Экспериментальные исследования и диагностика параметров релятивистских СВЧ генераторов с пикосекундным разрешением

• Автор: Шарыпов, Константин Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 143 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Общая характеристика работы. Актуальность темы

Глава 1. Диагностика в экспериментах с пикосекундным разрешением

1.1. Общие замечания по вопросам метрологии

быстропротекающих процессов

1.2. Измерение импульсов ускоряющего напряжения

1.3. Коллекторный датчик тока пучка

1.4. Детекторные и калориметрические измерения коротких

СВЧ импульсов

Глава 2. Релятивистские ЛОВ диапазона длин волн 8 миллиметров

2.1. Субгигаваттная и гигаваттная нестационарные ЛОВ

2.2. Импульсно-периодические релятивистские ЛОВ диапазона
8 мм с пониженным магнитным полем
2.3. Генерирование субнаносекундных СВЧ импульсов миллиметровых волн с килогерцовыми частотами повторения
Глава 3. Генерация излучения диапазона 3 см со стабильной фазой
3.1. Параметры гигаваттной нестационарной ЛОВ диапазона
длин волн 3 см
3.2. Стабильность эмиссии сильноточных электронных пучков
Глава 4. Фазовая синхронизация двухканальных электронных СВЧ генераторов
4.1. Пилотный эксперимент с двухканальной ЛОВ диапазона 3 см
4.2. Изучение синфазной генерации двух квазистационарных ЛОВ 8-мм диапазона с питанием синхронными ускоряющими импульсами
4.3. Двухканальные 8-мм синфазные ЛОВ с питанием стабильным расщеплённым импульсом напряжения
Заключение. Основные результаты работы
Список сокращений
Литература
Приложение. Документы о новизне результатов и их использовании

Введение. Общая характеристика работы. Актуальность темы
Исследования в области высоковольтной наносекундной импульсной техники [1] и эмиссионной электроники [2] привели к созданию сильноточных электронных ускорителей. Это стало основой развития релятивистской высокочастотной электроники (РВЭ) [3,4], нацеленной на преобразование энергии сильноточных релятивистских электронных пучков в импульсы СВЧ излучения с мощностями 108+109 Вт и более. Основные задачи РВЭ - это высокая эффективность генерации излучения, большая энергия импульсов и увеличение частоты их следования. Исследования по отмеченным направлениям в целом характеризуются актуальностью, так как мощные источники СВЧ востребованы в различных областях науки и практики. Для применений в задачах радиолокации, радиоэлектронного противодействия и испытаний надёжности аппаратуры принципиальное значение играет плотность потока мощности и энергии излучения в заданном направлении. Также требуется стабильность излучения от импульса к импульсу и умение управлять диаграммой направленности. Для практических СВЧ источников важны автономность прибора, его массо-габаритные характеристики, ресурс и «к.п.д. от розетки».
Общепризнан факт, что начало экспериментальной релятивистской СВЧ электронике положил эксперимент [5] по генерации СВЧ излучения с помощью наносекундного релятивистского электронного пучка, где впервые был получен электронный к.п.д. по мощности («пучок-излучение») —10%. Исследованный прибор с черенковским механизмом электронно-волнового взаимодействия являлся релятивистской лампой обратной волны (ЛОВ), работавшей в квазистационарном режиме с мощностью в сотни мегаватт при рабочем токе пучка, оптимально превышающим стартовый: 1°пт ~31ст [6]. Схема одномодовой релятивистской ЛОВ диапазона 3 см (рис. 1 ,а) с диаметром поперечного сечения гофрированной замедляющей структуры (ЗС) порядка длины волны (О ~ Я) и запредельным волноводом-отражателем на катодном конце оказалась настолько удачной, что на её основе с помощью наносекундных ускорителей СИНУС [7] до

середины 1990-х был выполнен

большой объём экспериментов [8].
Были развиты методы диагностики
экспериментальных параметров [9].
Отметим ряд направлений
исследований, которые б)
демонстрировали возможности
релятивистских ЛОВ. Прежде всего, это
испытание прототипа импульсного
радиолокатора [10] диапазона длин
волн 3 см. В контексте данной задачи
Рис. 1. Релятивистские ЛОВ а) - [5] и б) - [17]. были выполнены эксперименты по 1 - катод; 2 - рефлектор; 3 - волновод-
, , _ отсечка; 4 - замедляющая система; 5 - пучок;
повышению эффективности прибора соленоид
[11] и изучению физики вакуумных
диодов с взрывоэмиссионными катодами [12]; по стабилизации амплитуды импульсов СВЧ и ускоряющего напряжения в режимах с повышенной частотой повторения [13] и анализу пробивной прочности одномодовых ЗС [14].
Электронный к.п.д. наносекундных оптимизированных приборов достигал 25-40% [15,16], причём на гигаваттном уровне мощности это проще
достигалось с помощью усовершенствованных ЗС [17] увеличенного сечения (рис. 1,6). Умеренное (£)/А~1.5) увеличение диаметра ЗС и применение предмодуляции пучка резонансным рефлектором [18] позволило одновременно обеспечить селективность возбуждения волны ТМ01 и снизить рабочее магнитное поле ЛОВ [19]. Последний факт очень важен, так как стало возможно обойтись «тёплыми» соленоидами постоянного тока и провести продолжительные ресурсные испытания всех систем СВЧ прибора [20].
При освоении с помощью ЛОВ коротковолнового диапазона [21] (А < 8 мм ) работы были связаны с миниатюризацией ЗС [22] и с созданием специализированных компактных сильноточных ускорителей [23, 24]. Именно в миллиметровом диапазоне волн с помощью этой ускорительной техники были

1.3. Коллекторный датчик тока пучка
Измерение тока, длительности и временных характеристик фронтов сильноточных электронных пучков является важной задачей в экспериментах с релятивистскими СВЧ генераторами, которая обычно сопутствует регистрации импульсов ускоряющего напряжения, а по технической реализации даже более сложна. Особые проблемы возникают при измерении параметров электронных пучков с характерными токами в единицы килоампер и субнаносекундными длительностями. Методы, приемы и технические решения, успешно используемые для диагностики параметров электронных пучков с длительностями в десятки-сотни наносекунд и более, зачастую неприменимы для диагностики субнаносекундных электронных пучков [42*] или наблюдения фронтов тока такой малой длительности [43*, 44*]. В частности, бесконтактные индуктивные датчики (трансформатор тока, пояс Роговского) не обладают необходимой полосой регистрации а, следовательно, и временным разрешением. По тем же причинам при диагностике с пикосекундным разрешением малопригодны методики, основанные на использовании устанавливаемых в
Рис. 11. Высоковольтный рефлектометр с двумя последовательными делителями на связанных линиях, имеющий доверительный интервал измерения ~2 не, в сборе с высоковольтным субнаносекундным генератором РАДАН-3 03 БП