Мощные релятивистские СВЧ-генераторы на основе лампы обратной волны с резонансным рефлектором

• Автор: Тотьменинов, Евгений Маркович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 135 с. : ил.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ
РЛОВ
1.1 Физические основы СВЧ-приборов
1.2 РЛОВ - генератор черенковского типа
1.3 Ограничения для повышения мощности и эффективности РЛОВ
* • Глава 2. ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГООБМЕНА В РЛОВ С ПРЕДМОДУЛЯЦИЕЙ
4 ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА
г' 2.1. Электродинамическая система РЛОВ с резонансным рефлектором
2.2. Гидродинамическая модель РЛОВ с предмодуляцией электронного потока
(ультрарелятивистское приближение)
2.3. Линейная стадия (стартовые условия)
2.4. Нелинейная стадия
2.5. Самосогласованная задача
2.6. Учёт высших гармоник пространственного заряда
® 2.7. Обоснование некоторых режимов работы РЛОВ с резонансным рефлектором
2.8. Выводы
Глава 3. ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
'-V 3.1. Эффективная РЛОВ с резонансным рефлектором в большом магнитном поле
’ 3.2. РЛОВ с резонансным рефлектором в низком магнитном поле
3.3. Механическая перестройка частоты генерации в РЛОВ с резонансным
рефлектором
3.4. Выводы

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЛОВ С РЕЗОНАНСНЫМ РЕФЛЕКТОРОМ
4.1. Приборы и техника эксперимента
4.2. РЛОВ в низком магнитном поле
4.3. Эффективная РЛОВ в большом магнитном поле
4.4. Механическая перестройка частоты генерации в РЛОВ
4.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ЛИТЕРАТУРА

Появление сильноточных электронных ускорителей в начале 70-х годов [1,2,78,79] привело к становлению релятивистской высокочастотной электроники и повышению импульсной мощности СВЧ-излучения сразу на несколько порядков [3,4,37]. В настоящее время сильноточные ускорители позволяют генерировать пучки с энергией электронов от 0.2-2 МэВ, токами в единицы и десятки килоампер и частотой повторения до 1000 Гц [75,77,80-82]. Вслед за развитием ускорительной техники происходит поступательное движение в разработке и создании мощных релятивистских СВЧ-генераторов [5-7,30,58,]. Так, к настоящему времени в экспериментах реализованы генераторы микроволнового излучения с уровнями выходной мощности 108 - 1010 Вт и длительностями СВЧ-импульсов в десятки наносекунд. Однако, практические применения СВЧ-генераторов (для целей наносекундной локации, специальных радиотехнических приложений) диктуют необходимость повышения стабильности и эффективности генерации, и увеличения энергии в СВЧ-импульсе. Актуальными также являются сохранение высокой когерентности излучения для высоких значений мощности генерации, широкая перестройка частоты генерации, экономичность.
Среди релятивистских СВЧ-генераторов наибольшее внимание уделяется релятивистской лампе обратной волны (РЛОВ) [3,4,8,29], которая была первым прибором, реализованном в разовом режиме на базе сильноточного ускорителя электронов. В последующем ряд демонстрационных экспериментов был проведен в импульсно-периодическом режиме [9,24]. Особенностью данного генератора является то, что взаимодействие ВЧ-поля с электронным пучком осуществляется через синхронную гармонику волны, которая распространяется навстречу электронному потоку. Это обеспечивает распределённую обратную связь в приборе и превращает его в генератор. Данному прибору присуща высокая степень адаптивности к изменениям параметров пучка, малое время переходного процесса, простота конструкции. Для релятивистских энергий частиц замедляющая система (ЗС) не требует высокой дисперсии (слабогофрированный волновод) и потому, обладает повышенной электропрочностью. В традиционной схеме генератора
Режимы с высоким КПД генератора реализуются в расчетах благодаря оптимальной взаимной фазировке ВЧ-тока и синхронной волны. Промодулированный в резонансном рефлекторе по энергии электронный пучок поступает в ЗС. Меняя фазу модуляции (в эксперименте длину участка дрейфа от рефлектора до входа в ЗС) мы тем самым изменяем взаимную фазировку наведенного в электронном потоке ВЧ-тока и синхронной волны на входе в пространство взаимодействия. Логично предположить, что оптимальным, с точки зрения энергообмена, является случай, когда формирующийся сгусток попадает на входе в ЗС вблизи середины тормозящих фаз поля синхронной волны и удерживается там практически на всей длине пространства взаимодействия. Такую ситуацию можно реализовать подбором соответствующей фазы модуляции (Рис. 2.10).

Рис. 2.10. Расчётные распределения амплитуды поля - а) и взаимной фазировки первой гармоники ВЧ-тока относительно области тормозящих фаз поля синхронной волны (зашрихованная область) - б) вдоль пространства взаимодействия для генератора с однородной ЗС, полученные при значениях параметров: / = 0.1, Ы = 1.1, £к =3.4, аг§(а)»0.75л-, £"0 «1, <т, «1.
Используя выражения (1.8) и (1.9) можно получить условие оптимального энергообмена. Положим, что т)»1. Далее допустим, что разделение частиц по энергии после модулятора достаточно велико и на основании граничного условия для энергии (2.7) выполняется условие |аР(0)| «1. Тогда получаем выражение для
оптимального значения модуля параметра модуляции: