книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

а частоты близки к частоте аномалии Вуда.

Другим элементом, обеспечивающим электронную селекцию возбуждаемого колебания, является многопроходный резонатор, ко­ торый может образовываться на участке: вторая секция — про­ странство дрейфа — первая секция — запредельный волновод —- пер­ вая секция — пространство дрейфа. Резонатор образуется, если угол сужения запредельного волновода таков, что попадая в сужение под углом излучения — 2-й гармоники, волна выходит из него под. малым углом излучения — 1-й гармоники. При этом существенно увеличивается синхронное поле первой секции, обеспечивая элек­ тронную селекцию колебаний.

Согласованная работа первой и второй секций может быть обеспечена выбором оптимального соотношения между периодами 1\ и h. Излучаемая против направления движения потока — 2-я гар­ моника, попадая на решетку первой секции, возбуждает синхрон­ ное поле с фазовой скоростью

Рф1= [Я (1 /Zi-l/fa)+1 / М " 1-

Наилучшие условия группирования обеспечиваются при оптималь­ ной расстройке между фазовой скоростью синхронного поля первой

Для согласования двух секций по частоте и для селекции соб­ ственной волны системы необходимо, чтобы дисперсионные харак­ теристики периодических волноводов обеих секций для выбранной моды пересекались между собой и с линией медленной волны про­ странственного заряда. При этом постоянные распространения волн в секциях согласованны, и энергия обратной компоненты поля вто­ рой секции переходит в энергию волны первой секции.

Генератор работает следующим образом. В первой секции реа­ лизуется механизм ЛОВ при синхронизме пучка и —1-й простран­ ственной гармоники поля обратной волны одной из объемных мод

бе не оптимален и используется для предварительной модуляции электронного потока по скорости. Образовавшиеся в области дрей­ фа сгустки электронов излучают во второй секции две волны. Од­ на из них (п = —1) направлена вперед и выводит СВЧ-энергию из системы, другая (тг = —2) направлена назад и обеспечивает об­ ратную связь между секциями в генераторе. Для согласования секций угол распространения обратной волны 0-2 « 0Б. Вследствие конечной длины второй секции структура полей, излучаемых пуч­ ком, более сложна. В частности, возможно излучение поля под

малыми углами к оси системы, обусловленное «рождением» - 3 - й пространственной гармоники.

При численном моделировании МВДГ [329] с помощью гео­ метрооптической методики [296] было выявлено два режима взаи­ модействия пучка и поля. Режимы отличаются значениями коэф­ фициента трансформации iT -i-al. Первый режим характеризуется значениями коэффициента \T-\-z\ в пределах 0,9—0,95. В этом случае увеличение синхронного поля в первой секции в 3 — 5 раз достаточно для электронной селекции, но степень группировки пуч­ ка относительно невелика. В выходной секции происходит догруппировка пучка с излучением, что может обеспечить высокие КПД (до 40 % ). Однако этот режим критичен к диаметру выходной сек­ ции, так как в ней необходимо сильное синхронное поле, которое может быть получено только при выполнении условий фазирован­ ного сложения полей. Экспериментально реализовать такой режим работы МВДГ достаточно сложно.

Для второго режима характерны значения коэффициента

ство дрейфа образуются сгустки, которые затем излучают во вто­ рой секции. Подобный режим привлекателен тем, что при излуче­ нии электронных сгустков амплитуда синхронного поля выходной секции не столь существенна, как в первом режиме. Поэтому при гэкспериментальной реализации не требуется высокая точность вы­ бора диаметра выходной секции.

Влияние магнитного поля на процесс взаимодействия электро­ магнитных полей с электронным пучком наиболее значительно вблизи циклотронного резонанса электронов с пространственными гармониками [330]. При этом возможно когерентное излучение или поглощение в условиях как аномального, так и нормального эффек­ тов Доплера. Резонансное значение магнитного поля определяется из соотношения сов = 2 TCV ï{\n\Jl. Подбирая магнитное поле Во, мож­

но добиться необходимого циклотронного поглощения любой рас­ пространяющейся пространственной гармоники. Для МВДГ важна оптимизация обратной связи, осуществляемой излучением — 2-й пространственной гармоники из второй секции.

5.5.2. Экспериментальные исследования МВДГ

Экспериментально исследовались МВДГ в двух- [328] и трех­ сантиметровом [329] диапазонах длин волн. Трубчатый электрон­ ный пучок диаметром 6 и И см с током 7— 20 кА и энергией элек­ тронов 0,9— 1,7 МэВ инжектировался в электродинамические струк­ туры D\ = Z>2 = 7)дР = 8,4 и 14 см. На входе структур устанавли­ вались волноводы с запредельным сужением. Магнитное поле в пространстве взаимодействия Во = 14—31,5 кГсНаиболее подробно исследован МВДГ с D = 8,4 см. В первой секции диафрагмы имели вид полуторов с радиусом го = 0,3 см и периодом Zi = 1,5 см. Во

0-поляризованного излучения (а), зависи­ мости мощности (б) и длительности (в)

СВЧ-импульса от магнитного поля.

второй секции форма диафрагм менялась при неизменном периоде h = 3,2 см.

в режиме ЛОВ. Длина волны при повторной установке структуры была неустойчивой: регистрировалось излучение с длиной волны

диафрагм второй секции соответствовала второму из описанных в разд. 5.5.1 режимов работы МВДГ.

Диаграмма направленности излучения содержала радиальную (Ео) (рис. 5.34, а) и азимутальную (Е^) компоненты высокочастот­ ного электрического поля, которые составляли примерно 85 и 15 % но мощности. Из зависимостей мощности и длительности СВЧимпульсов от магнитного поля (рис. 5.34, б, в) следует, что при Во ~ 25 кГс генерация практически отсутствует, а Р и тСрч резко

но Тсвч уменьшалась до 80 нс. С учетом потерь в рупорной антен­ не электронный КПД генератора мог достигать ~ 1 0 %.

На рис. 5.35 приведены расчетные распределения синхршного поля E c(z) и первой гармоники тока j\{z) для экспериментально исследованной структуры с D = 8,4 см. Для данного распределения поля стартовый ток в приближении бесконечно сильного i/агнитнго поля составляет 8 ± 10 кА, а КПД возрастает с током пучка

и достигает максимальных значений 10— 15 % при токах 12— 15 кА. КПД энергообмена (т|е ~ 1 0 % ) и распределение синхронного поля указывают на то, что взаимодействие электронного пучка с элек­ тромагнитным полем соответствует второму режиму работы МВДГ. Полученные экспериментальные результаты согласуются с расчет­ ными значениями / ст и КПД. Расчеты по методике [330] показали, что магнитное поле Во ~ 25 кГс примерно соответствует максималь­ ному поглощению — 2-й пространственной гармоники дифракцион­ ного излучения быстрой циклотронной волной и наибольшему стар­ товому току. Генерация СВЧ-излучения при этом, как уже отмеча­ лось выше, практически отсутствует. Увеличение мощности излу­ чения с возрастанием магнитного поля соответствует уменьшению стартового тока и оптимизации обратной связи при отстройке от

было обнаружено возбуждение конкурирующего типа колебаний с длиной волны Я ~ 2,7 см, соответствующего «2я»-виду первой и «4л»-виду второй секции генератора. Уменьшение магнитного поля от 28 до 14 кГс приводило к уменьшению мощности «паразитно­ го» излучения и к увеличению мощности рабочего вида колебаний генератора. Выделение режима МВДГ при Во = 14 кГс связано о уменьшением циклотронного поглощения — 2-й пространственной гармоники излучения и стартового тока генератора. Мощности и длительности импульсов СВЧ-излучения с Я » 3,7 см были близки к параметрам, полученным в МВДГ с D = 8,4 см.

5.5.3. МВДГ с асимметричными элементами периодической структуры

Выше рассматривались теоретические и экспериментальные ис­ следования МВДГ с симметричными элементами периодической структуры. В данном разделе излагаются результаты исследования многоволнового устройства, действие которого основано на специ­ фических особенностях дифракционного излучения релятивистских электронных пучков вблизи электродинамической структуры с асим­ метричной формой элемента периодичности.

Электродинамическая структура релятивистского генератора представляет собой двухсекционную осесимметричную периодиче­ скую структуру (рис. 5.36) [331]. В двумерном приближении ее можю рассматривать как составленную из эшелеттов, размещен­ ных симметрично относительно оси z. Элементы периодичности име­ ли форму прямоугольного треугольника с неравными катетами’ Электронный пучок, движущийся вдоль периодической диафрагми­ рованной поверхности, излучает пространственные гармоники под определенными углами:

0П= arccos( 1/Рц + гаЯ/Z), п = 0, ±1, ± 2 , . . .

При ишользовании эшелетта амплитуды излучаемых гармоник за-*

Рис. 5.36. Схема электродинами­ ческой структуры и зависимость ^амплитуд дифракционного излу­ чения (а) РЭП, движущегося над эшелеттом, — 1-й (б) и 2-й (в) дифрагирующих на нем волн от

угла (ф.

1 — п = О, 2 — 71 = — 1, 3 — 71 = — 2.

висят от угла при вершине треугольника ф (см. рис. 5.36). Угол можно выбрать таким, что излучение одной из гармоник будет запреще­

уширение Д0Пуглового спек­ тра излученных волн ко­ нечно. Если оно достаточно велико, то в дифракционном генераторе возможна суще­ ственная перекачка электро­

магнитной энергии в приосевое излучение- В предположении, чтЬ уширение связано в основном с конечностью длины электродина­ мической структуры L, угол, соответствующий максимуму излуче­ ния, определяется выражением

COS emax = (з - Y il - 1 т ) / 3РII • (5-2)

Периоды секций были равными l\ = fa = l и соответствовали двухволновому режиму излучения пучка (п = —1 , —2 ). Согласно расчетам (рис. 5.36, а), дифракционное излучение РЭП максималь­ но, если угол ф = 83°. Излучается в основном волна, соответствую­ щая - 1 -й пространственной гармонике периодической структуры

инаправленная в сторону вывода СВЧ-энергии. Угол 83° был выбран для элементов второй секции. При этом достаточно велико

исинхронное поле (тг = 0). В отсутствие пучка при ф = 83° на­ блюдается значительная взаимная трансформация волн с индексами п = ~ 1 и —2 (рис. 5.36,6), что означает существование во/второй секции резонансных колебаний. Трансформация является неполной, что приводит к конечной добротности колебаний.

Для элементов первой секции был выбран угол ф = 7tf, а са­ ма секция повернута на 180°. При этом в ней подавлено излуче­ н и е — 1 -й пространственной гармоники и обеспечены высокодоброт­

8ь6 мм, которая соответствует длине волны предварительных рас­ четов системы, сравнительно невелика. При переходе к двухсекци­ онной системе мощность излучения неоптимизированного варианта МВДГ увеличивалась примерно на порядок и достигала 40 МВт на длине волны 8,6 мм. Ширина спектра не превышала 0,3 %. Дли­ тельность импульса по основанию составила 60— 70 нс.

Диаграмма направленности содержала излучение с радиальной

(0) и азимутальной (<р) поляризациями. Основная часть излучения радиально поляризована, диаграмма направленности (рис. 5.37) имеет два отчетливо выраженных максимума. Приосевое излуче­ ние приходится на угол 4°, что соответствует формуле (5.2). Вто­ рой максимум, приходящийся на угол 1 2 °, соответствует излучению

— 1 -й пространственной гармоники во второй секции с учетом ее отражения от стенок конического волновода и рупорной антенны.

5.6. ЭЛЕКТРОННЫЙ СИНХРОТРОННЫЙ МАЗЕР

Релятивистские электронные осцилляторы в общем случае из­ лучают на доплеровски преобразованных частотах (5.1). Излучение вперед отличается наибольшим увеличением частоты и использует­ ся в мазерах на свободных электронах. Согласно выводам теории [246], в поглощающем сверхразмерном волноводе моды свободного поля быстро затухают и излучение вперед сопровождается взаимо­ действием сильноточного электронного потока и электромагнитного поля, сосцедоточенным, главным образом, в пределах конуса синхротронног* излучения циклотронных осцилляторов. Многоволновый

механизм взаимодействия и обратной связи определяет вид спектра излучения [287]. Оптимальные режимы работы электронного сицхротронного мазера [246] обычно реализуются, если начальные по­

Основными проблемами при создании ЭСМ являются формиро­ вание поливинтовых пучков с малым разбросом электронов по ско­ ростям и подавление паразитной генерации в длинно- и коротко­ волновой частях сантиметрового диапазона [227]. В экспериментах по исследованию ЭСМ [160] электронный пучок формировался в КДМЙ, содержащем тонкостенный трубчатый катод диаметром 12,6 см и цилиндрический анод диаметром 22 см. Расстояние ка­ тод — анод равнялось 8 см. Для получения поливинтового потока с увеличенной поперечной составляющей скорости электронов диод располагался в неоднородном магнитном поле с пробочным j отно­ шением к = 6,7. Угол между линией, соединяющей кромки катода и анода, и силовой линией магнитного поля равнялся 55°. Он был выбран в результате оптимизации КДМИ по обратному току Диода, току пучка и поперечной составляющей скорости электронов. Труб­

щую волноведущую структуру диаметром 8 см и длиной 80 см с однородным магнитным полем So = 7— 28 кГс. Частотная характе­ ристика поглощающего волновода не имела в диапазонах 10 см, 3 см и 8 мм ярко выраженных резонансов, а передача энергии определялась в основном лучевым распространением волны от вхо­ да к выходу. При углах распространения излучения 0 > 20° ослаб­ ление превышало 20 дБ. Для выяснения особенностей взаимодей­ ствия пучка и поля в экспериментах поглощающий волновод заме­ нялся металлической трубой дрейфа с теми же размерами.

Для измерения разброса электронов по поперечным скоростям ■Nc($_L), а также зависимости средней поперечной скорости элек­

тронов от магнитного поля ^± (So) использовался специальный ана­ лизатор. Распределение электронов по поперечным скоростям нахо­ дилось из соотношения jü± = глсов/с через их распределение по ларморовским радиусам, вычисляемое по результатам измерений тока коллекторами, установленными за щелями различной ширины. За­ тем строились гистограммы АС(Р±) для различных магнитных полей (рис. 5.38). Разброс электронов по поперечным скоростям мини­ мален при So = 8 кГс. Зависимость Р±(Во) (рис. 5.39) _имеет мак­

пучка в неоднородном магнитном поле. Расчеты показали, что элек­ троны, вылетающие с катода под большим углом к силовым лини-

Рис. è.38. Гистограммы поперечных скоростей электронов пучка при различ­ ных магнитных полях через 0,3 мкс от начала импульса.

Рис. 5.39. Зависимость средней попе^

речной скорости электронов от маг­

нитного поля.

Рис. 5.40. Зависимость мощности

ДВИ (i), СМИ (2) и ММИ (3) от

магнитного поля.

ям магнитного поля и имеющие большие поперечные скорости,, испытывают отражение в области неоднородного поля и не прохо­ дят в трубу дрейфа. Из измерений следует, что средняя попереч­ ная скорость электронов и разброс по поперечным скоростям не­ сколько возрастают в течение импульса тока ти ~ 1 мкс.

Зарегистрировано излучение трех типов: в длинноволновой ча­ сти сантиметрового диапазона (ДВИ ), в коротковолновой части сантиметрового диапазона (СМИ) и в миллиметровом диапазоне' (ММИ). Последний соответствовал режиму ЭСМ. Зависимости от-

чение. Диаграммы направленности всех типов излучений содержа­ ли радиальную (0) и азимутальную (*ср) компоненты высокочастот­ ного поля. Для каждого типа излучения диаграммы обеих компо­ нент были близки по форме, а мощности примерно одинаковы.

Максимальное значение мощности ДВИ в поглощающем вол­

Длительность импульса изменялась в пределах 0,4—0,7 мкс. В ме­ таллической трубе дрейфа мощность ДВИ возрастала до 3 —5 МВт, спектр излучения расширялся до 20—30 % (кривая 5, рис. 5.41, а).

Максимум в спектре ДВИ при So = 8 кГс приходится примерно на удвоенную релятивистскую циклотронную длину волны. Это соот­

æ — с, 0ДВИ « л, о)дви ~ сов/2 (см. разд. 5.2).

В спектре СМИ в металлической трубе дрейфа выделяются две компоненты с длинами волн 4 и 2,5 см со значительной шириной

что свидетельствует о малости плазменной частоты. Появление этой спектральной компоненты обусловлено гиротронным механизмом излучения, которому соответствуют большие фазовые скорости ^фМИ ^ оо и углы 0СМИ« л/2. Спектральной компоненте X ~ 2,5 см, эхо-видимому, соответствует излучение на частоте второй гармони-

Рис. 5.42. Диаграмма направлен­ ности ММИ в поглощающем вол­ новоде (7) и гладкой трубе дрей­ фа (2) при В0 = 8 кГс.

ки циклотронных осцилляций ~ 2 CDJB, однако механизм ее возбужде­

В; ЭСМ с поглощающим волноводом при Во = 8 кГс генериру­

рис. 5.41, в). Длительность импульса достигает 0,7 мкс. Сужение* спекфа при Во = 8 кГс определяется достижением минимума раз­ броса электронов по поперечным скоростям (см. рис. 5.38). В ме­ таллической трубе дрейфа мощность миллиметрового излучения па­

чения более мощными излучениями сантиметрового диапазона (СМИ и ДВИ ).

Угол раскрыва диаграммы направленности миллиметрового из­ лучения ЭСМ в дальней зоне (кривая 7, рис. 5.42) равен 15— 25° и определяется главным образом направленным синхротронным из­ лучением осциллирующих электронов, локализованным в пределах* конуса с раскрывом —l /у. Диаграмма направленности ММИ, ге­ нерируемого в металлической трубе дрейфа (кривая 2, рис. 5.42), отличается от диаграммы излучения ЭСМ. Она формируется в ре­ зультате переотражения волн многих мод, возбуждаемых в метал­ лическом волноводе. В частности, максимум диаграммы, приходя­ щийся на угол 0 « 10°, определяется отражением волн от выход­ ного конического рупора.

5.7. ВТОРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СВЧ-ГЕНЕРАТОРАХ СВЕРХБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Уже при исследовании одномодовых СВЧ-генераторов с выход­ ной мощностью < 1 0 8 Вт были обнаружены и в значительной сте­ пени изучены вторичные процессы, сопровождающие генерацию электромагнитного излучения и ограничивающие ее длительность [332— 337]. К ним относится, в первую очередь, образование плаз-