Мощные релятивистские СВЧ-генераторы на основе лампы обратной волны с резонансным рефлектором

Появление сильноточных электронных ускорителей в начале 70-х годов [1,2,78,79] привело к становлению релятивистской высокочастотной электроники и повышению импульсной мощности СВЧ-излучения сразу на несколько порядков [3,4,37]. В настоящее время сильноточные ускорители позволяют генерировать пучки с энергией электронов от 0.2−2 МэВ, токами в единицы и десятки килоампер и частотой повторения до 1000 Гц [75,77,80−82]. Вслед за развитием ускорительной техники происходит поступательное движение в разработке и создании мощных релятивистских СВЧ-генераторов [5−7,30,58,]. Так, к настоящему времени в экспериментах реализованы генераторы микроволнового излучения с уровнями выходной мощности 108 — Ю10 Вт и длительностями СВЧ-импульсов в десятки наносекунд. Однако, практические применения СВЧ-генераторов (для целей наносекундной локации, специальных радиотехнических приложений) диктуют необходимость повышения стабильности и эффективности генерации, и увеличения энергии в СВЧ-импульсе. Актуальными также являются сохранение высокой когерентности излучения для высоких значений мощности генерации, широкая перестройка частоты генерации, экономичность.

Среди релятивистских СВЧ-генераторов наибольшее внимание уделяется релятивистской лампе обратной волны (PJIOB) [3,4,8,29], которая была первым прибором, реализованном в разовом режиме на базе сильноточного ускорителя электронов. В последующем ряд демонстрационных экспериментов был проведен в импульсно-периодическом режиме [9,24]. Особенностью данного генератора является то, что взаимодействие ВЧ-поля с электронным пучком осуществляется через синхронную гармонику волны, которая распространяется навстречу электронному потоку. Это обеспечивает распределённую обратную связь в приборе и превращает его в генератор. Данному прибору присуща высокая степень адаптивности к изменениям параметров пучка, малое время переходного процесса, простота конструкции. Для релятивистских энергий частиц замедляющая система (ЗС) не требует высокой дисперсии (слабогофрированный волновод) и потому, обладает повышенной электропрочностью. В традиционной схеме генератора используется ЗС со средним диаметром гофрированного волновода, близким к длине волны, а рабочим типом волны является E0i. Такой схеме свойственна высокая селективность по отношению к волнам, отличающимся поперечной структурой поля. Обычно в схеме используется запредельное сужение в качестве отражателя встречной волны. Для энергий электронов ~500 кэВ в режиме одиночных импульсов и диапазоне частот вблизи 10 ГГц в экспериментах обычно реализуется КПД генератора около 20% при ведущем магнитном поле около 25 кЭ, а в случае профилирования параметров ЗС (за счёт вносимых изменений распределения сопротивления связи или фазовой скорости синхронной гармоники) удается достичь 30−40% при гигаваттном уровне импульсной мощности. Примечательно, что в релятивистской области энергий частиц параметры взаимодействия близки к оптимальным (с точки зрения соотношений подобия для длины системы и амплитуды синхронной волны [37,39,40]), благодаря чему прибор имеет принципиально более высокий КПД по сравнению с нерелятивистской ЛОВ. В 8-см диапазоне длин волн достигнутая максимальная мощность генерации составляет 5 ГВт при длительности СВЧ импульса около 20 не [22,58].

В отличие от нерелятивистских аналогов JIOB, создаваемые генераторы не обеспечивают необходимую электронную перестройку частоты излучения. Поэтому приходится разрабатывать конструкции с механической перестройкой частоты от импульса к импульсу. Другая специфическая особенность работы PJIOB заключалась в необходимости применения сильных магнитных полей, создаваемых для реализации импульсно-периодического режима сверхпроводящими соленоидами (эффективность генератора в слабом магнитном поле «теплого» соленоида составляла менее 10% [42]). Это обстоятельство во многом сдерживало развитие ряда приложений, в силу дороговизны и необходимости участия квалифицированных специалистов в обслуживании сверхпроводников. Перечисленные особенности вместе с задачей повышения эффективности генератора были основными при формулировании целей диссертационной работы.

Процесс развития СВЧ генераторов осуществляется как за счет разработки новых устройств с высокой эффективностью преобразования энергии электронного пучка в энергию электромагнитного поля, так и путем усовершенствования и модернизации уже предложенных ранее устройств. На данный момент перспективной представляется модернизированная конструкция PJIOB, которая состоит из ЗС с увеличенным поперечным размером (средний диаметр гофрировки превышает длину волны излучения) и резонансного рефлектора [10,61] в качестве отражателя встречной волны. В этой конструкции отражение встречной волны происходит вследствие возбуждения в рефлекторе запертой моды, в резонансном поле которой происходит эффективная предварительная модуляция пролетающего через него электронного потока по энергии. Выбор данной конструкции генератора обусловлен по нескольким причинам. Увеличение поперечного размера ЗС позволяет повысить порог импульсной мощности, выше которого происходит ВЧ-пробой на поверхности гофрированной структуры [23,55]. С другой стороны, за счёт увеличения диаметра взрывоэмиссионного катода, требуемый ток пучка можно получить при меньших напряжённостях электрического поля на его кромке, чем в традиционной схеме PJIOB с запредельным сужением. Главным образом это связано с увеличением площади эмитирующей поверхности. Кроме того, увеличение поперечного размера ЗС и сопротивления связи с синхронной гармоникой приводит к снижению эффективности преобразования электромагнитной волны в быструю циклотронную волну электронного потока [42,68]. Данные обстоятельства важны с точки зрения получения эффективной генерации в области слабых магнитных полей. Характер структуры энергообмена, схожий для приборов клистронного типа с распределённым взаимодействием, создаёт условия для высокой эффективности энергообмена.

Влияние предварительной модуляции на эффективность и частоту генерации было отмечено ещё в традиционной схеме генератора с запредельным сужением [35,47]. Поскольку в предлагаемой конструкции генератора данный эффект выражен более отчётливо, предлагается более детально исследовать влияние предварительной модуляции электронного пучка на работу генератора.

В ЗС с увеличенным поперечным размером для селективного возбуждения рабочей моды требуется совокупное использование, как электродинамических, так и электронных методов селекции. При определённых условиях предварительная модуляция электронного потока в области резонансного рефлектора отчасти обеспечивает преимущественные условия для возбуждения рабочей моды. Однако, с точки зрения подавления резонансных колебаний ЗС, которые могут попасть в полосу синхронизма с электронным пучком, этого может оказаться не достаточно. Таким образом, представляется целесообразным провести анализ возможных паразитных колебаний и поиск методов их подавления.

Существенную роль в процессе энергообмена играют поля объёмного заряда электронного пучка. Наблюдаемое на практике несоответствие максимальных расчётных и экспериментальных эффективностей РЛОВ в частности обусловлено используемым в рамках простейших численных моделей генератора упрощением, связанным с учётом только первой гармоники пространственного заряда, которое в общем случае является не вполне корректным (особенно для режимов с высокой эффективностью). Корректный учёт поля пространственного заряда важен при оптимизации параметров генератора на стадии численного моделирования. Другим важным аспектом является наблюдаемое снижение КПД генератора при увеличении тока сильноточного пучка, вызванное ростом сил объёмного заряда. Сохранение высокой эффективности генератора делает актуальной проблему их снижения.

На стадии численного моделирования с использованием как простых, так и более сложных численных моделей требуются точные оценки электродинамических параметров исследуемой геометрии генератора. К их числу следует отнести значения сопротивлений связи электронного пучка с «О» и «-1» гармониками, полосовую характеристику ЗС и распределение поля вдоль электродинамической системы (ЭДС) генератора. Современный программный аппарат вместе с мощной вычислительной техникой позволяет относительно быстро и просто проводить данные численные исследования. Для проведения «горячего» численного эксперимента целесообразно использовать более сложные численные модели, например, код KARAT, где поля электромагнитных волн и электронного пучка представлены в их наиболее полном виде. Всё это в совокупности позволяет существенно облегчить задачу оптимизации геометрии генератора, так как сокращается количество дорогостоящих и трудоёмких экспериментов.

Цель диссертационной работы — теоретическое и экспериментальное исследование влияния предварительной модуляции элеюронного пучка на работу PJIOB с резонансным рефлектором, практическая реализация эффективного генератора в относительно слабом и большом магнитных полях, разработка и создание эффективного релятивистского генератора с полосой перестройки частоты около 10% для фиксированных параметров ЗС и элеюронного пучка.

Научная ценность и новизна результатов.

Результаты численного моделирования с использованием различных моделей расширяют знания о физических процессах в PJIOB с предмодуляцией электронного потока. В расчётах продемонстрированы эффекты снижения стартового тока для рабочей моды при наличии предварительной модуляции электронного потока и изменения частоты генерации при смещении положения резонансного рефлектора относительно ЗС. Получено условие оптимального энергообмена, которое для режимов с высоким КПД генерации устанавливает связь между глубиной модуляции и нормированным током пучка.

На основе имеющегося программного аппарата произведены оценки электродинамических параметров ЗС и резонансного рефлектора, что расширило возможности численного эксперимента.

В расчётах с помощью полностью элеюромагнитного кода KARAT продемонстрирована принципиальная возможность реализации на практике эффективной генерации как в большом, так и относительно слабом магнитных полях, а также возможность реализации эффективного генератора с полосой перестройки частоты около 10% для фиксированных параметров ЗС и электронного пучка.

Практическая ценность работы.

Полученные в диссертационной работе сведения о физических процессах в PJIOB с предмодуляцией элеюронного потока используются при конструировании и создании эффективных генераторов.

Создание эффективного релятивистского генератора в магнитных полях ниже области циклотронного поглощения встречной волны позволило существенно снизить энергетические затраты по магнитному полю при его работе в импульсно-периодическом режиме и значительно упростило его обслуживание.

Создание эффективного релятивистского генератора с широкой полосой перестройки частоты расширяет область его практического применения.

Использование ЗС с увеличенным поперечным размером создаёт предпосылки для увеличения длительности и импульсной мощности микроволнового излучения.

Результаты работы используются в ИСЭ СО РАН, и были применены при проведении ряда совместных исследовательских работ.

Публикации результатов.

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в статьях и трудах конференций [10−21,25,41,60,64,95,100]. Результаты работы докладывались на следующих международных конференциях и симпозиумах: BEAMS 98 — Хайфа (Израиль), BEAMS 2002 — Альбукерк (США), «Симпозиум по сильноточной электронике» 2000 г. и 2004 г. Томск, 11th IEEE International Pulsed Power Conference — Балтимор (США), BEAMS 92 — Вашингтон (США), 1996 — Денвер (США), EUROEM'98 — Тель-Авив (Израиль) и других.

Структура и объём диссертации.

Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, одно приложение и список литературы из 100 наименований. Объём диссертации составляет 135 страниц, число рисунков — 78, таблиц — 3.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

Предложена новая конструкция РЛОВ состоящая из ЗС с поперечным размером, превышающим приблизительно в 1.3−5-1.5 раза длину волны излучения, и сосредоточенного резонансного рефлектора для отражения встречной волны EoiПоказано, что отражение встречной волны от рефлектора осуществляется вследствие возбуждения в нём запертой моды Ео2- Показано, что в полосе частот отражения рефлектора имеет место предварительная модуляция пролетающего электронного пучка по энергии. Это создаёт условие для селекции волн в ЗС с увеличенным поперечным размером.

В рамках линейной модели генератора показано, что наличие предварительной модуляции видоизменяет стартовые параметры генератора. В зависимости от глубины модуляции и положения рефлектора относительно ЗС возможно существенное снижение стартового тока (стартовой длины) генератора для рабочей моды и изменение стартового значения расстройки синхронизма. Данное поведение стартовых параметров обусловлено изменением степени компактности формирующегося сгустка и положения его центра относительно фазы поля синхронной гармоники на входе в ЗС. Отмечено, что с ростом глубины модуляции частиц на входе расширяется диапазон изменения стартовой расстройки синхронизма, а минимальное значение расстройки стремится к точному синхронизму между пучком и синхронной волной. Показано, что поле пространственного заряда электронного пучка обеспечивает разрежение спектра собственных колебаний, различающихся продольной структурой поля. В рамках нелинейной краевой задачи ЛОВ с предварительной модуляцией электронного потока показано, что посредством изменения положения рефлектора относительно ЗС осуществляется регулировка эффективности энергообмена и частоты генерации. Получено условие оптимального энергообмена, которое для режимов с высокой эффективностью устанавливает связь между глубиной модуляции электронного потока и нормированным током пучка. В ультрарелятивистском случае и при малом параметре пространственного заряда максимальный расчётный КПД генератора с однородной ЗС достигает 60%. В зависимости эффективности генератора от параметра пространственного заряда существует оптимум. Показано, что оптимальное значение параметра пространственного заряда снижается с увеличением числа его гармоник в численном моделировании. При этом происходит повышение расчётной эффективности генерации, которое обеспечивается за счёт поддержания более длительной компактности электронного сгустка.

В рамках численного моделирования показано, что в режимах с высоким КПД генерации происходит нарушение условия селективного возбуждения рабочей моды. Это вызвано возрастанием стартового тока (стартовой длины) генератора. Показано, что использование неоднородных ЗС с дополнительной корректировкой оптимальных условий энергообмена обеспечивает получение высоких расчётных значений КПД генерации.

На основе нестационарного численного моделирования с помощью полностью электромагнитного кода KARAT показана возможность реализации эффективного режима генерации РЛОВ с резонансным рефлектором в области магнитных полей ниже циклотронного резонанса. На базе расчётов экспериментально реализованы однократный и импульсно-периодический режимы работы трёхсантиметрового генератора с эффективностью 20−25%, мощностью излучения 450−800 МВт в области магнитных полей 6−7 кЭ.

Проведено численное и экспериментальное исследование эффективной трёхсантиметровой РЛОВ с резонансным рефлектором в большом магнитном поле. Максимальная эффективность генерации в эксперименте составила ~37% при мощности генерации 750 МВт и магнитном поле 30 кЭ. Численно и экспериментально показано, что препятствием для повышения эффективности генератора является конкуренция со стороны паразитных колебаний. Экспериментально подтверждено существенное возрастание нестабильности генерации и несимметричности диаграммы излучения, появление сигналов с паразитной частотой вблизи п — вида.

7. Численно и экспериментально подтверждена возможность расширения механической перестройки частоты генерации PJIOB за счёт перемещения резонансного рефлектора относительно ЗС генератора при фиксированных параметрах гофрировки и электронного пучка. В эксперименте получена 11% полоса перестройки частоты по половинному уровню от максимальной мощности генерации 8-см РЛОВ. В области низких магнитных полей 4−5 кЭ максимальная эффективность генератора составила 25% при мощности генерации около 4 ГВт.

В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад диссертанта состоял в разработке и создании программы для численных исследований генератора с предмодуляцией электронного потока в рамках гидродинамической модели, проведении и анализе расчётов, разработке конструкций релятивистских генераторов на основе РЛОВ с резонансным рефлектором, участии, постановке, выполнении и анализе результатов экспериментальных исследований генераторов. Автором получено условие оптимального энергообмена, устанавливающее связь между глубиной модуляции электронов по энергии в области рефлектора и нормированным током пучка. Автор принимал непосредственное участие в разработке, создании и исследовании РЛОВ в низком магнитном поле. Автором предложен и реализован способ механической перестройки частоты генерации РЛОВ за счёт смещения резонансного рефлектора относительно ЗС генератора.

В заключении автор считает приятным поблагодарить доктора ф.-м. наук В. В. Ростова, кандидата ф.-м. наук А. И. Климова за помощь и полезные замечания в работе, и выразить искреннюю признательность коллективу отдела физической электроники ИСЭ СО РАН за техническую помощь, и товарищеское содействие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.