Длительность импульсов релятивистских сильноточных плазменных источников СВЧ-излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

Ернылевл Светлана Евгеньевна

ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.08 - Физика плазмы

15 ЯНВ /015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2014

005557189

005557189

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Российский университет дружбы

народов

Научный руководитель: д-р физ.-мат. наук, доцент

Защита диссертации состоится «09» февраля 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу: г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Лоза Олег Тимофеевич

Официальные оппоненты: Кузелев Михаил Викторович,

д-р физ.-мат. наук, профессор, физический ф-т МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор кафедры физической электроники

Корниенко Владимир Николаевич,

канд. физ.-мат. наук,

ИРЭ РАН, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН

Автореферат разослан « 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. физ.-мат. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Главной трудностью на пути развития релятивистской сильноточной СВЧ-электроники оказалось явление, обнаруженное почти одновременно разными группами исследователей [1, 2]; впоследствии за ним закрепилось название «укорочение СВЧ-импульса» [3]. Явление заключается в том, что СВЧ-излучение прекращается и не возобновляется до окончания импульса тока, в следующем импульсе картина повторяется. Главной причиной этого явления в вакуумной релятивистской сильноточной СВЧ-электронике является СВЧ-пробой на поверхности генераторной секции [4], определяемый близостью к ней электронного потока. Устранить эту причину полностью принципиально невозможно [5], поскольку невозможно транспортировать в вакууме сильноточный поток электронов с большим пространственным зарядом вдали от поверхности с нулевым потенциалом без значительных потерь кинетической энергии частиц. В плазменной электронике, где заряд электронов скомпенсирован плазмой, это ограничение отсутствует, как и отсутствует связанная с ней причина укорочения СВЧ-импульса. Тем не менее срыв процесса излучения плазменного СВЧ-генератора задолго до окончания импульса тока наблюдался достаточно часто [6]. Решение проблемы укорочения СВЧ-импульса путем нахождения причин этого явления и способов их устранения, которому посвящена часть настоящей работы, является одной из самых актуальных задач плазменной СВЧ-электроники.

Длительность СВЧ-импульса является не только объектом исследования, а ее увеличение — не единственная цель работ в плазменной СВЧ-электронике широкополосных источников излучения. Существует ряд практических приложений, для которых длительность СВЧ-излучения свыше нескольких наносекунд просто не нужна, зато нужны высокая пиковая и средняя мощность, а также возможность непрерывной перестройки частоты излучения.

Оказывается, что сокращение длительности СВЧ-импульса может быть инструментом для качественного — не количественного — превращения линейчатого спектра плазменного СВЧ-генератора в спектр непрерывный. Такая возможность реально конкурирует с возможностями существующих сверхширокополосных (СШП) генераторов, излучение которых имеет непрерывный спектр, но энергия импульсов падает линейно с уменьшением длины волны излучения при постоянной мощности. Разработка путей создания компактного источника излучения, перекрывающего частотный диапазон в 2 октавы, и энергия импульсов которого при мощности ~ 108 Вт не уменьшается даже при частотах 10-20 ГГц, является актуальной задачей, поскольку не решена до сих пор, несмотря на практическую потребность. Решению этой задачи посвящена еще одна часть диссертационной работы.

Цели диссертационной работы

С помощью методов численного моделирования:

1. Найти причины, механизм развития и предложить способ устранения эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе.

2. Предложить способ построения источника мощного СВЧ-излучения с непрерывным, перестраиваемым в широком диапазоне частот спектром и оценить возможность его экспериментальной реализации на основе существующих генераторов сильноточных релятивистских электронных пучков.

3. Обосновать обнаруженную экспериментально возможность управления частотой СВЧ-излучения в течение импульса наносекундной длительности.

Научная новизна

1. Найдены новая причина и механизм развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Впервые предложен практически реализуемый способ устранения этого эффекта.

2. Впервые предложен способ генерации СВЧ-импульсов с непрерывно

перестраиваемым в диапазоне 2-х октав спектром на уровне мощности 108 Вт. 3. Впервые в численном эксперименте обоснована возможность управления частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности.

Защищаемые положения

В численной модели проведены исследования взаимодействия сильноточного релятивистского электронного потока с заранее создаваемой плазмой в сильном магнитном поле и показано, что:

1. причиной развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе является обратный ток электронов по плазме. К подавлению эффекта приводит выравнивание потенциалов границ плазмы вдоль магнитного поля;

2. источник излучения, основанный на усилении шумов релятивистским сильноточным электронным пучком в плазме, способен генерировать СВЧ-импульсы с приблизительно одинаковой энергией и мощностью на уровне 108 Вт на всех частотах в диапазоне 2-х октав;

3. изменение частоты излучения в течение импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора, наблюдаемое в эксперименте, определяется изменением концентрации плазмы в результате ионизации в СВЧ-полях, ее нагрева с ростом потенциала, а также вытеснения электронов плазмы электростатическим полем сильноточного релятивистского электронного пучка. Управление частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности осуществляется путем создания определенной степени ионизации плазмы и ее концентрации.

Практическая ценность результатов

Эффект укорочения СВЧ-импульса - одна из основных проблем СВЧ-электроники больших мощностей, как вакуумной, так и плазменной. В

результате этого эффекта длительность импульса излучения плазменного СВЧ-генератора значительно меньше длительности импульса тока релятивистского электронного пучка, что приводит к значительно меньшей эффективности его работы, чем можно было бы ожидать. В диссертационной работе не только найден механизм развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе, но и впервые предложен способ возможного устранения причин этого эффекта на практике.

Частоту излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора можно перестраивать в широких пределах [7], но его спектр состоит из отдельных частот [8], т.е. существуют диапазоны частот, в которых невозможно получить генерацию. В диссертационной работе впервые предложен способ генерации мощного СВЧ-излучения со спектром, включающим все частоты в диапазоне частот до 2-х октав на приблизительно одинаковом уровне мощности ~ 108 Вт. Показано, что данный метод генерации СВЧ-импульсов с использованием существующих импульсно-периодических источников электронных пучков позволит в течение секунды получить СВЧ-излучение с однородным распределением спектральной плотности энергии на уровне 0.1 Дж/ГГц в диапазоне от 4 до 16 ГТц.

Эксперименты [9, 10] показали возможность изменения частоты излучения в течение импульса плазменного релятивистского СВЧ-генератора. Частота излучения плазменного СВЧ-генератора определяется концентрацией плазмы, но существующие методы диагностики не позволяют определять параметры плазмы в системе с релятивистским электронным пучком и сильными СВЧ-полями. В диссертационной работе удалось в численном эксперименте смоделировать изменение концентрации плазмы и частоты излучения в течение импульса, подтвердив тем самым выводы эксперимента и определив пути управления частотой излучения, а также пределы применимости метода.

Публикация и апробация результатов

По материалам диссертации опубликовано пять статей в научных журналах, рекомендованных ВАК: [А1 — А5].

Результаты исследований докладывались и опубликованы в материалах конференций [А6 — А14].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 94 страницы, включая 50 рисунков и список литературы из 72 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении сформулированы цели работы, актуальность, новизна, практическая ценность результатов и защищаемые положения.

Глава 1 посвящена общему описанию предмета исследования -плазменному релятивистскому СВЧ-генератору (ПРГ). В §1 описывается принцип действия ПРГ. В §2 представлена схема ПРГ, и приведен обзор экспериментальных работ по его исследованиям.

Оптимальная схема аксиально-симметричного плазменного релятивистского источника СВЧ-излучения [11] представлена на Рис. 1. Трубчатый РЭП распространяется в сильном продольном магнитном поле в

трубчатая плазма свч -

трубчатый РЭП Коллектор

СВЧ -

Рис. 1. Схема плазменного источника СВЧ-излучения.

металлическом цилиндрическом волноводе, в котором расположена трубчатая плазма. Электронный пучок и плазма однородны вдоль оси волновода.

Электроны проникают в систему через прозрачную для них левую границу и оседают на коаксиальный электрод, служащий их коллектором. СВЧ-излучение выходит через прозрачную правую границу.

В §3 приведен обзор работ по изучению ПРГ с помощью численного эксперимента и описана численная модель, использованная в диссертационной работе. Исследования проводились с помощью электромагнитного кода «Карат» [12, 13]. В §4 приведены результаты решения первой задачи диссертационной работы - исследований изменения частоты излучения в течение импульса излучения ПРГ [А1]. В этой части исследований была продолжена традиция параллельного изучения процессов в ПРГ в эксперименте и компьютерной модели с использованием кода «Карат», начатая в работе [14]. Результаты моделирования помогли объяснить экспериментальные данные.

Частота излучения в ПРГ определяется концентрацией плазмы, поэтому изменение концентрации плазмы приводит к изменению частоты излучения.

Как было показано в расчетах [15, 16], при инжекции отрицательно заряженного релятивистского электронного пучка (РЭП) вовнутрь квазинейтральной трубчатой плазмы электростатическое поле РЭП выталкивает электроны из плазмы. Через 20-30 не после начала инжекции релятивистских электронов концентрация электронов плазмы уменьшается приблизительно на величину концентрации РЭП (~5-10% от концентрации плазмы). Другой механизм временного уменьшения общего числа электронов в плазме связан с прохождением фронта РЭП и возникновением обратного тока в плазме. Кроме того, нагрев части электронов плазмы до 10... 100 кэВ приводит к некоторому оттоку электронов из нее. Падение концентрации плазмы может приводить как к плавному снижению частоты излучения, так и к дискретному изменению (скачку) частоты излучения, если при этом происходит смена продольной моды колебаний.

Если в момент инжекции РЭП плазма не была полностью ионизирована,

то возможна ее дальнейшая ионизация в СВЧ-поле. При моделировании этой задачи в расчете учитывались процессы ударной ионизации нейтральных молекул. Рекомбинация в модели не учитывалась в силу сравнительно малой скорости процесса при указанных давлениях ~ 10"3 Topp и малой длительности импульса. Уменьшение количества электронов и ионов определялось их исчезновением на границах.

На Рис. 2 представлен полученный в расчете спектр излучения ПРГ. Начальная концентрация газа 1.3-10м см"3 (т.е. давление 3.6Т0"3Торр) и плазмы — 1.25Т013см"3. В течение 50 не число ионов удваивается, тогда как

12 11 10

f, ГГц

число электронов Я* плазмы увеличивается » 0,75 только в ~ 1.5 раза по

0,60 причинам, описанным

Ш0.45

выше. Как следствие,

— Ж1* 0,30

0 10 20 30 40 50 частота СВЧ-

Рис. 2. Результаты расчета с помощью кода Карат: излучения растет от увеличение частоты излучения в течение импульса.

» Л Г\ г 14* 1 г\ 1*1*

10.5 ГГц до 12 ГГц, что соответствует результатам эксперимента, описанного в [А1].

Когда два процесса — ионизации газа и ухода электронов на границы — компенсируют друг друга, концентрация плазмы, а значит, и частота излучения, остаются постоянными в течение импульса.

Таким образом, увеличение степени ионизации газа в СВЧ-полях повышает частоту излучения, а вытеснение электронов плазмы электростатическим полем сильноточного релятивистского электронного пучка, особенно на фронте его прохождения, а также нагрев плазмы снижают частоту излучения. Выбор давления газа и начальной степени ионизации плазмы определяет соотношение между этими процессами и позволяет управлять частотой излучения в течение импульса. Проведенные исследования показывают, что характерное время процесса ионизации газа — около 200 не

при использованных параметрах ПРГ — не позволят в будущем существенно улучшить достигнутый в эксперименте результат, а именно, зарегистрированный рост частоты излучения в диапазоне 10 ГГц на 15% в течение 60 не.

Глава 2 посвящена проблеме эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменной электронике. Поскольку плазменные СВЧ-приборы имеют много общего с вакуумными, §1 посвящен обзору причин и методов устранения эффекта укорочения СВЧ-импульса в вакуумных релятивистских сильноточных приборах. В §2 проводится сравнение плазменных СВЧ-приборов с вакуумными с точки зрения эффекта укорочения СВЧ-импульса, рассматриваются общие причины эффекта и различия. В §3 приводится обзор существующих работ по проблеме эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Так, в работе [17] одной из возможных причин называется температура плазмы, а в работе [15] показано, что образование области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора может приводить к срыву СВЧ-генерации.

Основные результаты по исследованию причин эффекта укорочения в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе изложены в §4.

В п.1 §4 исследован механизм образования области с пониженной концентрацией плазмы у коллектора [А2], обнаруженный, но не объясненный в [15]. Поиск причин образования этой области показал, что движение границы плазмы может происходить без включения СВЧ-генератора, т.е. без СВЧ-полей в области коллектора. В описанной численной модели коаксиальный коллектор с бесконечно (так заданы граничные условия) большой длиной имеет волновое сопротивление 24 Ом, поэтому при прохождении тока РЭП, равного 2 кА, потенциал коллектора приближается к -50 кВ. В реальном эксперименте проводники, соединяющие коллектор с корпусом, имеют индуктивность ~10"8-10'7 Гн, при прохождении фронта тока РЭП эта индуктивность обеспечивает коллектору отрицательный потенциал

того же порядка величины. Дебаевекий радиус плазмы с концентрацией 1.5-1013 см"3 равен в начале процесса 6'1СГ4 см и растет с увеличением температуры плазмы. Электростатическое поле отрицательно заряженного коллектора (~ 106 В/см) проникает в плазму на глубину ~ 10"2 см, притягивая ионы к коллектору. После инжекции РЭП и приобретения коллектором отрицательного потенциала ионы из приграничной к коллектору области слой за слоем начинают движение в сторону коллектора, ускоряются и исчезают на его поверхности. Одновременно с поверхности коллектора идет эмиссия электронов; в реальности эмиссия в полях с такой напряженностью превращается из автоэлектронной во взрывную в течение нескольких наносекунд. Эмитированные электроны ускоряются в образовавшемся промежутке между плазмой и коллектором до -40 кэВ.

Наличие встречных ионных и электронных потоков частично компенсирует пространственный заряд друг друга. В результате ионный ток достигает значения ~10 А, а ток электронов ~1 кА. Таким образом, за счет ухода ионов граница плазмы отодвигается от коллектора со скоростью более 107см/с, что и было обнаружено ранее в [15].

В режиме с генерацией СВЧ-излучения на коллекторе кроме электростатического потенциала появляются СВЧ-поля с амплитудой до 0.7 МВ/см. Для поля на коллекторе Ег = 0.4 МВ/см и частоты СВЧ-колебаний 10 ГГц амплитуда колебаний электрона в поле СВЧ-волны равна 8 = 2 мм. Электроны бесстолкновительной плазмы, находящиеся на расстоянии от коллектора, меньшем 8, достигают коллектора. Потенциал плазмы увеличивается, что поддерживает встречный поток электронов с коллектора. Кроме того, потенциал плазмы растет за счет ухода из нее быстрых электронов, которые могут преодолеть потенциальный барьер плазма-левая стенка или даже более высокий барьер плазма-коллектор.

В п.2 §4 описывается неизвестная ранее причина эффекта укорочения СВЧ-импульса — обратный ток электронов по плазме [АЗ].

Для определения влияния обратного тока по плазме на генерацию СВЧ-излучения была получена зависимость пороговой длины СВЧ-генератора от тока электронного пучка с коллектора через плазму. Расчеты показали, что с ростом силы тока электронов, эмитированных с коллектора в плазму, от 0 до 1 кА пороговая длина увеличивается больше чем в 2 раза, что соответствует падению погонного коэффициент усиления больше чем в 2 раза Такое снижение погонного коэффициента усиления может приводить к нарушению условия генерации и срыву излучения. Поскольку погонный коэффициент усиления входит в условие генерации в показателе степени экспоненты, то его влияние на генерацию существенно.

Механизм ослабления взаимодействия плазмы с электронами сильноточного потока следующий. РЭП с энергией частиц 500 кэВ взаимодействует с медленной плазменной волной на частоте ~ 10 ГГц, вследствие чего происходит модуляция электронов плазмы на длине волны ~ 2.5 см. Поток электронов с коллектора с энергией 40 кэВ взаимодействует с плазменной волной на частоте, близкой к ленгмюровской, и стремится модулировать электроны плазмы на длине волны ~ 0.5 см. Таким образом, наличие обратного тока по плазме приводит к модуляции плазмы на частоте, значительно отличающейся от частоты взаимодействия с электронами РЭП. Эта дополнительная модуляция ослабляет механизм черенковского взаимодействия РЭП с плазмой и при недостаточном усилении волны срывает генерацию СВЧ-излучения на основной частоте.

В п.З §4 показано, что температура электронов плазмы в диапазоне, наблюдаемом в численном эксперименте, сама по себе не влияет на длительность СВЧ-импульса, как предполагалось ранее [17]. Расчеты показали, что электроны плазмы нагреваются до 15 кэВ, а ионы до 0.7 кэВ. Нагрев осуществляется за счет того, что электронный поток по плазме взаимодействует с плазменной волной на частоте, близкой к ленгмюровской. Групповая скорость такой волны близка к нулю, поэтому энергия, переданная

волне, не выводится из плазмы и вызывает ее нагрев.

В §5 описан способ, позволяющий подавить эффект укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе. Если обратный ток по плазме существенно снижает коэффициент усиления, то именно его и необходимо ограничить или полностью устранить. Чтобы устранить сквозной поток электронов от коллектора до левой границы, эта левая граница плазмы должна иметь потенциал коллектора. Для расчетов удобно считать, что на левой границе расположен некий электрод, соединенный через сопротивление с источником отрицательного потенциала (Рис. 3).

В такой системе сквозной ток электронов по плазме отсутствует, и срыва генерации СВЧ-излучения не происходит, мощность не падает до нуля, а выходит на стационарное значение, соответствующее КПД ~ 12% (Рис. 4).

В §6 рассматривается влияние коллекторной

плазмы на процесс генерации СВЧ-излучения. В §7 подведены выводы к Главе 2.

Для воздействия на объекты с заранее неизвестными частотными характеристиками необходимы источники мощного СВЧ-излучения с широким непрерывным спектром или возможностью электронной перестройки частоты в широком диапазоне. Такой источник можно построить на основе плазменного релятивистского

? СЁЛ «- - плазма

электронный пучок

Рис. 3. Модифицированная схема ПРГ.

Р, М0т

о го ^о во во Рис. 4. Зависимость выходной мощности от времени для 1 - традиционного ПРГ и 2 -модифицированного ПРГ.

СВЧ-генератора, сократив длительность импульса тока релятивистского электронного пучка до значения, исключающего обратную связь путем отражений волн на границах [А4]. Исследованию такого источника -плазменного СВЧ-усилителя шума - посвящена Глава 3.

В §1 описаны цель исследований и общий принцип работы СВЧ-усилителя шума. В §2 для оценки работоспособности предлагаемого плазменного СВЧ-усилителя шума (УШ) было проведено его сравнение с хорошо изученным ПРГ. Параметры РЭП (500 кэВ, 2 кА), геометрические размеры и все другие параметры обеих систем совпадали почти полностью, УШ отличался от ПРГ только длительностью импульса РЭП и длиной плазменно-пучкового взаимодействия.

Сравнение ПРГ и УШ проводилась по двум основным параметрам: эффективности и спектру излучения. Эффективность (КПД) рассчитывалась как отношение энергий СВЧ-импульса и импульса тока релятивистских электронов в сильноточном пучке.

Для исследований был выбран импульс тока РЭП, где ток линейно нарастает от 0 до 2 кА за 0.5 не, потом постоянен в течение 1 не, затем спадает до нуля за 0.5 не. Энергия электронов оставалась постоянной и равной 500 кэВ в течение всей длительности импульса.

Спектр излучения оценивался с помощью быстрого преобразования

0,3-] Э.Дж/ГГц

Фурье, используемого в коде Карат. Спектр импульса излучения (Рис. 5)

состоит из двух компонент

0.2 ^

низкочастотной

(<1 ГГц)

и

высокочастотной

(>1 ГГц).

Низкочастотная часть определяется

длительностью импульса тока как у

0

5

10

15

Рис. 5. Спектр излучения на выходе сверхширокополосных генераторов. УШ при концентрации плазмы Высокочастотная часть определяется 1.4-1013 см3.

черенковским взаимодействием РЭП с плазмой и меняется при изменении концентрации плазмы. Полный КПД по энергии достигает 25%, но КПД высокочастотной части не превышает 15%. В дальнейшем все значения КПД будут приводиться с учетом только высокочастотной части излучения УШ.

В описанной модели и при указанных параметрах энергия импульса тока релятивистских электронов в УШ равна 1.5 Дж, а энергия импульса тока ПРГ равна 17.5 Дж. Исходя из этих значений, рассчитывались КПД излучения по

энергии для обеих систем.

Спектры излучения ПРГ и УШ в зависимости от концентрации плазмы

показаны на Рис. 6. Крестиками обозначены частоты, соответствующие

201 1, ГГц 15-

105-

¥

¥¥

Iх

X

X

п, 10" см"'

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Рис. 6. Частоты излучения в зависимости от концентрации плазмы: вертикальные линии— дискретным модам ПРГ.

УШ, крестики — ПРГ. Спектр УШ непрерывен и

имеет конечную ширину, которой соответствует длина вертикальных линий на Рис. 6. Частоты излучения обоих устройств меняются при изменении концентрации плазмы одинаково в одном и том же диапазоне от 4 до 16 ГГц. Рост частоты излучения с увеличением концентрации плазмы согласуется с

теоретическими представ-

20-1

15

10

о

п, %

п, 10 см"

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Рис. 7. Эффективность излучения в зависимости от концентрации плазмы: 1 — УШ, 2 — ПРГ.

лениями и результатами экспериментов [7,6].

Зависимости КПД от концентрации плазмы для ПРГ и УШ показаны на Рис. 7. Напомним, что

учитывалась только

высокочастотная часть

излучения, спектр которой управляется концентрацией плазмы. Эффективность ПРГ составляет ~8% для всех исследуемых концентраций плазмы. Для УШ при малых концентрациях плазмы КПД достигает 15%, с увеличением концентрации плазмы стабилизируется на уровне 10%. Таким образом, КПД усилителя СВЧ-шума несколько выше, чем КПД СВЧ-генератора во всей исследуемой области концентраций плазмы. В пересчете на длительность СВЧ-импульса по полувысоте, равной 1.5 не, средняя мощность управляемого по частоте излучения УШ равна 100 МВт.

Проведенное сравнение ПРГ и УШ позволяет заключить, что частота их излучения одинаково зависит от концентрации плазмы, но эффективность УШ несколько выше, чем эффективность ПРГ. Можно сравнить также рассчитанную здесь эффективность ПРГ с экспериментальными данными: мощностью СВЧ-излучения 50 МВт при указанных выше параметрах РЭП: 500 кэВ, 2 кА, т.е. мощности 1 ГВт. Экспериментальное значение КПД = 5% менее чем в два раза отличается от рассчитанной эффективности ПРГ, показанной на Рис. 7.

В §3 и §4 рассматриваются перспективы практической реализации СВЧ-усилителя шума. В §3 изложены результаты численного расчета СВЧ-усилителя шума на основе существующего источника релятивистских электронных пучков наносекундной длительности [18]. Параметры данного источника электронов следующие: импульс напряжения на катоде ускорителя 270 кВ, ток электронного пучка 2 кА, передний фронт 0.2 не, плато 0.9 не, задний фронт 2 не, частота повторения импульсов 1-3.5 кГц, продолжительность пакета импульсов 1 с. Охлаждаемый соленоид обеспечивал магнитное поле 2 Тл, такое же, как и в наших расчетах. В отличие от расчетов, описанных выше, в этой серии ток РЭП рассчитывался по формуле Федосова, где ток зависит от напряжения на катоде. Такая поправка вызвана более длинным задним фронтом импульса.

Результаты расчета КПД и спектра в зависимости от концентрации плазмы при использовании ускорителя [18] приведены на Рис. 8. Частота излучения по сравнению с Рис. 6 возросла при той же концентрации плазмы.

Этот результат легко объяснить тем, что при уменьшении энергии электронов РЭП с 500 кэВ до 270 кэВ, область резонанса электронного пучка с медленной плазменной волной

сместилась в область с большими к, т.е. в область с большими частотами. Рис. 8 показывает, что произошло также снижение КПД по сравнению с Рис. 7. Этот результат может быть объяснен тем, что увеличился коэффициент отражения плазменной волны от коллектора, поскольку возросло отличие скорости плазменной волны от скорости ТЕМ-волны в выходном коаксиальном волноводе [19].

Для практического использования представляет интерес спектр пачки импульсов. Расчеты показали, что путем изменения концентрации плазмы от импульса к импульсу равномерно с шагом 1012 см"3 в диапазоне (0.72.2) 10|3см3 может быть получен спектр, охватывающий все частоты в диапазоне от 4 до 16 ГГц. Средняя мощность высокочастотной, т.е. управляемой по частоте фракции излучения в течение импульса равна 60 МВт.

В §4 рассматривается модификация конструкции СВЧ-усилителя шума для практической реализации (Рис. 9) [А5]. В этой геометрии РЭП распространяется снаружи от плазмы и осаждается на стенки внешнего волновода в ослабевающем магнитном поле. Такая конструкция позволит

15-, 11,%

10-

5-

о

1, ГГц

п, 10 "см"

20

15

10

0,5 1,0 1,5 2,0

Рис. 8. Параметры излучения УШ в зависимости от концентрации плазмы при использовании ускорителя [18]: 1 —эффективность т|, 2—частоты 1

легко охлаждать систему в импульсно-периодическом режиме работы.

Источник плазмы располагается справа в центральном электроде выходного коаксиального волновода, что позволяет сократить объем, в котором необходимо создавать сильное магнитное поле, и повысить энергоэффективность.

Рис. 9. Импульсно-периодический плазменный СВЧ-генератор с инверсной геометрией. 1 — взрывоэмиссионный катод, 2 — РЭП, 3 — источник плазмы, 4 — плазма, 5 — цепь питания источника плазмы, 6 — соленоид, 7 — коаксиальный волновод, 8 — кольцевая диафрагма.

Слева со стороны диода распространение плазмы ограничено диском, который крепится непосредственно к катоду РЭП с помощью катушки индуктивности. Катушка должна удовлетворять двум требованиям. Во-первых, плазменный источник должен беспрепятственно создавать плазму, ионизируя газ потоком электронов (600 эВ, 30 А, 50 мкс) с термокатода. Во-вторых, ток релятивистских электронов с катода ускорителя (например, 2 кА, 500 кэВ) не должен быть шунтирован током через катушку и плазму. Таким условиям соответствует катушка с индуктивностью 2 мкГн (17 витков диаметром 2 см на длине 5.5 см).

Расчеты показали, что характеристики излучения— спектр и КПД — УШ с такой геометрией мало отличаются от характеристик УШ, описанного выше.

В §5 изложены выводы к Главе 3.

Выводы

В диссертационной работе с помощью методов численного моделирования:

1. найдена причина и определен механизм развития эффекта укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе, предложен способ устранения этого эффекта;

2. предложен способ построения источника СВЧ-импульсов с мощностью на уровне 108 Вт и непрерывно перестраиваемым спектром в диапазоне частот до двух октав, показана возможность экспериментальной реализации такого источника на основе существующих генераторов сильноточных релятивистских электронных пучков;

3. обоснована обнаруженная экспериментально возможность управления частотой СВЧ-излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности.

Опубликованные материалы диссертации

А1 Ульянов Д.К., Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ернылева С.Е., Богданкевич И.Л. Управление частотой излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в течение импульса наносекундной длительности// ЖТФ, 2013, т.83, вып. 10, с. 113-116. А2 Ернылева С.Е., Богданкевич И.Л., Лоза О.Т. Механизм укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2013, №7, стр.10-23

АЗ Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Устранение срыва излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2014, №2, с.20-25

А4 Ернылева С.Е., Литвин В.О., Лоза О.Т., Богданкевич И.Л. Перспективный источник мощных широкополосных СВЧ-импульсов с изменяемой до двух октав частотой излучения // ЖТФ, 2014, т.84, в.8, с.127-131.

А5 Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Конфигурации импульсно-периодических плазменных релятивистских СВЧ-генераторов // Прикладная физика, 2014, №1, с.17-20. А6 Богданкевич И.Л., Ернылева С.Е., Лоза О.Т. Механизм укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Тезисы докладов 39-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2012 г, с.217.

А7 Ернылева С.Е. Механизмы укорочения импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Сборник докладов 67-й Всероссийской конференции с международным участием «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва, 2012 г, с. 234.

А8 Loza О., Ulyanov D., Bogdankevich I., Baranov R., Ernyleva S. High-power microwave frequency control in the course of nanosecond pulse H European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, Toulouse, France, p.34. A9 Loza O., Ernyleva S., Bogdankevich I., Ulyanov D., Baranov R. Overcoming highpower microwave pulse shortening in plasma relativistic microwave oscillator // European Electromagnetics Symposium EUROEM 2012, 2-6 July 2012, Toulouse, France, p.35. A10 Ернылева C.E., Литвин B.O., Лоза О.Т. Источник мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности с непрерывной перестройкой частоты излучения // Тезисы докладов 40-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2013 г, с. 225.

А11 Ernyleva S.E., Litvin V.O., Loza О.Т., Bogdankevich I.L. Novel Plasma Relativistic broadband source of high-power microwaves // Problems of Atomic Science and Technology, 2013, №4(86), p. 3-6.

A12 Ернылева C.E., Лоза О.Т. Предотвращение укорочения СВЧ-импульса в плазменном релятивистском СВЧ-генераторе // Тезисы докладов 41-ой Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, 2014 г, с. 256.

А13 Ernyleva S.E., Loza О.Т., Bogdankevich I.L. Project of compact plasma maser with continuous spectrum within 2 octaves // AMEREM 2014 Book of Abstracts, p.84. A14 Ernyleva S.E., Loza O.T., Tarakanov V.P. Remedying HPM pulse shortening in plasma relativistic microwave oscillators // AMEREM 2014 Book of Abstracts, p.85.

Список литературы

1 Ельчаншюв А. С., Загулов Ф. Я., Коровин С. Д., Месяц Г.А., Ростов В.В. Ограничение длительности мощных импульсов СВЧ в релятивистском карсинотроне //Письма в ЖТФ, 1981, т. 7, в. 19, с. 1168-1171.

2 Бондарь Ю. Ф., Заворотный С. И., Ипатов A.JI. Карбушев Н.И., Ковалев Н.Ф., Лоза О.Т., Мхеидзе Г.П., Овчинников A.A., Рухадзе A.A., Цопп Л.Э. Исследование микроволнового излучения в релятивистском карсинотроне // Краткие сообщения по физике, 1982, в. 2, с. 3-7.

3 Benford J., and Benford G. Survey of pulse shortening in high-power microwave sources // IEEE Trans, on Plasma Sei. 25(2), 311 (1997).

4 Kovalev N. F., Nechaev V. E., Petelin M. I., Zaitsev N. I. A scenario for output pulse shortening in microwave generators driven by relativistic electron beams // IEEE Trans. Plasma Sei., 1998, Vol. 26, No 3, p. 246-251.

5 Лоза О. Т. О механизме укорочения сверхвысокочастотного импульса в генераторах с сильноточным релятивистским электронным пучком // Радиотехника и электроника, 2009, т.54, № 7, с. 887-889.

6 Богданкевич И.Л., Гришин Д.М., Гунин A.B., Иванов И.Е., Коровин С.Д., Лоза О.Т, Месяц Г.А., Павлов Д.А., Ростов В.В., Стрелков П.С., Ульянов Д.К. Импульсно-периодический плазменный релятивистский СВЧ-генератор с управляемой в каждом импульсе частотой излучения // Физика плазмы, 2008, т.34, №10, с. 926-930.

7 Стрелков П. С., Ульянов Д. К. Спектры излучения плазменного релятивистского черенковского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2000, т. 26, № 4, с. 329-333.

8 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. Управление спектром излучения плазменных релятивистских СВЧ-генераторов // Физика плазмы, 2009, т.35, № 3, с. 211-218.

9 Лоза О.Т., Ульянов Д.К., Баранов Р.В. Изменение частоты излучения плазменного релятивистского сверхвысокочастотного генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2011, т. 81, вып. 3, с.98-102.

10 Ульянов Д.К., Баранов Р.В., Лоза О.Т., Ернылева С. Е., Богданкевич И.Л. Управление частотой излучения плазменного релятивистского СВЧ генератора в течение импульса наносекундной длительности // ЖТФ, 2013, т.83, вып.10, c.î 13-116.

11 Кузелев М.В., Лоза О.Т., Рухадзе A.A., Стрелков П.С., Шкварунец А.Г. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника // Физика плазмы, 2001, том 27, №8, с. 710-733.

12 Тараканов В.П. Теоретический и численный анализ нелинейных задач физики плазмы посредством кода Карат. Дис. ... д-ра физ.-мат. наук, ИОФ РАН, М., 2011.

13 Tarakanov V.P. User's Manual for code KARAT. Springfield, VA: Berkley Research Associates, Inc., 1992.

14 Богданкевич И. Л., Иванов И. Е., Лоза О. Т., Рухадзе A.A., Стрелков П.С., Тараканов В.П., Ульянов Д.К. Тонкая структура спектров излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора // Физика плазмы, 2002, т. 28, №8, с. 748-757.

15 Богданкевич И. Л., Лоза О. Т., Павлов Д. А. Укорочение импульса излучения плазменного релятивистского СВЧ-генератора в численных расчетах с моделированием плазмы по методу крупных частиц // Краткие сообщения по физике ФИАН, 2010, в. 2, с. 16-30.

16 Павлов Д.А. Плазменный релятивистский СВЧ-генератор в численных моделях. Дис. ... канд. физ.-мат. наук, ИОФ РАН, М., 2010.

17 Bogdankevich I.L., Rukhadze A.A., Strelkov P.S., Tarakanov V.P. Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser // Problems of Atomic Science and Technology, 2003, №1, Series Plasma Physics (9), p.102-104.

18 Гришин Д.М., Губанов В.П., Коровин С.Д., Любутин С.К., Месяц Г.А., Никифоров A.B., Ростов В.В., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Ульмаскулов М.Р., Шарыпов К.А., Шпак В.Г., Шунайлов С.А., Яландин М.И. Генерирование мощных субнаносекундных СВЧ-импульсов диапазона 38 GHz с частотой повторения до 3.5 kHz // Письма в ЖТФ, 2002, т.28, вып.19, с.24.

19 Карташов И. Н., Красильников М. А., Кузелев М. В. Отражение электромагнитных волн от перехода волновода с трубчатой плазмой в вакуумный коаксиальный волновод // Радиотехника и электроника, 1999, т. 44, № 12, с. 15021509.

Подписано в печать: 28.11.2014 Объем: 1,0 усл. п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 2046 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Мясницкие Ворота д.1, стр. 3 (495)971-22-77; www.reglet.ru