Исследование методов повышения эффективности сильноточной релятивистской лампы обратной волны тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

о г 5 о А 2 3 ОМ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи УДК 621.385.633; 621.384.66

РОЙТМАН Альберт Марсельевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛЬНОТОЧНОЙ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

01.04.04. - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-1995

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Коровин С.Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Кошелев В.И. (ИСЭ СО РАН) кандидат физико-математических наук Яландин М.И. (ИЭФ УрО РАН)

Ведущая организация: Научно Исследовательский Институт Ядерной Физики П] Томском Политехническом Университете

Защита диссертации состоится " "_1995 г.

в_часов на заседании специализированного совета Д 003.41.01 в Институте

сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр.Академический, 4, аудитория № 408

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высы по указанному выше адресу на имя ученого секретаря специализированного сов Факс: (3822)25-91-34.

Автореферат разослан"_"_

.1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук

.И .Проскуровс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

С момента своего появления в конце 60х начале 70х годов, источники мощного когерентного СВЧ-излучения нашли применение в различных отраслях науки. Это-физика плазмы, спектроскопия, физика твердого тела и др. Однако для широкого использования мощных СВЧ-генераторов при решении ряда прикладных задач, таких как радиолокация, экология, разработка и производство новых материалов, медицина, управляемый термоядерный синтез необходимо создание источников микроволнового излучения одновременно удовлетворяющих многим требованиям. В первую очередь, это должны быть генераторы с высокой импульсной мощностью, способные работать в импульсно-периодическом режиме с высокой стабильностью и большой средней мощностью.

Решение поставленной задачи возможно как по пути создания принципиально новых устройств с высокой эффективноспо преобразования энергии электронного пучка в энергию электромагнитного поля, так и путем усовершенствования уже предложенных. Развитие вычислительной техники и появившиеся возможности моделирования задач электродинамики на различных уровнях сложности делают второй вариант даже более предпочтительным.

Из широкого спектра генераторов мощного когерентного излучения, реализованных на основе сильноточных импульсно-периодических ускорителей, лампа обратной волны (ЛОВ) наиболее популярна. Это обьясняется присущей ЛОВ высокой степенью адаптивности к изменениям параметров электронного пучка, малым временем переходных процессов. Немаловажна простота конструкции ее электродинамической системы (ЭС), одновременно обеспечивающая высокую электропрочность.

Как было показано ранее на простой численной модели, эффективность энергообмена однородной ультрарелятивистской ЛОВ может достигать 15%, а с переменным сопротивлением связи до 45%.

Впервые, релятивистский генератор встречной волны был реализован в совместном эксперименте ФИ АН и НИРФИ в 1973 году. Мощность Зсм излучения составила 300-400 МВт при КПД более 12%. Годом позже аналогичные результаты были продемонстрированы в Корнельском Университете, США. В 80х годах КПД

ЛОВ удалось повысить до 30% за счет использования замедляющих структур неоднородным вдоль длины прибора распределением сопротивления связи.

Однако, разработанные до сих пор генераторы встречной волны имели ли высокую импульсную мощность микроволнового излучения (около 1ГВт) в режи однократного следования импульсов при плохой воспроизводимости СВЧ-сигнал< либо относительно низкий уровень выходной мощности (усредненная по мноп импульсам пиковая мощность составляла около 400-500 МВт).

В тоже время, как в теоретических, так и в экспериментальных исследование неучтенными остались многие факторы, такие как влияние отраженной запредельного сужения попутной волны, возможность реализации переменной вдо длины прибора фазовой скорости синхронной волны. В расчетах использовало ультрарелятивистское приближение по энергиям электронов.

Цель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальн< исследовании методов повышения эффективности сильноточной умерен релятивистской ЛОВ и создании генераторов, способных работать с высок импульсной мощностью и стабильностью.

Научная новизна

На основании анализа процессов энергообмена умеренно релятивистск классической ЛОВ показаны основные причины ограничения эффективное генерации микроволнового излучения в стационарном режиме и возможные мето; их устранения. Предложена модель неоднородной по сопротивлению связи ЛО работающей с высокой эффективностью (до 35%) на втором угле пролета электрон относительно синхронной волны.

Теоретически показано, что КПД классического генератора встречной вол! может быть повышен до 60% при использовании периодических структур одноступенчатым увеличением фазовой скорости синхронной волны. На бг сильноточного ускорителя электронов реализован двухсекционный изохронш генератор, работающий на длине волны 3.25см с выходной мощностью 500 МВт п электронном КПД 40%. Одновременно показано, что применение неоднородн! электродинамических систем снижает стабильность работы ЛОВ и усложня процесс настройки генератора.

Исследованы основные факторы и закономерности влияния отраженной запредельного сужения попутной волны на работу ЛОВ. Найдены условия, п которых наличие попутной волны вносит значительные возмущения в процео

модуляции электронного пучка и его энергообмена с обратной волной. Предложены и экспериментально продемонстрированны методы оптимизации ЛОВ по взаимодействию с попутной волной. Разработана конструкция генератора, в которой предусмотрено смещение периодической структуры от запредельного сужения в сторону коллектора. Это позволяет обеспечить предварительную модуляцию электронного пучка в поле прямой волны и благоприятное соотношение фаз наводимого в потоке ВЧ-тока и поля обратной волны. Теоретическая эффективность однородного генератора на основе ЛОВ с учетом дополнительного энергообмена с попутной волной может достигать 40%.

Показано влияние попутной волны на характер оптимального распределения фазовой скорости синхронной волны в изохронной ЛОВ. Найдена зависимость оптимального скачка фазовой скорости от параметров несинхронной волны.

Дан анализ влияния пространственного заряда электронного пучка на процессы энергообмена ЛОВ и генератора на ее основе для случая умеренно релятивистских энергий электронов. Показано, что использование периодических структур с переменной фазовой скоростью приводит к снижению критической величины поля пространственного заряда, превышение которой ведет к резкому падению КПД генератора. Этот эффект выравнивает максимально достижимые эффективности однородных и неоднородных ламп и в ряде случаев делает использование последних нецелесообразным.

Экспериментально показано заметное влияние отражений попутной волны от выхода из периодической структуры на эффективность и частоту генерации.

При использовании разработанных методов оптимизации генератора создано несколько однородных ламп, работающих на длине волны 3+3.Зсм с КПД 25% и хорошей воспроизводимостью СВЧ- импульсов. Нестабильность мощности излучения соответствовала нестабильности параметров инжектируемого пучка. Максимальная СВЧ- мощность составляла более 650 МВт.

Практическая ценность

Генераторы микроволнового излучения на основе сильноточной релятивистской ЛОВ применяются в настоящее время в ИСЭ СО РАН и Университете Нью-Мексико (США) для исследований в области СВЧ- электроники и физики твердого тела. Результаты исследований методов повышения эффективности

ЛОВ могут использоваться при разработке мощных источников когерентног излучения

Публикации и апробация результатов

Материалы по теме диссертации опубликованы в статьях [1-5], докладывалис на 8-9 Всесоюзных семинарах по релятивистской сильноточной электронш (Свердловск, 1990, 1992), 7-10 Международных конференциях по мощны электронным и ионным пучкам (Карлсруэ-1988, Новосибирск-1990, Вашингтон-199 Сан-Диего-1994), Международной конференции по Импульсной Технике (Альбукер: 1993), Международной конференции по Физике плазмы (Санта-Фе, 1994 Международном симпозиуме по электромагнитным средам EUROEM (Бордо, 1994 XVI Международном симпозиуме SPIE по разряду и электрической изоляции вакууме (Москва-Санкт-Петербург, 1994), 40 Международном симпозиуме г физической Оптике (Сан-Диего, 1995).

Структура диссертации. Диссертация состоит из трех глав, введения заключения. Обьем диссертации составляет 154 страницы, включая 104 страниц основного текста, 65 рисунков и список литературы из 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Перпая глава посвящена численному исследованию основных явлений закономерностей процессов энергообмена классической JIOB для близких используемым в экспериментах параметров релятивистского электронного пуч! (РЭП) и электродинамических систем.

Во введении дана краткая характеристика прибора и его отличительнь особенности. Показано, что решение проблемы повышения эффективное] автогенератора выливается в задачу определения электродинамических услови отвечающих реализации высокоэффективной и стабильной генерации используемом диапазоне параметров РЭП. Кратко рассмотрены основы teopi оптимальной релятивистской ЛОВ и определены вопросы, требующие дальнейша уточнения.

В п. 1.1 обсуждается численная модель, используемая для исследован! процессов энергообмена и принятые в ней упрощения. Отмечается, что несмотря i значительный прогресс в развитии вычислительной техники и методе программирования, численный эксперимент, описывающий сложные зада» электродинамики не является абсолютно адекватным реальному физическо»

эксперименту и способен скорее ответить на качественные, чем на количественные вопросы. С другой стороны, полномасштабная численная модель, приближенная к реальному эксперименту имеет ряд присущих ему недостатков, основным из которых является сложность анализа полученных результатов и выделения основных явлений и закономерностей. Подчеркивается, что настоящая диссертация не преследует своей целью отыскание точных количественных характеристик. Решаемой автором задачей было изучение основных тенденций и закономерностей процессов энергообмена, позволяющих найти методы повышения эффективности генерации в стационарном режиме для близких к используемым в экспериментах параметров РЭП. Для этих целей может быть успешно использована классическая фазовая модель, описывающая самосогласованный энергообмен между тонкостенным, моноскоростным и прямолинейным электронным потоком и возбуждаемой им электромагнитной волной. В рамках принятой модели найдены параметры электродинамической системы и РЭП, определяющие режимы работы генератора.

п. 1.2 посвящен проблеме оптимизации процессов энергообмена классической ЛОВ по ее рабочим параметрам в приближении исчезающе малого поля пространственного заряда пучка. На основании анализа качественной картины взаимодействия пучка с синхронной волной выделены общие закономерности модуляции, характерные для любой ЛОВ.

в п.п.1.2.1 решается задача оптимизации ЛОВ по длине ее электродинамической системы. Из расчетов получено, что при увеличении длины пространства взаимодействия генератора его эффективность сначала резко возрастает и достигает своего максимального значения около 0.18 при превышении стартовой длины генератора в 1.2-1.3 раза. Дальнейшее увеличение длины ЭС приводит к плавному снижению эффективности энергообмена, что связано как с происходящей инерционной перегруппировкой пучка, так и с ухудшением фазовых соотношений ВЧ- тока и поля синхронной волны. Показано, что на большой длине пространства взаимодействия, когда рабочий ток пучка превышает свое стартовое значение более чем 4-5 раз, возникают противофазные состояния ВЧ-тока и СВЧ-поля, когда электронные сгустки ускоряются электромагнитной волной. Именно ухудшение фазировки ВЧ-тока и появление областей положительной реабсорбции являются основной причиной падения КПД генератора при увеличении длины периодической системы ЛОВ. Инерционная перегруппировка пучка, сама по себе, не может вызвать падения эффективности энергообмена, если она происходит в

благоприятных фазах поля. Более того, в целом ряде случаев проце* перегруппировки пучка может играть позитивную роль, когда амплитуда ВЧ-то> снижается на участке положительной активной проводимости лампы, или, коп вновь образуемый сгусток имеет более благоприятную фазировку, чем предыдущи При превышении стартовой длины лампы более чем в 1.7-2 раза выполняют! стартовые условия генерации второй возможной моды и создаются услов1 реализации двух равноэффективных режимов стационарной генерации: на первом втором углах пролета электронов относительно синхронной волны. В обоих случа) имеет место двухгорбое распределение амплитуды поля. При равной эффективное! энергообмена режимы различаются по частоте излучения. Подобная ситуация мож< являться одной из причин нестабильной генерации.

в п.п. 1.2.2 проводится численная оптимизация ЛОВ по параметра электронного пучка, которые выбирались близкими к используемым экспериментах. Из расчетов найдено, что в приближении исчезающе малого поз пространственного заряда РЭП увеличение его энергии приводит к снижени эффективности энергообмена от 0.19 для уо= 1.6 до 0.15 в ультрарелятивистскс пределе. В расчетах отмечено снижение оптимальной величины параметра тока области умеренно релятивистских энергий электронов. Из решения зада1 оптимизации ЛОВ по импедансу вакуумного диода определены возможные причин падения эффективности генератора, полученные в ряде экспериментов.

в п. 1.3 обсуждаются методы повышения эффективности ЛОВ за сч( использования периодических структур с неоднородным распределение сопротивления связи. Предложена модель неоднородной по сопротивлению свя: лампы, работающей на втором угле пролета электронов относительно синхроннс волны. Здесь, в отличии от приборов клистронного типа, область с пониженны сопротивлением связи предусмотрена не для решения задачи эффективне группировки пучка, а для предотвращения неблагоприятного энергообмена I участке противофазных состояний ВЧ-тока и синхронного поля. В приближеш близкого к нулю поля пространственного заряда пучка это позволяет повыси' эффективность генератора до 35%.

п. 1.4 посвящен анализу возможностей создания мощных- генератор« обратной волны с переменной фазовой скоростью. Отмечается, что в силу снижен! амплитуды встречной волны в направлении распространения пучка, в ЛОВ ; удается реализовать режим захвата электронов полем усиливаемой волны. Это ;

позволяет эффективно использовать традиционные методы конструирования изохронных Черепковских генераторов, когда фазовая скорость синхронной волны подстраивается под скорость основной части электронов пучка. Показано, что характерная для однородной ЛОВ структура синхронного поля не обеспечивает эффективное торможение первоначально ускоренных электронов, что является причиной появления частиц с энергией выше стартовой. В близкой к оптимальной однородной ЛОВ доля быстрых электронов с кинетической энергией большей или равной начальной составляет около 30-35%. Сделан вывод о том, что наличие фракции электронов с высокой энергией значительно ограничивает КПД генератора. Увеличение фазовой скорости синхронной волны вдоль ЭС позволяет произвести отбор энергии у первоначально ускоренных электронов, а также улучшает фазовые соотношения переменного тока и синхронного поля, что приводит к значительному росту КПД генератора. Из решения задачи оптимизации изохронной ЛОВ в классе одноступенчатых функций найдена зависимость эффективности энергообмена от величины и координаты скачка фазовой скорости. Определено оптимальное соотношение длин секций. Проанализирована роль изменения фазовой скорости для различных длин первой секции, найдены закономерности этого Влияния. Так, в случае реализации скачка фазовой скорости в начале пространства взаимодействия ЛОВ, КПД генератора возрастает, в основном, за счет улучшения фазировки ВЧ-тока относительно синхронной волны. Если увеличение' фазовой скорости происходит в конце ЭС, то в первую очередь, решается задача эффективного торможения высокоэнергетичных электронов. В ряде случаев, фазовая скорость генерируемой волны во второй секции должна превышать скорость света для удовлетворения условий отбора энергии ускоренных в начале пространства взаимодействия частиц. Наконец, в оптимальных режимах скачок фазовой скорости происходит на первой четверти длины ЭС, его амплитуда составляет 15-20%. В этом случае, одноступенчатое увеличение фазовой скорости волны позволяет повысить КПД генератора до 65% в условиях близкой к нулю амплитуды поля пространственного заряда. С уменьшением начальной энергии электронов относительная амплитуда скачка возрастает. Полная длина пространства взаимодействия возрастает в 1.3-1.6 раз по сравнению с оптимальной однородной ЛОВ для идентичных параметров электронного пучка. Вместе с тем отмечается, что существенным недостатком неоднородных ламп является их высокая чувствительность к ■ отклонениям параметров электронного пучка и ЭС от оптимальных. Незначительное изменение

(на 5+15%) величины любого из них может приводить к срыву решения стационарно задачи ЛОВ.

в п. 1.5 обсуждаются возмущения, вносимые собственным зарядом РЭП работу умеренно релятивистской ЛОВ, путем учета влияния первой гармоник квазистатического высокочастотного поля пучка. Отмечено, что сил: пространственного заряда препятствуют образованию плотных сгустков, влияют н механизм фазировки. Как и в случае ультрарелятивистских энергий электронов, пр росте величины поля пространственного заряда эффективность генераци однородной ЛОВ плавно возрастает до 22% и затем резко падает. Рос эффективности объясняется улучшением фазировки ВЧ-тока на более протяженно участке пространства взаимодействия, причем максимально достижима эффективность уже не зависит от начальной энергии электронов. В отличии с однородной ЛОВ, в изохронном приборе рост КПД генерации с увеличение параметра пространственного заряда не отмечается. Связано это с невозможность] дальнейшего улучшения фазовых соотношений ВЧ- тока и поля. Вместе с тем, пр введении неоднородности фазовой скорости снижается критическое значет величины поля пространственного заряда, приводящее к падению эффективное! энергообмена.

в п. 1.6 сделаны основные выводы по численному исследованию классическо ЛОВ. Одновременно отмечается, что в оптимальных по энергообмену режимах I наблюдалось наличия электронов с энергиями, дающими основание предположи! появление обратного тока. Сильно заторможенные электроны выходили I синхронизма и со слабо осциллирующей скоростью смещались в сторону коллектор;

Вторая глава посвящена численному исследованию влияния отраженной с запредельного сужения попутной волны на работу умеренно релятивистской ЛОВ.

Во введении кратко анализируются причины, приведшие к недооценке рох попутной волны в процессах энергообмена. Отмечается, что влияние прямой волн может проявлятся не только в появлении дополнительного энергообмена межи электронным пучком и попутной волной, но и в изменении процессов е1 взаимодействия с синхронной ему -1ой гармоникой встречной волны из-за нарушен! характера модуляции пучка.

п.2.1 посвящен решению задачи оптимизации поцессов энергообмена ЛОВ г взаимодействию РЭП с попутной волной. Используемая для расчета классическс

ЛОВ фазовая модель дополнялась уравнениями, описывающими энергообмен с несинхронной волной. Определены основные факторы, приводящие к возможным возмущениям работы ЛОВ.

в п.п.2.2.1 рассмотрено влияние величины соотношения амплитуд основной и -1ой пространственных гармоник рабочей волны на процессы энергообмена в приборе. Выделено три характерных режима. В случае соизмеримости амплитуд участвующих во взаимодействии гармоник, улучшается характер модуляции пучка и растет эффективность генератора в режиме классической ЛОВ при незначительном дополнительном энергообмене с попутной волной. Когда амплитуда основной гармоники возрастает до некоторого критического значения, зависящего от параметров РЭП, в оптимальных режимах появляются электроны, полностью теряющие свою кинетическую энергию. Возрастает величина энергообмена пучка в режиме моногрона с бегущей волной. Наконец, при многократном превышении амплитуды основной гармоники, количество отраженных электронов резко возрастает и используемая модель не позволяет адекватно описать реализуемое состояние.

в п.п.2.1.2 анализируются результаты решения задачи оптимизации процессов энергообмена по величине начального сдвига фаз между рабочими гармониками встречной и прямой волн. Из расчетов получено, что наличие возможного сдвига фаз приводит к смещению фазы формирования электронных сгустков относительно синхронной волны. Изменение фазовых соотношений переменного тока и СВЧ-поля существенно влияет на пусковые условия генератора, эффективность энергообмена и длину волны излучения, а также может приводить к срыву режима стационарной генерации.

в п.п.2.1.3 обсуждается проблема реализации оптимальной геометрии электродинамической системы и протяженности магнитного поля, используемого для транспортировки РЭП. Показано, что изменение длины замедляющей структуры и места высадки пучка на коллектор позволяет независимо варьировать протяженности участков взаимодействия электронного пучка с прямой и обратной волной. Это создает возможность для одновременной реализации его оптимального взаимодействия с обеими • волнами. ' Смещение замедляющей структуры от запредельного сужения к коллектору позволяет осуществить предварительную модуляцию пучка в поле попутной волны и изменить фазовые соотношения ВЧ-тока и СВЧ-поля в начале пространства взаимодействия ЛОВ. В заключение отмечено,

что в оптимальных режимах расчетная эффективность энергообмена умерен релятивистского сильноточного генератора встречной волны с" однородн замедляющей структурой может достигать 40% в приближении исчезающе малс поля пространственного заряда пучка.

в п.п.2.1.4 . решается задача оптимизации влияния попутной волны по величу фазовой скорости ее основной пространственной гармоники и по начальной энерг пучка. Из расчетов получено, что оптимальный угол пролета электрон относительно прямой волны на длине периодической структуры значительно завис от величины сдвига фаз рабочих волн на входе в пространство взаимодействия, оптимальной ЛОВ он составляет 4-6я и незначительно изменяется при вариаи энергии РЭП в условиях постоянного импеданса диода. В заключении парагра обсуждаются условия, когда наличие попутной волны вносит значительн возмущения в работу умеренно релятивистской ЛОВ. В ряде случаев, роль попутн волны в процессах энергообмена оказывается сравнимой с ролью генерируем встречной волны и не может рассматриваться как малая поправка.. Лампу предусмотренным в ее конструкции отражением встречной волны в сторс коллектора следует рассматривать, в этих условиях, как прибор с комбинированы! взаимодействием. Так как подобный генератор имеет ряд специфических черт сравнению с Классической ЛОВ, его целесообразно охарактеризовать I Микроволновый Генератор на Основе Лампы Обратной Волны.

в п.2.2 проводится исследование двухсекционных изохронных генераторов основе ЛОВ. Как и в случае классической ЛОВ, одноступенчатое изменение фаз01 скорости синхронной волны позволяет повысит КПД прибора до 60% в услов! близкого к нулю поля пространственного заряда пучка. Параметры оптимальш скачка фазовой скорости существенно зависят от величины сдвига фаз волн в нач; ЭС. -

в п.2.3 приведены результаты исследования возможного влияния собствешк заряда пучка на работу прибора. Получено, что это влияние во многом оказывае аналогичным найденному ранее для случая классической ЛОВ. При использова! изохронных периодических структур снижается критическое значение параме-пространственного заряда, превышение которого ведет к резкому паден эффективности генератора. В близких к реализуемым в эксперименте условиях, 1С прибора падает до 1.5-2 раз. Соответственно, в условиях большого п пространственного заряда реализация генератора на основе ЛОВ с перемен!

фазовой скоростью оказывается малоэффективной. Наличие мощных квазистатических полей выравнивает КПД однородных и неоднородных приборов. Кроме того, использование неоднородных ЭС ведет к усложнению процесса настройки генератора и его повышенной нестабильности. Найдено, что при больших превышениях амплитуды основной пространственной гармоники волны над ее -1ой гармоникой или в случае мощных полей пространственного заряда появляется фракция электронов, полностью потерявших свою" кинетическую энергию. Существует возможность возникновения обратного тока, описание которого невозможно в рамках принятой модели. Вместе с тем, в оптимальных по энергообмену режимах количество заторможенных частиц стремится к своему минимальному значению. Показано,что эффективный генератор на основе ЛОВ может быть реализован при использовании двойного катода. Различное радиальное распределение полей пространственных гармоник позволяет обеспечить эффективную генерацию встречной волны распространяющимся вблизи к поверхности замедляющей структуры пучком и одновременное усиление попутной волны пучком меньшего диаметра.

в п.2.4 указывается на влияние отражений попутной волны от выхода лампы на ее работу. Кратко приведены и уточнены основные результаты изучения этого эффекта, проведенные научной группой Мэрилэндского Университета (США).

п.2.5 посвящен обсуждению возможной роли других несинхронных волн в процессах энергообмена между РЭП и электромагнитным полем. Расчеты показали, что в случае отсутствия сильно заторможенных электронов, наличие остальных несинхронных пространственных гармоник в пространстве прибора не приводит к заметному изменению режимов его работы.

в п.2.6 приводятся основные результаты исследования работы ЛОВ и генератора на ее основе с применением других численных моделей. Показано, что полученные автором диссертации закономерности процессов энергообмена нашли подтверждение при использовании более сложных численных моделей, в том числе полностью электромагнитных кодов Т№О01ЛСК. и КАРАТ.

в п.2.7 сделаны основные выводы по численному исследованию микроволнового генератора на основе релятивистской ЛОВ. Здесь также отмечено, что существенное изменение условий генерации в зависимости от начального сдвига фаз волн, вероятно, может быть использовано в качестве эффективного метода селекции колебаний в сверхразмерных электродинамических системах.

Глава 3 посвящена экспериментальным исследованиям работ микроволнового генератора на основе ЛОВ. Эксперименты проводились в Институ сильноточной электроники СО РАН и Университете Нью-Мексико (США).

в п.3.1 кратко описана техника проведения эксперименго Экспериментально-измерительный комплекс по исследованию релятивистсю высокочастотных генераторов включает в себя несколько элементов. Э: сильноточный ускоритель электронов, магнитная система, электродинамическ; система генератора и измерительно-вычислительный комплекс.

в п.п.3.1.1 показаны конструктивные особенности сильноточных импульсн периодических ускорителей прямого действия типа "СИНУС", позволяющ: обеспечить их высокую надежность, эффективность и стабильность параметре импульсов. Приведены параметры ускорителей, использованных в экспериментах i теме диссертации.

в п.п.3.1.2 кратко изложена конструкция импульсного соленоид] обеспечивающего продольное магнитное поле до 30 кЭ в пространст электродинамической системы генератора.

п.п.3.1.3 посвящен описанию диагностической аппаратуры для измерен! параметров РЭП и мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительност Излагаются методы измерения частотного спектра и мощности микроволново излучения. Используемые в экспериментах детектора на ВЧ-диодах и скоростш осциллографы TDS 644А и С7-19 позволяли регистрировать сигналы с временнь разрешением не хуже, чем 0.5 наносекунды. Форма огибающей СВЧ-импульо оцифровывалась и заносилась в память компьютера. С помощью PC и современно програмного обеспечения, в том числе программы "LabView", проводила комплексная обработка данных о параметрах РЭП, магнитного поля микроволнового излучения с учетом калибровки детекторов и искажения фор^ сигналов наносекундной длительности в подводящих кабелях.

в п.п.3.1.4 обсуждаются характеристики электродинамических систе применяемых при конструировании сильноточных релятивистских ЛОВ. В качест замедляющей системы генератора, наиболее оптимальным является использован цилиндрических слабогофрированных структур с синусоидальным прогибом боков поверхности. Подобные структуры обеспечивают наличие пространственн! гармоник достаточной амплитуды при слабом искажении дисперсионн]

характеристик волновода вдали от полос запирания и обладают высокой электропрочностью. Использованные в экспериментах ЭС собирались из отдельных элементов, так что была возможность смещения периодической структуры от запредельного сужения к коллектру, а также изменения ее длины и электродинамических характеристик.

в п.3.2 приводятся экспериментальные результаты оптимизации работы генератора по длине однородной периодической структуры и импедансу вакуумного диода. Исследования повторялись для различных параметров сопротивления связи и напряженности транспортирующего магнитного поля. При увеличении длины замедляющей структуры наблюдался быстрый рост эффективности энергообмена до 18% и ее последующее плавное падение. В экспериментах было замечено влияние отражений попутной волны от выхода из периодической структуры на эффективность и частоту генерации, выражающееся в слабых осцилляциях мощности и частоты излучения при изменении длины ЭС. Эти и другие результаты подтверждают выводы, сделанные в численных расчетах.

в п.3.3 исследуется возможность создания высокоэффективного изохронного генератора встречной волны. Скачок фазовой скорости обеспечивался изменением периода гофрировки. Глубина гофрировки подбиралась таким образом, чтобы обеспечить постоянное сопротивление связи. В экспериментах реализован двухсекционный изохронный генератор, работающий на длине волны 3.25 см с выходной мощностью 500 МВт при электронном КПД 40%. Одновременно показано, что применение неоднородных периодических структур снижает стабильность работы ЛОВ и усложняет процесс настройки генератора.

п.3.4 посвящен оптимизации однородного генератора на основе ЛОВ по взаимодействию РЭП с попутной волной.

в п.п.3.4.1 приведены результаты экспериментов по изменению координаты вывода пучка из пространства взаимодействия при фиксированной геометрии однородной периодической структуры. Зарегистрированные в эксперименте колебания выходной мощности соответствуют предсказываемому в численных расчетах дополнительному энергообмену пучка в режиме монотрона с бегущей волной.

в п.п.3.4.2 обсуждаются результаты экспериментов по исследованию роли попутной волны в процессах модуляции пучка. В этой серии экспериментов получена зависимость мощности и частоты излучения от величины смещения периодической

структуры от запредельного сужения в сторону коллектора и от геометрии облас запредельного сужения. Амплитуда осцилляций выходной мощности составля более 500%, а частоты 3-4%. Период изменения мощности и частоты излучен соответствовал изменению соотношения фаз обратной и попутной волны на 2л входе в периодическую структуру. При смещении замедляющей системы наблюдал периодический срыв режима стационарной генерации. В другой сер; экспериментов, изменялось местоположение отражательного кольца в выходш тракте генератора, для дополнительного исследования роли отражений генерируем! волны от выхода лампы. В этом случае амплитуда осцилляций мощности и частот излучения оказалась значительно ниже. Из сравнения результатов обеих сер! экспериментов сделан вывод о существенном влиянии величины начального сдви фаз участвующих во взаимодействии гармоник на процессы модуляции пучка и а энергообмена с комбинационным полем.

в п.п.3.4.3 на основании результатов численных и экспериментальнь исследований основных закономерностей процессов энергообмена выработан практические рекомендации по конструированию мощных СВЧ-генераторов I основе ЛОВ. Отмечено, что при использовании разработанных методов оптимизацр генератора создано несколько однородных ламп, работающих на длине волны 2 3.3см с КПД 25% и хорошей воспроизводимостью СВЧ-импульсов. Нестабильное! мощности излучения соответствовала нестабильности параметров инжектируемо1 пучка. Максимальная мощность СВЧ-излучекия составляла 650 МВт. ,

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Положения, выносимые на защиту

1. Эффективность релятивистской лампы обратной волны в условиях близког к нулю поля пространственного заряда пучка может быть повышена до 60% пр использовании периодических структур с одноступенчатым увеличением фазово скорости синхронной волны.

2. Использование электродинамических систем с переменной фазово скоростью приводит к снижению критической величины поля пространственног заряда, превышение которой ведет к резкому падению КПД генератора.

3. Попутная волна, отраженная от запредельного сужения генератора, може значительно влиять на работу релятивистской ЛОВ. В расчетах показано, чт<

эффективность однородного генератора на основе ЛОВ, с учетом дополнительного энергообмена с попутной волной, может достигать 40%.

4. На базе сильноточного ускорителя электронов впервые реализован двухсекционный изохронный генератор, работающий на длине волны 3.25 см с выходной мощностью 500 МВт при электронном КПД 40%. За счет оптимизации процессов энергообмена ЛОВ по взаимодействию с попутной волной реализовано несколько однородных ламп, работающих с КПД 25% и хорошей воспроизводимостью СВЧ-импульсов. Максимальная мощность излучения составляла 650 МВт.

Публикации автора по теме диссертации:

1. Гунина Н.И., Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M., Христенко В.Я., Релятивистский черенковский генератор со стержневым резонатором.- Письма в ЖТФ, 1988, т.14, вып. 15, с.1425-1428.

2. Быков Н.М., Иванов В.Н., Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M., Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой повторения 1 кГц,-Приборы и Техника Эксперимент®^ N2, 1991, с. 38-40.

3. Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M., Ростов J3.B., Релятивистская ЛОВ с переменной фазовой скоростью - Письма в ЖТФ, 1992, т. 18, N.8, с. 63-67.

4. Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M., Ростов В.В., Влияние попутной волны на работу релятивистской ЛОВ - Письма в ЖТФ, 1994, t.20,N.1,c. 12-16.

5. L.D.Moreland, E.Schamiloglu, R.W.Lemke, S.D.Korovin, V.V.Rostov, A.M.Roitman, K.J.Hendricks and T.A.Spencer. Efficiency Enhancement of High Power Vacuum BWOs Using Nonuniform Slow Wave Structures.- IEEE Trans, on Plasma Science., vol.22, No.5, 1994, p. 554-565.

6. Gunina N.I., Korovin S.D., Polevin S.D., Roitman A.M. Powerful millimeter-wave range Cerenkov oscillator based on a high-current electron beam.- Proc. 7-th Int. Conf. on High Power Particle Beams (BEAMS'88), Karlsruhe, 1988, p. 1330-1334.

7. Bykov N.M., Gubanov V.P., Gunin A.V., Korovin S.D., Mesyats G.A., Polevin S.D., Roitman A.M., Rostov V.V., Smorgonsky A.V., Yakuchev A.F. Relativistic periodically-pulsed microwave oscillators.- Proc. 8-th Int. Conf. on High Power Particle Beams (BEAMS'90), Novosibirsk, 1990, p. П41-1146.

8. Быков Н.М., Иванов В.Н., Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M. Сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой повторения 1 кГц. VIII Всес. симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов, ч. 2 Свердловск, 1990, с. 65-67.

9. Коровин С.Д., Полевин С.Д., Ройтман A.M., Ростов В.В., Релятивистска ЛОВ с переменной фазовой скоростью. - IX Всес. симпозиум по .сильноточно: электронике. Тезисы докладов. Свердловск, 1992, с. 129-130.

10. Korovin S.D., Poievin S.D., Roitman'A.M., Rostov V.V. Relativistic BWO wit Inhomogenous Phase Velocity.- Proc. 8-th Int. Conf. on High Power Particle Beam (BEAMS'92), Washington D.C, 1992, p. 1580-1585.

]J. Korovin S.D.,Pegel I.V., Poievin S.D., Roitman A.M., Rostov V.V. Efficienc Increase of Relativistic BWO.- Proc. 9-th IEEE Pulsed Power Conf., Albuquerque, 199: p.392-395.

12. Moreland L.D., Roitman A.M., Schamiloglu E. and Lemke R.W. Power an Frequency Measurements from a Uniform Backward Wave Oscillator as a Function с Length.-Abstr. Int. Conf. on Plasma Science "ICOPS'94", Santa Fe, 1994, p. 193.

13. Roitman A.M., Moreland L.D., Schamiloglu E. and Lemke "R.W. A Hig Efficiency Relativistic Backward Wave Oscillator.-Abstr. Int. Conf. on Plasma Scienc "ICOPS'94", Santa Fe, 1994, p. 194.

14. Lemke R.W., Moreland L.D., Schamiloglu E., Roitman A.M. and Pegel 1Л Numerical Simulation of Backward Wave Oscillators having Nonuniform Amplitude Slo' Wave Structure.-Abstr. Int. Conf. on Plasma Science "ICOPS'94", Santa Fe, 1994, p. 195.

15. Korovin S.D.,Pegel I.V., Poievin S.D., Roitman A.M., Rostov V.V, Bratma V.L., Denisov G.G., Smorgonsky A.V. High Power microwave Cerenkov oscillators wil high current relativistic electron beams. -Proc. 16th Int. SPIE Symp. on Discharges ar Electrical Insulation in Vacuum., 1994, vol. 2259, p. 506.

16. Roitman A.M., Korovin S.D., Poievin S.D., Rostov V.V. Moreland L.E Schamiloglu E. A high power microwave generator based on a relativistic BWO.- Pro SPIE's International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentatio 40th Annual Meeting, San Diego, 1995.