книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

мы на поверхностях коллимирующей диафрагмы, коллектора и за­ медляющей структуры. Плазма образуется в результате двух ос­ новных процессов — это взрывная эмиссия электронов в сильном* высокочастотном электрическом поле и ионизация газового слоя, десорбируемого с поверхности электронным пучком, а после обра­ зования плазмы и ионами. Ионизация газа осуществляется в ре­ зультате воздействия на него быстрых электронов, ионов и СВЧ-

к появлению дополнительных процессов, таких как рост мощности излучения пучка в длинноволновой части сантиметрового диапазона (ДВИ ), разрушение пучка и оседание электронов на структуре, что вызывало ее эрозию, возбуждение тока плазменных электро­ нов в генераторе, уменьшение длительности импульса тока пучка вследствие более быстрого пробоя КДМИ при генерации мощных импульсов СВЧ-излучения. Рассмотрим их подробно.

Исследования [227, 313], выполненные на ускорителе «Гамма»,, показали, что формирование и транспортировка мощных (~ 1 0 ГВт)

граммах токов диода и пучка, регистрируемых с помощью пояса Роговского и шунта обратного тока соответственно. Такие колеба­ ния отсутствовали на осциллограммах рентгеновского излучения пучка. Это позволяет предполагать, что регистрируемые колебания обусловлены воздействием ДВИ на токовые датчики, т. е. электро­ магнитной наводкой на цепи регистрации. Мощность ДВИ умень­ шалась с ростом магнитного поля Во (рис. 5.43, б) . В волновом* поле присутствовали компоненты с 0 и ф-поляризациями. Простран­

товый ток длинноволновой генерации уменьшался при уменьшении магнитного поля и энергии электронов, при увеличении плотности

iPuc. 5.44. Зависимости мощности ДВИ в МВЧГ от радиуса (а) и критической длины волны (б) фильтров.

тока пучка и поперечной составляющей скорости электронов и осо­ бенно при установке коллимирующей диафрагмы, разделяющей об­ ласти формирования и транспортировки пучка. Отметим, что рост v± за счет возрастания пробочного отношения (& = 6 — 7) кроме увеличения мощности и уменьшения стартового тока ДВИ приво­ дит также к появлению компоненты излучения в коротковолновой части сантиметрового диапазона (СМИ) Я « 1,7— 4,6 см [227, 313]. Механизм генерации ДВИ в настоящее время связывается с излу­ чением по типу МЦР встречных электромагнитных волн [160]. Наряду с этим определенную роль могут играть и радиационные процессы в плотных токовых струях [227], всегда присутствующих в пучке.

Мощность ДВИ возрастает на порядок по сравнению с гладкой трубой дрейфа и достигает 10— 20 МВт при генерации гигаваттных импульсов СВЧ-излучения в МВЧГ [338]. Из синхронизированных осциллограмм (см. рис. 5.8) следует, что основное увеличение мощ­

ному, как показано ниже, плазменными процессами в МВЧГ. На сглаженной осциллограмме 1К (см. рис. 5.8, б) высокочастотные ко­ лебания, возникающие сразу за фронтом импульса, не показаны.

более выражено увеличение мощности при приближении к стенке выходного конического рупора. Мощность ДВИ в МВЧГ так же, как и в гладкой трубе, уменьшается с увеличением 5о. При этом критическая длина волны отсечки спектра Якр = 6,4 см практически не зависела от магнитного поля В 0 = 1 4 — 28 кГс. Можно предпо­ лагать, что увеличение мощности ДВИ при генерации СВЧ-излу­ чения связано с ростом и± в электронных сгустках. Численное мо­ делирование [225] показало, что v± в модулированном по плотно­ сти пучке увеличивается. Дальнейший рост мощности ДВИ может быть обусловлен как нарастанием возмущений в пучке и после окон­ чания СВЧ-импульса, так и изменением условий прохождения и отражения ДВИ в генераторе при развитии в нем плазменных процессов, в частности, от коллимирующей диафрагмы, покрытой

плазмой. Отсутствие в спектре излучения 1 > 9,6 см может также*

крутизна возрастают, а задержка относительно СВЧ-импульса уменьшается с ростом тока инжектируемого пучка и генерируемой мощности. Для уменьшения потока СВЧ-мощности в сторону кол­ лимирующей диафрагмы между секциями МВЧГ устанавливался поглотитель с дифракционными потерями [322]. Наличие такого поглотителя при увеличении магнитного поля позволило существен­ но уменьшить спад коллекторного тока. При этом, однако, во вто­

чения — 10 ГВт и В о = 14 кГс к концу импульса напряжения ти =

было существенно уменьшено расстояние между пучком и поверх­ ностью замедляющей структуры, что приводило к оседанию на нее небольшой части тока пучка. Следует отметить, что увеличение тока коллектора наблюдалось и при замене РДГ гладкой трубой дрейфа. При этом время задержки роста /„ по сравнению с 1Ъ от­ носительно начала импульса тока возрастало до 2 мкс (ти « 4 мкс).

Осциллограммы тока быстрых электронов, полученные с по­ мощью рентгеновской методики, для всех указанных экспериментов не имеют аналогичных / к подъемов и спадов и по форме близки к осциллограмме тока пучка. Уменьшение тока быстрых электронов на 10— 20 % по времени и длительности соответствует генерации мощных импульсов СВЧ-излучения. Отсюда следует, что в плазме,, образующейся внутри генератора, протекают токи медленных элек­ тронов как в прямом (рост тока коллектора), так и в обратном (спад 1К) направлениях относительно тока пучка. При этом, повидимому, они текут одновременно, а направление суммарного тока: определяется параметрами плазмы, которые, в частности, зависят от плотности потока мощности СВЧ-излучения, падающего на кол­ лимирующую диафрагму.

Плазму, образующуюся в СВЧ-генераторе, можно условно раз­ делить на поверхностную и объемную. Поверхностная плазма об­ разуется, как отмечалось выше, в результате взрывной эмиссии в высокочастотном электрическом поле и СВЧ-разряда в тонком слое десорбированного газа. Электроны пучка десорбируют газ с колли­ мирующей диафрагмы, коллектора и замедляющей структуры при попадании на нее, особенно при малых зазорах между пучком и структурой. Ионы коллекторной и диафрагменной плазмы, ускорен­

ные электрическим полем объемного заряда пучка, также могут ’бомбардировать замедляющую структуру и эффективно десорбиро­ вать с нее газ. Плазма в области транспортировки пучка (объем­ ная плазма) образуется в результате двух основных процессов. Во-первых, это ионизация остаточного газа быстрыми электронами, а также ионами диафрагменной и коллекторной плазмы, ускорен­ ными вдоль магнитного поля, и ионами плазмы замедляющей струк­ туры, ускоренными поперек магнитного поля. Выполненные экспе­ риментальные исследования показали, что плазменные процессы в

мый ток плазменных электронов, если не возникает дополнитель­ ных процессов, приводящих к увеличению давления. Вторым меха­ низмом образования плазмы в области пучка является синтез плаз­ мы из быстрых ионов диафрагменной и коллекторной плазмы и медленных электронов этих плазм, заполняющих пространство вдоль магнитного поля, при перекомпенсации объемного заряда пуч­ ка ионами, ускоренными как вдоль, так и поперек магнитного поля, если есть плазма на поверхности замедляющей структуры (см. также разд. 2.8.2).

Из приведенного анализа основных механизмов образования плазмы следует, что концентрация поверхностной плазмы больше объемной. При этом интенсивность плазменных процессов будет зависеть от того, по какому из каналов будет идти ток медленных электронов. Можно предполагать, что в МВЧГ трехсаптиметрового диапазона длин волн, когда зазор между пучком и структурой от­ носительно велик (~ 1 см), и при транспортировке пучка в гладкой трубе дрейфа рост коллекторного тока обусловлен током медлен­

видимому, преобладают процессы в приповерхностной плазме, от­ ношение I J I b~ 2 — 2,5, а плазменный ток может достигать десят­ ков килоампер.

В настоящее время подробный анализ физических процессов, приводящих к возбуждению прямых и обратных токов в плазме СВЧ-генераторов, отсутствует. Однако известно, что близкие по внешнему проявлению процессы наблюдались при транспортировке

.'электронных пучков в первоначально нейтральных газах при дав­ лении < 100 Па [217, 339, 340]. Так, превышение полного тока транспортировки над током инжектируемого электронного пучка объясняется развитием электрон-электронной двухпотоковой неус­ тойчивости между электронами пучка и электронами плазмы, обра­ зующимися при транспортировке его в газе. Рост тока ограничен

динамическая структура и привело к генерации широкополосного

генерации гигаваттных импульсов СВЧ-излучения пучок разруша­ ется: разбивается на струи по азимуту и расширяется по радиусу на расстояние < 1 см при длине системы 0,5 -н 1 м, приводя к эро­ зии электродинамической структуры. Из рентгеновских измерений следует, что разрушение пучка (уменьшение тока быстрых электро­ нов на коллектор) развивается непосредственно во время генерации СВЧ-излучения. Динамика пучка после окончания СВЧ-импульса не исследовалась. Однако некоторые данные [342] позволяют пред­ полагать, что нестационарные процессы в пучке рзвиваются и пос­ ле окончания импульса электромагнитного излучения. При разбие­ нии пучка на струи мощность СВЧ-излучения в генераторе также промодулирована по азимуту. Это приводит к появлению плазмен­ ных факелов, образующихся на поверхности электродинамической структуры при взрывной эмиссии электронов в высокочастотном электрическом поле и ориентированных в виде полос вдоль оси системы. Период плазменных полос и соответствующих им струй в пучке по азимуту в МВЧГ трехсантиметрового диапазона длин волн [263] составлял в отдельных экспериментах ~Я/2, а число полос

~ 30.

Первоначально предполагалось, что разрушение пучка можно объяснить ускоренным развитием диокотронной неустойчивости электронного пучка, сгруппированного в сгустки. Однако численные расчеты [225] показали, что увеличение локальной плотности за­ ряда в сгустках на порядок по сравнению с однородным трубчатым пучком не привело к развитию диокотронной неустойчивости на длинах L* (2.48), соответствующих локальным параметрам пучка. Это объясняется увеличением поперечной составляющей скорости электронов в сгустках и исчезновением шира угловой скорости. Ис­ следования [343, 344] продемонстрировали, что ионы, ускоренные полем объемного заряда пучка поперек магнитного поля внутрь трубчатого пучка, оказывают дестабилизирующее действие на диокотронную неустойчивость в отличие от ионов в самом пучке. Можно предполагать, что плазменные полосы на электродинамиче­ ской структуре и поток ионов с них внутрь пучка приводят к уменьшению характерной длины развития диокотронной неустой­ чивости. Следует также отметить, что модуляция пучка по азимуту и дрейф электронов по радиусу могут быть связаны с взаимодей­ ствием пучка с электромагнитными полями, в частности несиммет­ ричными с большим азимутальным индексом. Плазменные полосы на замедляющей структуре и неоднородные ионные потоки в прин­ ципе могут служить возмущающими факторами при транспорти­ ровке пучка и после окончания СВЧ-импульса. Нельзя сбрасывать со счетов возможность разлета локальных плазменных факелов по­ перек магнитного поля со скоростью <Ч06 см/с.

При генерации СВЧ-излучения растет ток диода. Время запаз­ дывания и темп его роста определяются мощностью генерируемого излучения, часть которого для реализации обратной связи в гене­ раторе направлена в сторону коллимирующей диафрагмы и про­ ходит в диод. Увеличение мощности генератора до 3— 5 ГВт при­ водило к пробою диода ! [241, 338]. Отметим, что ускоренный про­ бой ранее наблюдался в магнетроне [345]. Уменьшение времени пробоя диода при генерации СВЧ-излучения, по-видимому, обус­ ловлено образованием плазмы на коллимирующей диафрагме и ано­ де вследствие СВЧ-разряда в газе, десорбированном электронами, и распространением ее в сторону катода со скоростью < 1 0 6 см/с. Характер ионизационных процессов в промежутке катод — анод и влияние электромагнитного поля на движение катодной плазмы не ясны. Не ясно также, какими электронами (быстрыми или медлен­

руемых катодом при уменьшении зазора между катодной и анод­ ной плазмами, а также за счет компенсации объемного заряда элек­ тронов ионами, ускоренными из плазмы в сторону катода, должно приводить к существенной эрозии анода, диафрагмы, а также к увеличению тока пучка и заметному снижению напряжения на диоде еще до заключительной (низковольтной) стадии пробоя дио­ да, что не наблюдалось в экспериментах. Более вероятно увеличе­ ние тока диода за счет медленных плазменных электронов, как и в случае роста тока на коллектор, рассмотренном выше.

Медленные электроны могут присутствовать вблизи диафрагм (анода) в результате ионизации газа в ускоряющем промежутке либо из-за расширения диафрагменной плазмы в сторону катода. В результате взаимодействия пучка с плазменными электронами ток медленных электронов высаживается на диафрагму. При этом ток между катодом и областью существования плазменных электро­ нов должен замыкаться током смещения. Следует отметить, что описываемый здесь процесс наблюдался ранее при формировании пучка в цилиндрическом КДМИ без коллимирующей диафрагмы. Условия эксперимента были аналогичны [120]. Измерения показа­ ли, что через ^ 3 мкс от начала импульса напряжения на диоде ток на коллектор начинал превышать ток, пучка. Для разделения '(отсечки) тока медленных электронов и тока пучка в трубе дрей­ фа перед коллектором с отрицательным потенциалом < 1 кВ уста­ навливалась сетка с высокой прозрачностью. Рост тока на коллек­ тор в экспериментах без сетки обусловлен, по-видимому, взаимо­ действием электронов пучка с электронами коллекторной плазмы.

Интерес к исследованиям вторичных процессов в СВЧ-генера- торах обусловлен необходимостью выяснения механизма ограниче­ ния длительности импульса мощного электромагнитного излучения. Образование плазмы на различных поверхностях генератора не­ сомненно приводит к срыву процесса взаимодействия пучка и поля в результате изменения электродинамических свойств замедляющей структуры. Прямыми экспериментами [241] показана возможность

увеличения тСвч за счет десорбции газа при прогреве поверхностей. Вторым фактором, ограничивающим тСвч, являются нелинейные процессы в пучке, приводящие к его разрушению. Разрушение пучка усиливает плазменные процессы, которые, в свою очередь, могут влиять на динамику транспортировки и группировки пучка, т. е. пучковые и плазменные процессы самосогласованы.

Образование плазмы на поверхности электродинамической структуры оказывает наиболее существенное влияние на работу МВЧГ, в котором пучок взаимодействует с полем неустановившейся поверхностной волны. Влияние этой плазмы усугублялось тем, что в условиях эксперимента из-за большой длительности перед­ него фронта импульса напряжения ток пучка был близок к стар­ товому току генератора. В экспериментах с МВЧГ миллиметрового диапазона [320] в режиме генерации двух СВЧ-импульсов выявле­ на их связь через образование плазмы на структуре: с увеличе­ нием мощности первого импульса уменьшалась мощность второго и наоборот. Самосогласованность пучковых и плазменных процессов приводит к существованию оптимальных условий, при которых практически одновременно максимальны и мощность и длительность импульса, т. е. энергия СВЧ-излучения. Реализация в МВЧГ рас­ пределенного взаимодействия пучка и поля, а также снижение на­ пряженности высокочастотного электрического поля в выходной секции за счет появления его объемной компоненты позволили существенно увеличить параметры генерируемого излучения по сравнению с генератором поверхностной волны.

Увеличение длительности СВЧ-импульса связано с использова­ нием генераторов объемных волн (РД Г, М ВДГ), на работу кото­ рых плазменные процессы оказывают меньшее влияние- В наи­ большей степени это проявляется при переходе к генераторам мил­ лиметрового диапазона длин волн, где для существенного изме­ нения условий прохождения излучения вплоть до его полного от­ ражения требуется большая плотность плазмы.

Снижение интенсивности вторичных процессов связано с умень­ шением плотности тока пучка и напряженности высокочастотного электрического поля за счет дальнейшего увеличения поперечных размеров генераторов, а также с существенным улучшением тех­ нологического обеспечения разрабатываемых сверхмощных генера­ торов. Наиболее радикальным способом устранения вторичных про­ цессов является использование релятивистских электронных пучков с наносекундной длительностью импульса [346]. Однако при дли­ нах пучка (УцТи), сравнимых с оптимальными длинами электроди­ намических структур, генератор реализовать трудно и необходимо цереходить к усилителям [347].

излучения. Наклон отражателя в этом случае приводил к удалению интерференционной картины от оси симметрии, а граница светя­ щейся области принимала вид изогнутой воронки. Таким образом, наличие отчетливо выраженной интерференции различных уча­ стков волнового поля свидетельствует о пространственной когерент­

интерференционном поле падающей и отраженной волн с перио­ дом Л/2 .

Исследования по фокусировке линзой миллиметрового излуче­ ния МВЧГ [320] проводились в отсутствие атмосферного СВЧразряда. Это позволило измерить распределение мощности поля в области фокального пятна. Для ослабления СВЧ-мощности в пло­ скости измерения перед детекторами устанавливался поглотитель из резины. В кольце диаметром 12 см и шириной ЗА, фокусирова­ лось 50 % мощности, выведенной в атмосферу. Плотность мощно­ сти достигала 1,5 МВт/см2. Из-за наличия участков линзы, где по­ верхность не совпадала с расчетной, 30 % мощности распределя­ лось по пятну диаметром 25 см, 20 % мощности отражалось от линзы. Эти результаты хорошо согласуются с проведенными тесто­ выми измерениями.

Для получения диаграммы с максимумом излучения в центре не­ обходимо сформировать линейно поляризованное поле (линии элек­ трического вектора имеют одинаковое направление). Эта задача сводится к повороту электрического вектора на угол от 0 до 180° в разных точках апертуры. Повернуть электрический вектор можно, используя анизотропию свойств слоистых сред.

Известно, что в среде с периодом слоистости, много меньшем длины волны, волны с различной относительно слоев поляризаци­ ей имеют различные постоянные распространения [348]. Так, ли­ нейно поляризованная волна, вектор Е которой перпендикулярен

ческие проницаемости диэлектриков, составляющих слоистую среду. Если в слоистой среде распространяется волна, вектор Е ко­ торой ориентирован под некоторым углом а к слоям, то на рас­

перпендикулярная и параллельная слоям составляющие вектора Е

и воздушными зазорами. Пластины закреплялись между двумя пло-