Теоретическое исследование эффектов умножения частоты и захвата электронов в гироприборах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн

• Автор: Бандуркин, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Глава I. ГИРОУМНОЖИТЕЛИ С ВНЕШНИМ СИГНАЛОМ
1.1. Оптимальные условия генерации в клистронной схеме
1.2. Подавление группировки на низких гармониках
1.3. Разрежение спектра гармоник тока за счет модуляции пучка на умноженной частоте внешнего сигнала
Глава Н. САМОВОЗБУЖДАЮЩИЕСЯ ГИРОУМНОЖИТЕЛИ
II. 1. Клистронная схема
11.2. Однорезонаторная схема с однородным магнитным полем
11.3. Однорезонаторная схема с профилированным магнитным полем
Глава III. МЦР В РЕЖИМЕ «НЕРЕЗОНАНСНОГО» ЗАХВАТА ЧАСТИЦ
III. I. Захват в усилителе
111.2. Захват в умножителе частоты
111.3. Захват в генераторе
Приложение. «НЕРЕЗОНАНСНЫЙ» ЗАХВАТ В УБИТРОНЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ;
ЛИТЕРАТУРА
В настоящее время мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) [1-6] являются наиболее мощными источниками СВЧ излучения в миллиметровом диапазоне длин волн. МЦР успешно используются в различных физических и технических приложениях, в частности для нагрева и диагностики плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, спектроскопии и диагностики различных сред, синтеза новых материалов и плазмохимии [7-11]. Приборы этого класса основаны на индуцированном тормозном излучении электронов, вращающихся в магнитном поле [12-17]. В отличие от приборов, основанных на черенковском и переходном излучении заряженных частиц (ЛБВ, ЛОВ, магнетроны, клистроны и др.), где взаимодействие частиц происходит с замедленными волнами, фазовая скорость которых меньше скорости света, в МЦР электроны могут взаимодействовать с быстрыми электромагнитными волнами. Это свойство тормозного излучения позволяет использовать в качестве электродинамических систем МЦР гладкие волноводы и резонаторы с размерами, существенно большими длины волны излучения. В диапазоне миллиметровых волн это позволяет получать в циклотронных мазерах значительно большую мощность, чем в черенковских приборах.
Наиболее распространенной и развитой разновидностью МЦР является слаборелятивистский гнротрон [2,5], в котором электроны взаимодействуют с волнами, распространяющимися почти поперек магнитостатического поля. Такое взаимодействие обеспечивает ряд преимуществ гиротрона перед другими типами МЦР, а именно, низкую чувствительность к разбросу скоростей частиц в пучке из-за отсутствия доплеровского сдвига частоты, обусловленного поступательным движением частиц, высокую селективность, позволяющую работать на модах с очень высокими индексами, простоту электродинамической системы. К настоящему времени гиротронами достигнута высокая мощность излучения (до 1 МВт в квазинепрерывном режиме на частоте 170 ГГц [18-21]). В гиротроне на первой циклотронной гармонике при использовании очень сильных импульсных магнитных полей получено излучение на частоте до 650 ГГц [22] с мощностью до 40 КВт; в гиротроне на второй гармонике при использовании криомагнита получена непрерывная генерация на частоте до 850 ГГц с мощностью в несколько десятков ватт [23]. Определенным недостатком гиротронов является трудность обеспечения широкополосной (более 1%) перестройки частоты излучения. Кроме того, частота излучения слаборелятивистских гиротронов существенно ограничена величиной магнитного поля. Между, тем в настоящее время актуальным, в первую очередь в задачах спектроскопии, представляется увеличение частоты излучения вплоть до нескольких
терагерц при одновременном обеспечении достаточно широкополосной перестройки частоты. В связи с этим весьма востребованным является развитие тех разновидностей МЦР, в которых может быть получена большая частота излучения (при той же величине магнитного поля), и которые обладают более широкой частотной полосой.
Одним из хорошо известных способов повышения частоты излучения является переход к работе на высоких циклотронных гармониках [23-28]. В принципе, данный подход позволяет в несколько раз увеличить рабочую частоту гиротрона при фиксированной величине магнитного поля; для. повышения эффективности электронноволнового взаимодействия на высоких гармониках часто применяются существенно релятивистские (сотни кэВ) электронные пучки [26,28]. Другая возможность повышения частоты МЦР связана с использованием доплеровского преобразования при излучении в попутную волну с фазовой скоростью, близкой к скорости света. Метод доплеровского увеличения частоты используется в мазерах на циклотронном авторезонансе (МЦАР) [3,4,29-31], в которых электроны взаимодействуют с волнами, распространяющимися под малым углом к магнитному полю. В ультрарелятивистском случае частота излучения МЦАР растет пропорционально релятивистской энергии частиц [30]. При этом, согласно теории [29,30], благодаря эффекту авторезонанса [32,33] с ростом релятивизма не происходит резкого снижения КПД.
Несмотря на указанные достоинства, МЦАР и гиротроны на высоких (третьей и выше) циклотронных гармониках пока не получили широкого распространения, оставаясь, в основном, в стадии лабораторных экспериментов. Это связано, прежде всего, с тем, что в большинстве экспериментов [23,27,28,34-43] КПД этих приборов оказался сравнительно низким: существенно ниже значений, предсказываемых теорией, и ниже, чем у традиционных гиротронов на первой циклотронной гармонике. Такая ситуация вызвана рядом принципиальных факторов. Одной из основных причин невысокого КПД гиротронов на высоких циклотронных гармониках, не позволяющей работать при оптимальных токах, является конкуренция со стороны мод резонатора, возбуждающихся на основном циклотронном резонансе. Поскольку при не очень больших энергиях частиц связь электронов с полем ослабевает с ростом номера гармоники, такие низкочастотные колебания имеют значительно меньшие стартовые токи, чем моды, возбуждаемые на высоких гармониках, и возбуждаются раньше рабочих колебаний. При . этом взаимодействие с низкочастотным полем приводит к такому динамическому разбросу электронов, который делает пучок непригодным для высокочастотной генерации. Низкий КПД большинства реализованных МЦАР связан с высокой чувствительностью этого прибора к разбросу электронов по скоростям, обусловленной доплеровским сдвигом
Благодаря этому обеспечивается модуляция электронного пучка на частоте 52ю, + 5,ш2, что в случае о, = со2 = сот эквивалентно умножению частоты внешнего НЧ сигнала в первом резонаторе в N =+ Л'2 раз.
Обеспечение необходимой структуры ПОЛЯ
Как было показано, существуют два эквивалентных метода организации взаимодействия на умноженной частоте внешнего сигнала в модулирующей секции умножителя. В первом используется близкая к резонансу (1.1.1а) с пучком сигнальная волна, коэффициент связи электронов с которой периодически профилирован специальным образом. Во втором методе используются две далеких от резонанса (1.1.1а) волны, но выполнено условие «усредненного» резонанса (1.3.9). С точки зрения реализации, возможно, более удобен второй способ. Он особенно привлекателен в случае встречно распространяющихся волн с одинаковыми частотами со,=(В2=о)нч и отношением продольных волновых чисел /|,//?2 =-5,/^ в виде рациональной дроби, когда условие (1.3.9) принимает простую форму (рис. 1.13а)
сонч=П. (1.3.11)
Такая схема может быть реализована, например, в двухзеркальном брэгговском резонаторе (рис. 1.136) [87,88], где прямо распространяющаяся волна с продольным волновым числом И| вводился в резонатор через левое зеркало, затем трансформируется в правом рефлекторе в обратную волну с волновым числом Иг = -Л,а'2/з',, а затем снова рассеивается в исходную волну внутри левого рефлектора. При этом период гофрировки зеркал й должен отвечать условию
(1-3.12)

В случае точного равенства (1.3.12) медленные комплексные амплитуды прямой (а) и встречной (Ь) волн подчиняются системе уравнений для связанных волн
— = ;о6, — = -юа, (1.3.13)
ск сЬ
где коэффициент связи волн о имеет противоположные знаки в левом и правом зеркалах и равен нулю в регулярной части. Если длины зеркал равны, то отражение внешнего сигнала от резонатора отсутствует, а структура поля симметрична относительно середины системы (рис. 1,136). Продольное распределение амплитуд прямой и встречной волн в левом зеркале в этом случае имеет вид
а(я) = АсЦоз), Ь{г) = -г'/1$Ь(аг), (1.3.14)
: 50-