книги / Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы

Рис. 5.48. Пространствен­ ные распределения мощно­ сти СВЧ-излучения на рас­ стоянии 1,5 м (а) от кони­ ческого рупора, соответ­ ствующего месту располо­ жения линзы, а также 1 м

(б) и 5,2 (в) от преобра­ зователя.

с помощью двух плоских зеркал мог транспортироваться на рас­ стояние до 13,3 м от рупорной антенны. На рис. 5.48 показана эво~ люция излучения с удалением от преобразующей системы для ра­ бочей частоты МВЧГ 9,4 ГГц. Преобразователь сохранял свои свойства в полосе частот 8,5— 10 ГГц, кроссполяризация не пре­ вышала 10 % от основной компоненты. В отдельных опытах излу­ чение, прошедшее через преобразователь, фокусировалось линзой* Пространственное распределение потока мощности вблизи фокуса имело острый пик, содержащий основную часть мощности, с шири-1 ной на полувысоте ~1,5А, при существенно выраженной линейной поляризации волнового поля.

Рис. 5.49. Пространственные распределения мощности СВЧизлучения МВЧГ в отсутствие

(а) и при наличии преобразо­ вателя на расстояниях 0,65 м

(б) и 8,4 (г) от него.

В экспериментах по преобразованию поляризации излучения использовался МВЧГ на длине волны X « 3,2 см с мощностью 3 — 5 ГВт. Мощность излучения с ф-поляризацией не превышала 10 % от основной компоненты мощности с 0-поляризацией. На рис. 5.49

ющей системы распределение приобретало форму, приближающу­ юся к гауссовой при выраженной линейной поляризации. Причем уровень кроссполяризации на расстоянии 0,65 м от преобразователя составлял 15 % и уменьшался на расстоянии 8,4 м до < 1 0 % от основного потока. Мощность излучения основной компоненты сразу

40 %. Последние были обусловлены отражением и поглощением волн в материале преобразователя (по оценкам —20—*25 % ), а так­ же неидеальностью свойств преобразующего устройства. Потери могут быть существенно уменьшены за счет совмещения выходного окна с линзой и преобразователем поляризации. Основным недо­ статком такой системы являются большие потери в рупорной ан­ тенне ( « 5 0 % ) . В процессе исследований проводилась фокусиров­ ка преобразованного излучения МВЧГ линзой. В сфокусированном волновом поле возникал атмосферный СВЧ-разряд, светящаяся об­ ласть которого имела вид полосы диаметром ~Х и длиной 50—80 см.

В целом выполненные исследования на примере МВЧГ проде­ монстрировали высокую временную и пространственную когерент­ ность излучения многоволновых генераторов, возможность получе­ ния волнового пучка с плоской поляризацией, его транспортировки и фокусировки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При создании СВЧ-устройств сверхбольшой мощности особое место занимают сильноточные ускорители прямого действия с энер­

наносекундные ускорители с емкостными накопителями энергии и линейными импульсными трансформаторами. Построен целый ряд устройств различных уровней мощности, вплоть до 100 ТВт. Уско­ рители этого типа применимы для генерации СВЧ-колебаний мощ­ ностью в десятки гигаватт и выше.

Компрессия импульсов с помощью промея^уточных индуктивных накопителей также может найти применение в релятивистской сильноточной электронике. Для получения электронных потоков с мощностью 0,1— 1 ТВт представляют интерес индуктивные накопи­ тели в виде вакуумных коаксиальных линий, содержащие плазмен­ но-эрозионные размыкатели. Однако применение таких накопите* лей требует решения многих вопросов, прежде всего оптимизации согласования с ними пространственно-развитых диодов и использо* вания собственного магнитного поля индуктивной цепи.

Электронный поток, эмитируемый катодом с взрывной эмис­ сией, при подборе материала катода и пространственном развитии системы удовлетворяет многим требованиям для применения в ге­ нераторах и усилителях СВЧ-колебаний, прежде всего в устрой­ ствах, основанных на продольном взаимодействии потока и поля* Такой поток характеризуется умеренным разбросом продольных и поперечных скоростей электронов. При транспортировке вблизи ме­ таллических поверхностей провисание потенциала невелико, а ди­ афрагмы обрезают ореол потока, создаваемый частицами с боль­ шим разбросом скоростей. При определенных способах коллимирования пучка его течение близко к ламинарному. В настоящее вре­ мя для целей СВЧ-электроники наиболее применимы релятиви­ стские сильноточные пучки, формируемые коаксиальными диодами с магнитной изоляцией. Созданы электронные пушки, позволяю­ щие получить устойчивые трубчатые пучки диаметром в несколько десятков сантиметров с подавлением обратного тока. Разработаны способы увеличения числа эмиссионных центров и получены пото­ ки с большой степенью однородности. Вакуумные диоды допуска­ ют существенное увеличение степени пространственного развития*

Более полное использование мощности и энергии электронных пучков, соответствующих параметрам наиболее мощных сильноточ­ ных ускорителей, видимо, потребует перехода к многопучковым

системам, заполняющим пространство взаимодействия с попереч­ ными размерами в десятки и сотни длин волн. Разброс попереч­ ных скоростей электронов в пучках, формируемых в коаксиальных

осцилляторов с удовлетворительным разбросом скоростей, видимо, потребуется использование достижений техники лазеров на сво­ бодных электронах. При больших плотностях тока в тонких труб­ чатых пучках развивается диокотронная неустойчивость и другие процессы, искажающие их первоначальную конфигурацию. Влияние этих процессов можно уменьшить при специальном конструирова­ нии вакуумных диодов.

Для создания релятивистских СВЧ-устройств с высоким КПД могут быть использованы оптимизированные схемы, разработанные в традиционной электронике, причем электродинамические системы желательно секционировать, а параметры пространственного заря­ да потоков должны быть близки к оптимальным. Физические яв­

рассмотренные в настоящей монографии импульсные релятиви­ стские многоволновые генераторы сантиметрового и миллиметрово­ го диапазонов.

Среди многоволновых СВЧ-генераторов наибольшую мощность

метра пучков возможно возрастание мощности излучения, причем его пространственная когерентность не нарушается даже если диа­ метры структур на несколько порядков превышают длину волны. Сильноточный мазер на циклотронном авторезонансе с направлен­ ным излучением электронных сгустков может быть перспективным источником СВЧ-энергии в миллиметровом диапазоне. Излучение 3 нем пространственно локализовано, а поток и поле могут взаи­ модействовать в поглощающем волноводе. Эти особенности имеют особое значение для получения высокого коэффициента усиления при сверхбольших мощностях.

Многоволновые генераторы и усилители основаны на исполь­ зовании характерных свойств направленного излучения электронов, движущихся либо в свободном пространстве, либо вблизи периоди­ ческих поверхностей. Теоретическое описание устройств базируется з а методах математической теории дифракции, классической элек­ тродинамики, электроники и вычислительной математики. Широко применяется вычислительный эксперимент. Математическое моде­ лирование позволило выработать ряд рекомендаций, учтенных при разработке черенковских, дифракционных и синхротронных генера-

tfopoB. Самосогласованное взаимодействие потока и поля анализа руется как в рамках теории малого сигнала, так и с учетом не­ линейных эффектов. Показано, что взаимодействие релятивистского потока с электромагнитным полем сопровождается когерентным излучением большого числа объемных волн, формирующих диа­ грамму направленности и создающих обратную связь в системе. Результаты численного моделирования согласуются с данными экс­ перимента. Они прямо показывают существование в генераторах переменных поперечной и продольной структур поля, зависящих от электронного потока. В то же время в оптимальном режиме формируется устойчивое трехмерное распределение поля.

Многие механизмы многоволнового взаимодействия в сверхраз­ мерных системах реализованы экспериментально. Излучение с наи­ большей мощностью (15 ГВт в диапазоне 3 см при длительности импульса 60 нс и 3 ГВт в диапазоне 8 мм) было получено с помощью МВЧГ, а с 7— 9 ГВт в диапазоне 8 мм при длительно­ сти импульса 100— 200 нс — с помощью релятивистского дифрак­ ционного генератора (РДГ). Поля излучения МВЧГ и РДГ акси­ ально-симметричны и пространственно когерентны. Конструкции генераторов позволяют существенно увеличить диаметры потока и электродинамической системы и тем самым повысить мощность СВЧ-излучения,

Многоволновые режимы МЦАР в поглощающем волноводе, на­ званные режимами ЭСМ, характеризуются большой мощностью из­ лучения (более 10 МВт) в миллиметровом диапазоне. Однако КПД реализованных устройств низок из-за большого разброса попереч­ ных скоростей электронов в диоде, который может быть уменьшен при переходе к новым способам поперечной раскрутки потока. Ис­ следования показали, что можно реализовать несколько типов ре­ лятивистских генераторов на открытых электродинамических систе­ мах со сплошными стенками и стенками с периодическими отвер­ стиями. Открытые системы разреживают спектр мод электродина­ мической структуры и способствуют их самофильтрации.

Электронный КПД многоволновых генераторов достаточно высок (30—50 % ). Вследствие больших потерь в рупорной антенне мощ­ ность выведенного в атмосферу излучения составляет 50 % мощ­ ности генератора, а соответствующий ей КПД примерно в два раза меньше электронного. Оптимизация выходных устройств генерато­ ров является сложной самостоятельной задачей. Достаточно про­ стое поперечное распределение поля излучения и его когерентность позволяют решать вопросы транспортировки и фокусировки поля на объект. С помощью линзовых систем, преобразователей аксиаль­ но-симметричного поля в гауссов пучок и других устройств вол­ новой электромагнитный пучок оптимизируется, что способствует увеличению расстояния его транспортировки. По своим характери­ стикам многоволновое излучение релятивистских электронных пуч­ ков может найти применение в различных областях науки и« техники.

41. Котов 10. А., Колганов Н. Г., Ковальчук Б. М. Быстродействующий размыкатель на основе электрически взрываемых проволочек Ц Приборы и

техника эксперимента.— 1974.— № 6.— С. 107— 109.

42. Kotov Yu. A., Koval’chuk R. М.. Kolganov N. G. et al. Nanosecond pulse generators with inductive storage Ц Proc. 1st Intern. Pulsed Powter Conf.—• Lubbock, USA, 1975.— P. 1A 1-1A 11.

43. Sangle J., Braunsberger U., Swarz U. Circuit breaking by explosing wires in magnetic energy storage systems Ц Proc. Intern. Conf. on Energy Sto^ rage, Compression and Switching.— Torino, Italy, 1971.— P. 447.

44. Бакулин Ю. Д., Диянков В. С., Ковалев В. П. и др. Ускорители пря­ мого действия с индуктивным накопителем энергии и взрывающимися про­ водниками Ц Приборы и техника эксперимента.— 1979.— № 2.— С. 34—37.

45. Conte D., Ford R.' D., Lupton W. H., Vitkovitsky I. M. TRIDENT — a megavolt pulse generator using inductive energy storage Ц Proc. 2-nd IEEE Intern. Pulsed Power Conf — Lubbock, USA, 1979.— P. 276—283.

46. Reinovsky R. E*, Smith D. L., Baker W. L. et. al. Inductive store puls© compression system for driving high speed plasma implosions '// IEEE Trans. Plasma Sci.— 1 9 8 2 .- Vol. PS-10, N 1.— P. 7 3 -7 8 .

47.Mendel C. W., Goldstein S. A. A fast opening switch for use in REB diode experiments Ц J. AppL Phys.— 1977.— Vol. 48, N 3.— P. 1004—1006.

48.Meger R. H., Commisso R. J., Cooperstein G., Goldstein S. A. Vacuum inductive store/pulse compression experiments on a high-power accelerator using

the plasma erosion opening switch for inductive storage applications Ц J. AppL Phys.— 1 9 8 4 .- Vol. 56, N 3 . - P. 774 -784.

50. Mason R., Wallace J. R., Lee K. Implicit two-fluid simulation of elect­ ron transport in a plasma erosion opening switch 'Ц Proc. 2-nd Intern. Topical Symp. High Power Partical Beams.— Nagaoka, Japan, 1986.— P. 820—325.

51. Mosher D., Grossman J. M., Ottinger P. F. et. al. A self-similor model for conduction in the plasma erosion opening switch Ц IEEE Trans. Plasma Sci.— 1987.— Vol. PS-15, N 6 — P. 695—703.

52. Grossman J. M., Ottinger P. F., Neri J. M. et. al. Numerical simulation of low density plasma erosion opening switch Ц Phys. Fluids.— 1986.— Vol. 29* N 12.— P. 2724—2735.

53.Brombarsky A., Agee F., Bollon M. et al. On the path to a terawattn high power microwave experiment at Aurora Ц Proc. SPIE. Vol. 873. Microwave and partical beam sources and propagation.— Los Angeles, 1988.— P. 51—60.

54.Benford J., Sze H., Smith R. R. et. al. Phase locking of relativistic

55.Ковшаров H. Ф., Визирь В. А., Ельчанинов А. С. и др. Импульсный трансформатор Ц Приборы и техника эксперимента.— 1986.— № 5.— С. 95—98.

56.Вассерман С. Б. Трансформатор Тесла в высоковольтных ускорите­ лях заряженных частиц.— Новосибирск, 1977.— 43 с.— (Препр./АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т ядерн. физики; № 77-110).

57.Ельчанинов А. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д. и др. Сильноточные

импульсно-периодические ускорители электронов для генераторов СВЧ-излу- чения Ц Релятивистская высокочастотная электроника.— Горький, 1981.—

С.5 -2 1 .

58.Ковальчук Б. М., Кремнев В. В. Генератор Аркадьева — Маркса для

сильноточных ускорителей Ц Физика и техника мощных импульсных систем.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— С. 165— 179.

59.Рютов Д. Д. Исследования по открытым термоядерным системам в Новосибирском институте ядерной физики Ц Вопросы атомной науки и тех­ ники. Сер. Термоядерный синтез.— 1978.— Вып. 1—2.— С. 96— ИЗ.

60.Бакулин Ю. Д., Куропатенко В. Ф., Лучинский А. В. Магнитогидро-

дннамический расчет взрывающихся проводников Ц Журн. техн. (Ьизики.— 1976.— Т. 46, вып. 9.— С. 1963—1969.

61. Котов Ю. А., Седой В. С. Подобие при электрическом взрыве про­ водников Ц Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков.— Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1976.— С. 56—59.

62.Ковальчук Б. М., Котов Ю. А., Месяц Г. А. Наносекундныи сильноточный ускоритель электронов с индуктивным накопителем Ц Журн.’ техн. физики.— 1974.— Т. 46, вып. 1.— С. 215—217.

63.Котов Ю. А., Ковальчук Б. М., Колганов Н. Г. н др. Наносекундныи

сильноточный ускоритель электронов с индуктивным формирующим элемен­ том Ц Письма в журн. техн. физики.— 1977.— Т. 3, вып. 12.— С. 883—886.

64. Азаркевич Е. И., Котов Ю. А., Кузнецов В. IL Коррекция формы высоковольтных импульсов с помощью индуктивности и прерывателя тока Ц Приборы и техника эксперимента.— 1982.— № 6.— С. 79—81.

65. Weber В. У., Commisso R. L, Cooperstein G. et al. Plasma érosion opening switch research at NRL Ц IEEE Trans. Plasma Sci.— 1987.— Vol. PS-15,

N6 . - P. 635 -648 .

66.Mesyats G^. A., Bugaev S. P., Kim A. A. et. al. Microsecond plasma

opening switch Ц Ibid — 649—653.

67. Голованов Ю. П., Долгачев Г. И., Закатов Л. IL, Скорюпин В. А. При­ менение плазменных прерывателей тока в индуктивных накопителях для создания тераваттных генераторов с большой энергетикой Ц Физика плазмы.—

1988. — Т. 14, вып. 7.— С. 880—885.

68. Bluhm H., Bohnel К., Hoppe Pj A summary of experimental results from inductive store pulse compression experiments with plasma opening switches

70. Бычков Ю. И., Иванов H. Г., Лосев В. Ф. Ускоритель электронов с индуктивным накопителем энергии и плазменным прерывателем тока Ц VII Всесоюз. симп. по сильноточной электронике: Тез. докл.— Томск, 1988.—

Ч.3.— С. 40—42.

71.Гинзбург В. А., Колганов И. Г., Фукс М. И., Шмелев М. Ю. Ускори­

тель с плазменным размыкателем для СВЧ-генерации Ц Междунар. совещ. по физике и технике мощных прерывателей тока: Тез. докл.— Новосибирск, 1989. — С. 38—39.

72.Ельчанинов А. С., Загулов Ф. Я., Ковальчук Б. М. и др. Импульсный генератор мегаамперного тока СНОП-2 Ц Приборы и техника эксперимента.— 1985.— № 4.— С. 97—99.

73.Ковшаров Н. Ф., Лучинский А. В., Месяц Г. А. и др. Импульсный ге­ нератор СНОП-3 Ц Приборы и техника эксперимента.— 1987.— № 6.— С. 84—89.

74.Ramirez J. J.. Prestwich К. R., Burgess Е. L. et. al. The Hermes-III program Ц Proc. 6-th IEEE Pulse Power Conf — Arlington, USA, 1987.— P. 294— 299.

75.Denison G. J., Corley J. P., Johnson D. L. et. al. A high-voltage multi­

stage laser-triggered gas switch ;/ Ibid.— P. 490—493.

76. Corley J. P., Johnson' D. L., Weber G. L et. al. Development and tes­ ting of the Hermes-III pulse forming transmission lines Ц Ibid.— P. 486—489.

77.Johnson D. L., Ramirez J. J., Huddle C. Wj. et. al. Hermes-III prototy­ pe cavity tests Ц Ibid.— P. 482—485.

78.Pate R. C., Patterson J. C., Dowdican Mj. C. et. al. Self-magnetically insulated transmission lines (MITL) systems design for the 20-stage Hermes-III accelerator Ц Ibid.— P. 478—481.

79.Ельчанинов А. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д. и др. Ускорители сильноточных электронных пучков с высокой частотой следования импуль­

сов Ц Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии.— Новоси­ бирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1983.— С. 5—21.

80. Быков И. М., Губанов В. П., Гунин А. В. и др. Сильноточный им­ пульсно-периодический ускоритель электронов с высокой стабильностью па­ раметров электронного пучка Ц Приборы и техника эксперимента,— 1989.— № 1.— С. 37—39.

81. Артюх И. Г., Сандалов А. Н., Сулакшин А. С. п др. Релятивистские СВЧ-устройства сверхбольшой мощности Ц Обзоры по электронной технике*

наук .- 1971 .- Т. 103, № 4.— С. 609—640.

84.Brejzman В. N., Ryutov D. D. Relativistic electron beam in plasma

87.Релятивистская высокочастотная электроника.— Горький: Изд-во ИПФ АН СССР, 1983.— Вып. 3.— 250 с.

88.Релятивистская высокочастотная электроника.— Горький: Изд-во

ИПФ АН СССР, 1984.— Вып. 4 . - 228 с.

89. Лоусон Дж. Физика пучков заряженных частиц.— М.: Мир, 1980.—

92.Братман В. Л., Денисов Г. Г., Коровин С. Д. и др. Релятивистские генераторы диапазона миллиметровых волн Ц Релятивистская высокочастот­ ная электроника.— Горький, 1984.— Вып. 4.— С. 119—176.

93.Рухадзе А. А., Богданкевич Л. С., Росинский С. Е., Рухлин В. Г*

94.Диденко А. Н., Григорьев В. П., Усов Ю. П. Мощные электронные пучки и их применение — М.: Атомиздат, 1977.— 277 с.

95.Месяц Г. А., Фуреей Г. Н. Взрывная электронная эмиссия началь­ ных стадий вакуумного разряда Ц Ненакаливаемые катоды.— М.: Сов. радио,

1974.— С. 269—287.

96. Бакшт Р. Б., Кудинов А. П., Литвинов Е. А. Исследование некоторых характеристик плазмы катодного факела Ц Шурн. техн. физики.— 1973.—

Т.43, вып. 1.— С. 146-151.

97.Бакшт Р. Б., Кабламбаев Б. А., Раздобарин Г. Т., Ратахин Н. А. Из­ мерение параметров плазмы в диоде с взрывной эмиссией электронов методом

томпсоновского рассеяния Ц Шурн. техн. физики.— 1979.— Т. 49, вып. 6.—

С.1245-1247.

98.Бугаев С. П., Бакшт Р. Б., Литвинов Е. А., Стасьев В. П. Исследова­

ние формирования сильноточной вакуумной искры методом скоростной интер­ ферометрии Ц Теплофизика высоких температур.— 1976.— Т. 14, № 6.—

С.1145— 1150.

99.Yonas G., Poukey J. W., Prestwich K. R. et aL Electron beam focu­

sing and application to pulsed fusion Ц NucL Fusion.— 1974.— Vol. 14, N 5.—

P.731—740.

100.Бурмасов В. С., Воропаев С. Г., Добривский А. Л. п др. Измерение

плотности плазмы в вакуумном диоде микросекундной длительности методом ' оптической интерферометрии Ц Физика плазмы.— 1986.— Т. 12, № 4.—

С.435 -440 .

101.Беломытцев С. Я., Коровин С. Д., Месяц Г. А. Эффект экранировки