Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности

Мишакин, Сергей Васильевич

Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Мишакин, Сергей Васильевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности»

Автореферат диссертации на тему "Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности"

На правах рукописи

МИШАКИН Сергей Васильевич

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СВЧ-КОМПРЕССОРОВ И ГИРОРЕЗОНАНСНЫХ ПРИБОРОВ С ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ В ВИДЕ ВОЛНОВОДОВ С ВИНТОВОЙ ГОФРИРОВКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ 2013

Нижний Новгород - 2013

005058214

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

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

заведующий лабораторией, Самсонов Сергей Викторович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор

Рыскин Никита Михайлович ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

(СГУ, г. Саратов)

кандидат физико-математических наук Песков Николай Юрьевич, ФГБУН Институт прикладной физики РАН (ИПФРАН, г. Нижний Новгород) '

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Новосибирский националь-

ный исследовательский государственный университет» (НГУ, г. Новосибирск)

Защита состоится 2.0 мая 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

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

Автореферат разослан « 1& » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В последние десятилетия создание источников мощного когерентного микроволнового излучения с высокой непрерывной и импульсной мощностью является одной из актуальных задач радиофизики [1-8]. Несмотря на стремительное развитие твердотельных источников СВЧ излучения, существует широкий ряд фундаментальных (управляемый термоядерный синтез, спектроскопия высокого разрешения, ускорение частиц и др.) и прикладных (дальняя радиолокация, медицина, модификация свойств материалов) исследований, в которых электровакуумные источники излучения занимают лидирующие позиции.

На сегодняшний день наиболее высокий уровень мощности излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн обеспечивается мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), принцип работы которых основан на стимулированном излучении пучков заряженных частиц при винтовом движении во внешнем статическом магнитном поле [9-12]. Характерным отличием приборов МЦР типа от традиционных черенковских приборов является взаимодействие электронного пучка с быстрыми волнами электродинамической системы не прижатыми к ее поверхности, что позволяет использовать сверхразмерные системы и получать большие мощности на высоких частотах. Наибольшего развития среди МЦР получили гиротроны [5, 7, 13] (генераторы электромагнитных волн) и гироклистронь: [14-16] (усилители волн), взаимодействие в которых происходит в резонансных электродинамических системах. Работа в условиях резонанса приводит к тому, что полоса мгновенного усиления излучения в гироклистронах и диапазон плавной перестройки частоты излучения в гиротронах оказываются относительно узкими, что бывает недостаточным для ряда приложений.

Ддя приложений, требующих более широкополосных источников излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, в последние 15-20 лет идет активное теоретическое и экспериментальное исследование МЦР с нерезонансными электродинамическими системами - гиро-ЛОВ (генератор) [17] и гиро-ЛБВ (усилитель) [11]. Среди основных направлений исследований электронных приборов данного типа можно выделить повышение мощности и рабочей частоты, расширение диапазона плавной перестройки частоты (для гиро-ЛОВ) и мгновенной полосы усиления (для гиро-ЛБВ), повышение эффективности электронно-волнового взаимодействия, снижение величины рабочего магнитного поля. Сравнительно недавно в ИПФ РАН была предложена и реализована идея использования волноводов с винтовой

гофрировкой в качестве электродинамических систем для широкополосных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ [18-22]. Использование нормальной волны винтового волновода в качестве рабочей позволяет совместить широкополосность традиционных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ со слабой чувствительностью к разбросу скоростей в электронном пучке, характерной для гиротронов. На данный момент создано несколько приборов данного типа [23, А10, А23, А24], работающих в 3-см и 8-мм диапазонах длин волн.

Другими востребованными для приложений источниками когерентного СВЧ-излучения, являются короткоимпульсные источники сверхмощного (ги-гаваттного уровня) излучения сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн [2, 3, 6]. Наиболее надежными и хорошо исследованными приборами, способными обеспечить такой уровень мощности, являются черенковские релятивистские генераторы (РЛОВ) и усилители (РЛБВ) со взрывоэмиссиоными катодами [24]. Микроволновые источники на их основе работают при напряжениях от нескольких сотен киловольт до единиц мегавольт и обеспечивают выходные мощности Ю9-1010 Вт при длительности импульсов от единиц до десятков наносекунд. Помимо требований к параметрам излучения, для ряда исследовательских и прикладных задач, со стороны пользователей к таким установкам предъявляются также требования к их массогабаритным характеристикам с целью обеспечения их мобильности и доступности для исследований. С этой точки зрения путь повышения выходной мощности излучения за счет увеличения тока и ускоряющего напряжения становится все менее популярным, и все большее количество исследований направлено на развитие методов повышения мощности, не связанных с наращиванием энергетики электронного пучка [25, 26]. Несколько лет назад, в ИПФ РАН была предложена концепция пассивной компрессии мощного частотно-модулированного излучения умеренно релятивистского генератора в волноводах с винтовой гофрировкой поверхности [27, 28]. Теоретические и экспериментальные исследования показали работоспособность данной концепции для получения мультигигаваттных пиковых мощностей в рассматриваемом частотном диапазоне.

Цели диссертационной работы

1. Развитие методов анализа свойств собственных волн волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

2. Теоретическое исследование возможности создания эффективных широкополосных МЦР усилителей и генераторов с винтовыми волноводами в более коротковолновых частотных диапазонах.

3. Экспериментальное и теоретическое исследование, направленное на создание высокоэффективных сверхразмерных СВЧ-комрессоров на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Впервые для расчета дисперсии и распределения полей нормальных волн строгопериодических винтовых волноводов, используемых в качестве электродинамических систем гироприборов и СВЧ-компрессоров, использован метод замены координат, сводящий изначально трехмерную задачу к эквивалентной двумерной. В рамках расчета винтовых волноводов методом конечных элементов впервые произведен учет конечной проводимости стенок волновода на основе граничных условий импедансного типа.

2. Для расчета характеристик винтовых волноводов для гироприборов и СВЧ-

компрессоров с неоднородными параметрами гофрировки разработана устойчивая численная схема на основе метода связанных волн.

3. Предложена конфигурация гиро-ЛОВ с винтовым волноводом, для форми-

рования электронного пучка в которой могут быть использованы традиционные пушки магнетронно-инжекторного типа.

4. Предложена конфигурация винтовой гиро-ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн на третьей гармонике гирочастоты.

5. Впервые в рамках экспериментального исследования компрессии частотно-

модулированного излучения (на низком уровне мощности) в сверхразмерном волноводе с винтовой гофрировкой получено 23-кратное увеличение пиковой мощности излучения.

6. Предложен, разработан и теоретически исследован метод синтеза дисперсионной характеристики винтового волновода-компрессора под заданный закон частотной модуляции входного импульса, основанный на разбиении компрессора на несколько секций с отличающимися параметрами. Высокая эффективность метода синтеза дисперсии продемонстрирована на нескольких примерах, имеющих практическую значимость.

7. В 3-см диапазоне длин волн в системе релятивистская ЛОВ-винтовой вол-

новод-компрессор впервые получена 4.5-кратная компрессия излучения с мультигигаваттной (3.2 ГВт) пиковой мощностью.

Практическая значимость

Результаты диссертационной работы активно используются в ИПФ РАН при разработке гироприборов и СВЧ-компрессоров с винтовыми волноводами. На основе результатов, изложенных в диссертации в Стратклайдском университете (Великобритания) разработан сверхразмерных волновод-компрессор 3-см диапазона длин волн. Также результаты диссертации могут быть использованы при разработке ускорительных структур и селективных волноводных элементов с винтовыми волноводами.

Результаты диссертации могут быть использованы в ИПФ РАН, МРТИ РАН, ИРЭ РАН, ННГУ, ОИЯИ, ИОФ РАН, ФИ РАН, ИЯФ СО РАН, ИСЭ СО РАН, ННИИРТ, ЗАО НПП «Гиком» и др.

Апробация результатов диссертационной работы

В общей сложности по теме диссертации опубликовано 10 статей в ведущих российских и зарубежных научных журналах, входящих в список ВАК, а также 15 докладов в трудах и сборниках отечественных и международных конференций.

Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН), на конкурсах работ молодых учёных ИПФ РАН (2008, 2009, 2011 гг.), а также на международных и российских конференциях: 6th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas" (Нижний Новгород, Россия, 25 июля - 1 августа 2005 г.), The Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 15th International Conference on Terahertz Electronics (Кардифф, Великобритания, 27 сентября 2007 г.), 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (Пасадена, Калифорния, США, 15-19 сентября, 2008 г.), 36th International Conference on Plasma Science and 23rd Symposium on Fusion Engineering (Сан-Диего, США, 31 мая - 5 июня 2009 г.), The 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (Бусан, Корея, 21-25 сентября 2009 г.), 35th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (Рим, Италия, 5-10 сентября 2010 г.), 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications" (Нижний Новгород, Россия, 9-16 июля 20011 г.), 37th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (Вуллонгонг, Австралия, 23-28 сентября 2012 г.), 39th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) (Эдинбург, Шотландия, 8-12 июля 2012 г.), XII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» («Волны-2009») (Звенигород, Московская область, Россия, 25-30 мая 2009 г.), XIII - XV Нижегородские сессии молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Нижегородская область, Россия, 2008, 2009, 2010 гг.), VIII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 1-4 марта 2011 г.), IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 26 февраля-1 марта 2013 г.).

Личное участие автора в получении опубликованных результатов

Основу диссертации составили работы [А1-А25]. Все приведенные в диссертации теоретические исследования, численные расчеты и экспериментальные работы проведены либо автором лично, либо при его непосредственном участии. Большая часть численных расчетов, на основе которых изготавливались конкретные устройства, были выполнены автором лично.

В работах [А8, А9, А21, А22], посвященных развитию методов расчета характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности вклад автора является определяющим.

Теоретические исследования, направленные на создание широкополосных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ в более коротковолновых диапазонах частот, результаты которых частично изложены в работах [А10, А23-А25], проводились автором при консультативной поддержке со стороны научного руководителя.

Экспериментальное исследование компрессии на низком уровне мощности [А7, А18-А20] осуществлялось в рамках сотрудничества со Стратклайд-ским университетом (Великобритания). Разработка электродинамической системы компрессора, включая систему волноводных преобразователей, осуществлялась автором под контролем научного руководителя. Экспериментальные исследования и обработка их результатов осуществлялись при непосредственном участии автора.

Идея секционирования винтовых волноводов для обеспечения более универсального согласования источника частотно-модулированного излучения и дисперсионной характеристики СВЧ компрессора была высказана научным руководителем автора. Конкретный вид такого секционирования и метод синтеза характеристик секций был предложен и исследован автором в совместных работах [А6, А17].

В рамках экспериментального исследования компрессии мощного СВЧ излучения релятивисткой ЛОВ [А1-А5, А11-16] автор принимал непосредственное участие в разработке и измерениях дисперсионных свойств электродинамических систем компрессоров, проводил трехмерные расчеты электронно-волнового взаимодействия в РЛОВ, осуществлял обработку экспериментальных данных и участвовал в их интерпретации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Объем диссертации составляет 183 страницы, включая 1 приложение, 71 рисунок, 2 таблицы и список литературы из 114 наименований.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработанные методы расчета свойств нормальных волн винтовых волноводов являются более эффективными по сравнению с универсальными трехмерными алгоритмами.

2. Возможно создание сверхразмерных гиро-ЛОВ с плавной перестройкой частоты до 5-7% в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн.

3. Возможно создание широкополосного гиро-усилителя с винтовым волноводом, работающего на третьей гармонике гирочастоты.

4. Секционирование волновода-компрессора существенно расширяет возможности подстройки его дисперсионной характеристики под заданный закон частотной модуляции входного импульса.

5. Комбинация умеренно-релятивистской ЛОВ и винтового волновода-компрессора позволяет получать импульсы с мультигигаваттной пиковой мощностью в 3~см диапазоне длин волн.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1 посвящена развитию методов расчета характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности. Одной из основных задач при разработке электродинамических систем с винтовыми волноводами является расчет дисперсионных характеристик нормальных волн. Практика показывает, что такой расчет целесообразно проводить в два этапа. На первом этапе, с целью получения качественного представления о дисперсионной характеристике используется какой-либо метод, основанный на теории возмущений. В п. 1.1 проводится сравнение двух методов теории возмущений, применимых для анализа дисперсионных характеристик винтовых волноводов - метода связанных волн [29-31], и метода разложения полей по пространственным гармоникам [32, 33], наиболее широко применявшегося ранее для расчета осесимметричных периодических структур. На нескольких примерах показано преимущество метода пространственных гармоник.

На втором этапе исследования дисперсионной характеристики винтового волновода используется какой-либо численный метод, в котором решение электродинамической задачи ищется на основе прямого решения полных векторных уравнений Максвелла [34-36]. До настоящего времени расчеты такого рода для винтовых гироприборов и СВЧ-компрессоров осуществлялись на основе универсальных пакетов программ.

Рис. 1. а) геометрия исходного винтового волновода; б) геометрия волновода при переходе к «винтовым» координатам; в) круглый волновод единичного радиуса.

В п. 1.2 представлены два алгоритма расчета дисперсионных характеристик периодических винтовых волноводов, основанные на строгой электродинамической эквивалентности винтовых волноводов и цилиндрических волноводов с неоднородным анизотропным заполнением [37-40]. Первый метод (п. 1.2.1) основан на композиции двух преобразований координат: «винтово-

(а)

(б)

(в)

го», переводящего исходный винтовой волновод (рис. 1а) в цилиндрический волновод с тем же поперечным сечением (рис. 16) и преобразования, отображающего данный цилиндрический волновод на круглый волновод единичного радиуса (рис. 1в) с последующем разложении полей по модам круглого волновода единичного радиуса [41]. Данный метод, несмотря на присущие ему ограничения (в частности, на геометрию поперечного сечения волновода) обладает рядом преимуществ перед более универсальными методами расчета, среди которых можно выделить простоту реализации, высокую скорость счета в случае умеренно сверхразмерных систем, а также возможность получения полей собственных волн в виде суперпозиции аналитических функций, удобном для последующего анализа. Кроме того, метод позволяет адекватно учитывать небольшие (иногда меньшие, чем размер численной сетки) отклонения поперечного сечения реального волновода от заданного профиля, неизбежно возникающие в процессе его изготовления. Как показали расчеты, результаты, полученные данным методом, уже при сравнительно небольшом количестве мод, использованных в разложении поля, очень близки к результатам, полученным с помощью 3-мерного кода.

В п. 1.2.2 изложен второй алгоритм расчета дисперсии собственных мод винтовых волноводов, основанный на векторном методе конечных элементов (МКЭ) в двумерной реализации, в котором, в отличие от предыдущего, используется только одно преобразование координат - переход к «винтовым» координатам (рис. 1а - 16). МКЭ [42], как более универсальный и, как следствие, более надежный метод может быть применен для более детального исследования собственных мод винтовых волноводов. В частности, он позволяет легко поставить граничные условия, учитывающие эффекты, связанные с конечной проводимостью стенок волновода. Численные расчеты дисперсионных диаграмм для винтовых структур гироприборов и СВЧ компрессоров (рис. 2) показали, что МКЭ в двумерной реализации при одинаковой, в масштабе длины волны, расчетной сетке сокращает времена счета в десятки раз по сравнению с трехмерными кодами, что позволяет использовать метод для точного расчета и оптимизации сверхразмерных структур.

Кроме расчета дисперсионных кривых рабочих и паразитных мод строго-периодических винтовых волноводов, важной является задача расчета характеристик систем с неоднородными параметрами винтовой гофрировки. До последнего времени такой расчет также осуществлялся на основе универсальных трехмерных кодов и являлся весьма численно затратным.

В п. 1.3 представлен приближенный метод расчета параметров прохождения, отражения и рассеяния излучения в волноводных системах с винтовыми волноводами, основанный на теории связанных волн [29-31]. Особенностью рассматриваемых винтовых систем является тот факт, что в рабочем диапазоне частот одна из связываемых гофрировкой мод является закригиче-ской и, как следствие, задача становится численно неустойчивой. Для ее решения был использован хорошо зарекомендовавший себя метод направлен-

ной ортогонализации [43]. Построенная процедура решения была протестирована на двух примерах: расчет величины отражений рабочего типа колебаний в винтовом гиро-усилителе, а также задаче отражения и переизлучения рабочего типа колебаний в сверхразмерном винтовом волноводном компрессоре (рис. 3). Результаты расчетов на основе разработанной модели с достаточной точностью совпадают с трехмерными расчетами, значительно превосходя последние по скорости.

Глава 2 посвящена анализу возможностей продвижения широкополосных гиро-генераторов и гиро-усилителей с винтовыми волноводами в более коротковолновые диапазоны длин волн.

В п. 2.2 исследуется возможность создания винтовой широкополосной гиро-ЛОВ 3-мм диапазона длин волн с неприосевым электронным пучком, для формирования которого может быть использована пушка магнетронно-

Рис. 2. а) групповая скорость рабочей волны винтового волновода, расчитанная МКЭ е двумерной реализации (точки) и трехмерным универсальным кодом (сплошная линия), а также величина омических потерь в стенках при проводимости, равной проводимости меди (пунктирная линия), расчитанная МКЭ;б) относительная разность частот рабочей волны, полученных МКЭ и трехмерным универсальным кодом при одинаковом размере сетки (Х/50); распределения в поперечном сечении волновода: в) амплитуды электрического поля, г) величины продольного магнитного поля на частоте минимума групповой скорости, найденные МКЭ.

0.20

0.15"°

1= СП

о.ю?-

а. 0.040

М/2

9.5 Я, ГГц

-20 МКЭ

» 30 расчет ! ^--потери

Частота, ГГц

Рис. 3. Расчет прохождения и рассеяния рабочей моды ТЕЗЛ на участке 5-заходного винтового волновода, сопряженного с круглыми волноводами: а) геометрия структуры; в) характеристики прохождения и рассеяния, расчитакиые методом связанных волн (сплошная линия) и универсальным трехмерным кодом (пунктир).

инжекторного типа (МИП) [44]. МИП являются наиболее надежными и хорошо освоенными системами формирования винтовых электронных пучков для гироприборов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн и позволяют получать пучки с высокими значениями тока и питч-фактора электронов, обеспечивая при этом умеренный разброс по поперечным скоростям. Ключевым условием создания надежной МИП является достаточно большое значение величины радиуса ведущих центров пучка по отношению к величине циклотронного радиуса в пространстве взаимодействия. Практика разработки гиро-ЛОВ с винтовыми волноводами и гиротронов для технологических приложений [23, 45] в ИПФ РАН, а также анализ литературных данных [46, 47] показывают, что при величине радиуса ведущих центров электронных орбит, превышающей циклотронный радиус более чем в 2.8-3.5 раза возможно создание эффективной МИП, в то время как при значении радиуса ведущего центра равного 1.5-2 циклотронных радиуса, положительных результатов существенно меньше, В рамках исследования были взяты параметры электронного пучка, характерные для данного частотного диапазона:

ток составлял 2 А, энергия частиц - 30 кэВ, разброс электронов по поперечным скоростям - 30%.

Для практической реализации большей привлекательностью обладают конфигурации гиро-ЛОВ, взаимодействие электронного пучка с волной в которых происходит на второй гармонике циклотронной частоты. В рамках исследования п. 2.2.1 было рассмотрено нескольких характерных конфигураций винтовой гиро-ЛОВ, в каждой из которых оптимизировались параметры винтовой гофрировки и положение ведущих центров электронного пучка с тем чтобы усилить электронно-волновое взаимодействие на второй гармонике (в частности, за счет малой групповой скорости волны) при одновременном ослаблении паразитного взаимодействия на основной гармонике. При этом отсекались конфигурации, в которых условия сильного электронно-волнового взаимодействия достигались при недостаточно большом (в масштабах циклотронного радиуса) радиусе ведущих центров электронного пучка. Анализ стартовых режимов показал, что во всех рассмотренных случаях стартовый ток мод на второй гармонике гирочастоты не менее чем в 5 раз превышал стартовый ток для паразитных мод на основной гармонике, что делало генерацию на второй гармонике невозможной. Однако в одной из рассмотренных конфигураций парциальных мод параметры винтовой гофрировки могут быть выбраны таким образом, что в некоторой полосе частот синхронизм между электронным пучком и паразитной модой на основной гармонике отсутствует. Разработанная гиро-ЛОВ имеет ряд преимуществ перед использовавшейся ранее конфигурацией [48], главным из которых является относительно большая величина радиуса ведущих центров в 3.2 раза превышающего значение циклотронного радиуса. Тем не менее гиро-ЛОВ на второй гармонике не лишена недостатков, среди которых прежде всего следует отметить ее относительно малые сверхразмерность (средний диаметр составляет чуть более одной длины волны) и полосу плавной перестройки частоты (4% по уровню 1/2 от максимума выходной мощности, составляющего 2.3 кВт) (рис. 4а).

Поскольку созданию эффективной сверхразмерной гиро-ЛОВ на второй гармонике гирочастоты с неприосевым электронным пучком препятствует сильная конкуренция со стороны мод, взаимодействующих с электронным пучком на основной циклотронной гармонике, представляет интерес поиск более привлекательной электродинамической системы винтовой гиро-ЛОВ, работающей на основной гармонике гирочастоты. В п. 2.2.2 рассматривается умеренно сверхразмерная конфигурация винтовой гиро-ЛОВ (средний диаметр составляет 1.6 длины волны), представляющая собой волновод с 4-заходной винтовой гофрировкой, нормальная рабочая волна в котором образуется при взаимном рассеянии квазикритической моды ТЕ) 2 и бегущей моды ТЕ31 круглого волновода. Трехмерный расчет (рис. 46) показал, что при перестройке магнитного поля в диапазоне 34-40 кЭ удается получить устойчивую генерацию на рабочей моде при максимальной мощности 2.8 кВт и при ширине полосы перестройки частоты 7% (полная ширина на уровне 1/2 от мак-

симума). Радиус ведущих центров пучка составлял примерно 12 циклотронных радиусов, что позволяет использовать для гиро-ЛОВ на первой гармонике гирочастоты еще более простую и надежную МИП.

Рис. 4. Трехмерный расчет методом "частица в ячейке": а) винтовой гиро-ЛОВ на второй гармонике; б) винтовой гиро-ЛОВ на первой гармонике. Во вставках показаны поперечные сечения соотвествующих электродинамических систем с распределением магнитного поля рабочей волны и положениями невозмущенных ларморовских орбит элекгроного пучка (белые линии).

В п. 2.3 рассматривается возможность создания широкополосного гиро-усилителя на третьей гармонике гирочастоты. Параметры электронного пучка были выбраны на основе параметров существующей винтовой гиро-ЛБВ на второй гармонике гирочастоты 8-мм диапазона длин волн [23, А23, А24]: ток пучка составлял 10 А и энергия частиц - 70 кэВ, значение мощности, подаваемое на вход лампы было выбрано равным 500 Вт. В моделировании принималось во внимание наличие 40% начального скоростного разброса и разброса ведущих центров электронных траекторий в пучке. Кроме того, для сохранения селективности, как и в гиро-ЛБВ на второй гармонике, электронный пучок предполагался приосевым.

В результате проведенных исследований была найдена конфигурация электродинамической системы гиро-ЛБВ, представляющая собой винтовой волновод с 5-заходной гофрировкой селективно связывающей квазикритическую моду ТЕ3_, и бегущую моду ТЕ2Л круглого волновода (рис. 5а).

С целью получения широкой полосы мгновенного усиления при высоком значении выходной мощности, была проведена оптимизация параметров электродинамической системы гиро-ЛБВ, в частности длины регулярного участка винтового волновода, а также величины среднего значения питч-фактора. Согласно результатам трехмерного моделирования, при оптимальных параметрах мгновенная полоса усиления гиро-ЛБВ (при фиксированном оптимальном магнитном поле 6.08 кЭ) составляла около 8%, при значении

о.о

0,0

92 94 96 98 100 Частота. ГГц

92 94 96 98 100 Частота, ГГц

максимальной выходной мощности 80 кВт (рис. 56), что соответствовало усилению 22 дБ.

Рис. 5. Гиро-ЛБВ на третьей гармонике циклотронной частоты: а) геометрия одного периода электродинамической системы; б) полоса мгновенного усиления при оптимальных параметрах (расчет методом "частица в ячейке").

Глава 3 посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию высокоэффективных компрессоров СВЧ излучения на основе волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

В п. 3.1 изложены теоретические модели, используемые при анализе компрессии, а также приведены условия согласования дисперсионной характеристики компрессора и закона частотной модуляции входного импульса, обеспечивающие оптимальную компрессию.

В п.3.2 представлены результаты эксперимента по компрессии частотно-модулированного СВЧ излучения в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн на низком уровне мощности. Данные исследования были выполнены в лаборатории Стратклайдского университета (г. Глазго, Великобритания) в рамках совместных работ с ИПФ РАН. Электродинамическая система компрессора (п. 3.2.1), состояла из сверхразмерного винтового волновода с 5-заходной гофрировкой и совокупности волноводных переходов и преобразователей. Частотно-модулированное (ЧМ) излучение создавалось при помощи цифрового генератора, позволявшего получать радиосигналы с произвольной формой огибающей и произвольным законом модуляции частоты заполнения в пределах полосы 1 ГГц. Целью исследования являлась экспериментальная демонстрация возможности получения высоких коэффициентов компрессии при использовании сверхразмерного винтового волновода-компрессора.

Поскольку коэффициент компрессии ЧМ излучения по мощности без учета потерь примерно равен произведению длительности импульса на интервал модуляции частоты его заполнения [27, 49], в эксперименте диапазон частотной модуляции импульса, определяемый шириной участка монотонно-

42 43 44 45 46 47

Частота, ГТц

сти групповой скорости, был выбран равным максимально возможному - от 9.6 до 9.0 ГГц. В условиях оптимального согласования (п.3.1), длительность входного импульса и длина компрессора прямо пропорциональны. Принимая во внимание ограниченность пространства для размещения экспериментальной установки, длительность входного импульса компрессора выбиралась с учетом того, что оптимальная длина компрессора не должна превышать трех метров.

В результате оптимизации параметров входного сигнала и длины компрессора (п. 3.2.3) была получена 23-кратная компрессии входного излучения по мощности (рис. 6). Важной характеристикой компрессора является его КПД, т.е. отношение энергий «полезного» и входного импульсов. Если считать «полезной» частью скомпрессированного сигнала гауссообразный импульс, аппроксимирующий его основной лепесток, то в данном эксперименте КПД составил 54%. При этом омические потери составляли около 30% от энергии входного импульса.

§ 20

2 15 к

го

1 ю ®

к ^

° к

0 5

1 к

0 20 40 60

время, не

Рис. 6. Результат эксперимента по комнресии ЧМ излучения 3-см диапазона длин волн в сверхразмерном электропрочном волноводе-компрессоре на низком уровне мощности ^компрессированный импульс смещен по времени на 32 не).

В эксперименте п. 3.2 согласование, обеспечивающее оптимальную компрессию, осуществлялось в основном за счет подстройки частоты источника излучения под фиксированный закон дисперсии компрессора. Однако, например, в случае использования в качестве источника входного сигнала мощной ЛОВ с ускоряющим напряжением несколько сотен киловольт, возможности точной подстройки закона частотной модуляции её выходного импульса под заданную дисперсионную характеристику волновода-компрессора весьма ограничены. Поэтому в данной ситуации наиболее перспективным представляется оптимизация компрессии за счет модификации волновода-компрессора. В п. 3.3 обсуждается одна из возможностей такой модифика-

ции, состоящая в секционировании волновода-компрессора (разбиении его по длине на несколько секций, отличающихся друг от друга параметрами гофрировки) и обеспечении, тем самым, эффективной компрессии импульсов с широким классом законов частотной модуляции. В п. 3.3.1 на примере компрессии импульса с линейным законом частотной модуляции продемонстрирована недостаточная эффективность винтового волновода-компрессора с постоянными параметрами гофрировки. Рассмотренный пример показывает, что, несмотря на сравнительно узкий рабочий интервал частот, оптимальное согласование дисперсионной характеристики среды и закона частотной модуляции входного импульса играет очень важную роль в достижении максимально возможного коэффициента компрессии.

В п. 3.3.2 представлен алгоритм поиска параметров секций винтового волновода-компрессора при заданном законе частотной модуляции входного сигнала. Эффективность предложенного алгоритма была продемонстрирована на нескольких примерах, имеющих прикладное значение. Как в случае спадающей, так и в случае растущей во времени частоты заполнения импульса, было показано, что уже при использовании всего трех секций волновода коэффициент компрессии может быть существенно увеличен и приближен к своему максимально возможному значению (п. 3.1).

Анализ, проведенный в п. 3.3.2 основывался на упрощенной модели компрессии. Для проверки адекватности разработанного алгоритма в п. 3.3.3 выполнен тестовый расчет на основе трехмерного РОТЭ кода. Структура, состояла из трех секций (рис. 7а), параметры которых были выбраны так, чтобы обеспечить эффективную компрессию частотно-модулированных импульсов с линейно спадающей от времени частотой заполнения в диапазоне 10.0-9.5 ГГц. Переходы между секциями с разными параметрами осуществлялись с помощью плавных согласующих участков длиной около половины продольного периода гофрировки. Данные переходы, в силу их малой длины, не оказывали существенного влияния на дисперсионную характеристику системы. Результаты трехмерных расчетов с хорошей точностью совпадают с результатами расчетов на основе разработанного алгоритма (рис. 76).

В Главе 4 представлены результаты экспериментальных исследований компрессии частотно-модулированных импульсов 3-х сантиметрового диапазона длин волн в винтовых волноводах, проведенных на высоковольтных сильноточных установках ИПФ РАН.

П. 4.1 посвящен экспериментальному исследованию генерации мощных СВЧ импульсов релятивистской ЛОВ, разработанной и исследованной ранее (50-52].

Первая часть экспериментальных исследований ЛОВ (п.4.1.1) была проведена на ускорителе «СИНУС-6» ИПФ РАН. Импульс ускоряющего напряжения данного ускорителя формируется с помощью трансформатора Тесла и длинной коаксиальной линии. В типичных режимах работы ускоритель

(а)

(б)

-30 расчет

2 _рт

-.-1-■-1-■-1-■-I-■-1-■-1->-

9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 10.0 10.1

Частота, ГГц

Рис. 7. Характеристики миогосекционного винтового волновода-компрессора: а) геометрия; б) результаты трехмерных расчетов дисперсии структуры (сплошная кривая) и сравнение с результатами, полученными в рамках разработанного алгоритма (пунктирная кривая). В качестве иллюстрации эффективности секционирования также приведена дисперсионная характеристика первой секции компрессора (штрих-пунктирная кривая).

обеспечивает импульсы напряжения до 600 кВ с током 6-7 кА, плоской вершиной длительностью ¡5 не и участками спадания/нарастания на фронтах длительностями 5-10 не.

Для получения частотно-модулированного импульса достаточной длительности необходим существенный спад напряжения в течение большого промежутка времени. Из-за особенностей конструкции ускорителя получение необходимого спада напряжения на вершине импульса с помощью модификации внешних цепей является затруднительным. В рамках экспериментального исследования [АЗ], Н.Г. Колгановым был предложен способ решения данной проблемы, основанный на внутренней модификации катод-анодного пространства, состоящей во внесении в область магнитоизолированного коаксиального диода подвижного анодного цилиндра (металлического или диэлектрического) небольшой толщины, расстояние от которого до края катода могло механически изменяться от импульса к импульсу без развакуумирова-ния рабочего объема При определенном соотношении между расстоянием от кромки катода до края диэлектрического цилиндра, напряжение на вершине импульса заметно падало. Величина перепада регулировалась величиной расстояния от кромки катода до края диэлектрического цилиндра и могла достигать 200-250 кВ. Падение напряжения в течение импульса приводило к моду-

ляции частоты генерации ЛОВ в пределах нескольких процентов, необходимой для эффективной компрессии в винтовом волноводе.

П. 4.1.2 посвящен экспериментальному исследованию ЛОВ на ускорителе «КРОТ» ИПФ РАН. Успех в реализации релятивисткой ЛОВ с перестройкой частоты на ускорителе «СИНУС-6» стимулировал интерес к проведению экспериментальных исследований на более длинноимпульсном ускорителе «КРОТ» ИПФ РАН. Экспериментальное исследование разработанной ЛОВ проводилось по схеме аналогичной той, что была использована при работе на ускорителе «СИНУС-6». В то же время, в силу того, что изменение ускоряющего напряжения в течение импульса обеспечивалось самим ускорителем, модификация катод-анодного промежутка не производилась. Проведенные измерения показали, что исследуемая ЛОВ устойчиво работала и генерировала импульсы с мощностью порядка 300-400 МВт в течение 40-50 не. Частота излучения при этом плавно и монотонно увеличивалась в течение импульса в пределах 9.8-10.2 ГГ'ц.

В п. 4.2 представлены результаты экспериментальных исследований компрессии мощных частотно-модулированных импульсов релятивистской ЛОВ в винтовых волноводах.

Для проведения эксперимента по компрессии импульсов релятивисткой ЛОВ (РЛОВ) на установке "СИНУС-6" (п. 4.2.1) была разработана электродинамическая система, включавшая в себя сверхразмерный 5-заходный винтовой волновод-компрессор и серию волноводных элементов для транспортировки и преобразования излучения ЛОВ в рабочую волку компрессора. Для экспериментального исследования было изготовлено четыре секции винтового волновода с одинаковой регулярной гофрировкой: три секции по восемь периодов и одна секция длиной шесть периодов, что позволяло изменять длину структуры для оптимизации компрессии. Также было изготовлено две секции сходов гофрировки винтового волновода на волновод круглого сечения длиной три периода гофрировки каждая. Общая длина изготовленной структуры составляла около одного метра. Перед началом основного эксперимента по компрессии импульсов ЛОВ, было проведено измерение дисперсионных свойств изготовленного волновода-компрессора. При экспериментальном исследовании был использован метод, основанный на амплитудных измерениях на скалярной частотной панораме. Результаты проведенных измерений оказались в удовлетворительном соответствии с результатами трехмерных расчетов.

После измерения дисперсионной характеристики изготовленного компрессора релятивистская ЛОВ и винтовой волновод-компрессор были соединены через волноводный трансформатор в общую вакуумную систему. Оптимизация компрессии проводилась подбором параметров, влияющих на ход частотной модуляции и выходную мощность ЛОВ: расстояния между краями катода и диэлектрической вставки, диаметра электронного пучка, и общей длины регулярной части компрессора, варьируемой с помощью секции дли-

ной 6 периодов. В результате оптимизации в скомпрессированном импульсе была получена пиковая мощность 3.2 ГВт (рис. 8а). длительность импульса по полувысоте составляла примерно 2.2 не. По отношению к импульсу с выхода JTOB, имевшему мощность 0.7 ГВт достигнута 4.5-кратная компрессия. Полезная часть импульса составляла около 70% (остальная энергия уходила в омические потери и боковые лепестки импульса).

В п. 4.2.2 представлены результаты экспериментов на установке «КРОТ». На основе анализа результатов измерения хода частоты импульсов JIOB на установке «КРОТ» (п. 4.1.2), был разработан и изготовлен сверхразмерный пятизаходный винтовой волновод длиной около 180 см. Дисперсия изготовленного компрессора была измерена в эксперименте. Результаты измерений оказались в хорошем соответствии с результатами расчетов.

Экспериментальное исследование компрессии на установке «КРОТ» имело некоторые особенности, отличающие его от исследования на установке «СИНУС-6». Основным их них являлась недостаточно широкая возможность контролировать параметры ускоряющего напряжения, и, как следствие, ограниченная возможность подстройки хода частоты импульса ЛОВ под изготовленный компрессор. Необходимость подстройки частоты СВЧ излучения JTOB в рамках экспериментального исследования возникала из-за того, что ход частоты JIOB был измерен с некоторой погрешность, вызванной, в свою очередь, несовершенством диагностики. Экспериментальная оптимизация компрессии осуществлялась только варьированием диаметра пучка, а также модификацией некоторых параметров системы формирования импульса напряжения, изменение которых помимо ожидаемого результата давало также негативные побочные эффекты. В результате, оптимальная компрессия происходила в области параметров, при которых проявляются эффекты характерные для формировании сильноточных релятивистских пучков достаточно большой длительности (расширение катодной плазмы, влияние коллекторной плазмы и т.п.).

3.5

3.0

ГВт 2.5

2.0

о 1.5

-1 1 0

:»

0.5

0.0

(а)

Скомлрессироеан^й сигнал

Импульс РЛОВ I

15 20 25 Время, не

30 35 40 45

1.0.

0.3-

0.6-

X =г 0.4-

> 0.2

0.0-

(б) Скомпрессированный V

сигнал

Импульс РЛОВ 1

\ \

30 40 50

Время, не

Рис. 8. Результаты компрессии мощного ЧМ излучения релятивнетвой ЛОВ 3-см диапазона длин волн: а) эксперимент на установке «СИНУС-6», б) эксперимент на установке «КРОТ»

Как следствие, в эксперименте не удалось достичь ожидаемых параметров генерации ЛОВ: максимальная мощность составляла около 250 МВт, а длительность СВЧ импульса была ограничена 40 не, в течение которых частота успевала перестроиться только на величину около 0.25 ГГц. В результате на выходе компрессора было получено только 4-кратное (по сравнению с коэффициентами компрессии 10-15, достижимыми для 40-50 не импульсов с перестройкой частоты 0.4-0.5 ГГц) увеличение пиковой мощности до величины 1 ГВт (рис 86). Тем не менее, ключевые моменты основной идеи исследования - а именно, возможность реализации релятивистской ЛОВ с быстрой перестройкой частоты и последующая компрессия импульса с нарастающей во времени частотой в винтовом волноводе, - были подтверждены.

В Заключении представлены основные результаты диссертации и положения, выносимые на защиту.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Теоретически показана возможность создания винтовых гиро-ЛОВ с не-приосевыми электронными пучками на первой и второй гармониках гироча-стоты. Расчет с помощью универсального трехмерного кода показал, что при использовании электронного пучка с током 2 А и энергией 30 кэВ выходная мощность разработанных гиро-ЛОВ составляет 2.3 и 2.8 кВт на частоте 95 ГГц при плавной перестройке частоты в диапазоне 4% и 7% для гиро-ЛОВ на второй и первой гармониках гирочастоты соответственно.

2. Разработан проект широкополосной гиро-ЛБВ на третьей гармонике гирочастоты 6-мм диапазона длин волн. Трехмерный расчет с помощью универсального кода показывает, что разработанная гиро-ЛБВ с током и энергией пучка 10 А и 70 кВ соответственно, обеспечивает мгновенную полосу усиления 8% в окрестности 45 ГГц, при максимальной выходной мощности 80кВт и усилении 22дБ.

3. В экспериментальном исследовании электропрочного сверхразмерного волновода-компрессора, при использовании маломощного генератора сигналов произвольной формы в качестве источника частотно-модулированного излучения, было получено 23-кратное увеличение пиковой мощности при соответствующем сжатии сигнала по времени.

4. Предложен и развит метод секционирования винтового волновода-компрессора, позволяющий повысить эффективность компрессии частотно-модулированных импульсов в условиях жестко заданного закона частотной модуляции. Высокая эффективность развитого метода продемонстрирована на нескольких примерах расчетов компрессии импульсов как с растущей, так и спадающей во времени частотой модуляции, представляющих интерес с точки зрения приложений.

5. В экспериментальных исследованиях получена 4.5-кратная компрессия частотно-модулированного излучения релятивистской ЛОВ 3-см диапазона длин волн в сверхразмерном электропрочном винтовом волноводе-

компрессоре, сопровождающаяся повышением пиковой мощности излучения с 0.7 до 3.2 ГВт.

6. Для расчета характеристик электродинамических систем винтовых гиро-приборов и волноводов-компрессоров выбраны адекватные методы анализа и разработаны соответствующие численные алгоритмы и программы. Применение методов анализа на основе преобразования координат для расчета дисперсионных характеристик винтовых волноводов позволило обеспечить точность вычислений сравнимую с точностью универсальных трехмерных кодов при сокращении времени расчета в десятки раз.

Цитированная литература

1. Релятивистская высокочастотная электроника •: Сборник статей под редакцией А.В. Гапонова-Грехова. Горький: ИПФ АН СССР, 1979. 300 с.

2. Applications of High Power Microwaves / Eds. Gaponov-Grekhov A.V., Granatstein V.L. Norwood, MA: Artech House, 1994.

3. High-power microwave sources and technologies / Eds. Barker R.J., Schamiloglu E. New York: IEEE Press, 2001.

4. Вакуумная СВЧ электроника : Сборник обзоров под ред. М.И. Петелина. Н.Новгород: ИПФ РАН, 2002.

5. Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics / Eds. Barker R.J., Luhmann N.C., Booske J.H., Nusinovich G.S. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2005.

6. Benford J., Swegle J.A., Schamiloglu E. High power microwaves. Second edition. New York: Taylor & Francis, 2007.

7. Nusinovich G.S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press, 2004.

8. Капица П.Л. Электроника больших мощностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962.

9. Twiss R.Q. Radiation transfer and the possibility of negative absorption in radio astronomy // Australian Journal of Physics. 1958. V. 11, No 4. P. 564579.

10. Schneider J. Stimulated emission of radiation by relativistic electrons in a magnetic field // Physical Review Letters. 1959. V. 2, No 12. P. 504-505.

11. Гапонов А.В. Возбуждение линии передачи непрямолинейным электронным пучком // Известия ВУЗов, Радиофизика. 1959, Т. 2, № 3. С. 443.

12. Железняков В.В. О магнитотормозном излучении и неустойчивости системы заряженных частиц в плазме // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1959. Т. 2, № 1.С. 14-27.

13. Гапонов А.В., Петелин М.И., Юлпатов В.К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. 10, №9-10. С. 1414.

14. Гстонов A.B., Гольденберг A.J1., Юлпатов В.К. Мазер на циклотронном резонансе с двумя резонаторами (МЦР-клистрон) // Тез. докл. на 5-й межвузовской конференции по электронике СВЧ. (Саратов). 1966. С. 20.

15. NgoM.T., Danly B.G., Myers R., Pershing D.E., Gregers-Harisen V, LindeG. High-power millimeter-wave transmitter for the NRL WARLOC radar // Third IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC) 2002. P. 363-364.

16. Blank M., Danly В., Levush В., Latham P., Pershing D. Experimental demonstration of a W-band gyroklystron amplifier // Physical Review Letters. 1997. V. 79, No 22. P. 4485-4488.

17. Pantell R.H. Backward-wave oscillations in an unloaded waveguide // Proc. IRE. 1959. V. 47. P. 1146.

18. Denisov G.G., Cooke S.J. New microwave system for gyro-TWT // Digest 21st Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (Berlin, Germany, 1996, ed. by M. von Ortenberg and H.-U. Mueller). 1996. P. AT2.

19. 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 // Digest of 22nd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves (Wintergreen, USA, 1997, Ed. by H.P. Freund). 1997. P. 289.

20. Cooke S.J., Denisov G.G. Linear theory of a wide-band gyro-TWT amplifier using spiral waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science. 1998 V 26 No3. P. 519-530.

21. Bratman V.L., Cross A.W., Denisov G.G., He IV.: Phelps A.D.R., Ronald K., Samsonov S.V., Whyte C.G., Young A.R. High-Gain Wide-Band Gyrotron Traveling Wave Amplifier with a Helically Corrugated Waveguide // Physical Review Letters. 2000. V. 84, No 12. P. 2746.

22. Samsonov S. V, Denisov G.G., Bratman V.L., Bogdashov A.A., Glyavin M.Y., Luchinin A.G., Lygin V.K., Thumm M.K. Frequency-tunable CW gyro-BWO with a helically rippled operating waveguide /7 IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32, No 3. P. 884-889.

23. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Самсонов C.B., Кросс А. У., Фелпс А.Д.Р., Хе В. Высокоэффективные широкополосные гиро-ЛБВ и гиро-ЛОВ со спирально-гофрированными волноводами // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 2. С. 104.

24. Gold S.H., Nusinovich G.S. Review of high-power microwave source research // Review of Scientific instruments. 1997. V. 68, No II. P. 3945-3974.

25. Ginzburg N.S., Novozhilova N.Y., Zotova I.V., Sergeev A.S., Peskov N.Y., Phelps A.D.R., Wiggins S.M., Cross A.W., Ronald K., He W. Generation of powerful subnanosecond microwave pulses by intense electron bunches moving in a periodic backward wave structure in the superradiative regime // Physical Review E. 1999. V. 60, No 3. P. 3297.

26. Eltchaninov A.A., Korovin S.D., Rostov V. V, Pegel I. V, Mesyats G.A., Rukin S.N., Shpak V.G., Yalandin М.1., Ginzburg N.S. Production of short

microwave pulses with a peak power exceeding the driving electron beam power// Laser and particle beams. 2003. V. 21, No 2. P. 187-196.

27. Samsonov S.V., Phelps A.D.R., Bratman V.L., Burt G., Denisov G.G., Cross A. W., Ronald К., He IV., Yin H. Compression of frequency-modulated pulses using helically corrugated waveguides and its potential for generating multigigawatt rf radiation // Physical Review Letters. 2004. V. 92, No 11. P. 118301.

28. Burt G„ Samsonov S. V., Phelps A.D., Bratman V.L., RonaldK., Denisov G.G., He W„ Young A.R., Cross A JV., Konoplev I.V. Microwave pulse compression using a helically corrugated waveguide // IEEE Transactions on Plasma Science. 2005. V. 33, No 2. P. 661-667.

29. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1961. с.

30. Ковалев Н.Ф., Орлова ИМ., Петелин М.И. Трансформация волн в многомодовом волноводе с гофрированными стенками // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1968. Т. 11, № 5. С. 783-786.

31. Денисов Г.Г., Резников М.Г. Гофрированные резонаторы для коротковолновых релятивистских СВЧ генераторов // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1982. Т. 25, № 5. С. 562.

32. Ковачев Н.Ф. Электродинамическая система ультрарелятивистской ЛОВ // Электронная техника. Серия 1, электроника СВЧ. 1978, № 3. С. 102106.

33. Ковалев Н.Ф. Исследования высокочастотных генераторов обратной волны, основанных на индуцированном черенковском излучении сильноточных релятивистских электронных потоков : дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.04 / Горький: ИПФ АН СССР, 1983. 173 с.

34. CST Microwave Studio. Weliesley Hills. MA: Computer Simulation Technology, www.cst.com.

35. HFSS. 3D Full-wave Electromagnetic Field Simulation. Pittsburgh. PA: Ansoft Corp. www.ansoft.com.

36. Tarakanov V.P. User's Manual for Code KARAT. Springfield, VA: BRA, 1992.

37. Nicolet A., Zolla F., Guenneau S. Modelling of twisted optical waveguides with edge elements // The European Physical Journal Applied Physics. 2004. V. 28, № 02. P. 153-157.

38. Nicolet A., Zolla F. Finite element analysis of helicoidal waveguides // Science, Measurement & Technology, IET. 2007. V. 1, No 1. P. 67-70.

39. Nicolet A., Zolla F., Agha Y.O., Guenneau S. Leaky modes in twisted microstructured optical fibers // Waves in Random and Complex Media. 2007. V. 17, No 4. P. 559-570.

40. Wilson J.L., Wang C„ Fathy A.E., Kang Y.W. Analysis of rapidly twisted hollow waveguides // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2009. V. 57, No 1. P. 130-139.

41. Свешников А.Г. К обоснованию метода расчета распространения электромагнитных колебаний в нерегулярных волноводах // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1963. Т. 3, № 2. С. 314-326.

42. Jin J.-M. The finite element method in electromagnetics, second edition. New York: Wiley, 2002. c.

43. Быков А.А., Ильинский А.С. Решение краевых задач для линейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений методом направленной ортогонализации // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1979. Т. 19, № 3. С. 631-639.

44. Гольденберг А.Л., Петелин М.И. Формирование винтовых электронных пучков в адиабатической пушке // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1973. Т. 16, № 1.С. 141-149.

45. Bykov К, Eremeev A., Glyavin М„ Kholoptsev V., Luchinin A., Plotnikov /., Denisov (J., Bogdashev A., Kalynova G., Semenov V. 24-84-GHz gyrotron systems for technological microwave applications // IEEE Transactions on Plasma Science. 2004. V. 32, No 1. P. 67-72.

46. Nguyen K.T., Calame J.P., Pershing D.E., Danly B.G., Garven M., Levush В., Antonsen Jr T.M. Design of a Ka-band gyro-TWT for radar applications // IEEE Transactions on Electron Devices. 2001. V. 48, No 1. P. 108-115.

47. Yan R., Luo Y., Liu G., Pu Y. Design and Experiment of a Q-band Gyro-TWT Loaded With Lossy Dielectric // IEEE Transactions on Electron Devices. 2012. V. 59, No 12. P. 3612-3617.

48. He IV, Ronald K., Young A.R., Cross A. IV, Phelps A.D.R., Whyte C.G., Rafferty E.G., Thomson J., Robertson C.W., Speirs D.C., Samsonov S.V., Bratman V.L., Denisov G.G. Gyro-BWO experiments using a helical interaction waveguide // IEEE Transactions on Electron Devices. 2005. V. 52, No 5. P. 839-844.

49. Виноградова М.Б., Руденко O.B., Сухорукое А.П. Теория волн. М.: Наука, 1990. с.

50. Samsonov S.V., Bratman V.L., Burt G.C., Cross A.W., Denisov G.G., Phelps A.D.R., Ronald K. Generation and compression of frequency modulated pulses from a relativistic BWO // International Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS 2004). 2004. P. 430-433.

51. Denisov G.G., Bratman V.L., Kolganov N.G., Samsonov S.V. Compression of frequency-modulated pulses from a relativistic BWO up to multigigawatt powers // Proceedings of the 8th IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC'07). 2007. P. 227.

52. Братман B.Jl., Денисов Г.Г., Самсонов C.B., Кросс А.У., Рональд К, Фелпс А.Д. Р. Метод достижения мультигигаваттной пиковой мощности путем компрессии импульсов СВЧ излучения релятивистской лампы обратной волны в винтовом волноводе // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 1.С. 40.

Список публикаций автора по теме диссертации

А1. Гаштури А.П., Денисов Г.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В. Расчет и оптимизация трехмерных волиоводных систем методом интегрального уравнения // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2008. Т.51, №9. С. 742-753.

А2. Gashturi А.Р., Denisov G.G., Mishakin S.V., Samsonov S.V. Calculation and optimization of 3D waveguiding systems with help of integral equation method // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 2009. V. 30, No.4, P. 319-327.

A3. Бечаснов A.M., Братман B.JI., Колганов Н.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В. Релятивистская ЛОВ с перестройкой частоты напряжением // Письма в ЖТФ. 2010. Т.36, В.З. С. 96-103.

А4. Bratman V. L., Denisov G. G., Kolganov N. G., Mishakin S. V., Samsonov S. V., Cross A. IV., He IV, Zhang L., McStravick M„ Whyte C. G„ Young A. R„ Ronald K., Robertson C. W., Phelps A. D. R. Generation of 3 GW microwave pulses in X-band from a combination of a relativistic backward-wave oscillator and a helical-waveguide compressor // Physics of Plasmas. 2010. V. 17. p. 110703.

A5. Братман В.Л., Денисов Г.Г., Колганов Н.Г., Мишакин С.В., Самсонов С.В., Соболев Д. И. Микроволновый источник мультигигаваттной пиковой мощности на основе комбинации релятивистской ЛОВ и компрессора // ЖТФ. 2011. Т. 81, В. 2. С. 113-117.

А6. Мишакин С.В., Самсонов С.В. "Оптимизация компрессии частотно-модулированных импульсов в секционированном волноводе с винтовой гофрировкой поверхности" //ЖТФ. 2009. Т.79, В. 11,С. 93-101.

А7. McStravick М., Samsonov S. V., Ronald К., Mishakin S. V., Не W., Denisov G. G„ Whyte C. G„ Bratman V. L, Cross A. W„ Young A. R„ Maclnnes P., Robertson C. W„ Phelps A. D. R. Experimental results on microwave pulse compression using helically corrugated waveguide // Journal of Applied Physics. 2010. V. 108, No. 5. p. 054908.

A8. Мишакин С.В., Самсонов С.В. Метод расчета собственных мод винтового волновода, основанный на решении эквивалентной двумерной задачи путем разложения полей по модам круглого волновода // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2011. Т.54, №3. С. 195-206.

А9. Mishakin S. V., Samsonov S- V. Analysis of Dispersion and Losses in Helically Corrugated Metallic Waveguides by 2-D Vector Finite-Element Method // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2011. V. 59, No. 9, P. 2189-2196.

A10. Samsonov S.V., Denisov G.G., Gachev I.G., Eremeev A.G., Fiks A.S., Kho-loptsev V.V., Kalynova G.I., Manuilov V.N., Mishakin S.V., Sokolov E.V. CW Ka-Band Kilowatt-Level Helical-Waveguide Gyro-TWT // IEEE Transactions on Electron Devices. 2012. V. 59, No. 8. P. 2250 - 2255.

All. Samsonov S. V., Bratman V.L., Denisov G.G., Kulygin M.L., Mishakin S. V., Cross A. W„ Maclnnes P., He IV., Phelps A.D.R., Burt G„ Ronald K., Konop-

lev I.V., Young A.R., Whyte C.G. Helically corrugated waveguides for compression of pulses from a relativistic BWO // Proceedings of the 6th Int. Workshop Strong Microwaves in Plasmas, Nizhny Novgorod, Russia, 2005, Ed. by A.G. Litvak, 2006, P. 191-196.

A12. Denisov G.G., Gashturi A.P., Mishakirt S. V., Samsonov S. V. Calculation of 3-D Waveguide Structures with EFIE // The Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 15th International Conference on Terahertz Electronics, Cardiff, UK, September 2-7, 2007, Conf. Digest Ed. by M.J. Griffin, P.C. Hargrave, T.J. Parker, K.P. Wood, P.779-780.

A13. McStravick M„ Samsonov S.V., Cross A.W., Denisov G.G., He W., Ma-clnnes P., Phelps A.D.R., Bratman V.L., Ronald K.R., Konoplev I.V., Misha-kin S.V., Whyte C.G., Young A.R., Burt G. Helically Corrugated Waveguides for Compression of Microwave Pulses // 33rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Pasadena, California, USA, September 15-19, 2008, Conf. Digest P. 1542-1543.

A14. Bratman V.L., Samsonov S.V., Mishakirt S.V., Denisov G.G., Kolganov N.G., McStravick M, Cross A. IV., He W., Robertson C.W., Whyte C.G., Young A.R., Ronald K., Phelps A.D.R., Maclnnes P. Compression of pulses from a relativistic BWO using helically corrugated waveguides // 36th Int. Conf. on Plasma Science and 23rd Symposium on Fusion Engineering, May 31 - June 5,2009, San Diego, USA, Book of Abstracts

A15. Братман B.JJ., Калганов Н.Г., Самсонов С.В., Мишакин С.В. Компрессия СВЧ-импульсов 3-см диапазона длин волн до мультигигаваттных уровней мощности в волноводах с винтовой гофрировкой // Тезисы 15-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 19-22 апреля, 2010, С. 82-83.

А16. Samsonov S.V., Bratman V.L., Denisov G.G., Kolganov N.G., Mishakin S. V. Compression of FM pulses from an X-band relativistic BWO up to power of 3 GW // Proceedings of the 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications", July 9 - 16, 2011, Nizhny Novgorod, P. 125-126.

A17. Самсонов С.В., Мишакин С.В. Компрессия частотно-модулированных импульсов в секционированном волноводе с винтовой гофрировкой поверхности // Тезисы XII Всероссийской школы-семинара "Физика и применение микроволн", Московская область, пансионат "Университетский", 25-30 мая, 2009, раздел 6, С. 83.

А18. McStravick М., Samsonov S. V., Ronald К., Mishakin S. V., Не W., Denisov G.G., Whyte C.G., Bratman V.L., Cross A. W., Kolganov N.G., Young A.R., Phelps A.D.R., Robertson C.W., P. Maclnnes 5-fold helically corrugated waveguide dispersion measurements // The 35th International Conference on Infrared, Millimeter and THz Waves (IRMMW-THz 2010) Rome, Italy, September 5-10,2010, p.Th.P.31.

А19. Zhang L., Cross A. W., He W., Robertson C.W., Young A.R., Whyte C.G., Ronald K„ Phelps A.D.R., Samsonov S.V., Mishakin S.V., Denisov G.G., Bratman V.L., Kolganov N.G. X-band pulse compression using a five-fold helically corrugated waveguide // The 39th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS), July 8-12, 2012, Edinburgh, Scotland , Conf. Proc. p. 2P-61.

A20. Zhang L., Cross A.W., He W., Whyte C.G., McStravick M„ Young A.R., Ronald K, Robertson C.W., Phelps A.D.R., Samsonov S.V., Mishakin S.V., Denisov G.G., Bratman V.L., Kolganov N.G. Pulse compression using a fivefold helically corrugated waveguide // 37th Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, University of Wollongong, Australia, Sept. 23 - 28, 2012, Conf. Proceedings p. Thu Pos-21.

A21. Мишакин С. В., Самсонов С.В. К теории волноводов с винтовой гофрировкой для гироприборов и СВЧ компрессоров // Тезисы 13-й Нижегородской сессии молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 20-25 апреля, 2008, С. 119.

А22. Мишакин С.В., Самсонов С.В. Расчет собственных мод волноводов с винтовой гофрировкой поверхности, основанный на решении эквивалентной двумерной задачи // Тезисы докладов VIII Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, 1-4 марта 2011 г., Нижний Новгород, С. 57-58.

А23. Samsonov S. V., Denisov G.G., Gachev I.G., Kalynova G.I., Manuilov V.N., Mishakin S.V., Bykov Yu.V., Eremeev A.G., Holoptsev V.V. Development of helical-waveguide gyro-TWT and gyro-BWO // The 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Busan, Korea, September 21-25,2009, Conf. Proceedings, p. 09030269.

A24. Samsonov S.V., Bogdashov A.A., Denisov G.G., Eremeev A.G., Gachev I.G., Holoptsev V.V., Ivanov V.Yu., Kalynova G.I., Kornishin S.Yu., Kurkin V.S., Manuilov V.N., Maslov V. V., Mishakin S. V., Plotnikov I. V., Smirnova T.M. Development of Helical-Waveguide Gyro-TWT at IAP H Proceedings of the 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications", July 9 - 16,2011, Nizhny Novgorod, P. 123-124.

A25. Мишакин C.B., Самсонов С.В. Винтовая гиро-ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн на третьей гармонике циклотронной частоты // Тезисы докладов IX Всероссийского семинара по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн, 26 февраля - 1 марта 2013 г., Нижний Новгород, С. 46-47.

Мишакин Сергей Васильевич

Автореферат

Подписано к печати 11.04.13.Формат 60 х 90 '/|б-Бумага офсетная №1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ № 37 (2013).

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

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Мишакин, Сергей Васильевич, Нижний Новгород

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

Мишакин Сергей Васильевич

04201357485

Новые возможности гирорезонансных приборов и СВЧ-компрессоров с электродинамическими системами в виде волноводов с винтовой гофрировкой поверхности

01.04.03. - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, зав. лаб., Самсонов Сергей Викторович

Нижний Новгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВОЛНОВОДОВ

С ВИНТОВОЙ ГОФРИРОВКОЙ ПОВЕРХНОСТИ .....................................27

1.1. Расчет дисперсии методами теории возмущений............................................30

1.2. Расчет дисперсии, основанный на решении эквивалентной двумерной задачи........................................................................................................................37

1.2.1. Проекционный метод с базисом из мод круглого волновода....................38

1.2.2. Векторный метод конечных элементов ....................................................49

1.3. Расчет систем с неоднородными параметрами гофрировки.........................65

1.4. Выводы по главе 1..................................................................................................72

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕАЛИЗАЦИИ ГИРОПРИБОРОВ С ВИНТОВЫМИ ВОЛНОВОДАМИ В БОЛЕЕ КОРОТКОВОЛНОВЫХ ДИАПАЗОНАХ...................................................................74

2.1. Упрощенная модель электронно-волнового взаимодействия......................76

2.2. Сверхразмерные гиро-ЛОВ с неприосевыми электронными пучками.....79

2.2.1. Гиро-ЛОВ на второй гармонике гирочастоты..........................................81

2.2.2. Гиро-ЛОВ на основной гармонике гирочастоты.....................................85

2.3. Гиро-ЛБВ на третьей гармонике гирочастоты................................................88

2.4. Выводы по главе 2..................................................................................................95

ГЛАВА 3. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ СВЕРХРАЗМЕРНЫЕ

КОМПРЕССОРЫ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИНТОВЫХ ВОЛНОВОДОВ........................96

3.1. Оптимальные условия компрессии

частотно-модулированных импульсов..............................................................99

3.2. Экспериментальное исследование винтового компрессора на высоких модах.......................................................................................................................103

3.2.1. Электродинамическая система компрессора .........................................103

3.2.2. Измерение дисперсии винтовой структуры............................................109

3.2.3. Исследование компрессии импульсов........................................................112

3.3. Теоретическое исследование сверхразмерного многосекционного компрессора...........................................................................................................117

3.3.1. Недостаточная эффективность винтового компрессора с постоянными параметрами гофрировки...........................................................118

3.3.2. Секционирование волновода-компрессора................................................121

3.3.3. Пример трехмерного расчета...................................................................129

3.4. Выводы по главе 3................................................................................................130

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПРЕССИИ МОЩНОГО ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ.........132

4.1. Исследование релятивистской ЛОВ с перестройкой частоты....................133

4.1.1. Эксперимент на ускорителе «СИНУС-б».................................................135

4.1.2 Эксперимент на ускорителе «КРОТ» .......................................................142

4.2. Исследование компрессии импульса ЛОВ......................................................146

4.2.1. Эксперимент на ускорителе «СИНУС-б».................................................147

4.2.2. Эксперимент на ускорителе «КРОТ» ......................................................159

4.3. Выводы по главе 4................................................................................................162

Заключение......................................................................................................................163

Список публикаций автора по теме диссертации....................................................165

Список цитированной литературы.............................................................................169

Приложение 1. Дисперсионное уравнение нормальных волн

винтового волновода на основе разложения полей по пространственным

гармоникам......................................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

В последние десятилетия создание источников мощного когерентного микроволнового излучения с высокой непрерывной и импульсной мощностью является одной из актуальных задач радиофизики [1-8]. Несмотря на стремительное развитие твердотельных источников СВЧ излучения, существует широкий ряд фундаментальных (управляемый термоядерный синтез, спектроскопия высокого разрешения, ускорение частиц и др.) и прикладных (дальняя радиолокация, медицина, модификация свойств материалов) исследований в которых электровакуумные источники излучения занимают лидирующие позиции.

В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн на сегодняшний день наиболее высокий уровень мощности излучения обеспечивается мазерами на циклотронном резонансе (МЦР), принцип работы которых основан на стимулированном излучении пучков заряженных частиц при винтовом движении во внешнем статическом магнитном поле [9-12]. Характерным отличием приборов МЦР типа от традиционных черенковских приборов является взаимодействие электронного пучка с быстрыми волнами электродинамической системы не прижатыми к ее поверхности, что позволяет использовать сверхразмерные системы и получать большие мощности на высоких частотах. Наибольшего развития среди МЦР получили гиротроны [5, 7, 13] (генераторы электромагнитных волн) и гироклистроны [14-16] (усилители волн), взаимодействие в которых происходит в резонансных электродинамических системах. Работа в условиях резонанса приводит к тому, что полоса мгновенного усиления излучения в гироклистронах и диапазон плавной перестройки частоты излучения в гиротронах оказываются относительно узкими, что бывает недостаточным для ряда приложений.

Для приложений, требующих более широкополосных источников излучения

миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, в последние 15-20 лет идет активное теоретическое и экспериментальное исследование МЦР с нерезонансными электродинамическими системами - гиро-ЛОВ (генератор) [17] и гиро-ЛБВ (усилитель) [11]. Среди основных направлений исследований электронных приборов данного типа можно выделить повышение мощности и рабочей частоты, расширение диапазона плавной перестройки частоты (для гиро-ЛОВ) и мгновенной полосы усиления (для гиро-ЛБВ), повышение эффективности электронно-волнового взаимодействия, снижение величины рабочего магнитного поля. Сравнительно недавно в ИПФ РАН была предложена и реализована идея использования волноводов с винтовой гофрировкой в качестве электродинамических систем для широкополосных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ [18-22]. Использование нормальной волны винтового волновода в качестве рабочей позволяет совместить широкополосность традиционных гиро-ЛОВ и гиро-ЛБВ со слабой чувствительностью к разбросу скоростей в электронном пучке, характерной для гиротронов. На данный момент создано несколько приборов данного типа [23, 10*, 23*, 24*], работающих в 3-см и 8-мм диапазонах длин волн.

Другими востребованными для приложений источниками когерентного СВЧ-излучения, являются короткоимпульсные источники сверхмощного (гигаваттного уровня) излучения сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн [2, 3, 6]. Наиболее надежными и хорошо исследованными приборами, способными обеспечить такой уровень мощности, являются черенковские релятивистские генераторы (РЛОВ) и усилители (РЛБВ) со взрывоэмиссиоными катодами [24]. Микроволновые источники на их основе работают при напряжениях от нескольких сотен киловольт до единиц мегавольт и обеспечивают выходные мощности 109-1010 Вт при длительности импульсов от единиц до десятков наносекунд. Помимо требований к параметрам излучения, для ряда исследовательских и прикладных задач, со стороны пользователей к таким установкам предъявляются также требования к их массогабаритным характеристикам с целью обеспечения их мобильности и доступности для исследований. С этой точки зрения путь повышения выходной мощности

излучения за счет увеличения тока и ускоряющего напряжения становится все менее популярным, и все большее количество исследований направлено на развитие методов повышения мощности, не связанных с наращиванием энергетики электронного пучка [25, 26]. Несколько лет назад, в ИПФ РАН была предложена концепция пассивной компрессии мощного частотно-модулированного излучения умеренно релятивистского генератора в волноводах с винтовой гофрировкой поверхности [27, 28]. Теоретические и экспериментальные исследования показали работоспособность данной концепции для получения мультигигаваттных пиковых мощностей в рассматриваемом частотном диапазоне.

Цели диссертационной работы

1. Развитие методов анализа свойств собственных волн волноводов с винтовой гофрировкой поверхности.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

2. Для расчета характеристик винтовых волноводов для гироприборов и СВЧ-компрессоров с неоднородными параметрами гофрировки разработана устойчивая численная схема на основе метода связанных волн.

3. Предложена конфигурация гиро-ЛОВ с винтовым волноводом, для формирования электронного пучка в которой могут быть использованы традиционные пушки магнетронно-инжекторного типа.

4. Предложена конфигурация винтовой гиро-ЛБВ миллиметрового диапа-зона длин волн на третьей гармонике гирочастоты.

5. Впервые в рамках экспериментального исследования компрессии частотно-модулированного излучения (на низком уровне мощности) в сверхразмерном волноводе с винтовой гофрировкой получено 23-кратное увеличение пиковой мощности излучения.

В 3-см диапазоне длин волн в системе релятивистская ЛОВ-винтовой волновод-компрессор впервые получена 4.5-кратная компрессия излучения с мультигигаваттной (3.2 ГВт) пиковой мощностью.

Практическая значимость

диапазона длин волн. Также результаты диссертации могут быть использованы при разработке ускорительных структур и селективных волноводных элементов с винтовыми волноводами.

Результаты диссертации могут быть использованы в ИПФ РАН, МРТИ РАН, ИРЭ РАН, ННГУ, ОИЯИ, ИОФ РАН, ФИ РАН, ИЯФ СО РАН, ИСЭ СО РАН, ННИИРТ, ЗАО НЛП «Гиком» и др.

Апробация результатов диссертационной работы

«Физика и применение микроволн» («Волны-2009») (Звенигород, Московская область, Россия, 25-30 мая 2009 г.), XIII Нижегородская сессия молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Татинец, Нижегородская область, Россия, 2025 апреля 2008 г.), XIV Нижегородская сессия молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Дзержинец, Нижегородская область, Россия, 19-23 апреля 2009 г.), XV Нижегородская сессия молодых учёных (естественнонаучные дисциплины) (Красный Плёс, Нижегородская область, Россия, 19-24 апреля 2010 г.), VIII Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 1 -4 марта 2011 г.), IX Всероссийский семинар по радиофизике миллиметровых и субмиллиметровых волн (Нижний Новгород, Россия, 26 февраля-1 марта 2013 г.).

Личное участие автора в получении опубликованных результатов

Основу диссертации составили работы [1*-25*]. Все приведенные в диссертации теоретические исследования, численные расчеты и экспериментальные работы проведены либо автором лично, либо при его непосредственном участии. Большая часть численных расчетов, на основе которых изготавливались конкретные устройства, были выполнены автором лично.

В работах [8*, 9*, 21*, 22*], посвященных развитию методов расчета характеристик волноводов с винтовой гофрировкой поверхности вклад автора является определяющим.

Теоретические исследования, направленные на создание широкополосных гиро-JIOB и гиро-ЛБВ в более коротковолновых диапазонах частот, результаты которых частично изложены в работах [10*, 23*-25*], проводились автором при консультативной поддержке со стороны научного руководителя.

Экспериментальное исследование компрессии на низком уровне мощности [7*, 18*-20*] осуществлялось в рамках сотрудничества со Стратклайдским университетом (Великобритания). Разработка электродинамической системы

компрессора, включая систему волноводных преобразователей, осуществлялась автором под контролем научного руководителя. Экспериментальные исследования и обработка их результатов осуществлялись при непосредственном участии автора.

В рамках экспериментального исследования компрессии мощного СВЧ излучения релятивисткой ЛОВ [1*-5*, 11*-16*] автор принимал непосредственное участие в разработке и измерениях дисперсионных свойств электродинамических систем компрессоров, проводил трехмерные расчеты электронно-волнового взаимодействия в РЛОВ, осуществлял обработку экспериментальных данных и участвовал в их интерпретации.

Структура и объем диссертации

Краткое содержание диссертации

какой-либо метод, основанный на теории возмущений. В п. 1.1 проводится сравнение двух методов теории возмущений, применимых для