Квазиоптические компрессоры мощных микроволновых импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

4849541

На правах рукописи

ВИХАРЕВ Александр Анатольев от

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ КОМПРЕССОРЫ МОЩНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ИМПУЛЬСОВ

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

В ИЮН 2011

Нижний Новгород - 2011

4849541

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук С.В. Кузиков

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

С. В. Самсонов

кандидат физико-математических наук Г.Д. Богомолов

Ведущая организация

Институт электрофизики УрО РАН

Защита состоится 27 июня 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики Российской академии наук.

Автореферат разослан «¡¿у> 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук,

профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предмет исследования и актуальность темы

В настоящее время приборы вакуумной СВЧ-электроники, как источники когерентного микроволнового излучения большой мощности, используются в различных областях науки и техники, таких как: управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорители частиц, радиолокация и связь, плаз-мохимический синтез и микроволновая обработка материалов. Наиболее яркие примеры - применение гиротронов в установках УТС [1], клистронов - в ускорителях заряженных частиц [2], магнетронов - в установках плаз-мохимического синтеза и модификации материалов [3]. В некоторых из перечисленных областей (ускорительная техника, радиолокация) применяются также компрессоры СВЧ-импульсов, позволяющие увеличивать мощность электромагнитного излучения за счет укорочения длительности импульса.

Существуют два типа компрессоров - пассивные и активные. В пассивных компрессорах сжатие микроволнового импульса происходит при его прохождении через диспергирующую среду. Принцип действия пассивного компрессора [4] на основе отрезка полого металлического волновода поясняется на Рис. 1. Групповая скорость электромагнитной волны в цилиндрическом волноводе зависит от частоты. Если на вход волновода подается СВЧ-импульс с частотной модуляцией, то разные спектральные участки этого импульса распространяются со своими групповыми скоростями. Подбором частотной модуляции и длины волновода можно добиться того, что различные спектральные компоненты достигнут выхода волновода одновременно. В результате импульс вырастет по амплитуде при соответствующем сокращении длительности. Полый металлический волновод обладает сильной частотной дисперсией только вблизи его критической частоты. Это, во-первых, затрудняет согласование таких компрессоров с внешними трактами, а во-вторых, из-за неквадратичного закона дисперсии, затрудняет достижение высокой эффективности компрессии. Поэтому в качестве диспергирующей среды в некоторых случаях используется волновод с постоянной или меняющейся по определенному закону гофрировкой поверхности [4-6].

В ускорительной технике более широкое распространение получили пассивные компрессоры, увеличение мощности в которых достигается за счет сжатия прямоугольного импульса при быстром изменении на 180 градусов фазы СВЧ-излучения, возбуждающего резонатор или резонансную линию задержки [7, 8].

Рис. 1. Пассивный компрессор на основе отрезка гладкого волновода: а) волновод; б) входной сигнал - СВЧ-импульс с частотной модуляцией; в) распространение спектральных компонент импульса в зависимости от времени; г) сжатый импульс на выходе волновода

Известные пассивные компрессоры такого типа SLED [7] и SLED-II [8] были разработаны в Стэндфордском ускорительном центре (SLAC). Система компрессии SLED использует в качестве накопителя энергии на частоте 2,86 ГГц два идентичных цилиндрических резонатора, объединенных трех-децибельным направленным ответвителем. Излучение от СВЧ-источника поступает на вход 3-дБ направленного ответвителя, делится в нем на два потока со сдвигом фазы друг относительно друга в Ар = 90° и через отверстия связи запитывает два идентичных резонатора. Отраженные от диафрагмы сигналы взаимно компенсируются во входном и складываются в выходном плече трехдецибельного ответвителя. Когда излучение в резонаторах накопится, фаза входного сигнала инвертируется на величину Д<р = 180° градусов. При этом волна, вытекающая из резонатора, складывается в фазе с сигналом, отраженным от диафрагмы, увеличивая мощность выходного СВЧ-излучения. Предельный коэффициент усиления по мощности при таком методе компрессии составляет 9 раз, однако эффективность сжатия невелика. Максимальная мощность сжатого импульса, которая была получена в экспериментах с пассивным компрессором SLED на частоте 2,86 ГГц, составила 390 МВт при коэффициенте усиления по мощности равном всего 2,6, но с относительно высокой эффективностью (50%) [9].

Одна из наиболее эффектных модификаций компрессора SLED - VPM основана на использовании единственного резонатора - открытого бочкообразного резонатора, возбуждаемого на моде «шепчущей галереи» [10, 11]. С помощью такой системы компрессии, не требующей, в отличие от оригинальной системы SLED дополнительных развязок, были получены сжатые импульсы мощностью до 150 МВт на частоте 11,4 ГГц при коэффициенте усиления по мощности равном 3,1 [12]. Дальнейшее увеличение выходной мощности ограничено электропрочностью системы отверстий связи, с помощью которой возбуждалась рабочая мода «шепчущей галереи».

Одним из основных недостатков системы SLED и ее модификаций является экспоненциальная форма сжатого импульса. Система компрессии SLED-II, являющаяся развитием системы SLED, использует две длинных

резонансных линии задержки, Рис. 2. Вывод энергии из компрессора осуществляется за время двойного пробега волны по линии задержки, поэтому система компрессии SLED-II обеспечивает такую форму сжатого импульса, при которой потребляемая (наибольшая) часть выходного излучения имеет постоянную амплитуду и фазу. Длина линии L определяется заданной длительностью этого участка импульса г, под который разрабатывается система: L = КфТ/2, где Frp - групповая скорость волны в линии. Энергия в течение большей части длительности исходного импульса (Т— т) накапливается в резонансных линиях задержки, а затем в течение времени порядка т выводится в нагрузку после быстрого (в масштабе т) изменения фазы входного сигнала на величину 180° градусов. Максимальная мощность сжатого импульса, которая была получена в системе пассивной компрессии SLED-II на частоте 11,4 ГГц, составлял а 580 МВт при коэффициенте усиления по мощности равном 3 [13].

Рис. 2. Компрессор БЬЕО-И: 1 - 3-дБ направленный ответвитель, 2 - диафрагмы связи, 3 - линии задержки, 4 - настройка частоты

Активные компрессоры СВЧ-импульсов при тех же габаритах, что и пассивные компрессоры, позволяют в принципе достичь более высоких коэффициентов усиления по мощности при сохранении высокой эффективности [14, 15]. Метод активной компрессии основан на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном резонаторе, где интенсивности полей могут многократно превышать интенсивность поля в исходном импульсе, и ее последующем быстром выводе в нагрузку с помощью коммутатора (переключателя), модулирующего добротность резонатора. Большой коэффициент сжатия, высокая пиковая мощность и эффективность компрессии делают активные СВЧ-компрессоры весьма привлекательными для использования в линейных ускорителях заряженных частиц.

Известен достаточно большой цикл работ, посвященных активной компрессии в диапазоне длин волн от 3 см до 100 см, в которых для накопления СВЧ-энергии использовались объемные резонаторы на основе одномодо-вых волноводов, а для вывода энергии (модуляции добротности) применялись интерференционные коммутаторы - электрически управляемые или работающие на самопробое волноводные Н-тройники [16-23], Рис. 3.

4

1 2 > 1 |_5

Рис. 3. Схемы компрессоров на основе одномодовых волноводов и интерференционного коммутатора. 1 - накопительный резонатор, 2 - Н-тройник, 3 - газоразрядный ключ, 4 - выходной волновод

В интерференционном коммутаторе, выполненном на одномодовом волноводе с разрядным промежутком в короткозамкнутом плече, в режиме накопления энергии возникает стоячая электромагнитная волна. Узел этой волны так расположен относительно выходного плеча тройника, что обеспечивает слабую связь с нагрузкой. Для переключения резонатора в режим вывода СВЧ-энергии создается электрический разряд с высокой концентрацией электронов на расстоянии Л/4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника. Появление плазмы приводит к резкому изменению картины стоячих волн в выходном плече коммутатора, что обеспечивает быстрый вывод СВЧ-энергии к нагрузке. Разряд может создаваться как в кварцевой трубке, так и непосредственно в объеме резонатора. При этом плазма образуется или под воздействием электромагнитных полей в резонаторе (самопробой), или инициируется с помощью внешнего источника высоковольтного напряжения.

При переходе от накопительных резонаторов с размерами, сравнимыми с длиной волны, к сверхразмерным резонаторам в таких активных компрессорах удалось увеличить коэффициент усиления по мощности до 10-30 раз за счет уменьшения омических потерь и, соответственно, увеличения нагруженной добротности резонатора [23]. Однако, используемый в компрессоре интерференционный коммутатор, обеспечивающий связь сверхразмерного резонатора с выходным трактом с помощью одномодового прямоугольного волновода, ограничивал минимальную достижимую добротность резонатора в режиме вывода энергии. Поэтому значительная доля энергии не выводилась из резонатора. В результате в экспериментах на длинах волн 3-см и 10-см при возбуждении таких компрессоров была получена эффективность компрессии не более 45% [22]. Для применения компрессоров в линейных ускорителях заряженных частиц приемлемое значение КПД компрессии составляет не менее 60% [24].

Для получения мощных сжатых импульсов с высокой эффективностью компрессии в другом цикле работ, выполненных в ИПФ РАН, было предложено использовать в активных компрессорах сверхразмерные цилиндрические резонаторы, возбуждаемые на осесимметричных модах типа ТЕ0п, имеющих низкие омические потери, а вывод энергии осуществлять с помощью электрически управляемого рефлектора в виде скачкообразного

расширения круглого волновода [25-28]. В работах [25-28] компрессор представлял собой секцию сверхразмерного волновода круглого поперечного сечения на рабочей моде ТЕ0ь ограниченную с одной стороны брэг-говским рефлектором, а с другой - управляемым коммутатором. Излучение СВЧ-генератора поступало в накопительный резонатор через входной брэг-говский рефлектор [29, 30], а выводилось - через второй выходной рефлектор. В скачкообразном расширении круглого волновода помещались одна или две газоразрядные кварцевые трубки, имеющие форму кольца с внешним диаметром равным диаметру расширенного волновода. Трубки на диаметрально противоположных концах кольца имели электроды, выходящие через отверстия в боковых стенках из переключателя. При подаче на электроды высоковольтных импульсов и появлении плазмы в трубках резонансная кривая переключателя смещалась в область рабочей частоты компрессора, что обеспечивало необходимое увеличение коэффициента пропускания и вывод СВЧ-излучения из накопительного резонатора.

Наилучшие результаты в этой системе компрессии были получены при переходе от одноканальной схемы (без развязки) к двухканальной с использованием трехдецибельного направленного ответвителя для развязки между СВЧ-источником и компрессором (Рис. 4). В данной конструкции каждый канал представлял собой одноканальный компрессор на моде ТЕ0] круглого волновода. Переключение компрессора из режима накопления энергии в режим вывода осуществлялось с помощью электрически управляемых переключателей на основе скачкообразного расширения цилиндрического волновода, которые служили объединенным элементом ввода-вывода СВЧ-энергии. С помощью двухканального компрессора с объединенным элементом ввода-вывода энергии были получены сжатые импульсы мощностью 53 МВт и длительностью 60 не на частоте 11,4 ГГц. При этом коэффициент усиления по мощности равнялся 11, а эффективность компрессии достигала 56% [28].

Рис. 4. Схема активного двухканального компрессора: 1 - СВЧ-генератор, 2 - согласованная нагрузка, 3 - 3-дБ делитель мощности, 4- первый канал компрессора, 5 - второй канал компрессора, 6 - преобразователь моды ТЕ0Ь 7 - входной и выходной электрически управляемый рефлектор, 8 - накопительный резонатор, 9 - рефлектор, 10-фазовращатель

Несмотря на значительный прогресс, компрессоры с плазменными коммутаторами в 3-см диапазоне длин волн имеют КПД и коэффициент усиления по мощности, все еще далекие от необходимых для использования этих активных компрессоров в линейных ускорителях заряженных частиц. Ограничение выходной мощности и КПД компрессоров связаны, прежде всего, с разрядными явлениями (самопробой), возникающими в плазменном переключателе на основе скачкообразного расширения цилиндрического волновода [31], а также с недостаточно высокой омической добротностью накопительных резонаторов из-за потерь в переключателе. Отмеченные проблемы усиливаются при использовании такого рода конструкций активных компрессоров на более коротких длинах волн. Для создания активных компрессоров, в частности, в миллиметровом диапазоне длин волн, где имеются мощные источники СВЧ, например, магникон [32,33], необходима разработка новых компонентов [34], коммутаторов и систем компрессии с использованием методов квазиоптики [35-39]. В этом диапазоне длин волн используются квазиоптические волноводные тракты, в которых распространение электромагнитных волн осуществляется в виде гауссовых волновых пучков и собственных мод сверхразмерных волноводов. Для эффективного переключения таких волновых пучков также естественно использовать квазиоптические коммутаторы, а компрессоры создавать на основе сверхразмерных, в частности, многозеркальных накопительных резонаторов. Такие компрессоры обладают определенными преимуществами по сравнению с компрессорами на основе волноводных накопительных резонаторов. В многозеркальном резонаторе путем селекции мод можно обеспечить эффективное подавление всех паразитных колебаний при сохранении высокой добротности рабочего колебания. Коммутатор в этом случае становится распределенным, следовательно, можно снизить напряженность поля на нем, что уменьшает вероятность высокочастотного пробоя.

Применение квазиоптических резонаторов достаточно подробно анализировалось в последнее время в целях создания пассивных компрессоров микроволновых импульсов [40-44]. В таких пассивных компрессорах, например, на основе трехзеркального накопительного резонатора, элемент связи (гофрированное металлическое зеркало [41, 42]) обеспечивает связь резонатора с входным и выходным волновыми пучками (Рис. 5). Сжатие СВЧ-импульса достигается, как и в компрессоре SLED, за счет переворота фазы на 180 градусов во входном импульсе или за счет частотной модуляции исходного импульса. Такие компрессоры исследовались на низком уровне мощности на частоте 34 ГГц [41,42].

Для исследований компрессоров на основе многозеркальных резонаторов на высоком уровне мощности предлагалось использовать мощный СВЧ-усилитель - магникон на частоте 34 ГГц. Однако магникон из-за узкой полосы усиления не обладает возможностью быстро изменять на 180 градусов фазу своего излучения или создавать частотно-модулированные им-

пульсы с достаточно высокой скоростью перестройки частоты. По этой причине разработанные для экспериментов с магниконом пассивные компрессоры микроволновых импульсов оказались не востребованными до настоящего времени.

Рис. 5. Схема пассивного компрессора на основе трехзеркального резонатора: 1 — переход с прямоугольного на круглый волновод, 2- рупор, преобразующий ТЕц моду в гауссов пучок, 3-передающее зеркало, С - трехзеркальный резонатор, cor - гофрированное зеркало, sf - фокусирующие зеркала

Эффективная компрессия импульсов источников излучения с недостаточно широкой полосой усиления, таких как магникон, все же представляется возможной. Для этого требуется разработка активного коммутатора-фазовращателя (как отдельного, самостоятельного элемента) с целью создания фазовой модуляции (в частности, скачкообразного изменения фазы на 180°) во входном для компрессора СВЧ-импульсе. Эта задача решалась при выполнении данной диссертационной работы.

Создание электрически управляемых коммутаторов, модулирующих добротность многозеркальных накопительных резонаторов, для активных компрессоров СВЧ-импульсов мм-диапазона длин волн до настоящего времени обсуждалось в ограниченном числе работ [45-47]. Предлагаемые в этих работах распределенные активные коммутаторы с использованием набора диэлектрических трубок являются технически трудно реализуемыми из-за неоднородности стенок и прогиба тонких и длинных трубок. Поэтому для создания квазиоптических компрессоров необходима разработка и исследование новых коммутаторов, эффективно работающих в коротковолновом диапазоне длин волн.

Целью настоящей диссертационной работы являются:

1) разработка и исследование новых коммутаторов для переключения направления распространения волнового пучка или изменения фазы СВЧ-излучения большой мощности на основе:

- распределенных дифракционных решеток с изменяемыми параметрами за счет создания плазмы в каналах решетки;

- резонаторов и решеток, содержащих полупроводник, переключаемый оптическим излучением за счет эффекта индуцированной фотопроводимости;

- резонаторов с модулированием добротности путем инжектирования электронного пучка;

2) создание и исследование на основе разработанных переключателей активных квазиоптических компрессоров СВЧ-импульсов;

3) разработка эффективных пассивных компрессоров СВЧ-импульсов на основе компактных накопительных резонаторов;

4) создание и исследование необходимых вспомогательных электродинамических компонентов СВЧ-компрессоров (устройств ввода-вывода излучения, поворотов, нагрузок, дистанционно управляемых волноводных переключателей и фазовращателей).

Научная новизна работы

В диссертационной работе получены следующие новые результаты.

Созданы новые коммутаторы СВЧ-излучения:

- на основе диэлектрической пластины, позволяющей изменять параметры дифракционного излучения за счет создания плазмы в пазах диэлектрика,

- на основе индуцированной фотопроводимости путем облучения кремниевого диска лазерным излучением,

- на основе резонатора с модулированной добротностью путем внесения в резонансный объем электронного пучка.

На основе коммутатора в виде дифракционной решетки реализован компрессор импульсов на частоте 34 ГГц с трехзеркальным резонатором, позволяющим работать на мультимегаваттном уровне мощности.

Создан компактный пассивный компрессор СВЧ-импульсов, основанный на линии задержки, работающей на комбинации осесимметричных электропрочных мод, обладающих малыми омическими потерями.

Созданы высокоэффективные повороты на моде ТЕ01 волновода круглого поперечного сечения, дистанционно управляемые фазовращатель и вол-новодный переключатель мощности.

Положения, выносимые на защиту

1. Дифракционная решетка, состоящая из диэлектрической пластины, расположенной над плоским металлическим зеркалом, параметры которой изменяются за счет создания газоразрядной закритической плазмы в пазах диэлектрика, позволяет в сантиметровом диапазоне длин волн эффективно коммутировать потоки СВЧ-излучения мегаваттного уровня за времена ~10 не. Дифракционная решетка такого типа, состоящая из кварцевой пластины и плоского металлического зеркала, может быть использована в качестве эффективного фазовращателя с регулируемой величиной сдвига фазы отраженной волны за счет изменения расстояния между пластиной и зеркалом.

2. Использование коммутатора, состоящего из пластины кремния, расположенной на поверхности плоского металлического зеркала, позволяет

10

эффективно управлять фазой СВЧ-излучения сантиметрового диапазона длин волн за счет создания в полупроводнике фотопроводящего слоя, возникающего при воздействии лазерного излучения с энергией кванта порядка ширины запрещенной зоны и плотностью излучения не менее 0,25 мДж/см2.

3. Метод последовательного преобразования осесимметричных мод TEoi, ТЕо2 и ТЕоз позволяет создать компактный пассивный компрессор импульсов. Прибор содержит единственную линию задержки и не требует развязки с СВЧ-источником, что существенно повышает электрическую прочность по сравнению с существующим компрессором SLED-II, имеющим две линии задержки и развязку в виде одномодового 3-дБ направленного ответвителя.

4. В трехсантиметровом диапазоне длин волн на основе 3-дБ ответвите-лей, работающих на низшей моде волновода прямоугольного поперечного сечения, могут быть созданы высокоэффективные, дистанционно управляемые переключатели и фазовращатели СВЧ-излучения, пригодные для работы на мощностях до сотен мегаватт.

Научная и практическая значимость

Исследованные в диссертационной работе компрессоры СВЧ-импуль-сов, их компоненты, включая коммутаторы СВЧ-излучения, представляются перспективными для применения в различных экспериментальных работах. Ожидается, что основные применения будут связаны с созданием нового поколения линейных электрон-позитронных коллайдеров, радиолокаторов с высокой разрешающей способностью, импульсной широкополосной спектроскопией на основе внешней модуляции излучения, а также с построением линий передачи мощного микроволнового излучения.

Компрессор СВЧ-импульсов на основе трехзеркального резонатора с активной дифракционной решеткой в качестве коммутатора использовался в экспериментах по сжатию импульсов магникона на частоте 34 ГГц в физической лаборатории Йельского университета.

Быстродействующий квазиоптический фазовращатель на основе индуцированной фотопроводимости в кремнии на частоту 30 ГГц был изготовлен совместно с ЗАО НПП «Гиком» по контракту с CERN.

Волноводный переключатель и фазовращатель СВЧ-излучения 12 ГГц частоты с дистанционным управлением применяется на высоком уровне мощности в стенде «Two beam Test-stand» в CERNe в экспериментах по тестированию компонентов будущего коллайдера CLIC.

Система ввода-вывода мощности на осесимметричной волне на частоте 30 ГГц использовалась в ОИЯИ на выходе мазера на свободных электронах (МСЭ) в экспериментах по изучению импульсного СВЧ-нагрева и деградации металлов.

Публикации и апробация результатов

Материалы диссертации были опубликованы в работах [А1-А23], среди которых 9 статей в реферируемых журналах из списка ВАКа. Результаты работы докладывались автором или соавторами на семинарах ИПФ РАН, на научных конференциях по радиофизике ННГУ в 2004 и 2005 годах, на всероссийском школе-семинаре МГУ «Физика и применение микроволн» в 2005, на российско-германских семинарах по гиротронам и нагреву плазмы, на международных конференциях по миллиметровым волнам: Strong Microwaves in Plasmas (SMIP) в 2005, International Conference on Infrared and Millimeter Waves и International Conference on Terahertz Electronics в 2007, Strong Microwaves Sources and Applications (SMSA) в 2008, на международных конференциях по ускорителям: Linear Accelerator Conference (LINAC) в 2004, European Particle Accelerator Conference (EPAC) в 2006, Particle Accelerator Conference (РАС) в 2007.

Личный вклад автора

Все приведенные в диссертации теоретические исследования, численные расчеты и экспериментальные работы проведены либо автором лично, либо при его непосредственном участии. Большая часть численных расчетов, на основе которых изготавливались конкретные устройства, были выполнены автором лично. При разработке активной дифракционной решетки и основанного на ней компрессора СВЧ-импульсов [Аб, А8, А13, А23], автор провел численное моделирование и принимал непосредственное участие в экспериментах по испытаниям коммутатора и компрессора на низком и на высоком уровнях мощности, а также выполнил обработку и анализ результатов численного моделирования и экспериментальных данных.

В работе, посвященной исследованию эффекта индуцированной фотопроводимости в кремнии при его облучении лазерным излучением, автором проведено численное моделирование эффекта. Автор принимал непосредственное участие в экспериментах по проверке эффекта на различных типах полупроводников, а также при испытании СВЧ-фазовращателя на низком уровне СВЧ-мощности на частоте 30 ГГц. Опубликованные работы [Al, A4, А20, А21] написаны в соавторстве с сотрудниками, принимавшими участие в выполнении исследований. Автор осуществлял численное моделирование коммутатора на основе резонатора, выводимого из резонанса электронным пучком [А5, А22].

В исследовании компактного компрессора СВЧ-импульсов на основе многомодовой линии задержки [А2, А10, А12, А14, А16, А18], автором были проведены как численное моделирование, так и экспериментальное исследование на низком уровне СВЧ-мощности. В задаче об увеличении эффективности активных компрессоров импульсов за счет использования

многомодовых резонаторов [А19] автором было выполнено математическое моделирование.

В разработках эффективных поворотов волноводной линии передачи на моде ТЕ01 круглого сечения [АЗ, А7, А11, А15, А17], а также эффективных аттенюатора мощности и фазовращателя с использованием 3-дБ направленных ответвителей [А9], автором были проведены численное моделирование и экспериментальные исследования устройств на низком уровне мощности.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 154 страницы, включая 156 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 94 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе рассматриваются квазиоптические коммутаторы, способные изменять фазу волны или направление распространения СВЧ-излучения. Такие коммутаторы нашли применение в созданных квазиоптических компрессорах СВЧ-импульсов как пассивного, так и активного типов, описанных в главе 2.

Во введении к первой главе обобщаются требования, предъявляемые к коммутаторам для их работы в составе компрессоров СВЧ-импульсов. Отмечено, что время переключения коммутаторов должно быть мало по сравнению с длительностью выходного импульса компрессора. Для работы на высоком уровне СВЧ-мощности коммутаторы должны иметь высокую электрическую прочность, которая может быть достигнута при их разработке с использованием методов квазиоптики. Также коммутаторы должны обладать высокой эффективностью, т.е. обеспечивать низкий уровень омических и дифракционных потерь.

В разделе 1.1 описываются результаты исследований электрически управляемой дифракционной решетки (Рис. 6), состоящей из диэлектрической пластины, расположенной над плоским металлическим зеркалом. Идея коммутатора в виде отражающей дифракционной решетки основана на разделении падающего волнового пучка на несколько вторичных пучков, различающихся интенсивностью и направлением распространения. В рассматриваемой решетке изменение ее параметров происходит за счет создания плазмы в газоразрядных каналах внутри диэлектрика. Изменение параметров решетки приводит к изменению отношения интенсивностей отражающихся от решетки пучков.

Рис. 6. Дифракционная решетка: 1 - металлическое зеркало, 2 - диэлектрическая пластина с периодическими пазами

Приводятся результаты расчетов методом FDTD нескольких дифракционных решеток с диэлектрическими пластинами из различных материалов: полистирола, кварца, кварца и тефлона. Показано, что при создании плазмы с концентрацией электронов в диапазоне от 1013 см"3 до 1014 см"3 доля мощности СВЧ-излучения на частоте 34 ГГц, ответвляемая решеткой в направлении дифракционного максимума, может изменяться от 8 до 70%. Параметры изготовленных решеток измерялись на экспериментальном стенде на низком уровне СВЧ-мощности. Проведено сравнение результатов экспериментов с расчетом.

В расчетах показана возможность использования дифракционной решетки, имеющей, например, кварцевую пластину, для переключения фазы СВЧ-излучения, отраженного в зеркальном направлении. Приводятся результаты экспериментов по испытаниям дифракционной решетки с кварцевой пластиной на частоте 34 ГГц. Показано, что при небольшом угле падения СВЧ-излучения на решетку, при электрическом векторе падающей волны параллельном каналам решетки (ТЕ-поляризация) и при создании плазмы с концентрацией электронов, превышающей критическую концентрацию Ne >10псм"3, величина фазового сдвига, регулируемая расстоянием между кварцевой пластиной и металлической зеркалом, может быть получена равной 180°.

Раздел 1.2 посвящен исследованию СВЧ-коммутатора, активный элемент которого представляет собой пластину полупроводника, размещенную на поверхности металлического зеркала (Рис. 7).

лазерное излучение

трО 1Ь|0

Рис. 7. Квазиоптический коммутатор фазы: 1 - рупор, 2 - плоское медное зеркало, 3- кремниевый диск, 4-фокусирующее медное зеркало, 5-линза

Переключение фазы электромагнитного излучения в волновом пучке достигается за счет создания в полупроводнике фотопроводящего слоя лазерным излучением с энергией кванта равной ширине запрещенной зоны в полупроводнике. В разделе описаны эксперименты на низком уровне мощности с коммутатором на основе индуцированной фотопроводимости в кремнии. Показано, что такой коммутатор может иметь малое время переключения (~1 не), а высокая эффективность переключения излучения на частоте 30 ГГц обеспечивается уровнем энергии лазера не менее 5 мДж.

В разделе 1.3 описывается фазоинвертор миллиметрового диапазона длин волн в виде волноводного резонатора, переключаемого пучком электронов. Активные коммутаторы СВЧ-излучения, описанные в предыдущем разделе, имеют ограниченную электрическую прочность даже при условии применения волновых пучков с большими в масштабе длины волны апертурами. Это ограничение связано, прежде всего, с возможностью возникновения мультипакторного пробоя на поверхности диэлектрика. Чтобы избежать проблем, связанных с этим видом пробоя, привлекательным является применение переключателей без использования диэлектрических материалов. В разделе приводятся результаты численного моделирования, а также результаты испытаний нескольких конструкций фазовращателя, перестраиваемого электронным пучком. На низком уровне мощности на частоте 34 ГГц продемонстрировано переключение фазы излучения на 180° за время, не превышающее 30 не при инжекции электронного пучка с током равным 7 = 400-^500 А.

Вторая глава посвящена исследованиям систем компрессии СВЧ-импульсов, в которых нашли применение коммутаторы распределенного типа, рассмотренные в предыдущей главе.

В разделе 2.1 описываются исследования активного компрессора миллиметрового диапазона длин волн на основе трехзеркального резонатора с бегущей волной. В этом резонаторе для связи с входным и выходным трактами и изменения добротности в качестве одного из зеркал использована электрически управляемая дифракционная решетка, параметры которой изменяются при создании плазмы в каналах решетки (Рис. 8). В первой главе был рассмотрен такой активный элемент - коммутатор в виде электрически управляемой дифракционной решетки. Здесь представлены результаты расчета и испытаний на низком уровне мощности активного компрессора, а также результаты экспериментов на высоком уровне мощности при компрессировании СВЧ-импульсов магникона, работающего на частоте 34,29 ГГц. С использованием вакуумного варианта активного компрессора получены сжатые импульсы мощностью 1,7 МВт при коэффициенте усиления по мощности равном 7 и длительностью 20 не с эффективностью компрессии 25% (Рис. 9).

а) б)

Рис. 8. Активный компрессор на основе трехзеркального резонатора: 1 - дифракционная решетка - коммутатор, 2 - фокусирующие зеркала, 3 - входной импульс, 4 -выходной импульс; а- резонатор в режиме накопления энергии, б - резонатор в режиме вывода сжатого импульса

Раздел 2.2 посвящен описанию конструкций и принципов работы пассивных компрессоров СВЧ-импульсов, в которых переключение фазы осуществляется различными фазоинверторами распределенного типа на основе: электрически управляемой дифракционной решетки с кварцевой пластиной; решетки с пластиной из кремния, работающей на эффекте индуцированной фотопроводимости; волноводного резонатора, переключаемого инжектируемым пучком электронов.

с! си х

I-

о

о

О.

с£

10

8 —| 6

2-

о А

£ о +

0 10 20 30 40 1. НС

§

I I-

о

а5 а

1086 42

1 1 Г-1 Г 0 200 400 600 800 1000

1, НС

а)

0 200 400 600 800 1000 1, не

б)

Рис. 9. Характерные осциллограммы сжатого импульса активного компрессора на основе трехзеркального резонатора

В разделе 2.3 представлены результаты исследований компактного пассивного компрессора СВЧ-импульсов (с фазовой модуляцией входного импульса), аналогичного по своему предназначению широко известному компрессору БЫЮ-И, однако, состоящего из единственной резонансной линии задержки (Рис. 10). В таком резонаторе накопление СВЧ-энергии осуществляется путем последовательного преобразования осесимметричных мод ТЕоь ТЕ02 и ТЕ0з круглого волновода, а ввод и вывод энергии - на первой моде ТЕоь Приводятся результаты эксперимента, в котором продемонстрирована работа компрессора на низком уровне мощности на частоте 30 ГГц.

На этой частоте были получены коэффициент усиления по мощности - 4,5 и эффективность компрессии - 67%, близкие к расчетным параметрам.

Рис. 10. Одноканальный пассивный компрессор СВЧ-импульсов БЬЕО-Н: 1 - ТЕ02 ТЕ0з отражательный преобразователь мод; 2 - ТЕ01 —* ТЕщ преобразователь мод на прохождение; 3 - линии задержки, 4 - сильфон для настройки частоты

Важным параметром компрессоров СВЧ-импульсов является эффективность компрессии (отношение энергии, полученной в сжатом импульсе, к энергии во входном импульсе). Предельно достижимая эффективность ограничена как из-за внутренних потерь в накопительном резонаторе, так и из-за дифракционных потерь, возникающих из-за отражения части мощности входного импульса от элемента связи с резонатором. Поэтому в целях повышения эффективности компрессии в разделе 2.4 анализируется возможность уменьшения потерь на отражение путем возбуждения в резонаторе нескольких мод с близкими частотами. На основании результатов анализа предлагается модификация рассмотренных ранее систем компрессии для работы накопительных резонаторов на комбинации собственных колебаний д ля увеличения эффективности ввода энергии.

Третья глава посвящена исследованиям СВЧ-компонентов, необходимых для построения компрессоров, их элементов связи, линий передач излучения, устройств согласования структур полей, импульсных СВЧ-нагрузок.

В разделе 3.1 исследуются повороты волновода круглого сечения с распространяющейся в нем ТЕ01 модой. Для снятия вырождения мод ТЕ01 и ТМц, мешающих сохранению исходной моды при изгибе волновода, предложены два новых варианта поворотов. Первый вариант - поворот с неизменным круглым сечением и переменной кривизной, профиль которой синтезируется для снятия вырождения (Рис. 11а). Второй вариант - поворот с использованием перехода с круглого на эллиптическое сечение волновода, где вырождение снято, и с профилем кривизны, оптимизированным с помощью теории чебышевских переходов (Рис. 116). Такие 90-градусные повороты, как показали проведенные эксперименты, обеспечивают высокую эффективность передачи излучения на моде ТЕ01 волновода круглого сечения.

а) б)

Рис. 11. Мгновенное распределение электрического поля в продольном и поперечном сечении волноводного поворота: (а) - поворот с круглым поперечным сечением и, (б) - поворот с эллиптическим сечением

В разделе 3.2 описываются теоретические и экспериментальные исследования дистанционно управляемых волноводных переключателя и фазовращателя. Оба устройства основаны на применении компактных трехде-цибельных направленных ответвителей. В двух плечах одного из ответви-телей расположены: переходы с прямоугольного сечения на круглое, преобразователи моды ТЕП в ТЕ01 круглого волновода и закритические поршни-отражатели. Переключение устройств обеспечивается за счет механического перемещения поршней. Волноводный переключатель может использоваться для варьирования выходной мощности, а фазовращатель - для изменения фазы на выходе.

Для диагностики проходящей мощности, для развязки микроволнового излучения и электронного пучка предлагается использовать устройства ввода-вывода излучения на осесимметричной моде ТЕоь Различные устройства такого типа рассмотрены в разделе 3.3.

При построении линий передач часто необходимы согласованные нагрузки, поглощающие СВЧ-излучение. В разделе 3.4 рассмотрены распределенные, компактные нагрузки волноводного типа, обеспечивающие низкий уровень отражения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Для коммутации потоков СВЧ-излучения разработана электрически управляемая дифракционная решетка, состоящая из соединенных вместе кварцевой и тефлоновой пластин, размещенных над плоским металлическим зеркалом и имеющих периодические пазы внутри одной из них. За счет создания в пазах газоразрядной плазмы достигается переключение волновых потоков в направлении из зеркального в дифракционный максимум. Показано, что на частоте 34 ГГц эффективное переключение решетки с размерами 240 х 120 мм на величину до 60% мощности за время не более 10 не обеспечивается плазмой с концентрацией электронов в диапазоне от 1013 см"3 до 10м см"3 при использовании импульсов напряжения 50-100 кВ и при давлении газа в пазах 0,3-1 Topp.

2. Разработан активный компрессор СВЧ-импульсов на основе трехзер-кального накопительного резонатора, в котором одним из зеркал является дифракционная решетка, способная управлять связью резонатора с запиты-вающим волновым пучком. В экспериментах на частоте 34 ГГц получены сжатые импульсы мощностью 1,7 МВт при коэффициенте усиления равным 7 и длительностью 20 не с эффективностью 25%. Показано, что предельная мощность сжатых импульсов в созданном компрессоре составляет не более 50 МВт при длительности импульса 20 не и ограничивается самопробоем газа в каналах дифракционной решетки.

3. Для быстрого управления фазой СВЧ-излучения сантиметрового диапазона длин волн разработаны электрически управляемые компоненты:

- дифракционная решетка, состоящая из кварцевой пластины, расположенной над плоским металлическим зеркалом, переключаемая путем создания плазмы в каналах пластины. Экспериментально показано, что при создании плазмы в каналах решетки с концентрацией электронов, превышающей критическую концентрацию, величина фазового сдвига регулируется расстоянием между пластиной и зеркалом и может быть получена равной 180° при времени переключения решетки с размерами 240 х 120 мм, не превышающем 10 не;

- активное зеркало, состоящее из пластины кремния, находящейся на металлической поверхности, действие которого основано на эффекте индуцированной фотопроводимости в полупроводнике. На низком уровне мощности экспериментально показано эффективное переключение фазы СВЧ-излучения на 180° за время, не превышающее 10 не, при помощи лазерных импульсов на длине волны 0,5-1 мкм с энергией 5-10 мДж;

- волноводный резонатор на осесимметричной моде ТЕ0ц, действие которого основано на изменении фазы отраженной волны при выводе его из резонанса с помощью электронного пучка. На низком уровне мощности продемонстрировано переключение фазы излучения на 180° за время, не превышающее 30 не, при инжекции пучка электронов с током 400 -г- 500 А.

4. Разработан электропрочный пассивный компрессор СВЧ-импульсов, состоящий из единственной резонансной линии задержки, работающей на комбинации осесимметричных мод ТЕ01, ТЕ02 и ТЕ03. В отличие от существующего двухканального компрессора SLED-II в нем исключена необходимость в развязке на основе одномодовых волноводов. На частоте 30 ГГц продемонстрирована работа компрессора на низком уровне мощности, получены коэффициент усиления по мощности, равный 4.5, и эффективность компрессии 67%.

5. Проанализированы два метода создания высокоэффективных поворотов на моде TE0i волновода круглого поперечного сечения, основанные на снятии вырождения мод TE0i и ТМП: а) посредством введения небольшой эллиптичности поперечного сечения волновода; б) посредством введения высших гармоник в профиль изгиба. На основе обоих методов рассчитаны и экспериментально проверены два 90-градусных поворота на частоту 34 ГГц, эффективность которых составила 98% в полосе частот 1,3% и 95% в полосе частот 10%, соответственно.

6. Разработаны дистанционно управляемые высокоэффективные переключатель и фазовращатель мощного СВЧ-излучения частотой 12 ГГц на основе 3-дБ ответвителей. Переключатель способен обеспечить плавное управление мощностью в выходных каналах от 0 до 95%. Фазовращатель осуществляет перестройку фазы в пределах от 0° до 410°. Устройства использовались в CERN в экспериментах, демонстрирующих работу ускоряющей структуры будущего электрон-позитронного коллайдера CLIC, на мощности до 180 МВт и длительности импульса 200 не.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

А1. Вихарев А.А., Денисов Г.Г., Кочароеский Вл.В., Кузиков С.В., Паршин В.В., Песков Н.Ю., Степанов А.Н., Соболев Д.И., Шмелев М.Ю., Быстродействующий квазиоптический переключатель фазы волнового пучка, основанный на эффекте индуцированной фотопроводимости в кремнии // Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып. 17, с. 38^5.

А2. Kuzikov S. V., Vikharev А.А., Plotkin M.E., Shegol'kov D.Yu. and Hirshfield J.L., One-channel Ka-band pulse compressor // Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, 2007, 082001, 8 pages.

A3. Вихарев A.A.; Денисов Г.Г., Кузиков C.B., Соболев Д.И., Волноводные повороты для эффективной передачи моды TE0i круглого волновода // Вестник НГУ, Серия: Физика, 2007, том 2, вып. 2, с. 74-81.

А4. Вихарев А.А., Денисов Г.Г., Кочароеский В.В., Кузиков С.В., Паршин В.В., Песков Н.Ю., Степанов А.Н., Соболев Д.И., Шмелёв М.Ю., Быстродействующий квазиоптический фазовращатель, основанный на эффекте индуцированной фотопроводимости в кремнии // Известия вузов. Радиофизика, 2007, т. 50, № 10-11, с. 866-874.

А5. Вихарев A.JI., Вихарев А.А., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Лобаев М.А. Резонансный фазоинвертор миллиметрового диапазона длин волн, переключаемый пучком электронов // ЖТФ, 2009, т.79, вып. 11, с. 86-92.

А6. Вихарев A.JI., Вихарев А.А., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В. Квазиоптический фазовращатель 8-мм диапазона на основе активной дифракционной решетки // Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып. 9, с. 67-75.

А7. Vikharev А.А., Denisov G.G., Kuzikov S.V. and Sobolev D.I. New TE0i Waveguide Bends // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2009, vol. 30, no. 6, p. 556-565.

A8. Ivanov O.A., Vikharev A.A., Gorbachev A.M., Isaev V.A., Lobaev M.A., Vikharev A.L., Kuzikov S.V., Hirshfield J.L. and LaPointe M.A. Active quasiop-tical Ka-band RF pulse compressor switched by a diffraction grating // Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, (2009), 093501, p. 9.

A9. Вихарев А.А., Кузиков С.В. Дистанционно управляемые, волноводные переключатели и фазовращатели для тестирования ускоряющих структур на высоком уровне мощности // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2011, т. 6, вып. 1, с. 36-43.

МО.Kuzikov S.V., Danilov Yu.Yu., Denisov G.G., Shegol'kov D.Yu., Vikharev A.A. Multi-Mode SLED-II Pulse Compressors // Proceedings of 22nd Int. Linear Accelerator Conference, Lubeck, Germany, 2004, August 16-20, p. 660-662.

All. Вихарев А.А., Денисов Г.Г., Кузиков C.B., Соболев ДИ. Повороты волновода круглого сечения для эффективной передачи моды TE0i // Тру-

ды XI Научной конференции по радиофизике / Н. Новгород: ННГУ, 2005, с. 36-37.

А12. Вихарев A.A., Кузиков С.В. Компактный компрессор СВЧ импульсов на основе многомодовой линии задержки // Труды VIII Научной конференции по радиофизике Н. Новгород: ННГУ, 2004, с. 14-15.

Ail. Gorbachev A.M., Kuzikov S. V., Vikharev A.A. Electricaly Controled Diffraction Grating For Active Microwave Pulse Compressors // Strong Microwaves in Plasmas: Proceedings of 6th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Nizhny Novgorod, Russia, 2005 / Ed. A.G. Litvak. N. Novgorod: IAP RAS, 2006, v. 1, p. 256-260.

A14.Kuzikov S.V., Danilov Yu.Yu., Denisov G.G., Hirshfield J.L., Koshurinov Yu.I., Paveliev V.G., Petelin M.I., Plotkin M.E., Shegol'kov D.Yu., Syratchev I., Vikharev A.A., Yashunin S.A. Novel Quasi-Optical Passive Pulse Compressors // Strong Microwaves in Plasmas: Proceedings of 6th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas", Nizhny Novgorod, Russia, 2005 / Ed. A.G. Litvak. N. Novgorod: IAP RAS, 2006, v. 1, p. 330-336.

A15. Buxapee A.A., Денисов Г.Г., Кузиков C.B., Соболев Д.И. Эффективные повороты на моде ТЕ0) круглого волновода // Труды X Всероссийского школы-семинара "Физика и применение микроволн", Звенигород, Московская обл., 23-28 мая 2005 (на CD).

AI 6. Kuzikov S. V., Plotkin M.E., Vikharev A.A. and Hirshfield J.L., Compact one channel Ka-band SLED-II pulse compressor // Proceedings of EPAC. Edinburgh, Scotland, 2006, p. 1411-1413.

All.Denisov G.G., Kuzikov S.V., Sobolev D.I., Vikharev A.A., New TE0i Waveguide Bends // Conference Digest of the Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th International Conference on Terahertz Electronics. Shanghai, China, 2006, p. 45.

A18.Kuzikov S.V., Vikharev A.A., Plotkin M.E., Shegol'kov D.Yu., Hirshfield J.L., Yakovlev VP. One-channel, multi-mode active pulse compressor // Proceedings of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, 2007, p. 24602462.

A19.Kuzikov S.V., Danilov Yu.Yu., Vikharev A.A. Efficiency enhancement of active microwave pulse compressors // Conference Digest of the Joint 32nd IRMMW Conference and 15th International Conference on Terahertz Electronics. Cardiff, UK, 3 - 7 September 2007, vol. 1, p. 444^45.

A20. Denisov G.G., Kocharovsky VI. V., Kuzikov S.V., Parshin V.V., Peskov N.Yu., Stepanov A.N., Sobolev D.I., Shmelyov M.Yu., Syratchev I., Vikharev A.A. Fast quasi-optical phase shifter based on induced photoconductivity in silicon // Conference Digest of the Joint 32nd IRMMW Conference and 15th International Conference on Terahertz Electronics, Cardiff, UK, 3-7 September 2007, vol. 1, p. 795-796.

А21 .Denisov G.G., Kulygin M.L., Kuzikov S.V., Vikharev A.A. Fast Optically Controlled Microwave Switches // VII Int. Workshop Strong Microwaves: sources and applications, Nizhny Novgorod, July 27-August 2 2008, p. 184-188.

A22. Duxapee A.JI., Вихарев А. А., Горбачев A.M., Иванов O.A., Исаев В.A., Кузиков C.B., Лобаев М.А. Резонансный фазоинвертор миллиметрового диапазона длин волн, переключаемый пучком электронов : препринт №733 ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2007, 16 с.

А23.Вихарев А.А., Горбачев A.M., Кузиков С.В. Дифракционная решетка -активный коммутатор для квазиоптического компрессора СВЧ-импульсов : препринт №738 ИПФ РАН. Нижний Новгород, 2007, 16 с.

Литература

[1] Ашкаев В.В., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Курбатов В.И., Литвак А.Г., Мясников В.Е., Тай Е.М. Гиротроны для УТС // Вакуумная СВЧ-электроника : сборник обзоров под ред. М.И. Петелина. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2002, с.71.

[2] Балакин В.Е., Казаков С.Ю., Лунин А.Е., Чашурин В.И. Мощные микроволновые компоненты электрон-позитронных супер-коллайдеров // Вакуумная СВЧ-электроника : сборник обзоров под ред. М.И. Петелина. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2002, с. 13.

[3] Батенин В.М., Климовский И.И., Лысое Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988.

[4] Petelin M.I. Microwave pulse compressors // Proc. of the 3rd International Workshop "Strong Microwave in Plasmas", Nizhny Novgorod: IAP, 1996, т. 2, c. 903.

[5] Самсонов C.B. Гирорезонансные приборы и СВЧ компрессоры на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности // Диссертация ... док. физ,- мат. наук. Нижний Новгород, 2007, с. 197.

[6] Братман В.Л., Денисов ГГ., Колганов Н.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В., Соболев ДИ. Микроволновый источник мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивисткой лампы обратной волны и компрессора // ЖТФ, 2011, т. 81, вып. 2, с. 113-117.

[7] Farkas Z. D., Hogg Н.А., Loew G.A., Wilson P.B. // Proc. 9th Int. Conf. on High Energy Accelerators, 1976, c. 576.

[8] Wilson P.B., Farkas ZD., Ruth R.D., SLED-II: A new method of rf pulse compression // Proc. of Linear Accl. Conf., Albuquerque, NM, SLAC-PUB-5330 (1990).

[9] Hogg H.A., Loew G.A., Price V.G. Experiments with Very High Power RF Pulses at SLAC // IEEE Transactions on Nuclear Science, 1975, vol. NS-30, no. 4, p. 1299.

[10] Балакин В.Е., Сырачев И.В. Применение открытых резонаторов в системах умножения СВЧ-мощности // XV совещание по ускорителям заряженных частиц. Протвино, 1996, том. 1, с. 92-96.

[11] Syratchev /. Barrel-Cavity Pulse compression system, (March 2001), http://ctG.home.cern.ch/cti3/M33/is33.pdf.

[12] Сырачев И.В., Новая система импульсной компрессии СВЧ-мощности для линейного коллайдера ВЛЭПП // Диссертация ... канд. физ.-мат. наук. Протвино, 1997, с. 103.

[13] Tantawi S.G., Nantista C.D., Dolgashev V.A., Pearson С., Nelson J., Jobe K., Chan J., Fant K., FrischJ., Atkinson D. High-power multimode X-band rf pulse compression system for future linear colliders // Phys. Rev. ST AB, 2005, 8, 042002.

[14] Диденко A.H., Юшков Ю.Г., Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности // М.: Энергоатомиздат, 1984.

[15] Petelin M.I., Hirshfield J.L., Kuzikov S.V., Vikharev A.L. High power microwave pulse compressors: passive, active and combined // Proceedings of SPIE, 2000, vol. 4031, p. 224-231.

[16] Birx D.L., Scalapino D.J. Microwave energy compression using high-intensity electron beam switch // J. Appl. Phys. 1980, т. 51, № 7, с. 3629.

[17] Alvarez R.A., Birx D.L., Byrne D„ Lauer E., Scalapino D. II Particle Accelerators, 1981, т. 11, c. 125.

[18] Девятков Н.Д., Диденко A.H., Замятина Л.Ю., Разин С.Ю., Юшков Ю.Г. Формирование мощных импульсов при накоплении СВЧ энергии в резонаторе // Радиотехника и электроника, 1980, т. 25, № 6, с. 1227.

[19] Августинович В.А., Новиков С.А., Разин С.В., Юшков Ю.Г. Формирование мощных импульсов наносекундной длительности трехсантиметрового диапазона // Изв. вузов. Радиофизика, 1985, т. 28, № 10, с. 1347.

[20] Артеменко С.Н., Августинович В.А., Каминский В.Л., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Анализ процесса формирования радиоимпульсов в сверхразмерном резонаторе с интерференционным ключом // Радиотехника и электроника, 1997, т.42, № 8, с. 1011.

[21] Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Формирователь гигаваттных наносекунд-ных СВЧ импульсов с применением временной компрессии энергии излучения магнетрона // Приборы и техника эксперимента, 2000, № 3, с. 85.

[22] Yushkov Y.G., Avgustinovich V.A., Artemenko S.N., Kaminsky V.L., Novikov S.A., Razin S.V., Chumerin P.Y. Powerful microwave compressors of rf-pulses // Proceedings of the 3th International Workshop "Strong microwaves in plasmas" / Ed. A.G. Litvak. Nizhny Novgorod, Russia, 1997, т. 2, с. 911.

[23] Артеменко C.H., Августинович В.А., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г. Вывод энергии из сверхразмерного резонатора через "пакет" интерферен-

ционных переключателей с суммированием выходных сигналов //ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 105.

[24] Nantista C.D., Radio-Frequency Pulse Compression for Linear Accelerators //SLAC-Report-95-455, 1995.

[25] Buxapee А.Л., Горбачев A.M., Иванов O.A., Исаев B.A., Кузиков C.B., Колыско А.Л., Петелин М.И. Активный компрессор СВЧ импульсов на осесимметричной моде круглого волновода // Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, № 20, с. 6.

[26] Buxapee А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А, Исаев В.А, Кузиков С.В., Хиршфилд Дж.Л., Нежевенко О.А., Голд С.Х., Кинкид А.Л. Исследование активных СВЧ компрессоров, возбуждаемых излучением магни-кона на частоте 11,4 ГГц// Изв. вузов. Радиофизика, 2003, т. 46, № 8-9, с. 897.

[27] Buxapee А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Мовшевич Б.З., Хиршфилд Дж.Л., Голд С.Х. Активный брэгговский компрессор трехсантиметрового диапазона длин волн // Изв. вузов. Радиофизика, 2008, т. 51, № 7, с. 6.

[28] Buxapee А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Колданов В.А., Кузиков С.В., Хиршфилд Дж.Л., Голд С.Х. Двухканальный 100-мегаваттный СВЧ компрессор трехсантиметрового диапазона длин волн// Изв. вузов. Радиофизика, 2008, т. 51, № 8, с. 660-674.

[29] Bratman V.L., Denisov G.G., Ginzburg N.S. et al. II IEEE Journal of Quantum Electronics, 1983, т. QE-19, № 3, c. 282.

[30] Денисов Г.Г., Резников М.Г. Гофрированные цилиндрические резонаторы для коротковолновых релятивистских СВЧ генераторов // Изв. вузов. Радиофизика, 1982, т. 25, № 5, с. 562.

[31] Лобаев М.А. Исследование разрядных явлений в плазменных коммутаторах СВЧ излучения большой мощности : Диссертация ... канд. физ.-мат. наук. Нижний Новгород, 2010, с. 136.

[32] Nezhevenko О.А., Yakovlev V.P., Ganguly А..К., Hirshfield J.L. High power pulsed magnicon at 34 GHz // AIP Conf. Proc., 474 (American Institute of Physics, Melville), 1999, p.195.

[33] Nezhevenko O.A., Recent developments in high power magnicons for particle accelerators // Plasmas Physics, 2000, v. 7, №5, p. 2224.

[34] Denisov G.G., Kuzikov S.V., Bogdashev A.A., Chirkov A.V., Hirshfield J.L, Litvak A.G., Malygin V.I., Shmelyov M.Yu. Study of Ka-band components for future high-gradient accelerators // Advanced Accelerator Concepts, 10th Workshop / Eds. C.E. Clayton and P. Muggli. AIP Conf. Proc., 2002, v. 647, p. 476-483.

[35] Каценеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика // M.: Наука, 1966.237 с.

[36] Вайнштейн Л.А., Открытые резонаторы и открытые волноводы // М.: Сов. радио, 1966.475 с.

[37] Fox A. G., Li T. //Bell System Techn J., 1961, vol. 40, no. 2, p. 453-464.

[38] Таланов В. И. Резонаторы квантовых генераторов оптического диапазона // Файн В.М., Ханин Я.И. Квантовая радиофизика. М.: Сов. радио, 1965, с. 508-541.

[39] Бондаренко Н.Г., Таланов В.И. Некоторые вопросы теории квазиоптических систем // Изв. вузов. Радиофизика, 1964, т. 7, № 2. с. 313-327.

[40] Данилов Ю.Ю., Кузиков C.B., Петелин М.И. К теории компрессора микроволновых импульсов на основе бочкообразного резонатора с винтовым гофром //ЖТФ, 2000, т.70, вып. 1, с.65.

[41] Данилов Ю.Ю., Кузиков C.B., Павельев В.Г., Кошуринов Ю.И., Лещин-ский СМ. Компрессия микроволновых импульсов квазиоптическим резонатором с гофрированным зеркалом // Письма в ЖТФ, 2001 т. 27, вып. 19, с.5.

[42] Данилов Ю.Ю., Кузиков C.B., Павельев В.Г., Кошуринов Ю.И., Щеголь-ков Д. Ю. Компрессия линейно-модулированных по частоте импульсов на основе кольцевого трехзеркального резонатора // ЖТФ, 2005, т. 75, вып. 4, с. 131.

[43] Данилов Ю.Ю. Пассивные резонансные компрессоры микроволновых импульсов // Диссертация ... канд. физ.-Мат. наук. Нижний Новгород, 2003, с. 143.

[44] Vikharev A.L., Danilov Yu. Yu., Gorbachev A.M., Kuzikov S. V., Koshurinov Yu.I., Paveliev V.G., Petelin M.I., Hirshfield J.L. Quasi-optical microwave pulse compressor at 34 GHz // Advanced Accelerator Concepts, 10th Workshop / Eds. C.E. Clayton and P. Muggli. AIP Conf. Proc., 2002, v. 647, p. 448-458.

[45] Вихарев А.Л., Ковалев Н.Ф., Петелин М.И. Распределенные переключатели волновых пучков и компрессоры микроволновых импульсов // Письма в ЖТФ, 1996, т. 22, вып. 19, с. 41-46.

[46] Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов O.A., Ковалев Н.Ф., Колыско А.Л., Кузиков C.B., Фильченков С.Е. Генерация импульсов мощного когерентного электромагнитного излучения путем компрессии // Сборник отчетов по научным проектам МНТП России «Физика микроволн» за 1995 год, Нижний Новгород, 1996, т. 1, с. 61-64.

[47] Кузиков C.B. Диссертация ... кандидата физ.-мат. наук / ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1998.

Вихарев Александр Анатольевич

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ КОМПРЕССОРЫ МОЩНЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ ИМПУЛЬСОВ

Автореферат

Ответственный за выпуск А. А. Вихарев

Подписано к печати 10.05.11. Формат 60 х 90'/|б. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 45(2011).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Введение.

Глава 1. Квазиоптические коммутаторы мощного СВЧ-излучения.

1.1 Коммутаторы на основе дифракционных решеток с газоразрядными трубками.

1.1.1 Активная дифракционная решетка как коммутатор направления распространения СВЧ-излучения.

1.1.2 Активная дифракционная решетка как переключатель фазы СВЧ-излучения.

1.2 Коммутатор СВЧ-излучения, переключаемый за счет индуцированной фотопроводимости в полупроводниках.

1.3 Резонансный фазоинвертер, переключаемый пучком электронов

Глава 2. Новые квазиоптические компрессоры СВЧ-импульсов.

2.1 Активный компрессор СВЧ-импульсов на основе трехзеркального резонатора.

2.2 Пассивные компрессоры импульсов с фазоинверторами распределенного типа.

2.2.1 Компрессор с дифракционной решеткой.

2.2.2 Компрессор с коммутатором на основе индуцированной фотопроводимости в кремнии.

2.2.3 Компрессор с фазоинвертором, переключаемым пучком электронов.

2.3 Компактный компрессор СВЧ-импульсов на основе многомодовой линии задержки.

2.3.1 Пассивный компрессор.

2.3.2 Активный компрессор.

2.4 Использование многомодовых резонаторов для увеличения эффективности активных компрессоров СВЧ-импульсов.

Глава 3. Компоненты компрессоров импульсов и линий передач мощного СВЧ-излучения.

3.1 Волноводные повороты для эффективной передачи моды ТЕ01 круглого волновода.

3.2 Устройства ввода-вывода излучения на основе трехдецибельных СВЧ-ответвителей.

3.3 Устройство ввода-вывода мощного СВЧ-излучения на осесимметричной волне.

3.4 Согласованная нагрузка на высшей волноводной моде.

В настоящее время приборы вакуумной СВЧ-электроники, как источники когерентного микроволнового излучения большой мощности, используются в различных областях науки и техники, таких как: управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорители частиц, радиолокация и связь, плазмохимический синтез и микроволновая обработка материалов. Наиболее яркие примеры - применение гиротронов в установках УТС [1], клистронов — в ускорителях заряженных частиц [2], магнетронов - в установках плазмохимического синтеза и модификации материалов [3]. В некоторых из перечисленных областей (ускорительная техника, радиолокация) применяются также компрессоры СВЧ-импульсов, позволяющие увеличивать мощность электромагнитного излучения за счет укорочения длительности импульса.

Существуют два типа компрессоров — пассивные и активные. В пассивных компрессорах сжатие микроволнового импульса происходит при его прохождении через диспергирующую среду. Принцип действия пассивного компрессора [4] на основе отрезка полого металлического волновода поясняется на Рис. В.1. Групповая скорость электромагнитной волны в цилиндрическом волноводе зависит от частоты. Если на вход волновода подается СВЧ-импульс с частотной модуляцией, то разные спектральные участки этого импульса распространяются со своими групповыми скоростями. Подбором частотной модуляции и длины волновода можно добиться того, что различные спектральные компоненты достигнут выхода волновода одновременно. В результате импульс вырастет по амплитуде при соответствующем сокращении длительности. Полый металлический волновод обладает сильной частотной дисперсией только вблизи его критической частоты. Это, во-первых, затрудняет согласование таких компрессоров с внешними трактами, а во-вторых, из-за специфического (существенно неквадратичного) закона дисперсии, затрудняет достижение высокой эффективности компрессии. Поэтому в качестве диспергирующей среды в некоторых случаях используется волновод с постоянной или меняющейся по определенному закону гофрировкой поверхности [4-6].

В ускорительной технике более широкое распространение получили пассивные компрессоры, увеличение мощности в которых достигается за счет сжатия прямоугольного импульса при быстром изменении на 180 градусов фазы СВЧ-излучения, возбуждающего резонатор или резонансную линию задержки [7, 8].

Рис. В.1. Пассивный компрессор на основе отрезка гладкого волновода: а) волновод; б) входной сигнал - СВЧ-импульс с частотной модуляцией; в) распространение спектральных компонент импульса в зависимости от времени; г) сжатый импульс на выходе волновода

Известные пассивные компрессоры такого типа SLED [7] и SLED-II [8] были разработаны в Стэндфордском ускорительном центре (SLAC): Система компрессии SLED использует в качестве накопителя энергии на частоте 2,86 ГГц два идентичных цилиндрических резонатора, объединенных трехдецибельным направленным ответвителем. Излучение от СВЧ-источника поступает на вход 3-дБ направленного ответвителя, делится в нем на два потока со сдвигом фазы друг относительно друга в Дq> — 90° и через отверстия связи запитывает два идентичных резонатора. Отраженные от диафрагмы сигналы взаимно компенсируются во входном и складываются в выходном плече трехдецибельного ответвителя. Когда излучение в резонаторах накопится, фаза входного сигнала инвертируется на величину Дср — 180° градусов. При этом волна, вытекающая из резонатора, складывается в фазе с сигналом, отраженным от диафрагмы, увеличивая мощность выходного СВЧ-излучения. Предельный коэффициент усиления по мощности при таком методе компрессии составляет 9 раз, однако эффективность сжатия невелика. Максимальная мощность сжатого импульса, которая была получена в экспериментах с пассивным компрессором SLED на частоте 2,86 ГГц, составила 390 МВт при коэффициенте усиления по мощности равном всего 2,6, но с относительно высокой эффективностью (50%) [9].

Одна из наиболее эффектных модификаций компрессора SLED - VPM основана на использовании единственного резонатора - открытого бочкообразного резонатора, возбуждаемого на моде «шепчущей галереи» [10, 11]. С помощью такой системы компрессии, не требующей, в отличие от оригинальной системы SLED дополнительных развязок, были получены сжатые импульсы мощностью до 150 МВт на частоте 11,4 ГГц при коэффициенте усиления по мощности равном 3,1 [12]. Дальнейшее увеличение выходной мощности ограничено электропрочностью системы отверстий связи, с помощью которой возбуждалась рабочая мода «шепчущей галереи».

Одним из основных недостатков системы SLED и ее модификаций является экспоненциальная форма сжатого импульса. Система компрессии SLED-II, являющаяся развитием системы SLED, использует две длинных резонансных линии задержки, Рис. В.2. Вывод энергии из компрессора осуществляется за время двойного пробега волны по линии задержки, поэтому система компрессии SLED-II обеспечивает такую форму сжатого импульса, при которой потребляемая (наибольшая) часть выходного излучения имеет постоянную амплитуду и фазу. Длина линии L определяется заданной длительностью этого участка импульса т, под который разрабатывается система: L = Vspxl2, где V,p — групповая скорость волны в линии. Энергия в течение большей части длительности исходного импульса (Т — т) накапливается в резонансных линиях задержки, а затем в течение времени порядка т выводится в нагрузку после быстрого (в масштабе г) изменения фазы входного сигнала на величину 180° градусов. Максимальная мощность сжатого импульса, которая была получена в системе пассивной компрессии SLED-II на частоте 11,4 ГГц, составляла 580 МВт при коэффициенте усиления по мощности равном 3 [13].

Рис. В.2. Компрессор SLED-II: 1 -3-дБ направленный ответвителъ, 2 - диафрагмы связи, 3 — линии задержки, 4 - настройка частоты

Активные компрессоры СВЧ-импульсов при тех же габаритах, что и пассивные компрессоры, позволяют в принципе достичь более высоких коэффициентов усиления по мощности при сохранении высокой эффективности [14, 15]. Метод активной компрессии основан на накоплении электромагнитной энергии в высокодобротном резонаторе, где интенсивности полей могут многократно превышать интенсивность поля в исходном импульсе, и ее последующем быстром выводе в нагрузку с помощью коммутатора (переключателя), модулирующего добротность резонатора. Большой коэффициент сжатия, высокая пиковая мощность и эффективность компрессии делают активные СВЧ-компрессоры весьма привлекательными для использования в линейных ускорителях заряженных частиц.

Известен достаточно большой цикл работ, посвященных активной компрессии в диапазоне длин волн от 3 см до 100 см, в которых для накопления СВЧ-энергии использовались объемные резонаторы на основе одномодовых волноводов, а для вывода энергии (модуляции добротности) применялись интерференционные коммутаторы -электрически управляемые или работающие на самопробое волноводные Н-тройники [1623], Рис. В.З.

11 I 3 туг Xш

•1 ' 1 1 • | I Ц\ з 1

Рис. В.З. Схемы компрессоров на основе одномодовых волноводов и интерференционного коммутатора. 1 - накопительный резонатор, 2 - Н-тройник. 3 - газоразрядный ключ, 4 - выходной волновод

В интерференционном коммутаторе, выполненном на одномодовом волноводе с разрядным промежутком в короткозамкнутом плече, в режиме накопления энергии возникает стоячая электромагнитная волна. Узел этой волны так расположен относительно выходного плеча тройника, что обеспечивает слабую связь с нагрузкой. Для переключения резонатора в режим вывода СВЧ-энергии создается электрический разряд с высокой концентрацией электронов на расстоянии /1/4 от короткозамкнутого плеча Н-тройника. Появление плазмы приводит к резкому изменению картины стоячих волн в выходном плече коммутатора, что обеспечивает быстрый вывод СВЧ-энергии к нагрузке. Разряд может создаваться как в кварцевой трубке, так и непосредственно в объеме резонатора. При этом плазма образуется или под воздействием электромагнитных полей в резонаторе (самопробой), или инициируется с помощью внешнего источника высоковольтного напряжения.

При переходе от накопительных резонаторов с размерами, сравнимыми с длиной волны, к сверхразмерным резонаторам в таких активных компрессорах удалось увеличить коэффициент усиления по мощности до 10-30 раз за счет уменьшения омических потерь и, соответственно, увеличения нагруженной добротности резонатора [23]. Однако, используемый в компрессоре интерференционный коммутатор, обеспечивающий связь сверхразмерного резонатора с выходным трактом с помощью одномодового прямоугольного волновода, ограничивал минимальную достижимую добротность резонатора в режиме вывода энергии. Поэтому значительная доля энергии не выводилась из резонатора. В результате в экспериментах на длинах волн 3-см и 10-см при возбуждении таких компрессоров была получена эффективность компрессии не более 45% [22]. Для применения компрессоров в линейных ускорителях заряженных частиц приемлемое значение КПД компрессии составляет не менее 60% [24].

Для получения мощных сжатых импульсов с высокой эффективностью компрессии в другом цикле работ, выполненных в ИПФ РАН, было предложено использовать в активных компрессорах сверхразмерные цилиндрические резонаторы, возбуждаемые на осесимметричных модах типа ТЕоп, имеющих низкие омические потери, а вывод энергии осуществлять с помощью электрически управляемого рефлектора в виде скачкообразного расширения круглого волновода [25-28]. В работах [25-28] компрессор представлял собой секцию сверхразмерного волновода круглого поперечного сечения на рабочей моде ТЕоь ограниченную с одной стороны брэгговским рефлектором, а с другой - управляемым коммутатором. Излучение СВЧ-генератора поступало в накопительный резонатор через входной брэгговский рефлектор [29, 30], а выводилось - через второй выходной рефлектор. В скачкообразном расширении круглого волновода помещались одна или две газоразрядные кварцевые трубки, имеющие форму кольца с внешним диаметром равным диаметру расширенного волновода. Трубки на диаметрально противоположных концах кольца имели электроды, выходящие через отверстия в боковых стенках из переключателя. При подаче на электроды высоковольтных импульсов и появлении плазмы в трубках резонансная кривая переключателя смещалась в область рабочей частоты компрессора, что обеспечивало необходимое увеличение коэффициента пропускания и вывод СВЧ-излучения из накопительного резонатора.

Наилучшие результаты в этой системе компрессии были получены при переходе от одноканальной схемы (без развязки) к двухканальной с использованием трехдецибельного направленного ответвителя для развязки между СВЧ-источником и компрессором (Рис. В.4). В данной конструкции каждый канал представлял собой одноканальный компрессор на моде ТЕо1 круглого волновода. Переключение компрессора из режима накопления энергии в режим вывода осуществлялось с помощью электрически управляемых переключателей на основе скачкообразного расширения цилиндрического волновода, которые служили объединенным элементом ввода-вывода СВЧ-энергии. С помощью двухканального компрессора с объединенным элементом ввода-вывода энергии были получены сжатые импульсы мощностью 53 МВт и длительностью 60 не на частоте 11,4 ГГц. При этом коэффициент усиления по мощности равнялся 11, а эффективность компрессии достигала 56% [28].

Рис. В.4. Схема активного двухканального компрессора: 1 - СВЧ-генератор, 2 - согласованная нагрузка, 3 - 3-<1В делитель мощности, 4 — первый канал компрессора, 5 - второй канал компрессора, 6 - преобразователь моды ТЕоь 7 -входной и выходной электрически управляемый рефлектор, 8 — накопительный резонатор, 9 - рефлектор, 10 - фазовращатель

Несмотря на значительный прогресс, компрессоры с плазменными коммутаторами в 3см диапазоне длин волн имеют параметры все еще далекие от параметров, необходимых для использования этих активных компрессоров в линейных ускорителях заряженных частиц. Ограничения выходных параметров компрессоров (КПД и мощности сжатого импульса) связаны, прежде всего, с разрядными явлениями (самопробой), возникающими в плазменном переключателе на основе скачкообразного расширения цилиндрического волновода [31], а также с недостаточно высокой омической добротностью накопительных резонаторов из-за потерь в переключателе. Отмеченные проблемы усиливаются при использовании такого рода конструкций активных компрессоров на более коротких длинах волн. Для создания активных компрессоров, в частности, в миллиметровом диапазоне длин волн, где имеются мощные источники СВЧ, например, магникон [32, 33], необходима разработка новых компонентов [34], коммутаторов и систем компрессии с использованием методов квазиоптики [35-39]. В этом диапазоне длин волн используются квазиоптические волноводные тракты, в которых распространение электромагнитных волн осуществляется в виде гауссовых волновых пучков и собственных мод сверхразмерных волноводов. Для эффективного переключения таких волновых пучков также естественно использовать квазиоптические коммутаторы, а компрессоры создавать на основе сверхразмерных, в частности, многозеркальных накопительных резонаторов, Такие компрессоры обладают определенными преимуществами по сравнению с компрессорами на основе волноводных накопительных резонаторов. В многозеркальном резонаторе путем селекции мод можно обеспечить эффективное подавление всех паразитных колебаний при сохранении высокой добротности рабочего колебания. Коммутатор в этом случае становится распределенным, следовательно, можно снизить напряженность поля на нем, что уменьшает вероятность высокочастотного пробоя.

Применение квазиоптических резонаторов достаточно подробно анализировалось в последнее время в целях создания пассивных компрессоров микроволновых импульсов [40— 44]. В таких пассивных компрессорах, например, на основе трехзеркального накопительного резонатора, элемент связи (гофрированное металлическое зеркало [41, 42]) обеспечивает связь резонатора с входным и выходным волновыми пучками (Рис. В.5). Сжатие СВЧ-импульса достигается, как и в компрессоре SLED, за счет переворота фазы на 180 градусов во входном импульсе или за счет частотной модуляции исходного импульса. Такие компрессоры исследовались на низком уровне мощности на частоте 34 ГГц [41,42].

Рис. В.5. Схема пассивного компрессора на основе трехзеркального резонатора: 1 - переход с прямоугольного на круглый волновод, 2 - рупор, преобразующий Ни моду в гауссов пучок, 3 -передающее зеркало, С- трехзеркальный резонатор, cor- гофрированное зеркало, sf— фокусирующие зеркала

Для исследований компрессоров на основе многозеркальных резонаторов на высоком уровне мощности предлагалось использовать мощный СВЧ-усилитель - магникон на частоте 34 ГГц. Однако, магникон из-за узкой полосы усиления не обладает возможностью быстро изменять на 180 градусов фазу своего излучения или создавать частотно-модулированные импульсы с достаточно высокой скоростью перестройки частоты. По этой причине разработанные для экспериментов с магниконом пассивные компрессоры микроволновых импульсов оказались не востребованными до настоящего времени.

Эффективная компрессия импульсов источников излучения с недостаточно широкой полосой усиления, таких как магникон, все же представляется возможной. Для этого 9 требуется разработка активного коммутатора-фазовращателя (как отдельного, самостоятельного элемента) с целью создания фазовой модуляции (в частности, скачкообразного изменения фазы на 180°) во входном для компрессора СВЧ-импульсе. Эта задача решалась при выполнении данной диссертационной работы.

Создание электрически управляемых коммутаторов, модулирующих добротность многозеркальных накопительных резонаторов, для активных компрессоров СВЧ-импульсов мм-диапазона длин волн до настоящего времени обсуждалось в ограниченном числе работ [45-47]. Предлагаемые в этих работах распределенные активные коммутаторы с использованием набора диэлектрических трубок являются технически трудно реализуемыми из-за неоднородности стенок и прогиба тонких и длинных трубок. Поэтому для создания квазиоптических компрессоров необходима разработка и исследование новых коммутаторов, эффективно работающих в коротковолновом диапазоне длин волн.

Целью настоящей диссертационной работы являются:

1) разработка и исследование новых коммутаторов для переключения направления распространения волнового пучка или изменения фазы СВЧ-излучения большой мощности на основе:

-распределенных дифракционных решеток с изменяемыми параметрами за счет создания плазмы в каналах решетки;

-резонаторов и решеток, содержащих полупроводник, переключаемый оптическим излучением за счет эффекта индуцированной фотопроводимости;

-резонаторов с модулированием добротности путем инжектирования электронного пучка;

2) создание и исследование на основе разработанных переключателей активных квазиоптических компрессоров СВЧ-импульсов;

3) разработка эффективных пассивных компрессоров СВЧ-импульсов на основе компактных накопительных резонаторов;

4) создание и исследовании необходимых вспомогательных электродинамических компонентов СВЧ-компрессоров (устройств ввода-вывода излучения, поворотов, нагрузок, дистанционно управляемых волноводных переключателей и фазовращателей).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитированной литературы и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Для коммутации потоков СВЧ-излучения разработана электрически управляемая дифракционная решетка, состоящая из соединенных вместе кварцевой и тефлоновой пластин, размещенных над плоским металлическим зеркалом и имеющих периодические пазы внутри одной из них. За счет создания в пазах газоразрядной плазмы достигается переключение волновых потоков в направлении из зеркального в дифракционный максимум. Показано, что на частоте 34 ГГц эффективное переключение решетки с размерами 240 х 120 мм на величину до 60% мощности за время не более 10 не обеспечивается плазмой с концентрацией электронов в диапазоне от 1013 см"3 до 1014 см"3 при использовании импульсов напряжения 50-100 кВ и при давлении газа в пазах 0,3-1 Topp.

2. Разработан активный компрессор СВЧ-импульсов на основе трехзеркального накопительного резонатора, в котором одним из зеркал является дифракционная решетка, способная управлять связью резонатора с запитывающим волновым пучком. В экспериментах на частоте 34 ГГц получены сжатые импульсы мощностью 1,7 МВт при коэффициенте усиления равным 7 и длительностью 20 не с эффективностью 25%. Показано, что предельная мощность сжатых импульсов в созданном компрессоре составляет не более 50 МВт при длительности импульса 20 не и ограничивается самопробоем газа в каналах дифракционной решетки.

3. Для быстрого управления фазой СВЧ-излучения сантиметрового диапазона длин волн разработаны электрически управляемые компоненты:

- дифракционная решетка, состоящая из кварцевой пластины, расположенной над плоским металлическим зеркалом, переключаемая путем создания плазмы в каналах пластины. Экспериментально показано, что при создании плазмы в каналах решетки с концентрацией электронов, превышающей критическую концентрацию, величина фазового сдвига регулируется расстоянием между пластиной и зеркалом и может быть получена равной 180° при времени переключения решетки с размерами 240 x 120 мм, не превышающем 10 не;

- активное зеркало, состоящее из пластины кремния, находящейся на металлической поверхности, действие которого основано на эффекте индуцированной фотопроводимости в полупроводнике. На низком уровне мощности экспериментально показано эффективное переключение фазы СВЧ-излучения на 180° за время, не превышающее 10 не, при помощи лазерных импульсов на длине волны 0.5-1 мкм с энергией 5-10 мДж;

- волноводный резонатор на осесимметричной моде ТЕоп, действие которого основано на изменении фазы отраженной волны при выводе его из резонанса с помощью электронного пучка. На низком уровне мощности продемонстрировано переключение фазы излучения на 180° за время, не превышающее 30 не, при инжекции пучка электронов с током 400 -í- 500 А.

4. Разработан электропрочный пассивный компрессор СВЧ-импульсов, состоящий из единственной резонансной линии задержки, работающей на комбинации осесимметричных мод ТЕоь ТЕо2 и ТЕоз- В отличие от существующего двухканального компрессора SLED-II в нем исключена необходимость в развязке на основе одномодовых волноводов. На частоте 30 ГГц продемонстрирована работа компрессора на низком уровне мощности, получены коэффициент усиления по мощности, равный 4,5, и эффективность компрессии 67%.

5. Проанализированы два метода создания высокоэффективных поворотов на моде TEoi волновода круглого поперечного сечения, основанные на снятии вырождения мод TEoi и ТМп: путем введения небольшой эллиптичности поперечного сечения волновода и путем введения высших гармоник в профиль изгиба. На основе обоих методов рассчитаны и экспериментально проверены два 90-градусных поворота на частоту 34 ГГц, эффективность которых составила 98% в полосе частот 1,3% и 95% в полосе частот 10%, соответственно.

6. Разработаны высокоэффективные дистанционно управляемые переключатель и фазовращатель мощного СВЧ-излучения частотой 12 ГГц на основе 3-дБ ответвителей. Переключатель способен обеспечить плавное управление мощностью в выходных каналах от 0 до 95%. Фазовращатель осуществляет перестройку фазы в пределах от 0° до 410°. Устройства использовались в CERN в экспериментах, демонстрирующих работу ускоряющей структуры будущего электрон-позитронного коллайдера CLIC, на мощности до 180 МВт и длительности импульса 200 не.

1. Аликаев В.В., Денисов Г.Г., Запевалов В.Е., Курбатов В.И., Литвак А.Г., Мясников В.Е., Тай Е.М., Гиротроны для УТС // «Вакуумная СВЧ-электроника» — Сборник обзоров под ред. М.И. Петелина, Н.Новгород: ИПФ РАН, (2002), с.71.

2. Балакин В.Е., Казаков С.Ю., Лунин А.Е., Чашурин В.К, Мощные микроволновые компоненты электрон-позитронных супер-коллайдеров // «Вакуумная СВЧ-электроника» Сборник обзоров под ред. М.И. Петелина, Н.Новгород: ИПФ РАН, (2002), с. 13.

3. Батенин В.М., Клшювский И.И., Лысое Г.В., Троицкий В.Н., СВЧ-генераторы плазмы // М.: Энергоатомиздат (1988).

4. Petelin M.I., Microwave pulse compressors // Proc. of the 3rd International Workshop "Strong Microwave in Plasmas", Nizhny Novgorod: IAP, (1996), т. 2, с. 903.

5. Самсонов С.В., Гирорезонансные приборы и СВЧ-компрессоры на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности // Диссертация док. физ- мат. Наук, Нижний Новгород (2007), с. 197.

6. Farkas Z. D., Hogg Н.А., Loew G.A., Wilson P.B. // Proc. 9th Int. Conf. on High Energy Accelerators, (1976) c. 576.

7. Wilson P.В., Farkas Z.D., Ruth R.D., SLED-II: A new method of rf pulse compression // Proc. of Linear Accl. Conf., Albuquerque, NM (1990), SLAC-PUB-5330 (1990).

8. Hogg H.A., Loew G.A., Price V.G., Experiments with Very High Power RF Pulses at SLAC // IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 4, (1975), p. 1299.

9. Балакин B.E., Сырачев И.В., Применение открытых резонаторов в системах умножения СВЧ-мощности // XV Совещание по Ускорителям Заряженных Частиц, Протвино (Октябрь 1996), Том. 1, сс. 92-96.

10. И. Syratchev /., Barrel-Cavity Pulse compression system, (March 2001), http://ctf3.home.cem.ch/ctf3/M33/is33.pdf

11. Сырачев КВ., Новая система импульсной компрессии СВЧ-мощности для линейного коллайдераВЛЭПП // Диссертация канд. физ-мат. наук, Протвино (1997), с. 103.

12. Tantawi S.G., Nantista C.D., Dolgashev V.A., Pearson C., Nelson J., Jobe K., Chan J., Fant K., Frisch J., Atkinson D., High-power multimode X-band rf pulse compression system for future linear colliders // Phys. Rev. ST AB, (2005), 8, 042002.

13. Диденко A.H., Юшков Ю.Г., Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности // М.: Энергоатомиздат (1984).

14. Petelin M.I., Hirshfield J.L., Kuzikov S.V., Vikharev A.L., High power microwave pulse compressors: passive, active and combined, Proceedings of SPIE, (2000), vol. 4031, pp.224231.

15. Birx D.L., Scalapino D.J., Microwave energy compression using high-intensity electron beam switch // J. Appl. Phys. (1980), т. 51, № 7, с. 3629.

16. Alvarez R.A., Birx D.L., Byrne D„ Lauer E., Scalapino D. II Particle Accelerators, (1981), т. 11, с. 125.

17. Девятков Н.Д., Диденко А.Н., Замятина Л.Ю., Разин С.Ю., Юшков Ю.Г., Формирование мощных импульсов при накоплении СВЧ-энергии в резонаторе // Радиотехника и электроника, (1980), т. 25, № 6, с. 1227.

18. Августинович В.А., Новиков С.А., Разин С.В., Юшков Ю.Г., Формирование мощных импульсов наносекундной длительности трехсантиметрового диапазона // Известия вузов: Радиофизика (1985), т. 28, № 10, с. 1347.

19. Артеменко С.Н., Августинович В.А., Каминский В.Л., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г., Анализ процесса формирования радиоимпульсов в сверхразмерном резонаторе с интерференционным ключом // Радиотехника и электроника, (1997), т.42, № 8, с. 1011.

20. Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г., Формирователь гигаваттных наносекундных СВЧ-импульсов с применением временной компрессии энергии излучения магнетрона // Приборы и техника эксперимента, (2000), № 3, с.85.

21. Артеменко C.H., Августинович В.А., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г., Вывод энергии из сверхразмерного резонатора через "пакет" интерференционных переключателей с суммированием выходных сигналов // ЖТФ, (2000), т. 70, в. 11, с. 105.

22. Nantista C.D., Radio-Frequency Pulse Compression for Linear Accelerators // SLAC-Report-95-455,(1995).

23. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Колыско А.Л., Петелин М.И., Активный компрессор СВЧ-импульсов на осесимметричной моде круглого волновода // Письма в ЖТФ, (1998), т. 24, № 20, с.б.

24. Вихарев А.Л., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Мовшевич Б.З., Хиршфилд Дж.Л., Голд С.Х., Активный бреговский компрессор трехсантиметрового диапазона длин волн // Известия вузов. Радиофизика, (2008), т. 51, № 7, с. 6.

25. Bratman V.L., Denisov G.G., Ginzburg N.S., et al. II IEEE Journal of Quantum Electronics, (1983), т. QE-19, № 3, c. 282.

26. Денисов Г.Г., Резников М.Г., Гофрированные цилиндрические резонаторы для коротковолновых релятивистских СВЧ-генераторов // Известия вузов. Радиофизика, (1982), т. 25, №5, с. 562.

27. Лобаев М.А., Исследование разрядных явлений в плазменных коммутаторах СВЧ-излучения большой мощности // Диссертация канд. физ — мат. наук, Нижний Новгород (2010), с. 136.

28. Nezhevenko О.A., Yakovlev V.P., Ganguly А.К, Hirshfield J.L., High power pulsed magnicon at 34 GHz // AIP Conf. Proc., 474 (American Institute of Physics, Melville), (1999), p. 195.

29. Nezhevenko O.A., Recent developments in high power magnicons for particle accelerators // Plasmas Physics (2000) v.7, №5, p.2224.

30. Каценеленбаум Б.З., Высокочастотная электродинамика // M.: Наука, (1966), 237 с.

31. Вайнштейн Л.А., Открытые резонаторы и открытые волноводы // М.: Сов. Радио, (1966), 475с.

32. Fox A.G., Li Т. II Bell SystemTechn J., (1961), Vol. 40, No. 2, pp. 453^164.

33. Таланов В.И., Резонаторы квантовых генераторов оптического диапазона // в книге Файн В.М., Ханин Я.И., Квантовая радиофизика, М.: Сов. Радио, (1965), стр.508-541.

34. Бопдаренко Н.Г. , Таланов В.И., Некоторые вопросы теории квазиоптических систем // Изв. вузов. Радиофизика., (1964), том. 7, № 2. с. 313-327.

35. Дантов Ю.Ю., Кузиков С.В., Петелин М.И., К теории компрессора микроволновых импульсов на основе бочкообразного резонатора с винтовым гофром // ЖТФ, (2000) т.70, вып. 1, с.65.

36. Данилов Ю.Ю., Кузиков С.В., Павелъев В.Г., Кошуринов Ю.И., Лещинский С.М., Компрессия микроволновых импульсов квазиоптическим. резонатором с гофрированным зеркалом // Письма в ЖТФ, (2001) 1.21, вып. 19, с.5.

37. Данилов Ю.Ю., Кузиков С.В., Павелъев В.Г., Кошуринов Ю.И., Щегольков Д.Ю., Компрессия линейно-модулированных по частоте импульсов на основе кольцевого трехзеркального резонатора // ЖТФ, (2005) т.75, вып. 4, с.131.

38. Данилов Ю.Ю., Пассивные резонансные компрессоры микроволновых импульсов // Диссертация канд. физ.— мат. наук, Нижний Новгород (2003), с. 143.

39. Buxapee A.JI., Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Распределенные переключатели волновых пучков и компрессоры микроволновых импульсов // Письма в ЖТФ, (1996), Том. 22, Вып. 19, сс.41-46.

40. Кузиков С.В., Диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. Наук // ИПФ РАН, Нижний Новгород, 1998.

41. Yee K.S,. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propagat., (May 1966), vol. AP-14, pp.302—307.

42. Tqflove A., Advances in computational electrodynamics. The Finite-Difference Time-Domain Method // Boston, London, Artech House, (1998), 724p.

43. Борисов Н.Д., Гуревич A.B., Искусственная ионизованная область в атмосфере // М.: ИЗМИР АН, (1986), 184с.

44. Ali A.W., Nanosecond air breakdown parameters for electron and microwave beam propagation // Laser and Particle beams, (1988), т. 6, с. 105.

45. Душин Л.А., СВЧ-— интерферометры для измерения плотности плазмы в импульсном газовом разряде // М.: Атомиздат, (1973), 128с.

46. Степанов А.Н., Бабин А.А., Киселев A.M., Сергеев A.M., Тераваттный фемтосекундный титан-сапфировый лазерный комплекс // "Квантовая электроника", (2001), т.31, №7, с. 623-626.

47. Nunnally W. and Cooperstock D., Methods and Configurations for Improving Photo-Conductive Switch Performance // 25th International Power Modulator Symposium and HighVoltage Workshop, (2002), pp. 183-186.

48. Андреев Б.А., Паришн В.В., Шмагин В.Б., Котерева Т.П., Heidinger R.V., Кремний с минимальными диэлектрическими потерями в миллиметровом диапазоне длин волн // "Неорганические материалы", (1997), т. 33, № 11, с. 1-4.

49. Зи С.М., Физика полупроводниковых приборов // М.: Мир, (1984), т. 1 450 е., т. 2 -449 с. (Sze S.M., Physics of semiconductor devices // New York , John Wiley & Sons Inc., (1981)).

50. Farkas Z.D., Hogg H.A., Loew G.A., Wilson P.В., SLED: A Method of Doubling SLAC's Energy // Proc. of 9th International Conference on High Energy Accelerator, Stanford, California, (1974), p. 576.

51. Fumihiko Tamura and Sami G. Tantawi, Development of high power X-band semiconductor microwave switch for pulse compression systems of future linear colliders // Physical review special topic Accelerators and beams, vol.5, 062001, (2002).

52. Nezhevenko O.A., Yakovlev V.P., Hirshfield J.L., et. al. II Proc. of the 1999 Particle Accelerator, edited by A. Luccio and W. MacKay, Piscataway, New Jersey: Institute of Electrical and Electronic Engineers, (2000), Vol. 2, P. 1049

53. Пиппард А. Б., Физика колебаний // M.: Высшая школа, (1985). 456 с.

54. Birx D.L., Scalapino D.J., Microwave energy compression using a high-intensity electron beam switch // J.Appl.Phys.,51(7),(1980), P.3629.

55. Голант B.E., Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы // М.: Наука, (1968), 326 с.

56. Бугаев С. П., Ильин В. П., Кошелев В. И. и др. (под ред. А. В. Гапонова — Грехова), Релятивиская высокочастотная электроника // Вып 1. (1979).

57. Месяц Г.А., Импульсная энергетика и электроника // М.: Наука, (2004), сс. 63-94.

58. Petelin M.I., Quasi-optical collider concept, Advanced Accelerator Concepts // 10th Workshop, C.E.Clayton and P.Muggli, eds, AIP Conf. Proc., 2002, v.647, pp.459^168.

59. Alvarez R.A., Some properties of microwave resonant cavities relevant to pulse-compression power amplification // Rev. Sci. Instrum., (1986), т. 57, № 10, с. 2481.

60. Raizer Y.P., Gas Discharge Physics // Springer, Berlin, (1987).

61. Gurevich A.V., Borisov N.D., Milikh G.H., Physics of Microwave Discharges: Artificially Ionized Regions in the Atmosphere // Amsterdam, Gordon and Breach, (1997).

62. Ivanov O.A., Isaev V.A., Lobaev M.A., Vikharev A.L., Hirshfielcl J.L., A resonance switch employing an explosive-emission cathode for high-power RF pulse compressors // Applied Physics Letters, Vol. 97, 031501, (2010).

63. Wilson P. В, Farkas Z.D., and Ruth R.D. II in Proceedings of the Linear Accelerator Conference, Albuquerque, (1990).

64. Tantawi S. G. et al. I I Phys. Rev. ST Accel. Beams 8, 042002 (2005).

65. Kazakov S.Yu., Three-mode SLED-IIII KEK-SLAC ISG9 Meeting, KEK, (December 2002), http://lcdev.kek.jp/ISG/ISG9.Kazakov2.pdf

66. Rabinovich MA., Trubetskov D.I., Oscillators and Waves In Linear and Nonlinear Systems // Springer, Series: Mathematics and its Applications, (1989), Vol.50.

67. Nezhevenko O.A. et al. // in Proceedings of EPAC, Vienna, (2000), p.2087.

68. Syratchev I., Denisov G., Kocharovsky VI., Kuzikov S. and Stepanov A. II CLIC-Note-645, (2005).

69. Kuzikov S. V. et al. II in Proceedings of 7th Workshop on High Energy Density and High Power RF, Kalamata, (2005), edited by D.K.Abe and G.Nusinovich, Vol.807, p.463.

70. Yakovlev V.P., Nezhevenko O.A. and Hirshfield J.L. // in Advanced Accelerator Concepts: 11th Workshop, (2004), edited by V. Yakimenko (American Institute of Physics), p.643.

71. Кузиков С.В., Плоткин М.Е., Синтез модовых преобразователей на основе метода FDTD // Изв. вузов. Радиофизика., (2009). том. 52, № 3. с. 216-230.

72. Бараев С.В., Коровин О.П., Повышение эффективности накачки резонансного СВЧ-накопителя IIЖТФ, (1980), Т.50, №11, с.2465-2467.

73. Бараев С.В., Коровин О.П., Условия эффективного ввода энергии в ускоряющий резонатор // ЖТФ, (1985), Т.55, №4, с.723-725.

74. Артеменко С.Н., Эффективность передачи СВЧ-энергии в нагрузку при резонансной компрессии радиоимпульсов // ЖТФ, (1996), Т.бб, №10, с.163-171.

75. Вайнштейн Л.А., Электромагнитные волны // М.: Радио и связь, (1988), 440с.

76. Волноводные линии передачи с малыми потерями // сб. статей, под ред. В.Б. Штейншлейгера, М.: Ин. лит., (1960), 480с.

77. Денисов Г.Г., Калынова Г.И., Соболев Д.И., Метод синтеза волноводных преобразователей // Известия вузов. Радиофизика, (2004), Том XLVII, №8, с. 688-693.

78. Jouguet М., Effets de la courbure dans un guide a section circulaire // Cabl. et Trans. 1, (1947), No2, p.133.

79. Каценеленбаум Б.З., Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами // М.: Изд-во АН СССР, (1961), 217 с.

80. Klopfenstein R. W., A transmission line taper of improved design // Proceedings of the IRE, (1956), №1, p. 31-35.

81. Керженцева Н.П., Волноводный изгиб переменной кривизны // Радиотехника и электроника, (1960), №5, с. 733-739.

82. Denisov G.G., Kuzikov S.V., Eigenmodes evolution due to changing the shape of the waveguide cross-section // International Journal of Infrared and Millimeter Waves, (1997), Vol. 18, No. 3, p.733-744.

83. KrollN.M., Farkas Z.D., Lavine T.L., Menegat A., Nantista C., Ruth R.D. and Wilson P.В., A High-Power SLED-II Pulse Compression System // Stanford Linear Accelerator Center, SLAC-PUB-5782, March (1992).

84. Ziemann V., Data Analysis for PETS Recirculation // CTF3-Note-094, (2009), http://clic-study.web.cern.ch/CLIC-Study/CTF3/Notes/CTF3Note094.pdf

85. Список публикаций по теме диссертации

86. Статьи в реферируемых журналах:

87. А2. Kuzikov S. V., Vikharev А.А., Plotkin M.E., Shegol'kov D. Yu. and Hirshfield J.L., One-channel Ka-band pulse compressor // Phys. Rev. ST Accel. Beams 10, (2007), 082001, 8 pages.

88. A3. Вихарев А.А., Денисов Г.Г., Кузиков С.В., Соболев Д.И., Волноводные повороты для эффективной передачи моды ТЕ01 круглого волновода // Вестник НГУ, Серия: Физика, (2007), том. 2, вып. 2, стр. 74-81.

89. А5. Вихарев А.Л., Вихарев А.А., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Лобаев М.А., Резонансный фазоинвертор миллиметрового диапазона длин волн, переключаемый пучком электронов // ЖТФ, (2009), том 79, выпуск 11, стр. 86-92.

90. А6. Вихарев А.Л., Вихарев А.А., Горбачев A.M., Иванов О.А., Исаев В.А., Кузиков С.В., Квазиоптический фазовращатель 8-мм диапазона на основе активной дифракционной решетки // Письма в ЖТФ, (2009), том 35, выпуск 9, стр. 67-75.

91. А7. Vikharev A.A., Denisov G.G., Kuzikov S. V. and Sobolev D.I., New TEoi Waveguide Bends // Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, (2009), Volume 30, Number 6, Pages 556-565.

92. A9. Вихарев А.А., Кузиков С.В., Дистанционно управляемые, волноводные переключатели и фазовращатели для тестирования ускоряющих структур на высоком уровне мощности // Вестник НГУ, Серия: Физика, (2011), том 6, вып. 1, стр. 36-43.

93. Публикации в трудах конференций:

94. А10. Kuzikov S.V., Danilov Yu.Yu., Denisov G.G., Shegol'kov D.Ya., Vikharev A.A., Multi-Mode SLED-II Pulse Compressors // Proceedings of 22-nd Int. Linear Accelerator Conference, Lübeck, Germany, August 16-20, (2004), p. 660-662.

95. All. Buxapee A.A., Денисов Г.Г., Кузнков С.В., Соболев Д.И., Повороты волновода круглого сечения для эффективной передачи моды TEoi // Труды XI Научной конференции по радиофизике, ННГУ, (2005), стр. 36-37.

96. А12. Вихарев A.A., Кузиков С.В., Компактный компрессор СВЧ-импульсов на основе многомодовой линии задержки // Труды VIII Научной конференции по радиофизике, ННГУ, (2004), стр. 14-15.

97. A15. Buxapee A.A., Денисов Г.Г., Кузиков С.В., Соболев ДИ., Эффективные повороты на моде TEoi круглого волновода // Труды X Всероссийского школы-семинара "Физика и применение микроволи", Звенигород, Московская обл., 23-28 мая, (2005), (на CD).

98. А16. Kuzikov S. V., Plotkin M.E., Vikharev A.A. and Hirshfield J.L., Compact one channel Ka-band SLED-II pulse compressor // Proceedings of EPAC, Edinburgh, Scotland, (2006), pp. 14111413.

99. A18. Kuzikov S.V., Vikharev A.A., Plotkin M.E., Shegol'kov D.Yu., Hirshfield J. L., Yakovlev VP., One-channel, multi-mode active pulse compressor // Proceedings of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA, (2007), pp.2460-2462.

100. A21. Denisov G.G., Kulygin M.L., Kuzikov S.V., Vikharev A.A., Fast Optically Controlled Microwave Switches // in book VII Int. Workshop Strong Microwaves: sources and applications, Nizhny Novgorod, July 27-August 2, (2008), pp. 184-188.1. Препринты:

101. А23. Вихарев А.А., Горбачев A.M., Кузиков С.В., Дифракционная решетка активный коммутатор для квазиоптического компрессора СВЧ-импульсов // Препринт №738, Российская академия наук, Институт прикладной физики, Нижний Новгород, (2007), 16 стр.