Квазиоптические методы управления пространственно-временной структурой мощного микроволнового излучения

• Автор: Кузиков, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 337 с. : 122 ил.

Введение

1. Создание пассивных квазиоптическнх систем высокой мощности

1.1 Сверхразмерные периодические структуры

1.2 Эффекты Тальбота в квазиоптическнх волноводах

1.2.1 Интерференция параксиальных волновых пучков в

волноведущих системах

1.2.2 Дистанционное сканирование волнового пучка в плазме

1.2.3 Повышение эффективности волноводных систем путем

коррекции спектра их собственных волн

1.3 Транспортировка излучения по квазиоптическим линиям передачи

1.3.1 Зеркальные линии передачи

1.3.2 Волноводные и комбинированные линии передачи
1.3.3 Компоненты линий передачи
1.4 Преобразование структур полей волновых потоков
1.4.1. Методы создания преобразователей и восстановления структур волновых полей
1.4.2 Синтез волноводных систем на основе численного интегрирования уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке
1.4.3 Синтез преобразователей волн волноводов в параксиальные
волновые пучки методом интегрального уравнения
2. Переключение и компрессия микроволновых импульсов
2.1 Системы управления мощным излучением, основанные на интерференции волновых пучков в волноводах
2.2 Пассивная компрессия импульсов
2.2.1 Оптимизация электродинамических систем компрессоров
2.2.2 Синтез систем компрессии
2.3 Активные коммутаторы микроволнового излучения
2.3.1 Плазменные переключатели
2.3.2 Переключатели на основе эффекта индуцированной
фотопроводимости в полупроводниках
2.3.3 Переключатели на основе инжекторов электронных потоков
2.4 Активная компрессия импульсов
2.4.1 Компрессор импульсов на основе трехзеркального резонатора
2.4.2 Компрессоры на основе закрытых сверхразмерных
резонаторов с плазменными переключателями

2.5 Развитие методов компрессии импульсов
3 Управление колебаниями и волнами электродинамических систем мощных электронных источников излучения и ускорителей
заряженных частиц
3.1 Релятивистские гиро-приборы и мазеры на свободных электронах
3.1.1 Селекция мод в резонаторах гиротронов с
релятивистскими электронными пучками
3.1.2 Компоненты гироклистрона, работающего на последовательности объемных мод
3.1.3 Открытый брэгговский резонатор для мазера на свободных электронах миллиметрового диапазона длин волн
3.1.4 Создание источников когерентного рентгеновского излучения
на основе микроволновых ондуляторов
3.2 Увеличение темпа набора энергии заряженных частиц в линейных ускорителях суперколлайдеров
3.2.1 Экспериментальные исследования импульсного теплового нагрева
3.2.2 Возможности увеличения градиента ускорения
3.2.3 Многочастотные ускоряющие структуры и источники электронных сгустков на основе фотоинжекторов
Заключение
Приложение 1. Метод РБТЭ для расчета сверхразмерных
электродинамических систем
Приложение 2. Анализ траектории и спектра излучения релятивистской частицы, движущейся в поле бегущей электромагнитной волны
Цитированная литература
Список публикаций автора

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы
Развитие источников мощного когерентного микроволнового излучения и постоянный прогресс потребителей этого излучения в таких областях науки и техники как управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорение элементарных частиц, радиолокация и связь, плазмохимия, биология и медицина обуславливают постоянно растущие и усложняющиеся требования к электродинамическим системам, используемым для генерации, передачи и преобразования волновых потоков [1 *-20*]. Суть этих требований в конечном итоге сводится к необходимости эффективного управления параметрами излучения, его пространственной! и временной структурой.
Специфика систем высокой пиковой и средней микроволновой мощности проистекает из того, что высокочастотный пробой, омические потери и импульсный нагрев не позволяют в полной мере использовать одномодовые волноводы, а применение оптических аналогов ограничено требованиями компактности. Поэтому актуальной задачей остается развитие методов квазиоптики.
В ходе разработки пассивных квазиоптических систем управление часто подразумевает решение таких задач как сохранение заданной поперечной моды, преобразование одной или нескольких мод в другую моду или суперпозицию мод, повороты линий передачи, защита источника от отраженного излучения и другие.
При необходимости изменения направления передачи излучения, суммирования или деления волновых потоков в течение микроволнового импульса возникает потребность в коммутаторах (или переключателях). Эти устройства могут быть как пассивного типа (для переключения используется изменение фазы источников излучения), так и активного типа, в которых применяются элементы с электрически управляемыми свойствами. На основе коммутаторов обоих типов в настоящее время создаются соответствующие компрессоры импульсов, позволяющие многократно увеличить пиковую мощность излучения при укорочении его длительности.
Наиболее многообразны требования к электродинамическим системам мощных электронных источников микроволнового излучения и ускорителей элементарных частиц. Традиционно необходимо уметь управлять спектральным составом излучения, обеспечивая стабильную одномодовую генерацию или усиление микроволн. Однако развитие техники фотоинжекторов электронных сгустков, повсеместно применяемой для создания пучков в линейных ускорителях высоких энергий, требует не просто

Ленточный электронный Катушки Двумерный брэгговский
пучок ондулятора отражатель
Рис. 1.8. Брегговский резонатор МСЭ с двумерной распределенной обратной связью на частоту 70 ГГц в НГУ [39*].
Весьма популярны в настоящее время стали также структуры типа фотонного кристалла (РВв) [40*]. Такие структуры в виде периодически расположенных стержней также способны выделять единственную высокодобротную моду (Рис. 1.9). Они рассматриваются сейчас как перспективные электродинамические системы нового поколения ускоряющих структур и приборов СВЧ электроники.
Рис. 1.9. Поперечный разрез и поле рабочей моды ускоряющей структуры типа фотонного кристалла [40*].
Различные варианты гофрированных преобразователей мод рассмотрены в разделах 1.3, 1.4, 2.2.1, 2.4, 3.1 и 3.2.2 дифракционные решетки рассмотрены в разделах 1.3, 2.3, 2.4,
3.1. Селективная связь падающей волны ТЕ<ц с вращающейся по азимуту модой ТЕ6(, запертой в бочкообразном резонаторе посредством винтовой гофрировки поверхности резонатора, рассмотрена в разделе 2.2.1, отрезок волновода с винтовой гофрировкой в качестве компрессора импульсов рассмотрен в разделе 2.2.2. В разделе 3.1.1 рассмотрен резонатор гиротрона, в котором применена переменная по амплитуде гофрировка, позволившая путем изменения эффективного граничного условия усилить селективные свойства этого резонатора. В разделе 1.2.3 проанализирован сверхразмерный волновод, гофрированием стенок которого удается исправить спектр собственных мод таким образом, что он становится более эквидистантным.