Мощные мазеры на свободных электронах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Песков Николай Юрьевич

МОЩНЫЕ МАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ С ОДНОМЕРНОЙ И ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 С ОлТ 2011

Нижний Новгород 2011

4857648

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Винокуров Николай Александрович;

доктор физико-математ1Гческих наук Запевалов Владимир Евгеньевич;

доктор физико-математических наук, Черепенин Владимир Алексеевич

Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН

(г. Екатеринбург)

Защита состоится « 14 » ноября 2011 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д002.069.02 при Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан «07 »октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук,

профессор

Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Создание мощных импульсных источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения является актуальной задачей электроники больших мощностей. Потребность в таких источниках обусловлена рядом фундаментальных задач и практических приложений, включая физику плазмы и твердого тела, фотохимию, биофизику, исследование свойств и синтез новых материалов, ускорительные приложения и т.д.

В настоящее время наибольшая мощность излучения получена с помощью гиротронов [1], которые при использовании субрелятивистских электронных пучков позволили освоить миллиметровый диапазон на мегаватт-ном уровне мощности [2 - 5] и продвинуться в субмиллиметровый диапазон с мощностью в десятки киловатт [6, 7]. Перспективными источниками импульсного излучения являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [8-11], основанные на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле) релятивистских электронных пучков (РЭП) в условиях доплеровского преобразования частоты и способные, таким образом, обеспечить узкополосное излучение с мультимегаваттным уровнем мощности в диапазонах от терагерцового [12 -16] до субмиллиметрового [17, 18] и миллиметрового [19 - 29].

Для достижения больших импульсных мощностей в микроволновом диапазоне при запитке МСЭ используются сильноточные (~0.1-10кА) магнитонаправляемые РЭП с умеренной энергией частиц (~ 0.5 - 1.5 МэВ) и гигаваттным уровнем мощности. Фокусировка и транспортировка подобных пучков в пространстве взаимодействия осуществляется, как правило, ведущим магнитным полем, наличие которого существенно влияет как на процесс формирования винтовых РЭП, так и на работу МСЭ [30 - 37].

Основными конкурентами МСЭ, также использующими доплеровское преобразование частоты, являются мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) - генераторы, основанные на циклотронном излучении магнитона-правляемых РЭП [38]. Однако, как показали проведенные экспериментальные [39, 23,24,24А] и теоретические [19А] исследования, МСЭ с ведущим магнитным полем обладают меньшей критичностью к разбросу параметров РЭП по сравнению с МЦАР и, таким образом, предпочтительны с точки зрения получения большей эффективности и мощности излучения.

Традиционными электродинамическими системами МСЭ-генераторов в настоящее время стали брэгговские резонаторы в виде отрезков волноводов со слабой однопериодической гофрировкой [21,40]. Данные резонаторы, реализующие одномерную распределенную обратную связь (РОС), как и предшествующие оптические аналоги [41,42], обеспечивают связь двух встречно-распространяющихся волн, обладающих значительной групповой скоростью. Однако во всех проведенных экспериментах [21,26 -28] попе-

речные размеры «традиционных» брэгговских резонаторов составляли не более нескольких (1-2) длин волн излучения, а генерируемая мощность не превышала десятков мегаватт. Дальнейшее увеличение поперечных размеров таких электродинамических систем ведет к потере их селективности.

Одним из возможных путей увеличения мощности выходного излучения МСЭ при сохранении ее средней плотности может быть развитие пространства взаимодействия вдоль одной из поперечных координат и использование сильноточных РЭП ленточной и трубчатой конфигурации. В настоящий момент реализованы подобные пучки с характерными поперечными размерами до 102 см и запасом энергии ~ 102 - 103 кДж [43,44]. В микроволновом диапазоне ширина этих пучков на несколько порядков превосходит длину волны, и при создании генераторов на их основе на первый план выступает проблема обеспечения режима одномодовой генерации в условии существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.

В электронике СВЧ накоплен достаточно большой опыт эффективного решения проблемы электродинамической и электронной селекции мод [45 -50]. Одним из наиболее успешных решений явилось использование квазиоптических резонаторов в виде отрезков слабонерегулярных волноводов, в которых электронный поток возбуждает моды на квазикритических частотах. Такой метод селекции широко применяется в гиротронах [1] и оротро-нах [50] и позволяет использовать в этих приборах существенно сверхразмерные электродинамические системы, составляющие до 20 - 30 длин волн [2 - 5]. Однако в МСЭ, работающих на волнах, распространяющихся вдоль электронного потока и имеющих большую групповую скорость, эти методы селекции не применимы.

Для эффективной селекции мод в МСЭ с поперечно-развитым пространством взаимодействия Н.С.Гинзбургом и др. было предложено использование двумерной распределенной обратной связи [4А, 5А], реализуемой с помощью так называемых «двумерных» брэгговских резонаторов. Эти резонаторы представляют собой отрезки планарных или коаксиальных волноводов с двоякопериодической гофрировкой, связывающей четыре парциальные волны, две из которых распространяются вдоль поступательного движения электронов и во встречном направлении (подобно традиционным брэгговским резонаторам [21,40 - 42]), а две другие - в поперечном (азимутальном) направлении. Включение в цепь обратной связи поперечно-распространяющихся волновых потоков позволяет обеспечить эффективную селекцию мод по поперечному (азимутальному) индексу (по «широкой» поперечной координате) и когерентность излучения пространственно-развитых РЭП ленточной или трубчатой геометрии.

В то же время, задача укорочения длины волны излучения требует развития пространства взаимодействия и по второй («узкой») поперечной координате. Данная проблема может быть решена на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь квазикритических и

распространяющихся мод [53А]. Таким образом, комбинация механизмов селекции в различных модификациях брэгговских структур позволяет обеспечить развитие системы по обеим поперечным координатам и реализовать в перспективе на базе существующих пучков узкополосные генераторы микроволнового излучения с гигаваггным уровнем мощности.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование МСЭ с одномерной и двумерной распределенной обратной связью на основе сильноточных магнитонаправляемых РЭП, поиск путей увеличения их мощности, повышения КПД и обеспечения устойчивости режима узкополосной одномодовой генерации в условиях существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.

Научная новизна

1. Построена нелинейная теория МСЭ с ведущим магнитным полем, основанная на использовании усредненного описания движения частиц. Исследованы особенности формирования винтовых РЭП и их энергообмена при различных соотношениях между гиро- и баунс-частотами. Найдены оптимальные режимы работы МСЭ-генераторов, продемонстрирована возможность увеличения их эффективности.

2. Теоретически и экспериментально исследованы условия реализации одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов. При умеренной сверхразмерности (1-2 длины волны) показана эффективность использования брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки с точки зрения повышения КПД и устойчивости одномодового режима генерации.

3. Продемонстрирована возможность работы брэгговского МСЭ-генератора на высокодобротную резонансную нагрузку. На основе 30-ГГц МСЭ реализован стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных ВЧ-импульсов.

4. Проведен анализ электродинамических свойств и «холодное» тестирование новых типов брэгговских резонаторов, в том числе, двумерных брэгговских резонаторов и модифицированных резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показаны их преимущества перед традиционными аналогами с точки зрения поддержания селективности в условиях существенной свехразмерности пространства взаимодействия.

5. Исследована возможность использования двумерной РОС для получения мощного пространственно-когерентного излучения в генераторах, запитываемых широкими (в масштабе длины волны) ленточными и трубчатыми РЭП. Развита концепция сверхмощных МСЭ-генераторов с двумерной РОС на основе подобных пучков.

6. В миллиметровом диапазоне длин волн реализованы новые схемы МСЭ с одномерной и двумерной РОС.

Практическая значимость диссертационной работы

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию МСЭ с рекордными параметрами излучения. Данные генераторы могут быть использованы в ряде фундаментальных и инженерных приложений. На основе реализованного ОИЯИ-ИПФ МСЭ разработан стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных микроволновых импульсов.

Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть также использованы при разработке других мощных узкополосных электронных мазеров, а также при создании высокоселективных электродинамических систем мм и суб-мм диапазонов.

Положения, выносимые на защиту

1. В МСЭ-генераторах на основе интенсивных магнитонаправляемых релятивистских электронных пучков, обладающих значительным разбросом параметров, оптимальными с точки зрения получения высокого электронного КПД являются режимы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля.

2. В МСЭ с двухзеркальными резонаторами на основе традиционных брэгтовских зеркал, в которых имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн (МСЭ с одномерной распределенной обратной связью), одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции мод и при изменении параметров пучка носит муль-тистабильный характер. Использование брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки позволяет при поперечной свехразмерности пространства взаимодействия 1 - 2 длины волны обеспечить устойчивый режим одномо-довой генерации с КПД до 20 - 30%.

3. В качестве электродинамических систем мощных МСЭ-генераторов, работающих в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах, могут быть использованы модифицированные брэгговские резонаторы, основанные на связи бегущих и квазикритических волн. Наличие в цепи обратной связи квазикритических волн позволяет улучшить селективные характеристики по сравнению с традиционными аналогами и обеспечить режим стабильной одномодовой генерации в МСЭ при сверхразмерности пространства взаимодействия до 10 длин волн, достаточной для транспортировки интенсивных релятивистских пучков.

4. При использовании двумерных брэгговских резонаторов планарной и коаксиальной геометрии с неглубокой двоякопериодической гофрировкой поверхности могут быть реализованы мощные МСЭ-генераторы с двумерной распределенной обратной связью. Возникающие в такой системе поперечные (по отношению к направлению распространения электронного пучка) волновые потоки позволяют синхронизовать излучение релятивистских

электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии с поперечными размерами, достигающими 102 - 103 длин волн.

5. Экспериментально показано, что комбинация методов селекции и управления волновыми потоками, реализуемых в одномерных и двумерных брэгговских структурах, позволяет обеспечить узкополосную одномодовую генерацию в МСЭ на основе интенсивных релятивистских электронных пучков и реализовать когерентные источники микроволнового излучения мультимегаваттного уровня мощности.

Публикации и апробация результатов

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1А - 80А], среди которых 40 статей в зарубежных реферируемых журналах и 40 статей в отечественных журналах, рекомендованных ВАК. Материалы диссертации докладывались автором на V и VII Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький 1987; Томск 1991), VIII Всесоюзном и IX Международном симпозиумах по сильноточной электронике (Свердловск 1990, Екатеринбург-Москва 1992), Всесоюзном семинаре «Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа» (Ленинград 1990), Всесоюзной школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Москва 1991), Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1991, 2002, 2004), Всесоюзных школах-семинарах По электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992, 1994), Всероссийских семинарах по физике микроволн (Н.Новгород 1996, 1999) и физике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н.Новгород 2005, 2007,2009), II Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск 1995), 12, 17 и 18 Российско-германских семинарах по гиротронам и электронно-Циклотронному нагреву плазмы (Н.Новгород 2000, 2006, Графсвальд, Германия 2005), 23 и 24 Международных конференциях по физике плазмы (Великобритания, Крифф 1996, Лиидз 1997), XXV и XXVI Генеральных ассамблеях Международного радиофизического общества (Франция, Лилль 1996, Канада, Торонто 1999), II-VII Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме» (Н.Новгород 1993, 1996, 1999, 2002, 2005, 2008), X, XI, XV и XVI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996, Санкт-Петербург, 2004, Великобритания, Оксфорд 2006), 31, 32 и 35 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым воЛйам (Китай, Шанхай 2006, Великобритания, Кардифф 2007, Рим, Италия 2010), Международной конференции по Терагерцовому излучению (Новосибирск 2010), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН, ОИЯИ, Стратклайдского университета (Великобритания), Исследовательского центра Карлсруе (Германия) и др.

Материалы диссертации частично вошли в цикл работ «Разработка высокоэффективного узкополосного МСЭ-генератора для линейных элек-

трон-позитронных коллайдеров» (совместно с А.К.Каминским, С.Н.Седых и др.), удостоенный премии ОИЯИ в 1998 г., и «Теоретическое и экспериментальное исследование мощных мазеров на свободных электронах» (совместно с А.В.Савиловым и С.В.Самсоновым), удостоенный Медали РАН с премией для молодых ученых в 2000 г.

Личный вклад автора

В работах [1А, 2А] развит подход к нелинейной теории МСЭ с ведущим магнитным полем, основанный на усредненном описании движения частиц. Исследованы особенности энергообмена интенсивных магнитонаправляе-мых РЭП в МСЭ, показаны механизмы увеличения их эффективности. Объяснен высокий КПД, реализованный в МСЭ с обратным ведущим полем [16А], и продемонстрированы их преимущества перед МЦАР [19А].

На основе пространственно-временного подхода, развитого Н.С.Гинзбургом и А.С.Сергеевым, соискателем проведено моделирование МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, определены условия установления одномодовых и многомодовых режимов генерации [17А]. Продемонстрирована возможность достижения высокого КПД при использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки [24А, 32А]. Разработаны электродинамические системы МСЭ, реализованного на основе ускорителя ЛИУ-3000 (ОИЯИ). Экспериментальные исследования этого генератора ведутся совместно с А.К.Каминским, С.Н.Седых и др. в ОИЯИ. В последние годы автор принимал ключевое участие в создании стенда для исследования свойств материалов на основе данного МСЭ [73А, 78А].

Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских структур, основанных на связи бегущих и квазикритических волн [53А, 56А], показаны их высокие селективные свойства вплоть до суб-мм диапазона [69А, 77А]. Для демонстрации работоспособности новой схемы МСЭ проведены моделирующие эксперименты в 8-мм диапазоне с упомянутыми выше соавторами [76А].

Идея использования двумерной распределенной обратной связи предложена Н.С.Гинзбургом при участии А.С.Сергеева и соискателя [4А - 6А]. Последнему принадлежит построение электродинамический теории двумерных брэгговских резонаторов и исследование их характеристик в «холодных» тестах [30А, 33А], в частности, демонстрация существования основной моды в центре брэгговской полосы [61 А, 64А]. При непосредственном участии соискателя проведено моделирование различных схем МСЭ с двумерной РОС [23А, 34А, 41А, 75А].

Эксперименты по созданию мощных МСЭ с двумерной РОС проводятся на крупномасштабных стендах, и как следствие, экспериментальные работы [29А, 62А, 63А, 72А] написаны в большом коллективе соавторов. В исследованиях планарной схемы МСЭ, которые выполняются в ИЯФ СО РАН совместно с А.В.Аржанниковым, С.Л.Синицким и др., автор проводил рас-

четы электронно-волнового взаимодействия, разработку и оптимизацию электродинамических систем, а также принимал непосредственное участие в обработке, интерпретации и обсуждении экспериментальных результатов. Создание специализированного стенда для исследования коаксиальной схемы МСЭ с двумерной РОС проводилось в Страклайдском университете при участии ИПФ РАН, в проектировании и расчете всех его ключевых компонентов соискатель выступал как основной исполнитель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 307 страниц, включая 2 таблицы и 183 рисунка, списки цитированной литературы (166 наименований) и авторских публикаций (123 наименования), размещенные на 21 странице.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы. Кратко, по главам, изложено содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию МСЭ с одномерной РОС. В п. 1.1 рассмотрен процесс формирования винтовых РЭП в винтовом ондуляторном и однородном ведущем магнитных полях и исследованы особенности вынужденного он-дуляторного излучения магнитонаправляемых РЭП при различном соотношении между баунс- (£2Ь) и циклотронной (сон) частотами колебаний частиц. Показано, что при адиабатически плавном пространственном включении ондуляторного поля высокое качество формирования винтовых РЭП может быть обеспечено в режимах, удаленных от циклотронного резонанса, в том числе, в режиме «обратного» ведущего поля [23,24] (в этом режиме направление вращения электронов в поле винтового ондулятора и в ведущем поле противоположны друг другу).

Получены усредненные уравнения, описывающие движение частиц в МСЭ-генераторах в условиях ондуляторного и, так называемых, комбинационных синхронизмов электронов с электромагнитным полем. Показано, что наличие фокусирующего продольного магнитного поля оказывает существенное влияние на процесс электронно-волнового взаимодействия и приводит к большому разнообразию режимов работы МСЭ. При ондуляторном синхронизме наиболее интересными в практическом плане представляются области параметров, далекие от циклотронного резонанса, в том числе, область обратного ведущего поля. Моделирование показывает малую чувствительность таких режимов к начальному разбросу параметров частиц и возможность достижения высокого среднего КПД в МСЭ даже при использовании пучков с достаточно большим разбросом (рис.1). В области циклотронного резонанса при юн < особенностью энергообмена

является увеличение поперечной скорости у тормозящихся частиц, приводящее к высаживанию пучка на стенку электродинамической системы. Электронный КПД становится весьма критичен к расстройке синхронизма, а для эффективной работы МСЭ требуются пучки с малым разбросом параметров. В области о)ц > <3Ь увеличение эффективности может быть достигнуто при использовании зависимости «эффективной массы» электронов-осцилляторов от их энергии. Однако" рассмотренный режим представляет наибольший практический интерес при больших энергиях частиц (у > 5), когда рабочая область параметров лежит далеко от области циклотронного резонанса, что необходимо для качественного формирования РЭП в секции раскачки.

Излучение на комбинационных синхронизмах сопровождается раскачкой осцилляций электронов около равновесной траектории. Для таких синхронизмов прослежена аналогия с МЦР, работающими в области аномального и нормального эффекта Доплера. Показано, что в МСЭ с обратным ведущим полем излучение в режиме комбинационных синхронизмов может быть существенно более высокочастотным по сравнению с «традиционным» ондуляторным излучением при сохранении параметров пучка и геометрии электронно-оптической системы. Таким образом, работа МСЭ в данных режимах представляется перспективной для продвижения в коротковолновые диапазоны.

П. 1.2 посвящен исследованию динамики МСЭ с одномерной РОС. Данный механизм обратной связи формируется двумя встречно-распростра-няющимися волнами и А_еи"*'>'11, испытывающими взаимное

рассеяние на одномерной гофрировке в условиях брэгговского резонанса

А.+Л.-й (1)

(А =2ц1<1, <1 - период гофрировки). В рамках пространственно-временного подхода проведено моделирование процесса установления автоколебаний в брэгговских резонаторах различных типов, найдены условия реализации режима одномодовой одночастотной генерации. Показано, что в МСЭ с двухзеркальными брэгговскими резонаторами (используемыми в предшествующих экспериментальных реализациях МСЭ [21,26-28]) при оптималь-

Рие. 1. Зависимость электронного КПД от величины начального скоростного разброса в МСЭ с обратным (а) и прямым (б) ведущим полем при параметрах, близких к условиям экспериментов на ускорителе ЛИУ-3000, а также МЦАР того же частотного диапазона и с одинаковыми параметрами РЭП (в)

ных условиях указанный режим устанавливается на финальной стадии эволюции в результате нелинейной конкуренции нескольких продольных мод резонатора, попадающих в полосу усиления электронного потока и возбуждаемых им на начальной (линейной) стадии. Превышение рабочего тока над стартовым (или увеличение коэффициентов отражения брэгговских зеркал) приводит к реализации автомодуляционных режимов генерации и снижению электронного КПД.

Особенностью предложенного в [40] брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки является существование моды в центре полосы брэгговского резонанса, добротность которой существенно превосходит добротности остальных мод. В условиях умеренной сверхразмерности (диаметр резонатора составляет 2 - 3 длины волны) в резонаторе данного типа может быть обеспечено селективное возбуждение основной моды уже на начальной стадии эволюции, что увеличивает устойчивость одномодовой генерации в МСЭ при нестабильных параметрах РЭП. Найдена оптимальная геометрия резонатора и продемонстрирована возможность достижения высокого (до 30 - 40%) электронного КПД в МСЭ на его основе.

В МСЭ с односекционными брэгговскими резонаторами, спектр которых характеризуется наличием двух основных мод с достаточно разнесенными частотами и близкими добротностями, увеличение эффективности может быть достигнуто в режиме так называемой «стартовой моды». В указанном режиме возбуждение на начальном этапе высокочастотной («стартовой») моды служит источником начального сигнала и обеспечивает последующее жесткое возбуждение низкочастотной рабочей моды с высоким КПД.

Результаты экспериментальных исследований МСЭ с одномерной РОС, которые проводятся в сотрудничестве ИПФ РАН и ОИЯИ (г. Дубна), описаны в п. 1.3. Генератор запитывался линейным индукционным ускорителем ЛИУ-3000 (ОИЯИ), формирующим тонкий приосевой РЭП 0.8 МэВ / 200 А / 250 не с частотой повторения до 1 Гц. Электронно-оптическая система МСЭ представляла собой винтовой ондулятор с периодом 6 см и областью плавного включения, помещенный во внешнее ведущее поле соленоида. Брэгговский резонатор обеспечивал рабочий цикл обратной связи в районе частоты 30 ГГц для синхронной волны ТЕ,,, и встречной волны ТМ,,,.

В соответствии с результатами теоретического анализа максимальный КПД МСЭ получен в режимах с «обратной» ориентацией ведущего поля. Ондуляторное и ведущее поля составляли около 1 кЭ и -2 кЭ соответственно. В случае слабого «прямого» поля наблюдалось существенное снижение электронного КПД, а процесс высокочастотного взаимодействия сопровождался уменьшением токопрохождения пучка. Следует отметить, что условия экспериментов не позволяли работать в области ведущих магнитных полей, существенно превышающих циклотронный резонанс.

В начальных экспериментальных реализациях МСЭ использовались двухзеркальные брэгговские резонаторы. В резонаторах данного типа при оптимальной добротности (С> ~ 500, длина резонатора ~ 50 см) наблюдались одномодовые режимы генерации с эффективностью на уровне 15-20%. Увеличение длины и добротности резонатора <3 > 1200 - 1500 приводило к реализации многомодовых режимов генерации и сопровождалось снижением КПД до 5 -10%. Модовый состав излучения исследовался с помощью осциллографа с высоким временным разрешением: в многомодовых режимах генерации наблюдалась низкочастотная модуляция в сигнале с детектора, которая соответствовала биению различных продольных мод, а отсутствие подобной модуляции указывало на реализацию одномодового режима. Однако, согласно проведенному моделированию, последний мог устанавливаться на различных продольных модах двухзеркального резонатора и являлся мультистабильным при изменении параметров РЭП.

Для увеличения стабильности излучения по отношению к изменениям параметров пучка и электронно-оптической системы в последующих экспериментах был впервые использован брэгговский резонатор со скачком фазы гофрировки. При оптимальной добротности (<3 ~ 1000 - 1500) и относительно коротких длинах секций (/, = 26 - 30 см, /2 = 13 - 15 см) устойчивое возбуждение основной моды резонатора наблюдалось в широкой полосе изменения ондуляторного и ведущего полей. Указанное соотношение длин рефлекторов позволило реализовать практически полный вывод излучения в коллекторном направлении. При длительности импульсов излучения 50 -100 не получена максимальная мощность до 30 - 40 МВт, соответствующая электронному КПД на уровне 30%. Данная эффективность является рекордной для МСЭ-генераторов миллиметрового диапазона [21,26 -28] и, важно подчеркнуть, получена при использовании полного тока ускорителя. Максимальный энергозапас до 4 Дж получен в импульсах длительностью до 200 не при мощности излучения ~ 20 МВт (рис. 2). Ширина спектра излучения при этом составляла около 6-7 МГц, что близко к теоретическому пределу для импульсов данной длительности. Стабильность параметров излучения МСЭ продемонстрирована в статистике ~ 105 импульсов.

При использовании резонаторов с относительно глубокой гофрировкой был экспериментально обнаружен эффект расщепления рабочей моды. В цепи обратной связи, основанной на волноводных модах с различной

Рис. 2. Типичные осциллограммы (1) ВЧ-импульса, (2) гетеродинированного сигнала и (3) его частотного спектра в ОИЯИ-ИПФ МСЭ

поперечной структурой, данный эффект имеет место вследствие взаимного нерезонансного рассеяния этих волн на гофрировке и, таким образом, усиливается при сближении в частотной области соседних зон брэгговского рассеяния (т.е. увеличении сверхразмерности) и увеличении связи волн на гофрировке (т.е. увеличении глубины гофрировки). Показано, что указанный эффект приводит к ухудшению селективных свойств резонатора и уширению спектра генерации МСЭ, а также к смене одномодового одно-частотного режима генерации более сложными режимами, что в конечном итоге ведет к ухудшению стабильности работы генератора и затрудняет его использование в рамках приложений, обсуждаемых далее в п. 1.4. Для подавления расщепления рабочей моды при умеренной сверхразмерности исследованы резонаторы с профилированными параметрами гофрировки. В то же время, согласно проведенному моделированию, реализованные двухчас-тотные режимы позволяют кардинально (вплоть до 4 раз) увеличить мощность ВЧ-импульсов путем их пассивной компрессии.

Исследована возможность механической подстройки частоты генерации МСЭ. Показано, что в резонаторе со скачком фазы гофрировки при изменении величины скачка фазы от 0 до 2я резонатор сохраняет свои селективные свойства, и при оптимальной геометрии одномодовый режим генерации реализуется в достаточно широкой частотной полосе с высоким уровнем КПД. В результате экспериментов достигнута перестройка частоты в диапазоне 6% при ширине спектра не более 0.1%.

Исследована группировка частиц в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, проведены оценки возможности создания на его основе группирователя для двухпучковых ускорителей.

Достигнутый уровень мощности и стабильности режима одномодовой генерации позволил реализовать на базе ОИЯИ-ИПФ МСЭ экспериментальный стенд для тестирования свойств материалов под воздействием мощного микроволнового излучения (п. 1.4). Данная информация необходима для создания ускорителей нового поколения, которое осуществляется в настоящее время в проектах CLIC (ЦЕРН) и SLAC.

В рамках пространственно-временного подхода проведено моделирование работы МСЭ на высокодобротную резонансную нагрузку. Показано, что при точной настройке тестового резонатора на частоту генерации МСЭ при достаточно большом расстоянии до нагрузки (~ 1.5 - 2 м) и наличии определенных потерь в передающем тракте 10 - 15%) происходит просветление нагрузки и установление режима стационарной генерации в МСЭ с эффективной передачей энергии в нагрузку (рис. 3). При отстройке частоты резонатора от частоты генерации МСЭ имеет место увеличение отражений от тестового резонатора, которые оказывают существенное влияние на процесс генерации МСЭ вплоть до срыва автоколебаний, а проникающая в тестовый резонатор ВЧ-энергия стремится к нулю.

время (не) время (не)

Рис. 3. Моделирование работы МСЭ на согласованную по частоте резонансную нагрузку: зависимость от времени электронного КПД (1), амплитуды волны на выходе МСЭ (2), а также отраженной (3) и прошедшей через нагрузку (4) волн

Проведенные эксперименты подтвердили возможность работы МСЭ на высокодобротную резонансную нагрузку (рис. 4). Разработан тестовый резонатор, моделирующий температурный режим ускоряющей структуры CLIC. Проведены эксперименты по исследованию тепловой усталости меди при многократном воздействии импульсов МСЭ. Прослежена динамика разрушения поверхности при различных температурах нагрева в зависимости от числа ВЧ-импульсов. Показано, что в результате 6-Ю4 циклов нагрева поверхности меди на 220 - 250°С за импульс возникает ее существенная деградация, сопровождающаяся развитием ВЧ-пробоев.

В п. 1.5 обсуждается возможность продвижения брэгговских МСЭ в коротковолновую часть мм и суб-мм диапазоны. В качестве электродинамической системы, способной обеспечить в указанных диапазонах селективное возбуждение рабочей моды, предложено использование модифицированных брэгговских резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Подобно гиро-тронам [1], вовлечение в цепь обратной связи критической моды позволяет значительно разрядить спектр высокодобротных мод резонатора, поскольку частотный интервал между критическими модами при большой сверхразмерности значительно превышает интервал между модами, формируемыми связью на брэггов-ской структуре параксиальных волн. Показано, что модифицированные брэгговские структуры сохраняют свои селективные свойства вплоть до поперечных размеров системы, составляющих 10-20 длин волн, что

Г'"

L... •)/; г : /t'*t"'i )/V СО НС

: : l(2)f' •А-i'l <• V

î ! : Lt3>\

*" : ' '""г " ! I

Рис. 4. Демонстрация работы МСЭ на высокодобротную нагрузку: луч «1» - ток пучка МСЭ (60 А/дел), «2» -ВЧ-импульс на выходе МСЭ (5 МВт/дел), «3» - ВЧ-импульс, отраженный от тестового резонатора и «4» - ВЧ-импульс, прошедший через тестовый резонатор (0.5 МВт/дел)

при использовании интенсивных РЭП представляется достаточным для работы в коротковолновых диапазонах, вплоть до терагерцового.

С точки зрения увеличения эффективности электронно-волнового взаимодействия оптимальной является двухзеркальная схема (рис. 5). В данной схеме модифицированное брэгговское зеркало на входе пространства взаимодействия обеспечивает отражение встречных бегущих волн Л+е,м~1''~ и А_е'ш1+'>а через возбуждение квазикритической волны В(Р)е"'" в условиях брэгговского резонанса (ср. с (1)):

А « А . (2)

Усиление синхронной волны в основном имеет место в регулярной части резонатора, а небольших ее отражений от традиционного брэгговского зеркала на выходе системы достаточно для самовозбуждения автоколебаний в системе. Согласно проведенному моделированию, секционирование пространства взаимодействия позволяет обеспечить относительно невысокий уровень амплитуды квазикритической моды и контролировать омические потери, связанные с возбуждением этой моды, на уровне до 5 -10%. При этом при оптимальном выборе параметров частота генерации в данной схеме МСЭ оказывается близка к частоте отсечки квазикритической волны, возбуждающейся в модифицированной брэгговской структуре.

Работоспособность новой схемы организации обратной связи продемонстрирована экспериментально в МСЭ 8-мм диапазона на базе ускорителя ЛИУ-3000. Реализован генератор с гибридным резонатором, состоящим из входного узкополосного (измеренная ширина полосы отражения ~ 150 МГц) модифицированного брэгговского зеркала, обеспечивавшего отражение рабочей волны ТЕи в волну того же типа через возбуждение квазикритической волны ТЕи, и выходного традиционного широкополосного (~ 1.5 ГГц) брэгговского зеркала, связывающего встречные волны ТЕ, [ типа, с относительно небольшим коэффициентом отражения.

Рис. 5. (а) Схема комбинированного резонатора, составленного из модифицированного и традиционного брэгговских зеркал. Стрелками показаны потоки энергии бегущих (А±) и квазикритической (В) парциальных волн. Справа приведены дисперсионные диаграммы, иллюстрирующие связь парциальных волн в традиционной (б) и модифицированной (в) брэгговских структурах

Рис. 6. Схема двумерного брэгговского резонатора (а) планарной и (б) коаксиальной геометрии. Показан электронный пучок, движущийся в г-направлении

В расчетной области параметров получена мощность излучения на уровне ~ 15 МВт. Важно, что при изменении амплитуды ондуляторного поля возбуждение основной (рабочей) моды резонатора наблюдалось во всей полосе самовозбуждения генератора, что демонстрирует стабильность рабочего режима генерации к изменению параметров пучка.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию МСЭ брэгговскими резонаторами планарной геометрии, реализующими двумерную РОС (рис. 6).

В п. 2.1 рассмотрены модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волновых потоков на планарной двумерной брэгговской структуре в рамках геометрооптического приближения. Двумерный цикл обратной связи формируется четырьмя парциальными волновыми потоками, распространяющимися в направлении электронного пучка (А+е"а~'/'''2) и навстречу ему (А_еш+'1'а1), а также в перпендикулярных направлениях (В±е""1тЛь'). При этом условие «двумерного» брэгговского резонанса имеет вид

К ~ Кг > К ~ К* ■> (3)

/?± - вектора решетки (рис. 7). Проведено сравнение различных профилей

гофрировки. Показано, что идеальной для реализации двумерной РОС является двумерная синусоидальная гофрировка, которая, однако, сложна с технологической точки зрения. В то же время, эта гофрировка хорошо аппроксимируется так называемой «шахматной» гофрировкой, более простой в практической реализации. Примесь «одномерных» гармоник, которая имеет место, в частности, в гофрировке из перпендикулярных канавок, ведет к появлению дополнительных зон брэгговского рассеяния и ухудшению селективности резонатора.

Рис. 7. Диаграмма, иллюстрирующая процесс рассеяния парциальных волн на двумерной брэгговской решетке

В п.2.2 проведен анализ электродинамических характеристик планарно-го «двумерного» брэгговского резонатора. Механизм формирования высокодобротных мод резонатора исследован на основе анализа дисперсионных зависимостей для нормальных волн в безграничной двумерной брэгговской структуре. Показано, что особенностью двумерных структур является наличие решения (поверхности), проходящего через центр брэгговской полосы. В результате, наиболее высокодобротные моды брэгговского резонатора оказываются расположенными в окрестности брэгговской частоты. Формирование высокодобротных мод в центре брэгговской полосы в отсутствие дефектов периодичности является принципиальным отличием двумерных брэгговских структур от одномерных аналогов [21, 40 -42], а также от фотонных структур [51, 52].

Спектр собственных мод резонатора найден в приближении безотражательных граничных условий для двумерных гофрировок различных типов. Показано, что высокая селективность двумерных резонаторов обеспечена как в продольном (как в «одномерных» аналогах), так и в поперечном направлении. В случае «идеальной» двумерной гофрировки спектр мод является симметричным, основная мода резонатора расположена на частоте точного брэгговского резонанса и вдвое превосходит по добротности остальные моды.

Проведено моделирование процесса возбуждения резонатора падающим на его границу волновым пучком (рис. 8), исследованы частотные зависимости интегральных коэффициентов отражения, прохождения и поперечного рассеяния при различных профилях гофрировки. Показано, что при падении симметричного волнового пучка (нормальное падение плоской волны) наблюдается полоса непрозрачности, а падение антисимметричного волнового

и . ,|||| . ,|,]| 1. '"1 .

Ыкг

5 г \ 1, \

(а)

(б)

А.

(В)

/(ГГц)

57 59 61 63 Рис. 8. Спектр мод двумерного брэгговского резонатора (а) и частотные зависимости интегральных коэффициентов прохождения Т и поперечного рассеяния 5 при падении на его границу симметричного (кривые черного цвета) и антисимметричного (кривые серого цвета) волнового пучка: (б) найденные в рамках геометрооптического приближения и (в) трехмерного моделирования

пучка (наиболее простой реализацией которого в условиях эксперимента является наклонное падение плоской волны) характеризуется просветлением структуры в окрестности частоты точного брэгговского резонанса, связанным с возбуждением наиболее высокодобротных мод резонатора.

Экспериментальное исследование электродинамических свойств двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии (п.2.3) проводилось при параметре Френеля 1Х2/М2~ 50 на панорамных источниках в диапазонах 60 и 75 ГГц. Возбуждение резонатора осуществлялось широким волновым пучком с плоским фазовым фронтом, который формировался в планарной квазиоптической передающей линии. Измеренные частотные зависимости коэффициентов рассеяния, резонансные частоты и добротности мод (рис. 9) для гофрировок различной формы находятся в хорошем соответствии с результатами теоретического анализа и моделирования на основе трехмерных электродинамических кодов. Подтверждено качественное отличие поведения коэффициентов прохождения в окрестности брэгговской частоты в случае нормального и наклонного падения внешней волны. В последнем случае продемонстрировано возбуждение высокодобротных мод в центре брэгговской полосы. Таким образом, показана работоспособность двумерных брэгговских резонаторов при больших параметрах Френеля, а также адекватность геометрооптического приближения для описания основных электродинамических характеристик этих структур и возможность его использования для моделирования процессов генерации при возбуждении данных резонаторов электронными потоками в планарных МСЭ с двумерной РОС, описанию которых посвящен п. 2.4.

Динамика установления одномодовых и многомодовых режимов генерации исследована в планарных МСЭ с двумерными брэгговскими резонаторами различных типов. Показано, что в МСЭ с односекционным двумерным резонатором (п. 2.4а) при оптимальных параметрах процесс одномодо-вой пространственно-когерентной генерации может быть реализован до поперечных размеров системы, достигающих 102- 103 длин волн. При этом структура электромагнитного поля в стационарном режиме генерации близка к структуре основной моды «холодного» резонатора. Эта мода имеет благоприятное, не зависящее от поперечной координаты пространственное распределение синхронной электронному потоку парциальной волны, что обеспечивает одинаковые условия энергообмена для

Рис. 9. Результаты «холодных» измерений двумерного брэгговского резонатора планарной геометрии при падении (а) симметричного и (б) антисимметричного волнового пучка

всех его фракций и, таким образом, высокий электронный КПД. Продемонстрировано, что присущая данной системе автомодельность a2lx = const позволяет при фиксированном продольном размере системы /. = const увеличивать ширину пространства взаимодействия 1Х за счет снижения величины коэффициента связи волн а.

Недостатком односекционного резонатора с точки зрения практической реализации является необходимость вывода больших поперечных потоков энергии через магнитную систему МСЭ. Секционирование пространства взаимодействия и использование комбинированного резонатора, состоящего из двумерного (входного) и одномерного (выходного) брэгговских зеркал, позволяет уменьшить интегральные поперечные волновые потоки и обеспечить вывод большей части мощности, излученной электронным потоком, в продольном направлении. При параметрах, близких к условиям экспериментов на ускорителе «ЭЛМИ» (ИЯФ СО РАН), в планарном МСЭ с комбинированным брэгговским резонатором исследована устойчивость одномодового режима генерации по отношению к изменению параметров сильноточных РЭП (п.2.4б). Моделирование показывает, что в МСЭ с открытым в поперечном направлении резонатором при фиксированном параметре расстройки синхронизма (фиксированных параметрах пучка и электронно-оптической системы) стационарный одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции на одной из «продольных» мод, расположенных внутри эффективной полосы отражения брэгговских структур и различающихся числом продольных вариаций поля. В то же время, при изменении расстройки синхронизма возможен перескок частоты генерации между различными модами резонатора, что свидетельствует о ее неустойчивости по отношению к параметрам РЭП. Закрытая в поперечном направлении система МСЭ характеризуется еще большей нестабильностью, т.к. здесь биения и перескоки частоты имеют место между более удаленными друг от друга в частотной области «поперечными» модами (формируемыми запертыми между боковыми стенками резонатора поперечными волновыми потоками и связанными с ними на брэгговской структуре с продольно-распространяющимися потоками).

Наиболее устойчивый режим одномодовой генерации реализуется в резонаторе, в котором поперечные потоки электромагнитной энергии в двумерном брэгговском зеркале замкнуты с помощью дополнительного волновода связи. Согласно результатам моделирования, в данной системе возможно установление режима стационарной одночастотной генерации, даже когда параметры РЭП изменяются в достаточно широких пределах.

В п.2.4(в) исследована возможность использования двумерной РОС в системах, развитых по трем пространственным координатам и представляющих собой многослойную структуру. Практическая реализация такой схемы представляет собой многопучковый генератор, состоящий из нескольких планарных секций (модулей), каждая из которых запитывается

ленточным РЭП и работает на основе двумерной РОС. Показано, что синхронизация фазы колебаний в подобном генераторе может быть осуществлена путем связи различных модулей через возникающие в них поперечные потоки электромагнитной энергии. При этом количество синхронизованных МСЭ-модулей может достигать 10 и более.

На основе проведенного моделирования оценена возможность создания в миллиметровом диапазоне длин волн узкополосных МСЭ с двумерной РОС гигаваттного уровня мощности на основе микросекундных ленточных РЭП, формируемых ускорителем У-2 и многопучковой системой ускорителя У-3 («ЭЛМИ») (ИЯФ СО РАН).

Результаты экспериментального исследования планарной схемы МСЭ с двумерной РОС приводятся в п.2.5. МСЭ данного типа разрабатывается в сотрудничестве ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН на основе ускорителя «ЭЛМИ», формирующего ленточный РЭП 0.8 МэВ / 5 мкс с поперечным сечением 0.4 х 10 см и погонным током ~ 250 А/см. Транспортировка пучка осуществлялась соленоидом, раскачка баунс-осцилляций производилась в пла-нарном ондуляторе с периодом 4 см, имеющем участок плавного пространственного включения. Для формирования в планарном МСЭ криволинейного РЭП с приемлемым для работы в коротковолновой части мм-диапазона качеством был выбран режим сильного ведущего магнитного поля.

Электродинамическая система МСЭ представляла собой комбинированный резонатор: входной отражатель длиной 19 см имел «шахматную» гофрировку с периодом 4 мм по обоим направлениям и обеспечивал отражение рабочей волны ТЕМ-типа в цикле двумерной связи, выходной отражатель той же длины работал в одномерном цикле обратной связи с двумя встреч-но-распространяющимися ТЕМ волнами, длина регулярной части составляла 32 см. В соответствии с результатами моделирования в «холодных» измерениях данного резонатора наблюдались «продольные» моды с добротностью ~ 1000 и интервалом около 200 МГц вблизи рабочей частоты 75 ГГц. Для разделения сильноточного РЭП и мощного ВЧ-импульса после пространства взаимодействия использовался брэгговский дефлектор, который осуществлял поворот выходного излучения и, таким образом, его вывод из пространства взаимодействия и, затем, в атмосферу.

Согласно проведенному в п.2.4 анализу, использование рассеивателей (металлических брусков со случайной гофрировкой) позволило получить узкополосную генерацию на рабочих «продольных» модах резонатора. Измеренная частота генерации хорошо согласует с моделированием и результатами «холодных» тестов. Однако из-за нестабильности параметров пучка (прежде всего, величины напряжения) в разных импульсах наблюдалось возбуждение различных «продольных» мод. В соответствии с результатами моделирования максимум излучения наблюдался при напряженности ведущего поля 12 кЭ и ондуляторном поле около 1 кЭ. Полная мощность излучения по показаниям калориметра была оценена на уровне нескольких де-

сятков мегаватт. Анализ временного поведения свечения плазмы в канале, регистрируемого с помощью световодов, показал, что ограничение полной длительности ВЧ-сигнала связано с возникновением плазмы на дефлекторе излучения. Структура поля выходного излучения, регистрируемая по свечению табло из неоновых ламп, демонстрировала однородное по поперечному сечению распределение поля попутной волны в пространстве взаимодействия, что, таким образом, подтверждает результаты теоретического анализа синхронизации излучения различных фракций ленточного РЭП.

Третья глава посвящена результатам теоретического и экспериментального исследования коаксиальных МСЭ с двумерной РОС. В п. 3.1 приведены модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волновых потоков в двумерных брэгговских структурах коаксиальной геометрии в рамках метода связанных волн (квазиоптическое приближение). В резонаторах данного типа двоякопериодическая гофрировка поверхности, которая представляет собой две М -заходные винтовые гофрировки со встречным направлением вращения, обеспечивает связь и взаимное рассеяние четырех парциальных волн, две из которых распространяются в продольном, а две другие в азимутальном направлении. Показано, что в условиях существенной сверхразмерности, когда коаксиальный волновод имеет малую кривизну, для его описания может быть адаптирована квазиплоская модель.

С учетом дифракционных эффектов в п. 3.2 проведен анализ электродинамических свойств коаксиальных двумерных брэгговских резонаторов. Показано, что резонаторы .данного типа способны обеспечить селективность по азимутальному индексу мод при периметрах системы — 100 Подобная высокая (по сравнению с традиционными аналогами) селективность может быть интерпретирована как следствие качественного отличия в топологии дисперсионных характеристик азимутально-симметричных и несимметричных нормальных волн в коаксиальных волноводах с двоякопе-риодической гофрировкой (рис. 10).

Г/а Г/а

Рис. 10. Дисперсионные диаграммы нормальных волн в бесконечной в продольном направлении коаксиальной брэгговской структуре для симметричных т = 0 (а) и несимметричных «= ±1 (б) волн. Тонкие линии соответствуют дисперсионным кривым парциальных волн, пунктир - дисперсионным кривым нормальных волн, получаемым в рамках геометрооптического приближения (А / а = 35)

Для систем конечной длины, образующих двумерные брэгговские резонаторы, проведен анализ спектра собственных мод, определены соотношения между периметром и длиной резонатора, при которых максимальной добротностью обладает так называемая азимутально-симметричная мода. Эта мода расположена на частоте точного брэгговского резонанса и при разложении по волнам регулярного волновода (парциальным волнам) представляет собой суперпозицию бегущих в продольном направлении осесим-метричных волн и бегущих по азимуту квазикритических волн с азимутальным индексом, равным числу заходов гофрировки М. Обсуждаются границы применимости геометрооптического подхода. Результаты теоретического анализа в рамках метода связанных волн хорошо согласуются с моделированием на основе трехмерного кода CST «Microwave Studio».

Динамика установления автоколебаний в коаксиальных МСЭ-генераторах с двумерной РОС исследована в п.3.3 в рамках пространственно-временного подхода, аналогичного описанному в п.2.4. Показано, что в результате электродинамической и электронной селекции мод, реализуемой в коаксиальных двумерных брэгговских резонаторах, при оптимальных параметрах имеет место исключительное установление колебаний на азиму-тально-симметричной моде во всей области самовозбуждения генератора в МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором при периметре /х < 2x102Х. (п. 3.3а), а в МСЭ с комбинированным резонатором вплоть до /х < 4х 102Х. (п. З.Зв). По мере увеличения периметра инкременты азиму-тально-несимметричных мод приближаются к инкременту симметричной моды, однако достаточно широкой зона генерации на этой моде остается вплоть до /х ~ 103Х в МСЭ с резонаторами обоих типов. Однако время установления стационарного режима одномодовой генерации возрастает с увеличением периметра системы.

Показано, что результаты моделирования в рамках геометрооптического приближения практически полностью совпадают с результатами, полученными в рамках квазиоптического приближения. Ввиду ограниченности влияния дифракционных эффектов, на характер режима генерации не оказывает существенного влияния тип граничных условий для азимутально-распространяющихся волн.

Основным недостатком коаксиальных МСЭ с односекционным резонатором, а также МСЭ с двумерными двухзеркальными резонаторами (п.3.3б) являются омические потери, которые, даже при оптимальных параметрах составляют более 50%. В то же время, моделирование показывает, что использование в МСЭ комбинированных резонаторов, состоящих из двумерного и одномерного брэгговских зеркал (рис.11), позволяет обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации с достаточно высоким электронным КПД и существенно более низким (~ 5 - 10%) уровнем омических потерь. Важно подчеркнуть, что условиям коаксиального 37-ГГц МСЭ с дву-

мерной РОС, разрабатываемого в сотрудничестве ИПФ РАН и Страт-клайдского университета (г. Глазго, Великобритания) при участии Исследовательского центра Карлсруе (Германия), соответствует периметр пучка 25к, а наиболее мощному трубчатому пучку, который реализован в настоящий момент в ИСЭ СО РАН [43] с периметром около 70 см в указанном диапазоне соответствует 1Х~ 100Х. Таким образом, согласно проведенному моделированию, в микроволновом диапазоне длин волн использование гибридных брэгговских резонаторов позволяет обеспечить режим одномодовой одночастотной генерации для любых существующих электронных пучков.

Результаты экспериментального исследования 37-ГГц коаксиального МСЭ с двумерной РОС описаны в п. 3.4. Для разработки этого МСЭ в сотрудничестве с ИПФ РАН в Стратклайдском университете был спроектирован и создан специализированный стенд на основе сильноточного ускорителя, формирующего трубчатый РЭП 500 кэВ /1.5 кА/300 не с диаметром 7 см. Оптимизация электронно-оптической системы осуществлялась с использованием Р1С-кода КАРАТ. Пучок фокусировался ведущим магнитным полем с напряженностью до 6 кЭ, ондулятор в виде токовых катушек с периодом 4 см обеспечивал рабочую скорость частиц р± ~ 0.2.

Электродинамическая система МСЭ представляла собой коаксиальный двухзеркальный резонатор, в котором в начальных экспериментах использовались два двумерных брэгговских отражателя, впоследствии выходное двумерное зеркало было заменено одномерным. Двумерные брэгговские структуры имели «шахматную» гофрировку поверхности с периодом 0.8 см и числом азимутальных вариаций М = 24, которая обеспечивала рабочую зону двумерного брэгговского отражения для четырех парциальных волн ТЕМ ТЕ24,1 -типа в районе частоты 37 ГГц. Длины структур составляли 10.4 см (входной отражатель) и 5.6 см (выходной отражатель), длина регулярной части 65 см. Согласно результатам моделирования входная брэггов-ская структура обеспечивала почти 3-кратное превышение добротности основной симметричной моды на частоте в районе 37 ГГц над несимметричными модами т = ±1 с частотами в окрестности 35 ГГц и 39 ГГц.

Тестирование коаксиальных брэгговских структур проводилось на панорамном источнике, возбуждение структуры производилось падающим на

Рис. И. Моделирование коаксиального МСЭ с комбинированным брэгговским резонатором. Зоны возбуждения симметричной (I) и несимметричных (II) мод на плоскости параметров: периметр /х/ X - расстройка синхронизма Д

границу волновым пучком со структурой ТЕМ-волны, для формирования которого была спроектирована дополнительная передающая линия, включающая в себя секции конических волноводов и необходимые волноводные преобразователи. Результаты «холодных» измерений коэффициентов отражения и прохождения двумерных брэгговских структур различной длины находятся в хорошем соответствии с расчетом. Для демонстрации работы двумерного цикла обратной связи также были измерены азимутальные волновые потоки через небольшое отверстие связи во внешней стенке волновода, максимум рассеяния приходился на частоту брэгговского резонанса в районе 37.3 ГГц, поляризация волнового пучка соответствовала азимуталь-но-распространяющимся волнам ТЕ24,1-типа. В одномерной брэгговской структуре, обеспечивавшей отражения рабочей ТЕМ-волны во встречную волну того же (ТЕМ) типа, поперечные волновые потоки не наблюдались.

В результате экспериментов в расчетной области параметров было получено мощное 8-мм излучение. Измерение спектра на основе гетеродинной системы продемонстрировало реализацию двух различных режимов генерации. При амплитуде ондуляторного поля больше 0.5 кЭ спектральный максимум излучения наблюдался на частоте 37.3 ГГц, соответствующей возбуждению основной азимутально-симметричной моды резонатора. Уменьшение величины ондуляторного поля до 0.4 кЭ приводило к скачкообразному увеличению частоты излучения до 39.4 ГГц, т.е. возбуждению несимметричной моды с азимутальным индексом т = 1. При дальнейшем уменьшении ондуляторного поля условия самовозбуждения в системе были не выполнены и генерация не наблюдалась. Следует отметить, что для минимизации времени установления автоколебаний в первой реализации коаксиального МСЭ с двумерной РОС были выбраны параметры резонатора с превышением добротности над оптимальным значением. Таким образом, небольшие дополнительные спектральные линии с частотным расстоянием ~ 40 МГц, наблюдавшиеся в спектре излучения, соответствовали, согласно моделированию, возбуждению нескольких продольных мод двумерной брэгговской структуры. Это частотное расстояние существенно меньше расстояния до соседних несимметричных мод резонатора, что демонстрирует эффективную азимутальную селекцию мод в данной схеме МСЭ.

Измерение диаграммы направленности излучения в рабочей области параметров в сравнении с расчетной подтвердило высокое содержание ТЕМ волны в выходном излучении и, таким образом, возбуждение этой волны в МСЭ. Оценка выходной мощности по интегрированию диаграммы направленности составила 15 МВт (КПД около 6%), однако большая часть мощности, в соответствии с моделированием, терялась в виде омических потерь.

Оптимизация геометрии пространства взаимодействия и использование комбинированного резонатора с двумерным и одномерным рефлекторами позволили, согласно расчетам, снизить омические потери до уровня ~ 10% и увеличить мощность выходного излучения, которая по оценке на основе

показаний ВЧ-детекторов составила 60 МВт. Важно, что в соответствии с результатами моделирования, в данной серии экспериментов одномодовый режим генерации на основной азимутально-симметричной моде в окрестности частоты 37 ГГц наблюдался при всех значениях ондуляторного поля в полосе самовозбуждения генератора. В результате реализована эффективная селекция мод как по азимутальному, так и по продольному индексам.

Таким образом, совокупность проведенных теоретических и экспериментальных исследований демонстрирует работоспособность нового механизма обратной связи и возможность его использования для синхронизации излучения пространственно-развитых активных сред.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты работы

1. В рамках усредненного описания построена нелинейная теория МСЭ с винтовым ондулятором и ведущим магнитным полем. Исследованы особенности энергоотдачи релятивистских электронных пучков при различных соотношениях между гиро- (сон) и баунс- (Г2Ь) частотами. Показано, что режимы работы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе режим обратного ведущего поля, обладают низкой чувствительностью к начальному разбросу параметров пучка и обеспечивают высокий электронный КПД. МСЭ в указанных режимах обладают меньшей критичностью к разбросу параметров электронных пучков по сравнению с МЦАР. При работе МСЭ в режимах близких к циклотронному резонансу в области сон < ^ь процесс генерации характеризуется снижением эффективности и сопровождается уменьшением токопрохождения пучка. Вместе с тем, в области Шн > при запитке МСЭ ультрарелятивистскими пучками существует возможность увеличения КПД, основанная на использовании зависимости массы электронов-осцилляторов от их энергии.

2. Исследованы режимы одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с одномерной распределенной обратной связью. Показано, что в МСЭ с двухзеркальным резонатором оптимальной добротности одномодовый режим устанавливается на нелинейной стадии в результате конкуренции мод, а увеличение добротности приводит к реализации многомодовых режимов с низким электронным КПД. Электродинамическая селекция по продольному индексу, реализуемая при умеренной сверхразмерности в резонаторе со скачком фазы гофрировки, позволяет обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации в МСЭ с высоким электронным КПД.

3. Оптимизация режимов электронно-волнового взаимодействия и геометрии электродинамической системы позволила реализовать в 8-мм диапазоне длин волн МСЭ с выходной мощностью на уровне 20 - 30 МВт и шириной спектра излучения около 6-7МГц, близкой к теоретическому

пределу. Рекордный для данного класса генераторов набор параметров (эффективность, мощность, стабильность одномодового режима генерации) достигнут при использовании обратного ведущего поля и брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки. Продемонстрирована механическая перестройка частоты излучения генератора в полосе 6%.

4. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность работы МСЭ с брэгговским резонатором на резонансную нагрузку. Показано, что для стабильной работы МСЭ и эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо согласование резонансных частот, а также достаточно большое время задержки (до 10-20 не) отраженного сигнала и наличие определенных потерь (10 -15%) в передающем тракте. Полученные результаты использованы в совместных экспериментах ОИЯИ и ИПФ РАН по исследованию ресурса высокоградиентных ускоряющих структур по отношению к импульсным циклическим тепловым нагрузкам на частоте 30 ГГц.

5. Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских структур, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показано, что при оптимальных параметрах частота генерации оказывается близкой к частоте отсечки квазикритической волны, возбуждающейся в модифицированной брэгговской структуре. В качестве демонстрационного эксперимента, подтверждающего работоспособность резонатора данного типа, реализован узкополосный МСЭ 8-мм диапазона длин волн с мультимегаваттным уровнем мощности.

6. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства двумерных планарных и коаксиальных двумерных брэгговских резонаторов с двоякопериодической гофрировкой поверхности, продемонстрированы их высокие селективные свойства при больших параметрах Френеля. Исследован эффект просветления планарной двумерной структуры в окрестности частоты точного брэгговского резонанса в случае падения несимметричной внешней волны, обусловленный возбуждением основной высокодобротной моды. Формирование высокодобротных мод в центре брэгговской полосы в отсутствие дефектов периодичности является принципиальным отличием двумерных брэгговских структур от одномерных аналогов, а также от фотонных структур.

7. Определены условия реализации стационарных режимов генерации в планарных и коаксиальных МСЭ, основанных на использовании двумерной распределенной обратной связи. Комбинация электродинамических и электронных механизмов селекции в МСЭ данного типа позволяет получить мощное узкополосное излучение от широких в масштабах длины волны релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии. Показано, что с точки зрения снижения уровня омических потерь и увеличения электропрочности оптимальными являются МСЭ с комбинированными резонаторами, составленными из входного двумерного и выходного

одномерного брэгговских зеркал. При этом стабильность одномодового режима генерации в МСЭ планарной геометрии может быть увеличена путем замыкания поперечных волновых потоков в двумерной брэгговской структуре.

8. В миллиметровом диапазоне длин волн реализованы схемы планар-ных и коаксиальных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью. Продемонстрирована эффективная селекция мод по поперечному (азимутальному) индексу при сверхразмерности электродинамических систем до 25 длин волн и мультимегаваттной выходной мощности.

Список цитированной литературы

1. Гапонов-Грехов А.В., Гольденберг A.JI., Григорьев Д.П. и др. Индуцированное циклотронное излучение электронов в открытых резонаторах И Письма в ЖЭТФ. 1965. Т.2, № 9. С.430-435.

2. Denisov G.G., Litvak A.G., Myasnikov V.E., е.а. Gyrotrons for fusion research. State of the art and progress trends // In book: «Strong Microwaves: Sources and Applications», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, 2009. V. 1. P. 15-26.

3. Sakamoto K., Kajiwara K., Kasugai A., e.a. High power 170 GHz gyrotron development in JAEA I/ In book: «Strong Microwaves: Sources and Applications», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, 2009. V.l. P.7-14.

4. Piosczyk В., Dammertz G., Dumbrajs O., e.a. 165-GHz coaxial cavity gyrotron // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.3. P.853-860.

5. Blank M., Felch K., Borchard P., e.a. Demonstration of a high-power long-pulse 110-GHz gyrotron oscillator II IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.3. P.867-876.

6. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5-klV, l-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field II Phys. Rev. Lett. 2008. V.l 00. P.015101.

7. Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Manuilov V.N. Large-orbit gyrotron operation in the terahertz frequency range II Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P.245101.

8. Гинзбург B.JI. Об излучении микрорадиоволн и их поглощении в воздухе II Изв. АН СССР, Сер. Физ. 1947. Т. 11, №12. С. 165-173.

9. Motz Н. Application of radiation from fast electron beams И J. Appl. Phys. 1951. V.22, no.5. P.527-536.

10. Pantell R.H., Soncini G., Puthoff H.E. Stimulated photon-electron scattering II IEEE J. Quantum Electron. 1968. V.QE-4, no.l 1. P.905-907.

11. Madey J.M.J. Stimulated emission of bremsstrahlung in a periodic magneto-static field II J. Appl. Phys. 1971, no.5. P.1906-1913.

12. Elias L.R., Ramian G., Hu J., Amir A. Observation of single-mode operation in free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1986. V.57, no.4. P.424-427.

13. Винокуров H.A. Лазеры на свободных электронах на электронных накопителях IIВ кн: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1990. Вып.6. С.162-184.

14. Doria A., Gallerano G.P., Giovenale Е., e.a. A metal-grating FEL experiment at the ENEA compact-FEL facility II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2001. V.A475. P.318-322.

15. Винокуров H.A., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н. и др. Визуализация излучения мощного терагерцоеого лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра IIЖТФ. 2007. Т.77, №7. С.91-99.

16. Andrews H. L., Brau С. A., Jarvis J. D., e.a. Observation ofTHz evanescent waves in a Smith-Purcellfree-electron laser II Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.080703.

17. Urbanus W.H., Bratman V.L., Savilov A.V., e.a. Long-pulse operation at constant output power and single-frequency mode of a high-power electrostatic free-electron maser with depressed collector II Phys. Rev. Lett. 2002. V.89, no.21. P.214801.

18. Takahashi S., Ramian G., Sherwin M.S., e.a. Submegahertz linewidth at 240 GHz from an injection-locked free-electron laser II Appl. Phys. Lett. 2007. V.91. P. 174102.

19. Orzechowsky T.J., Anderson B.R., Clark J.C., e.a. High-efficiency of microwave radiation from tappered-wiggler free-electron laser И Phys. Rev. Lett. 1986. V.57, no.17. P.2172-2174.

20. Carmel J., Granatstein V.L., Gover A. Demonstration of a two stage backward wave-oscillator free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1983. V.51, no.7.P.566-569.

21. Bratman V.L., Denisov G.G., Ginzburg N.S., Petelin M.I. FEL's with Bragg reflection resonators: cyclotron autoresonance masers versus ubitrons II IEEE J. Quant. Electr. 1983. V.QE-19, no.3. P.282-296.

22. Ельчанинов A.C., Коровин С.П., Месяц Г.А., Ростов В.В. Вынужденное ондуляторное излучение в режиме высокого КПД Н Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10, №18. С.113-117.

23. Kaminsky А.А., Kaminsky А.К., Rubin S.B. Experiments on the efficiency increase of PEL amplifier on the base ofLIU-3000 И Particle Accelerators. 1990. V.33. P. 189-194.

24. Conde M.E., Bekefi G. Experimental study of a 33.3 GHz free electron laser amplifier with a reversed axial guide magnetic,field II Phys. Rev. Lett. 1991. V.67, no.22. P.3082-3088.

25. Ciocci F., Bartolini R., Doria A., Gallerano G.P., e.a. Operation of a compact free-electron laser in the millimeter-wave region with a bunched electron beam II Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. P.928-931.

26. Chu T.S., Hartemann F.V., Danly B.G., Temkin R.J. Single-mode operation of a Bragg Free-electron maser oscillator II Phys. Rev. Lett. 1994. V.12, no.15. P.2391-2395.

27. Mima K., Imasaki K., Kuruma S., e.a. Theory and experiments for induction linac FEL II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1991. V.A285. P.47-52.

28. Zambon P., Witteman W.J., Van der Slot P.J.M. Comparison between a FEL amplifier and oic/Vtoor//Nuclear Instr. and Meth. in Phys. ResearchA. 1994. V.341. P.88-92.

29. Arbel M., Abramovich A., Eichenbaum A.L., Gover A., e.a. Super-radiant and stimulated super-radiant emission in a pre-bunched beam Free Electron Maser II Phys. Rev. Lett. 2001. V.86. P.2561-2564.

30. Bratman V.L., Ginzburg N.S., Petelin M.I. Common properties of free electron lasers II Optics Commun. 1979. V.30, no.3. P.409-420.

31. Канавец В.И., Кубарев В.А., Черепенин B.A. Рассеяние электромагнитных волн на релятивистском электронном потоке И ЖТФ. 1977. Т.47, №2. С.2472-2477.

32. Кондратенко A.M., Салдин E.JI. Генерация когерентного излучения пучком релятивистских электронов в ондуляторе II ЖТФ. 1981. Т.51, №8. С.1633-1642.

33. Bernstein I.B., Friedland L. Theory of the free-electron laser in combined helical pump and axial guide fields II Phys. Rev. A. 1981. V.23, no.2. P.816-818.

34. Freund H.P., Jounston S., Sprangle P. Three-dimensional theory of free-electron laser with axial guide field II IEEE J. of Quant. Electr. 1983. V.QE-19, no.3. P.322-327.

35. Freund H.P., Ganguly A.K. Nonlinear simulation of high-power collective free-electron laser II IEEE Trans. Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.245-255.

36. Гинзбург H.C. Усредненные уравнения движения релятивистских электронов в поле двух разночастотных электромагнитных волн в присутствии нерезонансного однородного магнитного поля II ЖТФ. 1988. Т.58, №6. С.1078-1087.

37. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. К линейной теории ЛСЭ с адиабатически включающимся полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем II ЖТФ. 1986. Т.56,№9. С.1709-1718.

38. Братман B.JL, Гинзбург Н.С., Нусинович Г.С., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Циклотронные и синхротронные мазеры II В кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1979. Вып.1. С.157-216.

39. Bratman V.L., Denisov G.G., Kol'chugin B.D., Sarasonov S.V., Volkov A.B. Experimental demonstration of high-efficiency Cyclotron-Autoresonance-Maser operation II Phys. Rev. Lett. 1995. V.75, no.17. P.3102-3105.

40. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Резников М.Г. Резонатор: Авт. свид. №720592. Бюл. №9, 1980.

41. Kogelnik Н., Shank C.V. Coupled-wave theory of distributed feedback lasers П J. Appl. Phys. 1972. V.43. P.2327-2335.

42. Yariv A. Quantum Electronics. John Wiley and Sons Inc., N.Y., 1975.

43. Бастриков A.H., Бугаев С.П., Киселев И.Н. и др. Формирование трубчатых микросекундных электронных пучков при мегаволътных напряжениях на диоде II ЖТФ. 1988. Т.58, № 3. С.483-494.

44. Arzhannikov A.V., Nikolaev V.S., Sinitsky S.L., Yushkov M.V. Generation and transport of 140 kJribbon electron beam И J. Appl. Phys. 1992. V.72, no.4. P.1657-1663.

45. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И. Селекция мод в высокочастотных релятивистских электронных генераторах с распределенным взаимодействием // В кн: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АЦСССР, 1981. Вып.2, С.62-101.

46. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.

47. Черепенин В.А. Многоволновое когерентное излучение релятивистских электронных потоков II В кн: «Мощные генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках», М.: Изд-во МГУ, 1987. С.76-84.

48. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И. и др. Релятивистский многоволиовый черепковский генератор II Письма в ЖТФ. 1983. Т.9, №22. С.1358-1389.

49. Братман В.Л., Губанов В.П., Денисов Г.Г. и др. Экспериментальные исследования секционированного СВЧ генератора с релятивистским электронным пучком И Письма в ЖТФ. 1988. Т.14, №1. С.9-13.

50. Русин Ф.С., Богомолов Г.Д. Генерация электромагнитных колебаний в открытом резонаторе И Письма в ЖЭТФ. 1966. Т.4, №6. С.236-239.

51. Yablonovitch Е. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics II Phys. Rev. Lett. 1987. V.58. P.2059-2062.

52. Photonic Bandgaps and Localization, Ed. by C.M.SoukouIis. Plenum, New York, 1993.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

1А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю. Нелинейная теория релятивистских убитронов с электронными пучками, сформированными в адиабатически нарастающем поле ондулятора и однородном продольном магнитном поле II ЖТФ. 1988. Т.58, №5. С.859-886.

2А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю. Увеличение эффективности ЛСЭ с однородным продольным магнитным полем II ЖТФ. 1991. Т.61, №10. С.147-153.

ЗА. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Токман М.Д. Формирование винтовых РЭП в системах с периодическим ондуляторным и слабонеоднородным продольным магнитными полями II ЖТФ. 1991. Т.61, №1. С.124-132.

4А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Использование двумерной распределенной обратной связивЛСЭ// Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18, №9. С.23-28.

5А. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S. Two-dimension double-periodic Bragg resonators for free-electron lasers II Optics Commun. 1993. V.96, no.4-6. P.254-258.

6A. Гинзбург H.C., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Пространственная синхронизация излучения широких ленточных электронных потоков в ЛСЭ с двумерной распределенной обратной связью I/ Письма в "ЖТФ. 1993. Т.19, №18. С.51-56.

7А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Сверхмощные лазеры на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью II Физика плазмы. 1994. Т.20, №7-8, С.627-634.

8А. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S. Dynamics of free-electron lasers with two-dimension distributed feedback II Optics Commun. 1994. V.112. P.151-156.

9А. Гинзбург H.C., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Динамика лазеров На свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью II Изв. ВУЗов: Прикладная Нелинейная динамика. 1994. Т.2, №6. С.39-47.

10А. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L. Superpower free-electron lasers with two-dimension distributed feedback // Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1995. V.A358. P.189-192.

11A. Гинзбург H.C., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Электродинамические свойства двумерных брэгговских резонаторов // Радиотехника и электроника. 1995. Т.40, №3. С.401-414.

12А. Богаченков В.А., Гинзбург Н.С., Каминский А.А., Каминский А.К., Песков Н.Ю., Саранцев В.П., Седых С.Н., Сергеев А.П., Сергеев А.С. Высокоэффективный узкополосный ЛСЭ-геНератор с брэгговским резонатором и обратным ведущим полем (начальные эксперименты) // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21, №22. С.44-50.

13А. Peskov N.Yu., Bratman V.L., Ginzburg N.S., Denisov G.G., Kot'chugin B.D., Samsoriov S.V., Volkov A.B. Experimental study of a high-current FEM with a broadband microwave system II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1996. V.A375. P.377-380.

14A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Phelps A.D.R., Robb G.R.M. Mode competition and control in free electron devices with one and two dimensional Bragg resonators II IEEE Trans, on Plasma Science. 1996. V.24, no.3. P.770-781.

15A. Kaminsky A.K., Ginzburg N.S., Kaminsky A.A., Peskov N.Yu., Sergeev A.P., Sarantsev V.P., Sedykh S.N:, Sergeev A.S. High-efficiency FEL-oscillator with Bragg resonator operated in reversed guide field regime // Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1996. V.A375. P.215-218.

16A. Ginzburg N.S., Kaminsky A.K., Kaminsky A.A., Peskov N.Yu., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S. Theoretical and experimental comparison of FEL-oscillators with conventional and reversed guide field II IEEE Trans, on Plasma Science. 1998. V.26, no.3. P.536-541.

17A. Gihzburg N.S., Kaminsky A.K., Kaminsky A.A., Peskov N.Yu., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S. Single-mode and multi-mode operation conditions in JINR-IAP millimeter wave FEL-oscillator II IEEE Trans, on Plasma Science. 1998. V.26, no.3. P.542-547.

18A. Arzhannikov A.V., Ivanenko V.G., Ginzburg N.S., Kalinin P.V., Kuznetsov S.A., Peskov N.Yu., Sinitsky S.L. Genefation of hundred Joules microwave pulse at 4mm wavelength by FEM with sheet beam II IEEE Trans, on Plasma Science. 1998. V.26, no.3. P.531-535.

19А. Peskov N.Yu., Samsonov S.V., Ginzburg N.S., Bratman V.L. Comparative analysis of electron Beam quality on the operation of a FEM with axial guide magnetic field and a CARMII Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1998. V.A407, P. 107-111.

20A. Ginzburg N.S., Kaminsky A.K., Kaminsky A.A., Peskov N.Yu., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S. Experimental observation of mode competition and single mode operation in JINR-IAP millimeter-wave FEM-oscillator II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1998. V.A407. P.167-171.

21 A. Cross A.W., Ginzburg N.S., He W., Jaroszynski D.A., Peskov N.Yu., Phelps A.D.R., Whyte C.G. A 32 GHz Bragg FEM-oscillator with axial guide magnetic field II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1998. V.A407. P.181-186.

22A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Kamenetsky I.E., Kaminsky A.K., Kaminsky A.A., Sedykh S.N., Sergeev A.P. A Large Orbit FEL-oscillator operated at second harmonic II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1999. V.A429. P.121-124.

23A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Phelps A.D.R., Konoplev I.V., Robb G.R.M., Cross A.W., Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L. Theory and design of a free-electron maser with 2D feedback driven by a sheet electron beam II Phys. Rev. E. 1999. V.60, no.l. P.935-945.

24A. Песков Н.Ю., Гинзбург H.C., Каминский A.A., Каминский А.К., Седых С.Н., Сергеев А.П., Сергеев А.С. Высокоэффективный узкополосный МСЭ-генератор с брэгговским резонатором со скачком фазы гофрировки II Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №11. С. 19-29.

25А. Гинзбург Н.С., Каменецкий Н.Э., Каминский А.А., Каминский А.К., Песков Н.Ю., Седых С.Н., Сергеев А.П. О возможности использования режима больших орбит для работы на гармониках баунс-частоты в МСЭ с ведущим магнитным полем II Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №1. С.30-36.

26А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев 'А.С., Аржанников А.В., Синицкий C.JI. О возможности генерации на супермодах в лазере на свободных электронах с поперечно развитым пространством взаимодействия II Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №5. С.28-34.

27 A. Savilov A.V., Peskov N.Yu., Samsonov S.V. FEM with guiding magnetic field based on simultaneous fundamental and high-harmonic excitation II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2000. V.A445. P.284-289.

28A. Ginzburg N.S., Goldenberg C.A., Kaminsky A.K., Peskov N.Yu., Sedykh S.N., Sergeev A.P. Precise Frequency Tuning in the Millimeter-wave FEL-oscillator II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2000. V.A445. P.257-260.

29A. Agarin N.V., Arzhannikov A.V., Bobylev V.B., Ginzburg N.S., Ivanenko V.G., Kalinin P.V., Kuznetsov S.A., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Sinitsky S.L., Stepanov V.D. First operation of powerful FEL with two-dimensional distributed feedback II Nuclear Instr. and Methods in Phys. Research A // 2000. V.A445. P.222-229.

30A. Песков Н.Ю., Гинзбург H.C., Денисов Г.Г., Сергеев А.С., Аржанников А.В., Калинин П.В., Синицкий C.JI., Степанов В.Д. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-развитых планарных двумерных брэгговских резонаторов И Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, №8. С.72-83.

31 А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С., Аржанников А.В., Синицкий С.Л. К теории планарных ЛСЭ с комбинированными резонаторами, составленными из одномерного и двумерного брэгговских зеркал II Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, №.16. С.8-16.

32A. Ginzburg N.S., Kaminsky А.А., Kaminsky А.К., Peskov N.Yu., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S. 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. P.3574-3577.

33A. Peskov N.Yu., Ginzburg N.S., Denisov G.G., Sergeev A.S., Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L., Kalinin P.V., Stepanov V.D. Electrodynamic properties of two-dimensional Bragg resonators of planar geometry H Optics Common. 2001. V.187, no.4-6. P.311-316.

34A. Гинзбург H.C., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Аржанников А.В., Синицкий C.JI. Использование двумерной распределенной обратной связи для синхронизации многопучковой системы планарных МСЭII Письма в ЖТФ. 2001. Т.27, №6. С.50-58.

35А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Генерация пространственно-когерентного излучения в коаксиальном ЛСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал // ЖТФ. 2001. Т.71, №8. С.80-84.

36А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А .С., Аржанников А.В., Синицкий C.JI. Генерация пространственно-когерентного излучения в лазерах на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2001. Т.44, №5-6. С.533-553.

37А. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L., Kalinin P. V., Phelps A.D.R., Cross A.W. Progress in development of high-power FELs with two-dimensional Bragg resonators II Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2001. V.475, no.l-3. P .287-295.

38A. Cross A.W., Ginzburg N.S., He W., Konoplev I.V., Peskov N.Yu., Phelps A.D.R., Robb G.R.M., Ronald K., Sergeev A.S., Whyte C.G. Experimental and theoretical study of a high-power coaxial FEM with 2-D distributed feedback II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2001. V.475, no.l-3. P.164-172.

39A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Arzhannikov A.V., Sinitsky S.L. Novel scheme of multi-beam FEL synchronized by two-dimensional distributed feedback И Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2001. V.475, no.l-3. P.173-177.

40A. Cross A.W., Ginzburg N.S., He W., Konoplev I.V., Peskov N.Yu., Phelps A.D.R., Ronald K., Sergeev A.S., Whyte C.G. Experimental studies of two-dimensional coaxial Bragg structures for a high-power Free-Electron Maser II Appl. Phys. Lett. 2002. V.80, no.9. P.1517-1519.

41 A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Phelps A.D.R., Cross A.W. The use of a hybrid resonator consisting of l-D and 2-D Bragg reflectors for generation of spatially-coherent radiation in a coaxial free-electron laser И Physics of Plasmas. 2002. V.9, no.6. P.2798-2802.

42A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Konoplev I.V., Cross A.W., Phelps A.D.R., Robb G.R.M., Ronald K., He W., Whyte C.G. Theory of coaxial free-electron maser with two-dimensional distributed feedback driven by an annular electron beam II J. of Appl. Phys. 2002. V.92, no.3. P.1619-1629.

43A. Ginzburg N.S., Elzhov A.V., Ilyakov E.V., Ivanov I.N., Kazacha V.I., Kaminsky A.K., Kulagin I.S., Perelstein E.A., Peskov N.Y., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S., Zaitsev N.I. Experiments on precise frequency tuning in the FEM oscillator with the Bragg resonator II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2002. V.A483. P.231-234.

44A. Ginzburg N.S., Elzhov A.V., Kaminsky A.K., Perelstein E.A., Peskov N.Y., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S. Starting mode regime in an FEM oscillator with a Bragg resonator И Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2002. V.A483. P.225-230.

45А. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Влияние дифракционных эффектов на электродинамические характеристики двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии IIЖТФ. 2003. Т.73, №.12. С.54-65.

46А. Аржашшков А.В., Бобылев В.Б., Гинзбург Н.С., Иваненко В.Г., Калинин П.В, Кузнецов С.А., Песков Н.Ю., Сергеев А.С., Синицкий СЛ., Степанов В.Д. Одноканальные и многоканальные планарные мазеры на свободных электронах II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2003. т.46, №10. С.907-913.

47А. Arzhannikov A.V., Astrelin V.T., Bobylev V.B., Ginzburg N.S., Ivanenko V.G., Kalinin P.V., Kuznetsov S.A., Peskov N.Yu., Petrov P.V., Sergeev A.S., Sinitsky S.L., Stepanov V.D. Four-channel planar FEM for high-power mm-generation (theoretical and experimental problems) И Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2003. V.A507. P.129-132.

48A. Елжов A.B., Каминский A.K., Перельштейн Э.А., Седых С.Н., Сергеев А.П., Гинзбург Н.С., Кузиков С.В., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Возможности улучшения характеристик МСЭ-генератора с брэгговским резонатором И Письма в Журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра». 2004. Т.120, №3. С.18-21.

49А. Elzhov A.V., Ginzburg N.S., Kaminsky А.К., Kuzikov S.V., Perelstein E.A., Peskov N.Yu., Petelin M.I., Sedykh S.N., Sergeev A.P., Sergeev A.S., Syratchev I.V., Zaitsev N.I. Test facility for investigation of heating 30 GHz accelerating structure imitator for the CL1C project // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research A. 2004. V.A528. P.78-82.

50A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Konoplev I.V., Ronald K., Phelps A.D.R., Cross A.W. On the mechanism of high selectivity of two-dimensional coaxial Bragg resonators 11 Nucl. Instr. and Meth. in Physv Research A. 2004. V.A528. P.225-230.

51 А. Елжов A.B., Гинзбург H.C., Зайцев Н.И., Иванов И.Н., Иляков Е.В., Каминский А.К., Косухин В.В., Кузиков С.В., Кулагин И.С., Песков Н.Ю., Перельштейн Э.А., Петелин М.И., Седых С.Н., Сергеев А.П., Сергеев А.С., Сырачев И.В. Стенд для исследования ресурса имитатора ускоряющей структуры коллайдера CL1C при воздействии мощного импульсного излучения на частоте 30 ГГц // Письма в Журнал «Физика элементарных частиц и атомного ядра». 2005. Т.2, №3 (126). С.102-105.

52А. Гинзбург Н.С., Денисов Г.Г., Кузиков С.В., Песков НЛО, Сергеев А.С, Аржанников А.В, Калинин П.В, Синицкий C.JI, Тумм М. Особенности спектра мод планарных структур с двумерной брэгговской гофрировкой (теория и «холодный» эксперимент) II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2005. Т.48, №10-11. С.842-856.

53А. Ginzburg N.S, Malkin A.M., Peskov N.Yu, Sergeev A.S, Kaminsky A.K, Sedykh S.N, Perelshtein E.A, Sergeev A.P, Elzhov A.V. Improving selectivity of free electron maser with ID Bragg resonator using coupling of propagating and trapped waves H Phys. Rev. ST-AB. 2005. V.8. P.040705.

54A. Ginzburg N.S, Peskov N.Yu, Sergeev A.S, Phelps A.D.R, Cross A.W. Peculiarities of mode spectrum in 2D Bragg structures II Optics Commun. 2005. V.250. P.309-315.

55A. Гинзбург H.C, Каминский A.K, Кузиков C.B, Перельштейн Э.А, Песков Н.Ю, Седых С.Н, Сергеев А.П, Сергеев А.С. // О возможности использования МСЭ с брэгговским резонатором для тестирования высокодобротных резонансных структур II ЖТФ. 2006. Т.76, №7. С.69-75.

56А. Гинзбург Н.С, Малкин А.М, Песков Н.Ю, Сергеев А.С. О механизме самовозбуждения МСЭ-генераторов в условиях связи распространяющихся и запертых волн II Письма в ЖТФ. 2006. Т.32, №20. С.60-69.

57А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Аржанников A.B., Калинин П.В., Кузнецов С.А., Синицкий C.JI., Степанов В.Д. К теории ппанарного МСЭ-генератора с циркуляцией поперечных электромагнитных потоков в двумерном брэгговском зеркале ИЖТФ. 2006. Т.76, вып. 12. С.80-85.

5 8А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Песков Н.Ю., Розенталь P.M., Сергеев A.C., Тумм М. Моделирование селективных характеристик двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии И Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2006. Т.49, №11. С.906-916.

59А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Барышев В.Р., Дорфман К.Е., Малкин A.M., Розенталь P.M. Использование планарных брэгговских структур для генерации и усиления когерентного излучения пространственно-развитыми активными средами // Известия ВУЗов: Прикладная нелинейная динамика. 2006. Т.14, №4. С.43-71.

60А. Аржанников A.B., Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Иваненко В.Г., Иванов И.А., Калинин П.В., Кузнецов A.C., Кузнецов С.А., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Синицкий C.JL, Степанов В.Д. Исследование генерации миллиметрового излучения в планарном мазере на свободных электронах с комбинированным брэгговским резонатором // Вестник НГУ, Физика. 2006. Т.1, №2. С.71-81.

61А. Песков Н.Ю., Гинзбург Н.С., Денисов Г.Г., Заславский В.Ю., Кузиков C.B., Сергеев A.C., Аржанников A.B., Калинин П.В., Синицкий С.Л., Тумм М. Демонстрация существования высокодобротных мод в центре резонансной полосы двумерных брэгговских структур II Письма в ЖТФ. 2007. Т.ЗЗ, №3. С.46-56.

62А. Konoplev I.V., Cross A.W., Phelps A.D.R., Не W., Ronald К., Whyte С., Robertson С., Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Zaslavsky V.Yu., Thumm M. Coaxial Free-Electron Maser based on two-dimensional distributed feedback II Phys. Rev. E. 2007. V.76. P.056406.

63A. Аржанников A.B., Гинзбург H.C., Заславский В.Ю., Иваненко В.Г., Иванов И.А., Калинин П.В., Кузнецов A.C., Кузнецов С.А., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Синицкий С.Л., Степанов В.Д. Генерация пространственно-когерентного излучения в мазере на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью II Письма в ЖЭТФ. 2008. Т.87, №11. С.715-719.

64А. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Denisov G.G., Kuzikov S.V., Zaslavsky V.Yu., Arzhannikov A.V., Kalinin P.V., Sinitsky S.L., Thumm M. Observation of the high-Q modes inside resonance zone of 2D Bragg structures II Appt. Phys. Lett. 2008. V.92. P.103512.

65A. Гинзбург H.C., Песков Н.Ю., Розенталь P.M., Сергеев A.C Использование двумерных брэгговских структур для синхронизации излучения в планарных лампах обратной волны II Письма в ЖТФ. 2009. Т.35, №4. С.80-86.

66А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Малкин A.M., Песков Н.Ю., Сергеев A.C. Стабилизация частоты излучения в мазерах на свободных электронах с двумерной и одномерной распределенной обратной связью II ЖТФ. 2009. Т.79, №9. С. 142-145.

67А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Малкин A.M., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Тумм М. Азимутальная селекция мод в мазерах на свободных электронах с коаксиальными брэгговскими резонаторами II Радиотехника и электроника. 2009. Т.54, №9. С.1070-1081.

68А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Зотова И.В., Малкин A.M., Песков Н.Ю., Сергеев A.C., Каминский А.К., Перельштейн Э.А., Седых С.Н. // Коротковолновые секционированные МСЭ с брэгговскими резонаторами, основанными на связи бегущих и квазикритических волн II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2009. Т.52, №8. С.619-626.

69А. Ginzburg N.S., Malkin A.M., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Zaslavsky V.Yu., Kamada K., Soga Y. Tunable terahertz band planar Bragg reflectors И Appl. Phys. Lett. 2009. V.95. P.043504.

70A. Ginzburg N.S., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Zaslavsky V.Yu., Konoplev I.V., Fisher L., Ronald K., Phelps A.D.R., Cross A.W., Thumm M. Mechanism of azimuthal mode selection in two-dimensional coaxial Bragg resonators // J. of Appl. Phys. 2009. V. 105, no. 12. P.124519.

71 A. Ginzburg N.S., Malkin A.M., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Zaslavsky V.Yu., kamada K.., Ando R. Free electron lasers with terahertz band Bragg reflectors U Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12.P.060702.

72A. Arzhannikov A.V., Cross A.W., Ginzburg N.S., He W., Kalinin P.V., Konoplev I.V., Kuznetsov S.A., Peskov N.Yu., Phelps A.D.R., C.W.Robertson, Ronald K., Sergeev A.S., Sinitsky S.L., Stepanov V.D., Thumm M., Whyte C.G., Zaslavsky V.Yu. Production of powerful spatially coherent radiation in planar and coaxial FEM exploiting two-dimensional distributed feedback I/ IEEE Trans, on Plasma Sci. 2009. V.37, no.9. P. 1792-1800.

73A. Каминский A.K., Перельштейн Э.А., Седых C.H., Гинзбург Н.С., Кузиков С.В., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Демонстрация работы мощного 30-ГГц МСЭ на резонансную нагрузку И Письма в ЖТФ. 2010. Т.36, №5. С.37-46.

74А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Малкин A.M., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Черепковские мазеры с двумерной распределенной обратной связью II Письма в ЖТФ. 2010. Т.36, №2. С.77-86.

75А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Нелинейная теория коаксиальных мазеров на свободных электронах с двумерной распределенной обратной связью (квазиоптическое приближение) II ЖТФ. 2010. Т.80, №3. С.9-20.

76А. Гинзбург Н.С., Голубев И.И., Голубых С.М., Заславский В.Ю., Зотова И.В., Каминский А.К., Козлов А.П., Малкин A.M., Перельштейн Э.А., Песков Н.Ю., Седых С.Н., Сергеев А.С. Мазер на свободных электронах с высокоселективным брэгговским резонатором, основанным на связи бегущих и квазикритических волн Н Письма в ЖТФ. 2010. Т.36, №20. С.50-59.

77А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Зотова И.В., Малкин A.M., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Лазеры на свободных электронах терагерцового диапазона с брэггов-скими структурами, основанными на связи бегущих и квазикритических волн II Письма в ЖЭТФ. 2010. Т.91, №6. С.286-290.

78А. Вихарев А.А., Гинзбург Н.С., Голубев И.И., Данилов Ю.Ю., Зайцев Н.И., Каминский А.К., Козлов А.П., Кузиков С.В., Перельштейн Э.А., Песков Н.Ю., Петелин М.И., Седых С.Н., Сергеев А.П., Сергеев А.С. Эксперименты по импульсному циклическому нагреву медной поверхности на основе мощного ЗО-GHz мазера на свободных электронах II Письма в ЖТФ. 2011. Т.37, №3. С.16-22.

79А. Ginzburg N.S., Golubev I I., Kaminsky A.K., Kozlov A.P., Kuzikov S.V., Perelstein E.A., Peskov N.Yu., Petelin M.I., Sedykh S.N., Sergeev A,P., Sergeev A.S., Vikharev A.A.Zaitsev N.I. Experiment on pulse heating and surface degradation of a copper cavity powered by powerful 30 GHz free electron maser II Phys. Rev. ST-AB. 2011. V.14. P.041002.

80A. Ginzburg N.S., Malkin A.M., Peskov N.Yu., Sergeev A.S., Zaslavsky V.Yu., Zotova I.V. Powerful terahertz free electron lasers with hybrid Bragg reflectors II Phys. Rev. ST-AB. 2011. V.14. P.042001.

Песков Николай Юрьевич

МОЩНЫЕ МАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ С ОДНОМЕРНОЙ И ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Автореферат

Подписано к печати 29.09.11. Формат 60 х 90 '/1в. Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,25. Тираж 120 экз. Заказ № 88(2011)

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

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ОДНОМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.

1.1. Особенности электронно-волнового взаимодействия в

МСЭ с ведущим магнитным полем.

1.2. Динамика МСЭ с одномерной распределенной обратной связью. а) одночастотные и многочастотных режимы генерации в МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов. б) режим стартовой моды. в) эффект расщепления рабочей моды в сверхразмерном брэгговском резонаторе со скачком фазы гофрировки.

1.3. Экспериментальные исследования 30-ГГц МСЭ-генератора с одномерной распределенной обратной связью. а) сравнение режимов работы МСЭ с прямым и обратным ведущим магнитным полем. б) экспериментальное наблюдение конкуренции продольных мод в МСЭ с двухзеркальным брэгговским резонатором. в) высокоэффективный МСЭ на основе резонатора со скачком фазы гофрировки. г) механическая перестройка частоты излучения в МСЭ-генераторе с брэгговским резонатором. д) исследование группировки частиц в МСЭ. е) эффект расщепления мод в МСЭ со сверхразмерным брэгговским резонатором.

1.4. Использование ОИЯИ-ИПФ МСЭ-генератора для исследования теплового ресурса меди.

1.5. Продвижение МСЭ в коротковолновые диапазоны на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь бегущих и квазикритических мод.

ГЛАВА 2. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПЛАНАРНОЙ ГЕОМЕТРИИ.

2.1. Модель и основные уравнения, описывающие рассеяние волн на планарной двумерной брэгговской структуре.

2.2. Электродинамические свойства двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии.

2.3. «Холодные» измерения двумерных брэгговских резонаторов планарной геометрии.

2.4. Пространственная синхронизация излучения в планарных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью. а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором. б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал. в) многопучковый планарный МСЭ-генератор.

2.5. Экспериментальное исследование 75-ГГц МСЭ с ленточным релятивистским электронным пучком и двумерной распределенной обратной связью. а) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с двумерными брэгговскими отражателями. б) МСЭ с комбинированным резонатором, составленным из одномерного и двумерного брэгговских зеркал.

ГЛАВА 3. МСЭ-ГЕНЕРАТОРЫ С ДВУМЕРНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ

ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ КОАКСИАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ.

3.1. Модель и основные уравнения, описывающие двумерный брэгговский резонатор коаксиальной геометрии.

3.2. Особенности спектра мод двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии. а) дисперсионные характеристики нормальных волн двоякопериодически гофрированных коаксиальных волноводов. б) селекция мод в двумерных брэгговских резонаторах коаксиальной геометрии.

3.3. Динамика коаксиальных МСЭ-генераторов с двумерной распределенной обратной связью. а) МСЭ с односекционным двумерным брэгговским резонатором. б) МСЭ на основе двухзеркального резонатора с двумя двумерными брэгговскими отражателями. в) коаксиальный МСЭ с комбинированным резонатором, состоящим из одномерного и двумерного брэгговских зеркал.

3.4. Экспериментальное исследование 37-ГГц МСЭ с трубчатым релятивистским электронным пучком и двумерной распределенной обратной связью.

Актуальность темы диссертации. Создание мощных импульсных источников миллиметрового и субмиллиметрового излучения является актуальной задачей электроники больших мощностей. Потребность в таких источниках обусловлена рядом фундаментальных задач и практических приложений, включая физику плазмы и твердого тела, фотохимию, биофизику, спектроскопию, визуализацию скрытых объектов, исследование свойств различных сред и синтез новых материалов, исследование свойств атмосферы, ускорительные приложения и т.д.

В настоящее время наибольшая мощность излучения получена с помощью гиротронов [1,2], которые при использовании субрелятивистских (до 100 кэВ) электронных пучков позволили освоить миллиметровый диапазон на мегаваттном уровне мощности [3 - 6] и продвинуться в субмиллиметровый диапазон с мощностью в десятки киловатт [7, 8]. Перспективными источниками, способными обеспечить в указанных диапазонах узкополосное излучение с мультимегаваттным (~ 10 - 103 МВт) уровнем мощности, являются лазеры (мазеры) на свободных электронах (ЛСЭ, МСЭ) [9-14]. Принцип работы ЛСЭ (МСЭ) основан на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле) релятивистских электронных пучков (РЭП) в условиях доплеровского преобразования частоты [15 - 20]. Это позволяет получать излучения на частотах, существенно превосходящих частоту колебаний частиц. Таким образом, по частоте излучения ЛСЭ занимают довольно обширную область от рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного [21-40] до терагерцового диапазонов [41-52], а МСЭ -субмиллиметровый, миллиметровый и сантиметровый диапазоны [53 - 82].

Для достижения больших импульсных мощностей в микроволновом диапазоне при запитке МСЭ используются сильноточные (-0.1 - ЮкА) РЭП с умеренной энергией частиц (~ 0.5 - 1.5 МэВ). Формируются эти пучки либо ускорителями прямого действия, либо линейными индукционными ускорителями. Мощность таких пучков достигает ~0.1 - ЮГВт, а фокусировка и транспортировка в области взаимодействия, как правило, осуществляется ведущим магнитным полем. Проведенные теоретические [83 - 102, 1А - 8А] и экспериментальные [61 - 78, 9А - 17А] исследования показали, что наличие этого поля существенно влияет как на процесс формирования винтовых РЭП, так и на работу МСЭ.

Среди основных конкурентов МСЭ, также использующих доплеровское преобразование частоты, следует упомянуть мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) - генераторы, основанные на циклотронном излучении магнитонаправляемых РЭП [62, 103 - 106]. Достаточно продолжительное время оба этих прибора являлись объектом интенсивных экспериментальных исследований. Однако, как было установлено в результате этих исследований [69 - 72, 10А, 11 А], а затем подтверждено численным моделированием [8А], МСЭ с ведущим магнитным полем обладают значительно меньшей критичностью к разбросу параметров по сравнению с МЦАР и, таким образом, преимущественны с точки зрения получения большей эффективности и мощности излучения.

Традиционными электродинамическими системами МСЭ-генераторов в настоящее время стали брэгговские резонаторы, выполненные в виде отрезков волноводов со слабой однопериодической гофрировкой стенок («одномерные» брэгговские резонаторы) [62,107-110]. В традиционном варианте одномерной распределенной обратной связи (РОС), как и в предшествующих оптических аналогах [111, 112], имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн, обладающих значительной групповой скоростью. Достоинством брэгговских резонаторов является совместимость с системами транспортировки сильноточных РЭП и селективность обратной связи, которая имеет место только в узком частотном интервале вблизи брэгговской частоты. Использование брэгговских резонаторов позволило успешно реализовать узкополосные МСЭ [61, 62, 74 - 78, 9А - 17А] и МЦАР [105, 106] генераторы в длинноволновой части мм-диапазона. Одним из наиболее законченных проектов в указанном классе приборов является разработанный в совместных экспериментах ОИЯИ (Дубна) и ИПФ РАН 30-ГГц МСЭ-генератор [10А, 11 А]. Достигнутый уникальный набор параметров излучения (мощность, длительность, стабильность одномодового режима) позволил использовать указанный генератор в ряде физических и инженерных приложений [44А, 45А].

Однако во всех перечисленных экспериментах поперечные размеры брэгговских резонаторов, реализующих одномерную РОС, составляли не более нескольких (1-2) длин волн излучения, а генерируемая мощность не превышала десятков мегаватт. Дальнейшее увеличение поперечных размеров таких электродинамических систем сопряжено с потерей их селективности. Вместе с тем увеличение мощности СВЧ генераторов требует перехода к существенно более сверхразмерным электродинамическим системам.

Одним из возможных путей увеличения мощности выходного излучения МСЭ при сохранении средней плотности мощности может быть развитие пространства взаимодействия вдоль одной из поперечной координат и использование сильноточных РЭП ленточной и трубчатой конфигурации. В настоящий момент реализованы подобные пучки с характерными поперечными размерами до 102 см и запасом энергии ~ 102 - 103 кДж [113 - 116]. Очевидно, что для микроволнового диапазона ширина этих пучков на несколько порядков превосходит длину волны, и при создании генераторов на основе подобных пучков на первый план выступает проблема обеспечения режима одномодовой генерации в условии существенной сверхразмерности пространства взаимодействия.

В электронике СВЧ накоплен достаточно большой опыт эффективного решения проблемы электродинамической и электронной селекции мод [117-121]. Одним из наиболее успешных решений явилось использование квазиоптических резонаторов в виде отрезков слабонерегулярных волноводов, в которых электронный поток возбуждает моды на квазикритических частотах. Такой метод селекции широко применяется в гиротронах [1, 2] и оротронах [122, 123] и позволяет использовать в этих приборах существенно сверхразмерные электродинамические системы. Так в современных мощных гиротронах одномодовая генерация реализована при диаметре резонатора, составляющем до 20 - 30 длин волн [3 - 6]. Однако в МСЭ и ЛСЭ, работающих на быстрых, распространяющихся вдоль электронного потока, волнах, эти методы селекции не применимы.

Эффективная селекция мод в МСЭ с поперечно-развитым пространством взаимодействия может быть достигнута путем использования двумерной распределенной обратной связи, реализуемой с помощью так называемых «двумерных» брэгговских резонаторов [65А, 66А]. Эти резонаторы представляют собой отрезки планарных или коаксиальных волноводов с двоякопериодической гофрировкой. На такой гофрировке оказываются связанными четыре парциальные волны, две из которых распространяются вдоль поступательного движения электронов и во встречном направлении (подобно традиционным брэгговским резонаторам [107-112]), а две другие - в поперечном (азимутальном) направлении. Включение в цепь обратной связи поперечно-распространяющихся волновых потоков позволяет обеспечить эффективную селекцию мод по поперечному (азимутальному) индексу (по «широкой» поперечной координате) и пространственную когерентность излучения пространственно-развитых РЭП ленточной или трубчатой геометрии. Одновременно, параллельные электронному потоку пластины двумерного резонатора, как и их одномерные аналоги, позволяют осуществить устойчивую транспортировку сильноточных РЭП в ведущем продольном магнитном поле. Согласно результатам моделирования, в МСЭ планарной и коаксиальной геометрии с двумерной РОС при оптимальных условиях возможно обеспечение стабильного режима одномодовой генерации при поперечных размерах системы, достигающих 102 - 103 длин волн [78А - 82А, 109А-112А]. Работоспособность нового механизма обратной связи в миллиметровом диапазоне подтверждена экспериментально в совместных экспериментах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН (Новосибирск), Стратклайдского университета (г.Глазго, Великобритания) и Исследовательского центра Карлсруе (Германия) для обеих упомянутых выше геометрий при сверхразмености систем до 25 длин волн [98А - 100А, 118А].

Следует отметить, что в последние годы значительный интерес проявляется к исследованию так называемых фотонных кристаллов [124, 125], представляющих собой диэлектрические структуры с двумерной или трехмерной периодичностью. Для фотонных кристаллов характерна глубокая модуляция диэлектрической проницаемости, в результате которой в подобных структурах возникают зоны непрозрачности при произвольном направлении распространения волны (которые аналогичны запрещенным зонам в твердом теле). В таких условиях введение дефектов периодичности приводит к появлению локализованных вблизи дефекта собственных мод, частоты которых лежат внутри зоны непрозрачности. Отличительной особенностью двумерных брэгговских структур является малая вариация параметров (глубина гофра или модуляция диэлектрической проницаемости). При этом глобальной запрещенной зоны не образуются (указанные структуры прозрачны при всех углах падения внешней волны, за исключением лежащих вблизи направления распространения четырех парциальных волн), однако высокодобротные моды в окрестности брэгговской частоты возникают в отсутствие дефектов периодичности [75А, 76А]. При этом наряду с высокой селективностью важным достоинством двумерных брэгговских структур является пространственная структура фундаментальной моды, которая достаточно равномерно распределена по объему, а не сосредоточена вблизи дефекта. Эта обстоятельство позволяет обеспечить эффективное взаимодействие с пространственно-развитыми активными средами, включая электронные пучки ленточной и трубчатой геометрии.

В то же время, задача укорочения длины волны излучения требует развития пространства взаимодействия и по второй («узкой») поперечной координате. Данная проблема может быть решена на основе модифицированных брэгговских резонаторов, использующих связь квазикритических и распространяющихся мод [47А, 48А]. В этой схеме МСЭ электронный поток в условиях большого доплеровского преобразования частоты усиливает попутную волну, которая брэгговской структурой связана с квазикритической волной, обеспечивающей самовозбуждение генератора и селекцию мод по поперечному индексу. Это позволяет объединить присущее мазерам на свободных электронах большое доплеровское преобразование частоты и присущую гиротронам и оротронам селективность по поперечным индексам мод, которая в указанной схеме сохраняется до поперечных размеров системы ~ 10 - 20 длин волн [53А, 63А]. Представляет интерес также использование гибридных резонаторов, составленных из двумерного и модифицированного брэгговских зеркал. Комбинация механизмов селекции, реализуемых в данных структурах, позволяет обеспечить развитие системы по обеим поперечным координатам. На базе существующих пучков использование новых принципов обратной связи позволяет в перспективе реализовать узкополосные генераторы микроволнового излучения с гигаваттным уровнем мощности.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование МСЭ с одномерной и двумерной распределенной обратной связью на основе сильноточных магнитонаправляемых РЭП, поиск путей увеличения их мощности, повышения КПД и обеспечения устойчивости режима узкополосной одномодовой генерации. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:

- исследование условий формирования винтовых РЭП в комбинированном -ондуляторном и ведущем - магнитном поле и особенностей электронно-волнового взаимодействия в МСЭ с магнитонаправляемыми РЭП;

- исследование возможности улучшения селективных свойств брэгговских резонаторов в условиях большой сверхразмерности;

- исследование пространственно-временной динамики и условий установления одномодовых и многомодовых режимов в МСЭ-генераторах с одномерной и двумерной РОС;

- реализация макетов мощных узкополосных МСЭ-генераторов с брэгговскими резонаторами различных типов в миллиметровом диапазоне длин волн;

- исследование возможности использования брэгговского МСЭ-генератора в ускорительных приложениях.

Научная ценность и новизна результатов:

1. Построена нелинейная теория МСЭ с ведущим магнитным полем, основанная на использовании усредненного описания движения частиц. Исследованы особенности формирования винтовых РЭП и их энергообмена при различных соотношениях между гиро- и баунс-частотами. Найдены оптимальные режимы работы МСЭ, продемонстрирована возможность увеличения их эффективности.

2. Теоретически и экспериментально исследованы условия реализации одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с одномерными брэгговскими резонаторами различных типов. При умеренной поперечной сверхразмерности (1-2 длины волны) показаны преимущества использования брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки с точки зрения повышения КПД и устойчивости одномодовой генерации.

3. Продемонстрирована возможность работы брэгговского МСЭ-генератора на высокодобротную резонансную нагрузку. На основе 30-ГГц МСЭ реализован стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных ВЧ-импульсов.

4. Проведен анализ электродинамических свойств и «холодное» тестирование новых типов брэгговских резонаторов, в том числе, двумерных брэгговских резонаторов и модифицированных резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показаны их преимущества перед традиционными аналогами с точки зрения поддержания селективности в условиях существенной свехразмерности пространства взаимодействия.

5. Исследована возможность использования двумерной РОС для получения мощного пространственно-когерентного излучения в генераторах, запитываемых широкими (в масштабе длины волны) ленточными и трубчатыми РЭП. Развита концепция сверхмощных МСЭ-генераторов с двумерной РОС на основе подобных пучков.

6. В миллиметровом диапазоне длин волн продемонстрирована работоспособность новых схем МСЭ с одномерной и двумерной РОС.

Практическое значение работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к созданию МСЭ с рекордными параметрами излучения. Данные генераторы могут быть использованы в ряде фундаментальных и инженерных приложений. На основе реализованного ОИЯИ-ИПФ МСЭ разработан стенд для исследования свойств материалов под воздействием мощных микроволновых импульсов.

Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть также использованы при разработке других мощных узкополосных электронных мазеров, а также при создании высокоселективных электродинамических систем мм и суб-мм диапазонов.

Положения, выносимые на защиту:

1. В МСЭ-генераторах на основе интенсивных магнитонаправляемых релятивистских электронных пучков, обладающих значительным разбросом параметров, оптимальными с точки зрения получения высокого электронного КПД являются режимы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля.

2. В МСЭ с двухзеркальными резонаторами на основе традиционных брэгговских зеркал, в которых имеет место связь двух встречно-распространяющихся волн (МСЭ с одномерной распределенной обратной связью), одномодовый режим генерации устанавливается в результате нелинейной конкуренции мод и при изменении параметров пучка носит мультистабильный характер. Использование брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки позволяет при поперечной свехразмерности пространства взаимодействия 1 - 2 длины волны обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации с КПД до 20 - 30%.

3. В качестве электродинамических систем мощных МСЭ-генераторов, работающих в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах, могут быть использованы модифицированные брэгговские резонаторы, основанные на связи бегущих и квазикритических волн. Наличие в цепи обратной связи квазикритических волн позволяет улучшить селективные характеристики по сравнению с традиционными аналогами и обеспечить режим стабильной одномодовой генерации в МСЭ при сверхразмерности пространства взаимодействия до 10 длин волн, достаточной для транспортировки интенсивных релятивистских пучков.

4. При использовании двумерных брэгговских резонаторов планарной и коаксиальной геометрии с неглубокой двоякопериодической гофрировкой поверхности могут быть реализованы мощные МСЭ-генераторы с двумерной распределенной обратной связью. Возникающие в такой системе поперечные (по отношению к направлению распространения электронного пучка) волновые потоки позволяют синхронизовать излучение релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии с поперечными размерами, достигающими 102 - 103 длин волн. 5. Экспериментально показано, что комбинация методов селекции и управления волновыми потоками, реализуемых в одномерных и двумерных брэгговских структурах, позволяет обеспечить узкополосную одномодовую генерацию в МСЭ на основе интенсивных релятивистских электронных пучков и реализовать когерентные источники микроволнового излучения мультимегаваттного уровня мощности.

Использование результатов работы. Результаты работы использованы в экспериментах с МСЭ, проводимых в ИПФ РАН, ОКЯИ (г. Дубна), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), Стратютайдском университете (г. Глазго, Великобритания), Университете г. Каназава (Япония) и др., в холодных исследованиях двумерных брэгговских структур, проводимых в ИПФ РАН и Исследовательском центре Карлсруе (Германия), а также при выполнении работ по грантам РФФИ (№№ 94-02-04481, 97-0217379, 98-02-17665, 00-02-17232, 01-02-16749, 02-02-17438, 03-02-16530, 04-02-17118, 05-02-16833, 05-02-17036, 06-02-01845, 06-08-01506, 06-08-08199, 07-02-00617, 08-0800966, 09-02-00422, 09-08-00743, 10-02-01395), ИНТАС (97-32041, YSF 2001/2-155, 01-1В-2192 и 03-51-5319), МНТЦ (97-531), Королевского общества Великобритании (RS-NATO-99A), Международного научного фонда и Правительства России (R8B000, R8B300, 94-02-04481, 96-02-18971), Федеральной программы поддержки ведущих научных школ (грант № НШ-1640), Комплексных программ фундаментальных научных исследований Президиума РАН («Наносекундная релятивистская электроника большой мощности», «Фундаментальные проблемы нано- и пикосекундной электроники большой мощности», «Фундаментальные проблемы релятивистской импульсной и стационарной электроники большой мощности» и «Проблемы физической электроники в системах большой мощности»), Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» («Физика микроволн»), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы и др.

Публикации и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1А - 123А] и докладывались автором на V и VII Всесоюзных семинарах «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький 1987; Томск 1991), VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск 1990), Всесоюзном семинаре «Волновые и колебательные явления в электронных приборах

О-типа» (Ленинград 1990), Всесоюзной школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Москва 1991), Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1991, 2002, 2004), IX Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург-Москва 1992), Всесоюзных школах-семинарах по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992, 1994), Всероссийском семинаре по физике микроволн (Н.Новгород 1996, 1999), Всероссийских семинарах по физике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Н.Новгород 2005, 2007, 2009), II Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск 1995), 12, 17 и 18 Российско-германских семинарах по гиротронам и электронно-циклотронному нагреву плазмы (Н.Новгород 2000, 2006, Графсвальд, Германия 2005), 23 и 24 Международных конференциях по физике плазмы (Великобритания, Крифф 1996, Лиидз 1997), XXV и XXVI Генеральных ассамблеях Международного радиофизического общества (Франция, Лилль 1996, Канада, Торонто 1999), II - VII Международных совещаниях «Мощные микроволны в плазме» (Н.Новгород 1993, 1996, 1999, 2002, 2005, 2008), X, XI, XV и XVI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996, Санкт-Петербург, 2004, Великобритания, Оксфорд 2006), 31, 32 и 35 Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Китай, Шанхай 2006, Великобритания, Кардифф 2007, Рим, Италия 2010), Международной конференции по Терагерцовому излучению (Новосибирск 2010), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН, ИЯФ СО РАН, ОИ.ЯИ, Стратклайдского университета (г. Глазго, Великобритания), Исследовательского центра Карлсруе (Германия) и др.

Материалы диссертации частично вошли в цикл работ «Разработка высокоэффективного узкополосного МСЭ-генератора для линейных электрон-позитронных коллайдеров» (совместно с А.К.Каминским, С.Н.Седых и др.), удостоенный премии ОИЯИ в 1998 г., и «Теоретическое и экспериментальное исследование мощных мазеров на свободных электронах» (совместно с А.В.Савиловым и С.В.Самсоновым), удостоенный Медали РАН с премией для молодых ученых в 2000 г.

Личный вклад автора. В работах [1А - 4А] развит подход к нелинейной теории МСЭ с ведущим магнитным полем, основанный на усредненном описании движения частиц. Исследованы особенности энергообмена интенсивных магнитонаправляемых РЭП в МСЭ, показаны механизмы увеличения их эффективности [5А-7А, 13А].

Объяснен высокий КПД, реализованный в МСЭ с обратным ведущим полем [9А] и продемонстрированы их преимущества перед МЦАР [8А].

На основе пространственно-временного подхода, развитого Н.С.Гинзбургом и А.С.Сергеевым, соискателем проведено моделирование МСЭ с брэгговскими резонаторами различных типов, определены условия установления одномодовой и многомодовой генерации [16А, 18А-25А]. Продемонстрирована возможность достижения высокого КПД при использовании брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки [10А, 11 А]. Разработаны электродинамические системы МСЭ, реализованного на основе ускорителя ЛИУ-3000 (ОИЯИ) [27А -34А]. Экспериментальные исследования этого МСЭ [26А, 35А - 40А] ведутся совместно с А.К.Каминским и С.Н.Седых и др. в ОИЯИ. В последние годы автор принимал ключевое участие в создании стенда для исследования свойств материалов на основе реализованного МСЭ-генератора [41А - 45А].

Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских резонаторов, основанных на связи бегущих и квазикритических волн [46А - 48А], показаны их высокие селективные свойства данных резонаторов вплоть до суб-мм диапазона [49А - 55А]. Для демонстрации работоспособности новой схемы МСЭ проведены моделирующие эксперименты в 8-мм диапазоне длин волн с упомянутыми выше соавторами [56А].

Идея использования двумерной распределенной обратной связи предложена Н.С.Гинзбургом при участии А.С.Сергеева и соискателя в работах [65А - 67А, 101 А]. Последнему принадлежит построение электродинамический теории двумерных брэгговских резонаторов и исследование их характеристик в «холодных» тестах [68А -74А, 102А - 106А, 113А], в частности, демонстрация существования основной моды в центре брэгговской полосы [75А, 76А]. Автором проведено моделирование различных схем МСЭ с двумерной РОС [77А - 94А, 108А - 112А].

Эксперименты по созданию мощных МСЭ с двумерной РОС проводятся на крупномасштабных стендах, и как следствие, экспериментальные работы [95А -100А, 114А - 119А] написаны в большом коллективе соавторов. В исследованиях планарной схемы МСЭ, которые выполняются в ИЯФ СО РАН совместно с А.В.Аржанниковым, С.Л.Синицким и др., автор проводил расчеты электронно-волнового взаимодействия, разработку и оптимизацию электродинамических систем, а также принимал непосредственное участие в обработке, интерпретации и обсуждении экспериментальных результатов. Создание специализированного стенда для исследования коаксиальной схемы МСЭ с двумерной РОС проводилось в Страклайдском университете при участии ИПФ РАН, в проектировании и расчете всех его ключевых компонентов соискатель выступал как основной исполнитель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 307 страниц, включая 2 таблицы и 183 рисунка, списки цитированной литературы (166 наименований) и авторских публикаций (123 наименования), размещенные на 22 страницах.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. В рамках усредненного описания построена нелинейная теория МСЭ с винтовым ондулятором и ведущим магнитным полем. Исследованы особенности энергоотдачи релятивистских электронных пучков при различных соотношениях между гиро- (сон) и баунс- (фь) частотами. Показано, что режимы работы, удаленные от циклотронного резонанса, в том числе, режим обратного ведущего поля обладают низкой чувствительностью к начальному разбросу параметров пучка и обеспечивают высокий электронный КПД. МСЭ в указанных режимах обладают меньшей критичностью к разбросу параметров электронных пучков по сравнению с МЦАР. При работе МСЭ в режимах близких к циклотронному резонансу в области юн < ^ь процесс генерации характеризуется снижением эффективности и сопровождается уменьшением токопрохождения пучка. Вместе с тем, в области юн > при запитке МСЭ ультрарелятивистскими пучками существует возможность увеличения КПД, основанная на использовании зависимости массы электронов-осцилляторов от их энергии.

2. Исследованы режимы одномодовой и многомодовой генерации в МСЭ с одномерной распределенной обратной связью. Показано, что в МСЭ с двухзеркальным резонатором оптимальной добротности одномодовый режим устанавливается на нелинейной стадии в результате конкуренции мод, а увеличение добротности приводит к реализации многомодовых режимов с низким электронным КПД. Электродинамическая селекция по продольному индексу, реализуемая при умеренной сверхразмерности в резонаторе со скачком фазы гофрировки, позволяет обеспечить устойчивый режим одномодовой генерации в МСЭ с высоким электронным КПД.

3. Оптимизация режимов электронно-волнового взаимодействия и геометрии электродинамической системы позволили реализовать в 8-мм диапазоне длин волн МСЭ с выходной мощностью на уровне 20 - 30 МВт и шириной спектра излучения около 6-7 МГц, близкой к теоретическому пределу. Рекордный для данного класса генераторов набор параметров (эффективность, мощность, стабильность одномодового режима генерации) достигнут при использовании обратного ведущего поля и брэгговского резонатора со скачком фазы гофрировки. Продемонстрирована механическая перестройка частоты излучения генератора в полосе 6%.

4. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность работы МСЭ с брэгговским резонатором на резонансную нагрузку. Показано, что для стабильной работы МСЭ и эффективной передачи энергии в нагрузку необходимо согласование резонансных частот, а также достаточно большое время задержки (до 10-20 не) отраженного сигнала и наличие определенных потерь (10 - 15%) в передающем тракте. Полученные результаты использованы в совместных экспериментах ОИЯИ и ИПФ РАН по исследованию ресурса высокоградиентных ускоряющих структур по отношению к импульсным циклическим тепловым нагрузкам на частоте 30 ГГц.

5. Для продвижения МСЭ в коротковолновые диапазоны предложено использование модифицированных брэгговских структур, основанных на связи бегущих и квазикритических волн. Показано, что при оптимальных параметрах частота генерации оказывается близкой к частоте отсечки квазикритической волны, возбуждающейся в модифицированной брэгговской структуре. В качестве демонстрационного эксперимента, подтверждающего работоспособность резонатора данного типа, реализован узкополосный МСЭ 8мм диапазона длин волн с мультимегаваттным уровнем мощности.

6. Теоретически и экспериментально исследованы электродинамические свойства двумерных пленарных и коаксиальных двумерных брэгговских резонаторов с двоякопериодической гофрировкой поверхности, продемонстрированы их высокие селективные свойства при больших параметрах Френеля. Исследован эффект просветления планарной двумерной структуры в окрестности частоты точного брэгговского резонанса в случае падения несимметричной внешней волны, обусловленный возбуждением основной высокодобротной моды. Формирование высокодобротных мод в центре брэгговской полосы в отсутствие дефектов периодичности является принципиальным отличием двумерных брэгговских структур от одномерных аналогов, а также от фотонных структур.

7. Определены условия реализации стационарных режимов генерации в планарных и коаксиальных МСЭ, основанных на использовании двумерной распределенной обратной связи. Комбинация электродинамических и электронных механизмов селекции в МСЭ данного типа позволяет получить мощное узкополосное излучение от широких в масштабах длины волны релятивистских электронных пучков ленточной и трубчатой геометрии. Показано, что с точки зрения снижения уровня омических потерь и увеличения электропрочности оптимальными являются МСЭ с комбинированными резонаторами, составленными из входного двумерного и выходного одномерного брэгговских зеркал. При этом стабильность одномодового режима генерации в МСЭ планарной геометрии может быть увеличена путем замыкания поперечных волновых потоков в двумерной брэгговской структуре.

8. В миллиметровом диапазоне длин волн реализованы схемы планарных и коаксиальных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью. Продемонстрирована эффективная селекция мод по поперечному (азимутальному) индексу при сверхразмерности электродинамических систем до 25 длин волн и мультимегаваттной выходной мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Гапонов А.В., Гольденберг А.Л., Григорьев Д.П., Орлова И. М., Панкратова Т.Б., Петелин М.И. Индуцированное циклотронное излучение электронов в открытых резонаторах 1. Письма в ЖЭТФ. 1965. Т.2, № 9. С.430-435.

2. Гапонов А.В., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в электронике II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1967. Т. 10, №9-10. С. 1415-1453.

3. Denisov G.G., Litvak A.G., Myasnikov V.E., е.а. Gyrotrons for fusion research. State of the art and progress trends II In book: «Strong Microwaves: Sources and Applications», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, 2009. V.l. P. 15-26.

4. Sakamoto K., Kajiwara K., Kasugai A., e.a. High power 170 GHz gyrotron development in JAEA И In book: «Strong Microwaves: Sources and Applications», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, 2009. V.l. P.7-14.

5. Piosczyk В., Dammertz G., Dumbrajs O., e.a. 165-GHz coaxial cavity gyrotron // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.3. P.853-860.

6. Blank M., Felch K., Borchard P., e.a. Demonstration of a high-power long-pulse 110-GHz gyrotron oscillator II IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.3.1. P.867-876.

7. Glyavin M.Yu., Luchinin A.G., Golubiatnikov G.Yu. Generation of 1.5-kW, 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field II Phys. Rev. Lett. 2008. V.l00. P.015101.

8. Bratman V.L., Kalynov Yu.K., Manuilov V.N. Large-orbit gyrotron operation in the terahertz frequency range И Phys. Rev. Lett. 2009. V.102. P.245101.

9. Гинзбург В.Л. Об излучении микрорадиоволн и их поглощении в воздухе II Изв. АН СССР, Сер. Физ. 1947. Т.11, №12. С.165-173.

10. Motz Н. Application of radiation from fast electron beams // J. Appl. Phys. 1951. V.22, no.5. P.527-536.

11. Pantell R.H., Soncini G., Puthoff H.E. Stimulated photon-electron scattering II IEEE J. Quantum Electron. 1968. V.QE-4, no.l 1. P.905-907.

12. Madey J.M.J. Stimulated emission of bremsstrahlung in a periodic magneto-static field Hi. Appl. Phys. 1971, no.5. P.1906-1913.

13. Madey J.M.J., Schwettman H.A., Fairbank W.M. A free-electron laser II IEEE Trans. Nucl. Sci. 1973. V.20, no.3. P.980-983.

14. Deacon D.A.G., Elias L.R., Madey J.M.J, et. al. First operation of free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1977. V.38, no.16. P.892-894.

15. Gover A., Sprangle P. A unified theory of magnetic bremsstrahlung, electrostatic bremsstrahlung, Compton-Raman scattering, and Cerenkov-Smith-Purcell free-electron laser // IEEE J. Quant. Electr. 1981. V.QE-17, no.8. P.l 196-1216.

16. Братман В.Л., Гинзбург Н.С. Лазеры на свободных электронах II Физический энциклопедический словарь. М.: «Сов. Энциклопедия», 1983. С.343.

17. Bratman V.L., Ginzburg N.S., Petelin M.I. Common properties of free electron lasers // Optics Commun. 1979. V.30, no.3. P.409-420.

18. Федоров М.В. Взаимодействие электронов с электромагнитными волнами в лазерах на свободных электронах ИУФН. 1981. №2. С.213-236.

19. Marshall Т.С. Free-electron laser. New York: Macmillan, 1985. 367 p.

20. Roberson C.W., Sprangle P. A review of free-electron lasers II Phys. Fluids. 1989. V.l, no.l.P.3-67.

21. Boehmer H., Gapony M.Z., Edighoffer J. et. al. Variable-wiggler free-electron laser experiment II Phys. Rev. Lett. 1982. V.48, no.3. P. 141-144.

22. Billardon V., Elleaume P., Ortega J.M. et. al. First operation of storage-ring free-electron laser // Phys. Rev. Lett. 1983. V.51, no. 18. P. 1652-1654.

23. Warren R.W., Newnam B.E., Winston J.C. et. al. Results of the Los Alamos free-electron laser И IEEE J. of Quant. Electr. 1983. V. QE-19, no.3. P.391-400.

24. Knippels G.M.H., Mols R.F.X.A.M., Van der Meer A.F.G., e.a. Intense far-infrared Free-Electron Laser pulses with a length of six optical cycles // Phys. Rev. Lett. 1995. V.75. P.1755-1758.

25. Andruszkow J., Aune В., Ayvazyan V., e.a. First observation of self-amplified spontaneous emission in a Free-Electron Laser at 109 nm wavelength II Phys. Rev. Lett. 2000. V.85. P.3825-3829.

26. Neil G.R., Bohn C.L., Benson S.V., e.a. Sustained kilowatt lasing in a Free-Electron Laser with same-cell energy recovery II Phys. Rev. Lett. 2000. V.84. P.662-665.

27. Nishimori N., Hajima R., Nagai R., Minehara E.J. Sustained saturation in a Free-Electron Laser oscillator at perfect synchronism of an optical cavity II Phys. Rev. Lett. 2001. V.86. P.5707-5710.

28. Trovo M., Clarke J.A., Couprie M.E., e.a. Operation of the European storage ring FEL at ELETTRA down to 190 nm II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2002. V.A483. P.157-161.

29. Douglas D.R., Jordan K.C., Merminga L., e.a. Experimental investigation of multibunch, multipass beam breakup in the Jefferson Laboratory Free Electron Laser upgrade driver II Phys. Rev. ST-AB. 2006. V.9. P.064403.

30. Wu Y. K., Vinokurov N. A., Mikhailov S., e.a. High-gain lasing and polarization switch with a distributed optical-klystron Free-Electron Laser II Phys. Rev. Lett.2006. V.96. P.224801.

31. Saldin E.L., Schneidmiller E.A., Yurkov M.V. Properties of the third harmonic of the radiation from self-amplified spontaneous emission free electron laser II Phys. Rev. ST-AB. 2006. V.9. P.030702.

32. Hau-Riege S.P., London R.A., Chapman H.N., Bergh M. Soft-x-ray free-electron laser interaction with materials II Phys. Rev. E. 2007. V.76. P.046403.

33. Wang X. J., Watanabe Т., Shen Y., e.a. Efficiency enhancement using electron energy detuning in a laser seeded free electron laser amplifier 11 Appl. Phys. Lett.2007. V.91.P.181115.

34. De Ninno G., Allaria E., Coreno M., e.a. Self-induced harmonic generation in a storage-ring Free-Electron Laser II Phys. Rev. Lett. 2008. V.100. P.104801.

35. Singer A., Vartanyants I. A., Kuhlmann M., e.a. Transverse-coherence properties of the Free-Electron Laser FLASH at DESY II Phys. Rev. Lett. 2008. V.l01. P.254801.

36. Shintake Т., Tanaka H., Нага Т., е.а. Stable operation of a self-amplified spontaneous-emission free-electron laser in the extremely ultraviolet region П Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.070701.

37. Prazeres R., Berthet J.-P., Glotin F., e.a. Laser beam profile analysis of a hole coupled free-electron laser // Phys. Rev. ST-AB. 2010. V.13. P.090702.

38. Reschke D., Bandelmann R., Buettner Т., e.a. Preparatory procedure and equipment for the European x-ray free electron laser cavity implementation II Phys. Rev. ST-AB. 2010. V.13. P.071001.

39. Prat E., Decking W., Limberg T. Dispersion effects on performance of the free-electron laser FLASHII Phys. Rev. ST-AB. 2010. V.13. P.040701.

40. Liu S.Y., Ogi Y., Fuji Т., e.a. Time-resolved photoelectron imaging using a femtosecond UV laser and a VUVfree-electron laser I I Phys. Rev. A. 2010. V.81. P.031403.

41. Elias L.R., Ramian G., Hu J., Amir A. Observation of single-mode operation in free-electron /aser//Phys. Rev. Lett. 1986. V.57, no.4. P.424-427.

42. Винокуров H.A. Лазеры на свободных электронах на электронных накопителях // В кн: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1990. Вып.6. С. 162-184.

43. Urata J., Goldstein М., Kimmit M.F., e.a. Superradiant Smith-Purcell emission II Phys. Rev. Lett. 1998. V.80. P.516-519.

44. Doria A., Gallerano G.P., Giovenale E., e.a. A metal-grating FEL experiment at the ENEA compact-FEL facility II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2001. V.A475. P.318-322.

45. Doria A., Gallerano G.P., Giovenale E. Free electron broad-band THz radiator II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2002. V.A483. P.461-465.

46. Jeong Y.U., Kazakevitch G.M., Lee B.C., e.a. Status and prospects of a compact FIR FEL driven by a magnetron-based microtron // Nuclear Instr. and Method in Phys. Res. 2002. V.A483. P.195-199.

47. Kazakevich G.M., Pavlov V.M., Jeong Y.U., Lee B.C. Magnetron-driven microtron injector of a terahertz free electron laser II Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.040701.

48. Andrews H. L., Brau C. A., Jarvis J. D., e.a. Observation of THz evanescent waves in a Smith-Purcell free-electron laser // Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.080703.

49. Batrakov A.M., Bolotin V.P., Dubrovin A.N., e.a. Status of the free electron laser for the Siberian centre for photochemical research II Nuclear Instr. and Method in Phys. Res. 2001. V.A470. P.60-65.

50. Bolotin V.P., Vinokurov N.A., Kayran D.A., e.a. Status of the Novosibirsk terahertz FEL //Nuclear Instr. and Method in Phys. Res. 2005. Vol. A543. P.81-84.

51. Винокуров H.A., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н. и др. Визуализация излучения мощного терагерцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра IIЖТФ. 2007. Т.77, №7. С.91-99.

52. Dem'yanenko М.А., Esaev D.G., Knyazev В.А., e.a. Imaging with a 90 frames/s microbolometer focal plane array and high-power terahertz free electron laser II Appl. Phys. Lett. 2008. V.92. P.131116.

53. Birkett D.C., Marshall T.C., Schlesinger S.P., McDermot D.B. A sub-millimeter free-electron laser experiment II IEEE J. Quant. Electr. 1981. V.QE-17, no.8. P.1348-1354.

54. Urbanus W.H., Bongers W.A., van der Geer C.A.J., e.a. High-power electrostatic free-electron maser as a future source for fusion plasma heating: experiments in the short-pulse regime II Phys. Rev. E. 1999. V.59, no.5. P.6058-6063.

55. Urbanus W.H., Bratman V.L., Savilov A.V., et al. Long-pulse operation at constant output power and single-frequency mode of a high-power electrostatic free-electron maser with depressed collector II Phys. Rev. Lett. 2002. V.89, no.21. P.214801.

56. Takahashi S., Ramian G., Sherwin M.S., e.a. Submegahertz linewidth at 240 GHz from an injection-locked free-electron laser II Appl. Phys. Lett. 2007. V.91. P.174102.

57. Phillips R.H. The ubitron, a high-power travelling-tube based on a periodic beam interaction in unloaded waveguide II IRE Trans. Electron Devices. 1966. V.ED-7, no.4. P.231-241.

58. Orzechowsky T.J., Sharlemann E.T., Anderson B.R. et. al. High-gain free-electron laser using induction linear accelerators И IEEE J. Quant. Electr. 1985. V.QE-21, no.3. P.344-356.

59. Orzechowsky T.J., Anderson B.R., Clark J.C. el. al. High-efficiency of microwave radiation from tappered-wiggler free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1986. V.57, no. 17. P.2172-2174.

60. McDermot D.B., Marshall T.C., Sclesinger S.E. et. al. High-power free-electron laser on stimulated Raman backscattering И Phys. Rev. Lett. 1978. V.41, no.5. P.1368-1371.

61. Ботвинник И.Е., Братман B.JI., Волков А.Б. и др. Мазеры на свободных электронах с брэгговсктшрезонаторами II Письма в ЖЭТФ. 1982. Т.35, №10. С.418-425.

62. Bratman V.L., Denisov G.G., Ginzburg N.S., Petelin M.I. FEL's with Bragg reflection resonators: cyclotron autoresonance masers versus ubitrons II IEEE J. Quant. Electr. 1983. V.QE-19, no.3. P.282-296.

63. Carmel J., Granatstein V.L., Gover A. Demonstration of a two stage backward wave-oscillator free-electron laser II Phys. Rev. Lett. 1983. V.51, П0.7.Р.566-569.

64. Gold S.H., Hardesty D.L., Kinkead A.K. et.al. High-gain 35-GHz free-electron laser amplifier experiment II Phys. Rev. Lett. 1984. V.52, no.14. P.1218-1222.

65. Ельчанинов A.C., Коровин С.П., Месяц Г.А., Ростов В.В. Вынужденное ондуляторное излучение в режиме высокого КПД И Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10, №18. С.113-117.

66. Григорьев В.П., Диденко А.Н., Мельников Г.В. и др. Вынужденное излучение электронного пучка в ондуляторе в условиях циклотронного резонанса с комбинационной волной II Радиотехника и электроника. 1985. Т.30, №7. С.1397-1402.

67. Fajans Т., Bekefi G., Yin Y.Z., Lax В. Microwave studies of tunable free-electron laser in combined axial and wiggler magnetic fields II Phys. Fluids. 1985. V.28, no.6. P.1995-2007.

68. Kehs R., Carmel J., Granatstein V.L., Destler W.W. Free-electron laser pumped by powerful traveling electromagnetic wave II IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V.18, №3. P.437-446.

69. Kaminsky A.A., Kaminsky A.K., Rubin S.B. Experiments on the efficiency increase ofFEL amplifier on the base ofLIU-3000 II Particle Accelerators. 1990. V.33. P.189-194.

70. Conde M.E., Bekefi G. Experimental study of a 33.3 GHz free electron laser amplifier with a reversed axial guide magnetic field II Phys. Rev. Lett. 1991. V.67, no.22. P.3082-3088.

71. Conde M.E., Bekefi G. Amplification and superradiant emission from 33.3GHz free-electron laser with a reversed axial guide magnetic field И IEEE Trans. Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.240-244.

72. Kaminsky A.A., Kaminsky A.K., Sarantsev V.P., e.a. Investigation of a microwave FEL with a reversed guide field II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1994. V.A341. P. 105-108.

73. Ciocci F., Bartolini R., Doria A., Gallerano G.P., e.a. Operation of a compact free-electron laser in the millimeter-wave region with a bunched electron beam И Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. P.928-931.

74. Chu T.S., Hartemann F.V., Danly B.G., Temkin R.J. Single-mode operation of a Bragg Free-electron maser oscillator II Phys. Rev. Letters. 1994. V.72, no. 15. P.2391-2395.

75. Mima K., Imasaki K., Kuruma S., e.a. Theory and experiments for the induction linac FEL И Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1991. V.A285. P.47-52.

76. Wang M., Wang Z., Chen J., e.a. Experiments of a raman free electron laser with distributed feedback cavity II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research. A. 1991. V.A304. P.l 16-120.

77. Boscolo I., Giuliani F., Valentini M. A 1-MW, J-mm continuous-wave FELtron for toroidal plasma heating // IEEE Trans, on Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.256-262.

78. Zambon P., Witteman W.J., Van der Slot P.J.M. Comparison between a FEL amplifier and oscillator II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1994. V.341. P.88-92.

79. Gardelle J., Labrouche J., Rullier J.L. Direct observation of beam bunching produced by a high power microwave Free-Electron Laser II Phys. Rev. Lett. 1996. V.76, no.24. P.4532-4535.

80. Arbel M., Abramovich A., Eichenbaum A.L., Gover A., e.a. Super-radiant and stimulated super-radiant emission in a pre-bunched beam Free Electron Maser // Phys. Rev. Lett. 2001. V.86. P.2561-2564.

81. Socol Y., Gover A., Eliran A., e.a. Coherence limits and chirp control in long pulse free electron laser oscillator И Phys. Rev. ST-AB. 2005. V.8. P.080701.

82. Eliran A., Gover A., Pinhasi Y., e.a. Statistical study of undulator radiated power by a classical detection system in the mm-wave regime I I Phys. Rev. ST-AB. 2009. V.12. P.050701.

83. Братман В.Д., Гинзбург Н.С., Петелин М.И., Сморгонский А.В. Убитроны и скаттроны IIВ кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1979. С.217-248.

84. Канавец В.И., Кубарев В.А., Черепенин В.А. Рассеяние электромагнитных волн на релятивистском электронном потоке IIЖТФ. 1977. Т.47, №2. С.2472-2477.

85. Кондратенко A.M., Салдин E.JI. Генерация когерентного излучения пучком релятивистских электронов в ондуляторе II ЖТФ. 1981. Т.51, №8. С. 16331642.

86. Bernstein I.B., Friedland L. Theory of the free-electron laser in combined helical pump and axial guide fields II Phys. Rev. A. 1981. V.23, no.2. P.816-818.

87. Friedland L., Fructhman A. Amplification on relativistic electron beams in combined helical pump and axial guide fields II Phys. Rev. A. 1982. V.25, no.5. P.2693-2076.

88. Freund H.P., Sprangle P., Dillenberg D. et.al. Coherent and incoherent radiation from free-electron laser with axial guide field II Phys. Rev. A. 1981. V.24, no.4. P.1965-1979.

89. Freund H.P., Jounston S., Sprangle P. Three-dimensional theory of free-electron laser with axial guide field И IEEE J. of Quant. Electr. 1983. V.QE-19, no.3.1. P.322-327.

90. Freund H.P. Nonlinear analysis of free-electron laser amplifiers with axial guide fieldII Phys. Rev. A. 1983. V.27, no.4. P.1977-1988.

91. Ganguly A.K., Freund H.P. // High efficiency operation of free-electron laser amplifiers II IEEE Plasma Science. 1988. V.16, no.2. P.167-173.

92. Freund H.P.,Ganguly A.K. Nonlinear simulation of high-power collective free-electron laser II IEEE Trans. Plasma Sci. 1992. V.20, no.3. P.245-255.

93. Белов C.H., Карбушев Н.И., Рухадзе A.A. Вынужденное рассеяние волн замагниченным пучком релятивистских осцилляторов II ЖТФ. 1982. Т.52, №9. С. 1741-1747.

94. Гинзбург Н.С., Кубарев В. А., Черепенин В.А. Вынужденное рассеяние волн на релятивистском электронном пучке в присутствии однородного магнитного поля: линейная теория II ЖТФ. 1983. Т.53, №5. С.824-829.

95. Гинзбург Н.С., Кубарев В.А., Черепенин В.А. Вынужденное рассеяние волн на релятивистском электронном пучке в присутствии однородного магнитного поля: нелинейная теория эффекта двойного циклотронного резонанса II ЖТФ. 1985. Т.55, №1. С.53-59.

96. Артамонов А.С., Иноземцев Н.И. Коллективные неустойчивости электронного пучка в магнитных полях спирального ондулятора и соленоида И Радиотехника и электроника. 1989. Т.34, №3. С.593-601.

97. Гинзбург Н.С. Усредненные уравнения движения релятивистских электронов в поле двух разночастотных электромагнитных волн в присутствии нерезонансного однородного магнитного поля II ЖТФ. 1988. Т.58, №6. С.1078-1087.

98. Гинзбург Н.С. Петелин М.И. Теория релятивистских убитронов с сильноточными электронными пучками IIВ кн.: «Релятивистскаявысокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1984. Вып.4. С.49-65.

99. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. О дисперсионном уравнениии ЛСЭ с комбинированным ондуляторным и однородным магнитным полем И Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1987. Т.ЗО, №11. С.1371-1378.

100. ЮЗ.Братман B.JL, Гинзбург Н.С., Нусинович Г.С., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Циклотронные и синхротронные мазеры IIВ кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1979. Вып.1. С.157-216.

101. Ю4.Братман В.Л., Денисов Г.Г., Офицеров М.М. Мазеры на циклотронном авторезонансе миллиметрового диапазона волн IIВ кн.: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1983. Вып.З. С.127-159.

102. Bekefi G., DiRienzo A., Leibovitch С. and Danly B.G. A 35 GHz Cyclotron Autoresonance Maser Amplifier И Appl. Phys. Lett. 1989. V.54. P.1302-1304.

103. Bratman V.L., Denisov G.G., Kol'chugin B.D., Samsonov S.V., Volkov A.B. Experimental demonstration of high-efficiency Cyclotron-Autoresonance-Maser operation II Phys. Rev. Lett. 1995. V.75, no.17. P.3102-3105.

104. Братман В.Л., Гинзбург Н.С., Денисов Г.Г. Об использовании в ЛСЭ распределенной обратной связи И Письма в ЖТФ. 1981. Т.7, №21. С. 13201324.

105. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Резников М.Г. Резонатор: Авт. свид. №720592. Бюл. №9, 1980.

106. Ковалев Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1968. Т.11, №5. С.783-786.

107. Yariv A. Quantum Electronics. John Wiley and Sons Inc., N.Y., 1975.

108. Бастриков A.H., Бугаев С.П., Киселев И.Н. и др. Формирование трубчатых микросекундных электронных пучков при мегаволътных напряжениях на диоде II ЖТФ. 1988. Т.58, № 3. С.483-494.

109. Аржанников A.B., Астрелин В.Т., Капитонов В.А. и др. Генерация ленточных РЭП в магнитно-изолированном диоде и транспортировка их при токе инжекции меньше вакуумного предела II Препринт 89-81 ИЯФ СО РАН, Новосибирск, 1989.

110. Arzhannikov A.V., Nikolaev V.S., Sinitsky S.L., Yushkov M.V. Generation and transport of 140 kJribbon electron beam II J. Appl. Phys. 1992. V.72, no.4.1. P.1657-1663.

111. Arzhannikov A.V., Bobylev V.B., Nikolaev V.S., e.a. New results of the full-scale ribbon beam experiments on U-2 device II Proc. of 10th Int. Conf. On HighPower Particle Beams, San Diego, USA, 1994. V.l. P.136-139.

112. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И. Селекция мод в высокочастотных релятивистских электронных генераторах с распределенным взаимодействием IIВ кн: «Релятивистская высокочастотная электроника», Горький: ИПФ АН СССР, 1981. Вып.2, С.62-101.

113. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1984.

114. Черепенин В.А. Многоволновое когерентное излучение релятивистских электронных потоков И В кн: «Мощные генераторы и усилители на релятивистских электронных потоках», М.: Изд-во МГУ, 1987. С.76-84.

115. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И. и др. Релятивистский многоволновый черепковский генератор И Письма в ЖТФ. 1983. Т.9, №22. С.1358-1389.

116. Братман В.Л., Губанов В.П., Денисов Г.Г. и др. Экспериментальные исследования секционированного СВЧгенератора с релятивистским электронным пучком II Письма в ЖТФ. 1988. Т.14, №1. С.9-13.

117. Русин Ф.С., Богомолов Г.Д. Генерация электромагнитных колебаний в открытом резонаторе // Письма в ЖЭТФ. 1966. Т.4, №6. С.236-239.

118. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Коровин С.Д. и др. Релятивистские оротроны мощные источники когерентного миллиметрового излучения II Письма в ЖТФ. 1984. Т.10, №13. С.807-811.

119. Yablonovitch Е. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics II Phys. Rev. Lett. 1987. V.58. P.2059-2062.125 .Photonic Bandgaps and Localization, Ed. by C.M.Soukoulis. Plenum, New York, 1993.

120. Kaminsky A.K., Kaminsky A.A., Sedykh S.N., Sergeev A.P. Field distribution investigation in few types of helical undulators II Proc. of 18th Int. FEL Conf., Rome, Italy, 1996, p.II 109-11110.

121. Гапонов A.B., Миллер M.A. О потенциальных ямах для заряженных частиц в высокочастотных электромагнитных полях II ЖЭТФ. 1958. Т.34, №1. С.242-243.

122. Миллер М.А .Движение заряженных частиц в высокочастотных электромагнитных полях II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1958. Т.1, №3. С.110-123.

123. Гинзбург В.Л., Франк И.М. Об эффекте Доплера при сверхсветовой скорости И ДАН СССР. 1947. Т.56, №6. С.583-599.

124. Ginzburg N.S., Petelin M.I. Multifrequency generation in free-electron lasers with quasi-optical resonators II Int. J. of Electronics. 1985. V.59, no.3. P.291-314.

125. Гинзбург H.C., Сергеев A.C. Динамика ЛСЭ-генераторов с резонаторами произвольной добротности //ЖТФ. 1991. Т.61, №6, С.133-140.

126. Antonsen T.M., Levush В. Mode competition and control in free-electron laser oscillators И Phys. Rev. Lett. 1989. V.62, no.13. P.1448-1456.

127. Богомолов Я.JI., Гинзбург Н.С., Сергеев А.С. Динамика лазеров на свободных электронах с распределенной обратной связью II Радиотехника и электроника. 1986. Т.31, №1. С. 102-107.

128. Shay H.D., Jong R.A., Ryne R.D., e.a. Use of a FEL as a buncher for a TBA scheme //Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1991. V.A304. P.262-267.

129. Samsonov S.V., Phelps A.D.R., Bratman V.L., e.a. Compression of frequency modulated pulses using helically corrugated waveguides and its potential for generation multi-megawatt RF radiation II Phys. Rev. Lett. 2004. V.92. P. 18301.

130. Wuensch W., Wilson I., Braun H., Luong M. A very-high-gradient test of a 30 GHz single-cell cavity II Proc. of European Particle Accelerator Conf. "EPAC-2000", Vienna, Austria, 2000. P.271-273.

131. Wilson P.B. Scaling linear colliders to 5 ТеV and above II Proc. of ITP Conf., Santa Barbara, USA, 1997. P.l; SLAC-PUB-7449, April 1997.

132. Ellis J., Wilson I. New physics with the Compact Linear Collider II Nature. 2001. V.409. P.431-435.

133. Nezhevenko O.A., Hirshfield J.L, Yakovlev V.P., e.a. 10 MW, W-band RF source for advanced accelerator research И Proc. of European Particle Accelerator Conf. "EPAC-2000", Vienna, Austria, 2000. P.2087-2089.

134. Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуммные приборы. М.: Сов. Радио. 1975.216 с.

135. Arnau-Izquierdo G., Calatroni S., Heikkinen S., e.a. High-power RF induced thermal fatigue in the high-gradient CLIC accelerating structures II CLIC Note 708. CERN, Geneva. 2007. 13 p.

136. Calatroni S., Neupert H., Taborelli M. Fatique testing of materials by UV pulsed laser irradiation II CLIC Note 615. CERN, Geneva. 2004. 4 p.

137. Pritzkau D.P., Siemann R.H. Experimental study of RF pulsed heating on oxygen free electronic copper // Phys. Rev. ST-AB. 2002. V.5. P.l 12002.

138. Tantawi S. High-power RF tests results: SLAC2 II CLIC-09 Int. Workshop, CERN, Geneva, Switzerland, 2009.

139. Laurent L. Pulse heating experiment and status report II US High-Gradient Collaboration Workshop, Argonne, USA, 2009.

140. Denisov G.G., Kuzikov S.V. Microwave systems based on controllable interference of paraxial wavebeams in oversized waveguides II in book: "Strong Microwaves in Plasmas 2000". Ed. by A.G.Litvak. IAP RAS, N.Novgorod. 2000. V.2. P.960-966.

141. Кузиков C.B., Плоткин M.E. Модель тепловой усталости поверхности меди под действием мощного СВЧ излучения II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2007. Т.50, №10-11. С.979-987.

142. Laurent L., Dolgashev V., Haase A., e.a. Various pulse heating samples on SLAC X-band klystron circuits II CLIC-09 Int. Workshop, CERN, Geneva, Switzerland, 2009.

143. Гольденберг А. Л., Нусинович Г.Н., Павельев А.Б. Дифракционная добротность резонатора с винтовым гофром // в кн. "Гиротроны". ИПФ АН СССР, Горький, СССР. 1980. С.91-97.

144. Savilov A.V., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Samsonov S.V. Effective coupling of "CARM" and "gyrotron " modes on a phase-synchronized electron beam II Phys. Rev. E. 2000. V.62, no.3. P.4207-4215.

145. Denisov G.G., Lukovnikov D.A., Samsonov S.V. Resonant reflectors for Free Electron Masers И Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1995. V.16, no.4. P.745-752.

146. Авербах B.C., Власов C.H., Таланов В.И. Методы селекции типов колебаний в открытых квазиоптических системах II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1967. Т.10, №9-10. С.1333-1357.

147. Denisov G.G., Bratman V.L., Phelps A.D.R., Samsonov S.V. Gyro-TWT with a helical operating waveguide: new possibilities to enhance efficiency and frequency bandwidth II IEEE Trans, on Plasma Sci. 1998. V.26, no.3. P.508-516.

148. Братман B.Jl., Денисов Г.Г., Самсонов C.B. и др. Высокоэффективные широкополосные гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ со спирально-гофрированными волноводами II Известия ВУЗов: Радиофизика. 2007. Т.50, №2. С.104-115.

149. Гинзбург Н.С., Завольский Н.А., Нусинович Г.С., Сергеев А.С. Нестационарная теория электронных генераторов с дифракционным выводом излучения II Изв. ВУЗов, Радиофизика. 1986. Т.29, №1. С.106-114.

150. McDermott D.B., Luhmann N.C., Kupiszewski A., Jory H.P. Small-signal theory of a large-orbit electron-cyclotron harmonic maser II Phys. Fluids. 1983. V.26. P.1936-1946.

151. Денисов Г.Г. Формирование, преобразование и передача излучения в сверхразмерных электродинамических системах. Диссертация в виде доклада на соискание ученой степени д.ф.-м.н., ИПФ РАН, Н.Новгород, 2002. 82 с.

152. Аржанников А.В., Кузнецов С.А., Синицкий С.Л. Спектральные свойства интерференционных СВЧ-филътров на основе скрещенных решеток-поляризаторов // ЖТФ. 2002. Т.72, №9. С. 102-107.

153. Flyagin V.A., Khizhnyak V.I., Manuilov V. N., e.a. Investigations of advanced coaxial gyrotrons at LAP RAS II Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 2003. V.24, no.l. P.2-17.

154. Piosczyk В., Dammertz, G., Dumbrajs O., e.a. A 2-MW, 170-GHz coaxial cavity gyrotron // IEEE Trans, on Plasma Sci. 2004. V.32, no.2. P.413-417.

155. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. M: Сов. радио. 1957. 440 с.

156. Ковалев Н.Ф. О двумерном брэгговском резонаторе И Изв. ВУЗов: Радиофизика. 2003. Т.46, №4. С.299-313.

157. Гинзбург Н.С., Коноплев И.В., Сергеев А.С. Использование двумерной распределенной обратной связи для синхронизации излучения в ЛСЭ с трубчатыми РЭП большого диаметра II ЖТФ. 1996. Т.66, №5. С. 108-117.

158. Братман В.Л., Моисеев М.А., Петелин М.И. К теории гиротронов с нефиксированной структурой высокочастотного поля II Изв. ВУЗов: Радиофизика. 1973. Т. 16, №4. С.622-634.

159. Denisov G.G., Vinogradov D.V. Waveguide mode converters with step type coupling II Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1991. V.12, no.2. P.131-140.

160. Барышев В.P., Гинзбург, Н.С. Сергеев А.С. Использование двумерной распределенной обратной связи для синхронизации излучения лазерных активных сред // Письма в ЖТФ. 2008. Т.34, №3. С.47-54.

161. Сергеев А.П., Сергеев А.С. Высокоэффективный узкополосный МСЭ-генератор с брэгговскимрезонатором со скачком фазы гофрировки // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №11. С. 19-29.

162. A. Ginzburg N.S., Kaminsky А.А., Kaminsky А.К., Peskov N.Yu., Sedykh S.N.,

163. Samsonov S.V., Volkov A.B. Experimental study of a FEMwith a microwave system of a new type И IEEE Trans, on Plasma Science. 1996. V.24, no.3. P.744-750.15A. Peskov N.Yu., Ginzburg N.S., Phelps A.D.R., Cross A.W., He W., Winning P.

164. Sergeev A.P., Sergeev A.S. High-efficiency operation of the JINR-IAP Ka-band FEL-oscillator // Proc. of III Int. Workshop «Strong microwaves in plasmas», Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod, Russia, 1996. V.2. P.782-792.

165. ЗЗА. Елжов A.B., Каминский A.K., Перелылтейн Э.А., Седых С.Н., Сергеев А.П.,

166. Стабилизация частоты излучения в мазерах на свободных электронах с двумерной и одномерной распределенной обратной связью II ЖТФ. 2009. Т.79, №9. С. 142-145.

167. Sedykh S.N., Sergeev A.P. A Large Orbit FEL-oscillator operated at second harmonic II Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A. 1999. V.A429. P. 121-124.59А. Peskov N.Yu., Savilov A.V., Kaminsky A.K., Sedykh S.N., Perelstein E.A.,

168. Калинин П.В., Синицкий С.Л., Степанов В.Д. Теоретическое и экспериментальное исследование пространственно-развитых планарных двумерных брэгговских резонаторов II Письма в ЖТФ. 2000. Т.26, №8. С.72-83.

169. О возможности использования двумерных брэгговских структур в ЛСЭ-усилителе, запитываемом ленточным электронным потоком II Письма в ЖТФ. 1999. Т.25, №19. С.87-95.94А. Гинзбург Н.С., Заславский В.Ю., Песков Н.Ю., Сергеев А.С., Аржанников А.В.,

170. ЮЗА. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю., Сергеев А.С. Влияние дифракционных эффектов на электродинамические характеристики двумерных брэгговских резонаторов коаксиальной геометрии II ЖТФ. 2003. Т.73, №.12. С.54-65.