Исследование механизмов селекции мод в мазерах на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью.

• Автор: Заславский, Владислав Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 161 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Планарный МСЭ - генератор с двумерной распределенной обратной связью
1.1. Электродинамические характеристики двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии
1.1.1. Модель связанных волн (приближение геометрической оптики)
1.1.2. Моделирование электродинамических характеристик двумерных брэгговских структур планарной геометрии
1.1.3. «Холодное» тестирование двумерных брэгговских резонаторов
1.1.4. Реализация двумерной брэгговской структуры с помощью двух одномерных структур, нанесенных на разные пластины
1.2. Динамика электронно-волнового взаимодействия в планарном МСЭ с двумерной распределенной обратной связью
1.2.1. Двумерная нестационарная модель планарного МСЭ с комбинированным двухзеркальным резонатором, состоящим из одномерного и двумерного брэгговских зеркал (геометрооптическое приближение)
1.2.2. Моделирование планарного МСЭ с комбинированным брэгговским резонатором:
а) МСЭ на основе резонатора с отражениями для поперечных волновых потоков
б) МСЭ с открытым в поперечном направлении резонатором
в) МСЭ с резонатором, обеспечивающим замыкание поперечных потоков энергии в двумерном брэгговском зеркале
Глава 2. Коаксиальный МСЭ - генератор с двумерной распределенной обратной связью
2.1. Электродинамические характеристики двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии
2.1.1. Сравнение селективных свойств различных типов брэгговских
резонаторов коаксиальной геометрии:
а) Коаксиальный резонатор с азимутально-симметричной гофрировкой

б) Коаксиальный резонатор с М -заходной винтовой
гофрировкой
в) Коаксиальный резонатор с двумерной брэгговской
гофрировкой
2.1.2. Моделирование электродинамических характеристик двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии
2.1.3. Использование двумерных брэгговских структур в качестве селективных рефлекторов
2.1.4. Полые цилиндрические резонаторы с двоякопериодической гофрировкой боковых стенок
2.2. Динамика электронно-волнового взаимодействия в коаксиальном МСЭ с двумерной распределенной обратной
связью
2.2.1. Модель и основные уравнения МСЭ - генератора с двумерной распределенной обратной связью коаксиальной геометрии (квазиоптичсское приближение)
2.2.2. Моделирование коаксиального МСЭ с двумерной
распределенной обратной связью
а) МСЭ с односекционым двумерным
брэгговским резонатором
б) МСЭ с комбинированным двухзеркальным резонатором, состоящим из одномерного и двумерного брэгговских
зеркал
2.2.3. Моделирование коаксиального 37 ГГц МСЭ с комбинированным резонатором
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчет коэффициента отражения, прохождения и рассеяния в поперечном направлении комбинированного резонатора
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Уравнения движения в планарном МСЭ с ленточным релятивистским электронным пучком
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Список цитируемой литературы
Список публикаций автора по теме диссертации

ВВЕДЕНИЕ
Генерация микроволнового излучения с импульсными мощностями в сотни мегаватт и выше имеет большое значение для целого ряда физических и технических приложений, включая нагрев плазмы, передачу электромагнитной энергии на большие расстояния, специальные радиотехнические приложения и др. Перспективными источниками мощного миллиметрового и субмиллиметрового излучения являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [1,2]. Принцип работы ЛСЭ (МСЭ) [3-6] основан на эффекте Доплера, вследствие которого частота излучения релятивистских частиц в направлении их движения существенно превосходит частоту их осцилляций [7-11].
В настоящее время по частоте излучения ЛСЭ - МСЭ занимают область от ультрафиолетового, оптического и инфракрасного [12-16] до субмиллиметрового [17-22] и миллиметрового [23-46] диапазонов
достижения большой мощности в миллиметровом диапазоне длин волн запитка МСЭ осуществляется сильноточными магнитопаправляемыми релятивистскими электронными пучками (РЭП). Фокусировка и транспортировка таких пучков в области взаимодействия, как правило, осуществляется ведущим магнитным полем [25-46], наличие которого оказывает существенное влияние на работу МСЭ [47-66].
В генераторных схемах МСЭ в качестве селективных элементов в
настоящее время достаточно широкое распространение получили
брэгговские резонаторы, выполненные в виде отрезков волноводов со слабой однопериодической гофрировкой стенок [67]. МСЭ с брэгговскими
резонаторами были предложены в [68, 69] и, фактически, явились аналогом лазеров с распределенной обратной связью (РОС) [70-72]. Достоинством брэгговских резонаторов является, во-первых, их совместимость с системами транспортировки сильноточных РЭП, во-вторых, возможность обеспечения обратной связи для волн, распространяющихся под малым углом к электронному потоку (что является необходимым требованием для

фронтом не возбуждаются. Например, не возбуждаются моды, расположенные в окрестности брэгговского резонанса 80 (рис. 1.46).
К классу «несимметричных» с точки зрения возбуждения можно отнести и наиболее высокодобротные моды двумерного резонатора, которые расположены на частоте точного брэгговского резонанса. Как отмечалось выше, эти моды вырождены и имеют весьма специфическую структуру. У моды {п = 1/ т = 0} амплитуды А+ и А_ парциальных волн на границах
резонатора в направлении их распространения стремятся к нулю (т.е. парциальные волны похожи на стоячую волну), а распространяющиеся в поперечном направлении парциальные волны с амплитудами В+ и В_ имеют антисимметричную структуру (рис. 1.4а). У моды {ц = 0;м = 1} структура парциальных волн аналогична с точностью до взаимной замены координат х и г, что в случае 1Х = I, соответствует повороту резонатора на 90°. Таким образом, возбуждение основной собственной моды двумерного резонатора (и = 0/т = 1) падающей нормально его границе плоской волной с амплитудой
А+ малоэффективно, а вырожденная с ней мода {и = 1,-т = 0} может быть
возбуждена только антисимметричным волновым пучком.
Одной из возможных реализаций несимметричного пучка, которую наиболее просто получить в условиях эксперимента, является наклонное падение плоской волны. Моделирование показывает, что оптимальные условия для возбуждения основной моды достигаются при наклонном падении, когда в падающей волне разность фаз на разных краях резонатора составляет 2к, т.е.
/1( (х, 0) = ехр (г 2жх/ 1х ). (1-16)
При возбуждении двумерного резонатора несимметричным волновым пучком в центре полосы брэгговского рассеяния возникает просветление,' соответствующее возбуждению основной и более высоких собственных мод резонатора, обладающих антисимметричной структурой (в этом случае собственным модам соответствуют максимумы в коэффициенте