Оглавление
Оглавление............................................................................2
Введение..............................................................................5
ГЛАВА 1 ЧЕРЕНКОВСКИЕ И ДИФРАКЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА РЕЛЯТИВИСТСКОЙ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)...........................................................................Ю
1.1 Достижении релятивистской электроники больших мощностей......................10
/. 1. 1 Классификации приборов традиционной и релятивистской электроники.......11
/. 1.2 Переход к системам, действующим на объемных волнах......................21
1.2. Явление дифракционного излучении: методы его теоретического описания и спектр областей применения.......................................................25
1.2.1. Оротроны - дифракционные устройства с плоской периодической решеткой....26
1.2.2. Использование свойств дифракционного излучения в смежных областях науки.27
1.3 Численные методы теоретического анализа устройств черенковского и дифракционного типа..............................................................28
1.3.1 Метод эквивалентных схем.................................................28
1.3.2 Методы электроники в применении к задачам дифракции. Методы поперечных сечений 30
1.3.3. Матричный многомодовый метод............................................31
1.3.4 Классические методы теории дифракции.....................................33
1.3.5 Методы интегральных уравнений............................................37
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ и ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ К ИССЛЕДОВАНИЮ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЭП С ОСЕСИММЕТРИЧНЫМИ СТРУКТУРАМИ.........................................................40
2.1 Постановка дифракционной задачи и основные определения.......................40
2.1.1. Вид и параметры осесимметричных замедляющих структур....................40
2.1.2 Особенности моделирования ДИ в структурах конечной длины. Определения дифракционного излучения для бесконечно протяженных решеток.................................41
2.2 Математическая модель задачи дифракции в приближении заданного тока.45
2.2.1 Вывод интегральных уравнений осесимметричной задачи......................46
2.2.2 Собственное поле возбуждающего потока....................................52
2.2.3 Алгоритм численного решения..............................................54
2.2.4 Пересчет полей в объеме структуры по величинам наведенных токов..........59
2.3 Программная реализация метода интегральных уравнений. Оценка сходимости метода...........................................................................60
2.3.1 Особенности численной реализации и режимов работы программы..............60
2.3.2 Оценка сходимости решения................................................62
2.3.3.Сопоставление с аналитическими данными для предельных случаев............66
2.3.4 Резонансы продольных колебательных мод при отстройке частоты вблизи 71-вида колебаний...............................................................66
2.4 Особенности численного моделирования самосогласованного взаимодействия потока и ноля (и рамках метода ИУ)........................................69
2.5. Описание матричного многомодового метода для решения слабонсстационпрной задачи.........................................................................74
2.5.1 Описание полей в нерегулярном волноводе и запись уравнений возбуждения...74
2.5.2 Модель потока и условия сшивания полей на скачке радиуса волновода.......76
2.6. Сравнение результатов метода ИУ и МММ.......................................77
Результаты н выводы к главе 2....................................................79
2
ГЛАВА 3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ РЭП,
И СМОДУЛИРОВАННОГО НА ЗАДАННОЙ ЧАСТОТЕ, В ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЕ ГОФРИРОВАННОГО ВОЛНОВОДА.............................................81
3.1. Дисперсия воли в свсрхразмерном периодическом волноводе..........81
3.2 Продольные моды колебаний электромагнитных полей в секции периодического волновода с синусоидальной гофрировкой (область частот вблизи ТС-вида колебаний) ........................................................................85
3.3 Соотношение между поверхностными и объемными полями гофрированной структуры в области частот вблизи 271-вида колебаний................93
Результаты и выводы к главе 3.........................................98
ГЛАВА 4 ИЗЛУЧЕНИЕ РЭП В ПЕРИОДИЧЕСКИХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ СИСТЕМАХ НА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ТОРОВ.........................................99
4.1 Диффракцпя на 1 торе.............................................102
4.2 Выделение областей резонансного возбуждения системы торов с ростом числа се элементов в широком диапазоне ниже частоты 27С-вида..................110
4.2.1 Моделирование траекторий пол/юных фронтов, создающих резонансные режимы излучения в открытых структурах на последовательности торов......................110
4.3 Молы колебаний электромагнитных полей в секции открытой электродинамической структуры, составленной из проводящих торов....116
4.3.1 Резонансные явления вблизи высокочастотной границы низшей полосы прозрачности (0.8<2d/\£). Возникновение продольных колебательных люд........117
4.3.2 Характерные пространственные распределения объемных полей....121
4.3.3 Объемные резонансы в области частот 271-вида.................123
4.4 Переход к квазиплоской системе...................................126
Результаты и выводы к главе 4........................................131
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ САМОСОГЛАСОВАННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА И ПОЛЯ В ОДНО- И ДВУХСЕКЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ РДГ...............................................................132
5.1 Обзор механизмов взаимодействия потока н поля в двухсекционной системе: группировка и скоростная модуляция в первой секции.................133
5.2 Продольные и объемные резонансы в замедляющей системе РДГ........136
5.2.1 Сравнение резонансно-частотных характеристик в области частот 2~-вида колебаний 136
5.2.2 Структура полей, устанавливающихся в одно- и двухсекционной структуре в режима развитой генерации.............................................142
5. 3. Условия устойчивости генерации в двухсекционном релятивистском дифракционном генераторе...........................................145
5.3.1 Развитие генерации в двухсекционной системе релятивистского дифракционного
генератора: анализ характерных реперных точек......................145
5.3. 2 Поперечные распределения полей..............................149
5. 4. Поиск оптимальных параметров РДГ. Вариация количества и длин секций, длины трубы дрейфа и периода неоднородности....................................150
5.5. Различие в условиях возбуждения ПС в режимах МВЧГ и РДГ.........154
Результаты и выводы к главе 5........................................156
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................157
ЛИТЕРАТУРА..................................................................159
3
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНА ЧЕНИЙ
Метод И У - метод интегральных уравнений
МММ — матричный многомодовый метод
СЛАУ - Система линейных алгебраических уравнений
ЛОВ — Лампа обратной волны
ЛБВ - Лампа бегущей волны
ЦСР - Цепочка связанных резонаторов
ди -Дифракционное излучение (в англоязычной литературе -
излучение Смита-Парселла)
РГДИ - Релятивистский генератор дифракционного излучения
РДГ - Релятивистский дифракционный генератор
мвдг - Многоволновой дифракционный генератор
мвгов - Многоволновой генератор объемных волн
РГГІВ — Релятивистский генератор поверхностной волны
мвчг - Многоволновой черепковский генератор
кдми - Коаксиальный диод с магнитной изоляцией
СЭУ - Сильноточный электронный ускоритель
РЭП — Релятивистский электронный поток
ЗС - Замедляющая система
РЧХ - Резонансно-частотная характеристика
Г) - диаметр сверхразмерной ЗС
X -длина волны излучения
со - частота модуляции электронного потока
с1 - период ЗС
V - скорость электронов в потоке
(3 - коэффициент замедления электронного потока
к//: - продольное волновое число
л - вид колебаний - установившееся в периодической замедляющей системе распределение поля, при котором разность фаз в соседних ячейках составляет л радиан
2я - вид колебаний - установившееся в периодической замедляющей системе распределение ноля, при котором разность фаз в соседних ячейках составляет 2л радиан
4
Введение
Представляемая работа посвящена исследованию резонансных эффектов, возникающих при возбуждении прямолинейным электронным потоком сверхразмерных периодических осесимметричных волноводов (с поперечными размерами О»А,, где X— длина волны). Особенностью исследования является изучение важного для практики диапазона частот вблизи Р0=с/с1, где с1 -период системы, с - скорость света (диапазон частот 2тг-вида колебаний).
В сильноточной электронике для получения высоких уровней мощности СВЧ излучения наибольшее распространение получили электронные приборы с длительным продольным взаимодействием потока и поля резонансной замедляющей структуры. Возникающая при повышении мощности каналируемого замедляющей системой микроволнового излучения проблема повышения вероятности высокочастотного пробоя вследствие возрастания напряженности электрического поля вблизи ее стенки наиболее успешно решается в системах с поперечными размерами, значительно превышающими, длину волны излучения, и при переходе к устройствам, действующим на объемных волнах [1,2].
В основе работы устройств релятивистской СВЧ-электроники на продольном взаимодействии (приборов О-типа) лежит использование свойств нескольких типов индивидуального излучения электронов: переходного (в коротких системах), черепковского и дифракционного (в протяженных системах). В последнем случае для более эффективной реализации коллективных процессов рекомендуется переходить к работе в резонансных режимах с использованием условий синхронизма потока и поля. При больших диаметрах условия синхронизма могут выполняться для нескольких волн. При этом результирующее взаимодействие считается многоволновым [2,3].
Для анализа многоволновых процессов в приборах на сверхразмерных структурах с длительным взаимодействием в настоящее время разработан целый ряд методов численного моделирования. Прежде всего назовем подход, основанный на методе Галеркина с использованием разложения полей в системе по известному базису функций, например, модам гладких волноводов
5
или функциям поперечных сечений. Несомненное достоинство метода возможность рассмотрения широкого круга ЗС с нерегулярным профилем поверхности, в том числе аксиально-симметричных систем, состоящих из нескольких периодических секций с дополнительными элементами оптимизации. К недостаткам таких методов следует отнести тот факт, что разложение полей ведется по конечному числу функций, что ограничивает рассмотрение взаимодействия с дискретным спектром волн. Учет непрерывности спектра волн в системах конечной длины требует решения отдельной сложной задачи построения матрицы трансформации волн на входе и выходе устройства, зачастую такие методы предполагают, что система на входе и выходе соединена с гладкими полубесконечными волноводами.
Разработка различных численных моделей для теоретического исследования многоволновых процессов в генераторах на длительном взаимодействии потока и поля в сверхразмерных периодических волноводах, в частности в одно- и двухсекционных структурах генераторов дифракционного излучения, является весьма актуальной в настоящее время, поскольку с помощью таких генераторов в сантиметровом и миллиметровом диапазоне экспериментально получены рекордные уровни мощности (порядка 10 ГВт) при значительно большей длительности импульса излучения в сравнении с другими микроволновыми приборами на длительном продольном взаимодействии [1].
Цель диссертационной работы заключается в проведении анализа многоволновых процессов в приборах на сверхразмерных структурах с продольным взаимодействием при строгом решении задачи дифракции собственного поля электронного потока на системе периодических неоднородностей. В качестве таких периодических рассеивающих поверхностей рассматриваются круглый волновод с синусоидальным гофром, волновод с неоднородностями в виде полуторов на пьедестале и открытая периодическая линия на последовательности торов. Изучение резонансных свойств таких структур (их модового состава, распределения поля в объеме пространства взаимодействия, направлений потоков энергии и т.д.) в рабочем диапазоне частот необходимо для выработки практических рекомендаций по выбору
6
оптимальных геометрических параметров замедляющей системы и положений потока для достижения максимальной эффективности генерации РГДИ.
Для выполнения указанной цели в настоящей работе развит метод численного анализа излучения собственного поля возбуждающего потока в сверхразмерныхосесимметричных электродинамических системах (втом числе в открытых системах с многосвязным профилем поверхности), основанный на использовании аппарата интегральных уравнений. Достоинство выбранного метода, в частности, в том, что он, во-первых, позволяет провести численный анализ процессов взаимодействия в о ткрытых электродинамических системах с большими распределенными потерями, в отличие методов, основанных на разложении поля в структуре по системе собственных функций. Во-вторых, что более принципиально, метод дает возможность описать взаимодействие потока не только с поверхностной волной системы, но и с объемными полями, определяющими величину и характер обратных связей в системе. По частотным зависимостям распределений поверхностных токов (приповерхностных полей), а также по их амплитудам изучаются резонансные свойства таких систем в "холодном" случае. Было проведено сравнение полученных результатов с данными матричного многомодового метода. При исследовании взаимодействия релятивистских электронных потоков (РЭП) с полями осесимметричных структур РГДИ в рабочей области частот 2 тт- в и да колебаний с помощью разработанного ранее матричного многомодового метода была рассмотрена самосогласованная задача влияния поля дифракции на первоначально промодулированный поток. По распределениям полей и уровню мощности прямого и обратного излучения в системе исследовались условия самовозбуждения РДГ.
Достоверность и обоснованность применяемой модели в закрытых системах (с профилем в виде односвязного контура) доказывает сравнение и хорошее совпадение с результатами, полученными методом поперечных сечений, а в случае открытых систем на последовательности торов (с многосвязной формой контура) в асимптотическом приближении одного тора очень большого радиуса - совпадение с данными классической модели
7
рассеяния на цилиндре (Р.Кинг, У.Тай-Цзунь [4]). Результаты для открытых систем на последовательности торов являются оригинальными.
Научная новизна диссертации состоит в том, что
• разработана методика рассмотрения задачи дифракции собственного поля электронного потока на осесимметричной системе периодических неоднородностей, описываемых односвязным или многосвязным профилем, путем сведения краевой задачи для уравнений поля в периодической замедляющей системе к интегральным уравнениям. На основе этой методики построены и программно реализованы вычислительные алгоритмы, которые при моделировании реальных осесимметричных свсрхразмерных структур достаточно большой, но конечной длины (20-5-40 периодов) используют периодичность системы, сокращая этим время численного эксперимента;
• впервые в широком диапазоне частот изучены резонансные свойства открытых осесимметричных периодических систем на последовательности торов, возбуждаемых промодулированным трубчатым электронным потоком, и обоснованы перспективы использования открытых периодических систем в релятивистских дифракционных генераторах;
• в приближении медленно меняющихся амплитуд впервые были проанализированы процессы возникновения и установления генерации в одно- и двухсекционных структурах релятивистского дифракционного генератора;
• сопоставление характера особенностей полей, устанавливающихся в секциях сверхразмсрных периодических волноводов, на частотах вблизи 2тг-вида колебаний основной аксиально-симметричной моды периодической структуры и на критической частоте ближайшей к 2тг-виду собственной объемной моды эквивалентного гладкого волновода позволило теоретически доказать, что режим совмещения двух указанных механизмов существенно улучшает значение эффективности генерации и устойчивость генерации в РГДИ.
8
Научная достоверность полученных в работе выводов определяется соответствием результатов численного анализа, проведенного с помощью разработанного метода, и результатов других численных подходов, в частности, матричного многомодового метода, а также с данными проведенных ранее экспериментов.
Материал диссертации изложен в пяти главах.
В первой главе рассматриваются успехи релятивистской СВЧ электроники, перечисляются подходы к изучению явления дифракционного излучения и существующие методы численного анализа процессов взаимодействия потока и поля в сверхразмерных замедляющих системах генераторов, работающих на объемных или на поверхностных волнах (релятивистских генераторов дифракционного излучения (РГДИ), релятивистских генераторов поверхностной волны (РГГТВ), многоволновых черепковских генераторов (МВЧГ)). Во второй главе излагается развиваемый в настоящей работе вариант метода интегральных уравнений, приводятся основные этапы вывода известного ранее матричного многомодового метода (МММ), сданными которого производится сопоставление результатов решения задачи возбуждения системы заданным током. Записаны основные уравнения методики в "холодном" случае и при переходе к самосогласованному взаимодействию потока и поля системы, проводи тся исследование сходимости численного решения, получамого методом интегральных уравнений. Приводятся также результаты сравнения, полученные двумя указанными численными методами. В третьей главе приведены результаты исследования резонансных процессов в круглых волноводах с периодической синусоидальной или ступенчатой неоднородностью вблизи п- и 2тт-вида колебаний аксиально-симметричных мод электродинамической структуры. В четвертой главе описываются результаты исследования резонансных свойства открытых систем с большими распределенными потерями, состоящих из последовательности проводящих торов. Такие системы, в частности, используются в качестве выходной секции в релятивистских генераторах дифракционного излучения (РГДИ). Материал пятой главы посвящен численному моделированию
9
многоволновых процессов самосогласованного взаимодействия потока и поля в объеме одно- и двухсекционных замедляющих структур с помощью матричного многомодового метода (МММ). В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.
Основные результаты диссертации были представлены автором лично на следующих всероссийских конференциях и школах-семинарах: V, VII, XI, XII Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах». (Красновидово, 1996, 2000гг; Звенигород, 2008г, 20Юг), VI, VIII, XII Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Красновидово, 1997г; Звенигород 2001 г, 2009г), IX, X межвузовских научных школах молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (Москва, 2008г., 2009г.); а также на международных конференциях 41st Days on Diffraction'2009 (Saint Petersburg, 2009г.) и 42nd Days on Diffraction'2010 (Saint Petersburg, 201 Or). Основные результаты представляемой к защите работы изложены в 12 тезисах и 1 расширенном докладе материалов перечисленных выше российских и международных конференций [125-136, 141], а также в 5 публикациях (статьи [137-140,142]) в рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук (согласно списку ВАК).
ГЛАВА 1 ЧЕРЕНКОВСКИЕ И ДИФРАКЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА РЕЛЯТИВИСТСКОЙ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1 Достижения релятивистской электроники больших мощностей
Устройства на прямолинейных электронных потоках, характерные для
СВЧ электроники, классифицируются по механизму индивидуальною
излучения электронов. В приборах с длительным взаимодействием наиболее
часто используется переходное, черенковское и дифракционное излучение.
Различия в условиях их формирования определяются свойствами среды и видом
препятствий, мимо которых пролетает электрон. В частности, в случае пролета
электрона вблизи периодической системы тел, отражающих или рассеивающих
ю
электромагнитные волны, излучение наведенных зарядов и токов называют дифракционным (ДИ) или излучением Смита-Парселла. Изучение его закономерностей может быть сведено к решению задачи дифракции собственного поля заряда на рассеивающих неоднородностях. ДИ можно рассматривать также как резонансное накопление полей переходного излучения от отдельных неоднородностей (накопление полей рассеяния собственного поля отдельного электрона). В результате выделяются определенные направления объемного излучения с углом, зависящим от скорости электрона и периода системы тел.
Еще один тип индивидуального излучения электронов -- излучение Вавилова-Черенкова, возникающее при равномерном движении заряда со скоростью, превышающей фазовую скорость волны в однородной среде, в частном случае в периодической электродинамической системе. При близости скорости электрона (или волны тока) к фазовой скорости одной из пространственных гармоник поля обеспечиваются условия резонансного накопления поля излучения. Для различных случаев излучения вводится понятие его длины формирования как та часть траектории движения заряда, в пределах которой разность фаз у волн, излученных с разных точек такого участка, не превышает тг[5].
Процессы излучения электромагнитных волн в мощных приборах СВЧ электроники имеют существенно коллективный и самосогласованный характер. Фазировка электронных сгустков в тормозящей фазе поля происходит под влиянием излученного поля на сами частицы, структура же этого поля определяется особенностями геометрии замедляющей системы. В некоторых случаях излучение можно рассматривать как индуцированное излучение ансамбля электронов в определенную моду структуры. Взаимодействие потока и поля моды определяется одновременно механизмами индуцированного и собственного излучения сгустков.
1.1.1 Классификация приборов традиционной и релятивистской электроники
Задача получения гигаваттных уровней мощности электромагнитного
излучения сантиметрового и миллиметрового диапазонов имеет важное научное
п
и практическое значение в таких областях, как исследования свойств материалов, нетепловое воздействие на естественные и искусственные среды различной природы в технике, биологии и медицине [6,7], связь, наносекундная радиолокация, энергетика[8,9] и многих других. Проблема повышения мощности источников и уменьшения длины волны их излучения остается одним из актуальных направлений развития сильноточной электроники [1,2,3, 10,11].
Наиболее мощные электронные приборы СВЧ работают при больших значениях ускоряющего напряжения. При создании устройств с энергией электронов 50-300 кэВ необходимо учитывать в теории релятивистские поправки - такие приборы называют слаборелятивистскими. К релятивистской электронике относят системы с энергией электронов больше 300-400 кэВ. Принято разделение релятивистской СВЧ электроники на слаборелятивистскую и релятивистскую электронику больших мощностей (в ее устройствах применяются термокатоды, которые позволяют получать плотность тока в
9 9
непрерывном режиме 300 мА/см и 2-10 А/см“ в импульсном режиме), и релятивистскую сильноточную электронику, основанную на использовании катодов со взрывной эмиссией. К слаборелятивистским устройствам с продольным взаимодействием относят пролетные и отражательные клистроны, которые характеризуются большой мощностью выходного сигнала (50 МВт в импульсном и 1 МВт в непрерывном режиме) при высоком КПД более 60%. [12, 13]
Первоначально проблему повышения мощности микроволнового излучения пытались решить с помощью классических приборов (ЛОВ, ЛБВ), увеличивая ток электронного пучка. Но увеличение силы тока при фиксированном ускоряющем напряжении ведет к увеличению уровня шумов и снижению эффективности прибора, уменьшая его КПД. Дальнейшее повышение мощности излучения ограничено провисанием потенциала потока, обусловленным влиянием постоянной составляющей пространственного заряда, а также ухудшением группирования частиц в сгустки из-за действия поля пространственною заряда электронного пучка. Эти нежелательные явления
12
могут сниматься пространственным развитием пучка, в том числе путем перехода к многолучевым потокам [12,14]. Многолучевые клистроны используются для уменьшения влияния пространственного заряда и позволяют получить большую мощность, что позволяет работать при более низких значениях напряжения. Однако формирование многолучевых электронных потоков составляет не менее трудную задачу.
При оптимизации клистронов помимо перехода к многолучевым потокам широко используется секционирование. Так, уже в двухрезонаторном клистроне характерно выделение режимов работы секций: первый резонатор является модулятором электронного потока, а во втором осуществляется отбор ВЧ энергии от пучка. Использование принципа каскадного усиления, характерного для области низких частот, привело к созданию многорезонаторного клистрона. Переход к таким системам позволил получить коэффициент усиления до 60-100(113 [13].
В ЛБВ электронный пучок находится в синхронизме с одной из пространственных гармоник ЗС. ЛБВ характеризуются высоким коэффициентом усиления (30с1В) и широкой полосой усиливаемых колебаний. К недостаткам относится возможность самовозбуждения и относительно низкие КПД. Для борьбы с самовозбуждением вводятся поглощающие вставки, тщательно согласуется нагрузка, проводится секционирование ЛБВ так, что соседние секции оказываются развязанными по полю и связаны только потоком [15]. Наибольший уровень мощности излучения (~10 МВт) для приборов традиционной электроники был получен в сантиметровом диапазоне длин воли с помощью многорезонаторных клистронов и секционированных ЛБВ на цепочках связанных резонаторов [13,16,17,18]. Взаимодействие потока и поля вблизи частот я-вида колебаний низшей аксиально-симметричной моды хорошо зарекомендовало себя в традиционной электронике, прежде всего в ЛБВ на ЦСР [19]. Рабочая полоса частот их составляет около 10% и может быть увеличена посредством расстройки резонаторов.
Перспективность секционирования приборов СВЧ электроники также прослеживается на примере гибридных приборов (твистрон), входная часть
13
которых является многорезонагорным клистроном, а выходная часть - ЛБВ, составленной из связанных резонаторов. Твистроны имеют ширину полосы частот, КПД и характеристики усиления лучше, чем клистроны и ЛБВ [19, 20, 21].
Опыт подавления паразитных колебаний в генераторных и усилительных устройствах слаборелятивистской электроники был важным результатом на пути их оптимизации. Разработка и реализация методов селекции мод определяли и определяют развитие всей высокочастотной электроники больших мощностей. Самовозбуждение паразитного вида колебания подавляется снижением добротности резонатора на этом виде колебания. Селекция выбранной моды осуществляется выбором специального вида ЗС: системы со скользящими плоскостями или винтовыми осями симметрии, введением в структуру поглощающих вставок или излучающих щелей; дополнительных ЗС, которые позволяют подавлять паразитные колебания вне полосы прозрачности -электродинамические методы селекции. В ГДИ эффективны квазиоптические методы селекции [22].
Слаборелятивистские приборы СВЧ электроники позволили получить импульсные мощности 10-100МВТ в дециметровом диапазоне, до 10 Мвт в см и до 1 МВТ в мм. Улучшения характеристик удалось достичь за счет секционирования приборов, создания гибридных устройств. Дальнейшее повышение характеристик могло быть достигнуто за счет пространственного развития потока (например, при переходе к многолучевым приборам) и при переходе к качественно иным источникам электронов - сильноточным электронным ускорителям (СЭУ).
Получившая в 70-х годах интенсивное развитие высоковольтная импульсная техника сделала возможным создание СЭУ и их использование в области управляемого термоядерного синтеза, для генерации мощного СВЧ и рентгеновского излучения [23]. Устройства сильноточной релятивистской электроники обладают значениями выходной мощности, на порядки превосходящими рабочие мощности в традиционной электронике СВЧ. В СЭУ источником электронов служит холодный катод со взрывной эмиссией.
14
Автоэмиссионные токи, возникающие под действием приложенного электрического поля, индуцируют нагрев и взрыв микроострий с образованием плазмы [23]. Среднее значение импульса тока, эмитируемого со взрывоэмиссионного катода, может достигать величины порядка 106 А/см2. Для создания приборов релятивистской электроники важной практической задачей было формирование пучков с небольшим разбросом по энергиям и малыми поперечными скоростями электронов. Этим условиям наилучшим образом удовлетворяют коаксиальные диоды с магнитной изоляцией (КДМИ) [24]. В КДМИ применение магнитного ноля улучшает характеристики потока, делая его более однородным, решает задачу вывода пучка в аксиальном направлении. Стабилизации параметров потока удается достичь оптимизацией формы катода помещением его в неоднородное магнитное поле специальной конфигурации, путем перехода к многоострийным катодам. [25] Характерная энергия электронов в сильноточном пучке составляет от 100 кэВ до 10 МэВ при токе пучка 1 кА-1 МА и длительности импульса тока 10 не-100 мкс.
Первые СЭУ были выполнениы на основе электростатического
генератора Ван-де-Граафа. Затем были созданы генераторы Аркадьева-Маркса, в которых при помощи искровых разрядников происходит быстрое
последовательное соединение нескольких емкостных накопителей, предварительно заряженных при параллельном соединении. В такой схеме формируются мощные (1 МДж), как правило, одиночные импульсы
напряжения. В качестве примера укажем параметры ускорителя «Гамма», который позволял получать ток пучка 25 кА при ускоряющем напряжении ЗМВ, длительности импульса тока 10г’ с. Другим направлением стало создание менее мощных ускорителей для работы в частотном режиме. Для зарядки накопительных линий в них используется трансформатор Тесла с разомкнутым ферромагнитным сердечником. Преимуществом такой схемы стало исключение из цепи заряда формирующей линии разрядников, имеющих ограниченную частоту срабатывания и небольшой ресурс включений. Так, импульсно-периодический ускоритель «Синус-6» [23], действующий при ускоряющем напряжении 400 кВ, обеспечивал ток пучка 8 кА, длительность импульса тока
15
- Київ+380960830922