Увеличение длительности импульсов излучения в мощных релятивистских СВЧ генераторах посредством предотвращения развития пробойных явлений

• Автор: Иляков, Евгений Викторович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 165 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
I. Систематизация и исследование факторов, ограничивающих длительность
излучения в СВЧ приборах с микросекундными РЭП
1.1. Пространственно-временные характеристики РЭП, формируемого магнитоизолированным инжектором со взрывной эмиссией
1.2. Изучение и систематизация процессов, ограничивающих длительность
СВЧ излучения в релятивистском черенковском генераторе
1.3. Анализ факторов, приводящих к появлению свободных нейтралов
в электродинамической системе генератора и к развитию СВЧ пробоя
1.4. Экспериментальное исследование электропрочности гладких
и гофрированных волноводов в 3 см диапазоне длин волн
Краткие выводы к главе I
II. Исследование и создание микросекундного ускорителя с термоэмиссионным
инжектором, формирующим стабильный РЭП с малым разбросом скоростей
2.1. Электронно-оптические системы для формирования пучков
с прямолинейными и винтовыми траекториями электронов
2.2. Анализ и оптимизация исходных параметров созданного ускорителя
2.3. Система диагностики параметров мультимикросекундных РЭП
и микроволнового излучения
2.4. Экспериментальное исследование характеристик полученных пучков
Краткие выводы к главе II
III. Исследование источников мощного СВЧ излучения с мультимикросекундной длительностью импульсов
3.1. Релятивистский карсинотрон с длиной волны Зсм
3.2. Высокоэффективный релятивистский гиротрон с длиной волны 3 см
Краткие выводы к главе III
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы За последние тридцать лет на базе быстрого развития высоковольтной импульсной техники [1-2] и создания сильноточных электронных ускорителей (СЭУ) [3-5] сформировалось и интенсивно развивалось одно из самых перспективных направлений в физической электронике - релятивистская СВЧ электроника [6,7]. Основные её задачи на первых этапах связывались с проблемой повышения мощности излучения в стандартных микроволновых диапазонах.
Интенсивные исследования взаимодействия релятивистских электронных потоков (РЭП) с полями СВЧ электродинамических структур привели к созданию как релятивистских аналогов традиционных электронных приборов (ЛБВ, ЛОВ, клистронов, магнетронов, оротронов, гирорезонаненых систем), так и ряда специфических приборов (лазеров на свободных электронах, виркаторов, приборов со скрещенными полями в магнитоизолированных линиях - MILO и др.). Для коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн наиболее перспективными - в плане достижения устойчивой высокоэффективной генерации «сверхмощного» когерентного излучения - оказались одномодовые генераторы индуцированного черенковского излучения с непрерывным отбором энергии у прямолинейных трубчатых РЭП [7,8]: получена выходная мощность до 10*-]О'1 Вт при КПД 10-20% (на длине волны 3 см). Однако, гигантские энергетические возможности РЭП до сих пор использованы далеко не полностью главным образом из-за эффекта укорочения СВЧ импульса. Вместе с тем, хорошо известно, что увеличение энергии излучения в таких приборах хотя бы до уровня 1000 Дж может вызвать «революционные» [9] преобразования в ряде важнейших физико-технических областей, таких, как создание ускорителей заряженных частиц на сверхвысокие энергии (суперколлайдеров) [10-12], разработка радиолокационных устройств [13] и систем их подавления [14], исследование воздействия мощного излучения на плазму [15], накачка газовых лазеров [16] и т.д.
Уже на первой стадии экспериментов с черенковскими генераторами на базе сильно-точных РЭП отмечалось более раннее окончание СВЧ излучения по сравнению с импульсом тока пучка [17-20], и предлагались различные механизмы такого «укорочения». Постепенно проблема ограничения длительности импульса излучения выдвинулась на первый план и заняла одно из важнейших мест в исследованиях релятивистских СВЧ источников как в отечественных коллективах (ФИ РАН, ИОФ РАН, МГУ, ИСЭ СО РАН, ЛТУ, ИПФ РАН и др.), так

и за рубежом. Она стала предметом широкого обсуждения в рамках специальных международных конференций [9,21-25] под общим наименованием «Microwave pulse shortening».
Представленные в настоящей диссертационной работе результаты изучения нестационарных и пробойных явлений в релятивистских СВЧ генераторах, а также данные по реализации мультимикросекундных импульсов микроволнового излучения, полностью принадлежат указанному актуальному направлению физических исследований в области релятивистской СВЧ электроники.
Задачи исследований. В процессе исследований релятивистских СВЧ приборов были выявлены различные физические факторы, ведущие к ограничению длительности импульса излучения. Однако, исследования проводились в различных условиях и с различными типами приборов и до последнего времени вопросы систематизации этих факторов и установления их «иерархии» (по возможности устранения) составляют предмет оживлённой дискуссии [9,19,21-23].
Как уже отмечалось импульсы СВЧ излучения в прямопролётных черенковских генераторах обычно много короче импульсов сильноточного РЭП, см. рис.1 [8,20,25-27]. Чем выше СВЧ мощность, тем короче СВЧ импульс, как это видно из данных рис.2 для релятивистских J10B, работающих на моде ТМщ в 3 см диапазоне длин волн. Согласно этим данным энергия излучения в импульсе у всех источников примерно одинакова (10ч-20 Дж). Среди многих причин такого ограничения, как теперь установлено [9,21-23], главная роль принадлежит электронно-ионным механизмам, т.е. образованию плазменных очагов, нарушающих нормальное функционирование генератора. Остальные физические факторы укорочения СВЧ излучения могут легче подавляться вариациями конструкции и режима работы (например, подбором ведущего магнитного поля).
Во всех черенковских приборах (см. рис.З) с сильноточным РЭП от взрывоэмиссионного катода в сильном магнитном поле «первоочередные» (для исследования и подавления) факторы разрушения СВЧ генерации связаны с эволюцией параметров пучка за время его существования. К таким факторам следует отнести разлёт эмиттирующей катодной плазмы и развитие пучковых неустойчивостей (диокотронной и др.), что приводит к постепенному' расширению трубчатого РЭП, изменению его тока (импеданса пушки) и другим негативным явлениям [28-30]. В приборах с сильными СВЧ полями эти факторы дополняются поперечной СВЧ расфокусировкой [21], появлением вблизи поверхности замедляющей структуры отражённых электронов из коллекторной области (особенно низкоэнергетичных фракций отработанного пучка). Однако и при оптимальном подборе параметров инжекгора, и при увеличении магнитного поля, когда перечисленные факторы исключаются [23], длитель-

очередь, возникновением и распространением плазмы в областях входной диафрагмы и коллектора. Гофрированная ЗС, изготовленная электрохимическим методом из меди, имела хорошее согласование с выходным волноводным трактом в широком диапазоне частот благодаря плавному (адиабатическому) переходу внутри генератора (рис. 1.4). Проведенные предварительно “холодные” измерения показали, что в проектируемом рабочем диапазоне частот коэффициент отражения по мощности от согласующего перехода не превышает 5% [30а]. С помощью такого согласования предполагалось не только повысить адаптивные свойства карсинотрона, но и уменьшить поля в его объеме.
Для устранения источника плазмы - адсорбированных молекул - на поверхности коллектора из нержавеющей стали с внутренним диаметром 100 мм его температура могла повышаться до 450 °С с помощью специального нагревателя, см. рис. 1.5. При таком прогреве, как известно [36], происходит практически полная десорбция молекул остаточных газов, находившихся изначально на металлической поверхности в вакууме.
Была также сделана оценка возможности разрушения поверхности коллектора электронным пучком (с выбросом нейтралов). Согласно рис. 1.2,6, максимальная плотность тока РЭП в пространстве взаимодействия составляет примерно 200 А/см2 - на расстоянии от оси гт=17.5 мм. В области коллектора плотность тока существенно падает из-за декомпрессии пучка в плавно спадающем магнитном поле, так что на радиусе 50 мм у поверхности коллектора она составляет около 25 А/см2. Заметим попутно, что при таких плотностях тока ударная тренировка поверхности, при которой каждый релятивистский электрон удаляет с поверхности примерно одну адсорбированную молекулу [36,68], происходит весьма медленно: чтобы десорбировать один монослой молекул, т.е 10ь молекул с 1 см2, требуется не менее 10 мкс. С помощью корректирующего соленоида силовые линии магнитного поля, вдоль которых осаждается РЭП, можно направить на цилиндрическую поверхность коллектора под острым углом и, таким образом, еще в несколько раз понизить плотность тока осаждаемого пучка. Анализ автографов пучка на мишени из нержавеющей стали и полученного распределения плотности тока в пучке показали, что при наших параметрах РЭП плавление коллектора начинается при выделении на поверхности примерно 20 Дж/см2. Эти значения были позднее подтверждены и уточнены при изучении автографов РЭП, сформированного в инжекторе с термоэмиссионным катодом (гл.П), где пучок за время импульса не расширялся и имел достаточно однородную плотность тока по сечению.