Мощные мазеры на свободных электронах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................... 4
ГЛАВА 1. МСЭ-ГЕНЕРЛТОРЫ С ОДНОМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ............................................... 34
1.1. Особенности электронно-волнового взаимодействия в
МСЭ с ведущим магнитным полем................................. 34
1.2. Динамика МСЭ с одномерной распределенной
обратной связью............................................... 62
а) одночастотные и многочастотных режимы генерации в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов.................... 71
б) режим стартовой моды...................................... 77
в) эффект расщепления рабочей моды в сверхразмерном брэгговском резонаторе со скачком фазы гофрировки............ 81
1.3. Экспериментальные исследования 30-ГГц МСЭ-генератора
с одномерной распределенной обратной связью................... 90
а) сравнение режимов работы МСЭ с прямым и обратным
ведущим магнитным полем.................................... 92
б) экспериментальное наблюдение конкуренции продольных мод
в МСЭ с двухзеркапьным брэгговским резонатором............. 97
в) высокоэффективный МСЭ на основе резонатора
со скачком фазы гофрировки................................. 102
г) механическая перестройка частоты излучения в МСЭ-генераторе с брэгговским резонатором..................... 107
д) исследование группировки частиц в МСЭ....................... 108
е) эффект расщепления мод в МСЭ
со сверхразмерным брэгговским резонатором................... 112
1.4. Использование ОИЯИ-ИПФ МСЭ-генератора для исследования теплового ресурса меди................................... 116
1.5. Продвижение МСЭ в коротковолновые диапазоны на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих
связь бегущих и квазикритических мод.......................... 133
-2-
ГЛАВА 2. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПЛАНАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ........................... 148
2.1. Модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волн
на планарной двумерной брэгговской структуре.................. 149
2.2. Электродинамические свойства двумерных брэгговских
резонаторов планарной геометрии.............................. 156
2.3. «Холодные» измерения двумерных брэгговских
резонаторов планарной геометрии............................... 169
2.4. Пространственная синхронизация излучения в планарных МСЭ
с двумерной раснрсдслснной обратной связью................... 179
а) МСЭ с односскционным двумерным брэгговским резонатором 179
б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал.................. 187
в) многопучковый планарный МСЭ-генератор...................... 196
2.5. Экспериментальное исследование 75-ГГц МСЭ с ленточным релятивистским электронным пучком и двумерной
распределенной обратной связью................................ 204
а) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с
двумерными брэгговскими отражателями....................... 205
б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал................... 213
ГЛАВА 3. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ КОАКСИАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ....................... 225
3.1. Модель и основные уравнения, описывающие двумерный брэгговский резонатор коаксиальной геометрии....................... 225
3.2. Особенности спектра мод двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии............................................. 229
а) дисперсионные характеристики нормальных волн двоякопериодически гофрированных коаксиальных волноводов.... 229
б) селекция мод в двумерных брэгговских резонаторах коаксиальной геометрии........................................ 233
3.3. Динамика коаксиальных МСЭ-генсраторов с двумерной распределенной обратной связью..................................... 241
а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором 244
б) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с двумя
двумерными брэгговскими отражателями....................... 251
в) коаксиальный МСЭ с комбинированным резонатором,
состоящим из одномерного и двумерного брэгговских зеркал 259
3.4. Экспериментальное исследование 37-ГГц МСЭ с трубчатым релятивистским электронным пучком
и двумерной распределенной обратной связью.................... 264
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................. 284
ЛИТЕРАТУРА.............................................................. 287
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
297
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. Создание мощных импульсных источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения является актуальной задачей электроники больших мощностей. Потребность в таких источниках обусловлена рядом фундаментальных задач и практических приложений, включая физику плазмы и твердого тела, фотохимию, биофизику, спектроскопию, визуализацию скрытых объектов, исследование свойств различных сред и синтез новых материалов, исследование свойств атмосферы, ускорительные приложения и т.д.
В настоящее время наибольшая мощность излучения получена с помощью гиротронов [1,2], которые при использовании субрелятивистских (до 100 кэВ) электронных пучков позволили освоить миллиметровый диапазон на мегаваттом уровне мощности [3 - 6] и продвинуться в субмиллиметровый диапазон с мощностью в десятки киловатт [7,8]. Перспективными источниками, способными обеспечить в указанных диапазонах узкополосное излучение с мультимегаваттным (~ 10 - 10' МВт) уровнем мощности, являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [9-14]. Принцип работы ЛСЭ (МСЭ) основан на вынужденном ондуля горном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле) релятивистских электронных пучков (РЭП) в условиях доплеровского преобразования частоты [15 - 20]. Это позволяет получать излучения на частотах, существенно превосходящих частоту колебаний частиц. Таким образом, по частоте излучения ЛСЭ занимают довольно обширную область от рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного [21-40] до терагерцового диапазонов [41-52], а МСЭ -субмиллиметровый, миллиметровый и сантиметровый диапазоны [53 - 82].
Для достижения больших импульсных мощностей в микроволновом диапазоне при запитке МСЭ используются сильноточные (-0.1 - ЮкА) РЭИ с умеренной энергией частиц (- 0.5 - 1.5 МэВ). Формируются эти пучки либо ускорителями прямого действия, либо линейными индукционными ускорителями. Мощность таких пучков достигает - 0.1 - 10 Г'Вт, а фокусировка и транспортировка в области взаимодействия, как правило, осуществляется ведущим магнитным полем. Проведенные теоретические [83 - 102, 1А - 8А] и экспериментальные [61 - 78, 9А - 17А] исследования показали, что наличие этого поля существенно влияет как на процесс формирования винтовых РЭП, так и на работу МСЭ.
Среди основных конкурентов МСЭ, также использующих догтлеровское преобразование частоты, следует упомянуть мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) - генераторы, основанные на циклотронном излучении магнитонаправляемых РЭП [62, 103 - 106]. Достаточно продолжительное время оба этих прибора являлись объектом интенсивных экспериментальных исследований. Однако, как было установлено в результате этих исследований [69 - 72, 10А, 11 А], а затем подтверждено численным моделированием [8А], МСЭ с ведущим магнитным нолем обладают значительно меньшей критичностью к разбросу параметров по сравнению с МЦАР и, таким образом, преимущественны с точки зрения получения большей эффективности и мощности излучения.
Традиционными электродинамическими системами МСЭ-генераторов r настоящее время стали брэгговские резонаторы, выполненные в виде отрезков волноводов со слабой однопериодической гофрировкой стенок («одномерные» брэгговские резонаторы) [62,107-110]. В традиционном варианте одномерной распределенной обратной связи (РОС), как и в предшествующих оптических аналогах 1111, 112], имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн, обладающих значительной групповой скоростью. Достоинством брэгговских резонаторов является совместимость с системами транспортировки сильноточных РЭП и селективность обратной связи, которая имеет место только в узком частотном интервале вблизи брэгговской частоты. Использование брэгговских резонаторов позволило успешно реализовать узкополосные МСЭ [61, 62, 74 - 78, 9А - I7A] и МЦАР [105, 106] генераторы в длинноволновой части мм-диапазона. Одним из наиболее законченных проектов в указанном классе приборов является разработанный в совместных экспериментах ОИЯИ (Дубна) и ИПФ РАН 30-1 Гц МСЭ-гснератор [10А, 11А]. Достигнутый уникальный набор параметров излучения (мощность, длительность, стабильность одномодового режима) позволил использовать указанный генератор в ряде физических и инженерных приложений [44А, 45А].
Однако во всех перечисленных экспериментах поперечные размеры брэгговских резонаторов, реализующих одномерную РОС, составляли не более нескольких (1-2) длин волн излучения, а генерируемая мощность не превышала десятков мегаватт. Дальнейшее увеличение поперечных размеров таких электродинамических систем сопряжено с потерей их селективности. Вместе с тем увеличение мощности СВЧ генераторов требует перехода к существенно более сверхразмерным электродинамическим системам.
Одним из возможных путей увеличения мощности выходного излучения МСЭ при сохранении средней плотности мощности может быть развитие пространства взаимодействия вдоль одной из поперечной координат и использование сильноточных ГОП ленточной и трубчатой конфигурации. В настоящий момент реализованы подобные пучки с характерными поперечными размерами до 102 см и запасом энергии
- 102 - 103 кДж [113-116]. Очевидно, что для микроволнового диапазона ширина этих пучков на несколько порядков превосходит длину волны, и при создании генераторов на основе подобных пучков на первый план выступает проблема обеспечения режима одномодовой генерации в условии существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.
В электронике СВЧ накоплен достаточно большой опыт эффективного решения проблемы электродинамической и электронной селекции мод [117-121]. Одним из наиболее успешных решений явилось использование квазиоптических резонаторов в виде отрезков слабонерегулярных волноводов, в которых электронный поток возбуждает моды на квазикритическнх частотах. Такой метод селекции широко применяется в гиротронах [1,2] и оротронах [122, 123] и позволяет использовать в этих приборах существенно свсрхразмсрныс электродинамические системы. Так в современных мощных гиротронах одномодовая генерация реализована при диаметре резонатора, составляющем до 20-30 длин волн [3-6]. Однако в МСЭ и ЛСЭ, работающих на быстрых, распространяющихся вдоль электронного потока, волнах, эти методы селекции не применимы.
Эффективная селекция мод в МСЭ с поперечно-развитым пространством взаимодействия может быть достигнута путем использования двумерной распределенной обратной связи, реализуемой с помощью так называемых «двумерных» брэгговских резонаторов [65А, 66А]. Эти резонаторы представляют собой отрезки планарных или коаксиальных волноводов с двоякопериодической гофрировкой. На такой гофрировке оказываются связанными четыре парциальные волны, две из которых распространяются вдоль поступательного движения электронов и во встречном направлении (подобно традиционным брэгговским резонаторам [107-112]), а две другие
- в поперечном (азимутальном) направлении. Включение в цепь обратной связи поперечно-распространяющихся волновых потоков позволяет обеспечить эффективную селекцию мод по поперечному (азимутальному) индексу (по «широкой» поперечной координате) и пространственную когерентность излучения просгранственно-развитых РЭП ленточной или трубчатой геометрии. Одновременно, параллельные электронному
потоку пластины двумерного резонатора, как и их одномерные аналоги, позволяют осуществить устойчивую транспортировку сильноточных РЭП в ведущем продольном магнитном поле. Согласно результатам моделирования, в МСЭ планарной и коаксиальной геометрии с двумерной РОС при оптимальных условиях возможно обеспечение стабильного режима одномодовой генерации при поперечных размерах системы, достигающих 102-103 длин волн [78А - 82Л. 109А-112А].
Работоспособность нового механизма обратной связи в миллиметровом диапазоне подтверждена экспериментально в совместных экспериментах ИГ1Ф РАН, ИЯФ СО РАН (Новосибирск), Стратклайдского университета (г.Глазго, Великобритания) и Исследовательского центра Карлсруе (Германия) для обеих упомянутых выше геометрий при сверхразмености систем до 25 длин волн [98А - 100А, 118А].
Следует отмстить, что в последние годы значительный интерес проявляется к исследованию так называемых фотонных кристаллов [124, 125], представляющих собой диэлектрические структуры с двумерной или трехмерной периодичностью. Для фотонных кристаллов характерна глубокая модуляция диэлектрической проницаемости, в результате которой в подобных структурах возникают зоны непрозрачности при произвольном направлении распространения волны (которые аналогичны запрещенным зонам в твердом теле). В таких условиях введение дефектов периодичности приводит к появлению локализованных вблизи дефекта собственных мод, частоты которых лежат внутри зоны непрозрачности. Отличительной особенностью двумерных брэгговских структур является малая вариация параметров (глубина гофра или модуляция диэлектрической проницаемости). При этом глобальной запрещенной зоны не образуются (указанные структуры прозрачны при всех углах падения внешней волны, за исключением лежащих вблизи направления распространения четырех парциальных волн), однако высокодобротные моды в окрестности брэгговской частоты возникают в отсутствие дефектов периодичности [75А, 76А]. При этом наряду с высокой селективностью важным достоинством двумерных брэгговских структур является пространственная структура фундаментальной моды, которая достаточно равномерно распределена по объему, а не сосредоточена вблизи дефекта. Эта обстоятельство позволяет обеспечить эффективное взаимодействие с пространственно-развитыми активными средами, включая электронные пучки ленточной и трубчатой геометрии.
В то же время, задача укорочения длины волны излучения требует развития пространства взаимодействия и по второй («узкой») поперечной координате. Данная
проблема может быть решена на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь квазикритических и распространяющихся мод [47А, 48А]. В этой схеме МСЭ электронный поток в условиях большого доплеровского преобразования частоты усиливает попутную волну, которая брэгговской структурой связана с квазикритической волной, обеспечивающей самовозбуждение генератора и селекцию мод по поперечному индексу. Эго позволяет объединить присущее мазерам на свободных электронах большое доплеровское преобразование частоты и присущую гиротронам и оротронам селективность по поперечным индексам мод, которая в указанной схеме сохраняется до поперечных размеров системы ~ 10-20 длин волн [53А, 63А]. Представляет интерес также использование гибридных резонаторов, составленных из двумерного и модифицированного брэгговских зеркал. Комбинация механизмов селекции, реализуемых в данных структурах, позволяет обеспечить развитие системы по обеим поперечным координатам. На базе существующих пучков использование новых принципов обратной связи позволяет в перспективе реализовать узкополосные генераторы микроволнового излучения с гигаваттным уровнем мощности.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование МСЭ с одномерной и двумерной распределенной образной связью на основе сильноточных магнитонаправляемых РЭП, поиск путей увеличения их мощности, повышения КПД и обеспечения устойчивости режима узкополосной одномодовой генерации. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:
- исследование условий формирования винтовых РЭП в комбинированном -ондуляторном и ведущем - магнитном поле и особенностей электронно-волнового взаимодействия в МСЭ с магнитонаправляемыми РЭП;
- исследование возможности улучшения селективных свойств брэгговских резонаторов в условиях большой сверхразмерности;
- исследование пространственно-временной динамики и условий установления одномодовых и многомодовых режимов в МСЭ-генерагорах с одномерной и двумерной РОС;
- реализация макетов мощных узкополосных МСЭ-генераторов с брэгговскими резонаторами различных типов в миллиметровом диапазоне длин волн;
- исследование возможности использования брэгговского МСЭ-генератора в ускорительных приложениях.
Научная ценность и новизна результатов:
1. Построена нелинейная теория МСЭ с ведущим магнитным полем, основанная на использовании усредненного описания движения частиц. Исследованы особенности формирования винтовых РЭП и их энергообмена при различных соотношениях между гиро- и баунс-частотами. Найдены оптимальные режимы работы МСЭ, продемонстрирована возможность увеличения их эффективности.
2. Теоретически и экспериментально исследованы условия реализации одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с одномерными брэгговскими резонаторами различных типов. При умеренной поперечной свсрхразмсрности (1-2 длины волны) показаны преимущества использования брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки с точки зрения повышения КПД и устойчивости одномодовой генерации.
3. Продемонстрирована возможность работы брэгговского МСЭ-генератора на высокодобротную резонансную нагрузку. На основе 30-ТТц МСЭ реализован стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных ВЧ-импульсов.
4. Проведен анализ электродинамических свойств и «холодное» тестирование новых типов брэгговских резонаторов, в том числе, двумерных брэгговских резонаторов и модифицированных резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показаны их преимущества перед традиционными аналогами с точки зрения поддержания селективности в условиях существенной свехразмсрности пространства взаимодействия.
5. Исследована возможность использования двумерной РОС для получения мощного пространственно-когерентного излучения в генераторах, запитываемых широкими (в масштабе длины волны) ленточными и трубчатыми РЭП. Развита концепция сверхмощных МСЭ-гснераторов с двумерной РОС на основе подобных пучков.
6. В миллиметровом диапазоне длин волн продемонстрирована работоспособность новых схем МСЭ с одномерной и двумерной РОС.
Практическое значение работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию МСЭ с рекордными параметрами излучения. Данные генераторы могут быть использованы в ряде фундаментальных и инженерных приложений. На основе реализованного ОИЯИ-ИПФ МСЭ разработан стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных микроволновых импульсов.
Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть также использованы при разработке других мощных узкополосных электронных мазеров, а также при создании высокоселективных электродинамических систем мм и суб-мм диапазонов.
Положения, выносимые на защиту:
1. В МСЭ-генераторах на основе интенсивных магнитонаправляемых релятивистских электронных пучков, обладающих значительным разбросом параметров, оптимальными с точки зрения получения высокого электронного КПД являются режимы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля.
2. В МСЭ с двухзеркальными резонаторами на основе традиционных брэгговских зеркал, и которых имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн (МСЭ с одномерной распределенной обратной связью), одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции мод и при изменении параметров пучка носит мультистабильный характер. Использование брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки позволяет при поперечной свехразмерности пространства взаимодействия I - 2 длины волны обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации с КПД до 20 - 30%.
3. В качестве электродинамических систем мощных МСЭ-генераторов, работающих в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах, могут быть использованы модифицированные брэгговские резонаторы, основанные на связи бегущих и квазикритических волн. Наличие в цепи обратной связи квазикритических волн позволяет улучшить селективные характеристики по сравнению с традиционными аналогами и обеспечить режим стабильной одномодовой генерации в МСЭ при сверхразмсрности пространства взаимодействия до 10 длин волн, достаточной для транспортировки интенсивных релятивистских пучков.
4. При использовании двумерных брэгговских резонаторов планарной и коаксиальной геометрии с неглубокой двоякопериодической гофрировкой поверхности могут быть реализованы мощные МСЭ-генераторы с двумерной распределенной обратной связью. Возникающие в такой системе поперечные (но отношению к направлению распространения электронного пучка) волновые потоки позволяют синхронизовать
- 10-
излучение релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии с поперечными размерами, достигающими I02 - I03 длин волн.
5. Экспериментально показано, что комбинация методов селекции и управления волновыми потоками, реализуемых в одномерных и двумерных брэгговских структурах, позволяет обеспечить узкополосную одномодовую генерацию в МСЭ на основе интенсивных релятивистских электронных пучков и реализовать когерентные источники микроволнового излучения мультимегаваттного уровня мощности.
Использование результатов работы. Результаты работы использованы в экспериментах с МСЭ, проводимых в ИПФ РАН, ОИЯИ (г. Дубна), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), Стратклайдском университете (г. Глазго, Великобритания), Университете г. Каназава (Япония) и др., в холодных исследованиях двумерных брэгговских структур, проводимых в ИПФ РАН и Исследовательском центре Карлсруе (Германия), а также при выполнении работ по грантам РФФИ (№№ 94-02-04481, 97-02-17379, 98-02-17665, 00-02-17232, 01-02-16749, 02-02-17438, 03-02-16530. 04-02-17118. 05-02-16833, 05-02-17036, 06-02-01845, 06-08-01506, 06-08-08199, 07-02-00617, 08-08-00966, 09-02-00422, 09-08-00743, 10-02-01395), ИНТАС (97-32041, YSF 2001/2-155, 01-1 В-2192 и 03-51-5319), МНТЦ (97-531), Королевского общества Великобритании (RS-NATO-99A), Международного научного фонда и Правительства России (R8B000, R8B300, 94-02-04481, 96-02-18971), Федеральной программы поддержки ведущих научных школ (грант № НШ-1640), Комплексных программ фундаментальных научных исследований Президиума РАН («Наносскундная релятивистская электроника большой мощности», «Фундаментальные проблемы нано- и пикосекундной электроники большой мощности», «Фундаментальные проблемы релятивистской импульсной и стационарной электроники большой мощности» и «Проблемы физической электроники в системах большой мощности»), Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» («Физика микроволн»), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и др.
Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1А - 123 А] и доклады вались автором на V и VII Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький 1987; Томск
1991), VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск 1990), Всесоюзном семинаре «Волновые и колебательные явления в электронных приборах
- II -
О-типа» (Ленинград 1990), Всесоюзной школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Москва 1991), Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1991, 2002, 2004), IX
Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Екатсринбург-Москва
1992), Всесоюзных школах-семинарах по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992, 1994), Всероссийском семинаре по физике микроволн (Н.Новгород 1996, 1999), Всероссийских семинарах по физике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н.Новгород 2005, 2007, 2009). II Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск 1995), 12, 17 и 18 Российско-германских семинарах по гиротронам и электронно-циклотронному нагреву плазмы (И.Новгород 2000, 2006, Графсвальд, Германия 2005), 23 и 24 Международных конференциях по физике плазмы (Великобритания, Крнфф 1996, Лиидз 1997), XXV и XXVI Генеральных ассамблеях Международного радиофизического общества (Франция, Лилль 1996, Канада, Торонто 1999), И-VII Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме» (Н.Новгород 1993, 1996, 1999, 2002, 2005, 2008), X, XI, XV и XVI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996, Санкт-Петербург, 2004, Великобритания, Оксфорд 2006), 31, 32 и 35 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Китай, Шанхай 2006, Великобритания, Кардифф 2007, Рим, Италия 2010), Международной конференции по Тсрагсрцовому излучению (Новосибирск 2010), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН, ОИЯИ, Стратклайдского университета (г. Глазго, Великобритания), Исследовательского центра Карлсруе (Германия) и др.
Материалы диссертации частично вошли в цикл работ «Разработка высокоэффективного узкополосного МСЭ-гене ритора для линейных электрон-позитронных коллайдеров» (совместно с А.К.Каминским, С.Н.Седых и др.), удостоенный премии ОИЯИ в 1998 г., и «Теоретическое и экспериментальное исследование мощных мазеров на свободных электронах» (совместно с А.В.Савиловым и С.В.Самсоновым), удостоенный Медали РАН с премией для молодых ученых в 2000 г.
Личный вклад автора. В работах [1А-4А] развит подход к нелинейной теории МСЭ с ведущим магнитным полем, основанный на усредненном описании движения частиц. Исследованы особенности энергообмена интенсивных магнитонаправляемых РЭП в МСЭ, показаны механизмы увеличения их эффективности [5А-7А, 13А].
- 12-
Объяснен высокий КПД, реализованный в МСЭ с обратным ведущим полем [9А] и продемонстрированы их преимущества перед МЦАР [8А].
На основе пространственно-временного подхода, развитого Н.С.Гинзбургом и А.С.Сергеевым, соискателем проведено моделирование МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, определены условия установления одномодовой и многомодовой генерации [16А, 18А-25А]. Продемонстрирована возможность
достижения высокого КПД при использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки [10А, ПА]. Разработаны электродинамические системы МСЭ, реализованного на основе ускорителя ЛИУ-3000 (ОИЯИ) [27А-34А]. Экспериментальные исследования этого МСЭ [26А, 35А - 40А| ведутся совместно с А.К.Каминским и С.Н.Седых и др. в ОИЯИ. В последние годы автор принимал ключевое участие в создании стенда для исследования свойств материалов на основе реализованного МСЭ-генератора [41А - 45А].
Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн (46А - 48А], показаны их высокие селективные свойства данных резонаторов вплоть до суб-мм диапазона [49А - 55А]. Для демонстрации работоспособности новой схемы МСЭ проведены моделирующие эксперименты в 8-мм диапазоне длин волн с упомянутыми выше соавторами [56А].
Идея использования двумерной распределенной обратной связи предложена Н.С.Гинзбургом при участии А.С.Сергесва и соискателя в работах [65А-67А, 101 А]. Последнему принадлежит построение электродинамический теории двумерных брэгговских резонаторов и исследование их характеристик в «холодных» тестах [68А -74А, 102А - 106А. 11 ЗА], в частности, демонстрация существования основной моды в центре брэгговской полосы [75А, 76А]. Автором проведено моделирование различных схем МСЭ с двумерной РОС [77А - 94А, 108А - 112А].
Эксперименты по созданию мощных МСЭ с двумерной РОС проводятся на крупномасштабных стендах, и как следствие, экспериментальные работы [95А -100А, 114А - 119А] написаны в большом коллективе соавторов. В исследованиях планарной схемы МСЭ, которые выполняются в ИЯФ СО РАН совместно с А.В.Аржанниковым, С.Л.Синицким и др., автор проводил расчеты электронноволнового взаимодействия, разработку и оптимизацию электродинамических систем, а также принимал непосредственное участие в обработке, интерпретации и обсуждении экспериментальных результатов. Создание специализированного сгснда для
- 13-
исследования коаксиальной схемы МСЭ с двумерной РОС проводилось в Страклайдском университете при участии ИПФ РАН, в проектировании и расчете всех его ключевых компонентов соискатель выступал как основной исполнитель.
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 307 страниц, включая 2 таблицы и 183 рисунка, списки цитированной литературы (166 наименований) и авторских публикаций (123 наименования), размещенные на 22 страницах.
В диссертации используется сплошная нумерация цитируемых источников и авторских работ (последние помечены буквой «А»). Нумерация параграфов и рисунков производится по главам: к номеру параграфов или рисунков впереди добавляется цифра, соответствующая номеру главы. Нумерация формул производится по параграфам: к номеру формулы впереди добавляются цифры, соответствующие номеру главы и номеру параграфа.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы. Кратко, по главам, изложено содержание диссертации.
Первая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию МСЭ с одномерной распределенной обратной связью. В п. 1.1 рассмотрен процесс формирования винтовых РЭП в винтовом ондуляторном и однородном ведущем магнитных полях и исследованы особенности вынужденного ондуляторного излучения магнитонаправляемых РЭП при различном соотношении между баунс- (Оь) и циклотронной (сон) частотами колебаний частиц. Показано, что при адиабатически плавном пространственном включении ондуляторного ноля высокое качество формирования винтовых РЭП может быть обеспечено в режимах, удаленных от циклотронного резонанса, одним из которых является режим обратного ведущего поля [69, 70] (в этом режиме направление вращения электронов в поле винтового ондулятора и в ведущем поле противоположны друг другу).
Получены усредненные уравнения, описывающие движение частиц в МСЭ-генераторах в режимах ондуляторного и так называемых комбинационных
- 14-
синхронизмов электронов с электромагнитным нолем. Показано, что наличие фокусирующего продольного магнитного поля оказывает существенное влияние на процесс электронно-волнового взаимодействия и приводит к большому разнообразию режимов работы МСЭ. В режиме ондуляторного синхронизма наиболее интересными в практическом плане представляются области параметров, далекие от циклотронного резонанса, в том числе, область «обратного» ведущего поля. Численное моделирование показывает малую чувствительность таких режимов к начальному разбросу параметров частиц и возможность достижения высокого среднего КПД в МСЭ, запитавасмых пучками с достаточно большим разбросом. В области «прямого» ведущего магнитного поля (направление вращения электронов в винтовом ондуляторе и в ведущем поле совпадает) при соц < Оь особенностью энергообмена является увеличение поперечной скорости у тормозящихся частиц, приводящее к высаживанию пучка на стенку электродинамической системы. Электронный КПД становится весьма критичен к расстройке синхронизма, а для эффективной работы МСЭ требуются пучки с малым разбросом параметров. В случае сильного «прямого» поля (с»н > Пь) увеличение эффективности может быть достигнуто при использовании зависимости «эффективной массы» электронов-осцилляторов от их энергии. Однако рассмотренный режим представляет наибольший практический интерес при больших энергиях частиц (у £ 5), когда рабочая область параметров лежит далеко от области циклотронного резонанса, что необходимо для качественного формирования РЭП в секции раскачки.
Излучение на комбинационных синхронизмах сопровождается раскачкой осцилляций электронов около равновесной траектории. Для таких синхронизмов прослежена аналогия с МЦР, работающими в области аномального и нормального эффекта Доплера. Показано, что в МСЭ с обратным ведущим полем излучение в режиме комбинационных синхронизмов может быть существенно более высокочастотным по сравнению с «традиционным» ондуляторным излучением при сохранении параметров пучка и геометрии электронно-оптической системы. Таким образом, работа МСЭ в указанных режимах представляется перспективной для продвижения в коротковолновые диапазоны.
П. 1.2 посвящен исследованию динамики МСЭ с одномерной РОС. В рамках пространственно-временного подхода проведено моделирование процесса установления автоколебаний в брэгговских резонаторах различных типов, найдены условия реализации режима одномодовой одночастотной генерации. Показано, что в МСЭ с двухзеркальными брэгговскими резонаторами (используемыми в
- 15 -
предшествующих экспериментальных реализациях МСЭ [74 - 78]) при оптимальных условиях указанный режим устанавливается на финальной стадии эволюции в результате нелинейной конкуренции нескольких продольных мод резонатора, попадающих в полосу усиления электронного потока и возбуждаемых им на начальной (линейной) стадии. Превышение рабочего тока над стартовым (или увеличение коэффициентов отражения брэгговских зеркал) приводит к реализации автомодуляционных режимов генерации и снижению электронного КГІД.
Особенностью брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки является существование моды в центре полосы брэгговского резонанса, добротность которой существенно превосходит добротности остальных мод. В условиях умеренной свсрхразмсрности (диаметр резонатора составляет 2-3 длины волны) в резонаторе данного типа может быть обеспечено селективное возбуждение основной моды уже на начальной стадии эволюции, что увеличивает устойчивость режима одномодовый генерации в МСЭ в условиях нестабильности параметров РЭП. Найдены оптимальная геометрия резонатора и продольная структура основной моды, благоприятная для достижения высокого (до 30 - 40%) электронного КПД.
В МСЭ на основе односекционного брэгговского резонатора, в спектре которого присутствуют две основные моды с достаточно разнесенными частотами и близкими добротностями, увеличение эффективности может быть достигнуто в режиме так называемой «стартовой моды». В указанном режиме возбуждение на начальном этапе высокочастотной («стартовой») моды служит источником начального сигнала и обеспечивает последующее жесткое возбуждение низкочастотной рабочей моды с высоким КПД.
Результаты экспериментальных исследований МСЭ с одномерной РОС, которые проводятся в сотрудничестве ИПФ РАН и ОИЯИ (г.Дубна), описаны в п. 1.3. Генератор запитывается линейным индукционным ускорителем ЛИУ-3000 (ОИЯИ), формирующим тонкий приоссвой РЭП 0.8 МэВ /200 А /250 не с частотой повторения до I Гц. Электронно-оптическая система МСЭ представляет собой винтовой ондулятор с областью плавного включения, помещенный во внешнее ведущее поле соленоида (с возможность изменения направления поля). Брэгговский резонатор обеспечивает цикл обратной связи рабочей волны ТЕм и встречной волны ТМи в районе частоты 30 ГГц.
Одним из основных направлений исследований было достижение высокой эффективности за счет улучшения качества формирования криволинейных РЭП и снижения чувствительности МСЭ к разбросу их параметров. Таким образом, в
- 16-
соответствии с результатами теоретического анализа, приведенными в п. 1.1, максимальная эффективность энергообмена получена в режимах с «обратной» ориентацией ведущего поля. В случае слабого «прямого» поля наблюдалось существенное снижение электронного КПД, а процессе высокочастотного взаимодействия сопровождался уменьшением токопрохождения пучка. Следует отмстить, что условия экспериментов не позволяли работать в области ведущих магнитных полей, существенно превышающих циклотронный резонанс.
Другой важной задачей была оптимизация геометрии резонатора и обеспечение устойчивости режима узкополосной генерации. Были исследованы условия установления одномодовых и многомодовых режимов генерации в брэгговских резонаторах различных типов. В соответствии с расчетом в МСЭ с двухзеркальным брэгговским резонатором в рабочей брэгговской полосе в районе 30 ГГц при оптимальной добротности (<3 ~ 500, длина резонатора - 50 см) получена эффективность -15-20%. При изменении величины ондуляторного и ведущего полей (т.е. поступательной скорости частиц) с существенно меньшим электронным КПД наблюдалось возбуждение генератора на частотах, соответствующих отражению рабочей волны в других цепях обратной связи. Увеличение добротности резонатора 0> 1500 приводило к реализации многочастотных режимов генерации, КПД в которых не превышал 10%. Модовый состав излучения исследован с помощью осциллографа с высоким (до 2 не) временным разрешением: в многочастотных режимах генерации наблюдалась низкочастотная модуляция в сигнале с детектора, которая соответствовала биению различных продольных мод, а отсутствие подобной модуляции указывало на реализацию одномодового режима. Согласно проведенному моделированию, последний может устанавливаться на различных продольных модах двухзеркапьного резонатора и носит мультистабильный характер при изменении параметров РЭП.
Существенно большая стабильность по отношению к изменениям параметров пучка и электронно-оптической системы была получена при использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки. При оптимальной добротности (0-1000-1500) и относительно коротких длинах секций (/|~26см, /г-13см) устойчивое возбуждение основной моды резонатора наблюдалось в широкой полосе изменения ондуляторного и ведущего полей. Указанное соотношение длин рефлекторов позволило реализовать практически полный вывод излучения в катодном направлении. При длительности импульсов излучения 50 -100 не получена максимальная мощность до 30 -40 МВт, соответствующая электронному КПД на
- 17-
уровне 30%. Указанная эффективность является рекордной для МСЭ-генераторов миллиметрового диапазона [74 - 78], и, важно подчеркнуть, получена при использовании практически полного тока ускорителя. Максимальный энергозапас до 4 Дж получен в импульсах длительностью ~ 200 не при мощности излучения 20 МВт. Ширина спектра излучения при этом составляла около 6-7 МГц, что близко к теоретическому пределу для импульсов данной длительности.
При использовании резонаторов с относительно глубокой гофрировкой был экспериментально обнаружен эффект расщепления рабочей моды. В цепи обратной связи, основанной на волноводных модах с различной поперечной структурой, данный эффект имеет место вследствие взаимного нерезонансного рассеяния этих волн на гофрировке и, таким образом, усиливается при сближении в частотной области соседних зон брэгговского рассеяния (т.е. увеличении сверхразмерности) и увеличении связи волн на гофрировке (т.е. увеличении глубины гофрировки). Показано, что указанный эффект приводит к ухудшению селективных свойств резонатора и уширению спектра излучения МСЭ, а также к смене одномодового одночастотного режима генерации более сложными режимами, что в конечном итоге, ведет к ухудшению стабильности работы генератора и затрудняет его использование в рамках приложений, обсуждаемых далее в п. 1.4. Для подавления расщепления рабочей моды при умеренной с верх размерности исследованы резонаторы с профилированными параметрами гофрировки. В то же время, согласно проведенному моделированию, реализованные двухчастотные режимы позволяют кардинально (вплоть до 4 раз) увеличить мощность ВЧ-импульсов путем их пассивной компрессии.
Исследована возможность механической подстройки частоты генерации в МСЭ с брэгговским резонатором со скачком фазы гофрировки. При изменении величины скачка фазы между брэгговскими структурами от 0 до 2л (путем вставки коротких регулярных секций) получен одномодовый режим генерации в частотной полосе 6% с высоким уровнем КПД.
Исследована группировка частиц в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, проведены оценки возможности создания на его основе группирователя для двухпучковой схемы ускорителя.
Пункт 1.4 посвящен теоретическому и экспериментальному исследованию возможности использования реализованного МСЭ для тестирования свойств материалов под воздействием мощного ВЧ-излучения. В рамках пространственно-временного подхода проведено моделирование работы МСЭ на высокодобротную
- 18-
резонансную нагрузку, исследовано влияние отражений, возникающих при ее накачке, на работу автог енератора. Показано, что при точной настройке тестового резонатора на частоту генерации МСЭ при достаточно большом расстоянии до нагрузки и наличии определенных потерь в передающем тракте (-10-15%) происходит просветление нагрузки и установление режима стационарной генерации в МСЭ с эффективной передачей энергии в нагрузку. При отстройке частоты резонатора ог частоты генерации МСЭ имеет место увеличение отражений от тестового резонатора, которые оказывают существенное влияние на процесс генерации МСЭ вплоть до срыва автоколебаний, а проникающая в тестовый резонатор ВЧ-энергия стремится к нулю.
Достигнутый уровень мощности и стабильности режима одномодовой одночастотной генерации позволил реализовать на базе ОИЯИ-ИПФ МСЭ экспериментальный стенд для исследования эффекта деградации меди под воздействием мощных СВЧ-импульсов. Информация о поведении материалов (металлов и диэлектриков) в сильных электромагнитных полях микроволнового диапазона [141 - 145] необходима для создания ускорителей нового поколения, которое осуществляется в настоящее время в проектах CLIC (ЦЕРП) и SLAC. Разработан тестовый резонатор, моделирующий температурный режим ускоряющей структуры CLIC. Возможность запитки высокодобро гной нагрузки излучением МСЭ подтверждена экспериментально. Работоспособность стенда и стабильность параметров излучения МСЭ продемонстрирована в статистике - 10' импульсов.
Проведены эксперименты по исследованию тепловой усталости меди при многократном воздействии импульсов МСЭ. Прослежена динамика разрушения поверхности при различных температурах нагрева в зависимости от числа ВЧ-импульсов. Показано, что в результате 6104 циклов нагрева поверхности меди на 220-250°С за импульс возникает ее существенная деградация, сопровождающаяся развитием ВЧ-пробоев.
В п. 1.5 обсуждается возможность продвижения МСЭ в коротковолновую часть мм и суб-мм диапазоны. В качестве электродинамической системы, способной обеспечить селективное возбуждение рабочей моды в указанных диапазонах, предложено использование модифицированных брэгговских резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Подобно гиротронам [1,2], вовлечение в цепь обратной связи критической моды позволяет значительно разрядить спектр высокодобротных мод резонатора, поскольку частотный интервал между критическими модами при большой сверхразмерности значительно превышает интервал между
- 19-
модами, формируемыми связью на брэгговской структуре параксиальных волн. Показано, что модифицированные брэгговские структуры сохраняют свои селективные свойства вплоть до поперечных размеров системы, составляющих до 10-20 длин волн, что при использовании интенсивных РЭП представляется достаточным для работы в коротковолновых диапазонах, вплоть до терагерцового.
С точки зрения увеличения эффективности электронно-волнового взаимодействия оптимальной является двухзеркальная схема, в которой модифицированное брэгговское зеркало расположено на входе пространства взаимодействия и связывает синхронную с электронным потоком попутную бегущую волну с квазикритической волной. Согласно проведенному моделированию, усиление синхронной волны в основном имеет место после входного зеркала в регулярной части резонатора, а небольших отражений усиленного излучения во встречную волну, которые обеспечивает традиционное брэгговское зеркало на выходе системы, достаточно для самовозбуждения автоколебаний в системе. Таким образом, секционирование пространства взаимодействия позволяет обеспечить относительно невысокий уровень амплитуды квазикритической моды и контролировать омические потери, связанные с возбуждением этой моды, на уровне до 5 - 10%. При этом при оптимальном выборе параметров частота генерации в данной схеме МСЭ оказывается близка к частоте отсечки квазикритической волны, возбуждающейся в модифицированной брэгговской структуре.
Работоспособность новой схемы организации обратной связи продемонстрирована экспериментально в МСЭ 8-мм диапазона на базе ускорителя ЛИУ-3000. Реализован генератор с гибридным резонатором, состоящим из входного узкополосного (измеренная ширима полосы отражения 100-150 МГц) модифицированного брэгговского зеркала, обеспечивавшего отражение рабочей волны ТЕщ в волну того же типа через возбуждение квазикритической волны ТЕ1.2, и выходного традиционного широкополосного (1 - 1.5 ГГц) брэгговского зеркала, связывающего встречные волны одного (ТЕи) типа, с относительно небольшим коэффициентом отражения. В расчетной области параметров получена мощность излучения на уровне ~ 15 МВт. Важно, что при изменении аммлитулы ондуляторного поля возбуждение основной (рабочей) моды резонатора наблюдалось во всей полосе самовозбуждения генератора, что демонстрирует стабильность рабочего режима генерации к изменению параметров пучка.
-20-
Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию планарных МСЭ с брэгговскими резонаторами, реализующими двумерную РОС.
В п. 2.1 рассмотрены модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волновых потоков на планарной двумерной брэгговской структуре в рамках геометрооптнческого приближения. Двумерный цикл обратной связи формируется четырьмя парциальными волновыми потоками, распространяющимися в направлении электронного пучка и навстречу ему, а также в перпендикулярных направлениях. Простейшей электродинамической системой, реализующей двумерную РОС, является «двумерный» брэгговский резонатор, состоящий из двух параллельных электронному потоку металлических пластин с двоякопериодической гофрировкой, когда трансляционные вектора элементарных решеток направлены либо перпендикулярно, либо под углом друг к другу (в этом случае имеет место связь волновых потоков с различной поперечной структурой). Возникающие на гофрировке данного типа дополнительные (по сравнению с одномерными аналогами) поперечные потоки электромагнитной энергии служат для синхронизации излучения отдельных частей электронного потока.
Проведено сравнение различных профилей двумерной гофрировки. Показано, что идеальной для реализации двумерной РОС является двумерная синусоидальная гофрировка, которая, однако, сложна с технологической точки зрения. В то же время, эта гофрировка хорошо аппроксимируется так называемой «шахматной» гофрировкой, более простой в практической реализации. Примесь «одномерных» гармоник в профиле гофрировки (которая имеет место, в частности, в случае гофрировки из взаимноперпендикулярных канавок) ведет к появлению дополнительных зон брэгговского рассеяния, и, таким образом, ухудшению селективных свойств резонатора.
В п.2.2 проведен анализ электродинамических характеристик планарного «двумерного» брэгговского резонатора. Механизм формирования высокодобротных мод резонатора исследован па основе анализа дисперсионных зависимостей для нормальных волн в безграничной двумерной брэгговской структуре. Показано, что особенностью двумерных структур является наличие решения (поверхности), проходящего через центр брэгговской полосы. В результате, для ограниченной в пространстве структуре наиболее высокодобротные моды оказываются расположенными в окрестности брэгговской частоты. Формирование высокодобротных мод в центре брэгговской полосы в отсутствие дефектов периодичности является
-21 -
принципиальным отличием двумерных брэгговских структур от одномерных аналогов [107 - 112], а также от фотонных структур [124, 125].
Спектр собственных мод резонатора найден в приближении безотражательных граничных условий для двумерных гофрировок различных типов. Показано, что высокая селективность двумерных резонаторов обеспечена как в продольном (как в «одномерных» аналогах), так и в поперечном направлении. В случае «идеальной» двумерной гофрировки спектр мод является симметричным, основная мода резонатора расположена на частоте точного брэгговского резонанса и вдвое превосходит по добротности остальные моды. Наличие прямого рассеяния попутной и встречной волн приводит к нарушению симметрии спектра мод резонатора и его сдвигу в область низких частот.
Проведено моделирование процесса возбуждения резонатора падающим на его границу волновым пучком, исследованы частотные зависимости интегральных коэффициентов отражения, прохождения и поперечного рассеяния при различных профилях гофрировки. Показано, что в случае «идеальной» двумерной гофрировки при падении симметричного волнового пучка (нормальное падение плоской волны) наблюдается полоса непрозрачности, а падение антисимметричного волнового пучка (наиболее простой реализацией которого в условиях эксперимента является наклонное падение плоской волны) характеризуется просветлением структуры в окрестности частоты точного брэгговского резонанса, связанным с возбуждением наиболее высокодобротных мод резонатора.
Экспериментальное исследование электродинамических свойств двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии (п.2.3) проводились при параметре Френеля /*2/Х4~ 50 (/; и 1Х - длина и ширина резонатора соответственно) на панорамных источниках в диапазонах 60 и 75 ГГц. Возбуждение резонатора осуществлялось широким волновым пучком с плоским фазовым фронтом, который формировался в планарной квазиоптической передающей линии. Измеренные частотные зависимости коэффициентов рассеяния, резонансные частоты и добротности мод (по ширине резонансной линии) для гофрировок различной формы находятся в хорошем соответствии с результатами теоретического анализа и моделирования на основе трехмерных электродинамических кодов. Показано, что в случае гофрировки в виде прямоугольных канавок максимальной добротностью обладают моды с одной вариацией поля но обеим координатам, расположенные на границах брэгговской полосы, для резонатора с «идеальной» двумерной синусоидальной гофрировкой
-22-
подтверждено качественное отличие поведения коэффициентов прохождения в окрестности брэгговской частоты в случае нормального и наклонного падения внешней волны. В последнем случае продемонстрировано возбуждение высокодобротных мод в центре брэгговской полосы. Таким образом, показана реализуемость и работоспособность двумерных брэгговских резонаторов при больших параметрах Френеля, а также адекватность гсомстрооптичсского приближения для описания основных электродинамических характеристик этих структур и возможность его использования для моделирования процессов генерации при возбуждении данных резонаторов электронными потоками в планарных схемах МСЭ, описанию которого посвящен п.2.4.
Моделирование динамики планарных МСЭ-генераторов с двумерной РОС проводилось в рамках пространственно-временного подхода на основе метода связанных волн (геометрооптическое приближение). В п.2.4(а) рассмотрена модель МСЭ с односскционным двумерным резонатором, когда область двумерной гофрировки занимает все пространство взаимодействия. Найдены стартовые условия для различных мод резонатора, исследована динамика установления одномодовых и многомодовых режимов. Показано, что при оптимальных параметрах процесс одномодовой пространственно-когерентной генерации может быть реализован до поперечных размеров системы, достигающих Ю2- 10' длин волн. При этом структура электромагнитного поля в стационарном режиме генерации близка к структуре основной моды «холодного» резонатора. Эта мода имеет благоприятное, не зависящее от поперечной координаты, пространственное распределение синхронной электронному потоку парциальной волны, что обеспечивает одинаковые условия энергообмена для всех его фракций и, таким образом, высокий электронный КПД. Продемонстрировано, что присущая данной системе автомодельность a2lx - const позволяет при фиксированном продольном размере системы lz= const увеличивать ширину пространства взаимодействия /д за счет снижения величины коэффициента связи волн а.
Недостатком односекционного резонатора с точки зрения практической реализации является необходимость вывода больших поперечных потоков энергии через магнитную систему МСЭ. Секционирование пространства взаимодействия и использование двухзеркальных схем резонаторов позволяет уменьшить интегральные поперечные волновые потоки. Показано, что оптимальной с этой точки зрения является комбинированная схема резонатора, состоящего из двумерного и одномерного
-23-
брэгговских зеркал, описанная в п.2.46. В этой схеме двумерное брэгговское зеркало установлено на катодном конце пространства взаимодействия и служит для синхронизации излучения различных фракций широкого ленточного РЭП за счет наличия поперечных волновых потоков. В то же время, основное усиление излучения электронным потоком обеспечивается в области регулярного волновода, а на коллекторном конце для замыкания кольца обратной связи достаточно небольших отражений этого излучения во встречную волну традиционным одномерным брэгговским зеркалом. Таким образом, данная схема позволяет обеспечить вывод большей части мощности, излученной электронным потоком, в продольном направлении.
Важным фактором с точки зрения экспериментальной реализации МСЭ является устойчивость режима генерации по отношению к изменению параметров сильноточных РЭП, которые при использовании взрывоэмиссионных инжекторов могут варьироваться как в течение одного импульса, так и от импульса к импульсу. При параметрах, близких к условиям экспериментов на ускорителе «ЭЛМИ», исследована устойчивость одномодового режима генерации в планарном МСЭ с комбинированным брэгговским резонатором при различных схемах вывода поперечных потоков электромагнитной энергии. Анализ электродинамических свойств показывает, что в спектре открытого в поперечном направлении резонатора данного типа присутствуют только собственные моды, расположенные внутри эффективной полосы отражения брэгговских структур (называемые далее «продольными» модами). При увеличении отражений для поперечных волновых потоков, с некоторого уровня начинают превалировать «поперечные» моды, которые формируются запертыми между боковыми стенками резонатора поперечными волновыми потоками и связанными с ними на брэгговской структуре с продол ьно-распространяющимися потоками (аналогично описанному в п. 1.5а механизму связи квазикритической и распространяющейся волн). Моделирование показывает, что в МСЭ с открытым в поперечном направлении резонатором при фиксированном параметре расстройки синхронизма (фиксированных параметрах пучка и элскгронно-оптичсской системы) стационарный одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции на одной из «продольных» мод. В то же время, при изменении расстройки синхронизма возможен перескок частоты генерации между различными «продольными» модами, что свидетельствует о ее неустойчивости ПО отношению к параметрам РЭП. Закрытая в поперечном направлении система МСЭ
-24-
характеризуется еще большей нестабильностью, т.к. здесь биения и перескоки частоты имеют место между «поперечными» модами, более удаленными друг от друга в частотной области.
Наиболее устойчивый режим одномодовой генерации реализуется в резонаторе, в котором поперечные потоки электромагнитной энергии в двумерном брэгговском зеркале замкнуты с помощью дополнительного волновода связи. Согласно результатам моделирования, в данной системе возможно установление режима стационарной одночастотной генерации, даже когда параметры электронного потока изменяются в достаточно широких пределах. Подобный метод стабилизации частоты излучения основан на использовании связи бегущих и квазикритических мод и аналогичен, в частности, имеющему место в коаксиальных МСЭ с двумерной РОС (см. далее п.3.3).
В п.2.4(в) исследована возможность использования двумерной РОС в системах, развитых но трем пространственным координатам и представляющих собой многослойную структуру. Практическая реализация такой схемы представляет собой многопучковый генератор, состоящий из нескольких планарных секций (модулей), каждый из которых запитывастся ленточным РЭП и работает на основе двумерной РОС. Показано, что синхронизация фазы колебаний в подобном генераторе может быть осуществлена путем связи различных модулей через возникающие в двумерных брэгговских структурах поперечные потоки электромагнитной энергии. При этом количество синхронизованных МСЭ-модулей может достигать 10 и болсс.
На основе проведенного моделирования оценена возможность создания в миллиметровом диапазоне длин волн узкополосных МСЭ с двумерной РОС гигаваттного уровня мощности на основе микросекундных ленточных РЭП, формируемых ускорителем У-2 и многопучковой системой ускорителя У-3 («ЭЛМИ») (ИЯФ СО РАИ).
Результаты экспериментального исследования планарной схемы МСЭ с двумерной РОС приводятся в п.2.5. МСЭ данного типа разрабатывается в сотрудничестве ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН на основе ускорителя «ЭЛМИ», формирующего ленточный РЭП 0.8МэВ/5мкс с поперечным сечением 0.4 х 15 см и погонным током -250 А/см. Транспортировка пучка осуществлялась соленоидом, раскачка баунс-осцилляций производилась в планарном ондуляторе с периодом 4 см, имеющем участок плавного пространственного включения. Для формирования в планарном МСЭ винтового РЭП с приемлемым для работы в коротковолновой части мм-диапазона качеством был выбран режим сильного ведущего магнитною поля. В соответствии с результатами
-25-
моделирования максимум излучения наблюдался при напряженности ведущего поля 12 кЭ и ондуляторном поле около 1 кЭ, шумовой уровень излучения в отсутствии ондуляторного поля был пренебрежимо мал.
Для реализации двумерной РОС в МСЭ были исследованы двухзеркальные брэгговские резонаторы различной геометрии. В начальных экспериментах использовались брэгговские отражатели с гофрировкой в виде взаимноперпендикулярных канавок (наиболее простой с технологической точки зрения). Однако, в соответствии с результатами теоретического анализа (приведенного в п.3.3) и «холодными» электродинамическими тестами, спектральные измерения с помощью набора полосовых фильтров показали, что в МСЭ с резонатором данного типа вместе с излучением в частотной полосе 74 +76 ГГц, соответствующей рабочей (двумерной) зоне обратной связи, около 20% мощности было зарегистрировано в полосе паразитного «одномерного» отражения 76 + 80 ГГц. В последующих экспериментах были разработаны рефлекторы с «шахматной» гофрировкой, которые позволили избавиться от примеси указанного паразитного излучения.
Для увеличения электропрочности системы и уменьшения величины поперечных волновых потоков, запертых в выходном зеркале, в новой серии экспериментов был использован комбинированный резонатор, состоящий из двумерного входного и одномерного выходного брэгговских зеркал. Входной отражатель длиной 19 см имел «шахматную» гофрировку с глубиной 0.2 мм и периодом по обоим направлениям 4 мм и обеспечивал отражение рабочей волны ТЕМ-типа в цикле двумерной связи в окрестности частоты 75 ГГц. Выходной отражатель той же длины, работающий в одномерном цикле обратной связи с двумя встречно-распространяющимися ТЕМ волнами, имел одномерную гофрировку в виде прямоугольных канавок с периодом 2 мм и глубиной 0.07 мм. Длина регулярной части составляла 32 см.
В данной серии использовался ленточный пучок с сечением 0.4 *7 см2. Для разделения сильноточного РЭП и мощного ВЧ-импульса после пространства взаимодействия было предложено использование брэгговского дефлектора, который осуществлял поворот выходного излучения и, таким образом, его вывод из пространства взаимодействия и, затем, в атмосферу. Геометрия области гофрировки дефлектора была оптимизирована в компьютерном моделировании с целью обеспечения перевода рабочей ТЕМ волны резонатора в Т£|.о волну выходного волновода, которая, согласно «электродинамическим» тестам, составляла около 90% в полосе шириной -2-2.5 ГГц.
-26-
В соответствии с результатами моделирования в «холодных» измерениях комбинированного резонатора с закрытым с торцов двумерным отражателем были зарегистрированы «поперечные» моды вблизи частот 73.3 и 76.6 ГГц с добротность ~ 2000. В спектре комбинированного резонатора с «открытым» двумерным отражателем, который в условиях экспериментов моделировался путем нанесения на боковые торцы двумерного рефлектора ВЧ-поглотителя или использованием рассеивателей для поперечных волновых потоков (металлических брусков, боковая поверхность которых гофрирована случайным образом), присутствовали только «продольные» моды вблизи частоты 75 ГГц с добротность - 1000. Частотный интервал между модами данного типа, расположенными внутри эффективной полосы отражения брэгговских структур и отличающимися числом продольных вариаций поля, составлял - 200 МГц.
Согласно проведенному п.2.4 анализу, характер излучения в МСЭ на основе указанных резонаторов определялся условиями отражения для поперечных волновых потоков в двумерном зеркале. Гетеродинные измерения спектра показали, что в «закрытом» резонаторе (в отсутствии поглотителя на торцах) доминировало излучение на «поперечных» модах. Использование поглотителя на боковых стенках двумерного отражателя позволило получить генерацию на «продольных» модах. Однако в условиях нестабильности напряжения пучка в разных импульсах наблюдались как одномодовые режимы генерации, имеющие место на различных «продольных» модах, так и режимы с одновременным возбуждением нескольких мод резонатора или сопровождающиеся перескоком частот. В то же время, появление плазмы в резонаторе и развитие ВЧ-пробоя препятствовало работе поглотителей в условия большой мощности излучения, что по-прежнему в ряде импульсов приводило к появлению генерации на частотах, соответствующих паразитным «поперечным» модам резонатора.
При установке расссиватслсй поперечных волновых потоков в двумерном брэгговском зеркале была получена узкополосная генерация на «продольных» модах комбинированного брэгговского резонатора, измеренная частота генерации хороню согласуется с моделированием и результатами «холодных» тестов. Заметный уровень ВЧ-сигнала наблюдался, когда ток пучка превышал 1 кА в соответствии с расчетной величиной стартового тока генератора. Однако из-за нестабильности параметров пучка (прежде всего, величины напряжения) в разных импульсах также имело место возбуждение мод, различающихся числом продольных вариаций поля. Полная мощность излучения по показаниям калориметра и сигналам с калиброванных
-27-
детекторов «на горячих носителях» с учетом диаграммы направленности выходного излучения была оценена на уровне нескольких десятков мегаватт. Анализ временного поведения свечения плазмы в канале, регистрируемого с помощью световодов, показал, что ограничение полной длительности ВЧ-сигнала связано с возникновением плазмы на дефлекторе излучения. Структура поля выходного излучения, регистрируемая по свечению табло из неоновых ламп, была близка к ТЕю волне, что подтверждает результаты теоретического анализа об однородном по поперечному сечению распределении поля попутной волны в пространстве взаимодействия и синхронизации излучения различных фракций ленточного РЭП.
Третья глава посвящена результатам теоретического и экспериментального исследования коаксиальных МСЭ-генераторов с двумерной РОС. В п.3.1 приведены модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волновых потоков в двумерных брэгговских структурах коаксиальной геометрии в рамках метода связанных волн (квазиоптическое приближение). В резонаторах данного типа двоякопериодическая гофрировка поверхности, которая представляет собой две М -заходные винтовые гофрировки со встречным направлением вращения, обеспечивает связь и взаимное рассеяние четырех парциальных волн, две из которых распространяются в продольном, а две другие в азимутальном направлении. Показано, что в условиях существенной сверхразмерности, когда коаксиальный волновод имеет малую кривизну, для его описания может быть адаптирована квазиплоская модель.
С учетом дифракционных эффектов в и.3.2 проведен анализ электродинамических свойств коаксиальных двумерных брэгговских резонаторов. Показано, что резонаторы данного типа способны обеспечить селективность по азимутальному индексу мод при периметрах системы ~100Х. Подобная высокая (по сравнению с традиционными одномерными аналогами) селективность может быть интерпретирована как следствие качественного отличия в топологии дисперсионных характеристик азимутально-симметричных и несимметричных нормальных волн в безграничных в продольном направлении волноводах исследуемой геометрии. Для систем конечной длины, образующих двумерные брэгговские резонаторы, проведен анализ спектра собственных мод, определены соотношения между периметром и длиной резонатора, при которых максимальной добротностью обладает так называемая азимутально-симметричная мода. Эта мода расположена на частоте точного брэгговского резонанса и при разложении по волнам регулярного коаксиального волновода (парциальным волнам)
-28-