Релятивистские одномодовые СВЧ-генераторы на основе сильноточных электронных ускорителей

• Автор: Полевин, Сергей Декабревич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 221 с. : ил.

РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ОДНОМОДОВЫЕ СВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ НА ОСНОВЕ СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ
I. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ
§1.1. Схема построения и параметры ускорителей
§1.2. Формирование и транспортировка электронного пучка
§1.3. Измерение параметров электронного пучка и СВЧ-импульсов
II. ОДНОМОДОВЫЕ РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЧЕРЕНКОВСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА С ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗВИТЫМИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ
§2.1. Теоретические предпосылки создания эффективных релятивистских
черенковских генераторов в миллиметровом диапазоне длин волн
§2.2. Генератор, основанный на вынужденном излучении Смита-Парселла
§2.3. Релятивистские генераторы стержневой волны
§2.4. Секционированный релятивистский черенковский генератор
§2.5. Генерация мощного миллиметрового излучения с частотой
повторения до 1000 Гц
III. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ (ЛОВ)
§3.1. Основные особенности релятивистской ЛОВ
§3.2. Исследования релятивистской ЛОВ сантиметрового диапазона
3.2.1. Влияние попутной волны на эффективность релятивистской ЛОВ
3.2.2. Релятивистская ЛОВ с переменной фазовой скоростью синхронной гармоники
3.2.3. Релятивистская ЛОВ с импульсной мощностью 3 ГВт
§3.3. Резонансная релятивистская ЛОВ дециметрового диапазона
3.3.1. Конфигурация резонансной ЛОВ и результаты численного моделирования
3.3.2. Экспериментальные исследования на ускорителе «СИНУС-7»
3.3.3. Резонансная ЛОВ с системой питания на основе взрывных магнитокумулятивных генераторов

IV. ОГРАНИЧЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ В РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЛАМПЕ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
§4.1. Экспериментальные исследования
§4.2. Механизм ограничения длительности импульсов
§4.3. Методы увеличения длительности микроволновых импульсов
4.3.1. Повышение электропрочности электродинамической системы ЛОВ
4.3.2. Эксперименты на ускорителе «СИНУС-7»
4.3.3. Эксперименты с использованием высоковольтного генератора Маркса с водяной формирующей линией («СТЕНД»)
V. ДВУХСЕКЦИОННЫЙ ОДНОМОДОВЫЙ ВИРКАТОР
§5.1. Механизмы генерации излучения в виркаторах
5.1.1. Возбуждение колебаний в односекционной и двухсекционной системах
5.1.2. Численное моделирование в одномерной модели. Режим
высоких КПД
§5.2. Двухсекционный виркатор дециметрового диапазона
5.2.1. Электродинамическая система виркатора
5.2.2. Трехмерное моделирование (Р1С- код КАРАТ)
§5.3. Эксперименты на ускорителе «СИНУС-7»
§5.4. Эксперименты с использованием субмикросекундных высоковольтных
генераторов
5.4.1. Виркатор на основе компактного генератора с индуктивным накопителем энергии и электровзрывным прерывателем тока
5.4.2. Причины ограничения длительности микроволновых импульсов в двухсекционном виркаторе
5.4.3. Виркатор на основе генератора Маркса с водяной формирующей линией («СТЕНД»)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

История вопроса и актуальность темы
За последние несколько десятилетий источники мощного когерентного СВЧ-излучения нашли широкое применение в различных областях науки и техники, таких как физика плазмы, спектроскопия, физика твердого тела, онкология, управляемый термоядерный синтез, радиолокация и др. Бурное развитие высоковольтной импульсной техники [1,2] позволило разработать эффективные методы генерации интенсивных пучков релятивистских электронов с энергией превышающей их энергию покоя (тс2 = 511 кэВ, где т - масса покоя электрона, с -скорость света). С появлением в конце 60-х годов сильноточных электронных ускорителей прямого действия [3,4], позволявших в режиме взрывной эмиссии формировать релятивистские электронные пучки (РЭП) с плотностью тока 103-106А/см2 и мощностью 108-1013 Вт открылись перспективы существенного повышения импульсной мощности излучения в освоенных нерелятивистской (классической) электроникой диапазонах длин волн [5], а также создания мощных СВЧ-генераторов в более коротковолновых диапазонах [6]. Качественное изменение взаимосвязи энергии тс2у и скорости частиц V (у= (-У21с2)ЛГ1 -релятивистский фактор), приближающейся к скорости света, не могло не привести к существенному изменению поведения электронов при их взаимодействии с электромагнитными волнами [6]. Это потребовало развития новых методов исследований и расчетов в электронике СВЧ. Стало возможным создание принципиально новых релятивистских микроволновых приборов.
Теоретическая основа для описания приборов с прямолинейными ультрарелятивистскими электронными пучками была заложена работой М.И. Петелина [7], где выводится закон, связывающий основные параметры генератора и энергию используемых частиц. Эта связь, называемая еще принципом подобия, показывает возможность сохранения высокого КПД прибора при сколь угодно высокой энергии электронов. Аналогичный закон был выведен и для приборов типа убитрон со слабо искривленными ультрарелятивистскими пучками [8]. Затем эти законы подобия были обобщены на всю область изменения энергии частиц [9,10].

Для выделения моды с определенными поперечными индексами могут быть также использованы коаксиальные или цилиндрические вставки [166].
Наряду с улучшением селективных свойств электродинамических систем генераторов, эффективными оказываются электронные методы селекции [65]. Так использование различной зависимости структурного коэффициента в сопротивлении связи волны с электронным пучком от ее поперечных индексов и поляризации позволяет В значительной мере изменять соотношение варьированием расстояния до замедляющей структуры.
Для селекции мод в релятивистских черенковских генераторах эффективен метод, основанный на циклотронном поглощении "паразитных" мод самим рабочим электронным пучком [77,142]. Такой метод был успешно использован для подавления «паразитной» длинноволновой генерации в эксперименте с флиматроном (см. §2.2).
Для селекции типов колебаний, отличающихся поперечной структурой поля, в генераторах с существенно сверхразмерными многомодовыми электродинамическими системами эффективно может быть применено совмещение в одном СВЧ-приборе одномодового задающего генератора, имеющего относительно малое поперечное сечение и возбуждаемого сравнительно малой частью электронного пучка, а также мощного выходного устройства большого поперечного сечения, в котором при взаимодействии с основной частью электронного пучка происходит усиление сигнала. При этом излучение задающего генератора определяет частоту и поперечную структуру излучения в выходном устройстве (см. §2.4) [79,80].
Оптимальные параметры генераторов
Оптимальные параметры генераторов с инерционной группировкой частиц могут быть оценены по порядку величины из соотношений подобия [7]:
(2.31)
еЕ,ср, _ //о~~1
(2.32)