Релятивистские гиротроны на высоких циклотронных гармониках

• Автор: Калынов, Юрий Константинович
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 135 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Гл. 1. Особенности релятивистских гиротронов
1.1. Принцип действия и элементарные оценки
1.2. Уравнения релятивистского гиротрона
1.3. Стартовый режим генерации
1.4. Селективное возбуждение циклотронных гармоник в круглом
волноводе
1.5. Гиротрон с большими орбитами (ГБО)
Гл. 2. ГБО со взрывоэмиссионной электронно-оптической системой
2.1. Экспериментальная установка и схема эксперимента
2.2. Электронно-оптическая система
2.2.1. Формирование прямолинейного электронного пучка
2.2.2. Сообщение электронам вращательной скорости
2.3. Электродинамическая система
2.4. Результаты эксперимента
2.4.1. Электронно-оптические измерения
2.4.2. Селективное возбуждение высоких циклотронных гармоник
Гл. 3. ГБО с термоэмиссионной электронно-оптической системой
3.1. Микросекундный высоковольтный электронный комплекс
для исследования мощных СВЧ приборов
3.1.1. Формирование импульса ускоряющего напряжения
и конструкция комплекса
3.1.2. Диагностика параметров установки и электронного пучка
3.1.3. Диагностика СВЧ излучения
3.1.4. Тестовый эксперимент
3.2. Электронно-оптическая система ГБО
3.2.1. Формирование плотного прямолинейного электронного
пучка
3.2.2. Сообщение электронам вращательной скорости
3.3. Электродинамическая система
3.4. Результаты эксперимента
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Гиротроны [1-3] представляют собой наиболее распространенную разновидность широкого класса мазеров на циклотронном резонансе (МЦР) [1,4,5], обеспечивающую рекордную среднюю мощность излучения в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн. Как и в большинстве других разновидностей МЦР, в гиротронах используется резонансное взаимодействие пучка электронов, движущихся по винтовым траекториям в однородном (квазиоднородном) магнитном поле, с быстрыми электромагнитными волнами. Главной отличительной чертой гиротронов является использование в них в качестве рабочих волн, обладающих наибольшими по сравнению с другими разновидностями МЦР фазовыми скоростями в направлении поступательного движения частиц. Благодаря этому реализуется минимально возможное доплеровское уширение линии циклотронного резонанса, возникающее из-за разброса поступательных скоростей частиц, и достигается высокий электронный КПД. Кроме того, вследствие малых значений групповой скорости рабочих волн, в гиротроне легко обеспечивается эффективная и селективная обратная связь.
Важной чертой, присущей большинству современных гиротронов, является использование в них пространственно-развитых трубчатых электронных пучков, формируемых, как правило, в магнетронно-инжекторных пушках (МИП) [6-8]. К настоящему времени в традиционных гиротронах с такими пушками обычно используются электронные пучки с энергией 20-80 кэВ. Это позволяет получать мощность в десятки-сотни киловатт в длинноволновой части миллиметрового диапазона при работе в непрерывном режиме [9, 10] и даже до 1 МВт на волнах короче 2 мм при длительности импульса порядка 1 с [11-13]. В субмиллиметровом диапазоне получена мощность в десятки киловатт на волнах до 0,46 мм в режиме микросекундных импульсов [14-16] и десятки ватт на волнах до 0.35 мм в непрерывном режиме [18].
Следует отметить, что генерация в диапазоне коротких миллиметровых и тем более субмиллиметровых волн осложняется необходимостью использования очень сильных магнитных полей. Применение криомагнитов ограничено полями порядка 100 кЭ, в редких случаях до 170 кЭ, что при генерации на основном циклотронном резонансе соответствует длинам волн 1.0-0.6 мм. Более короткие волны получаются при использовании импульсных магнитных полей [14-16] или при работе на более высоких (второй, изредка - третьей) гармониках [17,18]. Последний путь, с
переходом на более высокие гармоники, чем используются до сих пор, представляется наиболее перспективным для освоения всего субмиллиметрового диапазона, в том числе и на высоких уровнях мощности. Соответствующие приборы могут оказаться намного более доступными, чем существующие уникальные лазеры на свободных электронах [19-21]. Развитию именно этого направления и посвящена настоящая диссертационная работа.
Как и при индивидуальном излучении одного электрона, получение излучения на высоких циклотронных гармониках облегчается в гиротронах при увеличении вращательной скорости частиц, что особенно легко достигается при переходе к релятивистским энергиям частиц [22]. Однако, принимая во внимание, что с ростом энергии частиц их циклотронная частота убывает, а трудности селективного возбуждения отдельных гармоник быстро возрастают, для обеспечения достаточно высокой частоты излучения целесообразно, как правило, использовать не слишком высокие энергии частиц (не более нескольких сотен кэВ).
Согласно теории, в релятивистских гиротронах с электронными пучками, формируемыми МИП, проблема селективного возбуждения высоких циклотронных гармоник является еще более сложной, чем в слаборелятявистском случае [23]. Радикального упрощения ситуации можно добиться, в частности, при использовании тонких приосевых пучков, в которых все частицы двигаются по винтовым траекториям, заключающим внутри себя ось аксиально-симметричной электродинамической системы [24-31]. В подобных приборах, получивших названия гиротрон с большой орбитой (ГБО) [24] и гиропреобразователи гармоник [30,31], электроны возбуждают лишь волны попутного с ними вращения с азимутальным индексами, равными номерам резонансных циклотронных гармоник. Это сильное "правило отбора" значительно прорежает спектр мод и позволяет рассчитывать на селективное возбуждение достаточно высоких гармоник. При этом центр тяжести в значительной степени смещается с проблемы селекции мод в сторону электроннооптической проблемы формирования тонких и в то же время достаточно плотных пучков с достаточно большими значениями вращательных скоростей частиц при малой величине их разброса.
Основной целью диссертационной работы является реализация и детальное экспериментальное исследование релятивистских ГБО, эффективно работающих на высоких циклотронных гармониках, включая разработку методов формирования тонких приосевых электронных пучков, в которых все частицы двигаются по
ГЛАВА
І ЬО СО ВЗРЫВОЭМИССИОННОЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ
Сильное “правило отбора” (1.36), существенно прорежающее спектр возбуждающихся мод в конфигурации гиротрона с большой орбитой, позволяет рассчитывать на возможность селективного возбуждения в нем высоких циклотронных гармоник без каких-либо дополнительных мер дискриминации паразитных мод. Селекцию продольных мод и вывод излучения можно осуществить, используя в качестве электродинамической системы ГБО традиционного гиротронного резонатора. Для реализации подобного ГБО необходимо сформировать достаточно тонкий и плотный электронный пучок. В данной главе описаны носящие демонстрационный характер первоначальные эксперименты с возбуждением в ГБО циклотронных гармоник с первой по пятую включительно, выполненные на сильноточном ускорителе “Синус-6” при использовании для формирования пучка относительно простого взрывоэмиссионного инжектора с узким цилиндрическим анодным селектором, который вырезал из полного сильноточного электронного пучка его центральную, “наиболее прямолинейную” часть. Подобные инжекторы использовались ранее в демонстрационных экспериментах с ЛСЭ-убитронами [53] и с мазерами на циклотронном авторезонансе (МЦАР) [54-56,76,77,84]. Для последующего сообщения частицам необходимой вращательной скорости, так же как и в МЦАР, использовался кикер в виде наклонной рамки с током, создающей поперечное магнитное поле.
2.1 Экспериментальная установка и схема эксперимента
Сильноточный ускоритель прямого действия «Синус-6» был создан в начале 80-х годов в Томском Институте сильноточной электроники СО РАН [57], а в конце 80-х годов он был передан в ИПФ РАН. На этом ускорителе проведено большое количество разнообразных экспериментов с релятивистскими СВЧ приборами различных типов. В принципе, ускорители такого типа позволяют работать не только в режиме разовых импульсов, но и в частотном режиме. Однако в ИПФ РАН