Проблемы генерации высокоэффективных одномодовых колебаний в мощных коротковолновых гиротронах

• Автор: Глявин, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 170 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Устойчивость колебаний рабочей моды в гиротроне
1.1 Устойчивость одномодовых колебаний при синхронном взаимодействием мод. Установление
колебаний в многомодовом гиротроне
1.2 Переходные процессы на фронте импульса
ускоряющего напряжения
1.3 Влияние нестабильности ускоряющего напряжения на эффективность и устойчивость работы гиротрона
1.4 Влияние отраженного сигнала на режим работы гиротрона
Г лава 2. Исследование катодов и электронных пучков гиротронов
2.1 Диагностика катодов методом вольт-амперных характеристик и
связь эмиссионной неоднородности с параметрами электронного пучка
2.2 Измерение разброса начальной энергии электронов в гиротроне
2.3 Энергетические спектры электронного потока после взаимодействия
с ВЧ полем гиротрона
Глава 3. Экспериментальное исследование гиротронов
3.1 Высокоэффективный гиротрон с рекуперацией энергии
3.2 Гиротрон на второй гармонике гирочастоты с рабочей модой
высокого порядка
Заключение
Приложение. Расчет КПД гиротронов с учетом реального
распределения электронов по скоростям
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Обшее название мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) используется для приборов, основанных на индуцированном циклотроном излучении электронов, движущихся в однородном статическом магнитном поле [1-5]. МЦР, а из них прежде всего гиротроны и гироклистроны, намного превосходя все другие источники излучения диапазона миллиметровых длин волн по мощности и эффективности (см. обзоры [6-14]), сохраняют возможности дальнейшего совершенствования и остаются объектом интенсивного исследования. Излучение этого диапазона имеет ряд специфических свойств, а именно:
• возможность распространения в относительно плотной плазме с концентрацией электронов пе > 1013 -10'5 см'3 и взаимодействия с ней;
• возможность концентрации и дистанционного управления посредством зеркал подобно световому излучению;
• значительное поглощение практически во всех конденсированных средах, в том числе и в чистых кристаллических материалах.
Поэтому, мощные непрерывные или квазинепрерывные гироприборы используются для нагрева термоядерной плазмы, плазмохимии, дальней (космической) радиолокации, высокотемпературной обработки ряда материалов, спектроскопии сверхвысокого разрешения и ряда других применений [] 5,16].
Основные проблемы гироприборов, прежде всего гиротронов, связаны с получением большой выходной мощности. Высокие уровни мощности заставляют уделять большое внимание и эффективности всей системы как при преобразовании энергии электронов в ВЧ излучение, так и при транспортировке и использовании излучения.
Принципиальная возможность получения большой мощности миллиметрового диапазона длин волн в МЦР и других электронных мазерах, использующих индуцированное магнитотормозное излучение электронов, обусловлена взаимодействием электронов с высокочастотным полем в пространственно развитых резонансных системах без мелкомасштабных элементов, сравнимых с длиной волны. Факторами, лимитирующими выходную мощность в этих системах, являются максимальная допустимая величина плотности омических потерь (тепловая нагрузка) какого-либо узла лампы, или ухудшение качества электронного пучка при большом токе, или

возбуждение паразитной моды, если селективность резонатора недостаточна. Пути повышения мощности, если речь идет о высокоэффективном приборе, каким является гиротрон, известны: это повышение тока или напряжения электронного пучка или того и другого вместе. При фиксированных значениях напряжения и диаметра электронного пучка возможность увеличения тока ограничена из-за пространственного заряда в электронной пушке [17-19]. Повышение напряжения в принципе дает возможность весьма значительно повысить мощность, как показывают исследования релятивистских гироприборов [20-22]. Однако, рассмотрение релятивистских приборов имеет специфические особенности и выходит за рамки данной работы. Поскольку напряжения порядка 100 кВ использовались в гиротронах почти с самого начала, естественным путем кардинального повышения мощности является согласованное увеличение диаметров резонатора (с переходом на более высокую моду) и электронного пучка, позволяющее пропорционально увеличить и его ток.
Ограничение выходной мощности тепловыми нагрузками в резонаторе
О, Р
определяется плотностью омических потерь Ром = — — (Qш и QдИФ
Яом $
омическая и нагруженная добротности резонатора, последняя определяется в основном дифракционной связью открытого резонатора с выходным волноводом), также может быть преодолено только путем увеличения диаметра, а значит и площади поверхности резонатора 5, поскольку величина QдИф ограничена снизу [23]. Но при этом увеличивается и плотность спектра
собственных частот в резонаторе, из-за чего получить устойчивую одномодовую генерацию рабочей моды становится все сложней, т.к. оказывается возможным резонансное взаимодействие активной среды - потока электронов - одновременно с несколькими модами. Таким образом, задача повышения мощности оказывается тесно связанной с задачей обеспечения одномодовой генерации в низко добротных сверхразмерных резонаторах.
При достаточно большой вешгчине тока в таком генераторе условия самовозбуждения выполняются одновременно для нескольких мод. В переходном режиме при возбуждении нескольких мод происходит независимое нарастание их амплитуд до значений, при которых вследствие нелинейных свойств активной среды начинается взаимодействие мод.

обеспечивает уровень выходной мощности в районе 1 МВт. Определяющим фактором при определении начального типа колебаний является превышение током пучка стартового тока моды. Для одного из случаев эволюция зон самовозбуждения мод приведена на рис. 1.7. Как следует из этого рисунка при расстройке циклотронного резонанса, соответствующей оптимальному поперечному КПД (около 55%), и малом ускоряющем напряжении наименьшим стартовым током обладает паразитная мода ТЕ23} а при
номинальном напряжении условия самовозбуждения выполнены как для рабочей моды ТЕ22 5 , так и для паразитных мод. При этом тип колебаний в
рабочей точке существенным образом зависит от сценария переходного процесса. Из численного анализа следует следующий типичный сценарий: при напряжении соответствующем примерно половине рабочего происходит возбуждение моды с тем же радиальным индексом, но более высоким азимутальным индексом (более высокочастотная мода), имеет место устойчивая одномодовая генерация этой моды в полосе 10-15 кВ, после чего, при дальнейшем увеличении напряжения, ее амплитуда быстро спадает и происходит нарастание амплитуды рабочей моды которая достигает наибольшего значения на полке импульса. Соответствующий сценарий процессов на фронте импульса в гиротроне с рабочей модой ТЕг25 при характерной длине резонатора ц приведен на рис. 1.8. В качестве временного
возбуждаемых мод приняты равными. Приведенный сценарий хорошо согласуется с данными экспериментального исследования гиротрона на рабочей моде ТЕ225 - действительно при напряжении 40 кВ ( примерно
половина от рабочего напряжения ) в эксперименте наблюдалась устойчивая генерация на модеТЕ23 5(ТЕт+1р), срыв колебаний которой происходил при
напряжении 50-55 кВ, в зависимости от величины тока пучка. При увеличении напряжения до 70 кВ наблюдалась генерация на моде 77?,, 5 с КПД близким к
расчетному (рис. 1.9). Подобный сценарий переходных процессов на фронте импульса ускоряющего напряжения получен для гиротрона на моде ТЕП 6 с
характерной длиной /.I = 13.5. Подробные результаты экспериментального исследования гиротрона на моде ТЕ226 изложены в [119].
параметра используется безразмерная переменная