Формирование, преобразование и передача излучения в сверхразмерных электродинамических системах

Введение

актуальность темы диссертации.

В последние десятилетия мощные источники когерентного электромагнитного излучения диапазона миллиметровых волн все шире используются в таких областях физики и техники, как исследование свойств плазмы и твердого тела, управляемый термоядерный синтез (УТС), плазмохимия, радиолокация и связь, обработка материалов. В указанном диапазоне наибольшую мощность в непрерывном режиме (сотни киловатт) и в очень длинных импульсах до десятков секунд (0.5−1МВт) обеспечивают слаборелятивистские гиротроны [1*-4*, 6*, 55, 60] - вакуумные приборы с энергией электронов до 100 кэВ.

Гиротроны используются главным образом в системах электронно-циклотронных волн плазменных установок УТС. Основными задачами в разработке гиротронов являются: повышение мощности и КПД в непрерывном режиме до 1−1.5 МВт, исследование возможности перестройки частоты в гиротронах мегаваттного уровня мощности. Основным сдерживающим фактором для достижения этих мощностей является перегрев различных частей прибора из-за омических и дифракционных потерь. Мегаваттная мощность и диапазон миллиметровых волн обуславливают использование в гиротронах сверхразмерных электродинамических систем с характерными поперечными размерами в десятки длин ВОЛН:

Для решения отмеченных задач необходимы электродинамические системы, в которых формируются рабочие колебания высших типов, Выходящее из области взаимодействия с электронами излучение преобразуется в волны с простой структурой, параметры этих волн должны быть точно измерены и эти волны должны быть эффективно введены в линии передачи (обычно длиной в десятки метров) излучения к плазменной камере. Вследствие очень большой мощности допустимые штери в отдельных элементах этой цепи электродинамических систем, как правило, ограничены уровнем в единицы процентов. Несмотря на значительные достижения в области разработки электродинамических систем для гиротронов, задача остается по-прежнему актуальной, так как именно их характеристики во многих случаях ограничивают мощность всей системы электроннр-Щ1клотронных волн.

Использование в СВЧ приборах сильноточных релятивистских электронных пучков (РЭП) дает возможность получения очень больших импульсных мощностей. Сильноточные РЭП использовались первоначально, для получения излучения дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн, где бьши получены мощности в несколько гигаватт. Продвижение в более короткие волны сдерживалось нестабильностью и разбросом параметров сильноточных РЭП, несовершенством использованных в пе! рвых экспериментах электродинамических систем и недостаточным развитием теории коротковолновых релятивистских приборов. В результате эффективность генерации й, главное, степень когерентности излучения, как правило, бьши очень низкими. Совершенствование сильноточных инжекторов, предложения теории [5*] дали предпосылки для реализации разнообразных релятивистских приборов диапазона миллиметровых волн. Этой проблеме посвящен цикл работ [5−18]. Найденные схемы релятивистских коротковолновых приборов используются в современных разработках [например, 43*]. >

В некоторьпс случаях именно предложенный принцип построения электродинамической системы «дает жизнь» новому прибору. В качестве примеров отметим два прибора, находящихся еще в стадии исследования — гиро-ЛБВ с системой в виде волновода с винтовой гофрировкой, позволяющей реализовать оптимальную для усилителя дисперсию рабочей волны, и разрабатываемый в рамках международного сотрудничества широкополосный, мазер на свободных электронах с системой на основе эффекта повторения и мультипликации волновых пучков (п. 2.3). В этих случаях электродинамические системы позволяют реализовать СВЧ приборы с качественно новыми свойствами.

Цели Диссертационной работы.

Основные цели диссертации сформулированы как — исследование и реализация новых эдектродийамических систем для мощных, СВЧ, прибо]ров диапазона миллиметровых волн и качественное улучшение ооновных параметров приборов: мощности, КПД, полосы частот, разработка новых способов преобразования структур поля, эффективной передачи, измерения и управления параметрами излучения в сверхразмерных системах.

Научная новизна работы.

1. Предложены новые электродинамические системы для мощных коротковолновых СВЧ приборов, в том числе.

— система гиро-ЛБЕ в виде волновода с винтовой гофрировкой, обеспечивающей оптимальную дисперсионную характеристику рабочей волны с ненулевой групповой скоростью в области малых волновых чисел;

— электродинамическую систему мазера на свободных электронах на основе эффектов повторения и мультипликащ1и волновых пучков в сверхразмерных волноводахоткрытые резонаторы с синтезированными зеркалами, обладающие оптимальной структурой собственных колебаний, для гиротронови оротронов.

Исследованы системы в виде отрезков многоволновых волноводов с периодической и квазипериодической гофрировкой:

— резонаторы релятивистских оротронов и брэгговские резонаторы для мазеров на свободных электронах;

2. Предложенные электродинамические системы позволили реализовать следующие новые СВЧ приборы: :

— релятивистский оротрон диапазона миллиметровых волн с импульсной мощностью до 1,00 МВт,.

— мазер на циклотронном авторезонансе с брэгговским резонатором,.

— гиро-ЛБВ с рекордной (20%) полосой усиливаемых частот,.

— мазер на свободных электронах мегаватгного уровня мощности с перестройкой частоты 130−260 ГГц,.

— релятивистский гиротрон с рабочими волнами ТМ типа.

3. Предложены новые методы эффективного преобразования структур полей: ;

— метод преобразования волноводНых Волн, основанный на использовании скачкообразного характера параметров связи волн. Показано, что метод позволяет получить высокую (близкую к 100%) эффективность преобразования даже в условиях умеренной связанности волн- ' ,.

— на основе сопоставления лучевого и модового представления полей в сверхразмерных полых волноводах сформулирован и подтвержден экспериментально новый метод высокоэффективного сопряжения высших волн волновода с собственными волнами открытых зеркальных линий передачипредложено использование неквадратичных зеркал в квазиоптических преобразователях гиротронов с целью уменьшения дифракционных потерь в системах согласования гиротронов с линиями передачи.

4. Показано, что использование преобразователей нового типа в гиротронах для комплексов УТС и технологических установок, релятивистских генераторах и усилителях, линиях передачи мощного СВЧ излучения позволяет принципиально улучшить их выходные параметры.

5. Разработаны разнообразные новые компоненты квазиоптических линий передачи: волноводы и зеркальные рефлекторы, высокоэффективные уголки и повороты волноводов, направленные ответвители, поляризаторы, мультиплексоры, возбудители основных и высших мод сверхразмерных волноводов для диагностики трактов, модовые и частотные фильтры, антенны для электронно-циклотронных систем установок УТС. Показана возможность передачи с малыми потерями излучения мегаваттного уровня мощности в комбинированных линиях передачи для комплексов УТС, в сложных релятивистских приборах и технологических установках.

Научное и практическое значение работы.

В диссертационной работе детально исследованы новые типы электродинамических систем, в том числе системы в виде отрезков сверхразмерных волноводов с аксиально симметричной и винтовой гофрировкой, электродинамическую систему на основе эффектов повторения и мультипликации волновых пучков в сверхразмерных волноводах, открытые резонаторы с синтезированными зеркалами. Системы разрабатывались главным образом с целью использования в мощных СВЧ генераторах и усилителях, однако область использования результатов работы оказалась значительно шире и разработанные системы используются также для построения новых устройств, как например, компрессоры СВЧ импульсов [28*-29*], новые системы распределения мощности в линейных ускорителях (ВЬВЗ) [42*], антенны для больших плазменных установок УТС [75, 79−80] и др. Таким образом, научное и практическое значение исследования систем заключается как в их использовании в приборах, так и в формулировании на их основе новых научных и технических концепщЛй.

Предложенные и разработанные электродинамические системы позволили реализовать макеты новых СВЧ приборов: релятивистского оротрона диапазона миллиметровых волн, мазера на щшютронном авторезонансе, гиро-ЛБВ, мазера на свободных электронах, гиротрона с рабочими волнами ТМ типа. В ряде случаев эти приборы отличаются рекордными выходными параметрамимощностью или полосой рабочих частот и, несомненно, перспективны для использования в различных научных и прикладных работах.

На основе предложенного метода эффективного преобразования волноводных волн, основанного на использовании скачкообразного характера параметров связи волн, разработаны практически важные преобразователи волн: в частности, высокоэффективный широкополосный преобразователь волн ТЕп-ллтМо! для СВЧ излучения большой мощности. Эти преобразователи волн используются радарных системах на основе релятивистских СВЧ генераторов, радиометрах, релятивистских ЛБВ и других устройствах [23,46*].

Сформулированный на основе сопоставления лучевого и модового представления полей в сверхразмерных полых волноводах новый метод сопряжения высших мод волновода с собственными волнами открытых зеркальных линий передачи позволил значительно — повысить эффективность таких важных квазиоптических компонентов, как преобразователи высших волн в волновые пучки и уголковые повороты трактов. Дифракционные потери в этих компонентах бьши уменьшены в несколько раз. Метод нашел широкое применение при разработке мощных гиротронов для систем УТС и линий передачи [33−35,23*]. в многочисленных экспериментах показано, что использование неквадратичных зеркал корректирующих фазовый фронт волнового пучка дает практическую возможность уменьшения дифракционных потерь как внутри приборов с квазиоптическими преобразователями, так и в системах согласования СВЧ приборов с линиями передачи. Использование неквадратичных корректоров позволило, в частности, реализовать гиротроны с значительно улучшенными выходными параметрами.

На основе разработанных компонентов квазиоптических линий передачи (волноводы и зеркальные рефлекторы, высокоэффективные уголки, направленные ответвители, поляризаторы, модовые и частотные фильтры и др.), выбора оптимальных методов диагностики и анализа модового состава излучения созданы линии передачи (или их части) мощного СВЧ излучения на различных комплексах УТС (Т-10, TEXTOR, W7-AS, TdeV, LHD, Aditia, ASDEX, Heliotron-E, LHD, TRIAM и др.), в сложных релятивистских приборах и технологических установках.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались автором на семинарах в ИПФ РАН, ИЯС РНЦ «Курчатовский институт», ИОФАН, Институте сильноточной электроники СО РАН, Штутгартском университете, Страткладском университете в г. Глазго, Институте физики плазмы (Ий[вехайн, Нидерланды), Институте электроники (Ченду, КНР), Институте физики плазмы им. М. Планка (Гархинг, ФРГ), Центре плазменных исследований (Лозанна, Швейцария), российско-германских семинарах по гиротронам и нагреву плазмы, российско-американских семинарах по системам электронно-циклотронного нагрева, международных семинарах по линиям передачи для ЭЦР-систем.

•Материалы диссертации были представлены в более чем 30 докладах на следующих конференциях:

Высокочастотная релятивистская электроника (Томск 1980, Горький 1982, Москва 1984, Новосибирск 1987, Свердловск 1989) — «Strong microwaves in Plasmas» (Нижний Новгород, 1993, 1996,.

1999) — «Infrared and Millimeter Waves» (Pasadena, US, 1992; Colchester, UK 1993; Sendai, Japan 1994; Orlando, US, 1995; Berlin, Germany, 1996; Wintergreen, 1997, USColcherster, UK, 1998; Monterey, US 1999, Beijing, China, 2000, Toulouse, France, 2001) — Школа-семинар no дифракции и распространению волн (Москва, НИИРФ, 1993) — Free Electron Lasers (Stanford, USA, 1994, Berlin, Germany, 1998) — Conference on High-Power Particle Beams (Washington, 1992) — Progress in Elecromagnetics Research Symposium (Nordwijk, The Netherlands, 1994).

Публикации.

Список литературы

по теме диссертации содержит 80 пунктов. Из них 70 статей, 7 тезисов докладов на международных, всесоюзных и российских конференциях и 3 ссылки на авторские свидетельства.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из четырех разделов и заключения.

В первом разделе перечисляются и обсуждаются основные эффекты и принципы, используемые для построения сверхразмерных электродинамических систем для СВЧ приборов и компонентов большой мошности: брэгговское рассеяние волн периодическими структурами, повторение и мультипликация параксиальных волновых пучков в сверхразмерных волноводах, синтез и реконструкция фазовых фронтов волновых пучков, связь и трансформация волн в нерегулярных волноводах, подобие волн в параксиальных и конфокальных системах, связь лучевого и волнового представлений полей в волноводах.