Гирорезонансные приборы и СВЧ компрессоры на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности

• Автор: Самсонов, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 197 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Свойства волноводов с винтовой гофрировкой поверхности

1.1. Особенности волноводов, предназначенных

для гиропрнборов и СВЧ компрессоров

1.2. Анализ свойств рабочих волн методом возмущений

1.3. Численный анализ свойств рабочих волн

на основе конечно-разностных методов решения уравнений Максвелла

1.3.1. Общие особенности расчетов

1.3.2. Спектральный анализ продольного распределения поля

1.3.3. Анализ расчетов набега фазы волны
1.3.4. Расчет одного периода волновода и анализ нормальных волн
1.4. Методы измерения характеристик винтовых волноводов
1.5. Выводы по главе
ГЛАВА П. Гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ с винтовыми волноводами
2.1. Проблемы реализации гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ
2.2. Состояние исследований гиро-ЛБВ и гнро-ЛОВ
2.3. Особенности гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ с винтовыми волноводами
2.4. Расчет электронно-волнового взаимодействия
2.4.1. Уравнения упрощенной теоретической модели
2.4.2. Линеаризация уравнений
2.4.3. Дисперсионное уравнение
2.4.4. Устойчивость к гиротронному самовозбуждению
2.4.5. Дополнительное упрощение модели для нелинейного анализа
2.4.6. Примеры расчета гиро-ЛБВ
2.4.7. Расчеты гиро-ЛОВ и 3-мерное моделирование
2.5. Ограничения на выходную мощность и параметры электронного пучка
2.6. Электронно-оптические системы

2.7. Экспериментальное исследование гиро-ЛБВ с винтовыми волноводами
2.7.1. 8-мм гиро-ЛБВ со взрывоэмиссионным инжектором электронов
2.7.2. 3-см гиро-ЛБВ со взрывоэмиссионным инжектором электронов
2.7.3. Слаборелятивистская гиро-ЛБВ с термоэмиссионным
инжектором электронов
2.8. Экспериментальное исследование гиро-JIOB с винтовыми волноводами
2.8.1. 8-мм гиро-ЛОВ со взрывоэмиссгюнным инжектором электронов
2.8.2. 3-см гиро-ЛОВ с термоэмиссионным инжектором электронов
2.8.3. Слаборелятивистская импульсная гиро-ЛОВ с термоэмиссионным
инжектором электронов
2.8.4. Непрерывная гиро-ЛОВ для технологических приложений
2.9. Выводы по главе II
ГЛАВА III. Компрессоры частотно-модулированных СВЧ импульсов на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности
3.1. Оптимальные параметры для компрессии импульсов в волноводах
3.2. Преимущества волноводов с винтовой гофрировкой
по сравнению с регулярными волноводами
3.3. Исследование винтовых волноводов-компрессоров
3.3.1. Волновод-компрессор на относительно низких модах
3.3.2. Сверхразмерный волновод-компрессор с повышенной электропрочностью
3.4. Релятивистская ЛОВ с быстрой перестройкой частоты излучения
3.4.1. Теоретический анализ
3.4.2. Экспериментальное исследование
3.5. Компрессия импульса релятивистской ЛОВ
3.5.1. Теоретический анализ
3.5.2. Экспериментальная демонстрагия компрессии импульса ЛОВ
3.6. Выводы по главе III
Заключение
Список цитированной литературы
Список публикаций автора по теме диссертации

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность гемы диссертации
В диссертационной работе представлены исследования, направленные на создание новых мощных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн. В последние годы такие источники на основе вакуумных электронных приборов все шире используются как для исследовательских (физика плазмы, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, плазмохимия, мониторинг атмосферы, биология и др.), так и для прикладных (радиолокация, связь, модификация материалов, медицина и др.) целей [1-8]. Основными направлениями развития данных приборов являются повышение импульсной и средней мощности, расширение диапазона перестройки частоты (для генераторов) и мгновенной полосы усиления (для усилителей), повышение КПД, снижение массогабаритных параметров.
В миллиметровом диапазоне длин волн наиболее высокий уровень средней мощности обеспечивается мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), среди которых в настоящее время широко используются в приложениях только гиротроны (генераторы) [9] и гироклистроны [10, 34] (усилители), несмотря на то, что основные принципы и положения теории МЦР были впервые разработаны для гироприборов с бегущими волнами [11, 12] - ламп бегущей волны (гиро-ЛБВ) и ламп обратной волны (гиро-ЛОВ). Эти приборы аналогичны традиционным лампам бегущей и обратной волны, но отличаются от последних тем, что в них электроны двигаются по винтовым траекториям и взаимодействуют с быстрыми волнами в волноводах с гладкими стенками, благодаря чему в гироприборах удается получать очень высокие уровни мощности излучения на коротких волнах. По сравнению с гиротронами и гироклистронами, в которых используются высокодобротные резонаторы, перестройка частоты излучения в гиро-ЛОВ и полоса усиливаемых частот в гиро-ЛБВ могут быть на порядок шире. Поэтому для приложений, в которых требуются мощные широкополосные источники, гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ являются весьма привлекательными приборами, усовершенствованию которых в последние годы было посвящено довольно много исследований [15-18, 18-33]. Однако, несмотря на некоторые успешные эксперименты [22-30], широкополосных гироприборов, использующихся для приложений до сих пор не было создано. Основными проблемами реализации волноводных разновидностей МЦР являются их сильная критичность к скоростному разбросу частиц вследствие доплеровского уширения линии циклотронного резонанса и низкая устойчивость по отношению к самовозбуждению колебаний на квазикритических частотах. В диссертации представлены исследования, развивающие и

а) б) в)
Рис, 1,3. Дисперсионные диаграммы, иллюстрирующие качественное изменение свойств нормальной моды IV при небольшом изменении параметров гофрировки: групповая скорость моды 14' в зависимости от к а) знакопеременна, б) имеет одну точку обращения в нуль и в) монотонна.
содержащаяся в которой парциальная волна В взаимодействует с частицами. Небольшое изменение параметров гофрировки в данном случае позволяет существенно менять групповую скорость рабочей волны, оптимизируя тем самым добротность резонатора оротрона.
В работе [66] исследуются особенности и преимущества работы мазера на свободных электронах (МСЭ) с электродинамической системой, в которой квазикритическая мода А является запертой в резонаторе, ограниченном, например, закритическими сужениями, а синхронное взаимодействие электронов на допплеровски повышенной частоте, происходит с бегущей парциальной волной В (рис. 1.46), которая кроме взаимодействия с частицами, используется также для вывода энергии из резонатора. В данном случае рабочее колебание резонатора составляют нормальные моды }¥ я V. Изменение амплитуды гофрировки изменяет соотношение мощностей запертой и выбегающей из резонатора мод, что позволяет, как и в отмеченном выше случае оротрона, оптимизировать добротность рабочего колебания.
Подобный принцип регулировки добротности рабочего колебания генератора предлагался ранее в работе [65] для использования в гиротроне. Так же, как и в обсужденном выше случае МСЭ, неглубокая винтовая гофрировка поверхности резонатора осуществляет связь между запертой квазикритической модой и бегущей волной, выносящей энергию. Однако синхронизм электронов в данном случае осуществляется с парциальной модой А, содержащейся в нулевой гармонике Флоке комбинации нормальных мод винтового волновода, образующих рабочее колебание резонатора (рис. 1,4в).
Отметим, что в волноводе с винтовой симметрией поверхности для каждой нормальной моды существует парная «антисимметричная» мода, которая образована