Автореферат (Излучение мощных электронных потоков в резонансных периодических электродинамических системах)

На правах рукописиСЛЕПКОВ Александр ИвановичИЗЛУЧЕНИЕ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ ВРЕЗОНАНСНЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХСИСТЕМАХ01.04.03 -радиофизикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА -2005Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В.ЛомоносоваНаучный консультант:доктор физико-математических наук, профессорВасилий Иванович КанавецОфициальные оппоненты: член корреспондент РАН, профессор, д.ф.-м.н.Дмитрий Иванович Трубецковпрофессор, д.т.н.Дмитрий Михайлович Петровпрофессор, д.ф.-м.н.Юрий Андреевич ПироговВедущая организация:Институт радиотехники и электроники РАНЗащита состоится « 22 » сентября 2005 г.

В 16 часов на заседанииДиссертационного совета Д 501.001.67 в Московском государственномуниверситете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2,Ленинские горы, д.1, стр.2. физический факультет, ауд. им. Р.В.Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2,Ленинские горы, д.1, стр.2.Автореферат разослан ________________2005 г.Ученый секретарь Диссертационного советаК.ф.-м.н.Королев А.Ф.2Общая характеристика работыАктуальность работы. В последние годы в различных областях наукии техники большое распространение получили мощные генераторы иусилители СВЧ излучения.

Мощное СВЧ излучение используется длярадиолокации, передачи энергии на большие расстояния, в системах дальнейсвязи, при изучении взаимодействия излучения с веществом, вбиологических исследованиях и т.д.К одному из наиболее обширных классов мощных приборовмикроволновой электроники относятся источники излучения, принципдействия которых основан на продольном взаимодействии электронногопотока с электромагнитным полем периодических электродинамическихструктур, имеющих положительную или отрицательную дисперсию основной волны. Наибольшее усиление и устойчивая генерация в устройствахданного класса наблюдается при реализации синхронизма потока и поля начастотах вблизи границ полосы прозрачности волноведущих систем.

В этихчастотных диапазонах все периодические системы проявляют резонансныесвойства, в них одновременно могут возбуждаться прямые и обратныеволны. В области традиционной электроники больших мощностей примеромусилителей с взаимодействием вблизи границы полосы волноведущейсистемы, имеющей отрицательную дисперсию, служат часто применяемые напрактике мощные ЛББ на цепочках связанных резонаторов. В сверхмощнойэлектронике, где обычно применяются релятивистские сильноточныеэлектронные пучки, перспективными оказались черенковские идифракционные генераторы, использующие резонансные периодическиеструктуры с положительной дисперсией основной волны и поперечнымиразмерами, значительно превышающими длину волны излучения.Преимущества взаимодействия потока и поля на частотах вблизи границполос прозрачности могут быть использованы также и в системах споперечным взаимодействием, примером такого устройства является мазерна циклотронном резонансе и аномальном эффекте Доплера (МЦРАД).Первые успешные эксперименты с релятивистскими сильноточнымипотоками были проведены в 70-х годах прошлого столетия, в частности, вкарсинотроне с периодической электродинамической структурой типа гофрабыла получена мощность излучения 108 Вт при КПД~10% в 3-хсантиметровом диапазоне длин волн [1*].

Длительность импульса излучениябыла порядка длительности импульса тока и достигала нескольких десятковнаносекунд. При этом энергия излучения оказалась достаточно малой, и дляповышения энергии были запланированы эксперименты на физическомфакультете МГУ на сильноточном ускорителе «Тандем», имевшемдлительность импульса тока ~1 мкс. Однако ожидаемого увеличениядлительности импульса излучения не было получено. Результаты подробных3экспериментальных и теоретических исследований генераторов позволиливысказать предположение о том, что в экспериментах с карсинотроном моглобыть реализовано взаимодействие потока и поля на частоте "π"-видаколебаний электромагнитного поля системы, что приводило к фиксациичастоты генерации. Тогда же была выдвинута идея использованиясверхразмерных структур для оптимизации сил пространственного заряда иуменьшения вероятности пробоя вблизи металлических стенок структур[2*,3*,5-7]. Выдвинутые идеи и результаты экспериментов положили началоновому направлению в релятивистской высокочастотной электронике,основанному на многоволновом взаимодействии релятивистского потока иполя сверхразмерных структур [3*-6*].

Рекордные до настоящего времениуровни мощности были получены в экспериментах с многоволновымичеренковскими генераторами (МВЧГ), проведенных в Томске в ИСЭ СОРАН, совместно с ИРЭ РАН и физическим факультетом МГУ (15 ГВт в 3-хсм диапазоне длин волн [17] и 3 ГВт в 8-и мм диапазоне [23]).Потребности теории новых приборов привели к разработке новыхметодов. Традиционные методы исследования взаимодействия потока и поляв приборах СВЧ - электроники не могли быть использованы для анализапроцессов вблизи границы полосы прозрачности. Исключением являютсяметод волновых трансформаторов, часто используемый с привлечениемэквивалентных схем [7*,8*] и модифицированный волновой подход [9*,10*].Кроме того, переход к пространственно-развитым системам потребовалновых подходов, включающих точный электродинамический расчетэлектромагнитных полей сверхразмерных структур с релятивистскимэлектронным потоком.Основными проблемами при создании микроволновых устройств нарезонансных периодических структурах с положительной или отрицательнойдисперсией является устранение обратных связей и получениеудовлетворительных полосовых характеристик в усилителях, получениеодночастотной генерации с высокой эффективностью в генераторах.Надежная селекция мод, высокие уровни усиления, устойчивая генерацияневозможны без детального изучения линейных и нелинейных процессоввзаимодействия потока и поля в таких системах.

Актуальным являетсяизучение общих закономерностей взаимодействия потока и поля на частотахвблизи границ полосы прозрачности (прежде всего вблизи π-вида), а такжеособенности физических процессов в типичных усилителях и генераторах нарезонансных периодических структурах. Этот круг проблем и являетсяпредметом изучения в диссертационной работе.Цель диссертационной работы заключается в теоретическомисследовании процессов усиления, самовозбуждения и развития генерацииво времени в устройствах, основанных на длительном преимущественномпродольном взаимодействии электронных потоков с полями резонансных4одномодовых и многомодовых электродинамических структур дляповышения эффективности и мощности излучения микроволновыхисточников.

Специфика исследования заключается в изучении процессоввзаимодействия потока и поля на частотах важных для практическогоприменения резонансов вблизи низкочастотных или высокочастотных границполос прозрачности низшей моды структуры.Основные задачи, поставленные в диссертационной работе, относятсяк исследованию взаимодействия потока и поля вблизи π-вида границыполосы прозрачности систем с отрицательной и положительной дисперсиямии состоят в следующем.1. В разработке теоретического метода анализа взаимодействияэлектронныхпотоковсполямипространственно-развитыхэлектродинамических систем, позволяющего рассматривать линейные,нелинейные и нестационарные процессы в мощных источникахмикроволнового излучения.2.

В изучении дисперсионных характеристик и структуры собственныхволн сверхразмерных периодических волноводов с электроннымпотоком и особенностей возбуждения этих волн в системах конечнойдлины.3. В анализе общих закономерностей усиления, самовозбуждения иразвития генерации в мощных микроволновых источниках, в том числепри учете поперечного и комбинированного (продольного ипоперечного) взаимодействий потока и поля.4. В исследовании особенностей взаимодействия в ряде реализованныхна практике новых вариантов мощных устройств: многосекционныхЛБВ на цепочках связанных резонаторов, релятивистских ЛБВ-ЛОВ нагофрированном волноводе, МЦР на аномальном эффекте Доплера,релятивистских генераторах поверхностной волны, многоволновыхчеренковских генераторах.Основная идея, позволившая решить поставленные в диссертационнойработе задачи по исследованию излучения мощных электронных потоков врезонансных периодических системах, заключается в представлениинерегулярных волноводов в виде цепочек связанных волновыхтрансформаторов.

Разработанный на основе такого представления новыйтеоретический метод позволил с единой точки зрения рассматриватьлинейные, нелинейные и нестационарные процессы при взаимодействииэлектронных потоков с полями одномодовых и многомодовыхэлектродинамических структур, в том числе на частотах границ полоспрозрачности. Для решения конкретных задач используются различныереализации этого метода. В частности,одномодовое взаимодействиеисследуется с помощью приближенного энергетического подхода,основанного на введении эквивалентных схем, анализ многомодового5взаимодействия потока и поля основывается на использовании одного извариантов метода поперечных сечений.−−−−−−−−Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:в разработке и реализации специального метода анализа взаимодействияэлектронныхпотоковсполямипространственно-развитыхэлектродинамических систем, основанного на введении волновыхтрансформаторов, позволяющего с единых позиций рассматриватьразличные процессы в мощных источниках микроволнового излучения, втом числе на частотах вблизи границы полосы прозрачности одной измод системы,в анализе изменения дисперсии и структурысобственных волнпериодических систем с электронным потоком, позволившем, в частности,выявить особенности формирования зависящей от влияния потока«горячей» границы полосы прозрачности, изучить многоволновыйхарактер взаимодействия потока и поля в сверхразмерных волноводах,в исследовании роли электронной среды, приводящей к дополнительномурассогласованию системы и возбуждению продольных колебательных модструктуры на динамически сдвинутых резонансных частотах,в нахождении оптимального соотношения между черенковским и МЦРмеханизмами излучения, позволяющего повысить эффективностьвзаимодействия релятивистского электронного потока с полемрезонансной замедляющей структуры на частотах вблизи границы полосыпрозрачности,в выявлении важной роли поверхностной волны в формированииусиления и обратных связей в релятивистских черенковских генераторахна сверхразмерных периодических волноводах, в том числеиспользующих многоволновое взаимодействие потока и поля,в обнаружении и исследовании повышения эффективности излучениягенераторов при отстройке точки синхронизма потока и поля от частотыπ-вида в сторону ЛБВ или ЛОВ и принципиальных отличий спектрагенерации для систем с преобладающим взаимодействием ЛБВ или ЛОВтипов,в изучении внешней и внутренней синхронизации в секцияхмногосекционных генераторов и доказательстве определяющей ролипервой секции в формировании спектра генерации,в анализе физических процессов в многосекционных усилителях типа ЛБВна цепочках связанных резонаторов, в первых образцах релятивистскихгенераторов типа ЛБВ-ЛОВ, МЦР на аномальном эффекте Доплера, вмноговолновых черенковских генераторах.6Практическая значимость работы заключается в следующем:- на основе единого подхода разработана совокупность теоретическихметодов различного уровня сложности и создан комплекс программ,позволивших исследовать электродинамические свойства периодическихволноводов, процессы усиления, самовозбуждения и генерации водномодовых устройствах и устройствах релятивистской электроники насверхразмерных периодических структурах,- установленные в работе особенности самовозбуждения устройстввблизи границ полосы прозрачности, позволяют находить частоты генерациии стартовые условия и, могут быть использованы при создании новыхконструкций черенковских источников микроволн на сверхразмерныхпериодических волноводах,- результаты исследования соотношения между черенковским и МЦРизлучениями в релятивистских устройствах применимы для объясненияхарактерных зависимостей мощности выходного СВЧ сигнала от магнитногополя и могут быть использованы для решения проблемы селекции мод вмногомодовых устройствах релятивистской электроники,- на основе развитого в работе волнового анализа, основанного навыделении собственных волн системы и позволяющего определятьтрансформацию волн на входе и выходе устройства, изучены особенностивозбуждения паразитной генерации, показана принципиальная возможностьсоздания усилителей с уменьшенными обратными связями,- результаты анализа эффективности взаимодействия потока и поля иформирования спектра излучения релятивистских источников насверхразмерных волноводах объясняют ряд характеристик существующихэкспериментальных макетов многоволновых генераторов и могут бытьиспользованы для создания новых источников с улучшенными параметрами.На защиту выносятся следующие основные положения.1.