Новые разновидности релятивистских электронных мазеров

• Автор: Савилов, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 346 с. : ил.

Глава I. Новые схемы режима захвата и адиабатического торможения

частиц в электронных СВЧ генераторах и усилителях

1.1. Секционированный генератор

1.1.1. Простейшая схема секционированного генератора в режиме захвата

1.1.2. Использование распределенной обратной связи в самовозбуждающейся секции

1.2. «Нерезонансный» захват в усилителях

1.2.1. Основные особенности «нерезонансного» захвата в усилителях

1.2.2. Исследование «нерезонансного» захвата в рамках

универсальных асимптотических уравнений

• 1.2.3. «Нерезонансный» захват в МЦР

1.2.4. «Нерезонансный» захват в МСЭ с ведущим магнитным полем

1.3. «Нерезонансный» захват в генераторах
1.3.1. Механизм «нерезонансного» захвата в генераторе
1.3.2. МСЭ с ведущим магнитным полем
1.4. Захват в СВЧ системе двухпучкового ускорителя
1.4.1. Усредненные уравнения движения электронов
в периодической дискретной системе
1.4.2. Система с СВЧ-связью между ячейками
и фиксированной структурой электромагнитного поля
1.4.3. Самозахват в системе с изолированными рабочими секциями без обратной связи
1.4.4. Самозахват в системе с изолированными рабочими секциями
с сильной обратной связью

Глава II. Двухмодовые схемы электронных мазеров
2.1. Кооперация бегущей и квазикритической волн в МЦР (МЦАР-гиротрон)
2.1.1. Взаимодействие волн на пучке синфазных электронов
2.1.2. Теория МЦАР-гиротрона
2.1.3. Экспериментальное исследование МЦАР-гиротрона
2.2. Кооперация прямой и встречной волн в МЦР (гиро-ЛОВ-ЛБВ)
2.2.1. Теория гиро-ЛОВ-ЛБВ с гладким волноводом
2.2.2. Теория и экспериментальное исследование гиро-ЛОВ-ЛБВ
с гофрированным волноводом
2.3. Кооперация бегущей и квазикритической волн в МСЭ-убитроне
2.3.1. Совместное возбуждение бегущей и квазикритической волн
на разных гармониках баунс-частоты
2.3.2. МСЭ на третьей гармонике баунс-частоты
2.4. Совместное усиление двух бегущих поперечных мод волновода,
связанных брэгговской структурой
Глава III. Электронные мазеры с умножением частоты
3.1. Умножение частоты при рассеянии волн электронным пучком
3.1.1. Умножение частоты в черенковской ЛОВ
3.1.2. Умножение частоты в МСЭ с ведущим магнитным полем
3.2. Группировка электронов на удвоенной частоте сигнальной волны
3.2.1. Механизм группировки на удвоенной частоте
3.2.2. Группировка электронов в поле двух волн
Глава IV. Генерация мощных коротких СВЧ импульсов
4.1. Генерация ультракоротких униполярных импульсов
квазиплоскими электронными сгустками
4.1.1.Метод получения униполярных импульсов
4.1.2. Селекция мод в полосковом волноводе
4.1.3. Моделирование излучения униполярных импульсов
4.2. Спонтанное когерентное циклотронное излучение сгустка электронов,
раскачанных лазерным импульсом
4.2.1. Свойства электронного сгустка, раскачанного лазерным импульсом
4.2.2. Моделирование процесса излучения
4.3. Использование брэгговского рассеяния волн на пространственномодулированном электронном пучке для компрессии СВЧ импульсов
4.3.1. Рассеяние волн на «гофрированном» электронном пучке
4.3.2. Компрессор СВЧ импульсов с брэгговским электронным ключом
Глава У. Динамика возбуждения и конкуренция мод в МСЭ-генераторе с нефиксированной структурой СВЧ поля и широкополосной обратной связью
5.1. Конкуренция продольных мод
5.1.1. Механизм потери устойчивости одномодовой генерации
5.1.2. Влияние дисперсии обратной связи на стабильность одночастотной генерации
5.1.3. Влияние скоростного разброса электронов на стабильность одночастотной генерации
5.1.4. Конкуренция продольных мод в генераторе «Dutch Fusion-FEM»
5.2. Перестройка частоты генерации
5.2.1. «Дискретная» перестройка частоты в случае частотной дисперсии обратной связи
5.2.2. Перестройка частоты генерации в течение длительного импульса электронного тока
5.3. Конкуренция поперечных мод
5.3.1. Возбуждение и нелинейное подавление нерезонансных паразитных поперечных мод
5.3.2. Конкуренция поперечных мод в генераторе «Dutch Fusion-FEM»
5.4. Паразитное возбуждение низкочастотных мод
5.4.1. Бегущие низкочастотные волны
5.4.2. Квазикритические низкочастотные волны
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты диссертации
и положения, выдвигаемые на защиту
ЛИТЕРАТУРА
Список цитируемой литературы
Список публикаций автора по теме диссертации

Актуальность темы диссертации. Релятивистские высокочастотные электронные мазеры позволяют существенно повысить уровень мощности излучения в диапазонах длин волн, освоенных нерелятивистской электроникой, а также продвинуться на высоких уровнях мощности в новые, доступные ранее лишь для квантовых приборов, диапазоны от субмиллиметрового до ультрафиолетового [1-7]. Соответственно, релятивистские ВЧ электронные генераторы представляются перспективными для использования при решении таких важных физических и технических проблем, как нагрев и диагностика плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, синтез новых материалов, очистка и поддержание химического состава атмосферы, спектроскопия и др. [5,6,8,9].
К настоящему времени теоретически исследовано и реализовано в эксперименте множество разновидностей релятивистских электронных приборов, основанных на различных механизмах индуцированного излучения частиц. При этом в сантиметровом диапазоне длин волн доминируют модификации традиционных приборов, основанных на черенковском и переходном индуцированном излучении электронных пучков: ЛБВ, клистрон, ЛОВ, магнетрон [10-13], а по мере продвижения в область более коротких волн оказываются более привлекательными так называемые электронные мазеры [14-27] -приборы, основанные на индуцированном тормозном излучении потоков электронов-осцилляторов, колеблющихся либо в однородном магнитостатическом поле (мазеры на циклотронном резонансе), либо в пространственно-периодическом поле накачки (убитроны и скаттроны).
Самой популярной на сегодняшний день разновидностью мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) является гиротрон [14,15] - прибор, основанный на циклотронном излучении электронов в направлении, почти перпендикулярном к направлению их поступательного движения. Достоинствами гиротронов являются их высокий КПД, а также высокая селективность генерации, которая достигается при использовании относительно простых микроволновых систем. Недостатки гиротронов обусловлены использованием в них высокодобротных квазикритических рабочих волн; к ним можно отнести определенные
~ 1 ~
Гл. I. Новые схемы режима захвата
arga(Z^)« arga(i^)-я/2
Соответственно, имеет место сдвиг фаз центров «глазков», соответствующих концу первой и началу второй секций. Как видно из рис. 1.4. а. это приводит к тому, что примерно половина электронов оказываются не захваченными вторым «глазком», что и подтверждается численными расчетами (рис.1.5.6). Напротив, при малых отражениях (Ä«l), когда большая часть мощности волны проходит через рефлектор, фазы волн в первой и в начале второй секций практически совпадают,
arg a(I(j+)) » arg a(L^ )
Это обеспечивает практический полный захват электронов волной в начале второй секции.
Чувствительность к скоростному разбросу электронов. Важнейшей характеристикой электронного СВЧ источника является его чувствительность к разбросу по входным скоростям частиц, который неизбежно присутствует в реальных электронных пучках. В рамках асимптотической модели (1.8) скоростной разброс моделируется введением разброса начальных значений энергетической переменной w:
w(Z = 0) = vvq
В расчетах будем считать, что начальные энергии частиц распределены равномерно в интервале -D/2 Как видно из рис. 1.8, электронный КПД на выходе прибора практически не зависит от величины скоростного разброса до тех пор, пока генераторная секция возбуждается достаточно «уверенно», т.е. пока КПД, достигаемый в этой секции, достаточно велик. Выходной КПД начинает уменьшаться лишь тогда, когда разброс становится велик настолько, что режим стационарной генерации первой секции оказывается вблизи стартового. В последнем случае амплитуда СВЧ поля в первой секции (а, значит, также и в начале второй секции) невелика. Соответственно, мал и энергетический размер «глазка», что препятствует захвату всех скоростных фракций электронного пучка.
~ 47 ~