Исследование релятивистских магнетронных СВЧ генераторов

• Автор: Винтизенко, Игорь Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 231 с. : ил

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ МАГНЕТРОННЫХ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ.

Введение

Глава 1. Физические процессы в релятивистских магнетронных генераторах.

Введение

§1.1. Теоретическая модель релятивистского магнетрона цилиндрической

геометрии

§1.2. Конструкция, расчет параметров резонаторной системы

§1.3. Тепловые процессы в релятивистском магнетроне

§1.4. Управление выходными параметрами СВЧ излучения

Выводы
Глава 2. Источники питания для релятивистских магнетронных генераторов.
§2.1. Сильноточные электронные ускорители наносекундной и микросекундной
длительности импульса напряжения
§2.2. Линейные индукционные ускорители
§2.2.1. ЛИУ с многоканальными искровыми разрядниками
§2.2.2. ЛИУ на магнитных элементах
§2.3. Моделирование работы СЭУ и ЛИУ на различные нагрузки
Выводы
Г лава 3. Обращенные релятивистские магнетронные генераторы.
Введение
§3.1. Плазменные процессы в обращенном коаксиальном диоде с магнитной
изоляцией
§3.2, Механизм пробоя межэлектродного промежутка ОКДМИ
§3.3. Конструкция, расчет, «холодные» измерения обращенных релятивистских
магнетронов и обращенного коаксиального магнетрона
§3.4. Исследования ОРМ и ОКМ микросекундной длительности
Выводы

Глава 4. Релятивистские магнетронные генераторы с внешней инжекцией электронного пучка.
Введение
§4.1. Физические предпосылки создания РМВИ
§4.2. Экспериментальные исследования РМВИ наносекундной длительности
§4.3. Влияние виртуального катода на формирование релятивистского
электронного пучка в магнитоизолированном диоде
§4-4- Экспериментальные исследования РМВИ микросекундной длительности
Выводы
Глава 5. Импульсно-периодические релятивистские магнетронные генераторы.
Введение
§5.1. Исследования РМГ в импульсно-периодическом режиме с использованием
ЛИУ с многоканальными искровыми разрядниками
§5.2. Особенности конструкции релятивистского магнетрона, магнитной и
вакуумной системы для работы с высокой частотой следования импульсов
§5.3. Экспериментальные исследования РМГ с использованием ЛИУ на
магнитных элементах
§5.4. Функциональные возможности релятивистских магнетронных
генераторов
Выводы
Заключение
Приложение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность проблемы.
Интенсивное развитие в течение последних десятилетий исследований в области сильноточной электроники обусловлено широким диапазоном практических применений сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП), обладающих импульсной мощностью до 1012 Вт при энергии электронов 105-107 эВ, токе до 106 А длительностью 10'9-10'6 с [1-5]. Подобные параметры СРЭП позволяют на несколько порядков превысить существующий в традиционной СВЧ электронике уровень мощности электромагнитного излучения, что открывает принципиально новые возможности использования излучения в различных областях науки и техники [б]. На сильноточных электронных ускорителях (СЭУ) были исследованы многие релятивистские аналоги сверхвысокочастотных электронных приборов и релятивистских генераторов нового типа [7-9]. К настоящему времени в релятивистских СВЧ приборах получены значения импульсной мощности до 10ш Вт. Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) стала одним из быстроразвивающихся направлений научных исследований. Обнаружились и значительные трудности в реализации энергетических возможностей СЭУ. Импульсная энергия электронного пучка может достигать мегаджоуля, в то же время энергия в СВЧ импульсе составляет лишь сотни джоулей. Малая эффективность преобразования энергии вызвана движением электродных плазм, СВЧ пробоями, возбуждением «паразитных» видов колебаний и т.д. Затруднено и практическое применение генерируемого СВЧ излучения, что связано с большими весогабаритными показателями установок и, как правило, с моноимпульсным режимом их работы.
Для любого релятивистского СВЧ генератора имеется набор присущих ему специфических требований, например, к качеству электронного пучка, к магнитной системе, к параметрам ускорителя (внутреннее сопротивление, диапазон напряжений) и т.д. Эти требования накладывают ограничения на возможность использования любого из релятивистских генераторов для всего круга применений, что в свою очередь обуславливает многообразие исследуемых приборов. Хорошо известные достоинства приборов со скрещенными полями предопределили к ним интерес со стороны РВЭ. Частотная и фазовая стабильность генерируемого излучения, высокий к.п.д., небольшие весогабаритные показатели и стоимость, низкий уровень побочных колебаний и гармоник стали основой для проведения интенсивных исследований релятивистских магнетронов. Первые эксперименты с релятивистскими магнетронными генераторами (РМГ) в США -Массачусетский Технологический Институт [10] и СССР - ИПФ АН СССР (г. Горький) [11], НИИ ЯФ при ТПУ (г. Томск) [12] позволили получить уровни мощности от сотен мегаватт до нескольких гигаватт при к.п.д. 10-30%. В качестве источников питания релятивистских магнетронов первоначально применялись СЭУ, содержащие генераторы импульсных напряжений (ТИН), разряжаемые через формирующую линию на магнетронный диод. Несмотря на то, что импульсы напряжения были наносекундной длительности, обнаружились недостатки РМГ, связанные с разрушением анодных блоков в течение нескольких сотен импульсов. Данный процесс вызывается действием нескольких факторов: 1) высокой удельной мощностью энергии электронов анодного тока, приводящей к развитию процессов испарения, эрозии, механических деформаций элементов под действием теплового удара; 2) несогласованностью внутреннего сопротивления формирующей линии СЭУ (2-24 £2) с импедансом релятивистского магнетрона (40-100 £2), появлением повторных импульсов и дополнительного выделения энергии в магнетронном диоде. Экспериментальные исследования РМГ проводились и при использовании СЭУ с микросекундной длительностью импульсов напряжения. В таком ускорителе ГИН непосредственно разряжается на магнетронный диод. Кроме процессов

Ух (кг),14^ (кг) - производные по аргументу от функций Бесселя и Неймана.
Число возможных видов колебаний ограничено вследствие того, что колебательная система замкнута, и полный сдвиг фаз вокруг системы должен быть кратным 2лп. Колебания с п > N, для которых разность фаз между резонаторами кратна 2л, соответствуют гармоникам отдельных резонаторов. Эти виды колебаний не играют существенной роли в работе магнетронов и наблюдаются очень редко.
Без учета полей пространственного заряда высокочастотный потенциал при условии к г «у может быть представлен в виде:
Л ПчМЭЕ,

вшуВ) (кг)
.Кхф+юО
(1.1.24)
Х20 ^(кЛ)
Хотя число гармоник р бесконечно, практическое возбуждение видов колебаний наблюдается до р = -1. Незначительность роли высших значений р обусловлена большими значениями %, и интенсивность составляющих поля падает пропорционально (г / К)7-. Кроме того, произведение входящее в соотношение РФ = 2лК/ у}.даЕг/Н, требует
существенно других рабочих условий.
Для интересующего нас частного случая п = N/2 (л- вид колебаний), т.е. когда электрон движется с угловой скоростью, близкой к скорости наиболее медленной волны замедляющей системы, действие на него остальных волн сводится к созданию быстропеременных возмущений, которыми можно пренебречь. Возможность учитывать только одну из волн позволяет ввести систему координат, вращающуюся вместе с волной, в которой электромагнитное поле не будет зависеть от времени. Поскольку колебания л- вида являются невырожденными (поле представляет собой чисто стоячие волны), сдвиг фаз между электрическим и магнитным полями составляет 90°, то из (1.1.19)-( 1.1.21) следует, что действие со стороны ВЧ магнитного поля в (Уф/с)2 раз меньше, чем со стороны Ег(г,ср). Поэтому при нерелятивистских и слаборелятивистских скоростях электронов действием переменного магнитного поля пренебрегают.
При указанном выше условии кЯ«х т.е. когда длина волны колебаний гораздо больше расстояния между резонаторами, для потенциала высокочастотного электрического поля в случае нулевой гармоники можно записать выражение:

где Е:

( втхб X
БШ(Пф + ОН) ,
(1.1.25)
эффективная амплитуда синхронной гармоники высокочастотного
электрического поля на аноде. Условие кЯ«х хорошо выполняется для релятивистских магнетронов с большим замедлением электромагнитной волны. Используем в дальнейшем указанное упрощение, поскольку это позволит получить аналитическое решение задачи в удобном для анализа виде.
Потенциал Ф[ в пространстве взаимодействия создает следующие составляющие ускорения для электронов:
бгут ' г 9ср V т
ф I = ——Ё— 11 т 2г

-Е-^-2г

ят(пф + «й),
соя(пф + со!).
(1.1.26)
(1.1.27)