Мазеры на циклотронном резонансе с приосевыми электронными пучками

• Автор: Федотов, Алексей Эдуардович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 112 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЦР С
ПРИОСЕВЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ
1.1. Конкуренция и электродинамическая селекция мод в
гиротронах на высоких циклотронных гармониках
1.2. МЦР с одновременным возбуждением встречной и попутной
волн синфазным электронным пучком (гиро-ЛОВ-ЛБВ)
1.3. Эффекты высокочастотного пространственного заряда в МЦР с произвольной фазовой скоростью рабочей волны
Приложение. Спектр синхротронного излучения заряженной
вращающейся нити
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЦР С ОДНОВРЕМЕННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ДВУХ ВОЛН СИНФАЗНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
2.1. Описание установки
2.2. Генератор с бегущей и квазикритической волнами (МЦАР-гиротрон)
2.3. Генератор со встречной и попутной волнами (гиро-ЛОВ-ЛБВ)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) [1-4] являются наиболее мощными источниками СВЧ излучения в миллиметровом диапазоне длин волн. МЦР успешно используются в различных физических и технических приложениях, в частности для нагрева и диагностики плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, спектроскопии различных сред, синтеза новых материалов и плазмохимии [5-9]. Приборы этого класса основаны на индуцированном тормозном излучении электронов, вращающихся .в магнитном поле [10-16]. В отличие от приборов, основанных на черенковском и переходном излучении заряженных частиц (ЛЕВ, ЛОВ, магнетроны, клистроны и др.), где взаимодействие частиц происходит с замедленными волнами, фазовая скорость которых меньше скорости света, в МЦР электроны могут взаимодействовать с быстрыми электромагнитными волнами. Это свойство тормозного излучения позволяет использовать в качестве электродинамических систем МЦР гладкие волноводы и резонаторы с размерами существенно больше длины волны излучения. В диапазоне миллиметровых волн это позволяет получать в циклотронных мазерах значительно большую мощность, чем в черенковских приборах. Однако продвижению МЦР в область более коротких волн препятствует необходимость создания очень сильных (десятки Тл) магнитных полей.
Наиболее распространенной и наиболее развитой разновидностью МЦР является слаборелятивистский гиротрон [2,17], в котором электроны
взаимодействуют с волнами, распространяющимися поперек магнитостатического поля. В такой системе отсутствует доплеровский сдвиг частоты, обусловленный поступательным движением частиц, что обеспечивает ряд преимуществ гиротрона перед другими типами МЦР, а именно, низкую чувствительность к разбросу скоростей частиц в пучке, высокую селективность, позволяющую работать на модах с очень высокими индексами, простоту электродинамической системы. К настоящему времени гиротронами достигнута высокая мощность излучения (до 1 МВт в квазинепрерывном режиме на частоте 170 ГТц [18-21]). В гиротроне на первой циклотронной гармонике при использовании очень сильных импульсных магнитных полей получено излучение на частоте до 650 ГТц [22] с мощностью до 40 КВт; в гиротроне на второй гармонике при использовании криомагнита получена непрерывная генерация на частоте до 850 ГТц с мощностью в несколько десятков
ватт [23]. Определенным недостатком гиротронов является трудность обеспечения широкополосной (более 1 %) перестройки частоты излучения. Кроме того, частота излучения слаборелятивистских гиротронов существенно ограничена величиной магнитного поля. В связи с этим весьма актуальным является развитие тех разновидностей МЦР, в которых, согласно теории [3,4], может быть получена большая частота излучения (при той же величине магнитного поля). Это возможно при использовании излучения на более высоких циклотронных гармониках и (или) доплеровское увеличение частоты. Первый из этих методов используется в гиротронах на высоких циклотронных гармониках [23-28,109]; для -повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия на высоких гармониках часто применяются существенно релятивистские (сотни кэВ) электронные пучки [26,28,109]. Метод доплеровского увеличения частоты используется в мазерах на циклотронном авторезонансе - МЦАР [29,30,3,4,31,32], в которых электроны взаимодействуют с волнами; распространяющимися под малым углом к магнитному полю. В ультрарелятивистском случае частота излучения МЦАР растет пропорционально релятивистской энергии частиц [30], при этом благодаря эффекту авторезонанса [33,34] с ростом релятивизма не происходит резкого снижения КПД [29,30].
Несмотря на некоторые преимущества, мазеры на циклотронном авторезонансе и гиротроны на высоких (третьей и выше) гармониках пока не получили широкого распространения, оставаясь в основном в стадии лабораторных экспериментов. Это связано, прежде всего, с тем, что в большинстве экспериментов [23,27,28,109,35-43] КПД этих приборов был сравнительно низким, существенно ниже значений, предсказываемых теорией, и ниже, чем у традиционных гиротронов на первой циклотронной гармонике (так, МЦАР с близким к теоретическому КПД был реализован в единственном эксперименте [44]). Низкие значения КПД для этих разновидностей МЦР, полученные в эксперименте, вызваны рядом принципиальных факторов. Так, одной из основных причин невысокого КПД гиротронов на высоких циклотронных гармониках является конкуренция со стороны мод резонатора, взаимодействующих с электронным пучком на основном циклотронном резонансе, не позволяющая работать при оптимальных токах. Низкий КПД МЦАР в большинстве экспериментов связан с высокой чувствительностью этого прибора к разбросу электронов в пучке по скоростям, обусловленной большим доплеровским сдвигом частоты в этом приборе [31]. Кроме того, эффективной работе МЦАР также
Рис. 1.9. Схема гиро-ЛОВ-ЛБВ