Электромагнитное излучение релативистского электронного потока в максимальных магнитных симуляторов с ведущим магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УЫЕЗРСИТЕТ ЕМ. М. В. ЛОМОНОСОВА

5И31'"2СК1ц1 CAIwjTblST

Нз правах рукописи УДК С23.537: 521.335.6

ЕЕСКЯ Er.C^iCÎ?

элекг?0!лагн31н02 z37j4s5tz рзляташлского электронного шш1

з колнга/льных уапизее о'сзглггорлз:

с бедущм шгетнй! полег.'

Ссеинельность 01.04.08 - £изжа и зоил платы

Автореферат

.¿зссертациа аа соискание учепоЗ степени кандидата фзкгхо-иатвматичзских наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена кг кафедре физической электроники физического факультета .Московского государственного университета и;.*.. Ю.Ломоносова.

Неучнаг руковода-ела: доктор фпзико-математическиг наук, профессор кандидат Ссзико-математкчэских наук

0£пшгалькь;а слшоыгкт^:

доктор физико-математических на}": доктор физако-катакатичаских наук

Беду^ап организация: Институт радиотехник:-; и электроники РАН

Задптз дасссеотацкЕ состоится " О С_1993 г.

/с У°

в 1 > часов на заседании Специализированного совето отделения

радиофизики в МГУ (шифр К.052.05.22; по адресу: Коске а, МГУ,

/—_ /о

физический факультет," ауд. ' -

с. диссертацией коено ознакомиться ь библиотека Салического факультета Шг

Автореферат разослан '_—__1Э&3 г.

А.О.ЛлвксаЕДрсв В.Д.Куб5р£в

П.С.Стрелков Б.К.Грк=ш

Ученый секретарь Специализированного созета ОРО, кандидат физико-математических наук

С.О.Гелузо

" - ■ лНАЙ - 3 - • !

БИБЛИОТЕКА

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ.

Актуальность- tgiíí. Релятивистская высокочастотная 'лектрокиха является одной из интенсивно развивающихся в лстопюэа время областей СВЧ электроники. Значительный прогресс в той облает;: езязаи с разработкой (с 60-х годов) и оверсенстзованнем особой грутст ускорителе Л зарягонк-JX частиц -илы:оточ:мх электронных ускорителей (СЗУ), позволявши: оптировать реляигзистскиэ электронные пучки (РЕП) с током к А ... 10 '.!А пр'л анергии электронов от 100 кэЗ до нескольких эЗ при длительности импульса ст 10 пс до нескольких сотэн :ткросекунд (в зависимости ст тала ускорителя). Первоначально зкие ускорители использовались для получения кеппшх п.-.игудьсов ?н?геко2Скогс излучения, однако позднее o¡r.: применение и

других областях, в частности для генерации vosтого СЗЧ злучения. В настоящее i _:емя з СВЧ генераторах на РЭП достигнута зпность порядка 10 ГЗт в 3 - см диапазоне.

Могшие СЗЧ генератои на ?ЗП находят применение. з ¡стностл, для нагрева плазмы з установках управляемого рмоядерного синтеза, для ускорения электронных и ионных пучков, |уч9ния процессов • взаимодействия излучения с веществом. ■ 3 'дуцем сферой применения таких генераторов могут стать омическая СЗЧ энергетика, дальняя радиосвязь, радионавигация и диолокация и т.д. При этом _о многих. случаях достигнутая к стоящему Bpewssi длительность импульса СВЧ излучения является достаточной (например, при модности излучения порядка 10 ГБт ятелыость импульса ке превышает нескольких десятков нссекунд). Одной из проблем, стоящих на пути создания мощных ллтиеис'^кпх СВЧ приОорэв с Оольпой длительность» импульса.

- А -

является форгсфованпе сильноточного РЭП со стабильными пространственно-временными харахтсристдаамп. Основным! факторами, обуславливающими нестабильность характеристик КЭП, являются, во-первых, дзихэнпе катодной плазмы взрызоэмпсеиошюго катода (этот фактор является весьма существенным в мпсросекунднсм диапазоне длительностей РЭП): во-вторых, рззвлтго в пучке различных нзустоЯчизостеЯ; в-тезтих, воздействие сильного СЕЧ поля в электродинамической системе генератора на электрон:-;:;-*: пучок._ Эти процессы могут привести к развалу пучка и срыву . операнд, поэтому проблема фор-чг^ров^ш-я РЭП со стабильные: характеристика?.-:! представляет больной интерес.

Для генерирования и усиления СЗЧ излучения при РЭП

заьли применение как "традиционные" - Кбвестньгг из нэрелятизистсхой электроники схемы электронных приборов (клкотпея, ХСЗ к др.), так у. прибор;:, действ:кстогнх основано г.а роля~:з::стс?:пх г4С-эктах (нацрдаер, гаротроны и лазеры на свободных электронах). При этом в миллиметровом к более коротковолновых диапазонах перспективно использование релятивистских приборов, которые' позволяют достичь укорочения длины золнк за счет доплерсвского преобразования частоты. Наиболее коротковолновыми устройствами такого типа являются мазеры и лазеры на свободных электронах (МОЗ и ЛСЭ), используидие явление Еынугдаганого рассеяния электромагнитных полей на РЭП и работоспособные в диапазонах от шИллпшттхэеого до оптического (в принципе возможно создание ЛСЭ, работающих п з рентгеновском диапазоне). В настоящее время ccHOBHir.ii для устройств этого г.ша являются задачи увеличения к.п.д. п мощности излучения. Повнз-зкие к.п.д. и мощности МОЗ и ЛСЗ мохет быть достигнуто £ случае

использования рзкима . двойного циклотронного резонанса резонансного рассеяния электромагнитной волны на ?ЗП, при котором з связанной с электронным пучком системе отсчета частоты падандей я рассеяной волI близки к частоте цгясло'тронного вращения электронов в ведущем магнитном поле. При этом роль падакцей волны моетт выполнять квагистат:гееское пространствзкнз-перкодическсэ магнитное или электрическое поле ондулятора, коте-рое з связанной с электронны.! пучком система отсчета эквивалентно электромагнитной волне. Ондуляторы с проствзнственно--периодичесякм магнитным полем (в которых мегзт таксе присутствовать однородное ведущее магнитное полз) в дальнейхец для краткости будем называть просто "ондуляторы".

Следует отметить, что неоднородность альтитуда ондулятерного поля по толщине РЗП монет привести к значительному ухудзениэ параметров ЛСЭ. Поэтому большой интерес представляет задача создания ондулятора, пригодного для применения - в приборах с трубчатым РЭП к обеспечивающего в области транспортировки электронного пучка высокую однородность а'гплптудн ондуляторного поля. Для расчета парамэтроз таких ондуляторов необходима разработка. аналитической методики.

Ондуляторы ?.:огут применятся я для накачки поперечных скоростей РЗП в гиротронах с сильноточными ' пучками. когда использование магнетронно-инжекторных пусек является затруднительным.

Основными целяка работы квлнптся:

'1. Исследование. процессов формирования и транспортировки микросекундного сильноточного трубчатого РЗП со стабильными пространственно-временными характеристиками.

2. Исследование динамки релятивист-.них электронов в ондуляторе с ведущим магнитным полем.

3. Разработка ондулятора с однородной по .олетне сучка амплитудой поля, накачки к методов расчета параметров тают: ондуляторов.

Л. Теоретическое исследований излучения рэп в ондуляторе и оптимизация параметров СБЧ генераторов, основанных на атом механизме.

5. Создание и экспериментальное исследование СВЧ генераторов на вшукденном рассеянии электромагнитных волн на РЗП.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. В кикросекундном диапазоне длительностей РЭП с покоаью взрывозмЕссионного катода с конической поверхностью сформирован трубчатый РЗП _ с увеличенной начальной толщиной стенки и исследовано влияние процессов образования и разлета катодной плазмы на эволюцию радиального профиля плотности тока данного РЗП.

2. Теоре^че, к: исследована динамика релятивистских электронов в кеадиабатичвсклх (с неадиабатическим "включением" ондуляторного поля по длине) овду ля торах с Еедуцим магнитккы полам.

3. Проведено сравнение двигения электронов в адиабатических и неадиабатических ондуляторах и показано, что в неадиабатических ондуляторах для достккония заданного поперечного импульса электровоз требуется значительно меньшая величина ондуляторного поля.

4. Для снижения разброса поперечных скоростей электронов трубчатого РЭП, обусловленного пространственной неоднородностью амплитуды ондуляторного поля, предложено использовать

кооксиальзн" ондулятор л ингоктарозэть элзктронкх! пучо:: з [сгихум (го радиальной г.осрдазтз) ссглитуда поля пакач:с1.

5. Разработана с-::сп9рп:.:ектзлоная мотодпкз локального (о пространстаэннам разронони-згг ~ 1 ?,-•:) кзкэрення вэдусзго и сгщуляторпзгэ полек з ондулятсрэ, ' псззолягдап благодаря компзнсацш: кепгэдэго сигнала {сбусловекного нэидэзлькостьэ датчика)' с вчсоксЗ точностью измерять слабое ( дз 15 от зедудзго) поперечное ондулятсрнсе магнитное полэ на фоне сильного зедуцего магнитного поля.

5. В самосогласованном приближении разработана теория излучения электронов з ендуляторэ а пгпразлеЕнии вдоль ведущего магнитного поля и з приблизили заданного поля проведено теоретическое исследование излучения РЭП поперек магнитного поля.

7. Экспериментально исследовано излучение РЭП в ондуляторе:

а) Реализован генератор СВЧ излучения на модах Н , открытого коаксиального резонатора.

б) Исслздозано излучение РЗП з ондуляторе при совпадении циклотронной частоты' электронов с суОгар;,кикой баунс-частотн -л показано, что в_ этом реетле коззт быть обэспзчэка высокая эффективность СЕЧ генератора.

в) 'Исследована работа генератора .с коаксиальны:/, ондулятором в режиме резонансного рассеяния с доллеровским гоеобразозанлем частоты.

Научная и практическая ценность. Результата проведенных «следований могут быть исполъзозаны:

1. При создании релятивистских СВЧ приборов с бальзе:! уптельностьа импульса излучения и других устройств, где ребуготся сильноточные электронные пучки со стабильными , -

пространственно-временными характеристика:.®.

2. Ери расчете параметров пассивных и активных коаксиальных ондуляторов.

3. При измерениях распределения магнитного поля может использоваться разработанная методика локального измерения* ондуляторного поля с компенсацией паразитного сигнала, обусловленного неидеальностьв датчика.

4. При создании СВЧ приборов, используицих электромагнитное излучение электронного штока в ондуляторах с ведущим магнитным полем.-

На загзггу взносятся следувдке основные положения работы:

1. Применение взрнзозгаюсионного _ катода с конической эмиттирупце? поверхностью позволяет сфоргаровать- толстостенный трубчатый РЗП при длительности стадии со стабильном распределением плотности тока не менее 0,5 мкс. Движение катодной плазмы оказывает серьезное влияние на распределение плотности тока РЭП и на поздних стадиях .приводит к форшровгша •тонкостенного пучка [1,2]. Изменнение толшгш стенки трубчатых РЗП при их транспортировке в вакуумном дрейфовом канале при различных значениях ведущего магнитного поля соответствует предсказаниям теории диокотронной неустойчивости [1 - 4].

Анализ динамики релятивистских электронов з ондуляторах с ведущим магнитным полем свидетельствует о" том, что для накачки поперечных скоростей РЭП предпочтительным является использование неадиабатических ондуляторов, так как в них для достижения заданной величины поперечных скоростей электронов требуется значительно меньшая (по сравнению с адиабатическими ондуляторами) амплитуда ондуляторного поля [51.

3.- Использование ондуляторов коаксиальной конструкции позволяет существенно снизить неоднородность сшлитуда ондуляторкого поля в области транспортировки пучка; что приводит к снижению разброса поперечных скоростей РЭП и, как слодстеш, к повышению эффективности СВЧ устройства [5,6].

4. Проведен расчет параметров пассивных и активных коаксиальных ондуляторов с пет.кхцьа методики, основанной на использовании функций Ррина [7-91.

5. Для проведения локальных измерений кагнитпых полей в ондуляторе разработана п использована методика, основанная на компенсации паразитного сигнала, обусловленного певдеалъностьв датчика. Проведенное измерения распределения ондуляторного поля по радиальной и продольной координата:,:- показивазт хоропее соответствие теорег.г-:еских и экспериментальных данных.

6. Для генерации СБЧ излучения з ондуляторе молЗ"? быть использовано излучение РЭП как поперек так и вдоль ведущего магнитного поля. 3 перЕО!.«. случае устройство представляет собой пгоотро:- с накачкой поперечных скоростей РЗП в пространстве взаимодействия, во втором случае устройство работает в ренике усиления раесзишсго :случон:-:я (устройство т.ла лсэ) [10].

В. Зкспер^дапталъныа исследования излучения РЭП з коаксиальном Магнитке!.: ондуляторе с вздули' ¡¿агнатным полем показывает перспективность использования таких устрэйстз для генеращзх косного СБЧ излучения. В 3-е:,: диапазоне получено излучение с максимальной глсзгюстьг около 10 ТЛЗт при длительности импульса 1 ггке. Усзцностг. генерации на частоте, состЕетствупдзй работе генератора а резгас Е1л;у"онного рассеяния {длина волны около 1 с;:I значительно нк?.^ л составляет 5С...100 кВт при

длительности импульса 0,5...О,6 икс.

Апробация работ«; и публикации. .Материалы диссертационной работы докледаваяись на 7 Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Томск, 1938), на Все союзкой конференции по физике плазмы и У7С (Зглнлгсрод, 1991), на - Всесоюзной школе-семинаре "Тизикэ и применение ьикроволн" (Красновидово. 19Э1), на 7 семинаре по релятивистской высокочастотной электронике (¡&жшй Новгород, 1932). Гю материалам диссертации опубликовано 10 печатных раоот.

Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения и библиографии. Работа содер:атт 173 страницы, з том числе Ю8 страниц основного текста, 48 страниц рисунков, список литературы из 107 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Вэ введении дается общая характеристика работы, сбосновывается актуальность темы, излагаются основные проблем, изучению которых посзяцсна диссертационная работа, а также приводятся основные результаты проведенных исследований.

В первой главе приводится обзор основных теоретических и экспериментальных работ, посвященных проблемам формирования и транспортировки РЭП и их применения для генерации мощного СВЧ излучения.

Процессы образования и пазлета плазмы зсвывозмиссионного катода сказывают существенно-:) злнянпе на пространствэнно--временные характеристики РЭП. другим дестабилизирующий фактором являются „еустойчивости РЭП; в трубчатых пучках это, в первую очередь, дкокотроннэя неустойчивость. Для подазлеки. диокотроинсД неустойчивости наносекундных РЭП используется метод увеличения

начальной толцяки стойка трубчатого РЭП с лска&э 5 *ривоа:/ксе:ю:-пгого катода с кстлгчесисй ззвгрхносткз. йопс.тьгсЕ: пчс этого "-этода в узг.гросегунднс:.; диапазоне тр :-Сует пров-эдок;..' дополште-пьк-:?: кссдодсвахпй.

СБЧ уС?рО£1СГ38, длл ГвНерМЛЗ! МССПСГО

с РЭП, :.:згд:о разде;:пть ?.з дт?

К пс-свеГ. гр7пт:<; сткогдтся устрс'Дзсза, прототипе:.::: хотерч:: ли í'3boc::!;;; в пер^ллт'гвпетс.коч элгктртпгпхг С2Ч пру.бе-р::.. Опдэ о; нее.1 тек клпетрг.:--:. ^агнз-трозгы, ЛОВ л др.

РЭП в ot;dc прибора:: по"есл,;ст еущоствопг.о поепептв ;::-: .•.'.o'.Toevb, сг:>лко хпрзктзртгао ~,лл . nepv. :тхг:;стск'~: пс:?;~рсз .гяктерн, ;.':"i;':.::"„H:H;: "ОоЗО'луа длину ::ол:п!

аслучония, г> таких уетртйствпх сс::р;-л.-?л-.:я. При кад.гг.п: рерспляз". для .галыпй.х-го ::сдпостг. (л нестоящее преул

кгпгость ~ «О ГБг с трохслКтодатг.ЭЕОМ диапазон;;, зжужосгл дл-: ixc?гпизЕпя з оолсо коретноеолповне диапазон:-: нзволпки.

К второй груш г.- отассятся устройство., работа котори:: осгозаюза ка ролятнзнетскх: принципах. Одни:,: из наиболее изученных устройств этого типа является гивствзн. 0t.v.8ti".i, что з 'слъшинстзе гкротроноз какачка поперечна:: ' скоростей РЭП эсуществляется с ггс.\:о;цью электронной пушки магкетронного типа, {аиболее перспективный'. для хгродвикенн.; в коротковолновые д:зпазоки представляются устройства, использующие дсплеровскоо фесбразозанке частоты, в частности, лазеры и мазеры на свободных )лектроках. 3 настоящее вре:;л сснозпжи проблеу.аг.гн являете л гавыщение выходной мощности и к.п.д. эта: уствсу.ств;

перспективным является использование з них режима двойного циклотронного резонанса.

Зторая глава посвящена проблемам фор:.П!рования и транспортировки ыикросекундаого РЭП со стэкгльглжи пространственно-временными характеристиками. Описывается ускорительный комплекс "Тандем-1" и излагается методика измерения радиального профиля плотности тока РЭП. Использованная методика основана на применении системы расположенных со сдвигом по радиусу токовых датчиков (секционированного . коллектора). Ьатрагиваытся возникайте при обработке результатов экспериментов проблемы, связанные с дискретностью токовых датчиков.

В данной части работы проведены исследг-зания эволюции радиального профиля РЗП. Исследовались Соряирование -тонкостенных и толстостенных трубчатых, микросекунднкх РЭП и ex транспортировка в вакуумных каналах различной длины при различных значениях ведущего магнитного поля. Показано, что толстостенный пучок является более стабилыим и проведено сравнение наблюдаемого увеличения толщины c-тенкк трубчатогс РЗП при снижении ведущего магнитного шля с предсказаниями теории дчокотронной неустойчивости. Исслздозана эволшкя радиального профиля плотности тока толстостенного трубчатого мпкросекундного РЭП при различных значениях магнитного поля в катодной области. Показано, что длительность стадии со стабильным распределением плотности тока составляет не менее 0,5...0,6 исс. Исследовано перераспределение плотности тока на поздних стадиях формирования РЭП, когда катод с конической поверхностью эмиттирует тоикостенный пучок.

Следует заглотить, что распределение плотности тока

толстостенного трубчатого РЭП, эмиттирозашого катодом с конической поверхностью, более чувствительно к скитания магнитного полл в катодной области, чем распределение плотности тска тонкостенного пучка, оптированного торцевым катодо:,!.

Третьи гласа посвящена расчету и оптимизации параметров коаксиальных магнитных ондуляторов, методике измерения ведущего и сндулятсрного магнитных полей в них, а тзк>::е теоретическому последсванию динарии релятивистских. электронов в кездиабатических ¡¿агкитпых ондуляторах с ведущим магниты;;,; полем.

Для снияе-гпг. неоднородности амплитуды окдуляторног-о поля в области транспортировки трубчатого РЗП предлагается использовать ондулятор, з котором электронный тучок транспортируется в зазоре чекду коаксиально расположенными пос.гедовзтельнсстьяло! проводящее телец, помещенных в м~ульсное магнитное поле соленоида. Такая гонструтссия ондулятора позволяет значительно (на порядок и более) снизить потеречнув неоднородность емплитуди сядулятсрного поля в )бласти транспортировки РЗП.

. Для обеспечения независимой регулировки а^шлитуд идудяторного и ведущего магнитных, полей к повышения 'ормкровгкпой ьмилитудт ондулятеркого поля (отнепенил амплитуд ндуляторного и Еедудегс палей) предложено использовать шггивкнй ндулятор, отличакг^ийся от описанного выше пассивного ондулятора ем, что его элементами являются катуики, подключенные к внешнему сточнику питания (батарее конденсаторов). Катушки активного ндулятора создают достаточно сильное ведущее (направленное вдоль си системы) магнитное пола, поэтому такой ондулятор мог.ет быть спользован п бпз внешнего соленоида. В этом случае, однако, грачивается возможность независимой регулировки амплитуд

»

окдуляторного и ведущего палей.

Для расчет-; ведущего и сндуляторнсго магнитных пел::'! в коаксиальных гктлвпьпе и пзссизгах ондуляторих разработала методика, осиозааяая на использовании Супкний Гржг для периодических систем. Данная &:втод:":а сбеспэчиг-гл? шеек;™ точность расчета прсстракстаекхо-Еромьиного рпзггрвдэденлл кагкктаих поло-й. Получеккиз фэр:.;улп прп.<«г.тд; ч для расиста ондуляторов на постоянюм токе (в тег,; ч-лел* сз.мхпгоггдя^^х;.

Списанная в данной главе локб-и-зстз

опдуляторного :■: ведущего пол-* Л осноечзалг.сь по у::

взажйгоп«т,пеид:п-улярка£ г.мчуи^к (размар;:.::: плоскость одн?й из ::осора:< оеккптгтсздкг п^-^ЧиГ"/.^!^ оси системы, а плоскость другой - перпендикулярн-г радиусу ондуляторах кол^ц, и двухв.' одсгого актавного интегратора. кзк*ренаи радиальной сос'.'знлм.ссей г'ллтптксгс г.олд (т.е. ондулятор:;?:''"; поля; сигнал с "радиальной:' четуыт-::: под:::-!ЛСЛ к?

из вхедол гкгогрсторо, па второй ьг.о,~ подлетел сигнал со второй каткий:, используемой для измерения Е^дуг^гз поля, пр::ч-:;.-пузствительт^отт- второго в~ода -.: полярно ль сгл'надз на не1' подбирались та.:, чтобы екс:.таконроБа'! ь ззро&ктЕэгс

сиге." наводимого на "радиальной" катуске (из-за ее неид&альнос-гЕ, неизбежной при столь кэлгс размьра:: иатуокк) сильшя - ьз дв? пордцка бстзг* оЕдуляторного - ьедамз.: магнитны?.: полем. Результаты измерений ведущего и ендуляторного полей находятся в хорошем соответствии с расчетными значениями.

В экспериментах использовался коаксиальный ондулятор с периодом 16 мм с неадиабатическим '"включением" ондуляторного поля по длине ондулятора. В работе проанализирована динамика

релятивистских электронен з мьгнитккх ондуляторах с ведущим магнитным пол?.;.: и показано, что требуемая дл.; достижения заданных значение поперечного жлулг.са электронов амплитуда ондулятерного поля в не адиабатических ондуляторах существенно ни:-:о, чем в адиабатически-.. Призеде-х соотношения, необходимые для расчетов норккровгннс-Я а плиту IX ондуляторного поля, требуемой для получен:-: значения поперечного импульса глектзенез

пучка. Показано, что для с—пленил ь трубчатом пучке разброса злзктропгн- V:- окорос?.1.*: следует использовать гзассяапьнке ондулятора и ^л-ктироЕ-ать РЗП з область, где создается гада (по радиальной коотчпаатр) амплитуд-? ендулятбрпогз пеля.

г.-^зз лоочя-лем;. анализу процессов электрсмаг^гиогс- в ондуляторах с ьздупим магнитным

полэм, созданию и экспериментальному исследованию СЗЧ генераторов, использующих излучение КЗП з опиезньхх взгле ондуляторах.

В. данной глазе проанализированы условия эффективного преобразования ьнзргга ¿¿е<:трокоп ИЛ в энергия электромагнитного излучения.' Лзл-^саа теория излучения 13П в- ондуляторах з самосогласован«-« гт,п'.т.:гг.шп: ^чл излучения здол: зодулего подл и з прибл;же:-л; з-зданного паля для излучения поперек Еедудего поля, [¡сказано, иго электронна йучэк б ондуляторе - кокет эффективно кзлучать на оаетоггх волнозеда (открытого

резонатора). Такое устройство является гиротронс*, з з-.зторс:.' закачка пепоречны:-: сксролх-п эле-:-.-[.01.оь прс.иэ ■д::^-^--» внутри резонатора. тиучч-лл; золя з^сль ьедудегс

юля реализуется рез:им о доплеровсюзл преобразовало:.; частоты,

тозеоляхспй продвинуться в более коротковолновый ."юпззсн.

Разработана конструкция и создан экспериментальный образец

:БЧ генератора, с коаксиальным ондуляторов:. Данный генератор на

модах Нп1 коаксиального волновода «мел выходную мощность около 10 Г,Вт при к.п.д. 4...Ъ%. Длина волны излучения составляла ~ 3 см. Такие ке значения мощности-и к.п.д. получены при работе в режиме совпадения циклотронной частоты с субгармсникой бау.-:с-частоты электроноз в ондуляторе- (баунс-частота шб = кг, где к, = 2%/й. -волновое число, <1 - период ондулятора, - продольная скорость электронов). Длина волны излучения осталась прежней: X ~ 3 см.

Заниженные по сравнению с теоретическими оценками значения мощности и к.п.д. оС уясняются, по-видимому, поглощением электронным пучком энергии электромагнитной волны на участке мегду вы. эдом из ондулятора и коллектором. Длина этого участка должна быть достаточно больной (в описанных экспериментах, около 35 см) для того, чтобы разлетавшаяся коллекторная плазма не заполнила электродинамическую систему генератора. В пользу такого объяснения г.зидотельствует и тот факт, что значения выходкой мощности и к.п.д. сравнительно мало меняются при увеличении длины ондулятора с 10 периодов (оптимальная длина) до 16 периодов. 'Устранению этого нежелательного эффекта, моют способствовать создание систем, в которых магнитное поле на участке выход ондулятора - коллектор сильно отличается от резонансного.

Мощность излучения, достигнутая в рекимз усиления рассеяного излучения (в ¿том случае длина ондулятора составляла 30 периодов, длина волны излучения X ~ 1 см) значительно ниже той, которую теоретические оценки предсказывает как максимально достиляыую. ' Это мокет быть связано с малым током пучка в ондуляторе' (0,6.. .1 кА) и отсутствием селективной обратной связи на длине волны X ~ 1 см, а такке с тем, что при сравнительно низких энергиях электронов (0,35...О,4 МзВ) практически, отсутствует

характерное для релятивистского случая преимущественное излучение электромагнитной энергии в направлении движения электрона.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Экспериментально исследована возможность управления толщиной -стенки трубчатого РЭП микросекундной длительности, формируемого взрывоэмиссионным катодом с когсгческой поверхностью. Реализпзан реким формирования трубчатого РЭП с толщиной стенки ~ 4 мм с распределением плотности тока по радиусу, близким к однородному. Длительность этой стадии формирования электронного пучка составляла 0,5...О,6 мкс. Исследовано влияние процессов образования и разлета катодной плазмы на эволюцию радиального профиля РЭП. Обнаружено, что разлет катодной плазмы на поздних стадиях (t > 0,6..О,7 мкс) приводит к перераспределению плотности тока в поперечном сечении РЗП и формированию тонкостенного трубчатого РЭП.

2. Развита методика расчета квазистационаршх магнитных полей в коаксиальных магнитных ондуляторах пассивной и активной конструкции, основанная на применении методов функций Грина и преобразования Лапласа. Показано, что при соответствующем выборе параметров ондулятора в его рабочем зазоре обеспечивается распределение ондуляторного полз с минимумом в области транспортировки РЭП и достаточно высокой амплитудой накачки. При этом в активном ондуляторе упрощзется независимая регулировка амплитуд .ондуляторного и ведущего полей.

3. Разработана экспериментальная методика локального измерения пространственно-временного распределения вэдущего и ондуляторного магнитных полей з ондуляторах. Получено хорошее

;

соответствие экспериментальных и теоретических данных.

4. Ксследозана д:нз.\г.:ка рэляттпстских электронов з мзгнптпшс ондуляторах с резонансны:.! ввдуаззл магнитным полем. Получена аналитические соотношения для расчета параметроз ондулятора, требуе?.;ых дл.: обеспечения зад»!-ной "закрутки" пучка. Необходимая смллитуда накачки в пьа.гоаб этически:: ондуляторах существенно низе, чем в а~пабагпч-ес:-;;£:<. Показано, что для снижения скоростного разброса электроне::- след/«-? использовать симметри-лае ихи коакспадыдю конструкции ондулятора :: т/л!.::экт:троБать ?3'1 з минимум (по поперечной координата,» поля накачки.

5. Б приближении заданного поля привод унй теории иглучения РЭП в ондуляторе в кзправл..лнк поперек ведущего магпппеге поля. В этем случав наиболее эфйпктп€Ь'о возбу.мгаются электромагнитные колебания на нгагикрптичС'СлЖ частотах ' :: устройство моя:-* г рассматриваться, как гирстрон с накачкой- пучка з пространстве оззимодейстрня.

6. При иглучпниа вдоль зэдущего уагчпмЕЛ'о поля реализуется мехаш'.зк взаимодействия РЭП с злектречаг:-пп'Ной волной. характерный для МПЗ в реггимо рсзаконснсго рзссвыдо. В самосогласованном прпблг^нж нсглодовллооь усиление сассеяного излучения. доказано, что в опти-малы-их рекках больное усиление моп:ет сочетаться с еысокой эффективностью. -

7. Экспериментально иоследэззно излучение РЭП ь коаксиальном ондуляторе с гедужтм мапштга' пол:-м и показало, что генераторы такого типа являются перспектич^'мл лля работы з сантиметровом и кииготюЕШ дгокасонах. Реализован зкзлернмок'.'йяький образец генераторе СВЧ излучения на кода:; Н открытого коаксиального

- IS -

резонатора. Зависимость генерируемой мощности от зеличины ведущего магнитного поля имеет явно вмененный резонансный характер. Исследовано излучение РЭП в ондуляторе при совпадении циклотронной частоты электронов с субгармоникой баунс-частоты и показано, что в этом региме мокэт быть обеспечена высокая э®ектизность С5Ч генератора. Максимальная мощность излучения в обоих случаях составляет около 10 МВт 1фи длительности импульса ~ 1 мкс. длина волны излучения X ~ 3 см. Исследована работа генератора с коаксиальным сндуляторсм в режиме резонансного рассеяния с доплеровским преобразованием частоты (А. ~ 1 см). Мощность излучения, достигн':тэя в ренимз усиления ргссеяного излучения составляет 50...100 кВт при длительности импульса 0,5...0,6 мкс. Диаграмма направленности рассэяяого излучения значительно ухе, чем при генерации на модах Н^,.

IV. ЛИТЕРАТУРА:

1. Александров А.О.„ Заскин В.Л.. Галузо C.D. Формирование сильноточнного трубчатого РЭП га«кросекундной длительности с помощью конического Езризоэмисснокного катода. - Писька в ЕГО. 1989, т.15, еып.19. с.91 -"95.

2. Александров A.C., Веснин В.Л., Галузо C.D., Каравичез М.З. Применение взрывоэмиссионного катода с кснической поверхностью для £ормпгования сильноточного толстостенного трубчатого РЭП микросекундной длительности. - STi, 1932, т.62, аып.З, стр.155-173,

3. Александров А.О., Веснин В.Л., Галузо C.D., Каравичез М.В., Кубарев З.А., !£зсеев В.5., Плэтюткия В.А., Сергиенко З.Ю. Изменение структуры трубчатого РЭП з канале транспортировки. -

Тезисы докладов 7 Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, Новосибирск 1933. Томск: ИСЗ СО АН СССР, 1988, ч.2, с.151-153.

4. Александров А.Ф., Веска В.Л., Галузэ С.З., Кубарзв В.А., Михеев В.В., Плетшкин В.А., Сергкзнло B.D. Исследование радиального распределения плотности тока трубчатого РЭП в канале транспортировки.- Вестник Московского университета, сор.2, Физика, Астрономия, 1990, т.31, ЯЗ, с.32-37.

5. Александров A.C., Веснин Е.Л., Кубарев В.А., Черепекпн В.А. Динамика релятивистских" электронов з неадиабатическом ондуляторе с ведущим магнитным тюлем. - Вестн. МГГУ, сер.З, Физика, Астрономия, 1991, т.32, Js 5, с.40-45.

6. Александров А., Веснин В.Л., Кубарев В.А. Особенности динамики релятивистских электронов в неадиабатических ондуляторах с ведущим магнитным полем. - Труды Всесоюзной зколы-семинара "Физика и применение микроволн", Красновидово, 1991, ч.2, с.14-16.

7. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А. Коаксиальный пассивный ондулятор для накачки вращательной скорости трубчатых релятивистских электроных пучков. - Радиотехника к электроника, 1991, т.36, Jé 8, с.1525-1532.

8. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А. Использование коаксиальных ондуляторов для накачки поперечных скоростей РЭП в устройствах на резонансном рассеяния. - -Труда Всесоюзной школы-семинара "Физика и применение микроволн", Красновидово, 1991, ч.2, с.10-13.

9. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А., Сергиенко В.Ю. Активный коаксиальный ондулятор для СВЧ устройств с