Плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемым в течение импульса спектром излучения

• Автор: Баранов, Роман Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
§1. Актуальность работы
§2. Цели диссертационной работы
§3. Научная новизна
§4. Защищаемые положения
§5. Научная и практическая ценность результатов
§6. Публикация и апробация результатов
§7. Структура и объем диссертации
Глава 1. Обзор литературы
§ 1. Вакуумные СВЧ-генераторы с перестройкой частоты
§ 2. Плазменные СВЧ-генераторы с перестройкой частоты
§ 3. Механизмы изменения концентрации плазмы в течение СВЧ-импульса
Глава 2. Техника эксперимента
§ 1. Сильноточный ускоритель СИНУС
§ 2. Плазменный релятивистский сверхвысоко-частотный генератор
§ 3. Диагностика электронного пучка и плазмы
3.1. Диагностика параметров плазмы
3.2. Диагностика параметров релятивистского электронного пучка
3.3. Юстировка плазмы и РЭП
§ 4. Методы диагностики СВЧ-излучения
4.1. СВЧ-детектор на горячих носителях
4.2. Широкоапертурный калориметр
4.3. Определение частоты СВЧ-излучения
§ 5. Обработка временных рядов СВЧ-сигналов
Глава 3. Управление частотой СВЧ-излучения в течение импульса наносекундной длительности..
§ 1. Устранение эффекта укорочения СВЧ-импульса
§ 2. Стабильная работа плазменного релятивистского СВЧ-генератора в.импульснопериодическом режиме
§ 3. Регистрация эффекта изменения частоты СВЧ-излучения в течение импульса
§ 4. Управление частотой излучения в течение импульса наносекундной длительности
Заключение
Выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
В предлагаемых диссертационных исследованиях проводилось изучение взаимодействия плазмы с электронным пучком. При взаимодействии плотного пучка релятивистских электронов с заранее созданной плазмой происходит возбуждение электромагнитных колебаний и волн. Скорость электронов в релятивистском электронном пучке (РЭП) близка к скорости света (и ~ с), поэтому релятивистский фактор у =
массой ш ускоряется электрическим полем с разностью потенциалов и, его масса увеличивается до величины ту, т.е. туе2 = тс2 + еЦ . Учтя тот факт, что тс2 ~ 511 кэВ, можно оценить, что уже при факторе у ~ 2 энергия релятивистских электронов достигает энергии 0,5 МэВ.
При транспортировке сильноточного РЭП необходимо учитывать собственный заряд электронного пучка. Увеличение тока пучка фиксированной геометрии при транспортировке его в вакууме увеличивает потенциал и собственный заряд, что приводит к уменьшению кинетической энергии частиц. Существует предел по увеличению транспортируемого тока, для трубчатого РЭП с радиусом гь, распространяющегося в коаксиальной с ним трубе радиуса Я, этот предел по току определяется выражением 1цт =
предельный вакуумный ток составит порядка 4 кА.
Таким образом, мощность сильноточного релятивистского электронного пучка имеет уровень гигаватт. Очевидно, что экспериментальная установка такой мощности может функционировать только в импульсном режиме.
Существует два направления развития СВЧ-генераторов: вакуумные релятивистские СВЧ-генераторы и СВЧ-источники с плазменным
отличается от единицы. Электрон с зарядом е и

“ГР7-(^3 _ ^)2 ^сли ПРИНЯТЬ 1п%, ~ Е ~ кА, а у = 2, то

заполнением. При инжекции РЭП в заранее подготовленную плазму наблюдается явление плазменно-пучковой неустойчивости, которое было теоретически открыто в 1948 г. в трудах А.И. Ахиезера и Я.Б. Файберга [2], а экспериментально наблюдалось Д. Бомом и Э. Гроссом [3]. Основные результаты были получены в ХФТИ [4, 5] и ИРЭ АН СССР [6]. Были созданы плазменные СВЧ-усилители и СВЧ-генераторы, но по своим параметрам они уступали вакуумным. Создание нерелятивистских плазменных СВЧ-источников, ограничивалось невозможностью эффективного вывода СВЧ-излучения из плазмы в широком диапазоне частот.
Принципы релятивистской плазменной СВЧ-электроники сформулированы в работе [7], а первый эксперимент был проведен в ФИАН СССР [8]. Данные работы послужили началом исследований и создания СВЧ-генераторов с широкой перестройкой частоты и СВЧ-усилителей с широкой частотной полосой усиления.
Частота излучения вакуумных релятивистских СВЧ-генераторов задается в основном их геометрией, как следствие, излучение происходит на фиксированной частоте. Перестройка частоты в таких устройствах крайне ограничена, удалось добиться перестройки порядка нескольких процентов от несущей частоты. Отличием плазменной СВЧ-электроники является то, что дисперсию плазменного волновода можно менять в широком диапазоне. Изменяя концентрацию плазмы, можно изменять условия взаимодействия РЭП и плазмы, что приводит к изменению частоты излучения. Эта идея и лежит в основе исследований, представленных в данной диссертационной работе.
§1. Актуальность работы
В последнее время большое внимание уделяется разработке и созданию мощных релятивистских СВЧ-генераторов с широким диапазоном частот излучения.

Глава 2. Техника эксперимента
§ 1. Сильноточный ускоритель СИНУС
Для формирования релятивистского электронного пучка в настоящей работе применялся сильноточный ускоритель СИНУС-550-80 [69].
В сильноточном ускорителе СИНУС-550-80 реализуется разряд коаксиальной спиральной формирующей линии на нагрузку с помощью высоковольтного разрядника, способного работать с большой частотой следования импульсов. Зарядка формирующей линии производится с помощью трансформатора Тесла с коэффициентом связи близким к единице и разомкнутым ферромагнитным сердечником, который обеспечивает высокую эффективность передачи энергии из низковольтного первичного контура в высоковольтный вторичный контур. Электронный пучок формируется в результате взрывной эмиссии на катоде в коаксиальном диоде с продольным магнитным полем, которое производит соленоид постоянного тока.
Основные параметры сильноточного ускорителя СИНУС-550-80:
Максимальное напряжение на катоде 550 кВ
Импеданс 40 Ом
Длительность импульсов тока по полувысоте 80 не
Максимальная частота следования импульсов 50 Гц
Магнитное поле для транспортировки электронного пучка создается соленоидом со следующими основными параметрами:
Максимальная индукция магнитного поля на оси 1,5 Тл
Длина соленоида 50 см
Внутренний диаметр трубы дрейфа 129 мм
Основные части ускорителя представлены на Рис. 14.