Резонансное взаимодействие электронного потока и поля в релятивистском черенковском генераторе на периодическом волноводе

Введение
Основным задачами СВЧ электроники, являются повышение эффективности и мощности усилителей и генераторов сверхвысоких частот, в диапазоне электромагнитных волн простирающихся от единиц до сотен гигагерц, то есть длин волн от миллиметров до десятков сантиметров. К настоящему времени разработано множество приборов, которые нашли различные применения. Прежде всего, радиолокации, радиосвязи и термообработке различных материалов. В 70-е годы в СВЧ-электронике произошла революция: мощность СВЧ-приборов возросла от уровня в несколько мегаватт до уровня в несколько сотен мегаватт, а затем и до уровня в несколько гигаватт, возникла, так называемая, релятивистская СВЧэлектроника. СВЧ-приборы делятся на полупроводниковые и вакуумные. В полупроводниковых приборах прикладывается напряжение к твердотельному образцу. В вакуумном приборе через вакуумную металлическую камеру распространяется электронный пучок. С точки зрения применений полупроводниковые приборы более компактны и удобны, но они существенно уступают по мощности излучения. Все вакуумные приборы делятся на нерелятивистские (энергия электронов в них обычно менее 100 кэВ) и релятивистские (энергия электронов около 500 кэВ или более). Для получения релятивистских электронных пучков используются специальные ускорители - сильноточные ускорители. Сильноточные ускорители формируют пучки с энергией электронов от 500 кэВ до 2 МэВ, с током пучка до 100 кА. В СВЧ-электронике используются источники электронов с энергией около 1,0 МэВ и ток пучка при использовании катодов с взрывной эмиссией может достигать 20 - 30 кА, следовательно, с мощностью электронного пучка. Но и этот уровень достаточно велик, для сравнения укажем, что мощности больших тепловых станций равны ~1 ГВт. Эти ускорители питаются в научных лабораториях от электрической сети, которая может в несколько десятков ампер при эффективном напряжения 220В, т.е. мощности, которую можно отобрать от сети не может превышать 10 – 20 кВт. Ясно, что ускоритель с мощностью в десятки Гигаватт может работать только в импульсном режиме.
Действительно, длительность импульса тока электронного пучка обычно не превышает 1 мкс. = 10-6 c. Среди ускорителей с большой длительностью импульса отметим ускоритель в ИЯФ (г. Новосибирск)T = 4 мкс при энергии электронов 1 МэВ и токе пучка 50 кА. Энергия электронного пучка даже на этом большом ускорителе (его размеры ~ 50 м) сравнительно не велика W = 200 кДж. Таким образом, если брать электроэнергию из обычной сети в течение 10 секунд, то можно получить необходимое значение, 4 действительно . По причине, рассмотренной выше, сильноточные ускорители обычно работают в разовом режиме, с характерным периодом повторения в несколько минут, а самые большие, например, “Аврора” вообще делает несколько выстрелов в день. Сейчас разрабатываются ускорители, работающие в периодическом режиме с частотой повторения импульсов до 200 Гц со средней мощностью электронного пучка несколько киловатт и импульсной мощностью в несколько ГВт. Сильноточные релятивистские ускорители относятся к ускорителям прямого действия. В них электрон, также как в простейшей электронной пушке, рождается на катоде и ускоряется до максимальной энергии в электрическом поле диода, т.е. пролетая от катода к аноду. Для того чтобы получить электроны с энергией 0,5 - 1,5 МэВ, необходимо к диоду приложить импульс напряжения U = 0,5 - 1,5 МВ. Кроме того, ток пучка I составляет несколько килоампер. Это означает, что необходимо создать источник импульсного напряжения с внутренним сопротивлением менее 1 кОм.Для того, чтобы пучок сохранял свой поперечный размер, вся система помещается в соленоид. В сильном продольном магнитном поле все электроны двигаются вдоль силовой линии магнитного поля (вдоль оси соленоида) и поперечный размер пучка сохраняется. Наибольшее распространение в области релятивистской электроники получили источники, основанные на когерентном излучении релятивистской электронного потока в секциях, периодического волновода. Целью дипломной работы является сопоставление основных свойств релятивистских источников, использующих периодические волноводы различных диаметров.

Глава 1. Физические процессы в приборах релятивистской электроники.(Обзор литературы).
1.1. Взаимодействие потока и поля в приборах с продольным взаимодействием.
Для исследования свойств материалов, связи, радиолокации, энергетики перспективно использовать продольное взаимодействие электронного потока с полями электродинамической системы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Одним из таких приборов является клистрон, электровакуумный прибор, используется как, прежде всего и усилитель сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. Характерным отличием от других вакуумных приборов, является локализация взаимодействия электронов с электрическим СВЧ – полем (в узких зазорах резонаторов) и длительным группированием электрического пучка в сгустки в пространстве где нет высокочастотного поля (дрейфовое пространство). Метод клистронного группирования находит применение и в других областях техники, в частности в ускорителях заряженных частиц. В зависимости от наличия постоянного электрического поля в дрейфовом пространстве различают отражательные и пролетные клистроны. Последние могут быть двухрезонаторными и многорезонаторными. Многорезонаторные клистроны можно разделить на клистроны непрерывного действия и импульсные. Многорезонаторные клистроны широко применяются в выходных каскадах мощных передатчиков дециметровых и сантиметровых волн. Обычно клистроны в непрерывном режиме применяются в качестве передатчиков тропосферной связи с уровнями мощности 1—20 кВт и систем связи "Земля—спутник" с уровнями мощности до 50 кВт. Клистроны непрерывного режима работы мощностью от 50 до 500 кВт (сверхмощные) применяются для передатчиков радиолокационных станций и станций управления на межпланетных расстояниях. Клистроны для телевизионных передатчиков работают на уровнях мощности до 50 кВт. В установках промышленного нагрева используются мощности от 1 до 50 кВт. Многорезонаторные усилительные клистроны получили широкое распространение при проектировании и создании систем СВЧ питания линейных резонансных ускорителей. В двухрезонаторном клистроне немодулированный электронный поток, выходящий из катода, поступает в первый резонатор, между стенками которого имеется продольное электрическое поле СВЧ. Это поле производит скоростную модуляцию электронного потока. Двигаясь в пространстве