Методы повышения мощности излучения низковольтных черенковских генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона

• Автор: Махалов, Пётр Борисович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 165 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1 Клинотронные режимы в черенковских генераторах
1.1 Влияние электронного пучка на продольную структуру СВЧ-поля в ЛОВ-клинотроне
1.1.1 Уравнения ЛОВ-клинотрона с нефиксированной структурой поля
1.1.2 Режим малого сигнала
1.1.3 Нелинейный режим
1.2 Клинотронный режим работы оротрона
1.2.1 Теория оротрона с наклонным электронным пучком
1.2.2 Влияние высокочастотного пространственного заряда
Глава 2 Умножение частоты в приборах оротронного типа
2.1 Умножитель частоты с самовозбуждающейся низкочастотной поверхностной волной
2.2 Возможности использования широких электронных пучков
2.2.1 Влияние высокочастотной волны на структуру поверхностной волны
2.2.1.1 «Клистронная» модель
2.2.1.2 Численное моделирование
2.2.2 Влияние дифракции на поперечную структуру поверхностной волны
2.2.2.1 Линейный режим
2.2.2.2 Нелинейный режим
2.2.3 Моделирование РІС кодом
2.3 Экспериментальное исследование оротронного умножителя частоты
Глава 3 Теоретическое исследование аксиально-симметричных черенковских приборов с тонкостенными электронными пучками
3.1 Использование тонкостенных пучков для повышения мощности излучения

3.2 Приборы оротронного типа
3.2.1 Оптимизация резонатора оротрона
3.2.2 Неадиабатический вывод излучения
3.2.3 Численное моделирование оротрона
3.3 Лампы обратной волны
3.4 Возможности умножения частоты
Заключение
Приложение А Вывод уравнения возбуждения ЛОВ с глубокой гофрировкой поверхности замедляющей системы
Приложение В Исследование точек равновесия умножителя частоты с широким
электронным пучком в рамках «клистронной» модели
Список литературы

Введение
Когерентное электромагнитное излучение миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн используется для широкого круга различных приложений, включая спектроскопию и диагностику различных сред и объектов, системы связи, радары, обработку и спекание различных материалов, нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза и многие другие. В связи с разнообразием приложений велик и диапазон требований, предъявляемых к источникам коротковолнового излучения [1]. Так, для большинства спектроскопических методов достаточно излучения с малой мощностью, от долей нановатта до милливатт, для получения которого используются, как правило, твердотельные приборы, работающие на классических (в миллиметровом диапазоне) или квантовых (в ТГц диапазоне) принципах. Максимальная мощность этих приборов коротковолнового диапазона не превышает десятков ватт на частоте 30 ГГц, около 1 Вт на частоте 100 ГГц и около 1 мВт на частоте 1 ТГц [2]. Для нагрева плазмы в установках УТС, где требуются десятки мегаватт непрерывной мощности на частотах от 70 до 300 ГГц, используются мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) — гиротроны [3-5]. В то же время в качестве источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения средней мощности используются преимущественно классические электровакуумные СВЧ-приборы О-типа, в первую очередь лампы бегущей (ЛБВ) [6] и обратной (ЛОВ) [7-9] волны, основанные на черенковском взаимодействии прямолинейных электронных потоков с медленными электромагнитными волнами или медленными пространственными гармониками волн в металлических периодических структурах. В области их применимости основным преимуществом черенковских приборов перед гиротронами является отсутствие необходимости применения дорогих сверхпроводящих криомагнитов.
В настоящее время черенковские приборы позволяют получать когерентное электромагнитное излучение во всем миллиметровом диапазоне и в значительной части субмиллиметрового диапазона (до длин волн около 0,2 мм). Наиболее высокочастотными приборами с медленными волнами являются низковольтные (до 6 кВ) лампы обратной волны малой мощ-

о 50 100 150 200 250 300 350

Рис. 1.6: а): Нормированный электронный КПД клинотрона в зависимости от приведённой длины пространства взаимодействия; кривые обрываются в точках переходов к нестационарным режимам; б): пример нестационарного режима; в: пример стационарного режима.
клинотроне нормированный КПД
V = {и)в
для большинства электронных фракций превосходит максимальный нормированный КПД ЛОВ, который в нормировке (1.6)—(1.8) примерно равен 0,8 [45].
Так как количество параметров в рассматриваемой задаче достаточно велико (а, Ь, £тт, Стах). были рассмотрены лишь два случая расположения электронного пучка по отношению к периодической структуре.
В первом случае пучок толщиной аЬ падает на структуру длиной Ь, причем начало осаждения пучка на структуру совпадает с началом структуры, Стт = 0, а площадь осаждения пучка совпадает с площадью структуры (рис. 1.5 а). Таким образом, задача имеет два независимых параметра — угол наклона электронного пучка а и полную длину замедляющей структуры Стах = с*Т. Согласно моделированию, в нерезонансном клинотроне в случае, соответствующем рис. 1.5 а, при изменении угла о в пределах от 0 до 0,75 средний электронный КПД не превышает 0,7, что даже несколько меньше значения, соответствующего обычной ЛОВ (рис. 1.6). Очевидно, что частично этот эффект связан с наличием электронных фракций с малой дли-