Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Ковалев Николай Федорович
доктор физико-математических наук, профессор Мериакри Вячеслав Вячеславович
доктор физико-математических наук, профессор Сухоруков Анатолий Петрович
Ведущая организ;
іаки
Защита состсШ * диссертационно ■ •
физики РАН (£‘§у. ..\-
‘Л
•? адной і46)
С диссертацией -Й.
библиотеке ИнСТГїуVI
Диссертация в вида разослана 12 апуеь:
, ':./У
' . і ' &
..V.
иться в
г7
Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор^Оссяис'* • -
госуДансц-„-лЯ
ВиВЛИОТЕКА.
1Ї113
Ю.В.Чу гунов
СОДЕРЖАНИЕ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. .............................. 2
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.; ............................. 8
1. ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ПРИНЦИПЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ................................ .......10
1.1. Брэгговское рассеяние волн периодическими структурами.......10
1.2. Мультипликация параксиальных пучков в волноводах............12
1.3. Синтез и реконструкция фазовых фронтов волновых пучков.. 15
1.4. Связь волн в нерегулярных волноводах.............. 19
1.5. Подобие волн в параксиальных и конфокальных системах........21
1.6. Связь ГО и волнового представлений полей в волноводе........23
2. ФОРМИРОВАНИЕ ВОЛН ВО ВНУТРЕННИХ СИСТЕМАХ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СВЧ ПРИБОРОВ.......................27
2.1. Релятивистские СВЧ приборы с брэгговскими резонаторами..27
2.2. Гиро-ЛБВ с винтовым волноводом .................... 30
2.3. Мазер на свободных электронах БОМ-БЕМ.......................36
2.4. Оптимизация структуры колебаний в открытых резонаторах..40
3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВОЛН....,........................................45
3.1. Сильная, слабая и умеренная связанности волн. Преобразователи волноводных мод .....................45
3.2. Преобразование высших волн сверхразмерных волноводов в собственные волны открытых передающих линий..........48
3.3. Синтез зеркальных антенн для преобразования параксиальных волновых пучков гиротронов .................. *..52
4: ПЕРЕДАЧА КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.....................57
\Основные типы квазиоптических линий передачи .......57
оение полей и анализ модового состава излучения ...60
вные компоненты линий передачи.. .....:...........63
Г;: м передачи и антенны для установок УТС ;:....68
................ ...........72
■Ж РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.......,; ..................74
КОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА. ;.. ^80
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение, актуальность темы диссертации
В последние десятилетия мощные источники когерентного электромагнитного излучения диапазона миллиметровых волн все шире используются в таких областях физики и техники, как исследование свойств плазмы и твердого тела, управляемый термоядерный синтез (УТС), плазмохимия, радиолокация и связь, обработка материалов. В указанном диапазоне наибольшую мощность в непрерывном режиме (сотни киловатт) и в очень длинных импульсах до десятков секунд (0.5-1 МВт) обеспечивают слаборелятивистские гиротроны [1*-4*, 6*, 55, 60] - вакуумные приборы с энергией электронов до 100 кэВ.
Гиротроны используются главным образом в системах электронно-циклотронных волн плазменных установок УТС. Основными задачами в разработке гиротронов являются: повышение мощности и КПД в непрерывном режиме до 1-1.5 МВт, исследование возможности перестройки частоты в гиротронах мегаватгного уровня мощности. Основным сдерживающим фактором для достижения этих мощностей является перегрев различных частей прибора из-за омических и дифракционных потерь. Мегаваттная мощность и диапазон миллиметровых волн обуславливают использование в гиротронах сверхразмерных электродинамических систем с характерными поперечными размерами в десятки длин волн.
Для решения отмеченных задач необходимы электродинамические системы, в которых формируются рабочие колебания высших типов, выходящее из области взаимодействия с электронами излучение преобразуется в волны с простой структурой, параметры этих волн должны быть точно измерены и эти волны должны быть эффективно введены в линии передачи (обычно длиной в десятки метров) излучения к плазменной камере. Вследствие очень большой мощности допустимые потери в отдельных элементах этой цепи электродинамических систем, как правило, ограничены уровнем в единицы процентов. Несмотря на значительные достижения в области разработки электродинамических систем для гиротронов, задача остается по-прежнему актуа-
2
льной, так как именно их характеристики во многих случаях ограничивают мощность всей системы электронно-циклотронных волн.
Использование в СВЧ приборах сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) дает возможность получения очень больших импульсных мощностей. Сильноточные РЭП использовались первоначально . для получения излучения дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, где были получены мощности в несколько гигаватт. Продвижение в более короткие волны сдерживалось нестабильностью и разбросом параметров сильноточных РЭП, несовершенством использованных в первых экспериментах электродинамических систем и недостаточным развитием теории коротковолновых релятивистских приборов. В результате эффективность генерации и, главное, степень когерентности излучения, как правило, были очень низкими. Совершенствование сильноточных инжекторов, предложения теории [5*] дали предпосылки для реализации разнообразных релятивистских приборов диапазона миллиметровых волн. Этой проблеме посвящен цикл работ [5-18]. Найденные схемы релятивистских коротковолновых приборов используются в современных разработках [например, 43*]. *
В некоторых случаях именно предложенный принцип построения электродинамической системы «дает жизнь» новому прибору. В качестве примеров отметим два прибора, находящихся еще в стадии исследования - гиро-ЛБВ с системой в виде волновода с винтовой гофрировкой, позволяющей реализовать оптимальную для усилителя дисперсию рабочей волны, и разрабатываемый в рамках международного сотрудничества широкополосный, мазер на свободных электронах с системой на основе эффекта повторения и мультипликации волновых пучков (п.2.3). В этих случаях электродинамические системы позволяют реализовать СВЧ приборы с качественно новыми свойствами.
Цели диссертационной работы
Основные цели диссертации сформулированы как - исследование и реализация новых электродинамических систем для мощных , СВЧ . приборов диапазона миллиметровых волн и качественное улучшение основных параметров приборов: мощности, КПД, полосы частот,
3
- разработка новых способов преобразования структур поля, эффективной передачи, измерения и управления параметрами излучения в сверхразмерных системах.
Научная новизна работы
1. Предложены новые электродинамические системы для мощных коротковолновых СВЧ приборов, в том числе
- система гиро-ЛБВ в виде волновода с винтовой гофрировкой, обеспечивающей оптимальную дисперсионную характеристику рабочей волны с ненулевой групповой скоростью в области малых волновых чисел;
- электродинамическую систем)' мазера на свободных электронах на основе эффектов повторения и мультипликации волновых пучков в сверхразмерных волноводах;
открытые резонаторы с синтезированными зеркалами, обладающие оптимальной структурой собственных колебаний, для гиротронов и оротронов.
Исследованы системы в виде отрезков многоволновых волноводов с периодической и квазипериодической гофрировкой:
- резонаторы релятивистских оротронов и брэгговские резонаторы для мазеров на свободных электронах;
2. Предложенные электродинамические системы позволили реализовать следующие новые СВЧ приборы: .г
- релятивистский оротрон диапазона миллиметровых волн с импульсной мощностью до 100 МВт,
- мазер на циклотронном авторезонансе с брэгговским резонатором,
- гиро-ЛБВ с рекордной (20%) полосой усиливаемых частот,,
- мазер на свободных электронах мегаваттного уровня мощности с перестройкой частоты 130-260 ГГц,
- релятивистский гиротрон с рабочими волнами ТМ типа.
3. Предложены новые методы эффективного преобразования структур полей: .
- метод преобразования волноводных волн, основанный на использовании скачкообразного характера параметров связи волн. Показано, что метод позволяет получить высокую (близкую к 100%) эффективность преобразования даже в условиях умеренной связанности волн; / : '-Ч:,- у-1.
4
- Київ+380960830922