Электромагнитное излучение релятивистского электронного потока в коаксиальных магнитных ... с ведущим магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГССУДАРСТЕЕННЫП УНИВЕРСИТЕТ им. M. В. ЛОМОНОСОВА

©СЕЧЕСКйП САНУЛЫЗГ

На правах рукописи

TJZi L33.537: 621.385.6

Е2СНПН Вяа^аа? Лзойэдсгз»

ЭЛЕКТРСШГНЯхНОЗ ЗЗЛТЧЕЗЗЗ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОШЮГО ПОТОКА В КОАКСИАЛЬНЫХ ЦАГКПЕК СНШ.ТГ0Р52

с еедущйу мятатйьа поли

Специальность 01.04.08 - физика и ими плазш

Автореферат

диссертации на соесзениэ ученоЗ степени кандидата (¿изжо-математэтвскях наук

Москва - 1553 г.

РОССИЙСКИЙ

гсс":

Работа выполнена на кафедре физической электроники Сизетеского факультета .Московского государственного универсгтета ел. М.В.Ломоносова.

Научние рткоасд^гсл::: доктор физико-математических нзук, профессор А.&.Александров кандидат ф23ЕКо-матека?;:ческЕХ наук Е.Л.Кубаргв

ОЗкпналъкк сййлоненп:: доктор фцзгко-матекзтических нар: П.С.Стрелков

доктор физлко-матенатическк пзук Б.К.Гри^п:

Ведущая срга^гзадал: Институт радиотехника и электроники РАН

Запета длсссэотацки состоится * I с' " ГА~ч. у 4993 г. в I 3 часов на заседании Спзцкаллзпронэнного созето отделения радиофизики в ¡ЛГУ (шифр К.052.05.22; по адресу: Москва, МГУ, физический факультет, ауд. ""' $.

С диссертацией когно ознакомиться ь библиотека езгзпческого факультета {¿ГУ

/•7- " Г:

Автореферат разослан " 1 -' '_Щ__19&3 г.

Ученыг секретарь Специализированного созета 0К>, кандидат физико-математических наук

С.С.Галузо

- з -

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОЙ.

Актуальность- те^и. Релятивистская высокочастотная электроника является одной из интенсивно рггЕНЕЗгдихся в настоящее время областей СБЧ электроники. Значительный прогресс в этой солпсти связан с разработкой (с 60-х годов) и совор^окстроза'^'.ем особой гругак ускорителеП зарязонк^х частиц -силы:оточ;кх электронных ускорителей (СЭУ), позьоллеш^ ^оргафСБЗть рал.шзнстские э.техтро:пп:9 пучки (Р5ГП с током 1 кА ... Ш ?.Ц ггр:: энергии электронов от 1ОТ кэЗ до нескольких '¿зЭ при длительности кмпульсэ ст !0 не до несколъклх соток тагроевкунд (в зависимости от типа ускорителя). Первоначально такие ускорители использовались для получения мсзцзяс ;::.:пу.;ьсоз рентгеновского излучения, однако позднее сш: пегзд:: ::

з других областях, в частности для генерации мг-сного СЗЧ 1злучеьг,:я. В настоящее ■ .емя в СБЧ генераторах на РЗП достигнуть-/саность порядки 10 ГЗт в 3-см ду.апазон-з.

Мощные СЗЧ ген-эратс-у нз РЭП находят применение, з ?2стностп, для нагрева плавка в установках управляемого термоядерного синтеза, для ускорония электронных и ионных. пучков, ¡зучения процессов ■ взаимодействия излучения с вещество:.'.. 3 (удшз-эм сферой применения таюк ген-ратороз могут стеть кзсмическая СЗЧ энергетика, дальняя радиосвязь, радионавигации и ¡адиолокацил и т.д. При этом многих. случаях достигнутая к [ас'-оядему времен:! длительность импульса СВЧ излучения является '.едостаточной (например. при мощности излучения порядка 10 ГВт 1лятелъ"«ость импульса нэ преЕыаает нескольких десятков 'вносекукд). О дне я из проблем, стоящих на пути создания моезшх •елятивис СЗЧ прибороз с Сольаой длительностью импульса,

яапяэгся формирование сильноточного РЭП со стабильными простргнствзнно-Бременныьщ характеристикам. Основным! факторами, оЗуслазлизащихл нестабильность характеристик РЭП, являются, во-первых, дзилзнке катодной плазмы вгрызоокпсспонного катода (этот фактор является весьма существенны?.; в юнфосекунднем диапазоне длительностей РЗП): ао-ьтоу^х, рзодяжо е пучке различных кеустсЛчивостей; з-тезтпх. воздействие сильного СЗЧ паля в электродинамической системе генератора на электрокгый пучок. Эти процесса могут привести к развалу пучка к срыву -ЗЕерашп, поэтому црг.5лз«г форчярагапйй РЭП со стабильная: характеристиками представляет больЕой интерес.

Для генерирования и уежгешк СЗЧ излучения при пс.мсгд РЭП неллп приу.онение как "традиционные" - «звгетнке из нерелятизистско2 электроники схемы электронных призеров (клкогрся, ЛСЗ г др.;, так 2 приборы, дейс-пж? которых основано на рслятхгнпстскях э^ектах (налрхлзр, гиро-г-сны и лазеры на свободных олэктроках) - При этом в миллиметровом к более коротковолновых диапазонах перспективно использование релятивкстсюс приборов, которые позволяет достичь укорочения, длины волны за счет доплеровского преобразования частоты. Наиболее коротковолновыми устройствами такого типа являются мазеры и лазеры на свободных электронах (МСЭ и ЛСЭ), использующие явление вынузвдонного рассеяния электромагнитных полей на РЭП и работоспособные в диапазонах от миллиметпового до оптического (в принципе возможно создание ЛСЭ, работающих и в рентгеновском диапазоне). В настоящее время сснов:гшс: для устройств этого тш являются задачи увеличения к.п.д. и мощности излучения. Повышение к.п.д. и мощности МЗЗ ЛСЭ моь»т быть достигнуто 5 случае

использования режима . двойного циклотронного резонанса рэзонаксного рассеяния электромагннтной велик на РЗП, при котором

4

з связанно!* с электронным пучкем системе отсчета частоты падавдй п рассеяной волк близки к частоте щнлотренкого зрахения электронов в ведуцем магнитном поле. При этом роль падавшей волки мо~ет выполнять квазпстатпческое пространственно-периодическое магнитное или электрическое поле ондулятора, которое в связанней с электронны;»! пучком системе отсчетз эквивалентно электромагнитной золно. Ондуляторы с прострзнственно--периодичеекга магнитным полем (в которых мелет теклэ присутствовать однородное ведущее магнитное поле) в дальнейшем для краткости будем называть просто "ондуляторы".

Следует отметить, что неоднородность амплитуды ендуляторного поля по тол-дине Fell кокет привести к значительному ухуснениэ параметров ЛСЭ. Поэтому Сольной интерес представляет задача создания ондулятора, пригодного для применения з приборах с трубчатым РЭП и обеспечиззщзгг в области транспортировки электронного пучка высокую однородность амплитуды ондуляторного поля. Для расчета параметров таких ендулятороз необходима разработка аналитической методики.

Ондуляторы могут применятся и для накачки поперечных скоростей РЗП в гпротронах с сильноточными ' пучками. когда использование кагнетронно-ингекторных пулек является затруднительным.

Ссновными целза работы язлеэтся:

'. у'сследование процессов формирования н транспортировки микросекундкого с;!льноточного трубчатого РЭП со стабильными пространственно-временными характеристиками.

- о -

2. Исследование динамики релятивистских электронов з ондуляторе с ведушда магнитшм полем.

3. Разработка ондулятора с однородной по .элскне пучка амплитудой поля накачки и методов расчета параметров таких ондуляторов.

■1. Теоретическое исследование излучения РЭП в ондуляторе и оптимизация параметров СВЧ генераторов, основанных на этом механизме.

5. Создание к экспериментальное исследование СВЧ генераторов ка вияуяденном рассеянии электромагнитных волн на РЭП.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. В микросекундам диапазоне длительностей РЭП с поыоаью взрывоэмиссионного катода с конической поверхностью сформирован трубчатый РЭП с увеличенной начальной толщшой стенки и исследовано влияние процессов образования к разлета катодной плазмы на эволюции радиального профиля плотности тока данного РЗП.

2. Теоретически исследована динамика релятивистских электронов в неадиабатических (с неадиабаткческим "включением" ондуляторного поля по длине) ондуляторах с ведущим магнитшал полем.

3. Проведено сравнение движения электронов в адиабатических з неадиабатических ондуляторах и показано, что в неадиабатических ондуляторах для достижения задашюго поперечного импульса электронов требуется значительно меньшая боличикз ондуляторного поля.

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

коскслальшл ондулятор и инп-сектпрозать элэ:;тронш;Я пучо:-: з глшмум (по ра,с:здьнс~ коордгтцзто) а:.2п::туди поля :;акач:ш.

5. Разработана зпсперг.ггнтальная :.:зтодзиз детального (с прострзкственнм разрешением ~ 1 к.0 »:з:лэренил еэду^зго и сндулг.торпэго поле* з ондулятора, ' погзоллщая благодари ког.сенсзц:к ;.:епакззгс сигнала (сбуслоненного зэпд-эальксстьз датчика)' с высокой точностью измерять слабое ( до 15 от зодудего) пспэрэчнсэ ондудятсрпое магнитное полз на фскэ сильного в-?д$~огс магнитного поля.

6. 3 самосогласованном приблинонк: разработана теории излучения злектроноз з сндулкторэ в паправленжм вдоль ведущего магнитного полк и з прцблихзняи заданного поля прзводзно теоретическое исслэдовгл-гла излучения РЭП поперек магнитного полл.

7. Зкспор:а.:ентэлъно исследовано излучине РЭП з ондуляторе: а) Реализован генератор СВЧ излучения нз гадах

открытого коаксиального резонатора.

0) Исследовано излучение РЗП в ондуляторе при совпадении тклотрошю^ частоты' электронов с субгармоникоЯ баунс-частотп и показано, что в. этом рэгегш кон:эт Сыть обеспечена высокая эффективность СЗЧ генератора.

з) 'ИсследоБана работа генератора .с коаксиальным ондулятором в рехнмз резонансного расселим с дсслерсвсккм преобразованием частоты.

Научная и практическая ценность. Результата проведенных исследования могут быть использованы:

1. При создании релятивистских СВЧ приборов с больлсЯ длительностью импульса излучения и другое устрсйстз, где требуются сильноточные электронные пучки со стабильными „ •

пространственно-временными характеристиками.

2. При расчете параметров пассивных и активных коаксиальных ондуляторов.

2. При измерениях распределения магнитного поля мотет использозаться разработанная методика локального измерения' ондуляторного поля с компенсацией паразитного сигнала, обусловленного нереальность® датчика.

4. При создании СВЧ приборов, использувгих электромагнитное излучение эле .стройного потока в ондуляторах с ведущим магнитным полем.

На залогу выносятся следуЕ^ге основные положения работы:

1. Применение взрывоэмнссионного_ катода с конической змитткруюцеГ; поверхностью позволяет сформировать- толстостенный трубчатый РЭП при длительности стадии со стабильным 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 формпроьашп тонкостенного пучка [1,21. Изменнение толиины стенки тоубчзтнх РЗП при их транспортировке в вакуумном дрейфовом канале при различных значениях ведущего магнитного поля соответствует предсказаниям теории диокотронной неустойчивости [1 - 4].

2. Анализ динамики релятивистских электроноЕ в ондуляторах с ведущим магнитным полем свидетельствует о том, что для накачки поперечных скоростей РЭП предпочтительным является использование неадиабатических ондуляторов, так как в тыс для достикэння заданной величины поперечных скоростей электронов требуется значительно меньшая (по сравнению с адиабатическими ондуляторами) амплитуда ондуляторного поля [5].

3.- Использование ондуляторов коаксиальной конструкции позволяет существенно снизить неоднородность амплитуда ондуляторного поля в области транспортировки пучка» что приводит к сгапкбшго разброса поперечных скоростей РЭП и, как следствие, к повышению эфгрс-ктизностп СВЧ устройства [5,6].

4. Проведен расчет параметров пассивных и активных коаксиальных ондуляторов с помощью методики, основанной на использовании функций Грина С7-91.

5. Для проведения локальных измерений магнитных полей з ондуляторе разработана п использована методика, основанная на компенсации паразитного сигнала, обусловленного кекдеэльностья датчика. Проведение измерения распре делештя ондуляторного поля по радиальной и продольной координатам- показывают хоропее соответствие теоретических и экспериментальных дзеных.

6. Для генерации СБЧ излучения з ондуляторе моге* быть использовано излучение РЭП как поперек так и вдоль ведущего магнитного поля. Б первом случае устройство представляет собой гиротрон с накачкой поперечных скоростей РЗП в пространстве

' взаимодействия, во втором случае устройство работает в рекпме усиления рассеянного излучения (устройство т;:па ЛСЭ) [101.

5. Экспериментальное исследования излучения ?ЗП в коаксиальном магнитной ондуляторе с вздузцн«' йагЁзтнкм полем показывает перспективность использования таких устройств для генерации мопнего СВЧ излучения. В 3-е.: диапазоне получено излучение с максимальной мо^ностыз около 10 Í3? при длительности гз.шульса'~ 1 мхе. !.'о~?ость генграшги на частоте, соответствующей работа генератора 2 pesswc спущенного рассеяния (длина bojee околс 1 с;.;) значительно низ-" и составляет 50___100 кВт при

длительности импульса 0,5...0,6 мкс.

Апробация работы и публикации. Материалы днсеертацпсгпюй работа докладывались ка V Всесоюзном сдалози.-ме по сильноточной электронике (Томск, 1953), на Всесоюзной конференции по физике плазмы и УТС (Змнигород, 1991), ка Всесоюзной школе-семинаре "чГнзика и прженекпе микроволн" (Храсновидово, 1531), на 7 семинаре по релятивистской высокочастотной електрошжо (Низний Новгород, 1992). По материалам диссертации опубликовано- 10 печатных расот.

Диссертация состоит из взедеггия, четырех глав, заключежя и библюграфгл. Работа содер:глт 173 страницы, в тем числе Ю8 страниц основного текста, 43 страниц рисунков, список литературы из 107 наименований.

II. С0ДЕ?~.4ШЗ РАБОТЫ.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы, излагаются основные проблемы, изучению которых посвящена диссертационная работа, а такке приводятся основные результаты проведензшх исследований.

В первой главе приводится обзор основных теоретических и экспериментальных работ, поевнщешых проблемам Формирования и транспортировки РЭП и их применения для генерации мощного СБЧ излучения.

Процессы образования и разлета плазмы ззрывозмпссионного катода оказывают существенное злияше ка пространственно-временные характеристик! РЭП. Другим дестаб;ш:зирукщ:1м фактором являются „еус гойчивости РЭП; в трубчатых пучках это, в первую очередь, диокотронная неустойчивость. Для подавления диокотрснксЛ неустойчивости наносекундкых РЭП используется метод увеличения

начальной толацнд! ■ стенки трубчатсго ' РЭП с по:,ГОЛЬЮ потока с :сскгчоской поверхность::». 7сп0~о302ГЛ!Ю этого ::этс-Д1 з у.пхросенундхс:« диапазоне тробуо? г;роз,?до;п:я дслслплтелыг-яс исследований.

СЗЧ устройства, пр:т:еч.:е:,:ыо для генерации ;:схпого глгтгтрсм^тнитного 'лглучзиия с помадыс К.-Л. :.:гдло разделить :-:а дсэ

у ~ V" лт ~.

Ч посесй группе сгл:ое."":я устройства, прототипе:.::: которых бллн г срост;:, :э в ё:ер^ллтг.ппс7с;:сл ол-чтс;.'г;;>:е СЗЧ п?::Сср", -Сюда охноо.эгся те^тпьпотс::::- ллнстро™:. .чатчетзокы, ЛОВ ::

з о га: пркбсрзх позбсллот ?уг.5ст2о:гдо соспепть

косность, однако хара нте

г"-'

•-Такте:».!, ОЛЗ::К!ГР:2п.АЕГ::З : НГ'ЛуЧПИНЯ, Г! таких устр

для. стск::х приборе:

::.:злн:с :с-':!уэ длину прлп:: твпх сс::р;:ня:отоя. При калин:::: «сг.сг^^г?-, для дашкСпего гксигбчля :.:сд:;;зтп (з настоядео ьргл'я далтигнута мс:::лость ~ -О ГВг в трехсотметровом диапазоне), госгчкхгтост» для п.с прттгл^ленпя в 'алое ксрот;:о.?елко:;нз диапазоны невелики.

К зторой групп? откосятся устройства, работа которых, оспованапа на релятивистски;', продздлгх. Одним из наиболее изученных устройств с-того типа является гиротрон. 0т:,:ет1М, что з большинстве гчгрстроноз какачка поперечны;: ' скоростей РЭП осуществляется с пометь» электронной пухни маг-нетрегаюго г.шз. Наиболее перспектаЕними для продзпгекнд з коротковолновые диапазоны представляются устройства, пепользукдпе деплеровекзе преобразование частоты, в частности, лазеры и ?.?азеры на свободных электронах. 3 настоящее врекл основными пробегами являются повыпение выходной модности и к.п.д. этих устос-.зтз;

перспективным является использование в них рэкима двоГлото циклотронного резонанса.

Вторая глава посвядена проблемам формгоованпя и транспортировки г.сгкросекукдкого РЭП со . стзопльпыми прсстранственно-временныг.я характеристика:.:;!. Описывается ускорительный комплекс "Тандем-1" и излагается методика измерения радиального профиля плотности тока РЭП. Использованная методика основана на применении систем расположенных со сдвигом по радиусу токовых датчикоз (секционированного -коллектора), ¡затрагиваются возкикащие при обработке результатов экспериментов проблемы, связанные с дискретностью токовых датчиков.

В данной части работы проведены нс-слэдг-ззяия эволюции радиального профиля РЗП. Исследовались Лорнирование тонкостенных к толстостенных трубчатых. михросекундннх РЭП и их транспортировка в Бакуушшх каналах различной длины при разлпч:ж значениях ведущего магнитного поля. - Показг.но, что толстостенный' пучок является более стабильшм и проведено сравнение наблюдаемого увеличения толщины . отенкч трубчатого РЭП при снимании ведущего магнитного . поля с предскозанняма теории дчокотронной неустойчивости. Исслэдозана энолж-л радиального профиля плотности тока толстостенного трубчгтох-о микросекунднс-го РЭП при различных значениях магнитного поля в катодной области. Показано, что длительность стадии . со стабильным распределением плотности тока составляет не менее 0,5...С,Б ккс. Исследовано перераспределение плотности тока на поздних стадиях формирования РЭП, когда катод с конической поверхностью эмиттирует тонкостенный пучок.

Следует заметить, что ' распределение плотности тока

толстостенного тру£чатсго РЭП, Бмпгтирозгыного катодом с кокгческсй . поверхность», Солее чувствительно к снижению магнитного поля в кртодноЯ области, чем распределение плотности тока тонкостенного пучка, эмиттированного торцевым катодом.

Третья гласа посвящена расчету и оптимизации параметров коаксиальных магнитных ондуляторов, методике измерения ведуц'53'о 2 ондул:*?орнс>гэ магнитных полей в нхх., а такге теоретическому исследованию динамики релятивистских электронов в нездпасатичеекпх ¡.'.аггенпых ондуляторах с ведущим магнитным полем.

Для сггихени.' неоднородности амплитуды ендулятерного поля в области транспортировки трубчатого РЭП предлагается использовать ондулятор, в катером элекч-рокый тучек транспортируется в зазоре ме?:ду коаксиально р5спо.гакэнными поеледоЕзтельнсстьями проводягдо кс-лец, помещенных г= 'лмпульско-з магнитное поле соленоида. Такая конструкция ондулятора позволяет значительно (на порядок и более) снизить поперечную неоднородность амплитуда елдулятерного поля в области транспортировки РЗП.

Для обеспечения - независтюй регулировки г-мплитуд ондуляторче-го. к ведущего магнитных полей ь повыяеЕия

НОрМкрОВЕКЕЗЙ оМПЛИТУДЬ" ОНДУЛЯТСрЕОГО ПОЛЯ (ОТПСЕвНИЛ 8МШ1ИТУД

склуляторяого и недудело полей) предложено использовать активный ондулятор, отличакщийся от описанного выше пассивного ондулятора тем, что его элементами являются катушки, подключенные к внешнему источнику питания (батарее конденсаторов).' КатуЕкз активного эндулятора создают достаточно сильное ведущее (направленное вдоль зсп системы) магнитное поле, поэтому такой ендулятор ио^ет бить гагальзовзн и б^з внешнего соленоида. В этом случае, однако, утрачивается возможность независимой регул: фовки амплитуд

»

ондуляторыого ц ведущего полей.

Для расчеса ведущего п ондуляторнсго магнитных пол::": б коаксиальных активных и пассивных скдуляторлх разработана штсдлка, основанная на использования функций Гр:гна для периодических систем. Данная методика оСеспочиг^эт высокую точность расчета пространствекпо-ьземеЕного ртогсвцз.-.вжк магнятшвс полей. Получение формулк прж&кгп к для расчета оцдуллтороз на гэстсятоц тока (б тс:,; чг-сле сЗ'зс:\пг.ог.одяиих).

Опизонш? в данной гласе методика локального 5:змер*:г.!Я ондуля'-спо: о я родуцого полей осповгп.тлгсь ю пзпгльгогаизз хруд

г-с-стек (разморг.:.*;: г/ ,5x0,о го.:..

плоскость ОДНЗЙ ИЗ которо ОР',кцк*ровйцс ОС',1

системы, г плоскость другой - терпввд,:г.уд>1р:» рздкусу скдудяторпжс кол'гГ,, п двухв:-.^дорого активного ;агг»г?атг.гг. При язаэреня: радиальной ссс^зндязпей мыкитнсго г.оля (т.е. овдуляторпсгг. гтолп; сигнал с "рздн.'льнсй'\ кату;;:;:;: подаь-'лся н? одап из вхадоя н-:гогргторз, на второй вход подзбздся сигнал со второй кату:27,;, используемой для измерения ведутгег:: поля, причем чувст2:;голь.но"т1 второго вдсда полярность сигнала на нем подыгрались тс.:, чтобы скомпенсировать вл^Жв паразитного сигна'.з, ыаьодимсго на "радиальной" катуаке (из-за ее кеидеалы-юстн, неизбежной при столь малых размера:: катугки} сильным - 'нз два порядка больпэ окдуляторкого - ведао* магнитны:,! полем. Результаты измерений недуге го и ендуляторного полей находятся в хорошем соответствии с расчетными значениями.

В окспериментах использовался коаксиальный ондулятор с периодом 16 мм с не адиабатическим "включением" ондуляторкого поля по даже ондулятора. В работе проанализирована динамика

релятивистский электронов в магнитил:: ондуляторах с ведуц:::.! магнитным нолем и показано, что требуемая дл.: достижения заданных значений поперечного импульса электронов а!.:плнтуда сндуляторного поля, в неаддасатпческпх ондулятора:-: существенно , чем в адиабатически.::. Приведен:: соотнесения, необходимые для расчетов нормированной аплнтуды ондуляторного поля, требуемой для получен заданного значения поперечного импульса електзенов пучка. Показано, что для с:г.:м:о::::л в трубчатом пучке разброса электронгь но скоростям слезет использовать коаксиальное ондулятора и м-::тл-к'п:роЕзть P3II в область, где создается минимум (по радиальной коотупнате) амплитуды сндуляторного поля.

Четвертая Tz-na поойящеЕЭ анализ у процессов электромагнитного излучения гЭП в ондуллторах с ведущим магнитам полем, созда-пга и экспериментальному исследован^-з СВЧ генерзторов, использувщих излучение РЭП в описанных выл? ондуляторах.

3 данной главе проанализированы условия эК>ект;пзного преобразокания энерпп! электрокоч Г'^П з энергию електремагнлтногс излучения. Кол^йаа теория излуччнил 1-ЭП ъ ондуляторах з сомоссгласовгнкг-к дпя чалученп:: пдг.л: водулего поля и

з приближо:^-: заданного поля для излучения поперек ведущего поля. Показано, ч:о электронный дучек в ондуляторе мсгет &1Ф=.чт;еко излучать на к1лп;гкри7этсск;з частотах волноводе {открытого резонатора). Такое устройство является гиротроно:л, i- г.отогем накачка покр?чньт , сксропх-г зл^х-оьоь npc2Sbo;s:!:-"=? внутри резонатора. Пр.; ии.-у:ч-лн-: алеу.т -м a i\- п глчы\ волн Дцолъ ведущего поля реализуется рехм с доплеровасим преобразованием частой,

позвсля-слий пролв:иутьсл в более коротковолновый ."¡апазен.

Разработана конструкция и создал экспериментальный образец

СБЧ генератора- с коаксиальным ондулятором. Данный генератор на

модах Нп1 коаксиального болноеодэ имел выходную мощность около 10 ■ МВт при к.п.д. 4...5%. Дшша волны излучения составляла ~ 3 см. Такие же значения мощности и к.п.д. получены при работе в режиме совпадения циклотронной частоты с субгармоникой бзунс-частоты электронов в ондуляторе (баунс-частота шб = где к. = 2ъ/<1 -

волновое число, <1 - период ондулятора, - продольная скорость электронов). Длина волны излучения осталась прежней: к ~ 3 см.

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

Мощность излучения, достигнутая в рзкиме усиления рассеяногс излучения (в ьтом случае длина ондулятора составляла 30 периодов, длина еолны излучения Я ~ 1 см) значительно низе той, которую теоретические оценки предсказывают как максимально достижимую. ' Это монет быть связано с малы:/ током пучка в ондуляторе' {0,6...1 кА) и отсутствием селективной обратной связи на длине волны X ~ 1 см, а также с тем, что при сравнительно низких энергиях электронов {0,35...0,4 Ь!эЗ) практически отсутствует

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

ni. основные результаты.

1. Экспериментально исследована возможность управления толцкной стенки трубчатого РЭП микросекуцдной длительности, формируемого взрыьоэмиссионным катодом с конической поверхностью. Реализован реж:м Армирования трубчатого F3H с тслгинсй стенки ™ 4 мм с распределением плотности тока по радиусу, близким к однородному. Длительность этой стадии формирования электронного пучка составляла 0,5...О,6 мкс. Псследозано влияние процессов образования и разлета катодной плязмн на эволюцию радиального профиля РЗП. Обнаружено, что разлет катодной плазмы на поздних стадиях (t > О,S..0,7 мкс) приводит к перераспределению плотности тока з поперечном сечении РЭП и .±ормирсвакпю тонкостешюго трубчатого РЭП.

2. Развита методика расчета КЕазкстационаркых 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 пола минимумом в области транспортировки РЭП и достаточно высокой амплитудой накачки. При этом в активном ондуляторе упрощается независимая регулировка амплитуд ондуляторного и ведущего полей.

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

соответствие экспер;:ментальшх и теоретических данних.

4. Есследсвгаа дшамгсга релятивистских одоктроков в мзгшгпшх ондуляторах с резонансны:.-, ведуда« кэгш'.тншд шпек. Получек аналитические соотношения для расчета парау.етроз ондулятора, требуемых дли обеспечения зздз'шой "зггруткп" пучка. Необходимая аг.титтуда езхз'сс: в н;7£г»!с.1зтлч-?с"1т:: ондуляторах существенно низе, че;.: в сд*ла5г:;г-:бс:-:;о:. По>.зсгл>о, что для С;п::г:он::л скоростного разброса электрике? следуо? использовать еймметриткыэ ига коаксиальные конструкции олдулятолтз и :и!.::акт;и;овать РЭП в ьтинимум поперечной пг-срд^атнполя накачки.

5. Б зря&шсэнип идейного пиля пр;—сдонз т-.-орпя излучения РЭП в ондуляторе в напраьл'.-нки поперек Е^дупего ::аг:л:тлтгс поля. 3 т-тсм случае наиболее г.Сг/.:;тпснО Елекгоо%;с-л:чтные колебания на квазикситичосупн ''.ас-готам и устройство рассмгтрикатьол г-.<ротрок с накаткой- - куч;-а в пространстве взаимодействия.

с. При пглучзгГлй вдоль з сущего уапгптиогс поля реализуется механизм х.гсг.иэд^йствйн г5П с электромагнитной дслной, характерный для Ь'ГЗ ь рт::тз:е с-:.г-с.г.с^с.чсго ряссвййлч. 3 самосоглассзззясм пр;г3лпятк&и ксслиАоралсюь усиление рассояпого излучения. Показано, что « о^т-^алънпх резютах больиое усиление могзт сочетаться с внсокой мКоктигиясты-о. ■

7. Экспериментально псследолало !?злу-:екле РЭП ь ?саксиальном ондуляторе с ^едттги.; мзпгиткуу псд£.м и показало, чго генератора такого типа явллатсл п*рспект7®*ы\т1 гдя рзоог: з сантиметровом и миллиметровом д-плоонах. Рео.ызовач екс:1ер:тснтал:,ы;й образец генератора С!Л излучения на модах Н открытого коаксиального

резонатора. Зависимость генерируемся мосности от величины ведущего магнитного поля имеет явно выраженный резонансный характер. Исследовано излучение РЗП в ондуляторе при совпадении циклотронной частоты электровоз с субгармоникой баунс-частоты и показано, что в этом ренине могег быть обеспечена высокая эффективность СЗЧ генератора. "ахеималькзя мощность излучения з обоих случаях составляет около 10 МВт при длительности импульса ~ 1 мкс. длина волны излучения \ ~ 3 см. Исследована работа генератора с коаксиальным ондулятором в рейке резонзнсного рассеяния с доплс-ровским преобразованием частоты ~ 1 см). Мощность излучения, достилгл-ая з режиме усиления рассеяного излучения составляет 50...100 кВт при длительности импульса О,5...О,6 мкс. Диаграмма направленности рассеяного излучения значительно уг.е, чем при генерации на модах Нп1.

17. ЛИТЕРАТУРА:

1. Александров А.©., Веснин В.Л.. Галузо C.D. Сформирование сильноточнного трубчатого FSH кикросекундной длительности с помояью конического взрызос-миссионкого кзтеда. - Письма в ЕГО, 1989, Т.15, ЕЫП.19, с.91 -'95.

2. Александров А.О., Веснин В.Л., Галузо С.Э., Каравичез М.З. Применений взрызоэмиссионного катода с конической поверхность!? для Формирования сильноточного толстостенного трубчатого РЭП микросекунднсй длительности. - ТТО, 1992, т.62, вып.З, стр.165-173.

3. Александров А.О., Веснин В.Л., Галузо C.D., Каравичез Ü.3., Кубарев В.А., Михеев В.Б., Плетптаин З.А., Сергиенко 3.D. Изменение структуры трубчатого РЭП з канале транспортировки. -

Тезисы докладов V Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, Новосибирск 1933. Томск: ПСЗ СО /Л СССР, 19SS, ч.2, с.151-153.

4. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Галузо С.Ю., Кубарев В.А., Михеев В.В., Плетнскин В.А., Сергие-ычо В.Ю. Исследование радиального распределения плотности тока трубчатого РЭП в канале транспортировки.- Вестник Московского университета, сср.2, Физика, Астрономия, 1990, т.31, ."¿3, с.32-37.

5. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А., Черепенин В. A. Динаг.гпка релятивистских электронов в неадиабатическсм ондуляторе с ведущм магнитным полем. - Вестн. МГУ, сер.З, Физика, Астрономия, 199!, т.3.2, Je 5, с.40-45.

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

Т. Александров А.Ф., Веснин В.Л., Кубарев В.А. Коаксиальный пассивный ондулятор для накачкк врааательной скорости трубчатых релятивистских электроных пучков. - Радиотехника и 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 РЗП в устройствах на резонансной рассеянии. - -Труды Всесоюзной школы-семинара. "Физика и применение микроволн", КрасновидоЕо. 1991, ч.2, с.10-13.

I

9. Александров A.C., Веснин В.Л., Кубарев В.А., Сергиенко B.D. Активный коаксиальный ондулятор для СЗЧ устройств с