Квазиоптические методы управления пространственно-временной структурой мощного микроволнового излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КУЗИКОВ Сергей Владимирович

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ МОЩНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 5 ПАЙ 2014

005549087

Нижний Новгород, 2014

005549087

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук Яландин Михаил Иванович, Институт электрофизики УрО РАН

доктор физико-математических наук Кудрин Александр Владимирович, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (ННГУ) - Национальный исследовательский университет

доктор физико-математических наук Канарейкин Алексей Дмитриевич, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ)

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники

им. В.А. Котельникова РАН (г. Москва).

Защита диссертации состоится «26» мая 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02. при ФГБУН Институт прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан «20» апреля 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие источников мощного когерентного микроволнового излучения и постоянный прогресс потребителей этого излучения в таких областях науки и техники как управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорение элементарных частиц, радиолокация и связь, плазмохимия, биология и медицина обуславливают постоянно растущие и усложняющиеся требования к электродинамическим системам, используемым для генерации, передачи и преобразования волновых потоков [1*-20*]. Суть этих требований в конечном итоге сводится к необходимости эффективного управления параметрами излучения, его пространственной и временной структурой.

Специфика систем высокой пиковой и средней микроволновой мощности проистекает из того, что высокочастотный пробой, омические потери и импульсный нагрев не позволяют в полной мере использовать одномодовые волноводы, а применение оптических аналогов ограничено требованиями компактности. Поэтому актуальной задачей остается развитие методов квазиоптики.

В ходе разработки пассивных квазиоптических систем управление часто подразумевает решение таких задач как сохранение заданной поперечной моды, преобразование одной или нескольких мод в другую моду или суперпозицию мод, повороты линий передачи, защита источника от отраженного излучения и другие.

При необходимости изменения направления передачи излучения, суммирования или деления волновых потоков в течение микроволнового импульса возникает потребность в коммутаторах (или переключателях). Эти устройства могут быть как пассивного типа (для переключения используется изменение фазы источников излучения), так и активного типа, в которых применяются элементы с электрически управляемыми свойствами. На основе коммутаторов обоих типов в настоящее время создаются соответствующие компрессоры импульсов, позволяющие многократно увеличить пиковую мощность излучения при укорочении его длительности.

Наиболее многообразны требования к электродинамическим системам мощных электронных источников микроволнового излучения и ускорителей элементарных частиц. Традиционно необходимо уметь управлять спектральным составом излучения, обеспечивая стабильную одномодовую генерацию или усиление микроволн. Однако развитие техники фотоинжекторов электронных сгустков, повсеместно применяемой для создания пучков в линейных ускорителях высоких энергий, требует не просто стабильного одночас-тотного излучения, но и привязки частоты и фазы этого излучения к частоте и фазе следования электронных сгустков.

Одна из фундаментальных задач современной техники ускорителей состоит в достижении тераэлектронвольтных уровней энергий электронов и

позитронов, что неразрывно связано с получением градиента ускорения выше 100 МВ/м. Для решения этой задачи, связанной с преодолением пороговых значений пробоя и импульсного нагрева, могут быть использованы "гребенки" из коротких гигантских импульсов излучения, что требует как новых типов источников излучения, так и новых типов ускоряющих структур, в которых осуществляется одновременное управление и пространственной, и временной динамикой микроволн.

Цели и задачи диссертационной работы

Цель теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, состояла в обобщении и развитии способов управления мощными микроволнами, а также в создании принципиально новых методик, направленных на:

1. Создание высокоэффективных методов преобразования волновых потоков и способов их расчета [3,4, 15, 22, 39, 40,46, 53, 54, 59].

2. Разработку эффективных линий передачи мощного излучения и их компонентов [1, 5, 8, 12, 13, 15, 16, 44, 27, 32, 43, 51, 52, 59].

3. Реализацию активных и пассивных устройств для управляемого переключения потоков мощного излучения [8, 12, 13, 24, 25, 29, 37, 38, 53-55, 58,61].

4. Создание мощных высокоэффективных компрессоров микроволновых импульсов [6, 7, 9-11, 14, 18,26, 35, 36,42,45, 55].

5. Разработку компонентов мощных релятивистских гиротронов и гирок-листронов, мазеров на свободных электронах (МСЭ) и источников когерентного рентгеновского излучения на основе микроволновых ондуляторов [2, 16, 19-21, 23, 34, 47, 48, 58, 60, 62-66].

6. Анализ возможностей увеличения градиента ускорения элементарных частиц в линейных ускорителях, создание ускоряющих структур нового типа и микроволновых источников для них [17, 30, 31, 41, 49, 50, 52, 56, 57, 59].

Научная новизна

1. Разработана новая универсальная методика синтеза преобразователей волновых потоков, основанная на использовании алгоритмов численного решения уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке (РОТБ) [39]. Разработан метод синтеза квазиоптических преобразователей с использованием процедуры Фокса-Ли и формализма интегральных уравнений, позволяющих учитывать векторный характер полей [40].

2. Найдены эффекты в сверхразмерных волноводах, имеющие общую физическую природу с эффектами Тальбота, которые позволяют осуществлять эффективное управление режимами переключения, суммирования, деления и передачи квазиоптических волновых пучков [8, 54].

3. Предложены мощные высокоэффективные компрессоры СВЧ импульсов: пассивные компрессоры, работающие на осесимметричных модах волновода круглого поперечного сечения, которые позволяют исключить нормальные поверхностные поля на стенках электродинамической системы [26];

активные компрессоры с плазменными коммутаторами микроволнового излучения, с коммутаторами, переключаемыми инжектированными электронными пучками и индуцированными токами одностороннего мульти-пакторного разряда на металле [38, 55].

4. С использованием предложенных высокоэффективных вводов СВЧ мощности впервые реализован мультимегаваттный гироклистрон с релятивистским электронным пучком на частоту 30 ГГц, работающий на последовательности объемных мод высокого порядка [20, 63-66].

5. С целью реализации эффективной модовой селекции и достижения стабильной одномодовой генерации в МСЭ миллиметрового диапазона длин волн с приосевым электронным пучком предложен "открытый" брэггов-ский резонатор на гауссовой моде, состоящий из двух отражающих секций с зазором между ними [60].

6. Показано, что спектр излучения релятивистских электронов в микроволновых ондуляторах на стоячей волне существенно ухудшается за счет негативного воздействия попутной электронам электромагнитной волны. Предложены новые типы резонаторов, в которых попутная волна отличается по поперечной структуре от встречной и не портит спектр выходного излучения рентгеновского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в режиме усиления спонтанного излучения короткого сгустка электронов (SASE) [62].

7. С целью повышения градиента ускорения в линейных ускорителях предложены ускоряющие структуры нового типа, работающие на суперпозиции нескольких эквидистантно расположенных по частоте гармониках поля [41, 49, 50, 56].

8. Сформулированы принципы построения источников микроволнового излучения, частота и фаза которых управляются с помощью лазеров, работающих с высокой частотой следования коротких импульсов [58, 61].

Практическая значимость результатов

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в ней содержится решение ряда прикладных задач.

Часть результатов, полученных при выполнении диссертационной работы, уже нашли свое применение в некоторых ведущих физических лабораториях. Так, в экспериментах, направленных на создание электрон-позитрон-ного коллайдера нового поколения CLIC в Европейском ускорительном центре (CERN), использовались квазиоптическая линия передачи мощного излучения на частоту 30 ГГц на моде ТЕ0ь компрессор импульсов на частоту

12 ГГц, с помощью которого был продемонстрирован экспериментально градиент ускорения электронов 80 МэВ/м; управляемые волноводные переключатели и фазовращатели, другие волноводные компоненты. Активные компрессоры импульсов использовались в экспериментах, проводимых лабораторией физики пучков Йельского университета (США), лабораторией N111. (США), ускорительным центром БЬАС (США). При использовании результатов диссертации были созданы ряд релятивистских гиротронов и гироклис-тронов высокой выходной мощности в ИПФ РАН. Компоненты МСЭ, включающие резонатор и выходной преобразователь, в настоящее время используются в многочисленных экспериментах в ОИЯИ (Дубна). Выполненные с помощью этого уникального источника эксперименты по определению времени жизни медных структур под действием импульсного теплового нагрева, вызванного интенсивными микроволнами, могут оказаться важны при проектировании будущих ускорителей на высокие частоты.

Антенна дистанционного сканирования волнового пучка в плазме может быть использована в установках УТС нового поколения.

Работы по микроволновым ондуляторам, направленные на создание нового поколения ЛСЭ рентгеновского диапазона, позволили выявить проблемы, отличающие их от периодических систем на постоянных магнитах, и предложить пути их решения.

Разработанные методы синтеза преобразователей находят применение при создании волноводных трактов и источников излучения различных диапазонов.

Предложенные многочастотные структуры могут оказаться востребованными в новых проектах высокоградиентных ускорителей и фотоинжекторов интенсивных электронных сгустков. Рекомендации по созданию нового типа микроволновых источников с управляемой частотой и фазой для питания ускоряющих структур и фотоинжекторов могут оказаться значимы также при проектировании установок лазерно-плазменного ускорения.

При выполнении диссертационной работы получен патент по многочастотным ускоряющим структурам.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-62] и докладывались на:

научных семинарах в ИПФ РАН (1992-2013); Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам ШММ"\У (Эссекс 1993, Орландо 1995, Берлин 1996, Винтергрин 1997, Монтерей 1999, Пекин 2000, Отсу 2003); совместных Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам и терагерцовой электронике (Шанхай 2006, Кардиф 2007); Международных рабочих встречах "Мощные микроволны в плазме" (Нижний Новгород 1993, 1996, 2000, 2003, 2006, 2009, 2011); Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазо-

нов (Нижний Новгород 2011 и 2013); Европейских конференциях по ускорителям заряженных частиц ЕР АС (Люцерн 2004, Эдинбург 2006, Генуя 2008); Международных конференциях по ускорителям заряженных частиц РАС (Нью-Джерси 1999, Нью-Мексико 2007, Ванкувер 2009); Российских конференциях по ускорителям заряженных частиц RuPAC (Дубна 2004, Протвино 2010); Международных совещаниях по новым концепциям ускорения ААС (Балтимор 1998, Санта Фе 2001, Мандела Бич 2002, Нью-Йорк 2004, Аннаполис 2010, Аустин 2012); Международных совещаниях по линейным коллай-дерам LC (Протвино 1997, Фраскати 1999); Международном совещании по ускорителям высоких энергий НЕАСС (Дубна 1998); 9-м симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург, 1992); Международной конференции по электронно-циклотронной эмиссии и электронно-циклотронному нагреву ЕС (Амеланд 1997); 28-й Международной конференции по теории и технологии антенн (Москва 1998); Международном совещании по лмпульс-ным микроволновым источникам для коллайдеров RF'98 (Пахаро Дюне 1998); 18-й Международной конференции по ядерному синтезу (Сорренто 2000); Международных совещаниях по микроволнам высокой плотности энергии и мощности RF (Каламата 2006, Беркли Спринте 2003); Международных конференциях по линейным ускорителям LINAC (Любек 2004, Тель-Авив 2012); 15-й конференции по мощным пучкам заряженных частиц BEAMS (Санкт-Петербург 2004); Международных конференциях по лазерам на свободных электронах FEL (Триест 2004, Ливерпуль 2009); Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород 2004 и 2005); Рабочем совещании по квазиоптическому управлению мощными микроволнами (Нижний Новгород 2005); Международном рабочем совещании CLIC'09 (Женева 2009); Международных конференциях по ускорителям частиц IP АС (Киото 2010, Сан-Себастьян 2011); 18-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" (Судак, Украина, 2011); 22-й Международной крымской конференции по микроволнолнам и телекоммуникационным технологиям КрыМиКо (Севастополь 2012); 6-й Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Красновидово 1997); 8-м Международном совещании памяти В.П. Саранцева (Алушта 2009); 5-й Международной конференции по вакуумной электронике (Монтерей 2004); 1-й Европейской конференции по новым концепциям ускорения ЕААС (Эльба 2013).

Отдельные результаты изданы в сборниках отчетов по научным проектам МНТП России "Физика микроволн" за 1995, 1996 и 2001 годы, в научном отчете ITER за 2000 год, в препринтах ИПФ РАН.

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации содержатся в 192 публикациях, включающих 62 статьи в научных журналах. Из них 28 статей опубликованы в зарубежных журналах, 34 статьи - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов. Имеется па-

тент на изобретение. После защиты кандидатской диссертации опубликованы 55 статей.

Личный вклад автора

При выполнении работ по теме диссертации соискатель принимал непосредственное участие в постановке и решении задач, в проведении экспериментов, обработке их результатов.

Статьи [4, 6, 8,40, 54] написаны единолично.

В статье [1] автором разработана конструкция узко полосного модового фильтра на основе несимметричных волноводных расширений и осуществлено тестирование прототипа такого фильтра.

Автор участвовал в экспериментах, послуживших основой для публикации по исследованию взаимной когерентности релятивистских ламп бегущей волны (ЛБВ) [2], а также отвечал за подготовку к публикации.

В работе [3] соискателем разработана разновидность метода интегрального уравнения, которая была использована для анализа собственных мод волноводов сложного поперечного сечения при решении многих задач, выполненных в рамках диссертационной работы.

Автором предложен метод синтеза волноводных преобразователей, реализованный с применением формализма FDTD (Finite Difference Time Domain) [39].

В исследованиях антенны сканирования волнового пучка в плазме автор разработал методы расчета и выполнил численный анализ антенны применительно к токамаку ITER [12], принимал участие в проведении экспериментов по проверке работы антенны на низком уровне мощности [13, 32]. В статье [28] автором предложен способ увеличения эффективности волноводных компонентов, работающих на эффекте Тальбота, за счет введения продольной гофрировки волновода. Соискателем разработаны оригинальные коды для численного анализа проблемы.

Автором предложен безотражательный пассивный компрессор на комбинации осесимметричных мод [26] и безотражательный компрессор на основе бочкообразного резонатора с винтовой гофрировкой поверхности [9, 10]. Автор был ответственным за проведение экспериментов по пассивной компрессии импульсов с помощью трехзеркального резонатора [11, 18].

Вклад автора в работы по активной компрессии с плазменными переключателями и переключателями на основе инжекции электронного пучка состоял в разработке схем компрессии и расчете основных элементов компрессоров, включая переключатели, а также в проведении некоторых экспериментов [7, 14, 24, 35-38, 42, 45]. При выполнении работ по активному переключателю, управляемому с помощью одностороннего мультипакторного разряда в скрещенных полях, автор осуществлял постановку задачи и участвовал в анализе экспериментальных результатов [55]. При разработке переключателя на

основе индуцированной фотопроводимости автор принимал участие в разработке концепции и проведении расчетов и экспериментов [25, 29].

Под руководством автора диссертационной работы выполнялись разработка, расчет и тестирование СВЧ компонентов, линий передачи и компрессоров, поставляемых в CERN по контрактам с НПП Гиком, для экспериментального стенда CTF3 [53-54].

Автором предложены вводы мощности и выходной преобразователь для гироклистрона, работающего на релятивистском электронном пучке [20, 46]. Предложены способы улучшения селекции мод в резонаторах релятивистских гиротронов, работающих на осесимметричных модах [34]. В работе [47] автору принадлежит методика "холодного" расчета многозеркального резонатора гиротрона.

В работе [62], где дан анализ концепций микроволновых ондуляторов, автору принадлежит идея применения резонаторов с прямыми и встречными волнами разных типов. Соискателем предложен открытый резонатор для МСЭ миллиметрового диапазона длин волн [60]. При проведении работ по исследованию электродинамических систем МСЭ с двумерной распределенной обратной связью автор участвовал в тестировании электродинамических структур [23, 33].

В работах [30-31] предложены принципы расчета времени жизни микроволновых компонентов, подвергающихся воздействию мощного импульсно-периодического микроволнового нагрева. Автором разработана электродинамика стенда для экспериментального исследования импульсного теплового нагрева с помощью мощного МСЭ на частоту 30 ГГц, автор принял непосредственное участие в тестировании стенда и в получении экспериментальных результатов на высоком уровне мощности [16-17,48, 52, 57, 59].

Автором предложена концепция многочастотных ускоряющих структур [41,49-50,56].

Для СВЧ питания фотоинжекторов, СВЧ ондуляторов и многочастотных ускоряющих структур предложены принципы построения микроволновых источников, частота и фаза которых управляются короткими периодическими лазерными импульсами [61]. Для источников мощных коротких импульсов сверхизлучения с модулированной обратной связью автором предложены полупроводниковые ключи, также управляемые лазерным излучением [58].

В работах [27, 44] соискателем разработана концепция волноводных поворотов на моде ТЕ0] на основе принципа снятия вырождения рабочей моды. При разработке поворотов в линии передачи, предназначенной для дистанционного сканирования волнового пучка, соискателем предложена схема расчета антенны и проведен анализ полученных численных результатов по моделированию антенны [43].

При моделировании волноводных преобразователей излучения гиротронов автором осуществлялась постановка задачи, были выполнены численные расчеты козырькового преобразователя на моду ТЕ02 [22].

В работе [5], где исследованы возможности восстановления модового состава излучения в сверхразмерном волноводе по измерениям распределений интенсивности поля в нескольких поперечных сечениях, вклады всех авторов можно считать равноценными.

В представляемой диссертационной работе были использованы результаты кандидатских диссертаций, защищенных под руководством соискателя [46*, 47*, 48*].

Основные положения, выносимые на защиту

1. В сверхразмерных волноводах управление структурой излучения, формируемой квазиоптическими пучками с контролируемыми взаимными фазами, может быть основано на эффектах когерентной интерференции волновых потоков (эффектах Тальбота), обусловленных приближенной эквидистантностью спектра волновых чисел собственных волн. Повышение эффективности приборов, осуществляющих повторение, суммирование, деление и

. ответвление волновых пучков может быть достигнуто путем коррекции спектра волновых чисел за счет оптимизации поверхностного импеданса и поперечного профиля волновода.

2. Достижение мультимегаваттного уровня выходной мощности и высокой эффективности переключателей и компрессоров микроволновых импульсов требует разработки электропрочных электродинамических систем по отношению к высокочастотному пробою. Существуют вакуумированные переключатели и системы компрессии, в которых возможны нулевые поверхностные поля. Примерами могут служить пассивный компрессор частотно-модулированных импульсов на основе безотражательного брэгговского резонатора на комбинации осесимметричных мод и резонаторный ключ активного компрессора на осесимметричной моде, переключаемый инжектируемым электронным потоком. Повысить выходную мощность активных компрессоров импульсов с плазменными переключателями позволяют резонансное переключение, при котором за счет отстройки от резонанса в режиме накопления снижены поля на активном элементе, и расположение этого элемента в узлах поля при введении в резонанс в режиме вывода излучения.

3. Спектр излучения релятивистских электронов в микроволновом ондуляторе на стоячей волне ухудшается из-за наличия отклоняющих полей попутной электронам электромагнитной волны, фазовая скорость которой близка к скорости частиц. Этот эффект может быть устранен в резонаторе, в котором попутная волна имеет поперечную структуру, отличающуюся от структуры встречной волны и имеющую нулевое поле в области пучка.

4. Использование в металлических ускоряющих структурах с нормальной проводимостью стенок нескольких гармоник поля, эквидистантно расположенных по частоте, позволяет сократить время и площадь экспозиции поверхности микроволнами, а также уменьшить вызывающие автоэлектронную

эмиссию и пробой поверхностные поля. Эти эффекты могут быть использованы для увеличения градиента ускорения заряженных частиц.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, двух приложений, заключения, списка цитированной литературы, включающего 303 наименования, и списка публикаций автора из 192 наименований. Общий объем диссертации составляет 459 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении изложена общая характеристика работы, сформулированы цели, указана научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлено краткое содержание глав.

В первой главе рассмотрены принципы и приемы создания пассивных квазиоптических систем высокой мощности.

В разделе 1.1 сделан обзор применения периодических систем (гофрированных волноводов и дифракционных решеток), которые нашли широчайшее применение в разнообразных сверхразмерных электродинамических системах.

При малом по сравнению с длиной волны излучения периоде гофрировки происходит изменение эффективных граничные условий на поверхности металла, которые можно описать введением поверхностного импеданса. Поляризация, фаза и потери отраженного от такой поверхности излучения оказываются зависимыми от импеданса, что позволяет управлять характеристиками поляризаторов, элементов связи, нагрузок и линий передачи с малыми потерями.

Если период гофрировки оказывается сравним с длиной волны излучения, то на основе брэгговских условий рассеяния оказывается возможным селективно связать выбранные волны из целого набора распространяющихся волн [9*]. Это свойство активно используется в дизайне преобразователей мод с различной структурой поля и рефлекторов, ширины зон прозрачности и непрозрачности которых могут регулироваться амплитудой гофрировки.

Раздел 1.2 посвящен волноводам, работающим на эффектах интерференции параксиальных волновых пучков (эффектах Тальбота), которые также стали широко используемым инструментом в электродинамических системах высокой мощности [8*, 21*]. При распространении параксиального волнового пучка в волноводе его изображение может повторяться, отображаться зеркально, делиться на несколько идентичных (Рис. 1). Суть этих явлений основана на том, что фазовые набеги мод, по которым можно разложить поле пуч-

2

ка, становятся кратны к на дистанциях г = --— , где и ^ - целые положи-

q X

тельные числа, а - поперечный размер волновода, X - длина волны в вакууме.

В разделе 1.2.1 отмечено, что эффекты Тальбота являются следствием параксиальности мод и существуют в волноводах различных поперечных сечений с различным типом граничных условий на стенках. Эффекты сохраня-

ются и в искривленных волноводах. На примере эффекта повторения волнового пучка в квадратном волноводе (Рис. 2) показано, что эффективность повторения при больших радиусах изгиба остается высокой в широком диапазоне углов ветрела. При увеличении кривизны происходит искажение структур полей мод и изменение их постоянных распространения, что приводит к снижению эффективности повторения. Высокая эффективность повторения может быть сохранена при сканировании пучка в плоскости перпендикулярной изгибу путем оптимизации поперечных размеров волновода.

Рис. 1. Эффекты повторения и деления волнового пучка в сверхразмерном волноводе

Рис. 2. Антенна дистанционного сканирования волнового пучка в плазме на основе эффекта повторения

Антенна дистанционного сканирования волнового пучка в плазме (Рис. 2) анализируется в разделе 1.2.2. Антенна представляет интерес для установок УТС, позволяя управлять углом ветрела пучка в плазму без использования подвижных охлаждаемых механизмов вблизи плазмы, где присутствуют сильные магнитные поля и потоки нейтронов. В разделе приведены результаты оптимизации параметров антенны и исследованы ее свойства при различных углах ветрела пучка и глубине гофрировки для токамака типа ITER. Экспериментальные результаты, полученные на низком уровне микроволновой мощности, свидетельствуют о хорошем согласовании расчетных и измеренных параметров. Показано, что без оптимизации импеданса и профиля поперечного сечения антенна имеет диапазон сканирования ±12° при эффективности на уровне не хуже 95 %.

прямоугольный волновод

4 а/Х

В следующем разделе 1.2.3 дан теоретический анализ возможностей увеличения эффективности устройств, работающих на эффектах Тальбота. Ограниченная эффективность связана с приближенной эквидистантностью спектра продольных волновых чисел параксиальных волноводных мод. Для обеспечения идеальной эквидистантности необходима монотонно нарастающая коррекция поперечных волновых чисел в сторону уменьшения при увеличении поперечного индекса моды (Рис. 3).

к

Рис. 3. Поперечные волновые числа в волноводе квадратного поперечного сечения (1) и в "идеальном" волноводе со строго эквидистантными продольными волновыми числами (2) (/"=170 ГГц, размер волновода а = 60 мм)

Показано, что частично спектр может быть скорректирован путем оптимизации поверхностного импеданса, либо путем изменения профиля поперечного сечения волновода. В частности, нужная коррекция обеспечивается введением дополнительной продольной гофрировки, поскольку моды с низкой частотой отсечки практически «не замечают» изменение профиля, а высшие моды частично проникают в гофр, для них размер волновода эффективно увеличивается. Расчеты показывают, что рассмотренные методы коррекции в задаче о сканировании пучка в плазме токамака ITER позволяют расширить рабочий диапазон углов в полтора раза без ухудшения эффективности.

В разделе 1.3 обобщены основные приемы дизайна линий передачи излучения высокой мощности. Рассматриваются основные типы линий передачи. Они включают зеркальные линии передачи (раздел 1.3.1), обычно передающие излучение в виде гауссовых пучков, волноводные и комбинированные линии (раздел 1.3.2), среди которых наиболее часто встречающимися являются линии передачи на модах НЕп и ТЕШ. Проанализированы достоинства и недостатки линий передачи различных типов. Отмечено, что дизайн линий передачи часто связан с решением проблемы паразитных резонансов на запертых модах, которые могут приводить к существенному снижению эффек-

тивности передачи и электропрочности. Эффективное подавление этих резо-нансов возможно путем применения в трактах модовых фильтров. Рассмотрены конструкции нескольких фильтров для линий передачи на моду ТЕ0!.

В разделе 1.3.3 рассматриваются приемы дизайна основных компонентов линий передач, включающих квазиоптические развязки, повороты и уголки, сумматоры и делители, фазовращатели и аттенюаторы, поляризаторы. На конкретных примерах показано, что дизайн всех компонентов может быть выполнен как с помощью зеркальных линий передачи, так и на основе волноводов. Рассмотрен дизайн ключевых компонентов 30 ГГц линии передачи длиной 20 м на моде ТЕ0ь которая была изготовлена для CERN и эксплуатировалась на мультимегаваттных мощностях в течение ряда лет в экспериментах по ускорению электронов (Рис. 4).

Рис. 4. Схема линии передачи на моде ТЕ01 для CERN: 1 - бетонная стена биозащиты,

2 - линия драйв-пучка с замедляющей системой, генерирующая 30 ГГц излучение,

3 - ТЕ|0-ТЕ01 преобразователи, 4 - квазиоптические уголки на моде ТЕШ, 5 - волно-водные секции, 6 - тестируемое СВЧ устройство

Раздел 1.4 посвящен методам создания новых квазиоптических преобразователей волновых потоков. В разделе 1.4.1 на основе классификации преобразователей волноводных мод по величине безразмерного коэффициента связности волн сделан краткий обзор методов создания преобразователей. Показаны примеры дизайна преобразователей на моду TE0i в волноводах с различным соотношением диаметра к длине волны [22*—23*]. Рассмотрены существующие методы дизайна преобразователей высших волноводных мод в гауссовы волновые пучки, которые сейчас активно используются при создании мощных гиротронов [24*—26*].

Эти методы подразумевают формирование в волноводе сгруппированного волнового потока с распределением, близким к гауссовому и состоящим из небольшого числа мод невозмущенного волновода. На примере преобразова-

1 ГэВд

геля моды ТЕог в гауссов пучок (Рис. 5) показано, что основные принципы такого преобразования могут быть эффективно адаптированы и к дизайну преобразователей волноводных мод с малыми значениями поперечных индексов.

и)

Рис. 5. Преобразователь моды ТЕ02, обеспечивающий группировку поля перед ко-зырьковым срезом, (а) и козырьковый преобразователь, преобразующий полученную структуру поля в гауссов пучок (б) с эффективностью не хуже 98 %

Дальнейший прогресс методов преобразования неизбежно связан с рассмотренной в разделе 1.4.2 проблемой преобразования одной сложной суперпозиции мод в другую. Решение этой проблемы представляется возможным путем развития методов синтеза преобразователей, в которых форма преобразующей поверхности заранее неизвестна, она находится из анализа поверхностных полей.

На основе методики синтеза фазовых распределений полей, предложенной в работе [10*], были развиты эффективные алгоритмы синтеза зеркальных и волноводных преобразователей [27*] и методы восстановления структур полей по измерениям их интенсивностей в нескольких поперечных сечениях [28*]. Все эти методики используют те или иные приближения (приближение фазового корректора, малость возмущений и формализм связанных волн). Поэтому был разработан универсальный итерационный алгоритм, который может работать при использовании точных методик расчета полей, например метода БЭТО. Итерационный алгоритм, блок-схема которого представлена на Рис. 6, основан на вычислении поправки к преобразующей поверхности на каждой итерации из комплексных полей двух типов, прямых

полей, Е Н+(^,г,гх), возбуждаемых источником исходного поля и

обратных полей, Е-(г,2,г±), Н_(^,г±), возбуждаемых источником желаемого поля на выходе (поля этого типа находятся при интегрировании уравнений Максвелла с изменением на обратное направления течения времени).

При приближении к искомому решению поправка стремится к нулю, а при несовпадении получаемых и желаемых полей она "рождает" гармоники профиля, увеличивающие преобразование. В простейших случаях, например, при преобразовании одной волноводной моды в другую, когда рассеяние в другие паразитные моды отсутствует, поправка ведет к профилю, следующему из известных аналитических рецептов. Показано, как предложенная методика синтеза позволяет создавать новые высокоэффективные преобразователи, такие как ТЕ01 - ТЕ04, ТЕ,, - ТЕ0] и другие.

15

Рис. 6. Блок-схема итерационного алгоритма синтеза

В разделе 1.4.3 рассмотрено развитие предложенного метода синтеза применительно к системам экстремально большой сверхразмерности, расчет которых по методу ЕОТВ затруднителен. В основе этой методики лежит представление полного поля в волноводе с сечением, близким к круговому, в виде разложения по сходящимся и расходящимся цилиндрическим волнам. Интегральное уравнение возникает из требования удовлетворения граничных условий и может быть сформулировано как для скалярных, так и для векторных полей. Его решение может быть найдено методом итераций по типу метода Фокса-Ли [6*].

На основе предложенного формализма интегрального уравнения синтезирован высокоэффективный преобразователь моды ТЕ04 в гауссов волновой пучок. Преобразователь включал как волноводную часть, приготавливающую параксиальный волновой пучок, так и козырьковый вырез. Предложенная методика позволила кроме основной компоненты поля рассчитать также распределение кросс-поляризованной компоненты.

Глава 2 посвящена переключателям мощного микроволнового излучения и компрессорам на их основе.

В разделе 2.1 рассматриваются пассивные системы управления потоками микроволн, основанные на контроле взаимной фазы ВЧ усилителей. Такие системы представляют интерес, в частности, для питания секций линейных электронных и позитронных ускорителей тераэлектронвольтного уровня энергий. В простейшем варианте излучение двух усилителей можно складывать и распределять последовательно для питания двух или нескольких ускоряющих секций (Рис. 7).

Рис. 7. Система суммирования и распределения излучения (БЬОЗ) с коэффициентом умножения 2

и

>1

2Р, 1/2T

СВЧ усилители (P. Ti

n!2J Г<]

r|j ' ■— кодировка фазы -ЗдБ ответвитель

ускоряющие секции

2Р, 1.2Т

Л

.............- -.*--■-.-.--■»■ в пучок

Развитые варианты системы DLDS (Delay Line Distribution System) могут осуществлять сложение излучения одновременно большого числа усилителей и запитывать большое число секций [29*]. При этом сумматоры-коммутаторы на основе эффектов Тальбота (Рис. 8) могут быть выполнены в виде электропрочных сверхразмерных волноводов, в том числе и на модах типа'ТЕ0] волновода круглого поперечного сечения с низкими омическими потерями.

LfT^,fT>vrnvfT ^ ^ ^

О -Зя/4 'я/4 О

-я/4 —я/4 л

Рис. 8. Сумматор четырех пучков для распределения излучения между четырьмя каналами, управляемый с помощью изменения взаимных фаз волновых потоков

Предложенные сумматоры-коммутаторы, дополненные добротным резонатором, могут использоваться также при построении диплексеров, осуществляющих суммирование и переключение каналов излучения на близких частотах [30*].

Пассивные компрессоры импульсов рассматриваются в разделе 2.2. К актуальным задачам развития компрессоров высокой мощности относятся задачи достижения достаточной электропрочности, повышения коэффициента усиления и эффективности, обеспечения компактности. Для задач ускорения частиц часто используют компрессоры импульсов SLED (на основе добротного резонатора в виде отрезка волновода на моде TE0i и диафрагмы связи) и SLED-II (на основе длинной волноводной линии задержки на моде TE0i) [14*, 31*]. Оба типа компрессоров используют 3-децибельный ответвитель для

развязки источника излучения от отраженного сигнала и работают с компрессией до 9 раз по мощности при быстром в масштабе длительности выходного импульса перебросе фазы излучения на 180 градусов. Оба типа компрессоров демонстрируют высокую степень стабильности фазы выходного импульса.

Для обеспечения электропрочности и уменьшения омических потерь целесообразно увеличивать площадь поперечного сечения резонатора или линии задержки. Чтобы при этом в полосу рабочих частот компрессора не попадали паразитные колебания необходимо применять методы селекции. В компактном компрессоре импульсов типа SLED, изготовленном для испытания ускоряющих структур в CERN, резонатор работал на биениях мод TE0i и ТЕ02 | (Рис. 9).

Рис. 9. Пассивный компрессор импульсов на частоту 12 ГГц с резонаторами на биениях мод ТЕщ и ТЕщ: 1 - 3-дБ ответвитель, 2 — преобразователь из моды ТЕ)0 в TE0i круглого волновода, 3 - рупоры с диафрагмами для преобразования моды TE0i в смесь ТЕ0]+ТЕо2, 4 - резонаторы, 5 - откачные порты, 6 - поршни для подстройки частоты

В местах отрыва поля от стенок помещались поглотители. В экспериментах компрессор обеспечивал выходные импульсы мощностью 140 МВт и длительностью 250 не, что позволило достичь ускоряющего градиента в структуре 80 МВ/м.

Применение селективных брэгговских преобразователей позволяет реализовать компрессор кольцевого типа на комбинации осесимметричных мод, который обеспечивает развязку источника от отраженного излучения. Таким способом удается отказаться от наиболее уязвимого с точки зрения пробоя элемента компрессоров SLED и SLED-II - трехдецибельного ответвителя (Рис. 10). Более того, поверхностные электрические поля равны нулю на всей поверхности компрессора. Проведенные эксперименты с таким компрессором показали его высокую эффективность.

Рис. 10. Одноканальный компрессор СВЧ импульсов типа ЭЬЕО-П на основе много-модовой линии задержки. 1 - ТЕ02 <-> ТЕ03 брэгговский отражатель; 2 - ТЕ01 —> ТЕ02 ответвитель; 3 - линии задержки на основе регулярного волновода, 4 - сильфон для точной подстройки частоты.

J

В миллиметровом и более коротковолновых диапазонах длин волн требованиям электропрочности, селективности, эффективности и компактности в наибольшей степени удовлетворяет компрессор в виде трехзеркального резонатора с дифракционной решеткой на моде с гауссовым поперечным распределением (Рис. 11). Поверхностные электрические поля в ~а/\ раз (а - поперечный размер гауссова пучка) меньше максимальных полей в резонаторе при выборе параллельной гофру рабочей поляризации.

В разделе рассмотрен вариант компрессора SLED на основе квазиоптического резонатора, работающего на моде шепчущей галереи. Рассмотрены компрессоры импульсов типа SLED-II, содержащие компактные линии задержки на осесимметричных модах круглого волновода и линии задержки в виде цепочек зеркал.

Синтез систем компрессии, способных обеспечить необходимые амплитудно-фазовые характеристики мощных микроволновых импульсов, рассмотрен в разделе 2.2.2. Для подбора наилучшей фазовой модуляции входного импульса y/in{t) и оптимальной дисперсии среды /(г»), обеспечивающих при заданной форме входного импульса ат (t) желаемую форму выходного импульса аош (г) и распределение фазы y/out{t) в нем (Рис. 12), может быть использован итерационный алгоритм, типа предложенного Б.З. Каценелен-баумом [10*]. Получаемую в результате применения процедуры синтеза дисперсию среды предлагается реализовывать при помощи не отражающих отрезков волновода с винтовой гофрировкой. Рассмотрен пример синтеза компрессора на частоту 30 ГГц, состоящего из волновода с двухзаходной винтовой гофрировкой, который обеспечивает четырехкратное увеличение мощности при эффективности 94 %.

В разделе 2.3 рассмотрены активные коммутаторы мощного микроволнового излучения. В плазменных коммутаторах (раздел 2.3.1) переключение

Рис. 11. Компрессор на основе трехзеркального резонатора с системой ввода-вывода излучения

Сог

С

осуществляется путем создания плазмы в газоразрядных каналах с помощью внешнего источника напряжения. Создание коммутаторов этого типа на высоких уровнях мощностей связан с поиском компромисса между электропрочностью активного элемента и его контролируемым, эффективным срабатыванием. Для решения этой задачи естественно использовать распределенные ключи при оптимальном давлении в газоразрядных каналах. Повышение уровня пороговой мощности может быть достигнуто за счет помещения поверхности газоразрядного канала в узел поля (Рис. 13).

— - •

■ НШШНИи Г I

ШШШР" . г , «

' I п и 1Н111 ¿„(СО)

т

Рис. 12. К постановке задачи о синтезе системы компрессии

ТЕо;

ТЕ01

а) б)

Рис. 13. Плазменный переключатель на основе преобразования мод ТЕ^-ТЕ^: а - в режиме полного отражения моды ТЕ02 саму в себя (без плазмы), б - в режиме преобразования моды ТЕ0г в ТЕ0] (при образовании плазмы)

Коммутаторы для активной компрессии выгодно выполнять в виде резонаторов или дифракционных решеток с выраженными резонансными свойствами, используя нринцип резонансного переключения, согласно которому высокие поля возникают только в течение короткого интервала времени вывода излучения из компрессора при введении коммутатора в резонанс, вызванного возникновением плазмы. Перспективно одновременное применение обоих перечисленных способов повышения выходной мощности.

В экспериментах по активной компрессии в трехсантиметровом диапазоне длин волн такие коммутаторы оказались способны контролируемо выдерживать воздействие импульсов микросекундной длительности мощностью до 500 МВт, а срабатывать за времена 10-20 не.

Твердотельные переключатели, работающие на эффекте индуцированной фотопроводимости, возникающей при облучении полупроводника лазерным светом рассмотрены в разделе 2.3.2. Наиболее привлекательным свойством

полупроводниковых переключателей является высокая скорость достижения концентраций свободных носителей с помощью современных лазеров, так что эквивалентная плазменная частота больше или порядка критической для излучения на частотах, составляющих десятки гигагерц. Времена срабатывания в Si, GaAs и CVD алмазе в Ю-Ю3 раз меньше тех же времен в плазменных переключателях.

Твердотельные переключатели представляются перспективными и с точки зрения работы на высоких уровнях мощностей. Как показывают оценки и выполненные эксперименты, энергии существующих лазеров на уровне мил-лиджоулей оказывается достаточно для "металлизации" фотопроводящего слоя в пластинах полупроводника с поперечными размерами, существенно превышающими длину волны переключаемого излучения. Согласно литературе полупроводниковые переключатели, в частности, кремний способен контролируемо работать в полях, составляющих порядка 100 кВ/см [32*], что означает принципиальную достижимость мультимегаваттного уровня коммутируемых мощностей.

Предложен вариант переключателя, в котором для устранения развития мультипактора используется защитное покрытие, поверхность которого помещена в узел поля. В разделе анализируются также ограничения, связанные с нагревом полупроводника микроволнами в процессе переключения, сопровождающегося переходом через состояние с высоким уровнем поглощения.

Экспериментально исследован быстрый фазовращатель на частоту 30 ГГц в виде 90° уголка, рассчитанный на работу с СВЧ мощностями мегаваттного уровня, который был изготовлен и испытан по заказу CERN. Основной элемент фазовращателя представлял собой зеркало из кремниевого диска, помещенного на металлическую подложку (Рис. 14). Фазовращатель обеспечивал переключение фазы СВЧ импульсов на 180° с помощью пластины кремния площадью около 10 см2 за время, не превышающее 10 не, при помощи лазерных импульсов с энергией 5-10 мДж.

Рис. 14. Переключатель фазы отраженного излучения на основе полупроводниковой пластины, управляемой излучением оптического лазера

фотопроеодящий слой

Рассмотрены варианты переключателей на основе волноводных уголков и волноводных резонаторов, работающих на осесимметричных модах и модах шепчущей галереи. Отмечена перспективность резонансного переключения в сочетании с размещением полупроводника в узлах поля.

Для дальнейшего увеличения коммутируемой мощности наиболее перспективными представляются переключатели, инициируемые инжекторами электронных потоков (раздел 2.3.3). Такие переключатели могут обладать высокой электропрочностью, сравнимой с электропрочностью полых электродинамических систем.

Электронный ток может быть получен с помощью взрывоэмиссионного катода (Рис. 15) или с помощью управляющего излучения магнетрона, вызывающего односторонний мультипакторный разряд в скрещенных статическом магнитном и высокочастотном электрическом полях на металлической поверхности резонаторного ключа (Рис. 16).

Рис. 16. Конструкция переключателя на основе резонатора на моде ТМ0ц (а) и траектории движения электронов разряда в резонаторе (6)

Оценки и проведенные эксперименты показали, что достижимые концентрации электронов в переключателях могут достигать значений 1012 см"3, которых в трехсантиметровом диапазоне достаточно для переключения резонаторов с добротностями, на два порядка меньшими их омических добротно-стей. Характерное время переключения составляет 10-20 не. Приведены результаты экспериментальных исследований нескольких переключателей. В одном из экспериментов использовался переключатель с катодом, позволившим достичь 100 МВт мощности в экспериментах по активной компрессии. В другом эксперименте ключ на основе мультипакторного разряда обеспечивал переключение мощностей на уровне сотен киловатт. Проанализированы достоинства и недостатки переключателей обоих типов.

В разделе 2.4 представлены экспериментальные исследования активных компрессоров импульсов с плазменными переключателями.

Рис. 15. Фазовращатель на основе резонатора на моде ТЕ012, переключаемый электронным пучком: 1 - волновод, 2 - диафрагма связи, 3 - резонатор, 4 - закритическое сужение, 5 - катод

Вход Е

01

Компрессор с трехзеркальным резонатором и переключателем в виде дифракционной решетки с плазменными каналами рассмотрен в разделе 2.4.1. В эксперименте компрессор запитывался импульсами магникона длительностью 600-700 не на частоте 34 ГГц и мощностью около 300 кВт, при этом были получены выходные импульсы мощностью около 2 МВт (коэффициент усиления по мощности равнялся 7) в импульсах длительностью порядка 20 не. Результаты эксперимента позволили сделать вывод, что при апертуре решетки 240х 120 мм2 максимально достижимая выходная мощность составляет порядка 25 МВт.

В разделе 2.4.2 изложены результаты экспериментов с несколькими компрессорами на основе волноводных резонаторов на осесимметричных модах. Наилучшие результаты по компрессии импульсов на частоте 11.4 ГГц были получены в компрессоре на моде ТЕ0г с ключом, который работал на предложенном механизме переключения мод (Рис. 17).

Рис. 17. Активный компрессор импульсов с плазменными переключателями на преобразовании мод ТЕш-ТЕо2: 1 - входной волновод, 2 - выходной волновод, 3 —3-дБ ответвитель, 4 - преобразователи, 5, 7 - котировочные устройства, 6 - откачные порты с модовыми фильтрами, 8 - волноводные секции, 9 - плазменные переключатели

В варианте компрессора с плазменным ключом максимальная достигнутая мощность составила 70 МВт, коэффициент усиления достигал 9, эффективность превышала 60 %. При замене плазменного ключа на ключ, переключаемый электронным пучком, в том же компрессоре были получены рекордные параметры компрессии с выходной импульсной мощностью более 100 МВт

В разделе 2.5 анализируются возможности развития методов компрессии.

Развитие пассивной компрессии связывается с совершенствованием электродинамических систем в направлении увеличения электропрочности и продвижением методов синтеза для получения требуемых амплитудно-фазовых характеристик импульсов.

Для активных коммутаторов (плазменных, полупроводниковых, на электронном пучке и на основе ферроэлектриков) проведено сравнение достижи-

[33*].

мых параметров компрессии при решении задач наращивания пиковой и средней мощности, увеличения эффективности, повышения частоты излучения.

Глава 3 посвящена исследованиям методов управления мощными микроволнами в электродинамических системах электронных источников излучения и ускорителей заряженных частиц.

В разделе 3.1 рассматриваются компоненты релятивистских гироприбо-ров и мазеров на свободных электронах. Изложение материала начинается с анализа проблемы селекции мод в мощных гиротронах на электропрочных пространственно-развитых модах с релятивистскими электронными пучками (раздел 3.1.1).

В резонаторах таких гиротронов в полосу циклотронного резонанса могут попадать одновременно несколько добротных мод. Предложено развитие электродинамических методов селекции [34*—36*]: на основе широких в масштабе длины волны щелях в поверхности резонатора, запирающих рабочую моду при помощи узкополосных рефлекторов (Рис. 18а); на основе резонатора с конической геометрией и неоднородной по длине гофрировкой; предложена модификация резонатора эшелеттного типа; исследован один из вариантов многозеркальных резонаторов на моде ТЕ28.17 с однородным вокруг пучка полем для обеспечения высокого электронного кпд (Рис. 186). Представлено моделирование резонаторов и полученные экспериментальные результаты.

а) б)

Рис. 18. Гиротронный резонатор на моде ТЕ0з с щелями для селекции в боковой стенке (а) и резонатор пятизеркального гиротрона на моде ТЕ28Л7 (б)

В следующем разделе 3.1.2 рассмотрен дизайн ключевых компонентов релятивистских гироклистронов, созданных в ИПФ РАН. Гироклистроны на модах ТЕ53, ТЕ6з и ТЕ73 на частоте 30 ГГц способны обеспечивать усиление сигналов с коэффициентом более 30 дБ при выходной мощности до 15 МВт и коэффициенте полезного действия —40%, полосе усиления 50 МГц и длительности импульса 0,5 мкс. Во всех проведенных экспериментах использовался способ возбуждения необходимой вращающейся моды во входном резонаторе за счет одного или двух сфазированных волноводов, присоединенных по касательной к боковой стенке резонатора. Такие вводы были способны обеспечить возбуждение рабочей моды (ТЕ5|, ТЕ52, ТЕ61, ТЕ7,) с измеренной эф-

фективностью не менее 70 % в широкой (по сравнению с полосой усиления) полосе частот.

Специфика релятивистского гироклистрона на моде высокого порядка проявляется в "коротком" магнитном поле, быстро спадающем от раскрыва выходного резонатора, так что требуется расположить коллектор электронов увеличенного сечения вблизи этого резонатора. Для решения этой проблемы был предложен преобразователь со встроенным коллектором, рабочее излучение через который проходит за счет эффекта повторения изображения (эффекта Тальбота) (Рис. 19).

Рис. 19. Выходной преобразователей излучения гироклистрона на моде ТЕ53 в гауссов волновой пучок

Для увеличения эффективности повторения профиль стенок коллектора был скорректирован с помощью метода синтеза, изложенного в главе 1. Проведенные измерения на низком уровне мощности с вариантом преобразователя на выходную моду TE0i показали, что эффективность преобразования составляет 96+2 %.

В разделе 3.1.3 предложен "открытый" брэгговский резонатор на гауссовой моде (Рис. 20) для МСЭ, созданного совместно ИПФ РАН и ОИЯИ (Дубна) [37*]. МСЭ работает с пучком, создаваемым линейным индукционным ускорителем ЛИУ-3000 (ОИЯИ) 0.8 МэВ / 200 А / 250 не и на частоте 30 ГГц обеспечивает генерацию импульсов мощностью 20 MB и длительностью 200 не. Увеличение мощности, связанное с неизбежным увеличением поперечных размеров, требует высокоселективного резонатора.

Излучение паразитных мод

моды

Брэгговские отражатели

Рис. 20. Брэгговский резонатор с зазором для селекции паразитных колебаний

Такой резонатор предлагается выполнить в виде модификации брэггов-ского резонатора на модах ТЕП и ТМП со скачком коэффициента связи [38*].

Открытый резонатор получается из двух брэгговских отражателей путем вырезания его средней части, где поле рабочей моды в виде гауссова пучка оторвано от стенок и не возмущено вырезом (Рис. 20). Приведены результаты синтеза рефлекторов и моделирования резонатора с помощью кода, основанного на алгоритме РОТБ. В экспериментах на высоком уровне мощности показано, что резонатор возбуждается имеющимся электронным пучком на расчетной моде.

В разделе 3.1.4 рассмотрены концепции микроволновых ондуляторов для ЛСЭ рентгеновского диапазона, работающих в режиме БАЗЕ. Отмечено, что микроволновый ондулятор по сравнению с ондулятором на постоянных магнитах позволяет уменьшить требуемую энергию электронов для получения рентгеновского излучения той же длины волны [39*-40*]. Специфика микроволнового ондулятора выражается в необходимости работать с высокими полями, сравнимыми с пробойными полями на металле и достижимыми (для доступных источников микроволн) в высокодобротных резонаторах.

Аналитически и в численных расчетах показано, что применение резонаторов на стоячей волне сопряжено с негативным влиянием попутной с электронами волны, которая неизбежно имеет большую длину синхронного взаимодействия. Это приводит к крупномасштабным осцилляциям электронов, искажению спектра излучения и в конечном итоге к уменьшению инкремента нарастания электромагнитных колебаний. Для устранения перечисленных негативных явлений предложено использовать резонаторы, в которых попутная волна имеет отличную от встречной поперечную структуру, так что электронный сгусток встреливается в близкое к нулевому поперечное поле. Исследована динамика и спектры излучения частиц в электропрочном резонаторе такого типа на модах ТЕ0] - ТЕ0г (Рис. 21).

стветвитель

те;

:0

\У

брзгго&ские

ТЕщ у рефлекторы

Рис. 21. Ондулятор на основе резонатора на комбинации мод ТЕ0] - ТЕ02

сО е-пучок ' I ь<и

Показана принципиальная достижимость значений ондуляторного параметра порядка единицы при использовании доступных источников (магнико-нов и гироклистронов) на частоте 30 ГГц. Рассмотрены резонаторы на квазикритической волне. Для ондуляторов на более короткие длины волн предложены ондуляторы на основе трехзеркального резонатора. Отмечено, что в таких ондуляторах возрастает критичность к разбросу электронов по энергиям.

Раздел 3.2 посвящен исследованию возможностей увеличению темпа набора энергии частиц в линейных ускорителях суперколлайдеров. Во введении

к разделу отмечено, что основными сдерживающими факторами в решении фундаментальной проблемы повышения градиента ускорения в современных линейных ускорителях являются явления пристеночного ВЧ пробоя и импульсного нагрева. Указано, что эмпирический закон для порога пробоя, полученный из анализа большого числа экспериментальных данных по высокоградиентным (G > 50 МВ/м) ускоряющим структурам, указывает на связь вероятности пробоя BDR с величиной поверхностного поля Е и длительности импульса т в виде E^xIBDR^5 = const. Показано, что это выражение может быть получено аналитически из формул нагрева поверхности токами автоэлектронной эмиссии и формулы для тока Фаулера - Нордгейма в предположении, что критерием старта пробоя является разогрев поверхности металла до определенной пороговой температуры. Сделан обзор экспериментальных работ, указывающих на влияние ВЧ поверхностного магнитного поля на возникновение и развитие пробоя [41*, 42*]. Представлены альтернативные теории, предсказывающие величину порога пробоя.

Выполнен обзор работ, относящихся к исследованиям эффекта импульсного теплового нагрева, приводящего к деградации поверхности металла за счет возникающих термомеханических напряжений при циклическом импульсном нагреве скин-слоя металла высокочастотным магнитным полем [43*-44*].

Эксперименты по исследованию импульсного теплового нагрева, выполненные с участием автора, рассматриваются в разделе 3.2.1. В ксперименгтах использовался МСЭ-генератор, созданный в сотрудничестве ОИЯИ и ИПФ РАН на частоту 30 ГГц с выходной мощностью до 20 МВт и длительностью СВЧ импульса 200 не, который работал с частотой повторения 1 Гц [57]. Деградация поверхности изучалась в специальном медном тестовом резонаторе на моде ТЕ0ц, возбуждаемом с помощью квазиоптической линии передачи. Изложены результаты расчета и испытаний тестовог о резонатора и питающей линии передачи. Управляя добротностью резонатора (g~103) и формой его профиля, удавалось усиливать поверхностное магнитное поле по сравнению с полем бегущей волны и достигать температур нагрева поверхности за импульс на уровне 50-250° Цельсия. В согласии с результатами экспериментов на частоте 11 ГГц, выполненными в SLAC [44*], нагрев на 50° не приводил к заметным изменениям свойств резонатора при числе импульсов вплоть до 105, при 250° следы оплавлений поверхности обнаружились уже при 104 импульсов. Эксперимент показал, что при температуре нагрева 250° и увеличении числа импульсов до более 6-104 развивается сильная деградация поверхности с многочисленными микротрещинами (см. Рис. 22). Деградация приводит к частым ВЧ пробоям в тестовом резонаторе.

В разделе 3.2.2 изложены основные принципы, позволяющие увеличить градиент ускорения в структуре по сравнению с достигнутым на сегодняшний день значением 100 МВ/м. Увеличение градиента может быть достигнуто в многомодовых (многочастотных) ускоряющих структурах с эквидистантным по частоте спектром мод за счет нескольких эффектов: 1) за счет умень-

шения времени и площади экспозиции поверхности структуры сильными высокочастотными полями; 2) за счет уменьшения поверхностных полей, вызывающих автоэлектронную эмиссию. Эффект уменьшения экспозиции поверхности в структуре из периодической последовательности ячеек проявляется в том, что максимальные ускоряющие поля на оси (и максимальные поверхностные поля) достигаются лишь вблизи диафрагм и лишь на небольшом интервале времени, пока очередной сгусток влетает в резонатор (Рис. 23).

Рис. 22. Фотография участка поверхности резонатора: а - до облучения при увеличения 160 раз (слева) и 1000 раз (справа), б - после облучения при увеличении 3000 раз

электрическое СВЧ поле

Рис. 23. Ускорение периодических сгустков цепочкой многочастотных резонаторов с эквидистантным спектром

Если разность частот ближайших рабочих мод равна частоте следования сгустков частиц, то в структуре можно ускорять длинные периодические цепочки таких сгустков. При этом уменьшение эффективного времени экспозиции должно приводить к увеличению порогов пробоя и импульсного нагрева, а, следовательно, может быть повышен градиент ускорения, к тому же ведет сокращение площади экспозиции. Сделаны количественные оценки эффектов и приведены примеры расчета отдельных резонаторов, работающих на двух и трех модах.

В поле биения нескольких мод на эквидистантных частотах возникает различие в величине полей отрицательной и положительной полярности. Исходя из того, что эффект пробоя связан с возникновением автоэлектронной эмиссии, можно рассчитывать на повышение градиента ускорения за счет выбора такой геометрии и таких мод, что суммарные "катодные" поля малы по сравнению с "анодными" и не превышают порогового значения (Рис. 24).

Рис. 24. Зависимость от времени полей моды на частоте 3 ГГц (кривая с длинным штрихом), моды на частоте 6 ГГц (кривая с коротким штрихом) и суперпозиции этих мод, взятых в равных пропорциях (сплошная кривая)

Ускоряющие поля при этом могут быть существенно выше "катодных" полей, которые определяют предельно возможный темп ускорения (эффект "анод-катод"). Показано, что в двухмодовом резонаторе отношение градиента ускорения к максимальному поверхностному полю в 1.5 раза выше того же значения для одномодового резонатора сравнения той же длины.

Проанализированы способы осуществления ввода мощности в многочастотный резонатор и методы практического обеспечения эквидистантности рабочих мод.

В разделе 3.2.3 исследуется вопрос о практическом применении многочастотных ускоряющих структур. Выполнен расчет источника пикосекунд-ных сгустков электронов с энергией 5-10 МэВ на основе ВЧ фотоинжектора. Сгустки в таком источнике рождаются в результате фотоэффекта, возникающего под действием периодического лазерного света, синхронизованного с ВЧ полем ускоряющего резонатора. На начальном участке ускорения на поперечный эмиттанс сгустков негативное влияние оказывает расталкивающая кулоновская сила, поэтому увеличение градиента ускорения в многочастотном резонаторе позволяет рассчитывать на улучшение качества электронного сгустка. Показано, что в резонаторе на модах ТМ0]0 на основной частоте и на моде ТМоп на удвоенной частоте поперечный эмиттанс и разброс по энергиям могут быть уменьшены более чем вдвое по сравнению с аналогичной электронной пушкой с классическим одночастотным резонатором. Проанализированы проблемы охлаждения резонатора при работе с длинными последовательностями сгустков с высокой частотой следования и пути уменьшения потребляемой ВЧ мощности.

Исследована ускоряющая структура с градиентом 150 МВ/м из нескольких связанных между собой двухчастотных резонаторов на модах ТМ0ю и ТМ020, рассмотренных в предыдущем разделе. Структура работает на эффекте "анод-катод" (Рис. 25, а). Показано, что для ускорения продольные волновые числа рабочих нормальных мод должны иметь такую же эквидистантность, как и эквидистантность рабочих частот (Рис. 25, б). Рассчитаны основные

параметры структуры. Предложена методика обеспечения селективности. Сделан вывод о перспективности использования мод с ненулевым числом продольных вариаций поля.

Выход 21

Шищр^

ж

ыход! «

электронный пучок

Зход I

20 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 08

2___----

сеетоеои

конус

1

0.0 0 5 Ю

а)

1.5 б)

2 0 2 5 3.0

Рис. 25. Двухчастотная ускоряющая структура на бегущей волне с системой питания (а) и дисперсия рабочих нормальных мод 1 и 2 (/¡о£ = я/3 и = 2я/3) (б)

Как для работы многочастотной электронной пушки на основе фотоинжектора, так и для ускорения частиц в многочастотных структурах линейных ускорителей требуются когерентные сфазированные источники мощного микроволнового излучения. Исследованы пути решения этой проблемы на основе взаимной фазировки ВЧ источников при помощи "оптической гребенки" синхронизующих лазерных импульсов. В качестве синхронизирующего излучения может быть использовано ответвленное излучение лазера, который генерирует электронные сгустки в фотоинжекторе.

Рассмотрены пассивные и активные способы захвата фазы. При пассивном захвате свойства резонатора (омические потери и собственная частота) электронного генератора ВЧ излучения модулируются лазером путем воздействия на полупроводниковую вставку (Рис. 26). При модуляции потерь с частотой вблизи удвоенной частоты генерации выживает лишь наиболее добротная мода, поле которой минимально в момент возникновения поглощения в фотопроводящем слое.

"Г

/1НГ

г ¡»¿3

лазерные импульсы

ЕС) т* ысокая Ц

/ ©Ч ' низкая О о(() Л / \ / «1.=2о \ / \,

1

Рис. 26. СВЧ генератор с резонатором, добротность которого модулируется лазерными импульсами (слева). Справа показаны колебания добротной и низкодобротной мод относительно модуляции проводимости

Активный способ захвата используется в клистронной схеме, в которой в первом модулирующем электронный пучок резонаторе поля возбуждаются антенной с полупроводниковым прерывателем, управляемым лазером. Генерация выходной ВЧ мощности происходит в следующем резонаторе.

Рассмотрены перспективы источников мощных коротких импульсов сверхизлучения с селективной обратной связью, организованной при помощи рефлектора с периодически модулированной лазером отражательной способностью ("Q-switching"). Отмечено, что мгновенный электронный КПД в ЛОВ в режиме коротких импульсов может превышать кпд в режиме непрерывной генерации. Указано, что аналогичные, режимы работы существуют в пассивных резонаторах с модулированным током [45*]. Рассмотрены принципы построения систем компрессии получаемых коротких периодических ВЧ импульсов.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Предложен метод синтеза сверхразмерных волноводных преобразователей, основанный на итерационной процедуре коррекции формы поверхности стенок волновода, совместимый со строгими алгоритмами анализа полей.

2. Предложены пассивные высокоэффективные переключатели и компрессоры мощного микроволнового излучения:

• переключатели квазиоптических пучков на основе эффектов когерентной интерференции в сверхразмерных волноводах, в которых режимы суммирования, деления и ответвления управляются взаимными фазами пучков;

• компрессоры фазомодулированных импульсов на основе высокодобротных сверхразмерных резонаторов, в которых электрические поля рабочей моды, формируемой суперпозицией осесимметричных волн, равны нулю на всей поверхности компрессора.

3. Предложены активные переключатели мощного микроволнового излучения сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн:

• резонансные плазменные переключатели на основе дифракционной решетки и резонансный ключ на преобразовании мод TE0i и ТЕ02, в которых поверхности газоразрядных элементов размещены в узлах поля. С помощью предложенных переключателей в активных компрессорах трехсантиметрового диапазона длин волн достигнута выходная мощность на уровне 100 МВт при длительности выходного импульса 50 не и эффективности компрессии 50-60 %;

• распределенный переключатель фазы излучения, работающий на эффекте индуцированной фотопроводимости в полупроводнике, активный элемент которого выполнен из пластины кремния на металлической подложке. В эксперименте на частоте 30 ГГц при помощи лазерных импульсов энергией 5-10 мДж продемонстрировано эффективное переключение фазы излучения на 180 градусов за время, не превышающее 10 не;

• коммутаторы излучения на основе полых металлических резонаторов, переключаемые с помощью электронных потоков, которые либо инжектируются с катода под действием управляющего напряжения, либо создаются на поверхности резонатора в результате развития мультипактор-ного разряда, вызываемого управляющим излучением. .

4. Предложены высокоселективные резонаторы релятивистских гиротро-нов, работающие на электропрочных осесимметричных модах и брэгговский резонатор мазера на свободных электронах на гауссовой моде с фильтрацией паразитных мод. Разработаны электродинамические компоненты гироклис-тронов с релятивистскими электронными пучками на высших объемных модах ТЕ53, ТЕ63 и ТЕ73, позволившие реализовать мультимегаваттный гирок-листрон на частоту 30 ГГц.

5. Предложен микроволновый ондулятор сантиметрового диапазона длин волн в виде добротного резонатора, работающего на комбинации осесимметричных мод TEoi и ТЕ02. При параметре ондуляторности порядка единицы ондулятор обладает высокой электропрочностью и позволяет избежать нежелательного взаимодействия электронного сгустка с попутной ему волной.

6. Разработан стенд на основе мощного мазера на свободных электронах на частоту 30 ГГц для исследования влияния импульсного микроволнового теплового нагрева на ресурс медного резонатора на моде ТЕ0ц. Исследованы процессы деградации меди при числе циклов нагрева до 105 и возрастании температуры до 250 градусов Цельсия за импульс. Показано, что деградация поверхности при большом числе импульсов в конечном итоге приводит к развитию пристеночных пробоев.

7. Предложен метод увеличения темпа ускорения заряженных частиц в многочастотных ускоряющих структурах по сравнению с градиентом ускорения в одночастотных структурах за счет сокращения времени и площади экспозиции поверхности высокочастотными полями, а также за счет уменьшения компонентов поверхностных полей, вызывающих автоэлектронную эмиссию.

8. Показана возможность захвата частоты и фазы источников микроволнового излучения на основе электронных пучков "оптической гребенкой" лазерных импульсов. Захват колебаний в резонаторе с активным полупроводниковым элементом достигается за счет индуцированной импульсным лазером фотопроводимости в полупроводнике, приводящей к быстрой периодической модуляции добротности.

Цитированная литература

1 *. Novel Application of High Power Microwaves. Edited by A.V. Gaponov-Grekhov and

V.L. Granatstein. Boston-London: Artech House Inc., 1994. 2*. JI.A. Вайнштейн. Электромагнитные волны. M.: Сов. Радио, 1957, 580 с. 3*. Л.А. Вайнштейн. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: изд. Сов. Радио, 1966, 475 с.

4*. Б.З. Каценеленбаум. Высокочастотная электродинамика. М.: Наука, 1966, 237 с.

5*. Б.З. Каценеленбаум. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: АН СССР, 1961, 216 с.

6*. A.G. Fox, Т. Li. Bell SystemTechn J., 1961, Vol. 40, No. 2, pp. 453-464.

1*. J.L. Doane. Propagation and Mode Coupling in Corrugated and Smooth-Wall Circular Waveguides. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1990, Vol.13, pp. 123-170.

8*. Jl.A. Ривлин, B.C. Шильдяев. Полигармонические волноводы для когерентного света // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11, №4, с. 572-578.

9*. Н.Ф. Ковалев, ИМ. Орлова, М.И. Петелин. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками // Известия вузов. Радиофизика. 1968. Т. 11, №6, с. 783-786.

10*. Б.З. Каценеленбаум, В.В. Семенов. Синтез фазовых корректоров, формирующих заданное поле // Радиотехника и электроника, 1967, №12, с. 244-252.

11 *. А.В. Гапонов-Грехов, М.И. Петелин. Мазеры на циклотронном резонансе. В книге Наука и человечество. М.: Знание, 1980, с. 283-297.

12*. Г.А. Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. Радио, 1974,256 с.

13*. А.Н. Диденко, Ю.Г. Юшков. Мощные СВЧ импульсы наносекундной длительности, М.: Мир, 1984,432 с.

14*. Z.D. Farkas, Н.А. Hogg, G.A. Loew, Р.В. Wilson. SLED: A Method of Doubling SLAC's Energy, Proc. of 9th International Conference on High Energy Accelerator, Stanford, California, 1974, p. 576.

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

16*. O.A. Вальднер, А.Д. Власов, A.B. Шальное. Линейные ускорители. М., Атомиздат, 1969, 249 с.

17*. А.Н. Диденко, JI.M. Севрюкова, А.А. Ятис. Сверхпроводящие ускоряющие СВЧ структуры. М.: Энергоиздат, 1981, 208 с.

18*. Волноводные линии передачи с малыми потерями. Перевод под ред. В.Б. Штейншлегера: Сб. статей. М.: Иностр. лит., 1960, 480 с.

19*. Ю.И. Казначеев. Широкополосная дальняя связь по волноводам. М.: Изд. АН СССР, 1959.

20*. М. Thumm. Modes and Mode Conversion in Microwave Devices, in Generation and Application of High Power Microwaves, R. A. Cairns and A.D.R. Phelps, Editors. Bristol, U.K.: IOP, 1996, pp.121-171.

21*. H.F. Talbot. Facts relating to Optical Science, London and Edinburg Phil. Mag. and J. of Science, Vol. 9, №56, pp. 401-407, December 1836.

22*. P. Marie. Transitions creant le mode TE01 circulaire a partir du mode TE01 rectangulaire. L'onde electrique, Suppl. Special, 1957, Vol. 2, p. 471.

23*. V.I. Belousov, A.A. Bogdashov, A.V. Chirkov, G.G. Denisov. TEm-TEMoo Quasi-Optical Mode Converter. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 21, No. 2. pp. 187-192.

24*. C.H. Власов, Л.И. Загрядская, М.И. Петелин. Преобразование волны шепчущей галереи, распространяющейся в волноводе кругового сечения, в волновой пучок. Радиотехника и электроника, 1975, Т. 20, №10, с. 2026-2030.

25*. Д.В.Виноградов, Г.Г.Денисов, М.И.Петелин. Эффективное преобразование высших волноводных волн в волны открытых зеркальных линий передачи. Труды 10

школы-семинара по дифракции и распространению волн. М.: ИИРФ. Москва, 1993. С. 96-128.

26*. А.А. Bogdashov, A.V. Chirkov, G.G. Denisov, A.N. Kuftin, Yu.V. Rodin, E.A. Soluyano-va, V.E. Zapevalov. High-Efficient Mode Converter for ITER Gyrotron. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 26, No. 6 (2005), p. 771-785.

27*. A.B. Чирков, Г.Г. Денисов, M.JI. Кулыгин, В.И. Малыгин, С.А. Малыгин, А.Б. Па-вельев, Е.А. Солуянова. Использование принципа Гюйгенса для анализа и синтеза полей в сверхразмерных волноводах // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 59, № 5, с. 381-390.

28*. N.L. Aleksandrov et al. 3D wavebeam field reconstruction from intensity measurements in a few cross sections. Optics Communication, 1995, Vol. 115, p. 449-452.

29*. H. Mizuno, Y. Otake. A New RF Power Distribution System for X-Band Linac Equivalent to an RF Pulse Compression Scheme of Factor 2N, LINAC94 Proceedings.

30*. W. Kasparek, V. Erckmann, M. Petelin, A. Bruschi. High-Power Diplexers for Plasma Heating and Diagnostic Systems: Developments, Experiments, and Prospects, Proc. of the 3rd Int. Workshop on Far Infrared Technologies FIRT-2010, Fukui, Japan, 2010.

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

32*. F. Tamura, S.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.

33*. O.A. Ivanov, M.A. Lobaev, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, V.A. Isaev, J.L. Hirshfield, S.H. Gold, A.K. Kinkead. Active Microwave Pulse Compressor Using an Electron-Beam Triggered Switch, Physical Review Letters, 2013, v. 110,031801.

34*. C.H. Власов, ИМ. Орлова, М.И. Петелин. Резонаторы гиротронов и электродинамическая селекция мод, Гиротрон. Под ред. А.В. Гапонова-Грехова. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. С. 62-76.

35*. С.Н. Власов и др. Гиротроны с эшелетгными резонаторами // Изв. вузов. Радиофизика. 1996. Т. 39, № 6. С. 691-698.

36*. С.Н. Власов, A.F. Лучинин, Г.С. Нусинович, И.М. Орлова, В.Г. Усов, В.А. Флягин, В.И. Хижняк. Гиротроны с двухзеркальными резонаторами, Гиротрон. Под ред. В.А. Флягина. Горький: ИПФ АН СССР, 1980. С. 160-170.

37*. А.А. Kaminsky, A.K. Kaminsky, V.P. Sarantsev, et. al. Investigation of a microwave FEL with a reversed guide field, Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1994. V. A341.P. 105-108.

38*.N.S. Ginzburg, A.A. Kaminsky, A.K. Kaminsky, N.Yu. Peskov, S.N. Sedykh, A.P. Sergeev, A.S. Sergeev. High-efficiency single-mode Free-Electron Maser oscillator based on a Bragg resonator with step of phase of corrugation, Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. pp. 3574-3577.

39*. T. Shintake, K. Huke, J. Tanaka, I. Sato, I. Kumabe. Development of microwave undu-lator, Japanese J. of Appl. Phys. 22, 844 (1983).

40*. G.G. Denisov et al. Int. J. Infrared Millim. Waves 5, issue 10, 1389 (1984).

41*. S. Grudiev, S. Calatroni, IV. Wuensch. New local field quantity describing the high gradient limit of accelerating structure, Phys. Rev. ST Accel. Beams 12, 2009. pp. 102001-1-102209-9.

42*. V. Dolgashev, S. Tantawi, Ya. Higashi, B. Spataro. Geometric dependence of radio-frequency breakdown in normal conducting accelerating structures, Appl. Phys. Lett. 97, 171501 (2010).

43*. В.Ф. Коваленко. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. М.: Сов. радио, 1975.

44*. L. Laurent, S. Tantawi, V. Dolgashev, Ch. Nantista.Ya. Higashi, M. Aicheler, S. Heikki-nen, W. Wuensch. Experimental study of rf pulsed heating, Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams 14, 041001 (2011).

45*. S.D. Korovin, A.A. Elchaninov, V.V. Rostov, V.G. Shpak, M.I. Yalandin, N.S. Ginzburg, A.S. Sergeev, I.V. Zotova. Generation of Cherenkov superradiance pulses with a peak power exceeding the power of the driving short electron beam, Phys. Rev. E 74, 016501 (2006).

46*. IO.IO. Данилов. Пассивные резонансные компрессоры микроволновых импульсов, Дисс. на соискание уч. степени к.ф.-м.н., ИПФ РАН, Н. Новгород, 2003. (Руководители: М.И. Петелин и С.В. Кузиков)

47*. М.Е. Плоткин. Управление параметрами собственных колебаний и волн сверхразмерных электродинамических систем. Дисс. на соискание ученой степени к.ф.-м.н., ИПФ РАН, Н. Новгород, 2010, 169 с. (Руководитель - Кузиков С.В.).

48*. А.А. Вихарев. Квазиоптические компрессоры мощных микроволновых импульсов Дисс. на соискание ученой степени к.ф.-м.н., ИПФ РАН, Н. Новгород, 2011, 123 с. (Руководитель - Кузиков С.В.).

Список основных публикаций автора

1. G.G. Denisov, S.V. Kuzikov D.A. Lukovnikov. Simple Millimeter Wave Notch Filters Based on Rectangular Waveguide Extensions, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 16, No.7, 1995, pp. 1231-1238.

2. А.Б. Волков, Н.И.Зайцев, Н.Ф. Ковалев, БД. Кольчугин, С.В. Кузиков. Исследование взаимной когерентности излучения СВЧ усилителей со взрывоэмиссионными инжекторами релятивистских электронов // Письма в ЖТФ. 1996. Вып. 16, с. 86-89.

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

4. S. V. Kuzikov. Paraxial Approach to Description of Wave Propagation in Irregular Oversized Waveguides, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 18, No.5, 1997, pp. 1001-1014.

5. A.V. Chirkov, G.G. Denisov, S.V. Kuzikov, N.L. Alexandrov. Mode content analysis from intensity measurements in a few cross-sections of oversized waveguides, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 18, No. 6, 1997, pp. 1323-1334.

6. S. V. Kuzikov. Optimization and Synthesis of Passive Pulse Compressors Based on Ref-lectionless Cavities. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 19, No.5, 1998, pp. 771-784.

7. A.J1. Вихарев, A.M. Горбачев, O.A. Иванов, B.A. Исаев, Н.Ф. Ковалев, АЛ. Колыско, С.В. Кузиков, М.И. Петелин. Активный СВЧ компрессор на осесимметричной моде круглого волновода // Письма в ЖТФ. Т. 24, Вып. 20, 1998, с. 791-801.

8. S. V. Kuzikov. Wavebeam Multiplication Phenomena to RF Power Distribution Systems of High-Energy Linear Accelerators. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 19, No.l 1, 1998. pp. 1523-1539.

9. Ю.Ю. Данилов, С.В. Кузиков, М.И. Петелин. К теории компрессора на основе бочкообразного резонатора с винтовым гофром // ЖТФ. 2000. Т. 70, №1, с. 65-67.

10. Ю.Ю. Данилов, С.В. Кузиков, В.Г. Павельев, Ю.И. Кошуринов. Компрессия микроволновых импульсов бочкообразным резонатором с винтовым гофром // Письма в ЖТФ. Т. 27, вып. 8, 2001, с. 59-64.

11. Ю.Ю. Данилов, С.В. Кузиков, В.Г. Павельев, Ю.И. Кошуринов. Компрессия микроволновых импульсов квазиоптическим резонатором с гофрированным зеркалом // Письма в ЖТФ. Т. 27, вып. 19, 2001, с. 5-10.

12. G.G. Denisov, S. V. Kuzikov, N. Kobayashi. RF Analysis of ITER Remote Steering Antenna for Electron-Cyclotron Plasma Heating. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 22, No. 12, 2001. pp. 1735-1760.

13. W. Kasparek, G. Gantenbein, B. Plaum, R. Wacker, A.V. Chirkov, G.G. Denisov, S.V. Kuzikov, K. Ohkubo, F. Hollmann, D. Wagner. Performance of a remote steering antenna for ECRH/ECCD applications in ITER using four-wall corrugated square waveguide, Nuclear Fusion, Vol. 43, issue 11, 2003, p. 1505-1512.

14. А.Л. Buxapee, A.M. Горбачев, O.A. Иванов, B.A. Исаев, С.В. Кузиков, Дж.Л. Хир-швилд, О.А. Нежевенко, С.Х. Голд, А.К. Кинкед. Исследование активных СВЧ компрессоров, возбуждаемых излучением магникона на частоте 11.4 ГГц // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 46, №10, 2003, с. 897-906.

15. F. Mirizzi, Ph. Bibet, S. Kuzikov. The main microwave components of the LHCD system. for ITER, Fusion Engineering and Design , Vol. 66, 2003, pp. 487-490.

16. A.B. Елжов, H.C. Гинзбург, A.K Каминский, С.В. Кузиков, Н.Ю. Песков, Э.А. Пе-рельштейн, С.Н. Седых, А.П. Сергеев, А. С. Сергеев. Возможности улучшения характеристик МСЭ-генератора с брэгтовским резонатором, Письма в журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра», №3(120), 2004, с. 18-21.

17. Н.С. Гинзбург, А.В. Елжов, Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, А.К. Каминский, С.В. Кузиков, И.С. Кулагин, Э.А. Перельштейн, Н.Ю. Песков, М.И. Петелин, С.Н. Седых, А.П. Сергеев, А. С. Сергеев. Стенд для исследования ресурса имитатора ускоряющей структуры коллайдера CLIC при воздействии мощного импульсного излучения на частоте 30 ГГц // Письма в журн. "Физика элементарных частиц и атомного ядра", 2004, т. 1, №:4 (121), с. 21-29.

18. Ю.Ю. Данилов, С.В. Кузиков, В.Г. Павельев, Ю.И. Кошуринов. Компрессор линейно-модулированных по частоте импульсов на основе кольцевого трехзеркального резонатора // ЖТФ, 2005, т. 75, вып. 4, с. 131-133.

19. Н.С. Гинзбург, Г.Г. Денисов, С.В. Кузиков, Н.Ю. Песков, А.С. Сергеев, А.В. Ар-жанников, П.В. Калинин, С.Л. Синицкий, М. Тумм. Особенности спектра мод пла-нарных структур с двумерной брэгговской гофрировкой (теория и «холодный» эксперимент) // Изв. вузов. Радиофизика, т. 48, № 9-10, 2005, с. 842-856.

20. Н.И. Зайцев, Е.В. Иляков, С.В. Кузиков, И.С. Кулагин, В.К. Лыгин, М.А. Моисеев, М.И. Петелин, А.С. Шевченко. Импульсный гироклистрон на объемной моде высокого порядка // Изв. вузов. Радиофизика, 2005, № 9-10, с. 830-834.

21. Н.С. Гинзбург, А.К. Каминский, С.В. Кузиков, Э.А. Перельштейн, Н.Ю. Песков, С.Н. Седых, А.П. Сергеев, А.С. Сергеев. О возможности использования МСЭ с брэгтовским резонатором для тестирования высокодобротных резонансных структур // ЖТФ, т. 76, № 7, 2006, с. 69-75.

22. M.L. Kulygin, G.G. Denisov, A.V. Chirkov, S.V. Kuzikov. Numerical simulation of open waveguide converters using FDTD method, International Journal of Infrared and Millimeter Waves V. 27, No. 4, 2006, pp. 591-613.

23. Н.Ю. Песков, Н.С. Гинзбург, Г.Г. Денисов, В.Ю. Заславский, С.В. Кузиков, А.С. Сергеев, А.В. Аржанников, П.В. Калинин, С.Л. Синицкий, М. Thumm. Демонстра-

ция существования высокодобротных мод в центре резонансной полосы двумерных брегтовских структур // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 3, с. 46-56.

24. АЛ. Вихарев, A.M. Горбачев, О.А. Иванов, В.А. Исаев, C.B. Кузиков, М.А. Лобаев. Плазменный переключатель, основанный на преобразовании мод ТЕ02-ТЕ01 круглого волновода для мощных СВЧ компрессоров сантиметрового диапазона длин волн // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33., вып. 18, с. 54-60.

25. А.А. Вихарев, Г.Г. Денисов, Вл.В. Кочаровский, C.B. Кузиков, В.В. Паршин, Н.Ю. Песков, А.Н. Степанов, Д.И. Соболев, М.Ю. Шмелев. Быстродействующий квазиоптический переключатель фазы волнового пучка, основанный на эффекте индуцированной фотопроводимости в кремнии // Письма в ЖТФ, 2007, т. 33, вып. 17, с. 38-45.

26. S.V. Kuzikov, А.А. Vikharev, М.Е. Plotkin, D.Yu. Shegol'kov, J.L. Hirshfield. One-channel Ka-band pulse compressor, Phys. Rev. ST Accel. Beams, Vol. 10, 2007, pp. 082001-1 -082001-8.

27. А.А. Вихарев, Г.Г. Денисов, C.B. Кузиков, Д.И. Соболев. Волноводные повороты для эффективной передачи моды ТЕ01 круглого волновода // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2007, т. 2, вып. 2, с. 74-81.

28. G.G. Denisov, К.А. Fedorova, Yu.Yu. Danilov, S.V Kuzikov, M.Yu. Shmelev, M.E. Plotkin. Efficiency Enhancement of Components Based on Talbot Effect, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 28, No. 11, 2007, pp. 923-935.

29. А.А. Вихарев, Г.Г. Денисов, Вл.В. Кочаровский, C.B.Кузиков, В.В. Паршин, Н.Ю. Песков, А.Н. Степанов, Д.И. Соболев, М.Ю. Шмелёв. Быстродействующий квазиоптический фазовращатель, основанный на эффекте индуцированной фотопроводимости в кремнии // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 50, № 10-11, 2007, с. 866-874.

30. S.V. Kuzikov, М.Е. Plotkin. Theory of Thermal Fatigue Caused by RF Pulse Heating, International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 29, No. 3, 2007, p. 298-311.

31. C.B. Кузиков, М.Е. Плоткин. Модель тепловой усталости поверхности меди под действием мощного СВЧ излучения // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 50, № 10-11, 2007, с. 979-987.

32. M.F. Graswinckel, W.A. Bongers, M.R. de Baar, М.А. van den Berg, G. Denisov, A.J.H. Donné, B.S.Q. Elzendoorn, A.P.H. Goede, R. Heidinger, S. Kuzikov, O.G. Kruijt, B. Krui-zinga, A. Moro, E. Poli, D.M.S. Ronden, G. Saibene, D.J. Thoen, A.G.A. Verhoeven. Advanced launcher design options for electron cyclotron current drive on ITER based on remote steering, Nuclear Fusion, Vol. 48, 2008, p. 054015- 054028.

33. N.Yu. Peskov, N.S. Ginzburg, A.S. Sergeev, G.G. Denisov, S.V. Kuzikov, V.Yu. Zas-lavsky, A. V. Arzhannikov, P. V. Kalinin, S.L. Sinitsky, M. Thumm. Observation of the high-Q modes inside resonance zone of 2D Bragg structures. Appl. Phys. Lett., Vol. 92, p. 103512, 2008.

34. Г.Г. Денисов, Н.И. Зайцев, C.B. Кузиков, М.Е. Плоткин. Повышение селективности резонаторов релятивистских гиротронов, работающих на осесимметричных модах // Изв. вузов. Радиофизика. T. LI, № 10, 2008, с. 837-849.

35. АЛ. Вихарев, A.M. Горбачев, О.А. Исаев, C.B. Кузиков, Б.З. Мовшевич, ДжЛ. Хир-швилд, С.Х. Голд. Активный брэгговский компрессор СВЧ импульсов трехсантиметрового диапазона длин волн // Изв. Вузов. Радиофизика, 2008, т. LI, вып. 7, с. 6-19.

36. А.Л. Вихарев, A.M. Горбачев, О.А. Исаев, C.B. Кузиков, В.А. Колданов, Дж.Л. Хиршвилд, С.Х. Голд. Двухканальный 100-мегаваттный СВЧ компрессор трехсантиметрового диапазона длин волн // Изв. Вузов. Радиофизика, 2008, т. LI, вып. 8, стр. 1-15.

37. А.А. Вихарев, A.JI. Вихарев, A.M. Горбачев, О.А. Иванов, В.А. Исаев, С.В. Кузиков. Квазиоптический фазовращатель 8-мм диапазона длин волн на основе активной дифракционной решетки // Письма в ЖТФ, т. 39, вып. 9, 2009, с. 67-76.

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

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

40. С.В. Кузиков. Синтез квазиоптических преобразователей волноводных мод на основе метода Фокса-Ли // Изв. вузов. Радиофизика, Т. LII, № 8, 2009, с. 607-618.

41. С.В. Кузиков, М.Е. Плоткин. Увеличение темпа набора энергии частиц в линейных ускорителях суперколлайдеров // Изв. Вузов. Радиофизика, Том LII, № 8,

2009, с. 660-670.

42. О.А. Ivanov, А.А. Vikharev, A.M. Gorbachev, V.A. Isaev, М.А. Lobaev, A.L. Vikharev, S.V. Kuzikov, J.L. Hirshfield, M.A. LaPointe. Active quasi-optical Ka-band rf pulse compressor switched by a diffraction grating, Phys. Rev. ST Accel. Beams, 2009, Vol. 12, Issue 9, 093501, 9 pages.

43. G.G. Denisov, S. V. Kuzikov, M.E. Plotkin. Study of Talbot Effects in a Bent Waveguide with Constant Curvature. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. V. 30, No 4, 2009. pp. 349-356.

44. A.A. Vikharev, G.G. Denisov, S.V. Kuzikov, D.I. Sobolev. New ТЕ0] Waveguide Bends, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, Volume 30, Number 6, 2009, pp. 556-565.

45. A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, O.A. Ivanov, V.A. Isaev, S.V. Kuzikov, M.A. Lobaev, J.L. Hirshfield, S.H. Gold, A.K. Kinkead. High power active pulse compressor using plasma switches, Physical Review ST AB, (2009), 12, 062003.

46. S.V. Kuzikov, M.E. Plotkin, N.I. Zaitsev. Efficient Output Mode Converter for 30 GHz Gyroklystron at IAP, Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, V. 31, No 2,

2010,pp. 121-131.

47. Г.Г. Денисов, С.В. Кузиков, А.Б. Павельев, М.А. Хозин. Многозеркальные квазицилиндрические резонаторы для гиротронов с перестройкой частоты // Известия вузов. Радиофизика, т. 53, № 2, 2010, с. 122-133.

48. А.К. Каминский, Э.А. Перельштейн, С.Н. Седых, Н.С. Гинзбург, С.В. Кузиков, Н.Ю. Песков, А. С. Сергеев. Демонстрация работы мощного 30-GHz мазера на свободных электронах на резонансную нагрузку И Журнал технической физики. Письма. 2010. Т. 36, № 5. с. 37-46.

49. S.V. Kuzikov, S.Yu. Kazakov, У. Jiang, J.L. Hirshfield. Asymmetric Bimodal Accelerator Cavity for Raising rf Breakdown Thresholds, Phys. Rev. Lett. 104, 214801 (2010).

50. S. V. Kuzikov, S. Yu. Kazakov, Y. Jiang, J.L. Hirshfield. High-gradient two-beam accelerator structure, Phys. Rev. Lett. ST Accei. Beams, Vol. 13, No.7, 071303 (2010).

51. Д.Ю. Щегольков, М.И. Петелин, С.В. Кузиков. Широкополосный квазиоптический дуплексер // Радиотехника. Вып. 149, № 4, 2010, с. 52-56.

52. А.А. Вихарев, Н.С. Гинзбург, И.И. Голубев, Ю.Ю. Данилов, Н.И.З ащев, А.К. Каминский, А.П. Козлов, С.В. Кузиков, Э.А. Перельштейн, Н.Ю. Песков, М.И. Петелин, С.Н.Седых, А.П.Сергеев, А.С.Сергеев. Эксперименты по импульсному циклическому нагреву медной поверхности на основе мощного ЗО-GHz мазера на свободных электронах // Письма в ЖТФ, (2011), т. 37, вып. 3, с. 16-22.

53. А.А. Вихарев, С.В. Кузиков. Дистанционно управляемые волноводные переключатели и фазовращатели для тестирования ускоряющих структур на высоком уровне мощности // Вестник НГУ. Серия: Физика, (2011), т. 6, вып. 1, с. 36^3.

54. С.В. Кузиков. Применение комбинаций осесимметричных мод в электродинамических системах мощных СВЧ приборов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика,' т. 54, № 8-9, 2011, с. 573-587.

55. А.А. Вихарев, Е.В. Иляков, С.В. Кузиков, И.С. Кулагин. Мультипакторный разряд в скрещенных полях в цилиндрическом резонаторе трехсантиметрового диапазона длин волн // Изв. вузов. Радиофизика, т. 54, № 8-9, 2011, с. 573-587.

56. У. Jiang, S. V. Kuzikov, S. Yu. Kazakov, J.L. Hirshfield. Multi-harmonic test setup for RF breakdown studies, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.- 657' (2011) pp. 71-77.

57. N.S. Ginzburg, I.I. Golubev, A.K. Kaminsky, A.P. Kozlov, S.V. Kuzikov, E.A. Perelstein, N.Yu. Peskov, M.I. Petelin, S.N. Sedykh, A.P. Sergeev, A.S. Sergeev, A.A. Vikharev, N.I.Zaitsev. Experiment on pulse heating and surface degradation of a copper cavity powered by powerful 30 GHz free electron maser, Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 041002 (2011).

58. G .G. Denisov, S.V. Kuzikov, A.V. Savilov. Q-switching in the electron backward-wave oscillator, Physics of plasmas 18, 103102 (2011).

59. A.K. Каминский, Ю.А. Ковалёв, А.П. Козлов, А.Ф. Кратко, И.А. Крячко, С.В. Кузиков, А.И. Лесникович, И.А. Милевич, Э.А. Перельштейн, Н.Ю. Песков, М.И. Петелин, С.Н. Седых, С.И. Тютюнников, В.Г. Баев, В.А. Вдовин, А.А. Вихарев, Н.С. Гинзбург, И.И. Голубев, С.М. Голубых, Н.И. Зайцев. Прикладные исследования с использованием мазера на свободных электронах с частотой генерации 30 ГГц: эксперименты по воздействию мощного импульсного излучения на металлы // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2011. Т. 54. № 8-9. С. 719726.

60. С.В. Кузиков, Н.Ю. Песков, М.Е. Плоткин. Открытый брэгтовский резонатор с гауссовым волновым пучком для мощного мазера на свободных электронах сантиметрового диапазона длин волн // Вестник НГУ. Сер. Физика, 2013, т. 8, вып. 1, с. 24-31.

61. S.V. Kuzikov, A.V. Savilov. Parametric Phase Locking in an Electron RF Oscillator,' Phys. Rev. Lett. 110, 174801 (2013).

62. S.V. Kuzikov, Y. Jiang, T.C. Marshall. G.V. Sotnikov, J.L. Hirshfield. Configurations for short period rf undulators, Phys. Rev. ST Accel. Beams 16, Issue 7, 070701 (2013).

63. Y.M. Guznov, Y.Y. Danilov, S.V. Kuzikov, Y.V. Novozhilova, A.S. Shevchenko, N.I. Zait-sev, N.M. Ryskin. Megawatt-power Ka-band gyroklystron oscillator with external feedback, Applied Physics Letters 103, 173505 (2013).

64. Н.И. Зайцев, Ю.М. Гузнов, С.В. Кузиков, М.Е. Плоткин, Е.М. Тай, А. С. Шевченко. Экспериментальное исследование релятивистского гироклистрона миллиметрового диапазона длин волн // Изв. вузов. Радиофизика, т. LVI, № 8-9, 2013, с. 544-549.

65. С.В. Кузиков, М.Е. Плоткин, Н.И. Зайцев. Метод возбуждения объемной моды высокого порядка во входном резонаторе гироклистрона // Радиотехника и электроника, т. 59, № 1, 2014, с. 78-84.

66. Н.И. Зайцев, А.К. Гвоздев, С.А. Запевалов, С.В. Кузиков, В.Н. Мануйлов, М.А. Моисеев, М.Е. Плоткин. Экспериментальное исследование мультимегаваггного импульсного гироклистрона, Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, № 2. С. 179.

КУЗИКОВ Сергей Владимирович

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ МОЩНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Автореферат

Подписано к печати 08.04.2014 г. Формат 60 х 90 Vi6. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Тираж 120 экз. Заказ № 22 (2014).

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

Федеральное государственное бюджетное учреждении науки Институт прикладной физики Российской Академии наук

На правах рукописи 05201451101 -

Кузиков Сергей Владимирович

КВАЗИОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ МОЩНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород 2014

Введение 2

1. Создание пассивных квазиоптических систем высокой мощности 27

1.1 Сверхразмерные периодические структуры 28

1.2 Эффекты Тальбота в квазиоптических волноводах 36

1.2.1 Интерференция параксиальных волновых пучков в

волноведущих системах 36

1.2.2 Дистанционное сканирование волнового пучка в плазме 48

1.2.3 Повышение эффективности волноводных систем путем

коррекции спектра их собственных волн 57

1.3 Транспортировка излучения по квазиоптическим линиям передачи 64

1.3.1 Зеркальные линии передачи 64

1.3.2 Волноводные и комбинированные линии передачи 66

1.3.3 Компоненты линий передачи 71

1.4 Преобразование структур полей волновых потоков 87 1.4.1. Методы создания преобразователей и восстановления структур волновых полей 87

1.4.2 Синтез волноводных систем на основе численного

интегрирования уравнений Максвелла на пространственно-временной сетке 98

1.4.3 Синтез преобразователей волн волноводов в параксиальные

волновые пучки методом интегрального уравнения 118

2. Переключение и компрессия микроволновых импульсов 130

2.1 Системы управления мощным излучением, основанные на

интерференции волновых пучков в волноводах 138

2.2 Пассивная компрессия импульсов 147

2.2.1 Оптимизация электродинамических систем компрессоров 147

2.2.2 Синтез систем компрессии 177

2.3 Активные коммутаторы микроволнового излучения 185

2.3.1 Плазменные переключатели 185

2.3.2 Переключатели на основе эффекта индуцированной фотопроводимости в полупроводниках 201

2.3.3 Переключатели на основе инжекторов электронных потоков 223

2.4 Активная компрессия импульсов 238

2.4.1 Компрессор импульсов на основе трехзеркалыюго резонатора 239

2.4.2 Компрессоры на основе закрытых сверхразмерных

резонаторов с плазменными переключателями 242

2

2.5 Развитие методов компрессии импульсов 250

3 Управление колебаниями и волнами электродинамических систем мощных электронных источников излучения и ускорителей

заряженных частиц 255

3.1 Релятивистские гиро-приборы и мазеры на свободных электронах

3.1.1 Селекция мод в резонаторах гиротронов с

релятивистскими электронными пучками 262

3.1.2 Компоненты гироклистрона, работающего на последовательности объемных мод 284

3.1.3 Открытый брэгговский резонатор для мазера на свободных электронах миллиметрового диапазона длин волн 298

3.1.4 Создание источников когерентного рентгеновского излучения

на основе микроволновых ондуляторов 310

3.2 Увеличение темпа набора энергии заряженных частиц в линейных ускорителях суперколлайдеров 335

3.2.1 Экспериментальные исследования импульсного теплового нагрева 348

3.2.2 Возможности увеличения градиента ускорения 358

3.2.3 Многочастотные ускоряющие структуры и источники электронных сгустков на основе фотоинжекторов 378

Заключение 409

Приложение 1. Метод FDTD для расчета сверхразмерных

электродинамических систем 411

Приложение 2. Анализ траектории и спектра излучения релятивистской частицы, движущейся в поле бегущей электромагнитной волны 413

Цитированная литература 417

Слисок публикаций автора 439

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Развитие источников мощного когерентного микроволнового излучения и постоянный прогресс потребителей этого излучения в таких областях науки и техники как управляемый термоядерный синтез (УТС), ускорение элементарных частиц, радиолокация и связь, плазмохимия, биология и медицина обуславливают постоянно растущие и усложняющиеся требования к электродинамическим системам, используемым для генерации, передачи и преобразования волновых потоков [1*-20*]. Суть этих требований в конечном итоге сводится к необходимости эффективного управления параметрами излучения, его пространственной и временной структурой.

Специфика систем высокой пиковой и средней микроволновой мощности проистекает из того, что высокочастотный пробой, омические потери и импульсный нагрев не позволяют в полной мере использовать одномодовые волноводы, а применение оптических аналогов ограничено требованиями компактности. Поэтому актуальной задачей остается развитие методов квазиоптики.

В ходе разработки пассивных квазиоптических систем управление часто подразумевает решение таких задач как сохранение заданной поперечной моды, преобразование одной или нескольких мод в другую моду или суперпозицию мод, повороты линий передачи, защита источника от отраженного излучения и другие.

При необходимости изменения направления передачи излучения, суммирования или деления волновых потоков в течение микроволнового импульса возникает потребность в коммутаторах (или переключателях). Эти устройства могут быть как пассивного типа (для переключения используется изменение фазы источников излучения), так и активного типа, в которых применяются элементы с электрически управляемыми свойствами. На основе коммутаторов обоих типов в настоящее время создаются соответствующие компрессоры импульсов, позволяющие многократно увеличить пиковую мощность излучения при укорочении его длительности.

Наиболее многообразны требования к электродинамическим системам мощных электронных источников микроволнового излучения и ускорителей элементарных частиц. Традиционно необходимо уметь управлять спектральным составом излучения, обеспечивая стабильную одномодовую генерацию или усиление микроволн. Однако развитие техники фотоинжекторов электронных сгустков, повсеместно применяемой для создания пучков в линейных ускорителях высоких энергий, требует не просто

стабильного одночастотиого излучения, но и привязки частоты и фазы этого излучения к частоте и фазе следования электронных сгустков.

Одна из фундаментальных задач современной техники ускорителей состоит в достижении тераэлектронвольтных уровней энергий электронов и позитронов, что неразрывно связано с получением градиента ускорения выше 100 МВ/м. Для решения этой задачи, связанной с преодолением пороговых значений пробоя и импульсного нагрева, могут быть использованы "гребенки" из коротких гигантских импульсов излучения, что требует как новых типов источников излучения, так и новых типов ускоряющих структур, в которых осуществляется одновременное управление и пространственной, и временной динамикой микроволн.

Цели и задачи диссертационной работы

Цель теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, состояла в обобщении и развитии способов управления мощными микроволнами, а также в создании принципиально новых методик, направленных на:

1. Создание высокоэффективных методов преобразования волновых потоков и способов их расчета [3, 4, 21, 38, 39, 44, 51, 52, 59].

2. Разработку эффективных линий передачи мощного излучения и их компонентов [1, 5, 8, 12, 13, 16,26, 27, 31,42, 43,49, 51, 52, 59].

3. Реализацию активных и пассивных устройств для управляемого переключения потоков мощного излучения [8, 12, 13, 23, 24, 28, 31, 36, 37, 51, 52, 53, 56, 61].

4. Создание мощных высокоэффективных компрессоров микроволновых импульсов [6, 7, 9-11, 14, 17, 25, 34, 35, 41, 52, 58].

5. Разработку компонентов мощных релятивистских гиротронов и гироклистронов, мазеров на свободных электронах (МСЭ) и источников когерентного рентгеновского излучения на основе микроволновых ондуляторов [2, 15, 18-20, 22, 32, 45, 46, 56, 57, 60,61].

6. Анализ возможностей увеличения градиента ускорения элементарных частиц в линейных ускорителях, создание ускоряющих структур нового типа и микроволновых источников для них [16, 29, 30, 40, 47, 48, 50, 54, 55, 62].

Научная новизна

1. Разработана новая универсальная методика синтеза преобразователей волновых

потоков, основанная па использовании алгоритмов численного решения уравнений

Максвелла на пространственно-временной сетке (РБТО) [38]. Разработан метод

5

синтеза квазиоптических преобразователей с использованием процедуры Фокса-Ли и формализма интегральных уравнений, позволяющих учитывать векторный характер полей [39].

2. Найдены эффекты в сверхразмерных волноводах, имеющие общую физическую природу с эффектами Тальбота, которые позволяют осуществлять эффективное управление режимами переключения, суммирования, деления и передачи квазиоптических волновых пучков [8, 52].

3. Предложены мощные высокоэффективные компрессоры СВЧ импульсов: пассивные компрессоры, работающие на осесимметричных модах волновода круглого поперечного сечения, которые позволяют исключить нормальные поверхностные поля на стенках электродинамической системы [25];

активные компрессоры с плазменными коммутаторами микроволнового излучения, с коммутаторами, переключаемыми инжектированными электронными пучками и индуцированными токами одностороннего мультипакторного разряда на металле [37,53].

4. С использованием предложенных высокоэффективных вводов СВЧ мощности впервые реализован мультимегаваттный гироклистрон с релятивистским электронным пучком на частоту 30 ГГц, работающий на последовательности объемных мод высокого порядка [19].

5. С целью реализации эффективной модовой селекции и достижения стабильной одномодовой генерации в МСЭ миллиметрового диапазона длин волн с приосевым электронным пучком предложен "открытый" брэгговский резонатор на гауссовой моде, состоящий из двух отражающих секций с зазором между ними [60].

6. Показано, что спектр излучения релятивистских электронов в микроволновых ондуляторах на стоячей волне существенно ухудшается за счет негативного воздействия попутной электронам электромагнитной волны. Предложены новые типы резонаторов, в которых попутная волна отличается по поперечной структуре от встречной и не портит спектр выходного излучения рентгеновского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в режиме усиления спонтанного излучения короткого сгустка электронов (SASE) [57].

7. С целью повышения градиента ускорения в линейных ускорителях предложены ускоряющие структуры нового типа, работающие на суперпозиции нескольких эквидистантно расположенных по частоте гармониках поля [40, 47, 48, 54].

8. Сформулированы принципы построения источников микроволнового излучения, частота и фаза которых управляются с помощью лазеров, работающих с высокой частотой следования коротких импульсов [56, 61].

Практическая значимость результатов

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в ней предложено как решение некоторых фундаментальных проблем, так и решены многие прикладные задачи.

Ряд результатов, полученных при выполнении диссертационной работы, уже нашли свое применение в некоторых ведущих физических лабораториях. Так, в экспериментах, направленных на создание электрон-позитронного коллайдера нового поколения CLIC в Европейском ускорительном центре (CERN), использовались квазиоптическая линия передачи мощного излучения на частоту 30 ГГц на моде TEoi; компрессор импульсов на частоту 12 ГГц, с помощью которого был продемонстрирован экспериментально градиент ускорения электронов 80 МэВ/м; управляемые волноводные переключатели и фазовращатели, другие волноводные компоненты. Активные компрессоры импульсов использовались в экспериментах, проводимых лабораторией физики пучков Йельского университета (США), лабораторией NRL (США), ускорительным центром SLAC (США). При использовании результатов диссертации были созданы ряд релятивистских гиротронов и гироклистронов высокой выходной мощности в ИПФ РАН. Компоненты МСЭ, включающие резонатор и выходной преобразователь, в настоящее время используются в многочисленных экспериментах в ОИЯИ (Дубна). Выполненные с помощью этого уникального источника эксперименты по определению времени жизни медных структур под действием импульсного теплового нагрева, вызванного интенсивными микроволнами, могут оказаться важны при проектировании будущих ускорителей на высокие частоты.

Антенна дистанционного сканирования волнового пучка в плазме может быть использована в установках УТС нового поколения.

Работы по микроволновым ондуляторам, направленные на создание нового поколения ЛСЭ рентгеновского диапазона, позволили выявить проблемы, отличающие их от периодических систем на постоянных магнитах, и предложить пути их решения.

Разработанные методы синтеза преобразователей находят применение при создании волноводных трактов и источников излучения различных диапазонов.

Предложенные многочастотные структуры могут оказаться востребованными в новых проектах высокоградиентных ускорителей и фотоинжекторов интенсивных

электронных сгустков. Рекомендации по созданию нового типа микроволновых источников с управляемой частотой и фазой для питания ускоряющих структур и фотоинжекторов могут оказаться значимы также при проектировании установок лазерно-плазменного ускорения.

При выполнении диссертационной работы получен патент США по многочастотным ускоряющим структурам.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-62] и докладывались

на:

научных семинарах в ИПФ РАН (1992-2013); Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам IRMMW (Эссекс 1993, Орландо 1995, Берлин 1996, Винтергрин 1997, Монтерей 1999, Пекин 2000, Отсу 2003); совместных Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам и терагерцовой электронике (Шанхай 2006, Кардиф 2007); Международных рабочих встречах "Мощные микроволны в плазме" (Нижний Новгород 1993, 1996, 2000, 2003, 2006, 2009, 2011); Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (Нижний Новгород 2011 и 2013); Европейских конференциях по ускорителям заряженных частиц ЕР АС (Люцерн 2004, Эдинбург 2006, Генуя 2008); Международных конференциях по ускорителям заряженных частиц РАС (Ныо-Джерси 1999, Ныо-Мексико 2007, Ванкувер 2009); Российских конференциях по ускорителям заряженных частиц RuPAC (Дубна 2004, Протвино 2010); Международных совещаниях по новым концепциям ускорения ААС (Балтимор 1998, Санта Фе 2001, Мандела Бич 2002, Ныо-Йорк 2004, Аннаполис 2010, Аустин 2012); Международных совещаниях по линейным коллайдерам LC (Протвино 1997, Фраскати 1999); Международном совещании по ускорителям высоких энергий НЕАСС (Дубна 1998); 9-ом симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург, 1992); Международной конференции по электронно-циклотронной эмиссии и электронно-циклотронному нагреву ЕС (Амеланд 1997); 28-ой Международной конференции по теории и технологии антенн (Москва 1998); Международном совещании по импульсным микроволновым источникам для коллайдеров RF'98 (Пахаро Дюне 1998); 18-ой Международной конференции по ядерному синтезу (Сорренто 2000); Международных совещаниях по микроволнам высокой плотности энергии и мощности RF (Каламата 2006, Беркли Спрингс 2003); Международных конференциях по линейным ускорителям LINAC (Любек 2004, Тель-Авив 2012); 15-ой конференции по мощным пучкам заряженных частиц BEAMS (Санкт-

Петербург 2004); Международных конференциях по лазерам на свободных электронах FEL (Триест 2004, Ливерпуль 2009); Научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород 2004 и 2005); Рабочем совещании по квазиоптическому управлению мощными микроволнами (Нижний Новгород 2005); Международном рабочем совещании CLIC'09 (Женева 2009); Международных конференциях по ускорителям частиц IPAC (Киото 2010, Сан-Себастьян 2011); 18-ой научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" (Судак, Украина, 2011); 22-ой Международной крымской конференции по микроволнолнам и телекоммуникационным технологиям КрыМиКо (Севастополь 2012); 6-й Всероссийской ш^оле-семинаре "Физика и применение микроволн" (Красновидово 1997); 8-ом Международном совещании памяти В.П.Саранцева (Алушта 2009); 5-ой Международной конференции по вакуумной электронике (Монтерей 2004); 1-ой Европейской конференции по новым концепциям ускорения ЕААС (Эльба, 2013).

Отдельные результаты изданы в сборниках отчетов по научным проектам МНТП России "Физика микроволн" за 1995, 1996 и 2001 годы, в научном отчете ITER за 2000 год, в препринтах ИПФ РАН.

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации содержатся в 192 публикациях, включающих 62 статьи в научных журналах. Из них 28 статей опубликованы в зарубежных журналах, 34 статьи - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов. Имеется патент США. После защиты кандидатской диссертации опубликованы 55 статей.

Личный вклад автора

При выполнении работ по теме диссертации соискатель принимал непосредственное участие в постановке и решении задач, в проведении экспериментов, обработке их результатов.

Статьи [4, 6, 8, 39, 52] написаны единолично.

В статье [1