Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Методы анализа и синтеза волновых полей в сверхразмерных электродинамических системах гиротронов

Диссертация: Методы анализа и синтеза волновых полей в сверхразмерных электродинамических системах гиротронов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Основные результаты диссертации опубликованы в работах и докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Институте электроники (Ченду, КНР), Институте физики плазмы (Нивехайн, Нидерланды), Штуттгартском университете (ФРГ), на ежегодных совместных семинарах ИПФ РАН и Института им. Макса Планка (Гархинг, ФРГ) в 1992;2007 годах, на всесоюзном научном семинаре «Математическое моделирование и применение явлений… Читать ещё >

Методы анализа и синтеза волновых полей в сверхразмерных электродинамических системах гиротронов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Часть 1. Анализ волновых полей в сверхразмерных электродинамических системах гиротронов
    • 1. 1. Измерение амплитудно-фазовых распределений волновых полей приборов ЭБМ
      • 1. 1. 1. Непосредственное измерение распределений амплитуды и фазы поля на милливатт-ном уровне мощности
      • 1. 1. 2. Измерение распределений интенсивности поля волновых пучков мегаваттного уровня мощности с помощью инфракрасной камеры
    • 1. 2. Голографический метод восстановления фазы волнового поля
    • 1. 3. Распространение волновых полей в свободном пространстве и методы вычисления дифракционного интеграла Гюйгенса — Кирхгофа
      • 1. 3. 1. Метод вычисления дифракционного интеграла, основанный на определении углового спектра поля
      • 1. 3. 2. Метод вычисления дифракционного интеграла, основанный на нерекурсивной фильтрации поля
      • 1. 3. 3. Сравнение методов вычисления дифракционного интеграла
    • 1. 4. Метод реконструкции трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волнового пучка по измерениям интенсивности в нескольких поперечных сечениях
      • 1. 4. 1. Описание метода
      • 1. 4. 2. Реализация метода на основе алгоритмов быстрого вычисления дифракционного интеграла
      • 1. 4. 3. Примеры реконструкции волновых полей по измерениям интенсивности
      • 1. 4. 4. Неоднозначность восстановления фазы по амплитудным распределениям, измеренным в нескольких поперечных сечениях волнового пучка
      • 1. 4. 5. Реконструкция широкополосного источника по измерениям распределений интенсивности поля на нескольких частотах при фиксированном расстоянии до источника
        • 1. 4. 5. 1. Модификация процедуры реконструкции фазовых фронтов
        • 1. 4. 5. 2. Примеры реконструкции широкополосных источников
      • 1. 4. 6. Реконструкция фазы волновых пучков, содержащих «вихри»
      • 1. 4. 7. Влияние измерительных ошибок на точность реконструкции поля
    • 1. 5. Анализ спектра по измерениям интенсивности поля в сверхразмерных волноводах
      • 1. 5. 1. Анализ спектра по измерениям интенсивности поля в прямоугольном гофрированном волноводе
        • 1. 5. 1. 1. Метод пересчета поля в прямоугольном гофрированном волноводе
        • 1. 5. 1. 2. Пример анализа спектра по измерениям интенсивности поля в прямоугольном гофрированном волноводе
      • 1. 5. 2. Анализ спектра по измерениям интенсивности поля в круглом гофрированном волноводе
        • 1. 5. 2. 1. Метод пересчета поля в круглом гофрированном волноводе
        • 1. 5. 2. 2. Пример анализа спектра по измерениям интенсивности поля в круглом гофрированном волноводе
      • 1. 5. 3. Сравнение методов анализа спектра по измерениям интенсивности поля в волноводе и в свободном пространстве
    • 1. 6. Использование принципа Гюйгенса для анализа полей в сверхразмерных волноводах
      • 1. 6. 1. Скалярное интегральное уравнение для поля на внутренней поверхности волновода. Метод дополнения
      • 1. 6. 2. Сравнение метода дополнения с известными методами расчета
        • 1. 6. 2. 1. Сравнение метода дополнения с теорией дифракции электромагнитных волн на открытом конце волновода
        • 1. 6. 2. 2. Сравнение метода дополнения с методом связанных волн
        • 1. 6. 2. 3. Сравнение метода дополнения с методом FDTD
      • 1. 6. 3. Экспериментальное исследование дифракции поля на несимметричном срезе волновода
    • 1. 7. Параметризация амплитудно-фазовых распределений волновых полей
      • 1. 7. 1. Определение параметров оптимальной 0-ой функции Эрмита-Гаусса для амплитудного распределения с помощью моментов
      • 1. 7. 2. Непосредственное вычисление параметров оптимальной 0-ой функции Эрмита-Гаусса для амплитудного распределения по характеристической функции
      • 1. 7. 3. Критерии достоверности измерений интенсивности и реконструкции фазы волновых полей
  • Часть 2. Синтез волновых полей в сверхразмерных электродинамических системах гиротронов
    • 2. 1. Метод синтеза сверхразмерных распределенных систем согласования параксиальных волновых полей
      • 2. 1. 1. Постановка задачи синтеза и существующие методы ее решения
      • 2. 1. 2. Универсальный итерационный метод синтеза распределенных сверхразмерных систем согласования параксиальных волновых полей
      • 2. 1. 3. Особенности синтеза рефлекторных антенн
        • 2. 1. 3. 1. Восстановление аналитичности функции фазы
        • 2. 1. 3. 2. Определение профиля рефлектора по синтезированному распределению фазы
    • 2. 2. Синтез систем зеркал гиротронных квазиоптических преобразователей
      • 2. 2. 1. Постановка задачи оптимизации параметров гиротронного квазиоптического преобразователя
      • 2. 2. 2. Модель квазиоптического гиротронного преобразователя
      • 2. 2. 3. Решение задачи оптимизации параметров гиротронного квазиоптического преобразователя
        • 2. 2. 3. 1. Синтез зеркал для квазиоптаческого преобразователя двухоконного гиротро-на
        • 2. 2. 3. 2. Синтез зеркал для квазиоптического преобразователя двухчастотного гиротро-на
      • 2. 2. 4. Применение систем синтезированных зеркал в квазиоптических преобразователях промышленных гиротронов
    • 2. 3. Метод синтеза поверхности сверхразмерного волновода для формирования требуемого распределения поля на его стенке
      • 2. 3. 1. Недостатки существующих методов группировки поля на срезе волновода
      • 2. 3. 2. Использование принципа Гюйгенса для синтеза полей в сверхразмерных волноводах
      • 2. 3. 3. Исследование высокоэффективного синтезированного волноводного преобразователя для многочастотного гиротрона
        • 2. 3. 3. 1. Актуальность задачи разработки многочастотного гиротрона
        • 2. 3. 3. 2. Синтез квазиоптического преобразоателя многочастотного гиротрона
        • 2. 3. 3. 3. Экспериментальное исследование синтезированного излучателя
    • 2. 4. Согласование волновых пучков приборов ЭБМ с линиями передачи на основе теп-ловизионных измерений интенсивности поля
      • 2. 4. 1. Как волновой пучок с неизвестными параметрами согласовать с линией передачи
      • 2. 4. 2. Пример согласования с волноводной линией передачи гиротронного волнового пучка с низким содержанием 0-ой функции Эрмита-Гаусса
      • 2. 4. 3. Вихри в волновых пучках гиротронов
        • 2. 4. 3. 1. Причины возникновения вихрей в волновых пучках гиротронов
        • 2. 4. 3. 2. Управление параметрами гиротронных волновых пучков, содержащих «вихри»
      • 2. 4. 4. Обзор экспериментов по согласованию гиротронных волновых пучков с линиями передачи на основе тепловизионных измерений
    • 2. 5. Разработка элементов линий передачи для приборов ЭБМ на основе метода синтеза заданного амплитудно-фазового распределения поля
      • 2. 5. 1. Преобразование типов волн в линиях передачи
      • 2. 5. 2. Согласование волновых полей в комбинированных линиях передачи
      • 2. 5. 3. Синтез высокоэффективных квазиоптических уголков
    • 2. 6. Управление параметрами волновых полей приборов ЭБМ в волноводных линиях передачи
      • 2. 6. 1. Задача дистанционного управления волновым пучком на выходе гиротронной линии передачи
      • 2. 6. 2. Эксперимент по дистанционному управлению волновым пучком в сверхразмерном квадратном гофрированном волноводе
    • 2. 7. Синтез собственных колебаний требуемой формы в открытых резонаторах
      • 2. 7. 1. Метод расчета спектра собственных колебаний открытого резонатора
      • 2. 7. 2. Методы управления параметрами собственных колебаний открытых резонаторов
      • 2. 7. 3. Примеры синтеза двухзеркальных резонаторов с заданным наиболее добротным собственным колебанием
        • 2. 7. 3. 1. Синтез резонатора оротрона
        • 2. 7. 3. 2. Синтез резонатора высокоэффективного возбудителя волны НЕп для холодной диагностики волноводных линий передачи

Актуальность темы

диссертации.

Последние десятилетия отмечены интенсивным развитием электроники больших мощностей (ЭБМ) и, прежде всего технологий, связанных с проектированием, производством и применением гиротронов. Гиротроны являются наиболее мощными источниками когерентного излучения миллиметрового диапазона длин волн [39, 42, 72, 86]. Выходная мощность гиротронов достигает 1 МВт при длительности импульса в сотни секунд. Эти качества обуславливают широкое применение гиротронов для электронно-циклотронного нагрева плазмы в экспериментах, проводимых в рамках программ по управляемому термоядерному синтезу (УТС), а также их использование в технологических процессах, основанных на СВЧ нагреве [49, 85, 91, 95, 100, 107]. Поэтому, актуальна задача разработки эффективных методов анализа и синтеза волновых полей в электродинамических системах гиротронов и системах передачи их излучения.

Особенностью измерений в свободном пространстве структур волновых полей мощных СВЧ приборов является то обстоятельство, что практически невозможно создать опорный источник когерентного излучения для измерения фазы волнового поля. С другой стороны, техника измерений интенсивности поля, включая измерения мощных волновых пучков с помощью инфракрасных камер, достаточно хорошо развита и не требует сложного оборудования [71, 90]. Кроме того, и существующие методы анализа амплитудного спектра в волно-водных линиях передачи, использующие сепарацию мод внутри специальных устройств, достаточно сложны, требуют специального дорогостоящего оборудования и не позволяют определять фазы мод [56]. Однако при диагностике волновых полей в гиротронных линиях передачи важно определять полный спектр, т. е. как амплитуды, так и фазы мод. Поэтому, актуальна разработка не требующих опорного канала, принципиально новых методов анализа волновых полей только на основе измерений интенсивности.

Для решения прикладных задач требуется увеличение мощности выходного излучения гиротронов при одновременном увеличении длительности импульса. При этом, основным сдерживающим фактором является перегрев различных частей прибора из-за дифракционных и омических потерь в квазиоптическом преобразователе, осуществляющем трансформацию рабочей моды в волновой пучок. Схема квазиоптического преобразователя была разработана в 70-х и начале 80-х годов в ИПФ РАН и НПО «Салют-ЭВП» при участии JI.H. Агапова, С. Д. Богданова, С. Н. Власова, В. Н. Глазмана, В. И. Курбатова, K.M. Ликина, О. В. Малыгина, Л. В. Николаева, И. М. Орловой, В. И. Хижняка [24, 37, 38, 42] (см. Рис.1). К сожалению, при высоких радиальных индексах рабочей моды, в силу конструктивных ограничений — прежде всего из-за наличия электронного пучка, не удается использовать имеющие большую длину известные решения, предложенные Г. Г. Денисовым, М. И. Петелиным и Д. В. Виноградовым, для преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий [65, 105]. Кроме того, к преобразователю предъявляется ряд требований [а10], которым одновременно зачастую нельзя удовлетворить, применяя симмет.

Волноводная линия передачи.

Поле в линии передачи.

Окно гиротрона.

Синтезированный /: резонаторе' излучатель*.

Рис. 1. Объект исследования — сверхразмерная электродинамическая система гиротрона [24, 37, 38, 42]. *) — элементы, синтезировать которые предложено в диссертации. ричные полиномиальные зеркала [79, 81]. Соответственно, одной из целей работы была разработка нового подхода для комплексного решения проблемы расчета и синтеза квазиоптических преобразователей гиротронов (см. Рис.1).

Актуальной практической задачей, имеющей место в экспериментах с приборами ЭБМ, является согласование волнового пучка большой мощности с линией передачи, только на основе анализа тепловизионных измерений интенсивности. При этом потери на согласование, учитывая большую мощность пучков, не должны превышать нескольких процентов. Необходимо было разработать принципиально новый подход для решения этой проблемы, замкнув цикл диагностики и управления параметрами волновых полей приборов ЭБМ.

Высокая сверхразмерность является особенностью рассматриваемых в этой работе систем. Приближение геометрической оптики [28, 29] не обеспечивает требуемой точности при описании распространения волнового поля в этих системах из-за явления дифракции. Для повышения точности расчетов, с целью уменьшения дифракционных потерь в квазиоптических преобразователях гиротронов мегаваттного уровня мощности, необходимо учитывать дифракцию поля, прежде всего на волноводном срезе преобразователя, что, в частности, не удается сделать на основе обычно используемого для расчетов излучателей известного метода связанных волн [65, 105]. Существующие программы, реализующие алгоритмы для прямого численного решения уравнений Максвелла, требуют достаточно мощных компьюу теров и практически не используются для расчета сверхразмерных систем 5"X [101]. Пря.

Рис.2).

КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОЙ ПУЧОК.

Синтез волнового пучка с требуемыми параметрами.

Измерение двухмерных распределений интенсивности поля волнового пучка.

Определение параметров волнового пучка.

Реконструкция пространственной амплитудно-фазовой структуры поля.

Рис. 2. Цикл диагностики и управления параметрами волновых полей приборов ЭБМ. мой расчет полей с учетом дифракции по методу Гюйгенса-Кирхгофа, использованному в этой работе, также требует значительного времени.

Таким образом, помимо разработки новых физических методов, необходимо было предложить новые быстрые алгоритмы физической оптики и реализовать их в виде программного комплекса, который позволил бы на компьютерах со средними характеристиками решать перечисленные актуальные задачи.

Создание методов, алгоритмов и программных средств анализа для:

• измерения распределений интенсивности мощных волновых полей;

• реконструкции трехмерной амплитудно-фазовой структуры полей по измерениям их интенсивности;

• определения спектра мод в волноводных линиях передачи по измерениям интенсивности;

• расчета поля бегущей волны в свехразмерном круглом волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом влияния несимметричного среза;

• параметризации амплитудно-фазовых распределений полейи синтеза для:

• разработки эффективных квазиоптических преобразователей мощных длинноимпульсных гиротронов;

• разработки высокоэффективных излучателей гиротронов, более коротких и более широкополосных, по сравнению с известными;

• согласования волновых полей гиротронов на основе тепловизионных измерений с комбинированными линиями передачи установок по электронно-циклотронному нагреву плазмы;

• разработки элементов линий передачи, преобразователей типов волн, резонаторов и других узлов мощных СВЧ приборов;

Цели диссертационной работы, а также экспериментальное исследование синтезированных квазиоптических устройств и их использование в приборах ЭБМ.

Научная новизна.

1.1. Предложен новый метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях.

1.2. Разработан новый метод анализа комплексного спектра мод по измерениям интенсивности поля в поперечных сечениях сверхразмерных волноводов.

1.3. Предложен новый метод анализа поля бегущей волны в цилиндрическом сверхразмерном волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом дифракции на несимметричном конце волновода.

2.1. Впервые синтезированные неквадратичные зеркала использованы в квазиоптических преобразователях мощных промышленных гиротронов.

2.2. Предложен новый метод синтеза поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе. Метод использован при разработке нового прибора — многочастотного мегаваттного гиротрона в диапазоне 105 152 ГГц.

2.3. Показана возможность синтеза наиболее добротного собственного колебания с заданной пространственной структурой в открытых двухзеркальных резонаторах.

3. Предложен новый подход, основанный на анализе тепловизионных измерений интенсивности поля и синтезе систем корректирующих зеркал сложного профиля, для решения задачи согласования волновых пучков мощных СВЧ приборов с линиями передачи.

Практическая значимость.

1.1. Метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях, используется как для диагностики узлов мощных СВЧ приборов на милливаттном, так и для измерений волновых полей мощных СВЧ приборов на мегаваттном уровнях мощности.

1.2. Метод анализа комплексного спектра мод по измерениям интенсивности поля в поперечных сечениях сверхразмерных волноводов используется для диагностики на милливаттном уровне мощности волноводных элементов и волноводных линий передачи для комплексов УТС и технологических установок.

1.3. Метод анализа поля бегущей волны в цилиндрическом сверхразмерном волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом дифракции на несимметричном конце волновода используется при проектировании излучателей гиротронов.

2.1. Комплекс программ синтеза систем зеркал используется в ИПФ РАН и НПП «Гиком» при разработке квазиоптических преобразователей мощных промышленных гиротронов в диапазоне 68−170ГГц и элементов зеркальных и волноводных линий передачи гиро-тронного излучения.

2.2. Метод синтеза поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе использован при разработке многочастотного мегаваттного гиротрона (105−152 ГГц) и технологического гиротрона (28ГГц).

2.3. Синтезированы резонаторы для субмиллиметрового оротрона и высокоэффективного возбудителя волны HEi i для диагностики волноводных линий передачи.

3. Проанализированы волновые пучки и синтезированы системы согласующих зеркал в более 50-ти экспериментах на установках электронно-циклотронного нагрева плазмы в диапазоне 28−170ГГц: Т-10 (Институт ядерного синтеза, Российский научный центр «Курчатовский институт», Москва), ADITJA (Institute for Plasma Research, Индия), HT-7 (Southwestern Institute of Physics, КНР), LHD (National Institute for Fusion Science, Япония), TdeV (Centre Canadien de Fusion Magnetic, Канада), DIII-D (General Atomics, США), FTU (Italian National Agency for New Technologies, Energy and the Environment, Италия), ASDEX-Up и W7-AS (Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik, Германия), TRIAM (университет Кюсю, Япония).

Разработанные в диссертации методы и программные средства анализа и синтеза волновых полей могут оказаться полезными не только в СВЧ — диапазоне, но и в акустике, оптике и т. д.

Личный вклад автора.

1.1. В публикациях [а2, а12, а28] автором предложен метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях, разработаны быстрые эффективные алгоритмы и комплекс программ для анализа волновых пучков.

1.2. В публикациях [al 1, а32] автором реализован метод анализа спектра мод в волноводных линиях передачи по распределениям интенсивности. Разработанные программы использованы при анализе линий передачи на основе гофрированных волноводов прямоугольного [а4, а14, а21, а34, а45, а52, а61] и круглого [аЗО, а36, а39, а43, а53, абО, а64] сечений.

1.3. В публикациях [аб, а22] автором предложен и реализован, на основе быстрого алгоритма, метод анализа поля бегущей волны в цилиндрическом сверхразмерном волноводе с плавной и неглубокой деформацией стенок с учетом дифракции на несимметричном конце волновода, сделаны расчеты для численного и экспериментального подтверждения метода.

2.1. В публикациях [а5, аЮ, а18] автором предложено использовать итерационную процедуру Б. З. Каценеленбаума и В. В. Семенова [12] для синтеза зеркал гиротронных квазиоптических преобразователей, разработан комплекс программ для моделирования полей в электродинамической системе гиротрона. Синтезированы зеркала для ряда промышленных и экспериментальных гиротронов в ИПФ РАН и НПП «Гиком» в диапазоне 68−170ГГц [аб, а40, а44, а46, а49, а54, а56−58, а62, абЗ, а79].

2.2. В публикации [аб, а7, а65−68] автором предложен и реализован, также на основе быстрой численной процедуры, метод синтеза поверхности цилиндрического сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе, выполнен синтез излучателя для многочастотного 105−152 ГГц гиротрона.

2.3. В публикации [аЗ] автором предложено использовать итерационную процедуру Б. З. Каценеленбаума и В. В. Семенова [12] для синтеза наиболее добротного собственного колебания заданной формы в простейших двухзеркальных резонаторах. Рассчитаны резонаторы для субмиллиметрового оротрона и высокоэффективного возбудителя волны НЕп для диагностики волноводных линий передачи [а53, а55, а64].

3. В публикациях [а8, а24] автором предложен новый подход для решения задачи согласования волновых пучков мощных СВЧ приборов с линиями передачи на основе анализа тепловизионных измерений интенсивности поля. Синтезированы системы зеркал в экспериментах по согласованию мощных волновых пучков с линиями передачи [а15, а20, а35, а36, а43, а47, а55, а62, а67, а75, а80].

Для реализации всех предложенных или использованных методов, перечисленных в результатах диссертации, выносимых на защиту, автором было разработано программное обеспечение на основе оригинальных быстрых алгоритмов физической оптики.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1*-80*] и докладывались на семинарах в ИПФ РАН, Институте электроники (Ченду, КНР), Институте физики плазмы (Нивехайн, Нидерланды), Штуттгартском университете (ФРГ), на ежегодных совместных семинарах ИПФ РАН и Института им. Макса Планка (Гархинг, ФРГ) в 1992;2007 годах, на всесоюзном научном семинаре «Математическое моделирование и применение явлений дифракции» (Москва, 1990), на 4-м симпозиуме Европейского космического агентства по развитию исследований в области электромагнетизма (Нордвайк, Нидерланды, 1994), на XXVIII международной конференции по теории и технологии антенн (Москва, 1998), на всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, 2004), на всероссийском семинаре по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Нижний Новгород, 2005), на 3−6 международных конференциях «Сильные волны в плазме» (Нижний Новгород, 1996, 1999, 2002, 2005), на 10 и 11 международных совещаниях по электронно-циклотронному нагреву плазмы (Амеланд, Нидерланды, 1997; Охараи, Япония, 1999), на 4 и 10-ой международных конференциях по вакуумной электронике (Сеул, Корея, 2003; Партенкирхен, ФРГ, 2004), на 17 и 20−32 международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Пасадена, США, 1992; Орландо, США, 1995; Берлин, ФРГ, 1996; Винтергрин, США, 1997; Колчестер, Англия, 1998; Монтерей, США, 1999; Пекин, Китай, 2000; Тулуза, Франция, 2001; Сан-Диего, США, 2002; Охтсу, Япония, 2003; Карлсруэ, ФРГ, 2004; Вильямсбург, США, 2005; Шанхай, КНР, 2006; Кардифф, Англия, 2007).

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, двух частей, по семь глав каждая, заключения и приложения. Объем работы составляет 323 страницы. Иллюстративный материал включает: 24 графика, 144 диаграммы и рисунка, 61 схему, 24 таблицы, 14 фотографий.

Список литературы

состоит из 185 пунктов.

Основные результаты, полученные в диссертации.

1.1. Предложен, аналитически исследован и экспериментально подтвержден новый метод восстановления трехмерной амплитудно-фазовой структуры поля волновых пучков по распределениям интенсивности, измеренным в нескольких поперечных сечениях. Метод основан на итерационном синтезе фазовых фронтов в рассматриваемых сечениях. Наиболее существенным достоинством метода является отсутствие когерентного опорного канала, что особенно важно при решении задач диагностики мощных волновых полей.

1.2. Разработан и экспериментально подтвержден новый метод анализа комплексного спектра мод по измерениям интенсивности поля в нескольких поперечных сечениях сверхразмерных волноводов.

1.3. На основе принципа Гюйгенса предложен новый метод анализа поля высшей вол-новодной моды, падающей на отрезок цилиндрического сверхразмерного волновода с плавной и неглубокой деформацией стенок, с учетом дифракции на несимметричном конце волновода. При этом деформация стенки волновода описывается эффективным фазовым корректором. Метод проверен экспериментально и многократно использован при проектировании электродинамических систем гиротронов в ИПФ РАН и НПП «Гиком».

2.1. В квазиоптических преобразователях гиротронов предложено использовать синтезированные неквадратичные зеркала, обеспечивающие оптимальное пространственное распределение поля волнового пучка гиротрона. Показана возможность высокоэффективной (90−95%) трансформации выходных пучков гиротронов в собственные волны сверхразмерных линий передачи.

Для расчетов гиротронных квазиоптических преобразователей разработан комплекс программ на основе оригинальных быстрых алгоритмов физической оптики. Впервые синтезированные зеркала использованы в квазиоптических преобразователях мощных промышленных гиротронов.

2.2. Предложен, исследован и экспериментально подтвержден новый метод синтеза поверхности слабонерегулярного сверхразмерного волновода для формирования заданного распределения поля на его срезе. Метод обеспечивает нахождение принципиально новых (по сравнению с известными) решенийв частности, позволяет существенно уменьшить длину гиротронного излучателя для формирования гауссова волнового пучка на его выходе. Предложенный метод использован при разработке нового прибора — многочастотного мегаваттно-го гиротрона в диапазоне 105−152 ГГц.

2.3. Показана возможность синтеза наиболее добротного собственного колебания с заданной пространственной структурой в открытых двухзеркальных резонаторах. Синтезированы резонаторы для субмиллиметрового оротрона и высокоэффективного возбудителя волны НЕц для диагностики волноводных линий передачи.

3. На основе разработанных в диссертации методов анализа и синтеза волновых полей, предложен новый подход для решения задачи согласования волновых пучков мощных СВЧ приборов с линиями передачи. Проанализированы волновые пучки и синтезированы системы согласующих зеркал в более 50-ти экспериментах на установках электронно-циклотронного нагрева плазмы в диапазоне 28 — 170 ГГц: Т-10, ADITJA, LHD, TdeV, DIII-D, FTU, W7-AS, ASDEX-Up, TRIAM, НТ-7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Л. Б. Синтез линейного излучателя и его аналогии в задаче широкополосного согласования // Радиотехника и электроника, № 12, 1958, с. 1463−1474.
  2. Л. Б. К теории зеркала двойной кривизны // Радиотехника и электроника, № 11, 1959, с. 1822−1830.
  3. Л.Б., Тихонова В. К. Синтез линейного излучателя с заданным распределением амплитуд // Радиотехника и электроника, № 12, 1959, с. 2016−2019.
  4. Fox A.G., Li Tingye. Resonant Modes in a Maser Interferometer // Bell System Technical Journal, V40, № 2, 1961, pp. 453−487.
  5. Н.Г., Еремина И. В., Таланов В. И. Фазовая структура луча ОКГ на рубине // ЖЭТФ, 1964, т.46, в.4, с. 1500.
  6. Cooley J. W., Tukey J. W. An Algorithm for the Machine Calculation of Complex Fourier Series //Math. Сотр., 19, 1965, pp. 297−301.
  7. Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Советское Радио, 1966,475 с.
  8. Л.А. Теория дифракции и метод факторизации. М.: Советское радио, 1966, 431 с.
  9. .З. Высокочастотная электродинамика, М: Наука, 1966, 237 с.
  10. B.C., Власов С. Н., Таланов В. И. Методы селекции типов колебаний в открытых квазиоптических системах // Изв. Вузов, Радиофизика, 10, № 9−10, 1967, с. 1333−1357.
  11. .З., Семенов В. В. Синтез фазовых корректоров, формирующих заданное поле // Радиотехника и электроника, № 2, 1967, с. 244−252.
  12. Cochran W.T., Cooley J.W., Favin D.L., Helms H.D., Kaenel R.A., Lang W.W., Maling G.G., Nelson D.E., Rader C.M., Welch P.D. What is the Fast Fourier Transform // IEEE Trans, on Audio and Electroacoustics, 15, No. 2,1967, pp. 45−55.
  13. Е.Л., Ципенюк Ю. М. Вынужденные колебания открытого резонатора, связанного с волноводом малым отверстием // Электроника больших мощностей, сб. 5. М.: Наука, 1968, с. 105−116.
  14. С.Г. Курс математической физики. Изд-во «Наука», 1968, с. 472−485.
  15. Л.А., Шилъдяев B.C. Полигармонические волноводы для когерентного света // Изв. Вузов, Радиофизика, № 11,1968, с. 572−578.
  16. Р.А., Дюбко С. Ф., Камышан В. В., Кузъмичев В. М., Макаренко Б. И., Соколов А. В., Шейко В. П. Техника субмиллиметровых волн. «Сов. Радио», 1969, 480 с.
  17. С.Н., Петрищев В. А., Таланов В. И. Усредненное описание волновых пучков в линейных и нелинейных средах (метод моментов) // Изв. Вузов, Радиофизика, 14, № 9, 1971, с.1353−1363.
  18. А. Теория систем и преобразований в оптике: Пер. с англ. / Под ред. В. И. Алексеева. М.: Мир, 1971.
  19. R. W., Saxton W. О. A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures // Optics, 35,1972, pp.237−246.
  20. P. Б. Фазовый корректор в изломе широкого волновода // Радиотехника и электроника, т. 18, № 2, 1973, с. 235−241.
  21. Л.Д., Кременецкий С. Д. Синтез излучающих систем. М.: Сов. радио, 1974.
  22. Л. Теория сигналов: Пер. с англ./ Под ред. Д. Е. Вакмана. М.: Советское радио, 1974.
  23. Vlasov S.N., Orlova l.M. Quasi-Optical Transformer Which Transforms the Waves in a Waveguide Having a Circular Cross-Section into a Highly-Directional Wave Beam // Radio Physics and Quantum Electronics, vol. 17,1974, pp. 115−119.
  24. В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1975, с. 384.
  25. Claricoats P.J.B., Olver A.D., and Chong S.L. Attenuation in corrugated circular waveguides, Parts I and II: Theory and Experiment // Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 122,1975,pp.1173−1183.
  26. Digital Filters and the Fast Fourier Transform. Edited by Bede Liu, Stroudsburg, Pennsylvania: Halsted Press, 1975,423 p.
  27. В.А., Кинбер Б. Е. О пределах применимости приближения Кирхгофа для расчета зеркальных антенн // Радиотехника и Электроника, 1976, т.21, № 5, с. 997−1006.
  28. В.А., Кинбер Б. Е. Геометрическая теория дифракции. М.: Связь, 1978, 248 с.
  29. Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978, с. 72.
  30. Fienup J.R. Reconctruction of an object from the modulus of its Fourier transform // Optics letters, 3,1978, pp.27−29.
  31. Harris F.J. On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform // Proc. of the IEEE, Vol. 66, No. 1, January 1978, pp. 51−83.
  32. A.A., Бовбель Е. И., Микулович В. И. Алгоритмы быстрого преобразования Фурье и их свойства // Радиотехника и электроника 1979, с. 3−29.
  33. Н.Н., Савенко П. А. Синтез антенн по заданной амплитудной диаграмме и родственные задачи квазиоптики (обзор) // Радиотехника и электроника, 1979, Том XXIV, Вып. № 8, с. 1485−1500.
  34. Fienup J.R. Iterative method applied to image reconstruction and to computer-generated holograms // Proc. soc. photo-optical instrumentation engineers, Application on digital image processing III, 1979, pp. 202−207.
  35. JI.H., Богданов С. Д., Курбатов В. И., Власов С. Н., Орлова И. М., Хижняк В. И. Мазер на циклотронном резонансе. А.с. 843 621 СССР, заявлено 25.02.80, зарегистрировано 02.03.81.
  36. С.Н., Ликин КМ. Геометрическая теория трансформаторов типов волн в сверхразмерных волноводах // Гиротроны: сборник научных трудов. Горький 1980, с. 125−138.
  37. Гапонов-Грехов А.В., Петелин М. И. Мазеры на циклотронном резонансе. В кн. Наука и человечество. М.: Знание, 1980, с. 283−297.
  38. Е.Г., Соколов В. Г. Методы синтеза антенн. М.: Сов. радио, 1980.
  39. Н.Б., Зельдович Б. Я., Мамаев А. В., и др. Дислокации волнового фронта спекл-неоднородного поля // Письма в ЖЭТФ, 1981, т. ЗЗ, в.4, с. 2063.
  40. В.Н., Богданов С. Д., Власов С. Н., Ликин КМ., Малыгин О. В., Николаев Л. В., Агапов Л. Н., Курбатов В. И. Мазер на циклотронном резонансе. А.с. 952 033 СССР, заявлено 16.01.81, зарегистрировано 14.04.82.
  41. Gaponov A.V., Flyagin V.A., A.L.Goldenberg, Nusinovich G. S, Tsimring Sh. E, Usov V.G., Vlasov S.N. Powerful millimeter-wave gyrotrons // Int. Journal of Electronics, 1981, v.51, No.4, pp. 277−302.
  42. Semenov L.A., Rivlin A.T. Transmission of images through optical waveguides // Laser Focus, (1981), pp. 82−84.
  43. Moeler C.P. Launcher and transmission systems for electron-cyclotron heating // Proceedings of the third Joint Varenna Grenoble Int. Symposium on Heating in Toroidal Plasmas, 1982, Vol. 3, (Grenoble: GEN), pp. 1085 — 1090.
  44. С. О вычислении дискретного преобразования Фурье. // Маккеллан Дж.Г., Рейдер Ч. М. Применение теории чисел в цифровой обработке сигналов. -М.: Радио и связь. 1983, с. 117−138.
  45. Наш НА. Waves and fields in Optoelectronics. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1984,432 р.
  46. В.И. О синтезе антенн в многомодовых волноводах // Известия вузов. Радиофизика, 1985, Том XXVIII, № 7, с. 872−879.
  47. Flyagin V.A., Nusinovich G.S. Powerful gyrotrons for thermonuclear research // Int. J. of Infrared and millimeter waves, 1985, v.13, part 4, pp.1−16.
  48. Ю.А., Аникичев СТ. О разложении в ряд по собственным функциям уравнений открытых резонаторов. // Оптика и спектроскопия, 1986, т.61, вып. 4, с. 856−860.
  49. Ю.Ф., Финогенов КГ. Автоматизация физического эксперимента: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1986, 368 с.
  50. Гинзбург А. Н, Постоенко Ю. К. Методология проектирования и эффективность АСНИ. Применение вычислительной техники в физическом эксперименте: Сборник научных трудов /ИПФ АН СССР, г. Горький, 1987, с. 16−38.
  51. С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». 2-е изд., переработанное и дополненное — М.: Высшая школа, 1988, с. 448.
  52. Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.
  53. У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х ч., Ч. 2: Пер. с англ. М.: Мир, 1988, с. 236.
  54. Kasparek W. and Muller G.A. The wavenumber spectrometer an alternative to the directional coupler for multimode analysis in oversized waveguides // Int. Journal of Electronics, 1988, Vol. 64, No. l, pp. 5−20.
  55. P. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.
  56. Гиротроны: Сб. науч. тр. Горький, ИПФ РАН СССР, 1989, с. 217.
  57. В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке БЕЙСИК для персональных ЭВМ: Справочник. М: Наука. Гл. ред. физ. — мат. лит, 1989. с. 138.
  58. Л.А. Преобразование Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука. Гл. ред. физ. — мат. лит., 1989, 496 с.
  59. Д., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем: Пер. с англ. -М: Мир, 1989, с. 352.
  60. С., Крозинъяни Б., Ди Порто П. Дифракция и волновое распространение оптического излучения: Пер. с англ. М.: Мир, 1989, с. 534.
  61. Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки.- М.: Наука, 1990, 264 с.
  62. А.Н., Гончарский А. В., Степанов В. В., Ягола А. Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990, 230 е.
  63. Denisov G.G., Petelin M.I., Vinogradov D. V. Converter of high-mode of a circular waveguide into the main mode of a mirror line. W090/0780 H01P1/16, PCT Gazette, 16,1990, pp. 47−49.
  64. Doane J.L. Propagation and Mode Coupling in Corrugated and Smooth-Wall Circular Waveguides // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol.13, 1990, pp. 123−170.
  65. Stallard B.W., Byers J. A. and Makowski M.A. Magitrac, a Novel Method for Conversion of Whispering-Gallery Modes into a Free-Space Gaussian-Like Beam // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 11, No. 9, 1990, pp. 1011−1032.
  66. Belousov V.I., Denisov G.G., Peskov. Quasi-optical multiplexer based on reflecting diffraction grating // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 12, No. 9, 1991, pp. 1035−1043.
  67. Kuznetsov S.O. and Malygin V.I. Determination of gyrotron wavebeam parameters // Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol. 12, No 11, 1991, pp. 1241−1252.
  68. Myasnikov V.E., Cayer A.P., Bogdanov S.D., Kurbatov V.I. Soviet industrial gyrotrons // Conf. Digest 16-th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, Lousanne, 1991, SPIE v. 1576, pp. 127−128.
  69. Denisov G.G., Kuftin A.N., Malygin V.I., et al. 110 GHz gyroton with a Built-in High-Efficiency Converter // Int. Journal of Electronics, 1992, V.72, Nos.5−6, pp. 1079−1091.
  70. Engineering design of the FOM-Fusion-FEM, FOM-92, 2213/1, Oct. 1992.
  71. П.В. Оптические вихри // Соросовский образовательный журнал, № 6, 1993, стр.94−99.
  72. Kunz К. S., Luebbers R. J. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. -CRC Press, Boca Raton, FL, 1993, 448 p.
  73. Thumm M. Progress in development of high power gyrotrons //18-th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves. Conference Digest, University of Essex, Colchester, United Kingdom, 6−10 Sept. 1993, SPIE v.2104, pp. 6−7.
  74. Novel Application of High Power Microwaves. Edited by A.V. Gaponov-Grekhov and V.L. Granatstein. Boston-London: Artech House Inc., 1994.
  75. Erckmann, V. and U. Gasparino. Electron Cyclotron Resonance Heating and Current Drive in toroidal Fusion Plasmas (Review Article)// Plasma Phys. Control. Fusion 36 (1994) p. 1869
  76. Prater R., et al, The ECH launcher for ITER // Proceedings of the 10-th workshop on ECE and ECRH, EC-10, Ameland, The Netherlands, April 1997, pp. 531−540.
  77. Thumm M. Application of High Power Microwave devices, in «Generation and Application of High Power Microwaves». Edited by R.A. Cairns and A.D. Phelps, 1997, Inst, of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, pp. 305−323.
  78. А. О. Математические модели и обратные задачи // Соросовский образовательный журнал, № 11, 1998, стр.143−148.
  79. В.И. Исследование параметров излучения мощных гиротронов и разработка СВЧ трактов для установок УТС: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. / ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1998, 99 с.
  80. Feleh K.L., Danly B.G., Jory H.R. et al. Characteristics and Applications of Fast-Wave Gyro-devices // Proceedings of IEEE, 1999, vol. 87, No. 5, pp. 752−781.
  81. Kasparek W., Wagner D., Zohm H. Study on alternatives to the present ITER ECRF Launcher. Stuttgart University, 1999, 25 p.
  82. Denisov G.G. Development of 1 MW output power level gyrotrons for fusion systems // Proceedings of the IV Int. workshop «Strong microwaves in plasmas», Volume 2, Nizhny Novgorod, 2000, pp. 967−986.
  83. Gantenbein, G., H. Zohm, G. Giruzzi, et al. Complete Suppression of Neoclassical Tearing Modes with Current Drive at the Electron Cyclotron Resonance Frequency in ASDEX Upgrade Tokamak // Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 1242.
  84. Thumm М. State-of-the-Art of High Power Gyro-Devices and Free Electron Masers. Update 2000. Forchungcentrum Karlsruhe, Germany, 2001.
  85. M. Thumm, A. Arnold, E. Borie, O. Braz, G. Dammertz, O. Dumbrajs, K. Koppenburg, M. Kuntze, G. Michel and B. Piosczyk. Frequency step-tunable (114−170 GHz) megawatt gyrotrons for plasma physics applications // Fus. Eng. and Design 53 (2001) 407−421.
  86. Г. Г. Формирование, преобразование и передача излучения в сверхразмерных электродинамических системах: Диссертация в виде доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. / ИПФ РАН, Нижний Новгород, 2002, 82 с.
  87. Denisov G.G. and Zapevalov V.E. Megawatt gyrotrons for fusion research. State of the art and tendencies of development // V-th Int. workshop «Strong microwaves in plasmas», Russia, 2002, Abstracts, S3.
  88. Г. Г., Запевалов B.E., Литвак А. Г., Мясников В. Е. Гиротроны мегаваттного уровня мощности для систем электронно-циклотронного нагрева и генерации тока в установках УТС // Известия вузов. Радиофизика, 2003, Том XLVI, № 10, с. 845−857.
  89. Е.Г., Волостников В. Г. Спиральные пучки света // Успехи физических наук, 2004, Том 174, № 12, с. 1273−1300.
  90. А.А., Денисов Г. Г. Асимптотическая теория высокоэффективных преобразователей высших волноводных мод в собственные волны открытых зеркальных линий // Известия вузов. Радиофизика, 2004, Том XLVII, № 4, с. 319−333.
  91. Bogdashov A. A., Denisov G. G. Synthesis of the sequence of phase correctors forming the desired field // Radiophysics and Quantum Electronics, 2004, Vol. 47, No. 12, pp. 966 973.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!