Гирорезонансные приборы и СВЧ компрессоры на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности

Актуальность темы

диссертации.

В диссертационной работе представлены исследования, направленные на создание новых мощных источников когерентного электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазонов длин волн. В последние годы такие источники на основе вакуумных электронных приборов все шире используются как для исследовательских (физика плазмы, ускорение элементарных частиц до высоких энергий, плазмохимия, мониторинг атмосферы, биология и др.), так и для прикладных (радиолокация, связь, модификация материалов, медицина и др.) целей [1−8]. Основными направлениями развития данных приборов являются повышение импульсной и средней мощности, расширение диапазона перестройки частоты (для генераторов) и мгновенной полосы усиления (для усилителей), повышение КПД, снижение массогабаритных параметров.

В миллиметровом диапазоне длин волн наиболее высокий уровень средней мощности обеспечивается мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), среди которых в настоящее время широко используются в приложениях только гиротроны (генераторы) [9] и гироклистроны [10, 34] (усилители), несмотря на то, что основные принципы и положения теории МЦР были впервые разработаны для гироприборов с бегущими волнами [11, 12] - ламп бегущей волны (гиро-ЛБВ) и ламп обратной волны (гиро-JIOB). Эти приборы аналогичны традиционным лампам бегущей и обратной волны, но отличаются от последних тем, что в них электроны двигаются по винтовым траекториям и взаимодействуют с быстрыми волнами в волноводах с гладкими стенками, благодаря чему в гироприборах удается получать очень высокие уровни мощности излучения на коротких волнах. По сравнению с гиротронами и гироклистронами, в которых используются высокодобротные резонаторы, перестройка частоты излучения в гиро-ЛОВ и полоса усиливаемых частот в гиро-ЛБВ могут быть на порядок шире. Поэтому для приложений, в которых требуются мощные широкополосные источники, гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ являются весьма привлекательными приборами, усовершенствованию которых в последние годы было посвящено довольно много исследований [15−18, 18−33]. Однако, несмотря на некоторые успешные эксперименты [22−30], широкополосных гироприборов, использующихся для приложений до сих пор не было создано. Основными проблемами реализации волноводных разновидностей МЦР являются их сильная критичность к скоростному разбросу частиц вследствие доплеровского уширения линии циклотронного резонанса и низкая устойчивость по отношению к самовозбуждению колебаний на квазикритических частотах. В диссертации представлены исследования, развивающие и реализующие предложенную Г. Г. Денисовым [35] идею об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ. Данная идея является, по-видимому, наиболее радикальным способом «дать новую жизнь» этим приборам и поставить их в один ряд с наиболее востребованными для приложений источниками электромагнитного излучения.

Другими, не менее динамично развивающимися в последнее время СВЧ источниками, имеющими свой круг приложений [1−8, 36, 49], являются релятивистские усилители и генераторы [4, 5, 36−59]. Если для приборов гиротронного типа характерные значения ускоряющего напряжения составляют десятки киловольт, длительности импульсов — от десятков микросекунд до непрерывного режима, а выходной мощностиот десятков киловатт до единиц мегаватт, то микроволновые источники, в которых достигаются максимальные мощности, составляющие в настоящее время 109-Ю10 Вт, работают при мегавольтных напряжениях длительностью от единиц до десятков наносекунд [36−48]. Повышение пиковой мощности традиционно является одной из центральных задач релятивистской высокочастотной электроники. Вместе с тем, в связи с растущей популярностью таких источников для ряда исследовательских и прикладных задач весьма актуальной становится проблема обеспечения доступности, удобства и других характеристик, предъявляемых к таким установкам со стороны пользователей. С этой точки зрения экстенсивный путь повышения выходной мощности излучения за счет наращивания энергетики электронного пучка становится все менее популярным, и все большее количество исследований сфокусировано на методах повышения мощности, не связанных с увеличением энергии частиц [46, 56−59]. При этом установки с напряжением 300−600 кВ в ряде случаев являются достаточно удобными для приложений [58, 59], и задача повышения пиковой мощности СВЧ источников на основе таких умеренно-релятивистских ускорителей до мультигигаваттного уровня, один из методов решения которой исследован в диссертации, представляется весьма актуальной.

Цели диссертационной работы.

Основными целями диссертации являются:

1) развитие и реализация идеи об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для существенного улучшения характеристик гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ и создание на этой основе приборов, перспективных для практического использования;

2) исследование нового подхода к созданию СВЧ источников мультигигаваттной мощности на основе умеренно-релятивистской ЛОВ с последующей компрессией импульса в волноводе с винтовой гофрировкой поверхности.

Научная ценность и новизна результатов.

1. Разработана методика расчета, оптимизации и измерения характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности, обеспечивающих необходимые свойства рабочей волны, как для широкополосных гироприборов, так и для компрессоров мощных частотно-модулированных импульсов.

2. Нелинейная теория гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ обобщена на случай использования в качестве электродинамических систем спирально-гофрированных волноводов. Теоретически показана слабая критичность винтовых гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ к скоростному разбросу частиц и их высокая устойчивость к возбуждению паразитных типов колебаний по сравнению с аналогичными приборами на основе гладких волноводов.

3. Развиты и исследованы в экспериментах методы формирования приосевых винтовых электронных пучков, перспективные для реализации не только разрабатываемых гироприборов, но и других разновидностей МЦР, в частности, гиротронов на больших орбитах коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

4. Впервые экспериментально подтверждены преимущества винтовых гиро-ЛБВ и гиро.

ЛОВ над аналогичными приборами с гладкими волноводами. Создан первый прототип винтовой гиро-ЛБВ, перспективной для приложений. Впервые для гиро-ЛОВ теоретически и экспериментально показана возможность существенного повышения КПД за счет рекуперации оставшейся после взаимодействия энергии электронов. Создана первая винтовая гиро-ЛОВ, использующаяся в приложениях.

5. Предложен и исследован новый метод создания СВЧ источников с мультигигаваттной импульсной мощностью на основе ускорителей с умеренно-релятивистскими электронными пучками.

6. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность генерации в релятивистской ЛОВ мощных СВЧ импульсов с частотной модуляцией, достаточной для последующей компрессии с увеличением пиковой мощности в 10−20 раз.

7. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность компрессии частотно-модулированных импульсов гигаваттного уровня мощности в сверхразмерных волноводах с винтовой гофрировкой.

Практическое значение работы.

Разработанные методики расчета и измерения характеристик винтовых волноводов могут быть использованы для анализа широкого класса периодических волноведущих систем.

На основе исследований гиро-ЛБВ с винтовыми волноводами начаты работы по созданию мощных широкополосных усилителей для систем радиовидения миллиметрового диапазона длин волн и для установок по получению многозарядных ионов.

На основе исследований винтовых гиро-ЛОВ создан частотно-перестраиваемый генератор киловаттного уровня непрерывной мощности, использующийся в составе комплекса по спеканию и модификации свойств керамики (FIR Center Fukui University, Япония).

Разработанный метод повышения мощности релятивистских усилителей и генераторов за счет пассивной компрессии в винтовом волноводе представляется перспективным для создания сверхмощных короткоимпульсных СВЧ источников, привлекательных для исследований в области физики плазмы, твердого тела, биологии, а также ряда радиотехнических приложений (радиолокации, тестирования электронного оборудования и др.).

Личный вклад автора.

Идея об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для гиро-ЛБВ была предложена Г. Г. Денисовым [35]. Им же были разработаны основные подходы к построению адекватной теоретической модели и сделаны первоначальные оценки параметров. В совместных работах [1*, 2*] получила дальнейшее развитие теоретическая модель, на основе чего автором были получены результаты нелинейного анализа электронно-волнового взаимодействия в винтовых гиро-ЛБВ и определены основные особенности конфигурации прибора. Дальнейшее развитие исследований в этом направлении, включая предложение и анализ преимуществ от использования аналогичной электродинамической системы для гиро-ЛОВ, расчеты (или контроль за расчетами) всех узлов винтовых гироприборов, составление технических заданий на конструирование, проведение (или руководство проведением) всех экспериментов, было выполнено лично автором при консультативной поддержке со стороны Г. Г. Денисова и В. Л. Братмана.

Идея об использовании волноводов с винтовой гофрировкой поверхности для компрессии частотно-модулированных импульсов была во многом стимулирована исследованиями по винтовым гироприборам и возникла при совместном участии автора и.

Г. Г. Денисова. Дальнейшее развитие этой идеи, приведшее к предложению об использовании комбинации релятивистской ЛОВ и винтового волновода-компрессора для получения импульсов мультигигаваттной мощности, было выполнено преимущественно автором. Непосредственно автором или под его руководством были проведены все расчеты и эксперименты по этому направлению исследований.

Апробация работы.

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в работах [1*-56*] и докладывались на семинарах ИПФ РАН, ИРЭ РАН, ОИЯИ, в Штутгардгском университете (Германия), Стратклайдском университете (Великобритания), Фукуйском университете (Япония), на российско-германских семинарах по гиротронам и нагреву плазмы, а также на 22 международных конференциях, симпозиумах и рабочих встречах, включая 20-ю, с 22-й по 27-ю и 29−30-ю Международные конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Орландо, США, 1995; Винтергрин, США, 1997; Колчестер, Великобритания, 1998; Монтерей, США, 1999; Пекин, КНР, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Карлсруэ, Германия, 2004; Виллиамсбург, США, 2005), 1, 3−5 и 8-ю Международные конференции по вакуумной электронике (Монтерей, США, 2000; Монтерей, США, 2002; Сеул, Корея, 2003; Монтерей, США, 2004; Китакьюшу, Япония, 2007), 4−6 Международные рабочие встречи «Мощные микроволны в плазме» (Нижний Новгород, 1999, 2002, 2005), 12, 15 и 16-ю Международные конференции по мощным пучкам заряженных частиц (Хайфа, Израиль, 1998; Санкт-Петербург, 2004; Оксфорд, Великобритания, 2006), 3-ю Международную конференцию по микроволновой технологии (Пекин, Китай, 2002) и Международный симпозиум по сильноточной электронике (Томск, 2000).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы (105 пунктов) и списка публикаций автора по теме диссертации (56 пунктов). Объем диссертации составляет 197 страниц, включая 94 рисунка.

Основные результаты диссертации.

1. Разработана методика теоретического и экспериментального анализа и синтеза электродинамических характеристик волноводов с винтовой гофрировкой, позволяющая создавать структуры с необходимыми для использования в широкополосных гироприборах и СВЧ компрессорах свойствами.

2. Нелинейная теория гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ обобщена на случай электродинамических систем в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности. Показано, что винтовые гироприборы существенно менее критичны к скоростному разбросу частиц и соответственно обладают более высоким КПД, чем аналогичные приборы с гладкими волноводамииспользование винтовых волноводов позволяет также значительно расширить мгновенную полосу усиления и диапазон плавной перестройки частоты генерации.

3. В экспериментах с винтовыми гиро-ЛБВ при использовании умеренно-релятивистских (200−300 кэВ) электронных пучков и взаимодействии на второй гармонике циклотронной частоты получены высокий электронный КПД (27−29%) и рекордная для этих приборов полоса частот (20%).

4. В экспериментах со слаборелятивистскими (до 80 кэВ) винтовыми гиро-ЛБВ 8-мм диапазона длин волн на второй циклотронной гармонике продемонстрированы электронный КПД до 27%, импульсная выходная мощность до 180 кВт при коэффициенте усиления 25−27 дБ и полосе частот около 10%.

5. В экспериментах с импульсными винтовыми гиро-ЛОВ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн получена полоса плавной перестройки частоты при изменении магнитного поля до 15% при максимальном КПД до 10−15%.

6. В экспериментах с непрерывными гиро-ЛОВ на частоте около 24.5 ГГц получена выходная мощность до 7 кВт при полосе плавной перестройки частоты 5−7% с КПД до 15%. Продемонстрирована возможность повышения КПД до 23% и снижения вдвое напряжения основного высоковольтного источника за счет использования одноступенчатой рекуперации остаточной энергии частиц.

7. Теоретически и экспериментально показана возможность генерации в релятивистской ЛОВ мощных СВЧ импульсов с частотной модуляцией, достаточной для последующей компрессии с увеличением пиковой мощности в 10−20 раз. Продемонстрирована возможность компрессии частотно-модулированных импульсов гигаваттного уровня мощности в сверхразмерных волноводах с винтовой гофрировкой.

Положения, выносимые на защиту.

1. Использование ВОЛНОВОДОВ С ВИНТОВОЙ гофрировкой поверхниит и ири^сьыл электронных пучков позволяет реализовать усилители миллиметрового диапазона длин волн на основе индуцированного циклотронного излучения, которые обеспечивают рекордную комбинацию таких основных параметров, как импульсная и средняя мощность, ширина полосы усиления и КПД.

2. Использование волноводов с винтовой гофрировкой поверхности позволяет реализовать плавно перестраиваемые по частоте и эффективные микроволновые генераторы, перспективные для приложений.

3. Метод, основанный на пассивной компрессии в винтовом волноводе частотно-модулированного излучения, генерируемого релятивистской ЛОВ, может быть использован для создания короткоимпульсных микроволновых источников мультигигаваттной мощности.

Заключение

.