Эффективные импульсно-периодические источники черенковского излучения на основе сильноточных электронных пучков

• Автор: Ростов, Владислав Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 224 с. : ил

Эффективные импульсно-периодические источники черенковского излучения на основе сильноточных электронных пучков.
Введение
1. Экспериментальная и теоретическая база для проведения исследований. Соотношения подобия для КПД и параметров электронных генераторов О-типа.
1.1. Импульсно-периодические ускорители электронов наносекундного диапазона длительностей. Вопросы согласования ускорителя и СВЧ-генератора
1.2. Формирование и транспортировка сильноточного электронного пучка. Структура наносекундного трубчатого пучка
1.3. Карсинотрон как представитель генераторов черенковского типа.
Основные уравнения и их общие свойства
1.4. Теоретические значения КПД и оптимальных параметров генераторов О-типа в зависимости от начальной энергии электронов
2. Элементы теории релятивистской ЛОВ. Расчёт электродинамических систем методом матриц рассеяния.
2.1. Роль высокочастотного поля пространственного заряда в карсинотроне
2.2. Релятивистская ЛОВ в магнитном поле конечной величины. Решение линейной краевой задачи в условиях близости к циклотронному резонансу
2.3. Применение метода матриц рассеяния для расчета электродинамических свойств замедляющих систем и элементов конструкции. Увеличение поперечных размеров замедляющей системы
2.4. Линейная и нелинейная модель релятивистской ЛОВ в условиях предварительной модуляции энергии частиц
3. Экспериментальные исследования релятивистской ЛОВ.
3.1. Экспериментальные исследования традиционной схемы и ее модификаций. Реализация эффективных режимов генерации
3.2. Индуцированное рассеяние встречной волны электронным
потоком
3.3. Схема с предварительной модуляцией электронного потока
3.4.Релятивистская ЛОВ с низким магнитным полем
4. Некоторые аспекты практического применения мощных наносекундных СВЧ-генераторов.
4.1.Использование релятивистского карсинотрона в качестве
передатчика в макете локационной станции
4.2.Реализация периодического следования СВЧ-импульсов в режиме пакетов. Вывод излучения в виде гауссова пучка
4.3.Испытания на ресурс взрывоэмиссионного катода в условиях работы микроволнового генератора
4.4,Эксперимент по изучению эффектов воздействия наносекундных
микроволновых импульсов на некоторые биологические объекты

Заключение
Приложение 1. Распределение полей и потенциала в цилиндрическом
волноводе с электронным пучком конечной толщины
Приложение 2. Варианты согласованных переходов для волны 1й> 1 от
замедляющих систем к круглому волноводу
Литература

Введение.
История вопроса и актуальность темы.
Релятивистская высокочастотная электроника (РВЭ) возникла в начале семидесятых годов как естественное продолжение и развитие классической нерелятивистской электроники [1,2]. В это же время достаточно быстро развивалась и ускорительная техника[3,4]. Появились сильноточные ускорители прямого действия, позволяющие в режиме взрывной электронной эмиссии формировать релятивистские электронные пучки (РЭП) с энергией частиц, которая сравнима и превышает энергию покоя электрона (тс2 = 511 кэВ, где т -масса покоя электрона, с - скорость света) [5,6]. Практические возможности для широкого применения таких пучков в релятивистской высокочастотной электронике открылись после ряда исследований и создания сильноточных ускорителей, генерировавших пучки с энергией электронов 300-1000 кэВ и токами в единицы и десятки килоампер [7-9]. Таким образом, были созданы предпосылки для создания источников когерентного электромагнитного излучения с импульсной мощностью, недосягаемой для приборов классической электроники с накаливаемыми катодами. Качественное изменение взаимосвязи энергии тс2 у и скорости частиц у (у = (1 -у21с2)а12 - релятивистский фактор), приближающейся к скорости света, не могло не привести к существенному изменению поведения частиц при их взаимодействии с электромагнитными волнами [10]. Это потребовало развития новых методов расчётов, проведения экспериментов и последующего совершенствования схемных решений. Стало возможным создание принципиально новых приборов высокочастотной электроники.
Теоретическая основа для описания приборов с релятивистскими электронными пучками была заложена работами А. В. Гапонова, М. И. Петелина, В. К. Юлпатова и их коллег [10-15,120,121,157]. В одной из основополагающих работ [11] выводится закон, связывающий основные параметры генератора с прямолинейным электронным потоком и энергию используемых частиц. Эта связь, называемая ещё принципом подобия, объясняет возможность сохранения высокого коэффициента полезного действия прибора при сколь угодно высокой энергии пучка. Кроме КПД, соотношениями подобия охватываются закономерности изменения основных параметров прибора с длительной группировкой частиц - длины, расстройки синхронизма с волной и амплитуды волны. Затем принцип подобия был распространён на ещё не реализованные приборы типа убитрон со слабо искривлёнными потоками [13] и обобщён на всю область изменения энергий частиц от нерелятивистского уровня (у= 1) до ультрарелятивистского (/» 1) предела [14,15].
Теоретическое положение, что КПД приборов может быть того же порядка, как и в нерелятивистской электронике (или больше [157]), вскоре нашло свое экспериментальное подтверждение при реализации лампы обратной волны (ЛОВ) [16,17]. Эффективность преобразования используемой доли мощности электронного пучка в мощность электромагнитного излучения с длиной волны в трёхсантиметровом диапазоне достигала около 10% [16].
Карсинотрон (другое название лампы обратной волны [15]) был выбран далеко не случайно, учитывая несовершенство первых ускорителей. Действительно, в карсинотроне фазовая скорость близка, а групповая противоположна скорости электронов. Этот фактор обеспечивает распределённую обратную связь и превращает карсинотрон в грубый генератор,

тонкостенного трубчатого пучка в гладком волноводе, что справедливо лишь в пределе малой амплитуды гофра /, и с учетом модуляции, сообщаемой пучку только синхронной волной. В этом приближении пучок является модулированным по продольной координате г с периодом 2тйк%, по времени с периодом 2л1(а и имеет столько же вариаций плотности по азимуту, каков азимутальный индекс т синхронной волны [115]. В используемых обозначениях потенциальную часть продольной компоненты поля в трубчатом пучке с бесконечно тонкой стенкой можно записать в виде:

аг1 „

(1.3,20)
Здесь - безразмерная амплитуда Фурье-гармоники тока под номером п:
1 2 л
/„=- у-ив,

(1.3.21)
а Д, - коэффициенты депрессии сил пространственного заряда, которые при т =0, в соответствии с работой [117], равны:
А, ={пр~л)2т„
т„ = -][£0(прАП )/0(л_,/?о)- А(и/АА)]а(«АА)] (1'3'“2)
10(пР-,Го)
Здесь /о, Ко - модифицированные функции Бесселя 1-го и 2-го рода 0-го порядка. Коэффициенты депрессии должны вычисляться с использованием значения параметра р., определяемого выражением (1.3.18). Смысл этого параметра в (1.3.22) может быть расширен на случай распространения трубчатого пучка в круглом волноводе с гладкими стенками (/ = 0). В этом случае вместо параметра р.] следует использовать параметр % = к/(уь2-1)1/2. В соответствии с выкладками, изложенными в Приложении 1 для случая пучка конечной толщины, это соответствует тому, что при выводе (1.3.20) пространственный период модуляции пучка задан равным 2лчо/си. Функции Т„ уменьшаются с ростом номера гармоники (7) > Тп для п = 2,3
Т„ =
2 прЛг„
Этот же случай следует рассматривать при любой конечной величине начальной энергии частиц с ростом номера гармоники. Подобное же ограничение вклада высоких номеров гармоник обеспечивает учёт конечной толщины пучка (см. выражения (П.1.7,8)). Анализируя сходимость бесконечного ряда (1.3.20), видно, что ряд может сходиться плохо [94], если в процессе группировки образуются достаточно компактные сгустки и с ростом номера гармоники значения |ЭП| уменьшаются относительно медленно. Поэтому проблема корректного учёта поля пространственного заряда становится в общем случае наиболее сложной частью самосогласованной задачи.