Эффективные импульсно-периодические источники черенковского излучения на основе сильноточных электронных пучков

Эффективные импульсно-периодические источники черенковского излучения на основе сильноточных электронных пучков.
Введение....................................................... 4
1. Экспериментальная и теоретическая база для провеления исследований. Соотношения подобия для КПД и параметров электронных генераторов О-типа.
1.1. Импульсно-периодические ускорители электронов наносекундного диапазона длительностей. Вопросы согласования ускорителя и СВЧ-генератора............................................................ 15
1.2. Формирование и транспортировка сильноточною электронного пучка. Структура наносекундного трубчатого пучка............................. 22
1.3. Карсинотрон как представитель генераторов черенковского типа.
Основные уравнения и их общие свойства................................ 28
1.4. Теоретические значения КПД и оптимальных параметров генераторов О-типа в зависимости от начальной энергии электронов.................... 49
2. Элементы теории релятивистской ЛОВ. Расчёт электродинамических систем методом матриц рассеяния.
2.1. Роль высокочастотного поля пространственного заряда в карсинотроне. 74
2.2. Релятивистская ЛОВ в магнитном поле конечной величины. Решение линейной краевой задачи в условиях близости к циклотронному резонансу............................................................. 93
2.3. Применение метода матриц рассеяния для расчета электродинамических свойств замедляющих систем и элементов конструкции. Увеличение поперечных размеров замедляющей системы.............................. 101
2.4. Линейная и нелинейная модель релятивистской ЛОВ в условиях предварительной модуляции энергии частиц............................. 116
3. Экспериментальные исследования релятивистской ЛОВ.
3.1. Экспериментальные исследования традиционной схемы и ее модификаций. Реализация эффективных режимов генерации................ 126
3.2. Индуцированное рассеяние встречной волны электронным
потоком.............................................................. 142
3.3. Схема с предварительной модуляцией электронного потока............. 148
3.4.Релятивистская ЛОВ с низким магнитным полем....................... 153
4. Некоторые аспекты практического применения мощных наносекундных СВЧ-генераторов.
4.1.Использование релятивистского карсинотрона в качестве
передатчика в макете локационной станции........................... 160
4.2.Реализация периодического следования СВЧ-импульсов в режиме пакетов. Вывод излучения в виде гауссова пучка....................... 169
4.3.Испытания на ресурс взрывоэ.миссионного катода в условиях работы микроволнового генератора............................................ 181
4.4,Эксперимент по изучению эффектов воздействия наносекундных
микроволновых импульсов на некоторые биологические объекты .......... 188
2
Заключение........................................................ 194
Приложение 1. Распределение полей и потенциала в цилиндрическом
волноводе с электронным пучком конечной толщины ................ 199
Приложение 2. Варианты согласованных переходов для волны Ео\ от
замедляющих систем к круглому волноводу........................... 202
Литература............................................................ 210
3
Введение.
История вопроса и актуальность темы.
Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) возникла в начале семидесятых годов как естественное продолжение и развитие классической нерелятивистской электроники [1,2]. В это же время достаточно быстро развивалась и ускорительная техника[3,4). Появились сильноточные ускорители прямого действия, позволяющие в режиме взрывной электронной эмиссии формировать релятивистские электронные лучки (РЭП) с энергией частиц, которая сравнима и превышает энергию покоя электрона {тс2 = 511 кэВ, где т -масса покоя электрона, с - скорость света) [5,6]. Практ ические возможности для широкого применения таких пучков в релятивистской высокочастотной электронике открылись после ряда исследований и создания сильноточных ускорителей, генерировавших пучки с энергией электронов 300-1000 кэВ и токами в единицы и десятки килоампер [7-9]. Таким образом, были созданы предпосылки для создания источников когерентного электромагнитного излучения с импульсной мощностью, недосягаемой для приборов классической электроники с накаливаемыми катодами. Качественное изменение взаимосвязи энергии тс2/ и скорости частиц V (у = (1 -\21с2)ла - релятивистский фактор), приближающейся к скорости света, не могло не привести к существенному изменению поведения частиц при их взаимодействии с электромагнитными волнами [10]. Это потребовало развития новых методов расчётов, проведения экспериментов и последующего совершенствования схемных решений. Стало возможным создание принципиально новых приборов высокочастотной электроники.
Теоретическая основа для описания приборов с релятивистскими электронными пучками была заложена работами А. В. Гапонова, М. И. Петелина, В. К. Юлпатова и их коллег [10-15,120,121,157]. В одной из основополагающих работ [11] выводится закон, связывающий основные параметры генератора с прямолинейным электронным потоком и энергию используемых частиц. Эта связь, называемая ещё принципом подобия, объясняет возможность сохранения высокого коэффициента полезного действия прибора при сколь угодно высокой энергии пучка. Кроме КПД, соотношениями подобия охватываются закономерности изменения основных параметров прибора с длительной группировкой частиц - длины, расстройки синхронизма с волной и амплитуды волны. Затем принцип подобия был распространён на ещё не реализованные приборы типа убитрон со слабо искривлёнными потоками [13] и обобщён на всю область изменения энергий частиц от нерелятивистского уровня (у= 1) до ультрарслятивистского (/» 1) предела [14,15].
Теоретическое положение, что КПД приборов может быть того же порядка, как и в нерелятивистской электронике (или больше [157]), вскоре нашло свое экспериментальное подтверждение при реализации лампы обратной волны (ЛОВ) [16,17]. Эффективность преобразования используемой доли мощности электронного пучка в мощность электромагнитного излучения с длиной волны в трёхсантиметровом диапазоне достигала около 10% [16].
Карсинотрон (другое название лампы обратной волны [15]) был выбран далеко не случайно, учитывая несовершенство первых ускорителей. Действительно, в карсинотроне фазовая скорость близка, а групповая противоположна скорости электронов. Этот фактор обеспечивает распределённую обратную связь и превращает карсинотрон в грубый генератор,
4
- плавное изменение ускоряющего напряжения за время основной части импульса и соответствующее изменение скорости электронов не приводят к срыву генерации, а лишь смещают частоту генерации. С учётом релятивизма это смещение частоты может быть не слишком значительным. С другой стороны, если сравнивать карсинотрон с генераторами резонансного типа, то важным его преимуществом становится короткое время переходного процесса. Перечисленные свойства карсинотрона в полной мере были продемонстрированы в первом упомянутом эксперименте [16] и в последующих работах, например, в [18-21] при реализации импульсно-периодического режима. Хотя позднее исследованиями были охвачены многие типы приборов, основанных на черенковском и других типах индуцированного излучения электронных потоков, карсинотрон остался объектом наиболее пристального внимания исследователей. В настоящее время, уже в силу определенных достижений и большего понимания процессов, этот генератор становится в ряде случаев наиболее предпочтительным при использовании ускорителей наносекундного диапазона длительностей электронного пучка.
Кроме проблемы повышения эффективности релятивистских СВЧ-приборов, которая представляется вполне очевидной в связи с возможным их применением, перед экспериментаторами остро вставали вопросы освоения больших токов сильноточных электронных пучков. Естественно, что наибольшие трудности возникали при создании коротковолновых устройств, уже в нижней части сантиметрового диапазона длин волн. Для сохранения пространственной и временной когерентности излучения требовалось адекватно использовать известные из классической электроники методы селекции волн и активно разрабатывать новые методы и соответствующие электродинамические системы. По мере нарастания числа разработок релятивистского карсинотрона и других генераторов, отличающихся параметрами электронного пучка, появилась необходимость в уточнении универсальных соотношений подобия для приборов с длительной инерционной группировкой частиц. Действительно, с ростом КПД погрешность известных соотношений слишком велика для определения оптимальной длины, расстройки или амплитуды ноля, так как эта соотношения справедливы при ограничениях на максимальное приращение энергии частиц. В детальном анализе нуждались и такие теоретические аспекты в линейной и нелинейной краевой задаче ЛОВ, как роль высокочастотною пространственного заряда и влияние дополнительного циклотронного взаимодействия.
С появлением потребителей релятивистских СВЧ-генераторов возникла необходимость не только в повышении эффективности генерации конкретного прибора, но и в решении дополнительных задач по совершенствованию всей ею схемы. Так, при использовании импульсно-периодического микроволнового юнерагора в радиотехнической системе [22-24] для исследования возможностей наносекундной радиолокации весьма актуальной оказалась проблема снижения магнитного поля и отказа от дорогостоящей крио.магнитной техники, а также проблема повышения надёжности и долговечности всех элементов генера тора и, прежде всего, катода. Другая наметившаяся область исследовательских прикладных задач связана с использованием мощных импульснопериодических микроволновых источников для изучения эффектов воздействия сильных электромагнитных полей на электронную аппаратуру, полупроводниковые элементы и другие объекты физики твердого тела, а также в биологии и медицине. В этой связи, стало актуальным получение генерации
5
импульсов с большой частотой следования в режиме пакетов без использования сверхпроводящих соленоидов, исследование новых схемных вариантов карсинотропа для повышения эффективности и снижения магнитного поля, совершенствование электродинамических систем для формирования и вывода в атмосферу волновых пучков и рассмотрение других подобных вопросов. Решению перечисленных проблем, главным образом, и была посвящена исследовательская работа, результаты которой представляются в диссертации.
Цель диссертационной работы.
Основной целью работы являлось теоретическое и экспериментальное изучение различных аспектов функционирования релятивистского карсинотропа и возможности повышения его КПД. совершенствование методов расчёта, а также разработка и исследование новых схемных решений, которые могут удовлетворить возрастающим требованиям к параметрам СВЧ-излучения в импульсно-периодическом режиме.
Ряд конкретных решаемых задач находился в естественном русле общего развития релятивистской высокочастотной электроники. В экспериментальном плане было важным подтвердить основные выводы теории релятивистской ЛОВ, развитой в основном к концу 70-х годов усилиями Н. Ф. Ковалёва и его соавторов, - в частности, возможность повышения эффективности генерации в случае неоднородного по длине прибора импеданса связи. В то время актуальной была задача не только реализовать эффективную и стабильную генерацию в импульсно-периодическом режиме с высокой тактовой частотой повторения импульсов (более 100 Гц), но и продемонстрировать возможность применения карсинотропа в радиотехнических целях.
Логическим продолжением этих экспериментов стало дальнейшее развитие отдельных элементов теории - уточнение соотношений подобия, решение линейной краевой задачи с учетом поперечного движения электронов и наличия дополнительного циклотронного взаимодействия, изучение влияния высокочастотного пространственного заряда, исследование дополнительных методов повышения КПД, - в частности, за счёт предварительной модуляции электронов в схеме с резонансным сосредоточенным рефлектором. Перечисленные задачи составляли суть фундаментальной части проведённых теоретических и экспериментальных исследований с использованием ускорителей типа «СИНУС». Сюда же, вероятно, следует отнести исследования обнаруженного в эксперименте эффекта вынужденного рассеяния встречной волны внутри замедляющей системы ЛОВ и существования высокочастотного излучения в виде набора волн, характеризуемых доплеровскнм преобразованием частоты н наличием соответствующих резонансных колебаний в гофрированной системе.
К числу решенных в теоретическом и экспериментальном плане задач диссертации относятся исследования предложенной схемы карсинотропа с повышенным поперечным сечением замедляющей системы, - генератора с предварительной модуляцией электронного потока. Использование резонансного сосредоточенного рефлектора для отражения встречной волны, обеспечивает одновременно модуляцию частиц в области рефлектора полем с заданной осевой симметрией. В результате оказывается возможным снижение стартового тока для расчётного режима гонерации волны Ео\ по отношению к конкурентам с другим типом поперечного распре/геления поля. В исследованиях ставилась задача найти условия, в которых при сохранении селективных свойств такого генератора возможно повышение его эффективности.
6
Другой круг задач можно условно отнести к задачам прикладного характера. Например, это разработка, создание и испытания электронно-оптических систем генератора, используемою в качестве передатчика в исследовательском макете радиолокационной станции; обеспечение необходимых параметров, работоспособности и радиационной безопасности в процессе локационных экспериментов, а также выбор и испытания взрывоэмиссионного катода на ресурс работы. Нельзя не отметить, что решение подобных задач по плечу только сплочённому коллективу квалифицированных инженеров и научных сотрудников. Многие годы этот коллектив возглавляет его лидер - С. Д. Коровин. Под его руководством с начала 80-х годов были сконструированы, изготовлены и переданы Заказчикам для прикладных исследований около двадцати установок различного класса. Эти установки не повторяли одна другую и, уже в силу широкого спектра требований, от разработчиков требовалось внесение постоянных усовершенствований и новых идей. В диссертации приведены некоторые, наиболее существенные, по мнению автора, результаты, в основном касающиеся непосредственно микроволновой части схем. В результате такой деятельности в последнее время оказалось возможным развернуть эксперименты совместно со специалистами в области биологии по изучению эффектов воздействия наносекундных микроволновых импульсов на простейшие одноклеточные и многоклеточные организмы.
В диссертацию не включены результаты совместного (коллективы сотрудников И11Ф РАН и ИСЭ СО РАН) цикла исследований, в которых были реализованы ряд приборов - генераторов и усилителей в миллиметровом диапазоне длин волн, - как с прямолинейными пучками, так и с потоками осциллирующих электронов. Не упоминаются исследования убитрона, клистрона, а также проведённые при участии автора некоторые эксперименты на основе малогабаритных сильноточных наносекундных ускорителей «СИНУС» и мини-ускорителей типа «МИРА» и «РАДАН», и некоторые другие работы, вошедшие в докторские диссертации соавторов.
Научная новизна работы.
Выведены уточнённые соотношения подобия, справедливые для любой энергии частиц в приборах с длительной инерционной группировкой частиц. Независимо от уровня КПД, эти соотношения остаются справедливыми с точностью не хуже нескольких процентов для определяемых парамсгров взаимодействия частиц и синхронной волны, а также включают в себя известные асимпто тические соотношения подобия.
Проанализирована роль высоких временных гармоник и поля пространственного заряда в целом для случаев однородной и неоднородной замедляющих систем ЛОВ. Эти результаты объясняют многие закономерности, выявляемые в экспериментах.
Развита линейная теория ЛОВ с учётом поперечного взаимодействия и циклотронных волн, а также с учётом конечного пространственного заряда. Данные результаты, а также анализ структурных характеристик сильноточного пучка, в достаточной мере объясняют экспериментальные зависимости генерируемой мощности от величины внешнего магнитного ПОЛЯ.
Развитие отдельных элементов теории релятивистской ЛОВ расширило понимание многих процессов, имеющих место в генераторе, и позволило составить представление о целесообразности тех или иных последующих экспериментов. Проведены экспериментальные исследования релягивистской ЛОВ с различными типами неоднородной замедляющей системы и найдены
7
оптимальные условия, в которых эффективность генерации может составлять 30-40%. Проанализировано влияние несинхронной попутной волны на эффективность генерации ЛОВ.
Исследован спектр излучения релятивистской ЛОВ. Показано, что, как правило, для традиционной схемы ЛОВ могут автоматически обеспечиваться условия для дополнительного комбинированного взаимодействия и порождения высокочастотной составляющей в спектре излучения за счёт вынужденного рассеяния встречной волны электронным пучком. Эффект обязан существованию высокодобротных резонансных колебаний в периодической замедляющей системе релятивистской ЛОВ. Возможность подавления коротковолновой генерации появляется с увеличением поперечных размеров системы.
Обращено внимание на имеющий место в ряде экспериментов эффект ограничения длительности генерируемых импульсов при повышении мощности, начиная с некоторого уровня. Этот уровень находился в зависимости от геометрии гофр в замедляющей системе ЛОВ. Для максимальной используемой амплитуды гофр он составлял около 300 МВт, когда устойчиво воспроизводилось искажение формы импульсов с масштабом задержки порядка 5 не. Для фиксированной длительности питающего импульса избавиться от этого эффекта можно было соответствующим снижением амплитуды гофр. Эти данные позволили выдвинуть гипотезу о существовании взрывной электронной эмиссии в высокочастотном поле с напряженностью порядка Ю6 П/см и возникновении плотной плазмы.
Предложена и исследована модифицированная схема ЛОВ с повышенным поперечным сечением и резонансным сосредоточенным рефлектором вместо отрезка запредельного волновода. Теорети чески и экспериментально продемонстрирована позитивная роль предварительной модуляции электронного пучка в области рефлектора, как фактора селекции типов волн. Определены условия, при которых максимальный теоретический КПД с учётом ряда допущений может достигать около 60%. В экспериментальных исследованиях ЛОВ с резонансным рефлектором реализован КПД около 40% при сохранении высокой степени когерентности излучения. С использованием модифицированной схемы ЛОВ удалось существенно - до 25% - повысить эффективность преобразования мощности электронного пучка в мощность излучения в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн в условиях относительно низкого внешнего магнитного поля.
Практическая значимость.
Положительные результаты некоторых экспериментов открыли возможности практического использования подобных источников мощного наносекундного микроволнового излучения. Так, показана возможность использования релятивистского генератора в наносекундной радиолокации. Проведено несколько локационных экспериментов с мощностью в СВЧ-импульсах 300-500 МВт, в которых продемонстрированы изначально предполагаемые уникальные возможности наносекундной локации - высокая контрастность и разрешение отдельных детален объектов на относительно большой дальности.
Осуществление эффективной генерации в низком магнитном поле создаёт предпосылки для использования постоянных магнитов. Повышение КПД релятивистской ЛОВ в условиях низкого магнитного поля исключительно важно с точки зрения применения приборов релятивистской высокочастотной
8
электроники в прикладных задачах, в физике и других областях знаний. Продемонстрирована работоспособность взрывоэмиссионного катода в процессе длительных испытаний (100 миллионов импульсов) микроволнового генератора с частотой повторения 100 имп/с.
Развитый метод расчёта замедляющих систем карсинотрона на основе матриц рассеяния позволяет проводить полный анализ электродинамических задач и достаточно точно синтезировать геометрию, требуемую из теоретических предпосылок. Необходимость в привлечении подобного аппарата для анализа и проектирования электродинамических систем становится очевидной в условиях возрастающих требований к КПД релятивистских электронных приборов и параметрам микроволнового излучения в целом.
Апробирована методика спектральных измерений с номощыо узкополосных фильтров, в том числе квазиоптических резонаторов, имеющих собственную ширину контура, не превышающую ширины спектра излучения наносекундных микроволновых импульсов. Определён коэффициент электронной перестройки частоты излучения релятивистской ЛОВ.
Разработан и создан модифицированный вариант преобразователя типа волны на основе круглого волновода с переменной кривизной, осуществляющий преобразование волн Еъ\->Нц с эффективностью более 95% и возможностью поворота плоскости поляризации гауссова пучка на выходе без перемещения оси волнового нучка. Для целей применения мощных микроволновых источников разработана, изготовлена и апробирована вспомогательная квазиогттическая система регулирования плотности потока мощности в пространстве с динамическим диапазоном более 30 дб.
Результаты диссертации были использованы для создания ряда установок, переданных Заказчикам, а также при подготовке и проведении исследований по воздействию наносекундных микроволновых импульсов на некоторые биологические объекты. Полученные в этих экспериментах результаты могут служить основой для последующих уникальных исследований. Так, в связи с результатами по воздействию микроволновых импульсов на мух дрозофил, которое оказывается несовместимым с жизнью или воспроизведением потомства, по-видимому, в недалеком будущем будет возможна дезинсекция насекомых без ущерба продуктам сельского хозяйства, растениям, а также дорогостоящим изделиям из меха и т.п.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на различных конференциях и симпозиумах: «Релятивистская высокочастотная электроника» - 1982 г. (Горький), 1984 г. (Москва), 1987 г. (Новосибирск), 1989 г. (Свердловск); «Мощные электронные и ионные пучки» - 1988 г. (Карлсруэ), 1990 г. (Новосибирск), 1992 г. (Вашингтон), 1994 г. (Сан-Диего), 1998 г. (Хайфа), «Международная конференция по импульсной технике» - 1993 г. (Альбукерке), «Симпозиум по сильноточной электронике» - 1986 г. и 2000 г. (Томск), Международный симпозиум «Е1ЖОЕМ” - 1994 г. (Бордо), 1998 г. (Тель-Авив), 2000 г. (Эдинбург) и других.
Основные результаты диссертации опубликованы в статьях и грудах конференций: [20,21,33,46,47,70-74,81-83,98,99,134,137-147,149-151,161,175-
179,193,194,206,216-218,227]. В этом ряду публикаций можно выделить наиболее авторитетные и доступные издания, среди которых отечественные рецензируемые журналы:
9
«Журнал Технической Физики» [471 и «Письма в ЖТФ» [72,73,81,142,149,1791, «Доклады Академии Наук» [2061, «Приборы и Техника Эксперимента» [1751, «Известия ВУЗов. Радиофизика» (21,134,1511; а также зарубежные:
«IEEE Transactions On Plasma Science» (82,98,139,146,147,227J, «Int. Journal Of Electronics» [178], «Int. Journal Of Infrared and Millimeter Waves» j 177).
Часть результатов диссертации содержится в обзорных статьях специализированных выпусков «Релятивистская высокочастотная электроника» [20,46,176] и «Физика микроволн» [150,193,221), а также в журнале «Известия ВУЗов. Физика» [33,83].
Имеются авторские свидетельства (90,219,2201. В тексте есть ссылки на работы автора [19,22,23,35-37,79,80,105], которые вошли ранее в кандидатскую диссертацию [34], а также работы [45,48,63,78,89,148,160,162-164,190,222], содержание которых в результаты диссертации не включается.
Структура диссертации и краткое содержание.
Диссертация включает в себя Введение, четыре главы, Заключение и два Приложения. Каждая из глав состоит из четырёх параграфов.
В первой главе обзорный характер носят параграфы 1.1, 1.2 и 1.3, в которых дается описание экспериментальной и теоретической базы, лежащей в основе проведённых исследований. Параграф 1.1 посвящён обзору параметров используемых сильноточных ускорителей «СИНУС». Кратко характеризуется схема ускорителей и их особенности. Показано, что согласование ускорителя и СВЧ- генератора с помошыо трансформатора волновых сопротивлений в виде неоднородной передающей линии существенно повышает эффективность всего устройства [20,33]. Во втором параграфе даётся обзор результатов исследований в области формирования и транспортировки сильноточного электронного пучка во внешнем магнитном поле. В конце параграфа акцентируется внимание на тех результатах, в получении которых автор принимал непосредственное участие. Измерения прохождения тока через коллиматоры и прямое фотографирование катода подтверждают концепцию экранирования катода полем пространственного заряда электронов, стартующих с центров-лидеров. В низких магнитных нолях число эмиссионных центров на катоде снижается, и это приводит к ухудшению качества электронного пучка [20,21 ].
В параграфе 1.3 проводится сравнение карсинотрона с другими генераторами черенковского типа и даётся анализ существующей гидродинамической модели, развиваемой в следующих разделах. Показано, что именно для универсальной нормировки переменных характерно отсутствие зависимости от начальной энергии частиц в членах первого и второго порядка асимптотического приближения. В четвертом параграфе главы формулируются уточнённые соотношения подобия [151], предпосылкой для вывода которых послужил тот факт, что скорость частиц в системе отсчёта, движущейся со скоростью равной фазовой скорости синхронной волны, является нерелятивистской вблизи оптимальных режимов и в большинстве представляющих интерес случаев. Даются ограничения на максимальные значения расстройки или длины прибора, в рамках которых возрастает точность полученных функциональных связей. Из условий инвариантности фазовых траекторий, соответствующих канонической форме уравнений движения частиц, выводятся соотношения, справедливые с точностью до второго порядка метода последовательных приближений. Дана интерпретация результатов моделирования генераторов с различной продольной структурой поля, в
10
соответствии с которыми, максимальный КПД в нерелятивистском случае в 1,3-
1,4 раз выше, чем в ультрарелятивистском пределе.
Вторая глава посвящена развитию элементов теории ЛОВ. В параграфе
2.1 представлены результаты численного решения линейной и нелинейной нестационарной краевой залами с учётом поля пространственного заряда. Показано возрастание отличий инкрементов двух первых собственных решений, отличающихся продольной структурой поля. Проанализирована возможность сокращения протяжённости линейной стадии переходного процесса |99,147]. В соответствии с результатами расчётов, в случае, который можно назвать промежуточным между комптоновским и рамановским режимом излучения (<7~ 1), могут достигаться максимальные значения инкремента с последующим выходом на стационарный режим колебаний. При оптимальном параметре пространственного заряда его роль в нелинейном режиме и в случае однородной замедляющей системы может сводиться к почти двукратному повышению КПД за счёт более выгодного продольного распределения фазы высокочастотного тока, а с учётом высоких временных гармоник, - и за счёт затягивания процесса разрушения электронных сгустков. Однако обеспечить такой эффект и повысить КПД удаётся при меньших (почти в два раза) значениях параметра пространственного заряда, но сравнению со случаем, когда учитывается только первая гармоника. Выигрыш в КПД и оптимальное значение параметра пространственного заряда снижаются при использовании дополнительных приёмов повышения КПД и существовании несинхронных полей [70,134.142.143]. В условиях моделирования реального эксперимента величина а0р< уменьшается до 0,5, когда теоретический КПД может составлять 30-40% [137-1411. В конце параграфа оценивается вклад дополнительного механизма излучения, который известен как электростатический убитрон.
В параграфе 2.2 решается линейная краевая задача ЛОВ в условиях близости к циклотронному резонансу. В рамках единой нормировки параметров задачи пересмотрено решение, полученное ранее [46,161]. Показано, что процесс циклотронного поглощения электромагнитной волны весьма характерен для высокочастотной электроники, использующей сильноточные пучки. Важную роль для последующего использования результатов играет вывод о возможности ослабления эффекта циклотронного поглощения при увеличении поперечных размеров замедляющей системы [73,74].
Параграф 2.3 полностью посвящён вопросам электродинамики: расчётам замедляющих систем и элементов конструкций на основе метода матриц рассеяния, а также аналитическому и численному исследованию свойств резонансного рефлектора. Рассматриваются вопросы увеличения поперечных размеров замедляющей системы. В последнем разделе (2.4) второй главы представлены результаты теоретического исследования ЛОВ в условиях предварительной модуляции энергии частиц [73,134]. Линейная краевая задача анализируется как в случае бесконечно малого инкремента нарастания колебаний, так и в условиях экспоненциального роста амплитуды волны. Показаны весьма значительные ресурсы предложенной схемы ЛОВ с точки зрения электронной селекции волн, различающихся частотой и поперечной структурой поля. Результаты решения нелинейной задачи вблизи оптимальных условий модуляции частиц подтверждаю! аналогию с таким высокоэффективным прибором, как клистрон с распределённым взаимодействием и указывают значения оптимальных фаз модуляции.
11
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию релятивистской ЛОВ. В первых двух параграфах данной главы содержатся основные результаты экспериментов с традиционной схемой, в которой имеется отрезок запредельного волновода, а средний диаметр замедляющей системы приблизительно равен длине волны. Для повышения эффективности генератора в этих экспериментах использовалось профилирование сопротивления связи и фазовой скорости синхронной волны, а также взаимодействие частиц с несинхронной попутной волной. Как показали исследования случаев однородной замедляющей системы, существование несинхронной попутной волны требует определённых усилий, чтобы избежать снижения общего КПД прибора [98,142]. В некоторых случаях удаётся минимизировать этот эффект, обусловленный модуляцией частиц вблизи запредельного сужения в неблагоприятной фазе, и даже получить незначительный выигрыш в КПД. В исследованиях карсинотрона с длиной волны около 3 см и неоднородным сопротивлением связи реализован КПД 35% и импульсная мощность до I ГВт [46,139]. Максимальный уровень мощности когерентного излучения релятивистской ЛОВ составил 3 ГВт на длине волны 3 см в экспериментах с использованием ускорителя СИНУС-7. Выявлены наиболее важные закономерности, позволившие в импульсно-периодическом режиме совместить повышенные значения КПД карсинотрона и стабильности параметров СВЧ-излучения. Компромиссным решением в выборе неоднородной замедляющей системы с учётом снижения адаптивности генератора к изменению параметров пучка является выбор сглаженных функций от координаты с умеренным нарастанием сопротивления связи и фазовой скорости синхронной гармоники. Среднеквадратичное отклонение импульсной СВЧ- мощности и тока пучка в экспериментах могут быть сравнимы, и составлять величину порядка 1% в импульсно-периодическом режиме при КПД около 20% [47,70]. Показана возможность электронной перестройки частоты релятивистской ЛОВ: в области ускоряющих напряжений 500 кВ для перестройки центральной частоты на 1% необходимо изменять напряжение приблизительно на 20% [46,47].
В параграфе 3.2 обсуждается спектр излучения релятивистской ЛОВ. Особенностью традиционной схемы ЛОВ является существование наряду с узкой линией вблизи 10 ГГц относительно мощного коротковолнового излучения [176-179]. Сопутствующее излучение идентифицируется как вынужденное рассеяние встречной волны на электронном потоке, и обязано существованию резонансов в замедляющих системах на высоких частотах. Существенное возрастание стартовых токов вынужденного рассеяния происходит с переходом к системам с увеличенным поперечным сечением.
Параграфы 3.3 и 3.4 посвящены экспериментальному исследованию ЛОВ с повышенным поперечным сечением и сосредоточенным резонансным рефлектором [73,74.134,146]. В схеме с предварительной модуляцией электронного потока и с однородной ЗС реализован КПД 25%. КПД удаётся повысить до 40% при использовании неоднородной ЗС. Среди основных особенностей новой схемы ЛОВ - отсутствие коротковолнового сопутствующего излучения и возможность селекции волн в некотором диапазоне фаз модуляции. Повышение КПД может достигаться как в сильных магнитных полях, так и относительно низких, которые могут быть созданы постоянными магнитами. Полученные в экспериментах результаты в целом согласуются с теоретическими представлениями. В частности, центральная частота смещается приблизительно на 1% при смещении резонансного
12
рефлектора на 1 мм. Этот факт подтверждает существенную роль начальной модуляции частиц, и указывает на то, что схема генератора близка по своим свойствам к резонансной ЛОВ с относительно высокой добротностью системы.
В четвёртой главе представлены экспериментальные результаты прикладного характера. В разделе 4.1 описываются два эксперимента по использованию релятивистского генератора на основе ЛОВ в качестве передатчика в макете наносекундной локационной станции. Излагается точка зрения о перспективе и путях развития в этом направлении. Параграф 4.2 посвящен вопросам реализации периодического следования СВЧ- импульсов в режиме пакетов [193,194]. В таком режиме облегчается решение таких технических задач, как охлаждение соленоида постоянного тока и некоторых узлов ускорителя, и становится возможным реализовать частоту повторения импульсов в режиме пакетов до 103 Гц [47,83,147]. Максимальная частота повторения в этих случаях лимитируется возрастанием дисперсии амплитуд напряжения, при которых происходит пробой газа в разряднике. Рассматривается схема формирования гауссова пучка и его вывода в атмосферу. Важным ее элементом является предложенная конструкция преобразователя типа волны, позволяющая осуществлять поворот плоскости поляризации без смещения оси волнового пучка. Теоретически высокая эффективность преобразователя подтверждается результатами тестирования изготовленной электродинамической системы. Параграф 4.3 посвящён исследованиям эмиссионной способности катодов из различных материалов и длительных испытаний одного из предпочтительных вариантов на долговечность в составе микроволнового генератора [71,72,227]. Показана возможность работы катода из плотного графита и микроволнового генератора в целом на протяжении 108 импульсов. Разработанный для условий низкого магнитного поля импульснопериодический СВЧ- генератор был использован в биофизическом эксперименте, результаты которого излагаются в параграфе 4.4 [206,216-218].
В Заключении формулируются основные результаты диссертационной работы и приводятся рекомендации по использованию научных выводов.
В Приложении 1 дастся решение задачи о распределении полей и потенциала в цилиндрическом волноводе с электронным пучком конечной толщины в статическом приближении.
Приложение 2 содержит результаты исследования, посвящённого вопросам согласования замедляющих систем релятивистского карсинотрона с круглым волноводом для рабочей волны £оь
Положения, выносимые на защиту, отражают основные результаты.
1. Из условий инвариантности фазовых траекторий частиц получена схема пересчёта параметров и КПД, позволяющая без ограничений на КПД приборов О- типа распространить известное решение для одной энергии на любую энергию частиц. Применимость соотношений подобия в таком виде оправдана во всех случаях, когда нормированная длина взаимодействия с ВЧ полем больше единицы (кС > 2д>2Д)).
2. Вклад высоких временных гармоник в поле пространственного заряда в группируемом трубчатом электронном пучке приводит к снижению оптимальной величины приведённого параметра пространственного заряда примерно в 2 раза в сравнении с тем, когда учитывается только первая гармоника. Значение этого параметра уменьшается при использовании дополнительных приёмов повышения КПД карсинотрона от единицы до пуля в пределе высоких КПД. Профилирование сопротивления связи или
13
фазовой скорости волны в эксперименте позволяет реализовать КПД умеренно релятивистской ЛОВ до 40% в условиях, когда ток пучка не превышает четверти от предельного тока транспортировки.
3. Среднеквадратичное отклонение импульсной СВЧ- мощности и тока пучка в экспериментах могут быть сравнимы, и составлять величину порядка 1% в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения сотни Гц при КПД около 20%. Для электронной перестройки частоты релятивистской ЛОВ на 1% в области ускоряющих напряжений 500 кВ необходимо изменять напряжение почти на 20%.
4. Выполнение стартовых условий для вынужденного рассеяния встречной волны на релятивистских электронах внутри замедляющей системы ЛОВ обязано существованию высокодобротных колебаний на частотах, значительно превышающих рабочую частоту, и характерно для
ірадипионной схемы ЛОВ, имеющей средний диаметр замедляющей системы, примерно равный длине волны. Подобные условия не выполняются при увеличении поперечных размеров ЛОВ уже в 1,5-2 раза.
5. Ослабление роли циклотронного взаимодействия и расширение диапазона рабочих магнитных полей достигается в схеме ЛОВ с повышенными поперечными размерами системы. Модуляция частиц по энергии в области резонансного рефлектора позволяет осуществить селекцию волн,
различающихся частотой и поперечной структурой полей. В случае ЛОВ 3-х сантиметрового диапазона длин волн в низких магнитных полях, которые можно создать постоянными магнитами, реализуется КПД до 25% при импульсной мощности до 800 МВт.
6. Долговечность взрывоэмиссионного катода из плотного графита в составе релятивистского СВЧ- генератора может достигать 108 импульсов в режиме, когда при достаточной напряжённости электрического поля на кромке цилиндрического катода с тонкой стенкой возможна стабилизация времени задержки тока пучка.
7. Проведённые исследования позволили расширить круг применений
мощных импульсно-периодических микроволновых источников, в частности, провести биофизические эксперименты.
! 4
1. Экспериментальная и теоретическая база для проведения исследований. Соотношения подобия для КПД и парамегров электронных генераторов О-типа.
1.1. Импульсно-периодические ускорители электронов наносекундного диапазона длительностей. Вопросы согласования ускорителя и СВЧ-генератора.
Одновременно и сразу после первых сообщений о создании сильноточных ускорителей электронов |3,5] в ряде лабораторий развернулись исследования по разработке ускорителей с различными схемами и параметрами электронных пучков. Одним из направлений этих исследований стали работы по созданию сильноточных наносекундных ускорителей, способных работать с большой частотой следования импульсов [25-33]. Такие ускорители, безусловно, представляли значительный интерес, - не только потому, что они должны обеспечивать большое количество срабатываний, но еще в силу того, что становилось возможным расширить практическое внедрение новых результатов и технологий.
Несмотря на разнообразие форм исполнения, в основе создания каждого импульсного ускорителя лежит общий принцип относительно медленного накопления энергии и затем её быстрого выделения в виде энергии потока заряженных частиц. Реализуется этот принцип с помощью различных зарядных устройств. Авторами работы [25] была предложена оригинальная и компактная схема, в которой в качестве зарядного устройства используется трансформатор Тесла с большим коэффициентом связи между контурами, а сам трансформатор с разомкнутым магнитопроводом находится внутри корпуса формирующей линии. В отличие от традиционной схемы построения ускорителя, как правило, на основе генераторов Маркса, в данном случае из цепи зарядки ёмкости формирующей линии (в общем случае - накопителя энергии) удавалось исключить большое количество искровых разрядников, лимитирующих стабильность и частоту следования импульсов. Использование одного высоковольтного газового коммутатора, совмещение трансформатора и формирующей линии, а также применение в первичной цепи полупроводниковых ключей - тиристоров. - появившихся в 80-е годы, обеспечивало простоту и надёжность схемы. Эти и последующие работы |28-32], проведенные в ИСЭ СО РАН, привели к созданию серии ускорителей под общим названием «СИНУС» с энергозапасом 1-5000 Дж, энергией электронов 0,2-2 МэВ при длительности импульсов 4-40 не и средней мощности в электронном пучке до 100 кВт.
Рассмотрим основные особенности и возможности ускорителей типа «СИНУС» в качестве источников питания вакуумного диода, в котором формируется электронный пучок необходимый для генерации электромагнитных импульсов. Как видно из упрощённой конструктивной схемы (рис. 1), формирующая линия представляет собой длинную одиночную коаксиальную линию с масляной изоляцией, которая в процессе заряда выполняет функцию емкостного накопителя энергии. Трансформатор Тесла имеет, как правило, высокий коэффициент трансформации - единицы тысяч - и размещён в межэлектродном зазоре коаксиала так, что многовитковая вторичная катушка (обычно в виде конуса) обеспечивает гальванический
15
Формирующая линия Высоковольтный Передающая Вакуумный
с трансформатором Тесла газовый разрядник линия р/лоа
к источнику питания к источнику питания
ускорителя тригзтронэ
Рис. 1. Конструктивная схема ускорителя серии «СИНУС».
контакт с центральным электродом формирующей линии. Высоковольтный газовый разрядник (на рисунке изображён управляемый тригатронный разрядник) в результате наносекундной коммутации обеспечивает распространение в передающую линию ТЕМ волны высокого напряжения. Длительность формируемого импульса полностью определяется длиной формирующей линии - 1(: т = 2 1^а/с, где с - скорость света в вакууме, £ -диэлектрическая проницаемость изоляции (для трансформаторного масла £ =2,3). Длительность зарядки формирующей линии зависит от ее емкости и времени пробега электромагнитной волны по виткам вторичной обмотки трансформатора и в действующих ускорителях лежит в диапазоне от единиц до нескольких десятков микросекунд. Выбор трансформаторного масла в качестве изоляции был не случаен и подтверждён практикой. Конструктивно корпус формирующей линии и высоковольтного разрядиика выполняются так, что масло находится под тем же избыточным давлением = 10-20 Ати, как и газ (азот) в разряднике. Это обстоятельство способствует повышению электропрочности масла до уровня напряжённости порядка 200-300 кВ/см и выше для импульсов длительностью 10^ -10'5 с, что, вероятно связано с растворением и снижением концентрации пузырьков газа. С другой стороны, трансформаторное масло обладает низкими потерями на высоких частотах, что позволяет получать наносекундные (и менее) длительности фронтов, а также имеет способность к частичному восстановлению после локальных импульсных пробоев. В этой связи достаточно убедительным становится сравнение авторов работы [29] удельной мощности формирующей линии и электрических машин -трансформаторов и электродвигателей. Несмотря на относительно невысокую энергоёмкость масляной изоляции = 2 Дж/кг при напряженности поля 200 кВ/см удельные мощности сопоставимы уже при частоте повторения импульсов г 50 Гц. Вместе с тем, налюгие неоднородностей в формирующей линии, особенно на краях вторичной катушки трансформатора, вынуждают к некоторому снижению средней напряжённости электрического поля на центральном проводнике линии. В действующих ускорителях с высоким ресурсом работы (более 106 импульсов) это значение составляет обычно 120-140 кВ/см [29,31].
16
Если поперечное сечение ферромагнитного сердечника достаточно в каждом конкретном случае, то коэффициент связи между контурами высоковольтною трансформатора определяется только геометрией системы. Гак, в случае, когда длина формирующей линии существенно больше её внешнего радиуса (/*2), коэффициент связи может быть близок к единице [29,30]. Величина коэффициента связи в действующих ускорителях обычно 0,85-0,95. Это позволяет осуществить зарядку формирующей линии ускорителя на первой полуволне зарядного напряжения с достаточно высоким энергетическим КПД. Например [33], если обеспечить выполнение условия /г > 4/*2 и близости собственных частот первичного и вторичного контуров трансформатора, а также пренебречь потерями в магнитопроводе, то величина магнитного КПД может превышать 80%. Для оценки полного КПД трансформатора необходимо учесть активные потери в проводниках. Доля этих потерь обычно не велика и в реальных условиях КПД снижается на 5-15%.
Важным элементом схемы, обеспечивающим стабильную работу ускорителя в импульсно-периодическом режиме, является высоковольтный коммутатор. Газовый разрядник под давлением имеет несомненные преимущества в сравнении с другими известными типами высоковольтных коммутаторов, благодаря относительно небольшому времени релаксации и возможности оперативного удаления из разрядного промежутка продуктов горения искры. Как показали исследования ]28,32], в импульсно-периодическом режиме ускорителя в межэлектродном промежутке разрядника появляется область газа с пониженной электрической прочностью, которая перемещается в результате конвекции. В обычных условиях, если не предпринимать ни каких мер, это приводит к существенной дестабилизации уровня напряжения формируемых импульсов. Для устранения этого эффекта в ускорителях «СИНУС» используется принудительная замена газа между электродами. В соответствии с работой [28], оптимальная скорость движения газа должна быть такой, чтобы основная часть газа в межэлектродном пространстве успевала за время между импульсами сместиться на расстояние порядка радиуса электродов. В этом случае относительное среднеквадратичное отклонение амплитуд напряжения в импульсах обычно близко к 1% и сохраняется с ростом частоты следования импульсов вплоть до значений порядка 500 Гц при соответствующей коррекции скорости движения газа [31]. При максимальной частоте следования импульсов, которую позволял источник питания ускорителя в этом эксперименте, - 1000 Гц - стабильность работы двухэлектродного разрядника заметно ухудшалась. Использование тригатронного разрядника, работающего в режиме искажения поля, позволяет при сохранении того же уровня стабильности обеспечить оперативное управление напряжением срабатывания высоковольтного коммутатора. Высоковольтная часть тригатронного генератора расположена во внутреннем проводнике передающей линии и имеет магнитную связь с низковольтной частью генератора, размещаемой вне передающей линии. Численная и экспериментальная оптимизация геометрии электродов позволяет обеспечить весьма широкий диапазон управления разрядником: (0,2-1) £/тах , где [/щах - напряжение самопробоя газового разрядника, при относительно низком уровне управляющего напряжения = 0,05 £Утах [32,33]. Опыт исследований высоковольтных газовых разрядников показывает, что доля активных потерь в искре не превышает, как правило, единицы процентов от коммутируемой энергии и снижается с ростом давления газа при фиксированном напряжении пробоя (за счёт уменьшения межэлектродного промежутка) [45,46].
17
Для гого чтобы сохранить высокий энергетический КПД ускорителя в целом, необходимо предусмотреть и минимизировать влияние ряда других, кроме рассмотренных выше факторов. Если ограничиться случаем коммутации в моменты времени вблизи максимума полуволны зарядного напряжения (1/у -соответствующее значение потенциала) и пренебречь активными потерями в высоковольтном разряднике, то наиболее существенными, как правило, остаются потери на отражения набегающей на вакуумный диод волны и последующего затухания отраженных импульсов.
Вопрос о согласовании ускорителя и вакуумного диода имеет главным образом три аспекта, в соответствии с выбором волнового сопротивления формирующей линии (ДР), импеданса вакуумного диода (£<(), а также параметров и типа согласующего устройства, если таковое имеется. Процедура оптимизации с точки зрения максимизации КПД передачи энергии из формирующей линии в электронный пучок была бы относительно проста, если бы пучок рассматривался как конечный «продукт», например для технолог ических целей. В нашем же случае, представляет интерес проследить всю цепочку передачи энергии в электромагнитный импульс, не затрагивая подробно вопросы эффективности генерации, а опираясь на обширный экспериментальный материал.
Рассмотрим вначале случай отсутствия согласующих устройств. Именно он был реализован в первых ускорителях серии СИНУС, когда вакуумный диод и разрядник отделялись лишь коротким участком, занятым изоляторами. При условии К у = /?<ь к катоду приходит импульс с амплитудой 1)^ = и у/2 и практически вся энергия переходит в энергию электронного потока. В большинстве экспериментов имело место рассогласование диода в сторону холостого хода. В этом случае амплитуда напряжения в диоде и ток пучка могут быть с достаточной точностью определены соотношениями
При этом чаегь мощности отражается и, если не считаться с активными потерями в линии и в искре, возвращается к диоду с тем же знаком напряжения и задержкой, которая соответствует времени двойного пробег а сигнала от начала формирующей линии до диода. В рассматриваемом приближении не существенно зависит от времени) амплитуды последующих импульсов в диоде [6]:
где п = 2,3,... . Наличие большого количества импульсов в случае /?и » К\ обычно не имеет принципиального значения для экспериментов, однако в условиях практического использования микроволнового генератора может быть нежелательным из-за возможности самовозбуждения сдвинутых по частоте колебаний в последующих импульсах. Однако необходимость использования высокого импеданса диода обусловлена влиянием квазистатического и высокочастотного поля пространственного заряда в пучке. Так, кинетическая энергия электронов в тонкостенном трубчатом пучке с радиусом гь при движении в канале дрейфа или замедляющей системе с радиусом г0 может быть записана в виде е{1)л - (рь), где е - заряд электрона, (рь - потенциал пучка
(1.2)
18
относительно металлические стенок канала. В условиях соосности пучка и канала справедлива связь [34,46] (см. также Приложение I):
Фь = ^ Ь 4 Ръ> Рь = а * {^М) (1 -3)
Р п
Здесь р - продольная скорость электронов. Максимальная мощность, которая может быть выделена в нагрузке при «идеальном» согласовании, есть (Л-2/( 4/?,.). Потери на преобразование энергии обусловлены как отсутствием согласования, так и существованием потенциальной энергии частиц относительно стенок в канале транспортировки. Если учесть провисание потенциала пучка, имея в виду мощность, которая соответствует кинетической энергии частиц, получаем выражение для доли мощности, переносимой пучком в основном импульсе:
_4Л,(Л,-А)
(Я, + «Л
Максимум х, как функции от Ял соответствует значению Ял = Я? + 2рь. Величина рь может быть малой лишь в асимптотическом пределе гь -> то, однако, наличие нерегулярностей в канале (гофры в замедляющей системе), погрешности юстировки и прочие условия реального эксперимента приводят к тому, что обычно рь = 15-25 Ом. Приведенные рассуждения не являются
исчерпывающими, а полученное значение импеданса диода не следует рассматривать как оптимальное, пока учтён только квазистатический потенциал пучка. Поскольку в процессе взаимодействия с электромагнитной волной электроны группируются в сгустки, роль сил пространственного заряда (уже высокочастотных составляющих) возрастает, и эти эффекты рассматриваются в главе 2. Здесь обратимся к экспериментальным данным. Так, в работах [34.46-48] эффективность карсинотрона (как и ряда других генераторов с сильноточным электронным пучком [35-37]) максимальна при относительно высоких значениях Яд0*1 =120-160 Ом в диапазоне ускоряющих напряжений = 400-600 кВ. В экспериментах других авторов (например, в [16,17.38-41]), как правило, не решалась задача использования полного тока в диоде для генерации трехсантиметрового излучения карсинотроном, благодаря применению двойных катодов. В этих случаях эффективный импеданс, рассчитанный с учётом рабочего тока пучка (Ц*/Л). был также относительно высок. Оптимальный в смысле наибольшей эффективности генератора импеданс диода ещё более возрастает при снижении ускоряющего напряжения. Например, в работах [42,43] /?/р‘ > 300 Ом для О'а < 240 кВ. То есть, общим во всех или большинстве этих экспериментов было то обстоятельство, что при попытках увеличения тока пучка, начиная с некоторых значений, происходило резкое снижение КПД генерации.
Теперь, полагая величину На заданной, найдем оптимальное волновое сопротивление формирующей линии. Для этого практически интересным является случай, проиллюстрированный в работе [33], когда фиксируется напряжённость электрического поля на центральном проводнике (Ец) и внешний радиус (гг) формирующей линии. Тогда, свободный параметр задачи - радиус центрального проводника - г\. Если ввести безразмерный параметр у = 1п(гг! г 1), то Я\- = ро*у, где ро = 60/си2, и выполняется связь:
и,,=Е0г2уеу (1.5)
19
Отсюда, в частности следует известный результат, что значение Ц максимально при у = 1 и /?р = ро = 40 Ом (для £ ^2,3). Однако нас интересует напряжение на катоде. В соответствии с (1.1), максимум значения Ці достигается при условии:
\1/2
2р,
1 +
4А>
**/
-1
(1.6)
Например, если Rà = 130 Ом, получаем /?Fopl = 32 Ом, 11л s 0,80£ф и с помощью (1.4) находим эффективность согласования х = 0,634(1 - рь / /?d).
Для увеличения эффективности передачи накопленной энергии в энергию электронного пучка можно использовать различные согласующие устройства [44]. Простейшим примером является отрезок однородной линии с длиной, которая близка к длине формирующей линии и имеет волновое сопротивление (/?j/?i),/2. К примеру, такая линия при На = 130 Ом и Rv в 32 Ом может обеспечить Ці S 0.89Ц? и эффективность передачи энергии Х\- - 9,79. При отсутствии ограничений на длину всей установки можег оказаться целесообразным применение нескольких однородных отрезков линий. Закон изменения их волновых сопротивлений и выражение для эффективности передачи энергии выписаны в работах [33,46]. Несколько больший КПД передачи энергии при гой же длине дает адиабатический трансформатор волновых сопротивлений на основе длинной экспоненциальной линии. Если ввести параметры: - время двойного пробега сигнала. и /?ûui - волновые
сопротивления на входе и выходе линии, то важной её характеристикой, как согласующего устройства, может служить малый параметр г = (г/г(. )1п2{рш/рт). Выполнение условия v<< 1 обеспечивает высокий КПД передачи энергии: Xi. = l-r/8 и незначительные распределённые отражения, проявляющиеся в спаде плоской части импульса напряжения на катоде: AU1U в гУ4. В частности, такая передающая линия (tlS Зг, v ~ 0,25) была апробирована в составе ускорителя СИНУС-5 [20,29], изготовленного для проведения локационных экспериментов. Относительный уровень амплитуды второго импульса на катоде не превышал несколько процентов. Подобные и комбинированные (с небольшими перепадами волнового сопротивления по длине) линии использовались и в ряде других ускорителей [45-48]. Передающие линии заполнялись трансформаторным маслом, электрическая прочность которого в наносскуидном диапазоне длительностей многократно повышается в сравнении со статическим напряжением и импульсами микросекундной и выше длительностью. Этот эффект, заметно проявляющийся уже на временах ~10‘6с, характерен для различных типов электрической изоляции [4,6] и используется в высоковольтной импульсной технике, например, для создания миниатюрных ускорителей и ряда высоковольтных устройств 142,45]. Поэтому можно выбирать такие размеры проводников в неоднородных передающих линиях, которым соответствует весьма высокая напряжённость электрического ноля -106 В/см при прохождении наносекундных импульсов. В процессе эксплуатации не было замечено каких-либо пробойных явлений. А небольшие внешние габариты давали возможность конструктивного исполнения линии с поворотами на различный угол в одной или в нескольких плоскостях. Вместе с тем сокращение поперечных размеров передающей линии, содержащей неоднородности, является важным фактором для ограничения трансформации основной волны ТЕМ в волны высшего типа. Это особенно важно при передаче в линии импульсов с относительно коротким фронтом. Действительно, как известно
20