авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Усиление и генерация микроволн релятивистскими электронными пучками в секционированных системах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АБУБАКИРОВ Эдуард Булатович

УСИЛЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ МИКРОВОЛН РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ В СЕКЦИОНИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ

01.04.04 –физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород

2007

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской Академии наук, г.Нижний Новгород

Официальные оппоненты:

Чл.-корр. РАН, доктор физико-математических наук Яландин М.И.

доктор физико-математических наук Мануилов В.Н.

доктор физико-математических наук Лоза О.Т.

Ведущая организация:

ФГУП «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова», г. С.-Петербург

Защита диссертации состоится 15 октября 2007 г. в 15 часов на заседании
диссертационного совета Д 002. 069.02. при Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

Автореферат разослан «___»__________2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук, профессор Чугунов Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние десятилетия 20-го века ознаменовались появлением и стремительным развитием нового направления исследований в физике микроволн – высокочастотной релятивистской электроники. Предметом этого раздела физической электроники является изучение возможностей преобразования энергии ускоренных до релятивистских скоростей электронных потоков большой интенсивности в мощное когерентное электромагнитное излучение и применение этого излучения в различных отраслях науки и техники [1*-6*]. Базой развития высокочастотной релятивистской электроники послужили, во-первых, разработка принципов и технологий эффективной временной компрессии энергии, обеспечившие генерацию мощных электрических импульсов наносекундной длительности [3*,7*], и, во-вторых, открытие явления взрывной эмиссии электронов [8*]. Сильноточные ускорители, созданные на этой основе, позволили получить электронные потоки с исключительно высокой плотностью – порядка 1014 см-3 и большой импульсной мощностью – свыше 1012 Вт. Применение интенсивных релятивистских электронных пучков для генерации микроволнового излучения уже в первых экспериментах, проведенных в начале 70-х годов в СССР [9*] и в США [10*], позволило достичь рекордных уровней выходной мощности СВЧ генераторов. К настоящему времени с помощью релятивистских источников освоен практически весь микроволновый диапазон: для сантиметровых волн достигнут уровень импульсной мощности 109-1010 Вт, для миллиметровых – 108-109 Вт.

Очевидно, что генерация и транспортировка микроволнового излучения столь высокой мощности потребовала разработки новых подходов и методов, во многом отличных от тех, которые применялись в традиционной электронике. Основная проблема, с которой сталкивается мощная электроника, - это обеспечение достаточной электропрочности электродинамических систем, используемых для канализации мощного микроволнового излучения, при одновременной совместимости этих систем с интенсивным электронным пучком. Важно отметить, что методы повышения электропрочности, основанные на специальных методах обработки поверхности электродинамических систем (дегазация, антидинатронные покрытия и др.), в сильноточной релятивистской электронике имеют весьма ограниченное применение. Это связано с интенсивным выделением адсорбированного газа и образованием плазмы, которые сопровождает взрывную эмиссию электронов и осаждение пучка частиц большой плотности на поверхности коллекторов [11*]. Относительно невысокая частота следования импульсов, характерная для сильноточных ускорителей делает малоэффективными технологии, основанные на «тренировке» рабочих поверхностей. В связи с этим предотвращение высокочастотного разряда, существенно влияющего на работу микроволнового источника, что обычно и понимается под электропрочностью, кардинально может быть достигнуто только в пространственно-развитых электродинамических системах. Увеличение площади поперечного сечения СВЧ генератора позволяет поднять величину осваиваемого электронного тока (при фиксированном напряжении), а тем самым и мощность прибора, при одновременном снижении вероятности пробоя электродинамической системы за счет снижения напряженности электрического поля на ее элементах. При этом применение электронного пучка с малой плотностью электронного тока замедляет десорбцию остаточных газов и образование плазмы в областях инжекции и осаждения электронов.



Вместе с тем, очевидно, что применение пространственно-развитых систем, принципиально обеспечивая высокую электропрочность, одновременно требует использования специальных методов, направленных на достижение когерентности излучения микроволнового источника. Это связано с тем, что простое увеличение сечения генератора ведет к росту числа колебаний, возбуждаемых электронным потоком. Возбуждение же нескольких независимых мод, имеющих разные частоты и отличающихся своей поперечной структурой, соответствует потере когерентности выходного излучения.

Результаты исследований по самоорганизации (самосинхронизации) динамических процессов в мощных электронных микроволновых приборах показывают, что на основе этих механизмов пока не удается создание источника СВЧ излучения с воспроизводимыми выходными характеристиками.

Наиболее перспективным и надежным приемом обеспечения когерентности излучения в мощных микроволновых приборах представляется селекция мод, то есть создание условий преобразования энергии пучка в излучение с заранее известной когерентной структурой, которая, вообще говоря, может и не совпадать с какой-либо из «холодных» мод электродинамической системы. По существу, разработка и реализация методов селекции мод определяли и определяют развитие всей высокочастотной электроники больших мощностей. Примерами могут служить применение высокоселективных систем типа «восходящее солнце» в магнетронах, комбинации дифракционной решетки с открытым резонатором в оротронах, электронной селекции мод в мощных гиротронах и др. Для релятивистской высокочастотной электроники, естественно, наряду с адаптацией известных приемов, потребовались и специальные методы селекции мод, учитывающие особенности механизмов взаимодействия релятивистских частиц с электромагнитным полем, а также специфику формирования и транспортировки интенсивных пучков.

Необходимость применения пространственно-развитых электродинамических систем возникает, естественно, при достаточно больших уровнях мощности электронного прибора. Так, в сантиметровом диапазоне длин волн серьезные ограничения в применении одномодовых (или близких к ним) систем наступают при выходной мощности генератора или усилителя порядка 109 Вт. При этом высокочастотные электрические поля вблизи стенок волноведущей системы источника достигают величин, достаточных для начала взрывной эмиссии электронов [12*], сопровождающейся появлением плазмы. Такая плазма изменяет электродинамическую конфигурацию высокочастотного пространства взаимодействия, в результате чего источник СВЧ излучения прекращает свою работу [13*]. В то же время источники излучения с выходной мощностью 109 и более ватт представляют значительный практический интерес для наносекундной радиолокации [14*, 15*] и других радиотехнических приложений, для разработки ускорителей элементарных частиц нового поколения [16*], для управления плазмохимическими процессами, в том числе и атмосферного характера [17*], для реализации нетеплового микроволнового воздействия на различные среды и объекты в технике [18*], биологии и медицине [19*,20*]. В связи с этим проведение исследований, направленных на разработку надежных методов обеспечения когерентности излучения в микроволновых источниках гигаваттного уровня выходной мощности, представляется актуальной задачей как фундаментального, так и прикладного характера.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ, методики применения и экспериментальной реализации в релятивистских микроволновых приборах способа селекции мод, основанного на секционировании пространства взаимодействия. Данный метод [21*,4] использует разбиение рабочего пространства СВЧ прибора на участки, связь которых друг с другом в сильной степени зависит от пространственной структуры высокочастотных полей в секциях. Очевидно, что согласованная работа прибора в целом будет реализована только при определенном наборе мод в отдельных секциях, причем спектральная плотность таких комбинаций уменьшается с ростом числа секций, то есть с увеличением числа локальных рабочих мод, что и обеспечивает принципиальную возможность построения селективного прибора с пространственно-развитой электродинамической системой.

В диссертационной работе разработка методов селекции мод была ориентирована преимущественно на приборы, основанные на черенковском механизме индуцированного излучения электронов. В этих системах прямолинейно движущиеся электроны взаимодействуют с волной, фазовая скорость которой близка к поступательной скорости частиц vphve (условие черенковского синхронизма). Для пучков таких электронов удается совместить большую импульсную мощность, стабильность характеристик и простоту формирования, поэтому в тех диапазонах, где достаточно просто реализовать электродинамические системы, канализирующие медленные волны (например, в диапазоне сантиметровых волн), черенковские приборы представляются наиболее адекватными источниками мощных микроволн.

Цели и задачи исследования. При выполнении диссертационной работы ставились следующие цели:

  • исследование физических процессов при взаимодействии релятивистских электронных потоков с высокочастотными электромагнитными полями в сверхразмерных электродинамических структурах;
  • разработка методов селекции мод в источниках микроволнового излучения черенковского типа, основанных на комбинации механизмов взаимодействия электронов с высокочастотными электромагнитными полями;
  • разработка принципов и схем построения секционированных микроволновых генераторов и усилителей, обеспечивающих получение когерентного микроволнового излучения большой мощности;
  • создание и экспериментальная реализация макетов источников мощных микроволн с пространственно-развитыми электродинамическими системами на основе разработанных методов селекции мод.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Секционирование пространства взаимодействия в релятивистских микроволновых генераторах и усилителях черенковского типа со сверхразмерными электродинамическими системами позволяет реализовать условия получения когерентного выходного излучения одновременно с достижением высокой эффективности взаимодействия электронного потока и высокочастотных полей.
  2. Особенности взаимодействия релятивистских магнитонаправляемых электронных пучков с высокочастотными полями при двойном – черенковском и циклотронном – резонансе могут быть использованы для селекции мод в пространственно - развитых электродинамических системах микроволновых генераторов и усилителей. Наряду с избирательным подавлением электронным пучком паразитного самовозбуждения таких систем управление возбуждением циклотронных волн дает возможность расширить диапазон допустимых величин фокусирующих магнитных полей для приборов черенковского типа.
  3. В пространственно-развитых периодических электродинамических системах существенный характер приобретают квазисинхронное и несинхронное взаимодействие релятивистского электронного пучка с основной пространственной гармоникой высоких мод этих систем. Следствием таких взаимодействий являются: а) подавление выходной волны в брэгговских рефлекторах с электронным пучком в рабочем объеме – аналог комфнеровского подавления в ЛБВ; б) брэгговское рассеяние рабочей волны в релятивистской ЛОВ, приводящее к существенному изменению характеристик генератора; в) качественная перестройка дисперсионной характеристики рабочей волны в релятивистском оротроне, ведущая к подавлению в нем самовозбуждения низших продольных мод; г) ограничение мощности черенковских приборов вследствие изменения скорости электронов при пролете через потенциальный барьер, образуемый полем несинхронной волны.





  4. В релятивистских СВЧ приборах с интенсивными электронными пучками существенную роль играют процессы, обусловленные собственным квазистатическим электрическим полем таких пучков. Динамический разброс энергии частиц в пучке меняет режим его транспортировки и ведет к отражению частиц от коллекторной области, сопровождающемуся разрушением стационарной микроволновой генерации. Применение схем с переменным в пространстве собственным полем электронного пучка реализует системы с доускорением частиц, в которых значительно увеличивается эффективность взаимодействия электронов с высокочастотным полем.
  5. В секционированных СВЧ приборах возможен режим автозахвата, в котором модулированный электронный пучок возбуждает высокочастотное поле, захватывающее, в свою очередь, электронные сгустки. Применение данного режима позволяет совместить устойчивость и эффективность микроволновой генерации в секционированных приборах каскадного типа.
  6. Экспериментальная реализация серии релятивистских ЛОВ со сверхразмерными электродинамическими системами, в том числе и с распределенным выводом микроволновой энергии, обеспечиваемым брэгговскими трансформаторами волн. В генераторах этого типа впервые применен метод циклотронно-резонансной селекции мод, обеспечивший когерентность входного излучения, а также позволивший применить в релятивистских ЛОВ слабозамагниченные электронные пучки.
  7. Экспериментальная реализация серии секционированных микроволновых генераторов сантиметрового диапазона длин волн с гигаваттным уровнем выходной мощности на основе сверхразмерной релятивистской ЛБВ на медленных волнах, в том числе: резонансных ЛБВ с цепью обратной связи на селективных рефлекторах электродинамического и/или электронного типов; каскадных генераторов с нелинейным усилением сигнала субгенератора.
  8. Экспериментальная реализация гигаваттного микроволнового усилителя секционированного типа на основе последовательного соединения предусилителя - модулятора на базе ЛОВ, канала дрейфа электронного пучка, совмещенного с вводом управляющего сигнала и секции ЛБВ, работавшей на медленной гибридной волне сверхразмерного гофрированного волновода.

Научная новизна работы:

  1. Построена теория индуцированного черенковского излучения релятивистских электронов в пространственно-периодических системах, учитывающая ряд эффектов, обусловленных совместным действием нескольких пространственных гармоник высокочастотного поля, в том числе: а) возникновение в области локализации полей несинхронных гармоник потенциального барьера, изменяющего характер свободного движения частиц; б) циклотронно-резонансное взаимодействие магнитонаправляемых электронов с полями пространственных гармоник; в) квазисинхронное воздействие полей быстрых гармоник на релятивистские электроны в сверхразмерных электродинамических системах.
  2. Разработан и впервые экспериментально реализован метод обеспечения когерентности выходного излучения в релятивистских микроволновых генераторах и усилителях с пространственно-развитыми электродинамическими системами, основанный на циклотронно-резонансном подавлении электронным пучком самовозбуждения паразитного волн - циклотронно-резонансная селекция мод.
  3. Проведен теоретический анализ процессов индуцированного черенковского излучения в сверхразмерных секционированных системах, на основе которого развиты принципы построения секционированных генераторов и усилителей, сочетающих высокую селективность работы с высокой эффективностью преобразования энергии электронного пучка в энергию СВЧ излучения. Экспериментально реализована серия микроволновых генераторов секционированного типа сантиметрового диапазона длин волн, в которых получено импульсное когерентное СВЧ излучение гигаваттного уровня мощности. Впервые экспериментально реализован импульсный микроволновый усилитель секционированного типа с усилением входного сигнала около 50 дБ и выходной мощностью свыше 109 Вт.
  4. Предложены, исследованы и экспериментально реализованы методы перестройки несущей частоты импульсного излучения релятивистских СВЧ генераторов, основанные на: а) применении трансформаторов волн брэгговского типа с изменяемой полосой преобразования и б) изменении реактивных свойств электронного пучка вблизи зон циклотронно-резонансного взаимодействия в СВЧ генераторах с пространственно-периодическими электродинамическими системами.
  5. Теоретически исследован ряд эффектов в релятивистских СВЧ генераторах, обусловленных собственными квазистатическими полями сильноточного электронного пучка, в том числе: а) новый механизм формирования автомодуляционного режима колебаний, основанный на возникновении виртуального катода в пучке с динамическим энергетическим разбросом частиц; б) увеличение эффективности передачи энергии частиц микроволновому излучению в системах с адиабатическим изменением собственного поля электронного пучка.

Практическая ценность результатов:

Цикл теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в работе, позволил определить основные принципы создания селективных микроволновых генераторов и усилителей с выходной мощностью свыше 109 Вт и энергией в импульсе более 100 Дж.

Разработанные методы селекции мод использовались при создании мощных микроволновых генераторов и усилителей в Институте прикладной физики РАН, Московском радиотехническом институте РАН, Университете электронной науки и технологии Китая (г.Чэнду, КНР), Корнельском университете (США), Университете Нью-Мексико (США), компании Thomson-Short-Systemes (Франция).

СВЧ генераторы, созданные при выполнении работы, использовались в ИПФ РАН и МРТИ РАН для проведения исследований в различных областях физики плазмы и газового разряда. Представляется перспективным их применение для других физических приложений, в частности, в ускорителях элементарных частиц нового поколения и в радиотехнических системах. Разработанные методы селекции мод могут быть использованы при создании более мощных, а также более коротковолновых релятивистских генераторов и усилителей.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, ИОФ РАН, факультета электроники Университета Нью-Мексико (США), Университета электронной науки и технологии Китая (КНР), Института электроники Китайской академии инженерной физики (КНР), отдела перспективных технологий компании Thomson-Short-Systemes (Франция).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.