Усиление и генерация микроволн релятивистскими электронными пучками в секционированных системах

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).