Мощные мазеры на свободных электронах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью

• Автор: Песков, Николай Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 307 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ОДНОМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

1.1. Особенности электронно-волнового взаимодействия в

МСЭ с ведущим магнитным полем

1.2. Динамика МСЭ с одномерной распределенной

обратной связью

а) одночастотные и многочастотных режимы генерации в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов

б) режим стартовой моды

в) эффект расщепления рабочей моды в сверхразмерном брэгговском резонаторе со скачком фазы гофрировки
1.3. Экспериментальные исследования 30-ГГц МСЭ-генератора
с одномерной распределенной обратной связью
а) сравнение режимов работы МСЭ с прямьм и обратным
ведущим магнитным полем
б) экспериментальное наблюдение конкуренции продольных мод
в МСЭ с двухзеркальным брэгговским резонатором
в) высокоэффективный МСЭ на основе резонатора
со скачком фазы гофрировки
г) механическая перестройка частоты излучения в МСЭ-генераторе с брэгговским резонатором
д) исследование группировки частиц в МСЭ
е) эффект расщепления мод в МСЭ
со сверхразмерным брэгговским резонатором
1.4. Использование ОИЯИ-ИПФ МСЭ-генератора для исследования теплового ресурса меди
1.5. Продвижение МСЭ в коротковолновые диапазоны на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих
связь бегущих и квазикритических мод

ГЛАВА 2. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПЛАНАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ
2.1. Модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волн
на планарной двумерной брэгговской структуре
2.2. Электродинамические свойства двумерных брэгговских
резонаторов планарной геометрии
2.3. «Холодные» измерения двумерных брэгговских
резонаторов планарной геометрии
2.4. Пространственная синхронизация излучения в планарных МСЭ
с двумерной распределенной обратной связью
а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором
б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал
в) многопучковый планарный МСЭ-генератор
2.5. Экспериментальное исследование 75-ГГц МСЭ с ленточным релятивистским электронным пучком и двумерной
распределенной обратной связью
а) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с
двумерными брэгговскими отражателями
б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал
ГЛАВА 3. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ
ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ КОАКСИАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ
3.1. Модель и основные уравнения, описывающие двумерный брэгговский резонатор коаксиальной геометрии
3.2. Особенности спектра мод двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии
а) дисперсионные характеристики нормальных волн двоякопериодически гофрированных коаксиальных волноводов
б) селекция мод в двумерных брэгговских резонаторах коаксиальной геометрии
3.3. Динамика коаксиальных МСЭ-генераторов с двумерной распределенной обратной связью
а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором
б) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с двумя
двумерными брэгговскими отражателями
в) коаксиальный МСЭ с комбинированным резонатором,
состоящим из одномерного и двумерного брэгговских зеркал
3.4. Экспериментальное исследование 37-ГГц МСЭ с трубчатым релятивистским электронным пучком
и двумерной распределенной обратной связью
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. Создание мощных импульсных источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения является актуальной задачей электроники больших мощностей. Потребность в таких источниках обусловлена рядом фундаментальных задач и практических приложений, включая физику плазмы и твердого тела, фотохимию, биофизику, спектроскопию, визуализацию скрытых объектов, исследование свойств различных сред и синтез новых материалов, исследование свойств атмосферы, ускорительные приложения и т.д.
В настоящее время наибольшая мощность излучения получена с помощью гиротронов [1,2], которые при использовании субрелятивистских (до 100 кэВ) электронных пучков позволили освоить миллиметровый диапазон на мегаваттиом уровне мощности [3 - 6] и продвинуться в субмиллиметровый диапазон с мощностью в десятки киловатт [7, 8]. Перспективными источниками, способными обеспечить в указанных диапазонах узкополосное излучение с мультимегаваттным (~ 10 - 103 МВт) уровнем мощности, являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [9-14]. Принцип работы ЛСЭ (МСЭ) основан на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле) релятивистских электронных пучков (РЭП) в условиях доплеровского преобразования частоты [15 - 20]. Это позволяет получать излучения на частотах, существенно превосходящих частоту колебаний частиц. Таким образом, по частоте излучения ЛСЭ занимают довольно обширную область от рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного [21-40] до терагерцового диапазонов [41-52], а МСЭ -субмиллиметровый, миллиметровый и сантиметровый диапазоны [53 - 82].
Для достижения больших импульсных мощностей в микроволновом диапазоне при запитке МСЭ используются сильноточные (~0.1 - 10 кА) РЭП с умеренной энергией частиц (~ 0.5 - 1.5 МэВ). Формируются эти пучки либо ускорителями прямого действия, либо линейными индукционными ускорителями. Мощность таких пучков достигает -0.1 - ЮГВт, а фокусировка и транспортировка в области взаимодействия, как правило, осуществляется ведущим магнитным полем. Проведенные теоретические [83 - 102, 1А - 8А] и экспериментальные [61 - 78, 9А - 17А] исследования показали, что наличие этого поля существенно влияет как на процесс формирования винтовых РЭП, так и на работу МСЭ.

Данный раздел посвящен теории МСЭ-генераторов с адиабатически включающимся ондуляторным полем. Следует отметить, что нелинейной теории МСЭ с ведущим магнитным полем посвящено большое число публикаций (см., например, [88 - 92]). Отличительной особенностью данной работы является то, что в ней использован оригинальный подход, основанный на усредненном описании движения электронов в условиях синхронизмов (1.1.2) и (1.1.3) [1А - 4А]. Такой подход позволил определить особенности энергообмена частиц при разных соотношениях баунс- и циклотронных частот и указать механизмы повышения КПД.
Движение электронов в секции раскачки
Рассмотрим движение электронов вблизи оси винтового ондулятора, где магнитное поле имеет круговую поляризацию
Ни =Я„(г)(х0соз/г„г + >;051п/7„г). (1.1.4)
Здесь ки=2л/с1и, НДг) - медленно меняющаяся вдоль продольной координаты г амплитуда, описывающая плавное включение ондуляторного поля. Поперечной неоднородностью ондуляторного поля на траектории электронов здесь пренебрегаем .
Движение электронов в ондуляторном поле (1.1.4) и однородном магнитном поле Н0 = Нй1й описывается уравнением
77-'Р+=-ю.е*> 0-1.5)
где сделан переход к безразмерным переменным: 2 = /г = (рх +1ру )/тс,
фактор, аи =eHulhumc1, / = coH0/huc, a>H0 =еН0/тс - нерелятивистская гирочастота.
Представляя решение (1.1.5) в виде р+ = (р, +ip2)e'z, где р12 - действительные величины, и учитывая, что энергия частицы при движении в магнитном поле сохраняется Е = уте1 = const преобразуем уравнения (1.1.5) к виду
' Движение электронов с учетом поперечной неоднородности ондуляторного поля рассмотрено в [2А, 7А]. Энергообмен магнитонаправляемого ленточного РЭП в планарном ондуляторе исследован в п.2.
проекции импульса, у - релятивистский масс-
(1.1.6)