Пассивные резонансные компрессоры микроволновых импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Введение.

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 1. Теория компрессии микроволновых импульсов в безотражательных резонансных системах.

1.1. Принципы пассивной компрессии.

1.1.1. Временной подход к описанию компрессии.

1.1.2. Спектральный подход к описанию компрессии.

1.2. Критерии компрессии.

1.3. Деформация импульса при отражении от резонатора.

1.3.1. Отражение не модулированного по фазе импульса.

1.3.2. Компрессия импульса со скачком фазы на 180° (компрессор типа SLED).

1.4. Безотражательные резонансные системы.

1.5. Оптимизация компрессора в виде безотражательного резонатора.

1.5.1. Уравнение преобразования импульса.

1.5.2. Компрессия прямоугольного импульса с квадратичной модуляцией фазы.

1.5.3. Компрессия гауссова импульса с квадратичной модуляцией фазы.

1.6. Оптимизация компрессора в виде цепочки безотражательных резонаторов.

1.6.1. Уравнения преобразования импульса.

1.6.2. Компрессия прямоугольного импульса с квадратичной модуляцией фазы.

1.6.3. Компрессия гауссова импульса с квадратичной модуляцией фазы.

При разработке линейных ускорителей следующего поколения (с энергиями заряженных частиц в несколько ТэВ) одной из главных проблем является создание импульсного микроволнового источника, сочетающего достаточную мощность с приемлемой стоимостью [1-3]. Удешевить микроволновый источник позволяет компрессия импульса перед его вводом в ускорительную структуру [1,4,5]. Для этого, в частности, может быть ^ использована деформация модулированного по фазе импульса при его прохождении через диспергирующую среду - так называемая пассивная компрессия.

Поскольку ускорительные структуры принято запитывать достаточно длительными импульсами, обладающими относительно узким спектром, пассивный компрессор может быть компактным лишь при условии, что он обладает резонансными свойствами. Хорошо известным примером может служить работающий на несущей частоте 2.86 ГГц компрессор SLED (SLAC Energy Doubler) [6-8], представляющий собой безотражательную ^ комбинацию двух идентичных закрытых резонаторов и трёхдецибельного направленного ответвителя. Применение этого компрессора позволило увеличить энергию ускоренных электронов на Стэнфордском линейном ускорителе на 70% [9].

В большинстве будущих линейных электронных (и позитронных) ускорителей планируется использование более высоких несущих частот, чем в существующих ускорителях. В США и Японии проектируются ускорители с несущей частотой 11.4 ГГц. Более того, в США и Европе ведутся работы, направленные на создание ускорителей с несущими частотами 30 и более ГГц. На этих частотах, принадлежащих диапазонам сантиметровых и миллиметровых волн, компрессоры в виде масштабной модели SLED были бы неуместно компактными и - на проектных уровнях L микроволновой энергии - не могли бы противостоять пробою. Мощные компрессоры этих частотных диапазонов должны, очевидно, иметь размеры, намного превосходящие длину волны, но, несмотря на это, - для сохранения когерентности излучения - работать в одномодовом режиме.

Естественная (и, по-видимому, единственная) возможность удовлетворить этой комбинации условий состоит в использовании высокоселективных квазиоптических резонаторов открытого типа.

Цель диссертационной работы состояла:

- в разработке компрессоров микроволновых импульсов на основе одиночного безотражательного резонатора и цепочки безотражательных резонаторов;

- в разработке электропрочных высокоселективных безотражательных резонаторов;

- в экспериментальной реализации компрессоров на основе различных вариантов безотражательного резонатора.

Научная новизна

1. Теоретически исследована компрессия фазо-модулированного импульса цепочкой безотражательных резонаторов.

2. Построена электродинамическая теория нескольких безотражательных резонаторов открытого и закрытого типов.

3. Экспериментально реализованы компрессоры типа SLED на основе: а) открытого бочкообразного резонатора, возбуждаемого посредством винтовой гофрировки стенки; б) трёхзеркального резонатора, возбуждаемого посредством гофрирования одного из зеркал.

Практическая значимость работы

Разработанные варианты компрессоров микроволновых импульсов представляются перспективными для линейных электрон-позитронных ускорителей следующего поколения. Такие компрессоры могут найти применение также и в экспериментах по исследованию нелинейных эффектов в плазме. Наряду с этим, исследованные в диссертации резонансные зеркальные накопительные кольца диапазона миллиметровых волн могут быть использованы при тестировании компонент электродинамических трактов большой мощности и в плазменных реакторах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации составляет 143 страницы, включая 45 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, сводятся к следующему.

1. Проведено численное моделирование компрессоров на основе цепочек безотражательных резонаторов. Найдены оптимальные параметры резонаторов и закона модуляции исходного импульса, позволяющие повысить КПД компрессии по сравнению с существующими системами (в частности, компрессором типа SLED).

2. Построена аналитическая теория следующих безотражательных резонаторов: а) зеркального, возбуждаемого волновым потоком посредством гофрирования одного из зеркал; б) открытого бочкообразного, возбуждаемого волноводной модой посредством винтовой гофрировки стенки; в) открытого бочкообразного, связанного с волноводом посредством перфорации в общей стенке; г) закрытого цилиндрического с поляризационной развязкой.

3. Разработаны и испытаны модели компрессоров микроволновых импульсов на основе: а) открытого бочкообразного резонатора, возбуждаемого волноводной модой посредством винтовой гофрировки стенки на частоте 11.4 ГГц; б) трёхзеркального резонатора, возбуждаемого волновым потоком посредством гофрировки одного из зеркал на частоте 34 ГГц.

Оба устройства имеют параметры, близкие к предельным для компрессоров типа SLED, но более перспективны для использования в коротковолновой части диапазона СВЧ.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научным руководителям работы М.И. Петелину и С.В. Кузикову за постановку проблемы и руководство, а также сотрудникам кафедры электроники Нижегородского государственного университета, отделов 110, 150 и 160 Института прикладной физики РАН и работникам технических подразделений Института прикладной физики РАН за помощь и товарищеское содействие в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Wilson Р.В. Applications of High-Power Microwave Sources to TeV Linear Colliders // Application of High-Power Microwaves / Ed. A.V. Gaponov-Grekhov & V. Granatstein. Boston & London: Artech House, 1994. P.229-317.

2. Лебедев A.H., Перельштейн Э.А. Ускорители будущего // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1990. Вып.6. - С.217-255.

3. Диафрагмированные волноводы: Справочник / Вальднер О.А., Собенин Н.П., Зверев Б.В., Щедрин И.С. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 280 с.

4. Nantista C.D. Radio-Frequency Pulse Compression for Linear Accelerators. SL AC-Report-95-455, 1995.

5. Балакин B.E., Сырачев И.В. Умножитель импульсной СВЧ-мощности для ВЛЭПП. Протвино, 1995. - 35 с. (Препринт ФИЯФ РАН: № 95-1).

6. Farcas Z.D., Hogg Н.А., Loew G.A., Wilson Р.В. SLED: A Method of Doubling SLAC's Energy // Proc. 9-th Conf. on High Energy Accelerator, SLAC, Stanford, CA, USA, May 2-7, 1974. P.576-582.

7. Farcas Z.D., Hogg H.A., Loew G.A., Wilson P.B. Recent Progress on SLED, the SLAC Energy Doubler // IEEE Trans, on Nucl. Science. 1975. - V.NS-22, № 3. - P.1299-1301.

8. Hogg H.A., Loew G.A., Price V.G. Experiments with Very High Power RF Pulses at SLAC // IEEE Trans, on Nucl. Science. 1983. - V.NS-30, № 4. -P.3457-3459.

9. Loew G.A., Allen M.A., Cassel R.L. et al. The SLC Energy upgrade at SLAC // IEEE Trans. On Nucl. Science. 1985. - V.NS-32, № 5. - P.2748-2750.

10. Сырачев И.В. Новая система импульсной компрессии СВЧ-мощности для линейного коллайдера ВЛЭПП // Дис. канд. физ.-мат. наук -Протвино, 1997.- ЮЗс.

11. П.Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и Связь, 1988. 128 с.

12. Petelin M.I., Tai M.L. Compression of Phase-Modulated Microwave Pulse by Chain of Ring Cavities // Pulsed RF Sources for Linear Colliders. AIP Conference Proceedings 337 / Ed. R.C. Fernow. New York: Woodbury, 1995. -P.303-310.

13. Petelin M.I., Hirshfield J.L., Kuzikov S.V., Vikharev A.L. High Power Microwave Pulse Compressors: Passive, Active and Combined // Intense Microwave Pulses VII. Proceedings of SPIE 4031 / Ed. by H.E. Brandt, Orlando, USA, 2000. P. 224-231.

14. Канарейкин ДБ., Павлов Н.Ф., Потехин B.A. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. Радио, 1966. 440с.

15. Иванников В.И., Черноусов Ю.Д., Шеболаев И.В. Компрессор высокочастотной мощности // ЖТФ. 1999. - Т.69, № 1. - С.119-120.

16. Balakin V.E., Syrachev I.V. Status of VLEPP RF Power Multiplier (VPM) // Proc. III-rd Europian Particle Accelerator Conference, Berlin, Germany, 1992.-P.l 173-1175.

17. Syrachev I.V., Vogel V.F., Mizuno H. et al. The Results of RF High Power Tests of X-Band Open Cavity RF Pulse Compression System VPM (JLS) // Proc. Int. Conference LINAC-94, Tsukuba, Japan, 1994. P.475^177.

18. Цимринг Ш.Е., Павельев В.Г. К теории неоднородных электромагнитных волноводов, содержащих критические сечения // Радиотехника и электроника. 1982. -1.21, № 6. - С. 1099-1102.

19. Малыгин С.А., Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. Резонансная трансформация мод в сверхразмерных электродинамических системах // Изв. вузов. Радиофизика. 1983. - Т.26, № 9. - С. 1126-1133.

20. Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. О методе плоских поперечных сечений в теории сильно нерегулярных сверхразмерных волноводов // Радиотехника и электроника. 1987. -Т.32, № 5. - С. 1121-1124.

21. Bethe H.A. On small hole diffraction theory // Physical Review. 1944. -V.66, № 7-8. - P.163-182.

22. Мандельштам Л.И. Излучение через отверстие в резонаторе // ЖЭТФ. -1945. Т. 15, № 9. - С.471-473.

23. Вайнштейн JI.A. Связанные колебания открытых резонаторов // Электроника больших мощностей. М.: Наука, 1964. Вып.З. - С .216230.

24. Twisleton J.R.G. Some Properties of Travelling-Wave Resonance // Proc. IEE. 1960. - V.107B, № 32. - P.108-118.

25. Кочемасов B.H., Белов JI.A., Оконешников B.C. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. М.: Радио и Связь, 1983. 192с.

26. Numerical Recipes in С: The Art of Scientific Computing / Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Cambridge University Press, 1997.-994p.

27. Гупта К., Гардж P., Чадха P. Машинное проектирование СВЧ устройств. М.: Радио и Связь, 1987. 432с.

28. Мануйлов М.Б. Волноводные фильтры нижних частот на Е-плоскостных резонаторах и диафрагмах // Радиотехника и электроника. 2000. - Т.45, № 1. - С.55-61.

29. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны. М.: Радио и Связь, 1988. -440с.

30. Косарев E.JL, Ципенюк Ю.М. Вынужденные колебания открытого резонатора, связанного с волноводом малым отверстием // Электроника больших мощностей. М.: Наука, 1968. Вып.5. - С.105-116.

31. Семёнов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973. 480с.

32. Техника измерений на сантиметровых волнах. В 2 т. / Пер. с англ. под ред. Г.А. Ремеза. М.: Сов. Радио, 1949, Т.1. 516с.

33. Ахиезер А.Н. Об учёте толщины экрана в некоторых задачах диффракции // ЖТФ. 1957. -Т.27, № 6. - С.1294-1300.w 34.Balakin V.E., Syrachev I.V. VLEPP RF Power Multiplier // Proc. Ш-rd Int.

34. Workshop on Next Generation Linear Collider, Branch INP, Protvino, Russia, 1991. -P.145-156.

35. Syrachev I.V. The Progress of X-Band "Open" Cavity RF Pulse Compression System // Proc. 4-rd European Particle Accelerator Conference, London, United Kingdom, 1994. P.375-379.

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

37. Власов С.Н., Жислин Г.М., Орлова И.М. и др. Открытые резонаторы ввиде волноводов переменного сечения // Изв. вузов. Радиофизика. -1969. Т.12, № 8. - С.1236-1244.

38. Ковалёв Н.Ф., Орлова И.М., Петелин М.И. Трансформация мод в многомодовом волноводе с гофрированными стенками // Изв. вузов. Радиофизика. 1968. - Т. 11, № 5. - С.783-786.

39. Гольденберг A.JL, Нусинович Г.С., Павельев А.Б. Дифракционная добротность резонатора с винтовым гофром // Гиротроны. Горький: ИПФ АН СССР, 1980. С.91-97.

40. Денисов Г.Г., Орлова И.М. О переизлучении волн в резонаторах сгофрированными стенками // Изв. вузов. Радиофизика. 1988. -Т.31, № 6. - С.698-703.

41. Гольденберг А.Л., Малыгин В.И., Павельев А.Б., Павельев В.Г., Пылин А.В., Цимринг Ш.Е. Мощный гиротрон на высоких модах связанных резонаторов с трансформацией мод // Гиротроны. Горький: ИПФ АН СССР, 1989.-С.40-54.

42. Рэлей. Теория звука. В 2 т. М.: ГИТТЛ, 1955, Т.2. 475с.

43. Корженевич A.M., Ратнер A.M. Пространственное распределение и спектр электромагнитного поля в кольцевом резонаторе // Радиотехника и электроника.- 1969. -Т.14, № 9. С.1676-1679.

44. Denisov G.G., Shmelyov M.Yu. Effective power input into quasi-optical cavity with travelling wave // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1991.- V.12,№ 10. - P.l 187-1194.

45. Denisov G.G., Kuzikov S.V., Shmelyov M.Yu. Quasi-Optical Narrow-Band Notch Filters // Proceedings of the 18-th International Conference on Infrared and Millimeter Waves, United Kingdom, 1993. V.2104. - P.353-354.

46. Харвей А.Ф. Техника сверхвысоких частот. В 2 т. М.: Сов. Радио, 1965, Т.1.-728 с.

47. Petelin M.I., Caryotakis G., Tolkachev A.A. et al. Quasi-Optical Components for MMW Fed Radars and Particle Accelerators // High Energy Density Microwaves. AIP Conference Proceedings 474 / Ed. by R.M. Philips. New York: Woodbury, 1999.-P. 304-315.

48. Ландау JI.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. 664 с.

49. Дзехцер Г.Б., Орлов О.С. P-i-n-диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М. Сов. Радио, 1970. 200 с.

50. Лавров Б.П., Лебедюк И.И., Левин В.И. Влияние времени переключения фазы на вывод энергии из пересвязанного резонатора // Изв. вузов. Радиофизика. 1987. - Т.30, № 3. - С.444^147.

51. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. Радио, 1966.-476 с.

52. Власов С.Н., Орлова И.М., Петелин М.И. Резонаторы гиротронов и электродинамическая селекция мод // Гиротрон. Горький: ИПФ АН СССР, 1981. С. 62-74.

53. Ваганов Р.Б., Матвеев Р.Ф., Мериакри В.В. Многоволновые волноводы со случайными неоднородностями. М.: Сов. Радио, 1972. 232 с.

54. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию) // Антенны. 2002. - № 2-3. - Глава 6.

55. Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат, 1980. 464 с.

56. Гинзтон Э.Л. Измерения на сантиметровых волнах. М.: Изд. Иностранной Литературы, 1960. 620 с.

57. Wilson Р.В. Scaling Linear Colliders to 5 TeV and above // SLAC-PUB-7944, April 1997.

58. Фокс А., Ли Т. Резонансные типы колебаний в интерферометре квантового генератора // Лазеры: Пер. с англ. / Под ред. М.Е. Жаботинского и Т.А. Шмаонова. М.: Изд. Иностранной Литературы, 1963. С.325-362.

59. Каценеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. М.: Наука, 1966. -237с.

60. Вайнштейн Л.А., Сукин А.И. Дифракция на волнистой поверхности: сравнение численных методов // Радиотехника и электроника. 1984. -Т.29,№ 8.-С. 1472-1478.

61. Denisov G.G., Kuzikov S.V. Low-Lobes Antennas Based on Sligtly Irregular Oversized Waveguides // Conference Digest of Twentieth International Conference on Infrared and Millimeter Waves, Orlando, USA, 1995. P.297-298.

62. Джеррард А., Бёрч Дж.М. Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978. -341с.

63. Маркузе Д. Оптические волноводы. М.: Мир, 1974. 576 с.

64. Когельник X., Ли Т. Резонаторы и световые пучки лазеров // Зарубежная радиоэлектроника. 1967. - № 3. - С. 102-133.

65. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: особенности создания на p-i-n-диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и Связь, 1984. 185 с.

66. Waves. 1999. -V.20, №12. - P.2023-2038.