Мазеры на циклотронном резонансе с приосевыми электронными пучками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЦР С

ПРИОСЕВЫМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ

1.1. Конкуренция и электродинамическая селекция мод в гиротронах на высоких циклотронных гармониках.

1.2. МЦР с одновременным возбуждением встречной и попутной волн синфазным электронным пучком (гиро-ЛОВ-ЛБВ).

1.3. Эффекты высокочастотного пространственного заряда в МЦР с произвольной фазовой скоростью рабочей волны.

В настоящее время мазеры на циклотронном резонансе (МЦР) [1-4] являются наиболее мощными источниками СВЧ излучения в миллиметровом диапазоне длин волн. МЦР успешно используются в различных физических и технических приложениях, в частности для нагрева и диагностики плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, спектроскопии различных сред, синтеза новых материалов и плазмохимии [5-9]. Приборы этого класса основаны на индуцированном тормозном излучении электронов, вращающихся .в магнитном поле [10-16]. В отличие от приборов, основанных на черенковском и переходном излучении заряженных частиц (ЛБВ, ЛОВ, магнетроны, клистроны и др.), где взаимодействие частиц происходит с замедленными волнами, фазовая скорость которых меньше скорости света, в МЦР электроны могут взаимодействовать с быстрыми электромагнитными волнами. Это свойство тормозного излучения позволяет использовать в качестве электродинамических систем МЦР гладкие волноводы и резонаторы с размерами существенно больше длины волны излучения. В диапазоне миллиметровых волн это позволяет получать в циклотронных мазерах значительно большую мощность, чем в черенковских приборах. Однако продвижению МЦР в область более коротких волн препятствует необходимость создания очень сильных (десятки Тл) магнитных полей.

Наиболее распространенной и наиболее развитой разновидностью МЦР является слаборелятивистский гиротрон [2,17], в котором электроны взаимодействуют с волнами, распространяющимися поперек магнитостатического поля. В такой системе отсутствует доплеровский сдвиг частоты, обусловленный поступательным движением частиц, что обеспечивает ряд преимуществ гиротрона перед другими типами МЦР, а именно, низкую чувствительность к разбросу скоростей частиц в пучке, высокую селективность, позволяющую работать на модах с очень высокими индексами, простоту электродинамической системы. К настоящему времени гиротронами достигнута высокая мощность излучения (до 1 МВт в квазинепрерывном режиме на частоте 170 ГТц [18-21]). В гиротроне на первой циклотронной гармонике при использовании очень сильных импульсных магнитных полей получено излучение на частоте до 650 ГГц [22] с мощностью до 40 КВт; в гиротроне на второй гармонике при использовании криомагнита получена непрерывная генерация на частоте до 850 ГТц с мощностью в несколько десятков ватт [23]. Определенным недостатком гиротронов является трудность обеспечения широкополосной (более 1 %) перестройки частоты излучения. Кроме того, частота излучения слаборелятивистских гиротронов существенно ограничена величиной магнитного поля. . В связи с этим весьма актуальным является развитие тех разновидностей МЦР, в которых, согласно теории [3,4], может быть получена большая частота излучения (при той же величине магнитного поля). Это возможно при использовании излучения на более высоких циклотронных гармониках и (или) доплеровское увеличение частоты. Первый из этих методов используется в гиротронах на высоких циклотронных гармониках [23-28,109]; для -повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия на высоких гармониках часто применяются существенно релятивистские (сотни кэВ) электронные пучки [26,28,109]. Метод доплеровского увеличения частоты используется в мазерах на циклотронном авторезонансе - МЦАР [29,30,3,4,31,32], в которых электроны взаимодействуют с волнами; распространяющимися под малым углом к магнитному полю. В ультрарелятивистском случае частота излучения МЦАР растет пропорционально релятивистской энергии частиц [30], при этом благодаря эффекту авторезонанса [33,34] с ростом релятивизма не происходит резкого снижения КПД [29,30].

Несмотря на некоторые преимущества, мазеры на циклотронном авторезонансе и гиротроны на высоких (третьей и выше) гармониках пока не получили широкого распространения, оставаясь в основном в стадии лабораторных экспериментов. Это связано, прежде всего, с тем, что в большинстве экспериментов [23,27,28,109,35-43] КПД этих приборов был сравнительно низким, существенно ниже значений, предсказываемых теорией, и ниже, чем у традиционных гиротронов на первой циклотронной гармонике (так, МЦАР с близким к теоретическому КПД был реализован в единственном эксперименте [44]). Низкие значения КПД для этих разновидностей МЦР, полученные в эксперименте, вызваны рядом принципиальных факторов. Так, одной из основных причин невысокого КПД гиротронов на высоких циклотронных гармониках является конкуренция со стороны мод резонатора, взаимодействующих с электронным пучком на основном циклотронном резонансе, не позволяющая работать при оптимальных токах. Низкий КПД МЦАР в большинстве экспериментов связан с высокой чувствительностью этого прибора к разбросу электронов в пучке по скоростям, обусловленной большим доплеровским сдвигом частоты в этом приборе [31]. Кроме того, эффективной работе МЦАР также препятствует конкуренция со стороны квазикритических (гиротронных) колебаний, в том числе взаимодействующих с частицами на высоких гармониках (эти препятствия существенны и для других разновидностей МЦР, в которых рабочая волна распространяется под углом к магнитному полю и в которых существенен доплеровский сдвиг частоты - в гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ).

Одним из перспективных методов дискриминации паразитных мод в гиротронах на высоких гармониках, мазерах на циклотронном авторезонансе и некоторых других разновидностях МЦР, является использование тонких приосевых электронных пучков, в которых все частицы вращаются в магнитном поле вокруг общей оси, совпадающей с осью аксиально-симметричной электродинамической системы - волновода или резонатора [25,26,28,41,42,44-50]. Такие пучки в круглом волноводе могут возбуждать только моды с азимутальными индексами, совпадающими с номером циклотронной гармоники, на которой происходит взаимодействие, а направление вращения возбуждаемых мод совпадает с направлением вращения электронов в магнитном поле. Впервые использовать такие пучки для селекции колебаний в МЦР было предложено в [25] для гиротронов на высоких гармониках (так называемые гиротроны с большими орбитами электронов, Large-Orbit Gyrotrons [25,26,28,103,109]). Использование приосевых пучков позволяет существенно проредить спектр конкурирующих колебаний. Приосевые пучки могут быть сформированы раскачкой прямолинейного нитевидного электронного пучка в неадиабатическом поперечном магнитном поле кикера [28,41,42,44] или в поле волны накачки [47-50], а также раскачкой прямолинейного цилиндрического или нитевидного электронного пучка в системе с каспом магнитного поля [26,51]. Хотя основные механизмы взаимодействия таких пучков с ВЧ полем такие же, как и в МЦР с традиционными трубчатыми пучками, формируемыми в магнетронно-инжекторных пушках, в них существенно большее влияние могут иметь эффекты высокочастотного пространственного заряда. Действительно, в таких пучках весь ток сосредоточен в одном ларморовском цилиндре и плотность пространственного заряда в них может быть выше, чем в традиционных гиротронах, где ток распределен по цилиндру с радиусом, существенно большим ларморовского радиуса электронов.

Важно подчеркнуть, что в приосевых электронных пучках, раскачанных кикером, все частицы синхронизованы по фазам циклотронного вращения. На этом факте основана оригинальная идея повышения КПД МЦАР, предложенная в [52] и основанная на возбуждении в пространстве взаимодействия одновременно двух мод - бегущей («авторезонансной») и квазикритической («гиротронной»), взаимодействующих с электронным пучком на одной частоте, но на разных (первой и второй) гармониках. Синфазный электронный пучок обеспечивает эффективную связь этих двух волн. КПД такой системы (МЦАР-гиротрона) существенно превышает КПД МЦАР и составляет 50-70 % в теории и 22 % в первом эксперименте [52].

Для ряда приложений привлекательным является создание мощного СВЧ-генератора с возможностью более широкополосной, чем в гиротроне, перестройки частоты генерации. Такая возможность существует в МЦР-генераторе со встречной рабочей волной - гиро-ЛОВ, однако КПД этого прибора весьма низок как в теории [3,4], так и в экспериментах [53,54], что вызвано неблагоприятной продольной структурой высокочастотного поля, увеличением продольного импульса электронов в процессе излучения встречной волны, а также высокой чувствительностью к разбросу электронов по скоростям. В данной работе особое внимание уделяется новой возможности повышения КПД гиро-ЛОВ за счет использования одновременного взаимодействия электронов как со встречной, так и с попутной волной на той же частоте, но на другой циклотронной гармонике.

Основной целью диссертационной работы является теоретическое • и экспериментальное изучение возможных путей повышения мощности и частоты излучения мазеров на циклотронном резонансе с приосевыми электронными пучками, а также исследование взаимодействия мод и условий устойчивой одночастотной генерации в этих приборах. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены следующие исследования: теоретический анализ конкуренции и дополнительной электродинамической селекции мод в гиротроне на высоких циклотронных гармониках с приосевым электронным пучком; теоретическое и экспериментальное исследование новой разновидности МЦР с одновременной генерацией попутной и встречной волн; экспериментальное изучение МЦР с одновременной генерацией бегущей и квазикритической волн (МЦАР-гиротрона); теоретическое изучение влияния высокочастотного поля пространственного заряда на взаимодействие электронов с волной в МНР с приосевыми электронными пучками.

Научная новизна.

I. Для гиротрона на высоких гармониках исследована конкуренция мод, взаимодействующих с приосевым пучком на разных циклотронных гармониках. Предложены методы дополнительной электродинамической селекции мод в этих приборах.

II. Предложена, теоретически исследована и реализована в эксперименте схема МЦР-генератора с одновременным возбуждением попутной и встречной волн синфазным электронным пучком.

III. Экспериментально исследован МЦАР-гиротрон с открытым резонатором. Получены дополнительные свидетельства в пользу одновременного взаимодействия частиц с двумя волнами и показано, что в такой системе возможно управление структурой выходного излучения на фиксированной частоте.

IV. Предложен метод учета высокочастотных полей пространственного заряда в МЦР с приосевыми электронными пучками и произвольной фазовой скоростью рабочей волны.

Практическая значимость. Полученные в процесс выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы при разработке эффективных МЦР миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.

Использование результатов работы. Результаты проведенных в работе исследований использовались в экспериментах с МЦР, проводимых в ИПФ РАН, а также при выполнении работ по грантам Российского фонда фундаментальных исследований №№ 99-02-16361 и 98-02-17068.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения. Объем диссертации составляет 112 страниц, включая 72 страницы основного текста, 38 рисунков, размещенных на 31 странице, и список литературы, приведенный на 9 страницах и состоящий из 119 наименований.

Основные результаты диссертации, которые одновременно являются положениями, выносимыми на защиту, сводятся к следующему:

1. Теоретически показано, что в гиротроне на высокой циклотронной гармонике в результате конкуренции мод, взаимодействующих с приосевым электронным пучком на разных гармониках, при небольшом превышении стартового тока устанавливается режим стационарной одномодовой генерации рабочей моды.

При большом токе происходит возбуждение паразитных мод, полностью подавляющих рабочую, даже если при отсутствии генерации рабочей моды стартовые условия для паразитных мод не были выполнены. Предложены методы дополнительной электродинамической селекции мод в этом приборе, основанные на использовании резонаторов с азимутальной гофрировкой стенок (продольно однородных и с компенсированной неоднородностью).

2. Разработаны методы учета высокочастотных полей пространственного заряда в МЦР с приосевыми электронными пучками и произвольной фазовой скоростью рабочей волны. В качестве элементарного источника ВЧ поля пространственного заряда используются вращающиеся винтовые нити, состоящие из частиц с одинаковыми фазами относительно волны. Показано, что с уменьшением фазовой скорости волны влияние пространственного заряда падает. Стартовый ток МЦР-генератора с приосевым пучком снижается с ростом пространственного заряда, а КПД падает. В МЦР-усилителе увеличение пространственного заряда приводит к существенному сдвигу полосы усиления.

3. Экспериментально исследована разновидность релятивистского мазера на циклотронном резонансе - МЦАР-гиротрон. На длине волны 8 мм получена мощность излучения 4 МВт при высоком значении КПД 20 %. Экспериментально продемонстрирована необходимость использования в этом приборе электронного пучка, в котором все частицы синхронизованы по начальным фазам циклотронного вращения. При использовании в этом приборе в качестве электродинамической системы открытого гиротронного резонатора продемонстрирована возможность управления поперечной структурой выходного излучения на фиксированной частоте.

4. Предложена, теоретически исследована и реализована экспериментально новая схема МЦР-генератора с одновременным возбуждением попутной и встречной волн синфазным электронным пучком. За счет возбуждения попутной волны КПД такого прибора может быть существенно выше КПД гиро-ЛОВ при сохранении возможности широкополосной перестройки частоты. В эксперименте на частоте 33 ГГц получена мощность излучения 3 МВт при КПД 15 % и ширине полосы генерации 5 % на уровне половинной мощности. icif

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. A.B. Гапонов, М.И. Петелин, В.К. Юлпатов. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике. // Изв. вузов. Радиофизика. -1967. -Т. 10, № 9-10.-С. 1414-1453.

2. V.A. Flyagin, A.V. Gaponov, M.I. Petelin, V.K. Yulpatov. The gyrotron. // ШЕЕ Trans. MTT. -1977. -V. MTT-25, № 6. -P. 514-521.

3. В.Л. Братман, H.C. Гинзбург, Г.С. Нусинович, М.И. Петелин, В.К. Юлпатов. Циклотронные и синхротронные мазеры. // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1979. -Вып. 1. -С. 157-216.

4. V.L. Bratman, N.S. Ginzburg, G.S. Nusinovich, M.I. Petelin, P.S. Strelkov. Relativistic gyrotrons and cyclotron autoresonance masers. // Int. J. Electron. -1981.-Y. 51.-P. 541-567.

5. Applications of High-Power Microwaves. Ed. By A.V. Gaponov-Grekhov and V.L. Granatstein. Norwood, MA: Artech House, 1994.

6. Yu.V. Bykov, A.V. Eremeev, V.E. Semenov. Ceramic sintering using millimeter-wave radiation. // Proc. 2nd Conf. Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, 1993. -V. 1. -P. 414.

7. A.L. Vikharev, A.G. Litvak, et al. Modeling of plasma chemical processes in the artificial ionized layer in the upper atmosphere by the nanosecond corona discharge. // Phys. Lett. -1993. -V. 179. -P. 122-127.

8. I. Ogawa, M. Iwata, T. Idehara, K. Kawahata, H. Iguchi and A. Ejiri. Plasma scattering measurements using a submillimeter wave gyrotron (Gyrotron FU П) as a power source. // Fusion Ingeneering and Design. -1997. -V. 35-35. -P. 455-458,

9. Aripin, S. Mitsudo, T. Shirai, K. Matsuda, T. Kanemaki, T. Idehara and T. Tatsukawa. Submillimeter wave ESR measurement for Cr3+ in ruby crystal using a gyrotron as a radiation source. // Int. J. IR and MM waves. -1999. -V. 20. -P. 1875-1888.

10. R.Q. Twiss. Radiation transfer and the possibility of negative absorbtion in radio astronomy. // Austral.J.Phys. -1958. -V. 11, N 3. -P. 567-579.

11. A.B. Гапонов. Возбуждение линии передачи непрямолинейными электронными потоками // Изв. вузов. Радиофизика. -1959. -Т. 2, № 3. -С. 443-450.

12. А.В. Гапонов. К статье «Взаимодействие непрямолинейных электронных потоков с электромагнитными волнами в линиях передачи.» Письмо в редакцию. // Изв. вузов. Радиофизика. -1959. -Т. 2, № 5. -С. 836-843.

13. R.H. Pantell. Electron beam interaction with fast waves. // Proc. Symp. millimeter waves, Polytechnic Inst, of Brooklyn, N.Y., 1959. -V. 9. -P. 301.

14. J. Schneider. Stimulated emission of radiation by relativistic electrons in a magnetic field. // Phys.Rev.Lett. -1959. -V. 2, N. 12. -P. 504-505.4С5"

15. B.B. Железняков. О неустойчивости магнитоактивной плазмы относительно высокочастотных электромагнитных возмущений. 1. // Изв. вузов. Радиофизика. -1960. -Т. 3, № 1. -С. 57-67.

16. В.В. Железняков. О неустойчивости магнитоактивной плазмы относительно высокочастотных электромагнитных возмущений. П. // Изв. вузов. Радиофизика. -1960. -Т. 3, № 2. -С. 180-192.

17. Гиротрон. Сборник статей под редакцией A.B. Гапонова-Грехова. Горький: ИПФ АН СССР, 1981.

18. G.G. Denisov. Development of 1 MW output power level gyrotrons for fusion systems. // Abstracts IV Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, 1999. -P. SI.

19. M. Thumm, E. Borie, et al. 1.6 MW frequency step-tunable D-band gyrotron. // Abstracts IV Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, 1999. -P. S2.

20. V.E. Zapevalov, A.N. Kuftin, V.K. Lygin, M.A. Moiseev, N.A. Zavolsky. Optimisation of 80-170 GHz/1 MW gyrotrons. // Abstracts IV Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, 1999. -P. S6.

21. V.A. Flyagin, A.G. Luchinin, G.S. Nusinovich. A submillimeter-wave gyrotrons -theory and experiment. // Int. J. Infrared Millimiter Waves. -1983. -V. 4. -P. 629637.

22. И.И. Антаков, B.E. Запевалов, Т.Б. Панкратова, Ш.Е. Цимринг. Гиротроны на гармониках гирочастоты. // Гиротрон. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. С. 192215.

23. D.B. McDermott, N.C. Luhmann, Jr., A. Kupiszewski, and H.R. Jory. Small-signal theory of a large-orbit cyclotron resonance harmonic maser. // Phys. Fluids. -1983. -V. 26.-P. 1936-1941.

24. W. Lawson, W.W. Destler, and C.D. Striffler. High-power microwave generation from a large-orbit gyrotron in vane and hole-and-slot conducting wall geometries. // IEEE Trans.Plasma Sei. -1985. -V. 13. -P. 444-453.

25. S. Spira-Hakkarainen, K.E. Kreischer, R.J. Temkin. Submillimeter-wave harmonic gyrotron experiment. // IEEE Trans.Plasma Sei. -1990. -V. 18. -P. 334-342.