Динамика импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

' ТОМСКИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИИ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

АРТЁМЕНКО Сергей Николаевич

ДИНАМИКА ИМПУЛЬСНОЙ КОМПРЕССИИ СВЧ-МОЩНОСТИ В МНОГОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРАХ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ТОМСК -1998

Работа выполнена в Научно-Исследовательском Институте Ядерной Физики при Томском Политехническом Университете

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ГРИГОРЬЕВ - доктор физико-математических наук,

Владимир Петрович профессор, ТПУ, г. Томск

КОРОВИН - доктор физико-математических наук,

Сергей Дмитриевич с.н.с, ИСЭ СО РАН, г. Томск

СЕМЁНОВ - доктор технических наук, профессор,

Вячеслав Семёнович СФТИ ТГУ, г. Томск

ВЕДУЩАЯ - Российский научный центр "Курчатовский

ОРГАНИЗАЦИЯ: институт", г. Москва

Защита состоится С- 1998 г. в " " часов на заседании

диссертационного Совета Д.063.80.06 при Томском Политехническом Университете по адресу: 634050, г. Томск, пр.Ленина, 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского Политехнического Университета.

Автореферат разослан "<¿-4« ^ ° 1998 1

Г-

Просим прислать отзыв, заверенный гербовой печатью' организации, в двух экземплярах по адресу: 634050, г.Томск, пр. Ленина, 2а, НИИ ЯФ, Ученому секретарю Совета.

Ученый секретарь ^

диссертационного Совета___КОНОНОВ В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время в системах СВЧ-питания линейных зезонансных ускорителей электронов (ЛУЭ) для увеличения энергии ускоренных пучков 5ез повышения потребляемой ускорителем мощности все активней используются пассивные способы повышения мощности питающих СВЧ-импульсов. Способы основаны шбо на накоплении энергии импульсов в резонансных объемах и последующем быстром ;е выводе в нагрузку, либо на дроблении, с помощью переключателей и линий задержек, {сходных импульсов на более короткие с последующим их суммированием. В литературе >ни получили практически общепринятое сейчас название - способы временной (или мпульсной) компрессии СВЧ-мощности, а реализующие их приборы соответственно даываются СВЧ-компрессорами.

Интерес к таким способам повышения энергии пучков обусловлен тем »бстоятельством, что традиционный метод увеличения энергии, состоящий в [аращивании числа ускоряющих секций и источников СВЧ-питания, является весьма рудоемким и дорогостоящим, а потому не всегда возможным и доступным, особенно в скорителях на высокие и сверхвысокие энергии. Другие известные методы, такие как (етод рекуперации СВЧ-мощности или автоускорения, не всегда достаточно эффективны [ приемлемы. Способам же, основанным на пассивном повышении амплитуды СВЧ-мпульсов, кроме возможности увеличения энергии пучков без повышения потребляемой скорителем мощности, сопутствуют еще и относительная простота реализующих их стройств при невысокой стоимости и удовлетворительных энергетических арактеристиках. Поэтому использование систем компрессии, например, в ЛУЭ, риентированных на технологические нужды, означает снятие существенных ограничений а широкое применение таких ускорителей в радиационных технологиях при дновременном расширении их функциональных возможностей. В проектах ЛУЭ на ысокие и сверхвысокие энергии, таких, например, как ВЛЭПП и т.п., где во избежание резмерной громоздкости и стоимости установок достижение высокого темпа ускорения -100 МэВ/м) является принципиальным, использование компрессоров может позволить е только снизить стоимость ускорителей, но и сократить сроки реализации проектов, т.к. пя таких установок адекватной замены компрессорам в сочетании с традиционными ВЧ-генераторами в настоящее время пока нет. Кроме того, в любом случае системы

традиционными СВЧ-генераторами в настоящее время пока нет. Кроме того, в любом случае системы компрессии позволяют повышать импульсную мощность любого СВЧ-генератора либо сохранять ее на заданном уровне путем замены мощного генератора на сочетание менее мощного (и менее дорогого) с СВЧ-компрессором.

Основная потребность ускорительной техники в СВЧ-компрессорах в настоящее время связана с устройствами, формирующими не только мощные (~100 МВт), но и достаточно длинные (~100 не) импульсы СВЧ. При этом в большинстве случаев, в силу компактности и более высоких значений коэффициента усиления или плотности запасаемой энергии, наиболее подходящими оказываются резонансные СВЧ компрессоры с многоволновыми объемными резонаторами, имеющие большие накопительные объемы и способные обеспечить требуемые характеристики выходных импульсов, что определяет актуальность разработки и исследования систем компрессии с такими резонаторами. Кроме того, системы компрессии с многоволновыми объемными резонаторами могут найти применение и в других областях науки и техники, где требуются источники мощного когерентного СВЧ-излучения.

Рабочие характеристики резонансных СВЧ-компрессоров и параметры формируемых импульсов в значительной мере определяются динамикой процессов накопления и вывода энергии, которая в многоволновых объемных резонаторах может существенно отличаться от динамики процессов в одноволновых системах. Отличия обусловлены характерными особенностями многоволновых объемных резонаторов: высокой собственной добротностью, большими габаритными размерами, высокой плотностью спектра собственных колебаний и их взаимодействием, сложностью обеспечения сильной связи с внешней нагрузкой для быстрого вывода накопленной энергии. Определение степени влияния этих особенностей на процесс компрессии требует проведения детальных теоретических и экспериментальных исследований.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. Разработкой и исследованием СВЧ-компрессоров с многоволновыми резонаторами занимаются в крупнейших ускорительных центрах как за рубежом, так и в России. За рубежом, прежде всего, в Стэнфордском университете и ряде других исследовательских центров США. Ведутся аналогичные работы во Франции, Японии и Китае. В России разработкой резонансных СВЧ-компрессоров широкого спектра назначений более двух десятков лет занимаются в НИИ ЯФ ТГТУ (г.Томск), а применительно к нуждам ускорительной техники, прежде всего, в МИФИ (г.Москва), ИЯФ

им.Г.И.Будкера СО РАН (г.Новосибирск) и РНЦ "Курчатовский институт" (г.Москва). В последнее время к проблеме создания систем компрессии активно подключается ИПФ РАН (г.Нижний Новгород). В этом же направлении ведутся работы и в других научных организациях России. В частности, в ИХКиГ СО РАН (г.Новосибирск), МГТУ им. Н.Э.Баумана (г.Москва), ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург).

Среди известных систем компрессии наибольшее распространение получила система SLED, предложенная в Стэнфорде для удвоения энергии пучка ЛУЭ на 20 ГэВ и основанная на использовании для увеличения мощности СВЧ-импульсов двух сильносвязанных с питающим трактом и соединенных через 3*-дБ мост многоволновых резонаторов, фаза питающей волны которых после завершения процесса накопления изменяется на 180°. Увеличение мощности в системе достигается за счет почти двукратного превышения амплитуды волны, излучаемой из силъносвязанного резонатора, над амплитудой питающей волны, а после инверсии фазы, в результате синфазного сложения излучаемой и отраженной от резонатора волн, - почти трехкратного превышения.

На теплой системе SLED получено рекордное значение СВЧ-мощяости для устройств подобного типа - -400 МВт при коэффициенте усиления 7.8 дБ и длительности формируемых импульсов 0.4 мкс. Ее достоинствами являются простота и возможность переключения резонаторов из режима накопления в режим вывода на низком уровне мощности (-1-103 Вт) входного тракта усилителя СВЧ-колебаний. Вместе : тем, система имеет два существенных недостатка- невысокий коэффициент усиления [<9, обычно 6-7.5 дБ) и выходной импульс с быстро спадающей амплитудой. Поэтому высокая импульсная мощность в системе достигается за счет применения мощных читающих СВЧ-генераторов. Как правило, это усилительные клистроны мощностью -10-70 МВт. С целью получения прямоугольной огибающей формируемых импульсов разработаны различные способы ее коррекции. Предложен и реализован ряд модификаций системы SLED, направленных на повышение ее коэффициента усиления и <ПД или на реализацию возможности отказа от развязывающего устройства. Разработка модификаций связана и с потребностью в таких системах в коротковолновой части иапазона СВЧ для проектов ВЛЭПП и т.п. Этим обусловлено, например, появление :истемы SLED с открытым резонатором, работающим в режиме бегущей волны, гредложенной и исследованной в ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН.

Характеризуя состояние проблем, связанных с созданием систем типа SLED, в целом, необходимо отметить, что в силу ряда причин (базовая система предложена одной из первых среди систем компрессии и исходно ориентирована на применение в действующих ускорителях; простота и возможность коммутации режимов работы на низком уровне СВЧ-мощности и т.д.) среди всех прочих они исследованы наиболее полно. В частности, в МИФИ и ИЯФ им.Г.И.Будкера изучен широкий круг вопросов, касающихся переходных процессов, амплитудной и фазовой стабильности выходных сигналов, методов коррекции их огибающей, а также вопросов, связанных с выбором оптимальных размеров объемных резонаторов, при которых локальная плотность спектра собственных колебаний в области рабочего вида минимальна; затронут ряд проблем технического плана, касающихся конструирования элементов и узлов ее волноводных трактов. Рассмотрена возможность использования в системе открытых резонаторов, работающих в режиме бегущей волны без развязывающего устройства.

Вместе с тем, некоторые моменты, связанные с особенностями системы, из рассмотрения выпали. Неизученной или, по крайней мере, неосвещенной в известной литературе осталась проблема влияния межвидовой связи в резонаторах на процесс компрессии и характеристики системы. При относительно небольших накопительных объемах проблему межвидовой связи можно решить компенсацией связи и выбором геометрии резонаторов, обеспечивающей допустимую локальную плотность спектра колебаний в области рабочего вида. Однако в резонаторах с предельно большими объемами эти методы могут оказаться неэффективными. Особенно, если принять во внимание, что в системе всегда имеется потенциальный элемент сильной межвидовой связи в виде окна связи резонатора с СВЧ-трактом, и что для достижения высоких характеристик системы в качестве рабочих выбираются наиболее добротные колебания, а во избежание сильного перенапряжения поля в резонаторе его объем желательно брать максимально большим. Насколько чувствительна система к воздействию явления перемешивания колебаний и каков реальный предельный объем накопительных резонаторов - вопросы, которые представляют несомненный интерес.

В стороне остался и вопрос о сверхпроводящем варианте системы SLED. В силу высокой добротности сверхпроводящих резонаторов (~J09-1010) такой ее вариант, с одной стороны, может позволить получать коэффициент усиления, близкий к теоретическом} пределу, и формировать относительно длинные импульсы СВЧ (~1 мкс) с практически

прямоугольной огибающей без какой-либо ее коррекции, а с другой, может быть использован как тонкий инструмент исследования вопроса о влиянии межвидовой связи на процесс компрессии и характеристики системы. Практический интерес такая система может представлять, например, для ЛУЭ на космических аппаратах.

Существенно слабее или вовсе не представлены в ускорительной технике другие известные системы компрессии с многоволновыми объемньми резонаторами. Прежде всего это касается компрессоров с выводом энергии через интерференционные переключатели на основе прямоугольных волноводных тройников, а также систем с выводом трансформацией колебаний или через интерференционные переключатели на основе сверхразмерных коаксиальных линий. В таких компрессорах повышение импульсной СВЧ-мощности достигается за счет быстрого вывода накопленной энергии при резком увеличении связи резонатора с нагрузкой от практически нулевой до сильной пересвязи. Длительное отсутствие должного интереса к ним в определенной степени является следствием того, что в силу относительной сложности они достаточно долго считались неперспективными для использования в ускорительной технике. Отчасти это связано с тем, что переключение режимов работы таких компрессоров осуществляется на высоком уровне мощности, а отчасти - с неудовлетворительной формой огибающей их выходных сигналов, которая, как правило, заметно отличается от прямоугольной. Это создает проблемы, связанные с необходимостью разработки мощных коммутаторов и эффективных методов коррекции огибающей. Немаловажное значение имели и неясности в вопросе о стабильности амплитуды, частоты и фазы их выходных сигналов. При этом игнорировалось и такое их неоспоримое преимущество перед системой SLED, как более высокий коэффициент усиления, а также то обстоятельство, что они сохраняют возможность наращивания мощности и энергии формируемых СВЧ-импульсов путем последовательной компрессии или параллельной с суммированием выходных сигналов. Не учитывалась естественная возможность определенной коррекции огибающей выходных сигналов таких систем использованием межвидового взаимодействия.

Несомненно заслуживает внимания идея осуществлять компрессию СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии в резонаторе от электронного пучка. Работы в этом направление ведутся в РНЦ "Курчатовский институт" и НИИ ЯФ ГГ1У. Однако должного развития они пока не получили. Связано это, по-видимому, с имеющимся в

основе идеи определенным противоречием. Оно состоит в том, что, с одной стороны, есть опыт создания мощных СВЧ-генераторов с их проблемами, из-за которых, отчасти, идет поиск более эффективных методов увеличения энергии пучков ЛУЭ, а с другой, -идея накапливать СВЧ-энергию в закрытом резонаторе непосредственно от пучка, реализация которой может позволить создавать источники СВЧ-излучения, способные работать в режимах генератора и компрессора.

В целом, системы компрессии с многоволновыми объемными резонаторами требуют более детального исследования и определенного обобщения. Прежде всего, это касается изучения физических процессов, в той или иной степени влияющих на динамику компрессии в системах. В любом случае представляет интерес вопрос о возможностях систем и их перспективности.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - теоретическое и экспериментальное исследование динамики импульсной компрессии СВЧ-мощности в известных и оригинальных системах компрессии с теплыми и сверхпроводящими многоволновыми объемными резонаторами, определение энергетических характеристик таких систем и установление степени влияния на них протекающих в системах физических процессов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в решении ряда теоретических задач, касающихся импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах, способов и устройств вывода энергии из таких резонаторов, а также в получении, по исследуемой проблеме, ряда новых экспериментальных данных фундаментального характера. Результаты работы способствовали развитию актуального научного направления - резонансная импульсная компрессия СВЧ-мощности. Впервые получены следующие новые научные данные:

1. Выполнен теоретический анализ процессов накопления и вывода СВЧ-энергии в многоволновых объемных резонаторах:

- решена задача о влиянии межвидовой связи на динамику импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах, на перераспределении энергии между взаимодействующими колебаниями и энергетические характеристики компрессоров;

- определены оптимальные условия накопления СВЧ-энергии, обеспечивающие максимальные значения КПД и коэффициента усиления компрессоров с проходными многоволновыми резонаторами;

- на примере монотрона, совмещенного с СВЧ-компрессором, решена задача о динамике

компрессии СВЧ-мощности в объемном резонаторе с прямым накоплением энергии от электронного пучка; оценены КПД и коэффициент усиления совмещенного прибора;

- выявлены наиболее приемлемые для накопления энергии виды колебаний многоволновых теплых и сверхпроводящих объемных резонаторов различной геометрии; определены требования к степени идеальности геометрии таких резонаторов;

- установлена связь феноменологических параметров метода матрицы рассеяния, использованного при проведении анализа, с электродинамическими характеристиками резонаторов, позволяющая переводить результаты анализа в плоскость практических расчетов.

2. Исследована динамика компрессии СВЧ-мощности в сверхпроводящей системе

SLED:

проведен полный анализ переходных процессов в системе, на основе которого выявлено влияние различных факторов, в том числе межвидовой связи в резонаторах, на процесс компрессии и энергетические характеристики системы; экспериментально продемонстрирована возможность формирования в сверхпроводящей системе SLED мощных СВЧ-импульсов микросекундной длительности с огибающей, близкой к прямоугольной без ее коррекции, и коэффициентом усиления, близким к теоретическому пределу; подтверждена возможность коррекции огибающей формируемых системой СВЧ-импульсов межвидовым взаимодействием.

3. Исследованы процессы межрезоиансного обмена энергией:

- решены задачи о динамике обмена энергией между колебаниями резонатора при быстром включении межвидовой связи, а также при кратковременном совпадении частот взаимодействующих колебаний;

- обоснована возможность эффективного вывода энергии из многоволновых резонаторов трансформацией вида колебаний; возможность подтверждена экспериментально на оригинальных теплых и сверхпроводящих системах компрессии с выводом энергии трансформацией колебаний на плазме разряда в резонаторе или окне связи резонатора с переключателем.

4. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование процесса компрессии в многоволновых резонаторах с выводом энергии через интерференционные переключатели:

- решена задача о динамике компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах с интерференционными переключателями; определены амплитудные и частотные характеристики таких систем;

- выявлена степень влияния процесса коммутации, потерь в газоразрядных коммутаторах и взаимодействия колебаний на окне связи резонатора с переключателем на динамику компрессии и энергетические характеристики компрессоров; установлены критерии сохранения высоких характеристик рабочего вида колебаний в режиме накопления;

- экспериментально продемонстрирована эффективность компрессии СВЧ-импульсов в многоволновых объемных резонаторах с выводом энергии через интерференционные переключатели, включая компрессию в оригинальных системах с прямым накоплением энергии от электронного пучка и с переключателями на основе сверхразмерных коаксиальных линий для вывода энергии из резонаторов с объемом -0.1-1 м3; разработан способ коррекции огибающей сигналов таких систем.

5. Исследована динамика последовательной и параллельной компрессии в системах с многоволновыми объемными резонаторами:

- определены оптимальные условия последовательной компрессии в цепочке связанных и несвязанных многоволновых объемных резонаторов, обеспечивающие максимальные КПД и коэффициент усиления;

- экспериментально реализована последовательная компрессия в системе связанных резонаторов с многоволновым резонатором в первой ступени, а также параллельная компрессия в синхронно возбуждаемых многоволновых резонаторах с выводом энергии через интерференционные переключатели и суммированием выходных сигналов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность работы заключается в использовании ее результатов при разработке и изготовлении резонансных СВЧ-компрессоров для ряда отечественных и зарубежных потребителей: в России - для ИОФ РАН (г. Москва) и различных НИИ МО РФ, во Франции - для фирмы Thomson.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

Теоретическое обоснование динамики импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах с межвидовым взаимодействием колебаний и обоснование влияния взаимодействия на энергетические характеристики СВЧ-компрессоров. Оптимизация процесса компрессии в проходных многоволновых резонаторах.

2. Теоретическое обоснование и экспериментальная реализация процесса компрессии СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка в закрытом объемном резонаторе.

3. Результаты исследования динамики компрессии СВЧ-мощности в сверхпроводящей системе SLED с межвидовым взаимодействием колебаний.

4. Теоретическое обоснование процессов межрезонансного обмена энергией в многоволновых резонаторах и способа вывода энергии, основанного на трансформации вида колебаний. Результаты экспериментального исследования компрессии СВЧ-мощности при выводе энергии трансформацией вида колебаний.

5. Теория компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах с выводом энергии через нитерференционные переключатели и результаты экспериментального исследования компрессии.

6. Результаты исследования динамики последовательной компрессии в многоволновых объемных резонаторах и параллельной компрессии с суммированием выходных сигналов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по сверхпроводящей СВЧ-электровике (НИИ ЯФ при ТЛИ, г.Томск,1979г.), на конференции по Импульсным источникам энергии в (ИАЭ им. И.В.Курчатова, г.Москва, 1983г.), Всесоюзном совещании по ВЧ-разряду в волновых полях 'ИПФ АН СССР, г. Горький, 1985г.), Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных истиц (ОИЯИ, г.Дубна, 1986г.), Конференции по проблемам связи и информационного )бмена (ЧГТУ, г.Челябинск, 1995г.), Международной конференции "Сильные микроволны 1 плазме" (г.Нижний Новгород, 1996г.), представлялись на Региональной выставке по физическим установкам двойного назначения (ГПУ, г. Томск, 1996г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Список 42 печатных работ по теме диссертации приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 141 наименования. Объем диссертации составляет 257 страниц, включая 91 рисунок и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе представлены результаты теоретического и экспериментального исследования динамики импульсной компрессии СВЧ-мощности в теплых и сверхпроводящих многоволновых объемных резонаторах с накоплением энергии от внешнего источника и непосредственно от электронного пучка и с различными способами вывода энергии.

Во ВВЕДЕНИИ дан обзор состояния проблемы, сформулирована цель исследования, изложены основные положения, составляющие научную новизну, а также положения и результаты, выносимые на защиту.-

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены общие вопросы, касающиеся импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах. Исследованы особенности компрессии при накоплении энергии от внешнего источника, а также непосредственно от электронного пучка; проанализированы вопросы о КПД и коэффициенте усиления, о требованиях к степени идеальности геометрии резонаторов и о наиболее приемлемых для накопления энергии видах колебаний теплых и сверхпроводящих резонаторов различной геометрии.

В п. 1.1 обоснован принятый в работе подход к проведению теоретического анализа процессов компрессии, основанный на методе матрицы рассеяния и сведении алгебраических соотношений между амплитудами волн в резонансной системе к приближенным дифференциальным уравнениям и их аналитическому либо численному решению.

С целью проведения сравнительного анализа процессов компрессии в одноволновых и многоволновых резонаторах в общем виде рассмотрена динамика процессов накопления и вывода энергии в одноволновых резонаторах бегущей и стоячей

волн. Определены особенности поведения амплитуды волн внутри и вне резонатора в переходные периоды при различных величинах входной связи и взаимной расстройки частот резонатора и СВЧ-генератора. В частности, показано, что при наличии расстройки в период накопления, на биениях, амплитуда бегущей волны резонатора может превышать стационарное значение, но в любом случае не превышает свое значение на резонансной частоте. Получены выражения для коэффициентов усиления резонаторов и накопленной энергии как функции от характеристик резонаторов, их связи с трактами, а также параметров питающих СВЧ-импульсов. Получены также выражения для коэффициентов усиления одновояновых компрессоров и огибающих их выходных сигналов при времени вывода, значительно превышающем время пробега волны вдоль резонатора. Приведен алгоритм перехода от результатов анализа методом матрицы рассеяния к их электродинамическому представлению.

В п.1.2 выполнен анализ особенностей компрессии в многоволновых объемных резонаторах, обусловленных взаимодействием колебаний с одинаковыми собственными частотами. Определено влияние взаимодействия на процессы накопления и вывода, на распределение энергии между колебаниями в статическом и динамическом режимах и при работе резонатора на парциальной и собственных частотах. Анализ выполнен на основе модели, в которой взаимодействующие колебания представлены системой связанных одноволновых резонаторов.

Показано, что характер процессов определяется рабочей частотой генератора и соотношением между величиной связи колебаний и их добротностями. Так, при работе на парциальной частоте и слабой связи процессы мало отличаются от процессов в одноволновых резонаторах и носят экспоненциальный характер. При сильной связи, в переходный период, имеют место биения, обусловленные поочередной передачей энергии от одного вида к другому (Рис.1). В этом случае, как и для одноволновых резонаторов ври их работе на частоте, отличной от собственной (на биениях), амплитуды колебаний могут заметно превышать стационарные значения и в определенные моменты времени энергия может быть сосредоточена практически только на одном из взаимодействующих колебаний. Однако, в отличие от одноволновых резонаторов, в многоволновых, на биениях, амплитуда бегущей волны может превышать свое значение на резонансной частоте в отсутствие межвидовой связи. Эту особенность процесса накопления в многоволновых резонаторах предложено использовать для повышения эффективности

накопления. Кроме того, показано, что режим биений может быть использован для быстрого вывода энергии и коррекции огибающей выходных сигналов. Вместе с тем, в стационарном режиме, при сильной связи между колебаниями, суммарный запас энергии в системе меньше, чем он может быть в отсутствие межвидовой связи, и по мере роста связи запас монотонно падает. При промежуточных ее значениях переходный процесс идет без биений, но с перегибом в экспоненциальной кривой. В случае очень сильной межвидовой связи период биений и их амплитуда падают, падает и амплитуда бегущей волны в стационарном режиме. Суммарный запас энергии в стационарном режиме стремится к нулю. Причиной этого является существенное отличие парциальной частоты от собственных.

Если система работает на одной из собственных частот, то характер переходных процессов качественно совпадает с описанным выше, с тем лишь отличием, что режим биений менее выражен и полной передачи энергии от одного вида к другому не происходит. Однако в стационарном режиме, в отличие от случая работы на парциальной частоте, по мере увеличения межвидовой связи, энергия между колебаниями делится практически поровну и суммарный ее запас определяется только величиной входной связи и собственной добротностью системы. Показано, что такое распределение энергии между колебаниями может приводить к потере около половины ее запаса на рассеяние в стенках резонатора при выводе, приводить к существенному снижению коэффициента усиления, а также к синусоидальной модуляции огибающей выходных импульсов.

Установлена связь параметра межрезонаторной связи принятой модели описания межвидового взаимодействия с коэффициентом межвидовой связи, определяемым через векторы электрической и магнитной компонент СВЧ полей взаимодействующих колебаний, что позволяет переводить результаты анализа в плоскость практических расчетов.

В п. 1.3 рассмотрены вопросы, касающиеся получения максимальных значений КПД и коэффициента усиления компрессоров с многоволновыми резонаторами путем выбора оптимальной величины входной связи по заданной длительности сжимаемых импульсов или оптимальной длительности по заданной величине связи. Показано, что условия оптимальности в случаях заданной длительности импульса и заданной связи не совпадают. Близость условий возможна только при больших величинах связи (>10), характерных для высокодобротных резонаторов, возбуждаемых импульсами с длительностью, заметно

меньше постоянной звучания резонаторов тр. Игнорирование этого факта приводит к не совсем точным результатам.

Показано также, что из-за высокой добротности многоволновых резонаторов и большой длительности их выходных сигналов для различных схем включения резонаторов в тракт их оптимальные условия могут отличаться от оптимальных для компрессоров с одноволновыми резонаторами. Так, в компрессорах с проходными резонаторами максимум эффективности накопления не соответствует максимуму КПД и коэффициента усиления. При импульсном возбуждении проходных резонаторов выгоднее меньше накопить энергии, но и меньше потерять на переизлучение в сторону генератора при выводе. Переизлучение в сторону генератора уменьшает КПД и приводит к появлению максимума в его зависимости от длительности сжимаемых импульсов. Аналогичная зависимость эффективности накопления носит монотонно убывающий характер. Для компрессоров с проходными резонаторами КПД асимптотически снизу стремится к эффективности накопления только при длительности сжимаемых импульсов, заметно большей постоянной звучания резонатора, и длительности выходных импульсов, близкой к времени двойного пробега волны вдоль резонатора. В компрессорах с такими резонаторами максимуму КПД соответствует максимум коэффициента усиления.

Выполнен сравнительный анализ энергетических характеристик компрессоров с проходными резонаторами и с объединенным элементом ввода-вывода энергии. Рассмотрено распределение потерь при резонансной компрессии СВЧ-импульсов.

В п. 1.4 исследован вопрос о компрессии СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка. Идея компрессии с прямым накоплением заключается в совмещении генератора и компрессора в одном приборе путем объединения их колебательных систем. Основана она на том, что колебательные системы большинства генераторов представляют собой ни что иное, как резонансный накопительный объем, сильносвязанный с внешней нагрузкой и имеющий мощность бегущей волны, заметно превышающую мощность волны излучаемой. Совмещение может улучшить массогабаритные и энергетические характеристики приборов и за счет реализации их работы в режимах генератора и (или) компрессора расширить функциональные возможности приборов. Вместе с тем, в системах компрессии с прямым накоплением могут встретиться особенности, связанные с высокой добротностью закрытых

накопительных объемов и их большими габаритными размерами. Применение таких объемов может затянуть процесс установления колебаний, что скажется на эффективности приборов, т.к. в режиме компрессии их КПД в значительной мере будет определяться динамикой установления колебаний. Серьезной может оказаться и проблема селекции колебаний.

Процесс компрессии в совмещенном приборе рассмотрен на примере монотрона, колебательная система которого закрыта и имеет элемент вывода энергии в виде интерференционного переключателя. Динамика компрессии исследована на основе метода матрицы рассеяния с включением в резонатор электронного пучка с отрицательной проводимостью. Получено дифференциальное уравнение, описывающее поведение амплитуды бегущей волны резонатора с пучком. Решение уравнения дает условие нарастания амплитуды волны и выражение для пускового тока. Показана сильная зависимость времени установления колебаний от тока пучка. Для сохранения времени установления на уровне, сравнимом с временем установления в обычном генераторе, рабочий ток, в первом приближении, должен быть увеличен во столько раз, во сколько раз увеличен размер резонатора вдоль направления распространения волны. По мере роста тока КПД совмещенного прибора, в отличие от электронного КПД генератора, монотонно растет и при токе, в 5-10 раз превышающем пусковой, достигает практически постоянной величины, составляющей около трети максимального значения электронного КПД. Такое поведение КПД прибора обусловлено тем, что по мере увеличения тока, одновременно с уменьшением времени установления колебаний, происходит падение электронного КПД. Показано также, что проблема селекции колебаний в совмещенном приборе в определенной степени может быть решена с помощью элемента вывода энергии в виде интерференционного переключателя, обладающего известными частотно-полосовыми свойствами. Полученные результаты могут быть применены и к релятивистскому монотрону, характер электронной проводимости которого близок к характеру проводимости обычного монотрона. Приведены схемы возможных конструкций совмещенных приборов.

Дан сравнительный анализ вопроса о КПД и коэффициенте усиления совмещенного прибора и СВЧ-компрессоров. Показано, что при сравнимой добротности их колебательных систем, в случае пренебрежения временем установления колебаний в совмещенном приборе, КПД и коэффициент усиления совмещенного

прибора всегда выше.

В п. 1.5 рассчитана предельная плотность запасаемой энергии и определены наиболее приемлемые для пакопления виды колебаний медных и сверхпроводящих многоволновых объемных резонаторов различной геометрии - прямоугольных, цилиндрических, сферических и полусферических. Показано, что наиболее высокую плотность энергии, достигающую 20-26 кДж/м3, имеют Нц(Р) и ЕонР) виды колебаний цилиндрических резонаторов. Однако такие колебания имеют электрические составляющие поля на стенках резонатора и, как правило, относительно низкую добротность, что затрудняет работу резонаторов на высоком уровне мощности и снижает их коэффициент усиления. Показано также, что высокую плотность запасаемой энергии (~14\кДж/ м3) и высокий коэффициент усиления могут иметь сферические резонаторы с Hmi(o) видами колебаний. Однако они имеют очень высокую напряженность электрической составляющей СВЧ поля в центральной части резонатора, значительно превышающую напряженность поля вблизи поверхности. Поэтому по совокупности условий (коэффициенту усиления, плотности запасаемой энергии, напряженности поля на поверхности резонатора и т.п.) наиболее приемлемыми для накопления представляются Hoi ад виды колебаний цилиндрических резонаторов, а также Нщр(о) и Нт(2р)о виды сферических и полусферических резонаторов со сравнимым числом вариант поля по полярной и радиальной координатам.

В п.1.6 на примере цилиндрического резонатора выполнен расчет коэффициентов межвидовой связи на типичных отклонениях геометрии резонатора от идеальной (перекосе крышек, эллиптичности цилиндра, отверстиях связи). Определены требования к величине взаимной расстройки взаимодействующих колебаний, обеспечивающей сведение их взаимного влияния к допустимому уровню. Показано, что эти требования не всегда могут быть удовлетворены.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена исследованию влияния различных факторов на динамику процесса компрессии и энергетические характеристики сверхпроводящей системы SLED.

В п.2.1 представлен краткий анализ работы системы SLED: в общем виде рассмотрены переходные процессы при накоплении и выводе; получено выражение для огибающей формируемых сигналов как функции связи резонаторов с СВЧ-трактом, добротности резонаторов, взаимной расстройки их частот и разности электрических дшш

трактов, а также выражение для оптимальной величины входной связи при заданном времени инверсии фазы. Проанализировано влияние различных параметров системы на ее рабочие характеристики.

В п.2.2 изложены результаты экспериментального исследования влияния межвидовой связи на характеристики рабочего Hoifp) вида колебаний сверхпроводящих (ниобиевых) цилиндрических резонаторов системы SLED 3*-см. диапазона с объемом около 4-х литров каждый и плотностью спектра -0.1%. При критической связи с трактом и температуре 2К их собственная добротность на рабочем виде составляла -5108. После увеличения окна связи до размеров, обеспечивающих нагруженную добротность ~105, выявлена сильная зависимость коэффициентов связи резонаторов с трактом и добротности рабочего вида от взаимной расстройки частот рабочего и вырожденного с ним Ецщ (паразитного) видов колебаний. Установлено, что для рабочего вида картина отраженного сигнала изменяется от характерной для сильной пересвязи при значительной расстройке частот (-0.025 %) взаимодействующих колебаний, до относительно слабой пересвязи в точке совпадения частот (-0.075%) и сильной недосвязи после трансформации рабочего вида в паразитный. Диапазон изменения величины входной связи взаимодействующих видов составлял три-четыре порядка. Показано, что при таком изменении связи одного из резонаторов сверхпроводящей системы ее коэффициент усиления может снижаться на -1-2 дБ. На теплой системе аналогичное влияние межвидовой связи может приводить к снижению усиления на -1 дБ.

Адекватный характер поведения имела и динамика добротности взаимодействующих колебаний- по мере сближения частот добротность рабочего вида росла и после трансформации в паразитный вид достигала значения -2106, близкого к собственной добротности этого вида, тогда как добротность паразитного вида, после трансформации в рабочий, падала до значения ~105. Экспериментально отслежено изменение динамики переходных процессов для рабочего и паразитного колебаний при изменении величины расстройки. Установлено, что совпадение или близость частот рабочего и паразитного видов сопровождаются появлением в переходные периоды синусоидальной модуляции амплитуды отраженной волны и волны в резонаторе, глубина которой определяется величиной межвидовой связи и степенью расстройки частот. На основе результатов экспериментов оценен предельный объем резонаторов системы.

В п.2.3 приведены результаты экспериментального исследования сверхпроводящей системы SLED. Показано, что после устранения сильного влияния взаимодействия колебаний в такой системе могут быть сформированы импульсы микросекундной длительности (Рис.2) с огибающей, близкой к прямоугольной (спад -10%) без ее коррекции, и коэффициентом усиления -8.5. При необходимости формирования более длинных СВЧ-импульсов огибающая может быть скорректирована "включением" межвидовой связи. Достигнутая в экспериментах плотность запасаемой энергии 0.5-1 кДж/м3 позволяет в сверхпроводящей системе SLED получать импульсы с мощностью, сравнимой с мощностью теплых систем.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены проблемы межрезонансного обмена энергией в многоволновых резонаторах, а также вопросы компрессии СВЧ-мощности при выводе энергии трансформацией колебаний.

В п.3.1 представлен анализ динамики обмена на быстро включаемом элементе связи между колебаниями с одинаковой частотой, а также при кратковременном совпадении частот взаимодействующих колебаний на стационарном элементе связи. Необходимость решения таких задач диктуется тем, что в резонаторах компрессоров всегда присутствует элемент вывода энергии. Окно его связи с резонатором может служить элементом межвидовой связи, который в режиме накопления слабо влияет на рабочий вид, а в момент вывода, при коммутации режимов, наоборот, быстро (за единицы наносекунд) включает сильную связь между колебаниями, приводящую к межрезонансному обмену энергией. Возможна и другая ситуация, когда сильная связь между колебаниями на окне присутствует постоянно. Однако в режиме накопления рабочий и паразитный виды разнесены по частоте и взаимодействуют слабо и только в момент вывода, в результате сближения частот колебаний, происходит их сильное взаимодействие с обменом энергией. На практике имеют место обе ситуации.

Показало, что наряду с негативной стороной межрезонансного обмена, связанной с дополнительными потерями энергии, обмен может быть решшзован и с пользой для вывода энергии трансформацией колебаний. Выполнен анализ процесса компрессии СВЧ-мощности при выводе энергии трансформацией высокодобротного рабочего вида колебаний, на котором запасена энергия, во вспомогательный сильносвязанный с нагрузкой. Анализ проведен на основе модели, в которой колебания представлены парой резонаторов, -основного и дополнительного, - между которыми, после завершения процесса накопления

энергии в основном резонаторе, включается связь. Получены выражения для огибающих выходных сигналов при различных величинах связи между колебаниями и связи вспомогательного вида с нагрузкой. Показано, что огибающая существенно зависит от величины межвидовой связи. При слабой связи она близка к колоколообразной с пологим фронтом и экспоненциальным спадом, а затем, по мере увеличения связи, переходит в огибающую с крутым фронтом и экспоненциальным спадом с полной синусоидальной модуляцией. Такая огибающая соответствует случаю, когда связь между колебаниями настолько велика, что энергия за время вывода успевает несколько раз перейти от рабочего вида к вспомогательному и обратно. При сильной связи вспомогательного вида с нагрузкой процесс развивается только в одном направлении и на выходе имеют место импульсы с огибающей, близкой к параболической или куполообразной. Показано также, что для эффективного вывода энергии трансформацией вида колебаний величина межвидовой связи должна быть не меньше связи вспомогательного вида с нагрузкой. В этом случае КПД и коэффициент усиления компрессоров с таким способом вывода асимптотически снизу приближаются к соответствующим характеристикам компрессоров с выводом энергии через интерференционные переключатели.

В п.3.1 проанализирован и способ вывода, заключающийся в передаче энергии от одного вида к другому при наличии между ними сильной связи и сближении частот колебаний, на время обмена энергией, с последующим их разносом. При этом вспомогательный вид может быть непосредственно связан с нагрузкой в момент совпадения частот либо связь с нагрузкой может включаться после передачи энергии от рабочего вида. В последнем случае такой сильной связи между колебаниями, как при выводе через вспомогательный вид непосредственно в нагрузку, не требуется. Установлено, что эффективная передача энергии возможна только при вполне определенном соотношении между величинами межвидовой связи, постоянных затухания колебаний и скорости перестройки частот. Для эффективной передачи время взаимодействия должно быть сравнимым с периодом биений в системе связанных колебаний. При этом КПД и коэффициент усиления близки к КПД и коэффициенту усиления при быстром включении межвидовой связи. Рассмотрены как адиабатический, так и неадиабатический процессы передачи. Показано, что адиабатический процесс более интенсивен и он может быть причиной дополнительных потерь, если при выводе энергии происходит ее передача от рабочего вида к паразитному, не связанному с нагрузкой.

В п.3.2 изложены результаты экспериментов по компрессии СВЧ мощности при выводе энергии трансформацией вида колебаний на быстро включаемом элементе межвидовой связи. Вывод реализован в цилиндрических резонаторах 3х и 10™-см. диапазонов путем трансформации колебаний на плазменном канале электрического разряда. В 10™-см. диапазоне эксперименты выполнены на резонаторе с объемом 100 литров с накоплением энергии на виде колебаний Hoi<25) и выводе через вспомогательный вид Нцрб), силыюсвязанный с нагрузкой через выходной круглый волновод, запредельный для Hoi волны и допредельный для волны Нц- Коммутация осуществлялась на воздухе при атмосферном давлении путем поджига разряда в полости резонатора в максимуме <р-й электрической составляющей СВЧ поля рабочего вида параллельно силовым линиям. Достигнут коэффициент усиления 13 дБ при длительности выходных сигналов по уровню 0.5 около 50 не. Огибающие сигналов были близки к колоколообразным (Рис.За). Эффективность передачи энергии составляла 3035%. На аналогичном сверхпроводящем варианте компрессора Зх-см. диапазона с резонатором объемом 1.5 литра при сравнимой эффективности передачи и длительности выходных сигналов был получен коэффициент усиления 30 дБ.

В п.3.3 представлены результаты исследования вывода энергии трансформацией на окне связи резонатора с переключателем, представляющим собой закороченный волноводный шлейф с газоразрядным коммутатором. Установлено, что в многоволновом резонаторе, сильносвязанном с закороченным шлейфом, добротность рабочего вида может сильно зависеть от длины шлейфа - при сильной связи резонатора со шлейфом и определенной (оптимальной) его длине, близкой к полуволновой, может практически совпадать с добротностью резонатора без шлейфа, а при других значениях длины -снижаться в 2 раза и более из-за появления в системе сильной межвидовой связи. Быстро изменяя оптимальную длину шлейфа, можно быстро включать сильную связь между колебаниями. Эксперименты по выводу энергии трансформацией на окне связи выполнены на цилиндрическом медном резонаторе Зх-см. диапазона объемом 1.2 литра с рабочим видом колебаний Ноцн) и прямоугольным закороченным шлейфом, связанным с резонатором через окно связи в половину сечения шлейфа и подсоединенным к крышке резонатора в месте максимума Нг-й составляющей рабочего вида. Включение межвидовой связи обеспечивалось изменением длины шлейфа при поджиге в нем разряда на расстоянии четверти длины волны от закоротки. Длина шлейфа выбиралась такой, чтобы добротность

рабочего вида в режиме накопления была максимальной и потери на излучение в выходной прямоугольный волновод, подсоединенный к центру противоположной крышки резонатора, минимальными. Достигнут коэффициент усиления ~9 дБ при длительности импульсов 30 не по уровню 0.5, пиковой мощности -0.5 МВт и КПД ~25%. Огибающая импульсов была близка к куполообразной (Рис.Зб). Полученные экспериментальные результаты находятся в хорошем качественном соответствии с данными теоретического анализа.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ изложены результаты исследования процесса компрессии импульсов СВЧ в системах с выводом энергии через интерференционные переключатели. Здесь же изложены результаты экспериментов по компрессии СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка.

В п.4.1 рассмотрена динамика компрессии в одаоволновых резонаторах с выводом энергии через интерференционный переключатель на основе прямоугольных волноводных тройников, а также работа самого переключателя. В приближении малости времени пробега волны вдоль резонатора, по сравнению с временем вывода, получены выражения для огибающих выходных импульсов, а также для коэффициента усиления, как функции переходного ослабления переключателя. Выявлены особенности процесса вывода, обусловленные изменением, в момент вывода, электрической длины резонатора, которое при неполном открывании тройника приводит к биениям спада выходных импульсов.

С целью выявления причин особенностей работы интерференционных переключателей получены рекуррентные соотношения для амплитуд волн в одаоволновых системах с временем вывода, сравнимым с временем двойного пробега волны вдоль резонатора. На основе соотношений проведен анализ динамики вывода с учетом влияния процесса коммутации. Процесс коммутации моделировался функциями, соответствующими законам изменения переходного затухания переключателя при имитации плазменного канала газоразрядного коммутатора металлическим проводником. Аналогичным образом моделировались и потери в переключателе при коммутации. Результаты анализа сравнены с данными экспериментов, выполненных на резонаторах с газоразрядными коммутаторами. Из сравнения сделан вывод, что при формировании относительно длинных импульсов, когда их длительность превышает время коммутации, основной причиной снижения амплитуды выходных сигналов являются потери в переключателе при выводе. В случае формирования более коротких сигналов к

отмеченной причине добавляется незавершенность, за время вывода, процесса коммутации. Последнее обстоятельство приводит к появлению максимума в зависимости коэффициента усиления от длины резонатора и ограничению коэффициента усиления при уменьшении длины резонатора.

Представлены данные экспериментального исследования потерь в газоразрядных коммутаторах переключателей Зх-см. диапазона, заполненных воздухом при атмосферном давлении или аргоном под избыточным давлением (при коммутации на высоком уровне мощности по быстродействию и переключаемой мощности газоразрядные коммутаторы высокого давления наиболее перспективны). Исследования выполнены путем наблюдения переходных процессов в резонаторе после поджига в нем разряда. Показано, что при уровне переключаемой мощности ~1 МВт/см2 потери могут составлять ~3 дБ для аргона и -6 дБ для воздуха и приводить к снижению коэффициента усиления компрессоров, соответственно, на 1-2 и 3-4 дБ. Потери тем больше, чем выше давление газа и ниже коммутируемая мощность. Они приводят к неполному открыванию переключателей и изменению динамики вывода. На основе анализа динамики отраженного от резонатора сигнала после коммутации, которая аналогична динамике сигнала в системе SLED, сделан вывод о когерентности волны питающего СВЧ-генератора и бегущей волны резонатора после завершения процесса переключения. Это позволило сделать заключение о когерентности входных и выходных СВЧ-импульсов компрессоров с переключением режимов работы в полости резонатора.

В п.4.2 изложены результаты исследования динамики компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах с интерференционными переключателями. Приведена теория компрессии в идеальной системе, без учета взаимодействия колебаний на окне связи резонатора с переключателем. Получены зависимости резонансной частоты и амплитуды волн в резонаторе и входном плече переключателя от длины этого плеча для различных величин выходной связи, а также выражения для огибающих формируемых СВЧ-импульсов. Показано, что неполное открывание переключателя приводит к затягиванию фронта и длительности импульсов. Существенное влияние на огибающую оказывает длина входного плеча переключателя и величина его связи с резонатором, которые задают амплитудные соотношения волн в системе. Определено требование к переходному ослаблению переключателя, которое сводится к тому, что в режиме накопления суммарное переходное ослабление окна связи и переключателя должно быть не более величины,

обратной собственной добротности резонатора. Оценены предельные энергетические характеристики систем. Представлены данные экспериментов по выводу энергии в отсутствие межвидовой связи, которые хорошо коррелируют с результатами теоретического анализа.

Исследовано влияние взаимодействия колебаний на окне связи резонатора с переключателем на работу системы. Показано, что из-за взаимодействия работа реальной системы существенно отличается от идеальной. Степень взаимодействия определяется, главным образом, длиной входного плеча переключателя, аналогично влиянию закороченного волноводного шлейфа, описанного в п.3.3 и использованного для вывода энергии трансформацией колебаний. Показано, что при слабой связи резонатора с переключателем, когда и межвидовая связь на окне слабая, наилучшие характеристики резонатор имеет при четвертьволновой длине плеча, что согласуется с известными данными. Однако усиление в этом случае практически отсутствует, т.к. связь с нагрузкой при выводе оказывается слабой. При этом переключатель с полуволновой длиной плеча приводит к значительному снижению добротности системы из-за резонансного нагружения основного накопительного объема и перераспределения энергии в системе. Это отражается на огибающей выходных сигналов, в которой относительно слабому и длинному сигналу, связанному с выводом из основного объема, предшествует мощный импульс наносекундной длительности, обусловленный выводом из переключателя. При сильной связи с переключателем характеристики резонатора максимальны при длине плеча, близкой к полуволновой, когда связь между колебаниями на выходном окне в режиме накопления минимальна. В этом случае усиление максимально, но огибающая искажена из-за трансформации, в момент вывода, рабочей волны в паразитные.

Получены аналитические выражения для огибающих выходных сигналов при различных величинах связи резонатора с переключателем и различных длинах его входного плеча. Показано, что снижение коэффициента усиления компрессора из-за потерь в коммутаторе и требование поддержания коэффициента усиления на заданном уровне приводят к необходимости увеличения длительности входного импульса и, соответственно, к увеличению тепловой нагрузки резонатора.

Представлены результаты экспериментов по компрессии импульсов СВЧ 3" и 10™-см. диапазонов в многоволновых цилиндрических резонаторах с Hoi® видами колебаний. Получены сигналы с пиковой мощностью, соответственно, 1.5 МВт и 12 МВт при

длительности 30 и 200 не по уровню 0.5 и коэффициенте усиления 14 и 9.5 дБ. Экспериментально подтвержден адиабатический уход частоты резонатора при выводе энергии через переключатель с длиной входного плеча, отличной от четвертьволновой. Продемонстрирована возможность коррекции огибающей выходных сигналов межвидовым взаимодействием на окне связи резонатора с переключателем вплоть до получения огибающей, близкой к прямоугольной. Типичные огибающие формируемых импульсов представлены на Рис.4а,б. Получено хорошее соответствие экспериментальных данных и результатов теоретического анализа.

В п.4.3 представлены данные экспериментов по компрессии СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка в совмещенном приборе на основе лампового СВЧ-автогенератора, анодный контур которого был объединен с резонатором компрессора. Результаты экспериментов качественно подтверждают предсказанные теорией. В частности, для возбуждения контура, работавшего на пятом обертоне, вместо 10-50нс, характерных для автогенератора с укороченным четвертьволновым контуром, потребовалось предвозбуждение длинным (до Юмкс) низковольтным импульсом; совмещенный прибор с интерференционным переключателем достаточно устойчиво работал на одной рабочей частоте 0.8ГГц, тогда как закорачивание контура приводило к его возбуждению как минимум на двух частотах; в режим генерации микросекундных импульсов либо режим непрерывной генерации прибор мог переводиться простым "подоткрыванием" переключателя. Переключение режимов накопления и вывода осуществлялось поджигом разряда в коммутирующем плече переключателя. Получены СВЧ-сигналы с импульсной мощностью 50кВт при длительности 5нс. Коэффициент усиления достигал ЮдБ и ограничивался низкой добротностью выходного контура из-за больших потерь в элементах конструкции лампы. Вместе с тем, мощность выходного наносекундного сигнала почти пятикратно превышала номинальную мощность генератора при работе в штатном режиме, а КПД прибора составлял около 35%.

В п.4.4 рассмотрены системы компрессии с крупногабаритными осесимметричными резонаторами объемом «0.1-1 м3 и выводом энергии через интерференционные переключатели на основе сверхразмерных коаксиальных линий. Предложенные переключатели представляют собой сверхразмерную коаксиальную линию с рабочей ТЕМ либо Н01 волной и разрывом внутреннего проводника линии, шунтирующим ее в режиме накопления, а в режиме вывода, после срабатывания в разрыве линии коммутатора,

обеспечивающим беспрепятственное распространение волны по линии. Показано, что время вывода в резонаторах с такими переключателями пропорционально произведению времени двойного пробега волны вдоль резонатора на отношение радиуса резонатора к рабочей длине волны. Поэтому в таких системах возможно достижение коэффициента усиления -23-27 дБ при пиковой мощности выходных сигналов 1-10 ГВт и длительности -30-50 не. Показано также, что в системах с переключателями на основе сверхразмерных коаксиальных линий практически отсутствует проблема селекции колебаний и в силу полной аксиальной симметрии они практически свободны и от проблемы взаимодействия колебаний на выходном окне. Работоспособность переключателей подтверждена экспериментально на системах 3х- и 10та-см. диапазонов. Разработан алгоритм их оптимизации.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена вопросам повышения мощности и энергии импульсов СВЧ при последовательной и параллельной компрессии в многоволновых объемных резонаторах. Возможность повышения мощности и энергии при последовательной компрессии обусловлена увеличением электрической прочности накопительных объемов при их возбуждении укорачивающимися от ступени к ступени сигналами наносекундной длительности. Увеличение запаса энергии и повышение мощности при параллельной компрессии обеспечивается делением энергии сжимаемого импульса между несколькими синхронно возбуждаемыми резонаторами и одновременным ее выводом с суммированием выходных сигналов. Способы пригодны в случаях, когда один компрессор не в состоянии освоить энергетический потенциал сжимаемых импульсов.

В п.5.1 рассмотрены особенности последовательной компрессии в многоволновых резонаторах. Проанализирован процесс компрессии в цепочке изолированных (несвязанных) резонаторов. Процесс сжатия импульсов с прямоугольной огибающей, характерной для компрессоров с одноволновыми резонаторами, сравнен с компрессией сигналов с экспоненциальным спадом, характерных для многоволновых резонаторов. Показано, что при заданных длительностях входного и выходного импульсов КПД и коэффициент усиления последовательности одноволновых резонаторов практически постоянны и, зависят, соответственно, только от эффективности накопления первой ступени и произведения этой эффективности на отношение длительностей импульсов. Влияние второй и последующих ступеней проявляется только в присутствии постоянных множителей меньше единицы, отражающих неизменность эффективности накопления

второй и последующих ступеней. Выбор конструкций компрессоров в этом случае обусловливается только соображениями приемлемости массогабаритных характеристик системы и электрической прочностью резонаторов. Показано также, что для фиксированных длительностей входного и выходного импульсов практически постоянны указанные характеристики компрессии и в случае сжатия сигналов с экспоненциальным спадом после первой ступени. Отмечено, что применение многоволновых резонаторов в цепочке изолированных резонаторов оправдано только в первой ступени. Установлено, что эффективность накопления при возбуждении резонатора сигналом с экспоненциальным спадом не превышает 54%.

Представлен анализ последовательной компрессии в системе связанных резонаторов, в которой потери на отражение между ступенями в переходный период отсутствуют и огибающая выходных сигналов роли не играет. Показано, что такой способ последовательной компрессии может обеспечить КПД, близкий к эффективности накопления первой ступени, и коэффициент усиления, равный произведению эффективности первой ступени на отношение длительностей входного и выходного импульсов. Потери в этом случае имеют место только в коммутаторах и резонаторах в момент передачи энергии от ступени к ступени. При компрессии в системе связанных резонаторов КПД может быть на 10-20% выше, чем в цепочке изолированных резонаторов.

В п.5.2 изложены результаты экспериментов по последовательной компрессии в системе связанных резонаторов Зх-см. диапазона с многоволновым резонатором в первой ступени. В системе достигнуты коэффициент усиления 18 дБ, КПД -17% и уровень мощности выходных сигналов 3МВт при длительности 2.5 не, что более чем в два раза превышает характеристики компрессора второй ступени при прямом ее питании от генератора. Расчетные КПД последовательности и коэффициент усиления составляли 56% и 21 дБ. Установлено, что основная причина отличия экспериментальных результатов от расчетных - потери в интерференционном переключателе при передаче энергии от ступени к ступени. Показано, что имеется оптимальная величина межрезонагорной связи, при которой в резонаторе второй ступени достигается максимум амплитуды. Характер передачи энергии от ступени к ступени - типичный, с биениями (Рис.5), период и амплитуда которых определяются межрезонаторной связью, и он аналогичен характеру передачи при выводе энергии трансформацией вида колебаний (Рис.Зб).

В п.5.3 представлены результаты исследования параллельной компрессии. Рассмотрены схемы ее реализации. Изложены данные экспериментов по суммированию сигналов двух синхронно возбуждаемых многоволновых цилиндрических резонаторов 3х- и 10та-см. диапазонов с Hoi(p> видами колебаний с выводом энергии через интерференционные переключатели и суммированием в волноводных тройниках или 3х-дБ мостах. В экспериментах, выполненных в НИИ ЯФ ТПУ на компрессорах 10™-см. диапазона, изготовленных для фирмы Thomson (Франция), использовались резонаторы объемом 50 литров каждый с добротностью ~1.5 10s и суммирование осуществлялось в 3х-дБ мосте. Запуск коммутаторов переключателей осуществлялся параллельным питанием от одного источника импульсов высокого напряжения. При длительности входных сигналов Змкс и выходных суммарных ~200 не был достигнут коэффициент усиления ~7 дБ при пиковой мощности -9.5 МВт и КПД ~35%. Снижение коэффициента усиления при суммировании составляло 1-2 дБ и, в основном, связано с неполной идентичностью суммируемых импульсов. В экспериментах во Франции на этих же резонаторах при использовании более мощного генератора и более длинных входных сигналов мощность суммарных выходных импульсов была повышена до 26 МВт при максимальном коэффициенте усиления 13 дБ. Огибающие импульсов были близки к прямоугольным со скошенным плато (Рис. 6). Установлено, что адиабатический уход частоты и межвидовое взаимодействие на процесс суммирования влияния практически не оказывают. Показано, что при повышении входной мощности до 10 МВт мощность суммарных сигналов может быть увеличена до 100-200 МВт. В аналогичных экспериментах на резонаторах Зх-см. диапазона получены импульсы мощностью 1.3 МВт при коэффициенте усиления ~11дБ, КПД ~30% и длительности ~30 не по уровню 0.5 (Рис.7). Экспериментально продемонстрирована возможность существенной коррекции и сглаживания высокочастотных флуктуаций огибающих выходных сигналов при их суммировании. Подтверждено, что подбором давления и состава газа коммутатора или регулированием уровня коммутируемой мощности взаимная временная нестабильность суммируемых сигналов может быть сведена до единиц наносекунд. Показано, что суммирование в тройнике и мосте практически ничем не отличается. Отмечено, что возможность суммирования обусловлена синхронностью возбуждения резонаторов и когерентностью входных и выходных импульсов каждого из резонаторов.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему:

1. Теоретически обоснована динамика процессов накопления и вывода энергии при импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах с межвидовым взаимодействием колебаний. Показано, что взаимодействие может приводить к перераспределению энергии между колебаниями и изменению характера переходных процессов при накоплении и выводе от чисто экспоненциального к экспоненциальному с синусоидальной модуляцией, а также к снижению КПД и коэффициента усиления СВЧ-компрессоров. Показано также, что взаимодействие с синусоидальной модуляцией амплитуды колебаний может быть использовано для повышения эффективности накопления и коррекции огибающей выходных сигналов.

2. Определены оптимальные условия накопления энергии в многоволновых резонаторах, обеспечивающие максимальные КПД и коэффициент усиления СВЧ-компрессоров. Показано, что при компрессии в системах с проходными многоволновыми резонаторами максимум эффективности накопления не совпадает с максимумом КПД и коэффициента усиления. В таких компрессорах максимуму коэффициента усиления соответствует максимум КПД, а не эффективности накопления. Уточнены положения, касающиеся эффективности накопления при заданных значениях длительности сжимаемых импульсов и (или) коэффициента входной связи. Показано, что условия максимальной эффективности в этих случаях различны и они близки лишь при больших величинах связи (>10). Выполнен сравнительный анализ характеристик компрессоров с проходными резонаторами и с объединенным элементом ввода-вывода энергии.

3. На примере монотрона теоретически обоснован процесс компрессии СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка. Установлены условия накопления и связь времени возбуждения колебаний с размерами резонатора и величиной тока пучка. Определены критерии одноволнового режима работы прибора с прямым накоплением энергии (совмещенного прибора) и оценены его коэффициент усиления и КПД. Показано, что для эффективной работы прибора ток пучка должен заметно (~ на порядок) превышать ток пучка генератора в штатном режиме работы. Дана сравнительная оценка энергетических характеристик СВЧ-компрессоров и совмещенного прибора.

На примере лампового СВЧ-автогенератора, совмещенного с компрессором, экспериментально подтверждена возможность компрессии СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка.

4. Исследована динамика компрессии СВЧ-мощности в сверхпроводящей системе SLED. Выполнен анализ переходных процессов в системе, на основе которого установлена связь между энергетическими характеристиками системы и электрофизическими параметрами ее элементов. Исследовано влияние межвидовой связи в резонаторах системы на характеристики рабочего вида колебаний и динамику переходных процессов. Экспериментально показано, что сверхпроводящая система SLED позволяет формировать СВЧ-импульсы микросекундной длительности с коэффициентом усиления, близким к теоретическому пределу, огибающей, близкой к прямоугольной без ее коррекции, и мощностью, сравнимой с мощностью теплых систем. Показано также, что взаимодействие колебаний на окнах связи резонаторов с трактом может приводить к существенному снижению коэффициента усиления (на 12 дБ) и КПД (на 20-40%) системы, а также к коррекции огибающей формируемых импульсов.

5. Представлено теоретическое обоснование процессов межрезонансного обмена энергией между взаимодействующими колебаниями многоволновых резонаторов и обоснование способа вывода энергии, основанного на трансформации вида колебаний. Показано, что межрезонансный обмен может приводить к дополнительным потерям энергии при выводе. Рассмотрены адиабатический и неадиабатический процессы обмена. Установлено, что адиабатический процесс более сильный, чем неадиабатический. Рассмотрены способы вывода, основанные на трансформации вида колебаний при быстром включении связи между рабочим и вспомогательным видами, а также при кратковременном совпадении частот взаимодействующих колебаний. Экспериментально исследована компрессия СВЧ-мощности при выводе энергии трансформацией вида колебаний на плазме разряда в полости резонатора и (или) на окне связи резонатора с переключателем. Показано, что такой способ вывода может быть использован для эффективной компрессии СВЧ-мощности с формированием когерентных сигналов с куполообразной или колоколообразной огибающей, коэффициентом усиления ~9-13 дБ для теплых резонаторов и до 30-50 дБ для сверхпроводящих, длительностью ~30-100 не, КПД-0.3-0.5 и

мощностью, определяемой электрической прочностью переключателя, но не ниже предельной мощности стандартных прямоугольных волноводов.

6. Развита теория импульсной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых резонаторах с выводом энергии через интерференционные переключатели на основе прямоугольных волноводных тройников. Решена задача о динамике компрессии в таких системах, определены их амплитудно-частотные характеристики и развита методика расчета. Путем математического моделирования выявлено влияние процесса коммутации на работу интерференционных переключателей. Исследовано влияние потерь в газоразрядных коммутаторах переключателей на характеристики компрессоров. Экспериментально установлена когерентность волны питающего генератора и бегущей волны резонатора после завершения процесса коммутации. Установлено также сильное влияние межвидового взаимодействия на окне связи резонатора с переключателем на характеристики рабочего вида в режиме накопления и на процесс вывода. Выявлено, что определяющую роль в связи колебаний играет длина входного плеча переключателя. Найдены условия, при которых в режиме накопления влияние переключателя на рабочий вид практически отсутствует. Показано, что взаимодействие на окне связи в момент вывода может быть использовано для коррекции огибающей формируемых импульсов, вплоть до получения огибающей, близкой к прямоугольной. Построена модель процесса межвидового обмена энергией на окне связи при выводе, адекватно описывающая результаты экспериментов. Экспериментально подтвержден адиабатический уход частоты многоволиового резонатора при выводе энергии через переключатель с входным плечом, отличным от четвертьволнового.

Предложены и исследованы интерференционные переключатели на основе сверхразмерных коаксиальных линий для вывода энергии из крупногабаритных осесимметричных резонаторов с объемом ~0.1-1 м3. Показано, что их применение вместо переключателей на основе волноводных тройников может существенно облегчить решение проблемы селекции колебаний и, как минимум, на порядок повысить уровень мощности и запас энергии формируемых сигналов. Показано также, что коэффициент усиления теплых систем компрессии с многоволновыми резонаторами и выводом энергии через интерференционные переключатели может составлять ~10-27 дБ при длительности формируемых импульсов -50-100 не, КПД -0.3-0.6 и мощности 0.01-10 ГВт.

7. Исследована динамика последовательной компрессии СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах и параллельной компрессии с суммированием выходных сигналов.

Определены оптимальные условия последовательной компрессии в системе связанных и несвязанных резонаторов. Показано, что при сжатии импульсов СВЧ с экспоненциальным спадом, характерных для компрессоров с многоволновыми резонаторами, эффективность накопления не может превышать 54%, в отличие от 81%, возможного при сжатии прямоугольных импульсов компрессоров с одноволновыми резонаторами. Показано также, что последовательная компрессия наиболее эффективна в системе связанных резонаторов, когда в отсутствие потерь при коммутации КПД системы определяется практически только эффективностью накопления первой ступени, а коэффициент усиления - эффективностью этой ступени и отношением длительностей входного и выходного импульсов последовательности. Такая схема компрессии экспериментально исследована на двухступенчатой системе Зх-см. Диапазона длин волн с многоволновым резонатором в первой ступени и одноволновым во второй, на которой получено более чем двукратное превышение энергетических характеристик выходных импульсов, над характеристиками, получаемыми при компрессии сигналов генератора только второй оптимизированной ступенью.

Рассмотрены схемы параллельной компрессии СВЧ-импульсов с синхронным возбуждением многоволновых резонаторов и суммированием их выходных сигналов в волноводных тройниках или 3х дБ щелевых мостах. Экспериментально показана возможность суммирования сигналов компрессоров 3х и 10™ -см. диапазонов длин волн с целью повышения мощности и энергетического потенциала формируемых сигналов с одновременными сглаживанием и коррекцией их огибающей. Установлено, что адиабатический уход частоты при выводе и взаимодействие колебаний в многволновом резонаторе не нарушают условий суммирования выходных сигналов СВЧ. На 3х -см. системе получены суммарные импульсы длительностью -30 не при коэффициенте усиления ~11 дБ и пиковой мощности -1.3 МВт, а на 10™ -см.-длительностью -150-200 не, при коэффициенте усиления -7-13 дБ и пиковой мощности -9.5-26 МВт с огибающими от экспоненциальной, до близкой к прямоугольной.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Самойленко Г.М. Полевые эффекты в сверхпроводящих СВЧ-резонаторах. Письма в ЖТФ, 1978, Т.4, N14, С.832-834.

2. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Формирователь СВЧ-импульсов,-А.С. N862800, СССР, МКИ Н03 К 12/00, Н01 Р 1/14.

3. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Вывод энергии из резонансного СВЧ-накопителя. Письма в ЖТФ. 1981, Т.7, N24, С.1529-1533.

4. Диденко А.Н., Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Самойленко Г.М., Юшков Ю.Г. Разработка и исследование сверхпроводящих ниобиевых резонаторов с добротностью Ю9-1010. Письма в ЖТФ, 1983, Т.9, N22, С.1368-1370.

5. Артёменко С.Н., Каминский В.Л, Юшков Ю.Г. Формирователь СВЧ-импульсов,-А.С. N1121776, СССР, МКИ НОЗ К 12/00, Н02 М 5/02.

6. Артёменко С.Н., Диденко А.Н., Каминский В.Л, Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ-энергии из сверхпроводящего резонатора. ЖТФ, 1983, Т.53, N9, С.1885-1887.

7. Артёменко С.Н., Самойленко Г.М., Каминский В.Л., Устинов С.В. Способ электрохимической обработки ниобиевых сверхпроводящих СВЧ-структур.-А.С. N1153772, СССР, МКИ Н01 L 39/24.

8. Артёменко С.Н., Самойленко Г.М. Формирователь СВЧ-импульсов.-А.С. N1237043, СССР, МКИ НОЗ К 12/00.

9. Диденко А.Н., Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Новиков С.А., Самойленко Г.М., Юшков Ю.Г. Сверхпроводящие СВЧ-резонаторы с дроссельным соединением. ЖТФ, 1985, T.55,N2, С.436-437.

10. Артёменко С.Н., Самойленко Г.М. Формирователь СВЧ-импульсов.-А.С. N1277864, СССР, МКИ НОЗ К12/00, Н01 Р 7/04.

11. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Накопление и вывод энергии на Hoi волне из цилиндрического резонатора. ЖТФ, 1986, Т.56, N7, С.1424-1425.

12. Диденко А.Н., Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Ничинский H.A., Самойленко Г.М., Юшков Ю.Г. Разработка и исследование однорезонаторного сверхпроводящего ускорителя электронов. Аннотации докладов Десятого Всес. совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 21-23 октября 1986 г. ОИЯИ АН СССР, 1986, С.140-141.

13. Артёменко С.Н. Формирователь СВЧ-импульсов.-А.С.М1445515, СССР, МКИ НОЗ К 12/00, Н01 Р 7/04.

14. Августинович В.А., Августинович Л.Я., Артёменко С.Н., Юшков Ю.Г. Исследование полусферического резонатора для накопления энергии. Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника,1987, Т.30, N2, С.90-92.

15. Артёменко С.Н. Эффективность формирования импульсов СВЧ путем трансформации типов колебаний резонатора. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1987, Т.30, N10. С.1289-1292.

16. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Самойленко Г.М. Резонансный ВЧ-разряд в сверхпроводящих СВЧ резонаторах.-В кн. Аннотации докладов Всес. совещания по высокочастотному разряду в волновых полях. Горький, 9-11 июня 1987 г., ИПФ АН СССР, 1987, С.57.

17. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Самойленко Г.М. Электронная нагрузка сверхпроводящих СВЧ-резонаторов. Радиотехника и Электроника, 1988, Т.ЗЗ, N3, С.600-606.

18. Артёменко С.Н., Каминский В Л. Формирователь СВЧ-импульсов.-А.С. N1582934, СССР, МКИ НОЗ К 12/00, Н01 Р 1/14.

19. Артёменко С.Н. Резонансная СВЧ-система для накопления и вывода энергии на Hoi волне круглого волновода. Приемно-усилительные устройства СВЧ. Сб.ст.ТИАСУРа, Томск, Изд. ТГУ, 1988, С.55-57.

20. Артёменко СЛ., Каминский В.Л. Формирователь СВЧ-импульсов.-А.С. N1617492, СССР, МКИ НОЗ К 12/00, Н01 Р 7/04.

21. Артёменко С.Н., Каминский В.Л. О требованиях к сверхпроводящим резонаторам для отработки технологии приготовления их рабочей поверхности. ЖТФ, 1989, Т.59, N11,0.161-164.

22. Артёменко С.Н. Влияние межвидовой связи на параметры СВЧ-импульсов, формируемых при выводе накопленной энергии из резонаторов. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1989, Т.32, N12, С.1562-1565.

23. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Самойленко Г.М. Исследование межвидовой связи в сверхпроводящем резонаторе для накопления и вывода СВЧ-энергии. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1990, Т.ЗЗ, N7, С.868-875.

24. Артёменко С.Н. Формирователь СВЧ-импульсов.-A.C.Nl 756982, СССР, МКИ Н01 Р .1/14.

25. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Формирование наносекундных радиоимпульсов в ламповом СВЧ-автогенераторе. ЖТФ, 1992, Т.62, N8, С. 138-146.

26. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Ламповый СВЧ-автогенератор наносекундных радиоимпульсов. Приборы и техника эксперимента. 1992, N2, С.273.

27. Артёменко С.Н. Анализ переходных процессов в системе SLED. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1992, T.35,N6,7, С.596-607.

28. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Ламповый генератор-формирователь наносекундных радиоимпульсов.-Патент Российской Федерации, N2014661, РФ, МКИ 5 HOI J 21/10, Н03 К 12/00.

29. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ-энергии из крупногабаритных осесимметричных резонаторов через сверхразмерпую коаксиальную линию. ЖТФ, 1993, T.63,N2, С.105-112.

30. Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Самойленко Г.М. Формирование СВЧ-импульсов в сверхпроводящей системе SLED. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1993, Т.6, N6, С.553-558.

31. Августинович В.А., Артёменко С.Н. Влияние процесса коммутации на формирование наносекундных радиоимпульсов. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1993, Т.Зб, N9, С.933-942.

32. Артёменко С.Н., Чумерин П.Ю, Юшков Ю.Г. Формирование мощных наносекундных радиоимпульсов методом резонансной компрессии СВЧ-энергии. В сб. Тезисы докладов научно-технической конференции по проблемам связи и информационного обмена. Челябинск-Кыштым, 6-9 февраля 1995 г. ЧГТУ, НИИ ЦС, 1995, С.22.

33. Артёменко С.Н. Анализ процессов накопления и вывода СВЧ-энергии в многомодовых резонаторах. Радиотехника и Электроника, 1995, Т.40, N8, С. 11841194.

34. Артёменко С.Н. Эффективность передачи СВЧ-энергии в нагрузку при резонансной компрессии радиоимпульсов. ЖТФ, 1996, Т.66, N10, С.163-171.

35. Yushkov Yu.G., Avgustinovich V.A, Artemenko S.N., Kaminsky V.L., Novikov S.A., Razin S.V., Chumerin P.Yu. Powerftill microwaves compressors of RF-pulses. Strong microwaves in plasmas. Ill International workshop, Nizhny Novgorod, Russia, 1996, August 7-14, V.2, P.911-924.

36. Артёменко С.Н., Августинович В.А., Каминский B.JL, Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Анализ процесса формирования радиоимпульсов в сверхразмерном резонаторе с интерференционным переключателем. Радиотехника и Электроника. 1997, Т.42, N8, С.1011-1018.

37. Артёменко С.Н., Августинович В.А., Юшков Ю.Г. Вывод СВЧ-энергии из резонатора при трансформации вида колебаний на окне связи. ЖТФ, 1998, Т.68, N7, С.92-96.

38. Артёменко С.Н. О формировании наносекундных радиоимпульсов в автогенераторе методом резонансной компрессии СВЧ-энергии. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1998, Т.41, N7, С.913-925.

39. Артёменко С.Н. Эффективность последовательной резонансной компрессии радиоимпульсов. ЖТФ, 1998, т.68, (в печати).

40. Артёменко С.Н., Августинович В.А. Влияние межвидовой связи на компрессию радиоимпульсов в сверхразмерном резонаторе с интерференционным переключателем. ЖТФ, 1998, Т.68, (в печати).

41. Августинович В.А., Артёменко С.Н., Каминский В.Л., Юшков Ю.Г. Суммирование сигналов при выводе энергии из сверхразмерных резонаторов 3"-см. диапазона. ЖТФ, 1999, Т.69, (в печати).

42. Артёменко С.Н., Агустинович В.А., Юшков Ю.Г. Последовательная компрессия СВЧ-импульсов в системе связанных резонаторов. Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1999, Т.42, (в печати).

Рис. 1. Осциллограмма огибающей сигнала с резонатора при сильной связи рабочего вида колебаний с паразитным (0.5 мкс/дел).

Рис.2. Осциллограмма огибающей СВЧ-импульсов, формируемых сверхпроводящей системой SLED (10 мкс/дел; М2=8.5).

■ 4, :

*■ - '.

(а) (б)

Рис.3. Осциллограммы огибающих СВЧ-импульсов, формируемых при выводе энергии трансформацией на плазме разряда в резонаторе (а; 50 нс/дел; М"=13 дБ; Р„=4 кВт; КПД=30%) и окне связи резонатора с переключателем (б; 20 нс/дел; Мг=9 дБ; Р„=0.5 МВт; КПД=25%).

Рис.4 Осциллограммы огибающих СВЧ-импульсов, формируемых при выводе энергии через интерференционные переключатели при четвертьволновой длине входного плеча переключателя (а; 50 нс/дел; М2=8 дБ; Ри=0.4 МВт; КГЩ=30%) и близкой к полуволновой (оптимальной ) (б; 20 нс/дел; М2=11 дБ; Ри=0.8 МВт; КПД=35%).

.Ж

Рис. 5. Осциллограмма огибающей сигнала с резонатора второй ступени при последовательной компрессии в системе связанных резонаторов (без вывода энергии; 100 нс/дел).

(в)

Рис. 6. Осциллограммы огибающих суммируемых СВЧ-импульсов 10™ -см. Диапазона (а,б) и суммарного СВЧ-импульса (в), полученные при наложении -500 сигналов (200 нс/дел; (а) - М2=8.5 дБ, Р„=6.5 МВт; (б) -М2=8 дБ, Р„=б МВт; (в) - М2=7 дБ, Ри=9,5 МВт; КПД=30%).

(В) (г)

Рис. 7. Осциллограммы огибающих суммируемых СВЧ-импульсов Зх-см. Диапазона (а,б); этих же импульсов, разнесенных во времени (в), и суммарного СВЧ-импульса (г), полученные при наложении -500 сигналов (50 нс/дел; (а,б,в) - М2=11.5 дБ, Ри=0.7 МВт; (г) - М2=11 дБ; Ри=1.3 МВт; КПД=30%).

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

АГТЁМЕНКО Сергей Николаевич

УДК 621.372.4

ДИНАМИКА ИМПУЛЬСНОЙ КОМПРЕССИИ свч-мощности в многоволновых ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРАХ

(Специальность 01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника)

*Р

о*

. а

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

езидиум ВАК Рос

(решение от" " Р£ Мс 4

присудил ученую степень ДОКТС

7--......... 'а'лу?;

шчалышк управлея^^^ с ^ |р_ 9 9 8

АННОТАЦИЯ

Диссертация посвящена проблеме создания источников мощного когерентного СВЧ-излучения, работающих на основе накопления и быстрого вывода энергии электромагнитного поля в многоволновых объемных резонаторах, а также исследованию протекающих в них физических процессов. Источники такого типа (СВЧ-компрессоры) применяются в системах СВЧ-питания линейных резонансных ускорителей электронов для повышения темпа ускорения частиц и расширения диапазона регулировки их энергии без увеличения потребляемой ускорителем мощности. Могут быть использованы для проведения исследований в области физики плазмы, в радиолокации, связи и т.п.

Представлена теория компрессии СВЧ-мощности в различных системах компрессии с многоволновыми объемными резонаторами. Определены оптимальные условия накопления энергии в таких резонаторах, обеспечивающие максимальные КЩ и коэффициент усиления компрессоров. Рассмотрен процесс компрессии при прямом накоплении энергии от электронного пучка. Выявлены наиболее приемлемые для накопления энергии виды колебаний теплых и сверхпроводящих резонаторов различной геометрии. Установлены требования к степени идеальности геометрии резонаторов. Исследована сверхпроводящая система компрессии типа SLED. Решена задача о межрезонансном обмене энергией. Рассмотрены СВЧ-компрессоры с выводом энергии трансформацией вида колебаний и через интерференционные переключатели. Приведены результаты исследований последовательной компрессии в многоволновых резонаторах и параллельной компрессии с суммированием выходных сигналов. Определена степень влияния межвидового взаимодействия колебаний на рабочие характеристики компрессоров.

Диссертация содержит 257 страниц, 91 рисунок, 1 таблицу и список литературы из 141 наименования.

«—»

~ О -

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................... 6

1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ И ВЫВОДА СВЧ-ЭНЕРГИИ

В МНОГОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРАХ (ОБЩИЕ ВОПРОСЫ)...... 20

1.1. Динамика процессов накопления и вывода энергии СВЧ-импульсов в одноволновых резонаторах

бегущей и стоячей волн.................................... 20

1.2. Особенности процессов накопления и вывода энергии

СВЧ-импульсов в многоволновых объемных резонаторах........ 29

1.3. Эффективность накопления, коэффициент усиления и КПД при компрессии СВЧ-импульсов

в многоволновых резонаторах............................... 43

1.4. Резонансная компрессия СВЧ-мощности при прямом накоплении энергии от электронного пучка.................. 52

1.5. Теплые и сверхпроводящие многоволновые объемные резонаторы различной геометрии как накопители СВЧ-энергии. 67

1.6. Требования к степени идеальности геометрии многоволновых резонансных накопителей СВЧ-энергии ........ 74

ВЫВОДЫ....................................................... 80

2. КОМПРЕССИЯ СВЧ-МОЩНОСТИ В СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ СИСТЕМЕ SLED.... 81

2.1. Анализ переходных процессов............................ 81

2.2. Влияние межвидового взаимодействия на компрессию импульсов СВЧ в сверхпроводящей системе SLED.............. 88

2.3. Экспериментальное исследование компрессии

импульсов СВЧ в сверхпроводящей системе SLED.............. 101

ВЫВОДЫ....................................................... 105

3. ВЫВОД СВЧ-ЭНЕРГИИ ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ВИДА КОЛЕБАНИЙ........... 107

3.1. Динамика межрезонансного обмена энергией в

многоволновых резонаторах................................. 108

3.1.1. Динамика обмена энергией при трансформации колебаний на быстро включаемом элементе

межвидовой связи........................................ 108

3.1.2. Обмен энергией при кратковременном совпадении

частот взаимодействующих колебаний...................... 114

3.2. Экспериментальное исследование компрессии СВЧ-мощности при выводе энергии трансформацией

вида колебаний на плазме разряда.......................... 119

3.3. Экспериментальное исследование компрессии

СВЧ-мощности при выводе энергии трансформацией вида

колебаний на окне связи резонатора с переключателем....... 126

ВЫВОДЫ....................................................... 136

4. КОМПРЕССИЯ СВЧ-М0ЩН0СТИ В МНОГОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ

РЕЗОНАТОРАХ С ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯМИ.......... 138

4.1. Компрессия СВЧ-мощности в одноволновых резонаторах

с интерференционными переключателями...................... 139

4.1.1. Динамика процессов накопления и вывода............. 139

4.1.2. Влияние процесса коммутации........................ 142

4.1.3. Потери в газоразрядных коммутаторах интерференционных переключателей........................ 149

4.2. Компрессия СВЧ-мощности в многоволновых объемных резонаторах с интерференционными переключателями.......... 156

4.2.1. Анализ процессов накопления и вывода............... 156

4.2.2. Экспериментальное исследование..................... 167

4.2.3. Влияние межвидовой связи........................... 171

4.3. Компрессия СВЧ-мощности в объемном резонаторе

с прямым накоплением энергии от электронного пучка и выводом через интерференционный переключатель........... 180

4.4. Вывод энергии из крупногабаритных осесимметричных

резонаторов через интерференционные переключатели

на основе сверхразмерных коаксиальных линий............... 189

ВЫВОДЫ....................................................... 202

5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ И ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ КОМПРЕССИЯ

СВЧ-МОЩНОСТИ В МНОГОВОЛНОВЫХ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРАХ......... 204

5.1. Эффективность последовательной резонансной

компрессии СВЧ-импульсов.................................. 205

5.1.1. Эффективность последовательной компрессии

в цепочке несвязанных резонаторов....................... 205

5.1.2. Эффективность последовательной компрессии

в системе связанных резонаторов......................... 212

5.2. Экспериментальное исследование последовательной компрессии в системе связанных резонаторов

с многоволновым резонатором в первой ступени.............. 214

5.3. Параллельная компрессия в многоволновых объемных резонаторах с суммированием выходных сигналов............. 223

ВЫВОДЫ....................................................... 235

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... 237

ЛИТЕРАТУРА................................................... 243

с

- и -

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в системах СВЧ-питания линейных резонансных ускорителей электронов (ЛУЭ) для увеличения энергии ускоренных пучков без повышения потребляемой ускорителем мощности все активней используются пассивные способы повышения мощности питающих СВЧ-импульсов. Способы основаны либо на накоплении энергии импульсов в резонансных объемах и последующем быстром ее выводе в нагрузку [1-51, либо на дроблении, с помощью переключателей и линий задержек, исходных импульсов на более короткие с последующим их суммированием [14,16]. В литературе они получили практически общепринятое сейчас название - способы временной (или импульсной) компрессии СВЧ-мощности, а реализующие их приборы соответственно называются СВЧ-компрессорами.

Интерес к таким способам повышения энергии пучков обусловлен тем обстоятельством, что, как известно, традиционный метод увеличения энергии, состоящий в наращивании числа ускоряющих секций и источников СВЧ-питания, является весьма трудоемким и дорогостоящим, а потому не всегда возможным и доступным, особенно в ускорителях на высокие и сверхвысокие энергии. Другие известные методы, такие как метод рекуперации СВЧ-мощности [1,35] или автоускорения [1,31, 34], не всегда достаточно эффективны и приемлемы. Способам же, основанным на пассивном повышении амплитуды СВЧ-импульсов, кроме возможности увеличения энергии пучков без повышения потребляемой ускорителем мощности, сопутствуют еще и относительная простота реализующих их устройств при невысокой стоимости и вполне удовлетворительных энергетических характеристиках. Поэтому для ЛУЭ, ориентированных, например, на технологические нужды, использование систем компрессии означает снятие существенных ограничений на широкое применение таких ускорителей в радиационных техно-

Г1 - /

логиях, при одновременном расширении их функциональных возможностей [16,17]. В проектах ЛУЭ на высокие и сверхвысокие энергии, таких, например, как ВЛЭПП и т.п. СИ, 12, 281, где во избежание чрезмерной громоздкости и стоимости установок достижение высокого темпа ускорения (~100МэВ/м ) является принципиальным, использование компрессоров может позволить не только снизить стоимость ускорителей, но и сократить сроки реализации проектов, т.к. для таких установок адекватной замены компрессорам в сочетании с традиционными СВЧ-генераторами в настоящее время пока нет [143. Кроме того, в любом случае системы компрессии позволяют повышать импульсную мощность любого СВЧ-генератора либо сохранять ее на заданном уровне путем замены мощного генератора на сочетание менее мощного (и менее дорогого) с СВЧ-компрессором.

Каждая из известных систем компрессии имеет достоинства и недостатки. Резонансные СВЧ-компрессоры достаточно компактны и могут иметь высокий коэффициент усиления, в большинстве случаев пропорциональный отношению добротностей резонатора в режиме накопления и вывода (до ЗОдБ для теплых резонаторов и до 70дБ для сверхпроводящих [8]). Вместе с тем, они отличаются относительно низким КПД О0.4-0.6) и не всегда приемлемой огибающей выходных импульсов [16]. Системы на основе линий задержек более эффективны (КЦДО. 8-0.95), формируют импульсы с прямоугольной огибающей, но менее компактны (длина линий задержек может достигать десятков метров) и из-за сложностей реализации многократного деления исходных импульсов имеют меньший коэффициент усиления (~3-6дБ). Поэтому в каждом конкретном случае выбор системы определяется индивидуально. При этом, если не принимать во внимание относительно ограниченный спрос на источники мощных СВЧ-импульсов наносекунд-ной и субнаносекундной длительности для ускорителей спецназначе-

ния (для исследовательских и метрологических целей в ядерной физике, создания источников мощного рентгеновского излучения сверхкороткой длительности и т.п.), то следует отметить, что основная потребность ускорительной техники в СВЧ-компрессорах в настоящее время связана с устройствами, формирующими не только мощные (-100 МВт), но и достаточно длинные (-100нс) импульсы СВЧ [16,403.

Простые оценки показывают, что при реальной плотности запасаемой энергии -1кДж/м3 в резонаторах объемом 0.01-1м3 мощность бегущей волны может достигать -1-ЮОГВт. Такой уровень мощности в импульсах резонансных СВЧ-компрессоров может быть получен при выводе энергии за время, сравнимое с временем двойного пробега волны вдоль накопительного объема (~10нс). При выводе за время -100нс он может составить -0.1-ЮГВт. Поэтому в большинстве случаев, в силу компактности и более высоких значений коэффициента усиления или плотности запасаемой энергии, наиболее подходящими оказываются резонансные СВЧ-компрессоры с многоволновыми обемными резонаторами, имеющие большие накопительные объемы и способные обеспечить требуемые характеристики выходных импульсов, что определяет актуальность разработки систем компрессии с такими резонаторами. Кроме того, компрессоры с многоволновыми резонаторами могут найти применение и в других областях науки и техники, где требуются источники мощного когерентного СВЧ -излучения.

Рабочие характеристики резонансных СВЧ-компрессоров и параметры формируемых импульсов в значительной мере определяются динамикой процессов накопления и вывода энергии, которая в многоволновых объемных резонаторах может существенно отличаться от динамики процессов в одноволновых системах. Отличия обусловлены характерными особенностями многоволновых объемных резонаторов: высокой собственной добротностью, большими габаритными размерами,

высокой плотностью спектра собственных колебаний и их взаимодействием, сложностью обеспечения сильной связи с внешней нагрузкой для быстрого вывода накопленной энергии. Определение степени влияние этих особенностей на процесс компрессии требует проведения детальных теоретических и экспериментальных исследований.

Разработкой и исследованием СВЧ-компрессоров с многоволновыми резонаторами занимаются в крупнейших ускорительных центрах как за рубежом, так и в России. За рубежом, прежде всего, в Стэнфорд-ском университете [2,3,19] и ряде других исследовательских центров США [5,601. Ведутся аналогичные работы во Франции СбЗ, Японии [221 и Китае [80]. В России разработкой резонансных СВЧ-компрес-соров широкого спектра назначений более двух десятков лет занимаются в НИИ ЯФ ТПУ (г.Томск) [8,69], а применительно к нуждам ускорительной техники, прежде всего, в МИФИ (г.Москва) [13,16], ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН (г.Новосибирск) [11,24,401 и РНЦ "Курчатовский институт" (г.Москва) [7,78,79]. В последнее время к проблеме создания систем компрессии активно подключается ИПФ РАН (г.Нижний Новгород) [39,43]. В этом же направлении ведутся работы и в других научных организациях России. В частности, в ИХКиГ СО РАН (г.Новосибирск) [133,134], МГТУ им.Н.Э. Баумана (г.Москва) [44], ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург) [110].

Среди известных систем компрессии наибольшее распространение получила система SLED, предложенная в Стэнфорде для удвоения энергии пучка ЛУЭ на 20ГэВ [2] и основанная на использовании, для увеличения мощности СВЧ-импульсов, двух сильносвязанных с питающим трактом и соединенных через 3х-дБ мост многоволновых резонаторов, фаза питающей волны которых после завершения процесса накопления изменяется на 180°. Увеличение мощности в системе достигается за счет почти двукратного превышения амплитуды волны, излученной из

сильносвязанного резонатора, над амплитудой питающей волны, а после инверсии фазы, в результате синфазного сложения излученной и отраженной от резонатора волн, - почти трехкратного превышения.

На системе SLED получено рекордное значение СВЧ-мощности для устройств подобного типа--400МВт при коэффициенте усиления 7.8дБ и длительности формируемых импульсов 0.4мкс [213. Ее достоинствами являются простота и возможность переключения резонаторов из режима накопления в режим вывода на низком уровне мощности (-1103Вт) входного тракта усилителя СВЧ-колебаний. Вместе с тем, система имеет два существенных недостатка-невысокий коэффициент усиления (<9) и выходной импульс с быстро спадающей амплитудой, особенно при использовании относительно низкодобротных "теплых" резонаторов. Так, для медных резонаторов с собственной добротностью -105 коэффициент усиления обычно не превышает б- 7.5 дБ, а падение амплитуды составляет О.4-0.9 при длительности импульсов -0.1-0.5mkc [2,16,21,40]. Поэтому высокая импульсная мощность в системе достигается за счет применения мощных питающих СВЧ-генераторов. Как правило, это усилительные клистроны мощностью -10-70 МВт[21]. С целью получения прямоугольной огибающей формируемых импульсов разработаны различные способы ее коррекции [33,89,95,96].

Предложен и реализован ряд модификаций системы SLED, направленных на повышение ее коэффициента усиления и КПД или на реализацию возможности отказа от развязывающего устройства (3х-дБ моста) [16,24,40]. Разработка модификаций связана и с потребностью в таких системах в коротковолновой части диапазона СВЧ для проектов ВЛЭПП и т.п. Этим обусловлено, например, появление системы SLED с открытым резонатором, работающим в режиме бегущей волны, предложенной и исследованной в ИЯФ им.Г.И.Будкера СО РАН [40].

Характеризуя состояние проблем, связанных с созданием систем

типа SLED, в целом, необходимо отметить, что в силу ряда причин, отчасти уже отмеченных выше (базовая система предложена одной из первых среди систем компрессии и исходно ориентирована на применение в действующих ускорителях; простота и возможность коммутации режимов работы на низком уровне СВЧ-мощности и т.д.), среди всех прочих они исследованы наиболее полно. В частности, изучен широкий круг вопросов, касающихся переходных процессов, амплитудной и фазовой стабильности выходных сигналов, методов коррекции их огибающей, а также вопросов, связанных с выбором оптимальных размеров объемных резонаторов, при которых локальная плотность спектра собственных колебаний в области рабочего вида минимальна [2,16]. Рассмотрена возможность использования в системе открытых резонаторов, работающих в режиме бегущей волны без развязывающего устройства; затронут ряд проблем технического плана, касающихся конструирования элементов и узлов ее волноводных трактов [40,16].

Вместе с тем, некоторые моменты, связанные с особенностями системы, из рассмотрения выпали. Неизученной или, по крайней мере, неосвещенной в известной литературе осталась проблема влияния межвидовой связи в резонаторах на процесс компр