приближение о медленном изменении амплитуд полей во времени. К таким подходам можно отнести, например, метод, основанный на записи обобщенных телеграфных уравнений [85], в основе которого также лежит разложение полей волновода по функциям поперечных сечений.
Современный уровень развития численного моделирования позволяет рассматривать задачи инженерного проектирования СВЧ приборов, использующих сложные электродинамические системы с учетом сложных взаимосвязей всех процессов, происходящих в этих устройствах. Для этого используются прямые методы решения краевых задач микроволновой электроники: сеточные методы, методы конечных элементов, методы интегральных уравнений [86, 87, 88, 89, 90, 91, 92]. С помощью таких методов удается получить наиболее точное решение задачи о возбуждении электромагнитных полей, однако они не всегда удобны для получения массовых результатов и проведения детального анализа физических
процессов в микроволновых источниках. Важным достоинством сеточных методов является возможность эффективного использования параллельных вычислений [89].
1.3. Мощные источники СВЧ.
1.3.1. Типичные конструкции и характеристики устройств мощной слаборелятивистской электроники СВЧ.
В качестве генераторов и усилителей в мощной традиционной электронике, в основном, используются электровакуумные приборы с электродинамическим управлением [31]. Среди устройств, использующих прямолинейные электронные потоки, наиболее распространены лампы бегущей волны, клистроны, гибридные приборы СВЧ [33]. В качестве мощных источников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов большое распространение получили гиротроны [35, 93].
К одному из наиболее многочисленных и быстроразвивающихся классов мощных электронных приборов относятся лампы с бегущей волной (ЛЕВ). По сравнению с другими устройствами они обладают целым рядом достоинств: высокое значение коэффициента усиления, широкополосность, низкий уровень собственных шумов. Наибольшее практическое применение в качестве мощных усилителей нашли ЛБВ на цепочках связанных резонаторов [94, 95] и на штыревых системах [96]. В этих приборах осуществляется взаимодействие потока и поля на частотах вблизи границы полосы прозрачности. Многосекциоиные ЛБВ . этого типа имеют расширенную рабочую полосу, высокий коэффициент усиления, малые габариты, вес, улучшенные эксплуатационные характеристики. Промежуточные секции приборов зачастую работают за пределами холодной полосы пропускания, что накладывает отпечаток на описание физики взаимодействия, влияет на выбор методик теории и эксперимента [97, 98].
С помощью ЛБВ получены значительные выходные мощности СВЧ излучения как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Наибольшая выходная мощность в импульсном режиме изменяется от 4 МВт в диапазоне 1-6 ГГц, до 200 кВт на частоте 18 ГГц, в непрерывном - от 20 кВт на частотах 1-10 ГГц, до 300 Вт на частоте 90 ГГц. При этом КПД для
импульсных и непрерывных ЛБВ может достигать 50-60% [99, 100]. Активно развиваются работы по созданию ЛБВ на цепочках связанных резонаторов с плазменным заполнением [101], в сантиметровом диапазоне длин волн получены мощности до 20 кВт при КПД -30% и полосе усиливаемых частот -30%.
Отличительными особенностями клистронов являются большая выходная мощность, высокий КПД (до 70-90%) [44, 45, 102], большое усиление. К недостаткам относятся их большие размеры, масса и узкополосность, сложность механической перестройки. Использование особенностей нелинейного группирования электронного потока, а также применение резонаторов на второй гармонике позволило расширить рабочую полосу приборов до нескольких процентов при КПД 70% [45, 103]. Теоретические исследования [104, 105] и экспериментальные результаты показывают, что наибольшие значения КПД достигаются при использовании потоков с малыми значениями первеанса. Поэтому одним из направлений при конструировании клистронов является разработка многолучевых конструкций с малым первеансом отдельных лучей для получения рекордных значений выходных параметров [ 106].
Одним из перспективных направлений СВЧ электроники является разработка гибридных приборов [94], типичными примерами являются твистроны, которые представляют собой комбинацию элементов клистрона и ЛБВ. Преимущество твистронов проявляется при больших уровнях мощности, когда необходимо достигнуть широкой рабочей полосы.
Для генерации мощного электромагнитного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн перспективными являются мазеры на циклотронном резонансе (МЦР), среди них наибольшее распространение получили гиротроны. К особенностям гиротрона относятся использование адиабатической магнетропно-иижэкторной пушки с сильной компрессией электронного потока и открытого высокоселективного квазиоптического резонатора с дифракционным выводом энергии.
Преимущество гиротронов сказывается в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн, где мощность их излучения может на два-три порядка превосходить мощность источников когерентного излучения [35]. Во многих гиротронах используется взаимодействие потока с модами шепчущей галереи, в частности, в гиротроне на моде HI5J с рабочей длиной волны 6.7 мм выходная мощность достигала 1250 кВт [107] на длине волны 3 мм при использовании взаимодействия с такой же модой была получена мощность 1100 кВт при КПД 34% [ 107, 108]. В настоящее время для формирования, нагрева и стабилизации плазмы в установках УТС разработаны мегаваттные гиротроны с частотами 70-170 ГГц и длительностью импульса от секунд до минут. На мегаваттом уровне мощности КПД гиротронов достигает 40% без рекуперации и превышает 5 0% с рекуперацией [109].
1.3.2. Типичные конструкции и достижения релятивистской электроники.
В данном разделе мы ограничимся кратким обзором работ по исследованию релятивистских устройств с прямолинейным электронным потоком. Релятивистская электроника бурно развивается в последние 30 лет в связи с возможностью использования сильноточных ускорителей, однако, первые эксперименты по генерации СВЧ излучения были неудачными и эффективность генерации не превышала \% [110]. Важной проблемой, определяющей состояние экспериментальных достижений, является формирование моноэнергетических сильноточных релятивистских электронных потоков (РЭП). Исследованию этих задач посвящено множество работ, см., например, [111, 112, 113, 114, 115, 116]. В релятивистской электронике широко используются сильноточные электронные пучки, формируемые коаксиальными диодами с магнитной изоляцией (КДМИ), использующими взрывную эмиссию электронов [117, 118, 119, 120, 121]. Параметры интенсивных электронных потоков, используемых в
релятивистских высокочастотных приборах, определяются не только инжектором, диодом с магнитной изоляцией, МО и всей системой транспортировки, включая коллектор. С помощью КДМИ могут быть получены пучки с длительностью импульса /|ШЛ~ 30-40 мксек [122].
Большая часть современных работ в области релятивистской СВЧ электроники относится к исследованию излучения электромагнитных волн СВЧ диапазона в релятивистском черенковском генераторе на гофрированном или диафрагмированном волноводе. Стремление к обеспечению одночастотного режима генерации привело к выбору достаточно малых поперечных размеров волноводов - порядка длины генерируемой волны [1, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130]. Для
повышения эффективности и мощности генерации использовался механизм резонансного возбуждения циклотронных волн в потоке. Механизм черепковского излучения в гофрированных волноводах с малыми поперечными размерами был использован для получения генерации в миллиметровом диапазоне длин волн [128] (Рлш~ 10 МВт, КПД~4% на длинах волн Ягеи=4,7 и 2,3 мм). В настоящее время основные работы в этом направлении относятся к исследованию генераторов типа ЛОВ [131, 132]. К наибольшим достижениям в этом направлении следует отнести получение на таком генераторе мощности излучения свыше 1 ГВт в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн при КПД генерации 30%. [ 127 , 132 ] и более 5 ГВт в 8-и см диапазоне [133]. Принципиальными трудностями при создании мощных генераторов с поперечными размерами порядка длины генерируемой волны является ограничение величины и длины импульса излучения, связанной с действием факторов, обусловленных напряженными условиями работы, в том числе с влиянием высокочастотного пробоя [134] и появлением плазмы в замедляющей структуре генератора [135, 136 ].
Для перехода к менее напряженным режимам (меньшим плотностям тока и плотностям мощности у стенок) актуальным становится использование сверхразмерных и открытых электродинамических систем