Повышение эффективности электронно-волнового взаимодействия в мощных оротронах на основе учета пространственной ограниченности их открытых электродинамических систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

од

На правах рукописи

ЧИГАРЕ8 Сергей Григорьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

:: :тгс!!; ю-волнового взаимодействия в

ОРОТРСНДХ на основе учета ; С7"ЛНСТЗЕННОЙ ограниченности ш . У. : ГГЛХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность: физическая электроника 01- 04 - 04

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Иституте радиотехники и электроники Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат технических наук

ст.научный сотр. Е.А.Мясин

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук,

профессор Е.И.Нефедов

кандидат

физико-математических наук,

доцент A.M. Афонин

Московский государственный институт электроники и математики

Защита состоится 15 мая 1998 года в 12-00 на заседании диссертационного совета Д 002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу : 103907, Москва, ГСП-3, ул.Моховая 11, ИРЭ РАН .

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан 10 апреля 1998 года.

Ученый сектретарь диссертационного совета Д 002.74.01 в ИРЭ РАН, д.ф-м.наук

С.Н.Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований в данном направлении обусловлена стремлением использовать электромагнитные колебания все более коротковолновой части миллиметрового диапазона волн, имеющих высокую степень когерентности и стабтльности частоты, с большим уровнем мощности в ряде отраслей науки и техники таких как радиоастрономия, радиолокация, связь, диагностика сред и т.п.

Создание источников таких сигналов на базе классических СВЧ приборов требует дополнительных исследований по повышению их надежности {магнетрон, клистрон, ЛОВ, ЛБВ) и эффективности (ЛОВ, ЛБВ), а также улучшению частотных характеристик (магнетрон). Остаются нерешенными проблемы, особенно касающиеся качества частотных характеристик (когерентность сигнала и стабильность частоты), и для нового поколения СВЧ приборов, таких как гиротроны или сильноточные релятивистские СВЧ приборы.

К новому поколению СВЧ приборов относятся и нерелятивистские СВЧ устройства с открытыми электродинамическими системами, имеющие высокое качество частотных характеристик, даже когда их размеры значительно превышают величину рабочей длины волны. Подтверждением тому служат частотные характеристики действующих приборов этого класса: оротрона и ГДИ, работающих вплоть до КВЧ мм диапазона. Крупные успехи по дальнейшему повышению частоты генерируемых колебаний вплоть до сотен гигагерц в приборе этого класса - в плоском оротроне, достигнуты в США д-ром Уолушем . К сожалению, эти приборы малоэффективны и имеют уровень генерируемых колебаний позволяющий рассматривать их, главным образом, как источники для лабораторных исследований.

Большие успехи по повышению эффективности электронно-волнового взаимодействия в оротронах достигнуты в ИРЭ РАН. Созданная в ИРЭ РАН нелинейная теория оротрона, а также приобретенный богатый экспериментальный опыт показывают возможность реализации эффективных режимов работы

оротрона в мм диапазоне волн с большим уровион выходной мощности в режиме моногенерации.

Однако при этом остается проблемма достижения высоких значений КПД при относительно малых токах пучка, что особенно важно при продвижении этого прибора в коротковолновую часть мм диапазона волн. В диссертации предлагается решение этой проблемы за счет использования, ранее не учитываемых, резонаксов периодических структур (ПС) мощных оротронов.

Цель данной работы заключается в выявлении и исследовании закономерностей, обуславливающих резонансы периодических структур мощных оротронов, а также теоретическое (численным методом) и экспериментальное исследование влияния резонансов ПС на эффективность электронно-волнового

взаимодействия в мощных оротронах .

С научной точки зрения новизна работи состоит в следующем

1.Впервые выявлены и рассмотрены физические процессы, связанные с резонансами в периодических структурах открытых электродинамических систем (ОЭДС) мощных оротронов (резонанс первого рода).

2.Впервые предложено рассматривать открытую электродинамическую систему мощного оротрона в виде системы двух связанных резонаторов, один из которых - полусферический открытый резонатор, а другой - периодическая структура.

3.На основе разработанной физической модели открытой электродинамической системы мощного оротрона модифицирована одноволновая нелинейная теория этого прибора так, что стало возможным рассматривать эффективные режимы его работы с учетом конечных размеров периодической структуры.

4. Впервые получены соотношения для определения коэффициентов трансформации поля открытого резонатора в поле пространственной синхронной гармоники с учетом резонансов в периодических структурах, а также с учетом формы распределения интенсивности ВЧ-поля в открытой электродинамической системе оротрона.

5. Исследован численным методом процесс формирования пространственных гармоник

периодических структур с учетом формы распределения интенсивности ВЧ поля в открытых электродинамических системах и показано, что амплитуды постранственных гармоник зависят как от формы распределения поля в области взаимодейтсвия, определяемой граничными условиями периодической структуры , так и от отношения толщины ламели периодической структуры к периоду.

6. Впервые экспериментально исследованы резонансные эффекты, связанные с рождением новой быстрой гармоники, "отрывающейся" от периодической структуры (резонанс второго рода) . Показано, что резонанс второго рода может быть использован для увеличения эффективности электронно-волнового взаимодействия при скоростях, значительно меньших скорости света с.

7. Результаты исследования резонансов в открытых периодических структурах , полученные в диссертации, расширяют представление о свойствах периодических структур, углубляют представления о физических процессах в области электронно-волнового взаимодействия в СВЧ приборах с открытыми электродинамическими системами и открывают пути к созданию новых эффективных СВЧ приборов.

8.Полученные экспериментальные и теоретические результаты могут с успехом быть использованы при численном моделировании режимов работы не только оротрона, но и других приборов этого класса (резонансных источников электромагнитных колебаний с длительным взаимодействием и открытыми электродинамическими системами).

Практическая значимость полученных

результатов заключается в том, что

1.Результаты исследований показывают

возможность увеличения КПД оротрона при относительно малых значениях тока пучка (меньших, чем при работе этого прибора в режиме без резонанса) за счет резонансного возбуждения электромагнитного поля в периодических структурах (ПС) (далее для простоты введем термин резнанс ПС). Это, в свою очередь, с одной стороны, позволяет при ограниченных возможностях эмиттеров увеличить предельно

допустимую мощность прибора данного диапазона волн, а с другой стороны , обеспечить возможность укорочения длинны волны при сохранении приемлемых значений мощности и КПД.

2. Резонанс второго рода может обеспечить высокоэффективные режимы за счет увеличения амплитуд всех гармоник ПС, возбуждаемых электронным потоком, и, как следствие, дает возможность надеяться на увеличение эффективности электронно-волнового взаимодействия на высших гармониках, что, в свою очередь, может дать возможность увеличить период ПС и высоту пролетного канала. Это существенно облегчит решение проблем по созданию мощного прибора этого класса в коротковолновой части мм диапазона волн.

3. Полученные результаты открывают новую возможность создания нерелятивистских источников электромагнитных колебаний с большим уровнем мощности вплоть до коротковолновой части милиметрового диапзон.

Достоверность экспериментальных результатов, приведенных в диссертации подтверждается тем, что они получены с помощью стандартной аппаратуры по известным методикам, согласуются с

общефизическими представлениями об исследуемых процессах, обсуждены на научных конференциях и семинарах как отечественных, так и зарубежных и нашли отражение в публикациях, а правомерность использования оригинальных методик подтверждается тем, что результаты, полученные по ним согласуются с аналогичными результатами, полученными по известным методикам. Теоретические результаты получены на основе широко используемых математических методов и численных методов решения задач на ЭВМ с использованием стандартных программ. Достоверность результатов, полученных аналитическим и численным методами подтверждается экспериментальными данными.

Апробация результатов и публикации

Работа нашла отражение в пяти публикациях в периодических изданиях:

1 .Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, Влияние резонансов периодических структур на КПД оротрона //РЭ.1990. т.35. N5.0.1103.

2.А.Н.Власов, В.А.Черепенин, С.Г.Чигарев, Моделирование дифракционного излучения релятивистского электронного потока в открытых периодических структурах // РЭ. т.35. N8. 1990 с. 1965.

3.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, Модель электродинамической системы оротрона , как система двух связанных резонаторов // РЭ.1993.т.38. №8 с.1461-1468

4. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, Т.А.Лыткина, Нелинейная теория оротрона , учитывающая пространственную ограниченность электродинамической системы // РЭ.1993. т.38 №12. с.2218-2224

5.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, А.Н.Власов, Экспериментальное моделирование многоволнового дифракционного излучения слаборелятивистского электронного потока // РЭ. 1995. т,40.№9. с1435

6.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, Исследование резоннансов в плоских пространственно-ограниченных периодических структурах мощных оротронов //РЭ. 1997. №6. т.42. с.733-737

шести докладах на всесоюзных конференциях и, семинарах, а также трех докладах на международных конференциях. По результатам работы получено пять авторских свидетельств:

1 .АС.N794682. В.Д.Котов, С.Г.Чигарев.07.01.81.Бюл.1. П. 2-AC.N1 ЮЮбБ.В.Д.Котов,Е.А.Мясин,С.Г.Чигарев(Непуб)

3.АС.N1426333. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев.(Непубл.)

4.АС.N1723942. Е.А.МЯСИН, С.Г.Чигарев.(Непубл.)

5.АС.N1746843. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев.(Непубл.) Материалы диссертации использованы в пяти НИР,

две из них были проведены по хоз.договору.

Материалы диссертации нашли свое дальнейшее развитие в научных работах, профинансированных фондом Сороса (грант N71.000 июль 1994 г. - июнь 1995г., грант N71300 январь 1995г. - декабрь 1995 г.) и финансируемых четвертый год Российским фондом фундаментальных исследований (грант №94-02-06074-а и грант № 96-02-18347-а).

Лично автором предложена идея рассмотреть возможность резонансного возбуждения

электромагнитных колебаний в периодических структур мощных оротронов, выведены соотношения для

определения коэффициентов трансформации "быстрого" поля открытого резонатора в ВЧ-поле медленной синхронной гармоники, разработан экспериментальный макет мощного оротрона, позволивший изменять рабочую частоту прибора в "горячем" режиме, а также провести серию "горячих" экспериментов с периодическими структурами, имеющими

неоднородную длинну ламелей (вид границы ПС в виде окружности) . Совместно с Е.А.Мясиным разработана физическая модель открытой электродинамической системы оротрона как системы двух связанных резонаторов и проведены соответствующие математические выкладки, проведена работа по модификации одноволновой нелинейной теории оротрона , приведшая к изменению уравнений за счет введения в них двух коэффициентов трансформации.

Совместно с сотрудниками ИРЭ РАН и МГУ им. Ломоносова проведена серия экспериметов по исследованию резонансов периодических структур, обусловленных как их пространственной ограниченностью, так и связанных с рождением новой, "отрывающейся" гармоники. Проведены "горячие" экспериментальные исследования эффективных режимов работы оротрона с различными конструкциями периодических структур как при резонансе, так и без него. Лично проведен анализ полученных экспериментальных результатов, а также полученных на ЭВМ результатов численного расчета режимов работы оротрона и численного моделирования процесса формирования пространственных гармоник с учетом пространственной ограниченноти и формы распределения ВЧ поля в открытых электродинамических системах.

Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Работа содержит 86 страниц основного машинописного текста, 43 рисунка, список литературы из 35 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проводимых исследований. Представлен краткий обзор литературы

по рассматриваемой тематике. Показывается научная новизна и практическая значимость результатов работы. Отмечается личный вклад автора.

В первой_главе представлены результаты

исследования явлений, приводящих к резонансам ПС. Исследованы резонансы двух родов. Резонанс первого рода связан с конечностью размеров ПС, когда объем ПС соизмерим с объемом концентрации ВЧ-поля в ОР. В этом случае ПС рассматривается распростронение волн в плоскости ПС, а саму ПС можно рассмотреть как анизотропный "диэлектрик" с разными значениями коэффициентов замедления ("диэлектрической" проницаемости) по оси X, направленной вдоль преиодичности ПС, ■ пх и по оси У, перпендикулярной X и направленной вдоль ламелей, - гу При этом пх определяется в приближении распростронения волны в гладком волноводе, стенки которого образуют ламели ПС, а Пу - дисперсионным соотношением для цепочки

связанных резонаторов. Определено аналитическое соотношение условия резонанса первого рода для ПС с ламелями равной длинны

(1) Э = (Пх/пу)т (Чо)

гда э - целое число полуволн вдоль ПС (по оси X), т-число полуволн вдоль ламелей (по оси У), I. - длинна, О - ширина ПС.

Резонанс второго рода связан с рождением новой излучающейся ("отрывающейся" от поверхности ПС) гармоники ПС, то есть с резонансом известным в оптике под названием "аномалии Вуда". Частота резонанса второго рода (частота аномалии Вуда) определяется известным соотношением:

(2)

* с|п|(3е

^ 1(1+

где Тдв- частота аномалии Вуда, п-номер дифракционной гармоники, ре=с/\/е, где с - скорость света в вакууме, Уе- скорость электронов, 1 - период ПС.

Для случая существования в ПС того или иного резонансов показана возможность повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия за счет увеличения амплитуды гармоники резонансной частоты, синхронной с электроным потоком .

Обоснована новая физическая модель открытой электродинамической системы оротрона как системы двух связанных резонаторов.

Вторая глава посвящена описанию физических процессов электронно-волнового взаимодействия во вновь предложенной модели оротрона с учетом резонанса ПС первого рода. Она также посвящена изложению модифицированной нелинейной теории оротрона, которая учитывает резонансы ПС.

Принцип действия оротрона основан на использовании излучения Смитта-Парселла способности открытого резонатора (ОР) накапливать ВЧ-энергию и дифракции электромагнитных волн на ПС . Быстрая гармоника дифракционного поля индекса п,

распростроняется от поверхности ПС под углом ©°п, определяемым известным соотношением

(3) соэ е°п = ре"1 +пх/1

осуществляет связь поля ПС с ОР, а одна из медленных гармоник (в рамках одноволновой модели) с фазовой скоростью \/ф = К/п , где 1 = шр/2п , близкой к скорости электронов пучка \/е, обеспечивает электронно-волновое взаимодействие, если выполняется условие синхронизма

(4) Ь = Уе/Уф-1>0

В ОР ВЧ-поле концентрируется в области, ограниченной каустикой. В приближении геометрической оптики формирование каустики связано с пучком лучей, распространяющихся под некоторыми углами к оси ОР. Эти два фактора , а также конечность размеров ПС, создают условия для возбуждения резонансов электромагнитного поля в ПС на некоторых частотах сор. При резонансе напряженность поля Ех в области электронно-волнового взаимодействия представляет суперпозицию двух полей

(5) Е£ = Еор + Епс = Е0Ш + гг СМ]

где Еор = Е^х), Е0 - амплитуда поля ОР, ^х) -распределение поля в ОР , С{х) - огибающая распределения поля ПС в пролетном канале по оси X, Епс = Еопс С(х) Еопс - амплитуда собственного поля ПС,

%2 = Еопс/Ео .

Вблизи поверхности ПС и в щелях между ламелями поле Е^ представляет пространственно-неоднородную структуру, повторяющую одновременно периодический характер ПС и вид огибающей формы распределения поля вдоль движения пучка, что можно учесть соотношением

(6) Ее(х) = Е0 Ъ(х) »(х) ,

где ^(х) = Т(х) + ХгсМ " функция огибающей распределения поля в облати электронно-волнового взаимодействия, в(х) - пространственно-периодическая функция распределения поля в ПС, структура которого определяется дифракцией волн ОР на кромках ламелей ПС, х - координата по длинне ПС (вдоль движения пучка). Такой вид поля Еу(х) представим в виде ряда пакетов гармоник, а амплитуду эффективной

напряженности поля пакета синхронных гармоник Еп ,

можно определить соотношением Ед^ХЕ^х^^х), где Х1 теперь следует определить с учетом интегрального характера эффективной напряженности ВЧ-поля .

Учет резонанса ПС первого рода приводит в конечном счете к изменению уравнений известной нелинейной теории оротрона, которые теперь имеют вид

(7)

271 }

О

(8) Лэ= ТэО + Х22 )

где Ф определяется из уравнения движения электронов

(9) 2= -(1 +<*Ф/(14 )3Х1 (1+Х2) х

х ехр[-а(с! - ~)2соз(Ф-Ь~) + Рч

Здесь приняты обозначения безразмерных величин Ре=с/Уе • ^Ре*. а=А/ре2, А=гк2, Ф=ф0+Ф(£,ф0),Х1=Е„/Е0, \/е-скорость электронов, о - частота электомагнитных колебаний, п = 1, 2, 3, ... номер пространственной гармоники, синхронной электронам пучка ; гп радиус пятна поля в области электронно-волнового взаимодействия, ^ сила пространственного заряда

электронов пучка; г|'э - электронный КПД без резонанса,

^о=^о/2Реио'а коэффициент трансформкации %2=ЕПс/Е0. Уравнение должно быть решено при начальных условиях § =0, Ф = Ф0 , ЧФ = 0.

Для подтверждении правомерности такой модификации проводится сравнение экспериментально полученных значений электронного КПД с его значениями, полученными методом численного решения системы уравнений нелинейной теории оротрона для значений параметров режима работы оротрона, измеренных в эксперименте для резонансного режима работы.

Третья глава В ней определяются коэффициенты трансформации: один - с учетом формы распределения поля в области электронно-волнового взаимодействия, другой - с учетом конечности размеров ПС.

Функцию распределения пространственно-неоднородного поля в области электронно-волнового взаимодействия можно представить в виде интеграла Фурье по пространственным гармоникам Ра - со/\/аф

1-/2

(10) Ех(рп ) = 1-?е{Е0 £(х)Э(х) ехрО р х) ¿х) ,

-1-/2

где Ех(Рп) ■ амплитуда ВЧ-поля, вектор которого направлен по оси X, о = Зс/Р0 - все действительные числа; Р0 - 2я/1; ра - т/Ч^ , \/оф = со1/2па , I - длина ПС. Из литературы известно, что при I. порядка

нескольких длин волн А.0, характер распределения Еаф0) по Ра имеет вид дискретного ряда пакетов гармоник. Это приводит к тому, что электронный поток, двигаясь со скоростью Уе вблизи пространственно-ограниченной ПС, взаимодействует не с одной гармоникой поля, а с некоторым пакетом гармоник др, фазовые скорости которых близки к фазовой скорости гармоники \/Пф= Ц/п номера п=з1дп(сг) (целочисленным значениям о), что приводит к необходимости определения эффективной напряженности поля, действующей на электрон как интеграл

©2

(11) Е2{0) = /Е (©) О © ,

©3

где © = рсгп - относительный угол пролета на длинне радиуса пятна поля Гп, Рс - значение волновых чисел пакета синхронных гармоник, 02 , 03 значения относительных углов пролета, соответствующие предельным значениям волновых чисел рст пакета пространственных гармоник , удовлетворяющих условию синхронизма (при этом номер гармоники с не равен 2 и 3). В этом случае общее соотношение для определения коэффициента трансформации Х1 имеет вид

(12) Х1= Е2(0)/Е1о{0, ,

где Е£О(0) - суммарная напряженность поля нулевого пакета гармоник.

Для наиболее часто используемого на практике распределения поля в ОР в виде колоколообразной фукции и пространственно-периодического поля при условии с)/1 = 0,5 коэффициэнт трансформации определяется соотношением (17)

Ф(5э) - Ф(52) ап Х= 0(5,) а0

здесь Е,- соответствует пределу интегрирования спектральной плотности "нулевого" колокола , Е2 ; Е3 -соответственно пределам интегрирования пакета синхронных гармоник ро, 0(5^ - интеграл ошибок, а0 -

амплитуда нулевой гармоники, ап - амплитуда синхронной гармоники. Пределы интегрирования Е,, Е2, Е, для рассматриваемого случая определяются из условия синхронизма (2) и "добротности" колокола спектральной плотности гармоник.

Четвертая глава посвящена численному анализу режимов работы оротрона по модифицированной нелинейно теории оротрона, когда учет резонансов ПС осуществляется варьированием значений

коэффициентов трансформации. Установлено, что в общем случае наибольшие значния КПД оротрона не зависят от величины коэффициента трансформации при прочих равных условиях, но оптимизация коэффициента трансформации позволяет достигать больших значений КПД при меньшем значении мощности пучка (меньшем токе пучка). Результаты численного моделирования показали, что резонансный режим может привести к увеличению КПД оротрона за счет увеличения эффективности электронно-волнового взаимодействия, что на практике достигается оптимизацией распределения ВЧ поля в области электронно-волнового взаимодействия, а так же увеличением значения параметра несинхронности Ь.

В ней также проведено численное моделирование процессов формирования гармоник ПС с учетом формы распределения поля в области электронно-волнового взаимодействия, наиболее часто встречающегося в эксперименте. Установлена зависимость значения амплитуд пакетов пространственных гармоник ПС как от коэффициента заполнения периода ПС, так и от номера гармоник.

Пятая глава посвящена анализу результатов исследования "холодной" ОЭДС оротрона с точки зрения возбуждения в ней резонансов ПС. Проведены экспериментальные исследования физических

процессов, определяющих образование резонансного

ВЧ-поля в плоских ПС, Результаты экспериментов подтвердили правомерность рассмотрения

периодической структуры оротрона при резонансе первого рода как цепочки связанных резонаторов, а всей электродинамической системы оротрона как двух связанных резонаторов, один из которых - ОР , а другой - ПС. Определен метод "холодной" настройки ОЭДС оротрона на резонансный режим.

Глава также посвящена изложению результатов экспериментальных исследований "горячих" режимов работы оротрона с различными конструкциями ПС. Сравниваются параметры работы оротрона при резонансе ПС и без него. Проводится сравнительный анализ эффективности использования различных конструкций ПС в оротронах, работающих при резонансе ПС. Экспериментально показана возможность снижения пускового и оптимального рабочего токов пучка за счет исользования резонанса ПС , а также некоторые способы увеличения КПД оротрона. Результаты экспериментов подтвердили тот факт, что степень влияния резонансов ПС на эффективность электронно-волнового взаимодействия определяется как геометрическими параметрами ПС, так и условиями на ее границах (контуром, а также отражательными свойствами границы). Экспериментально обнаружены случаи отрицательного эффекта при резонансе ПС, когда ее неоптимальные параметры приводят не к увеличению, а к уменьшению эффективности электронно-волнового взаимодействия. Рассмотрены некоторые способы оптимизации параметров ПС с целью увеличения КПД оротрона, а также способы насторйки резонанса ПС на заданную частоту.

В Заключении приведены основные результаты проведенных исследований и даны рекомендации по использованию их при разработке резонансных приборов с длительным взаимодействием милиметрового диапазона волн большого уровня мощности.

В приложении 1 даны описания некоторых ПС, которые могут быть использованы в мощных оротронах, с точки зрения возможности достижения эффективных

режимов электронно-волнового взаимодействия, проведена систематизация ПС мощных оротронов.

В приложении 2 приведены результаты экспериментального исследования резонанса второго рода , связанного с рождением новой, излучающейся ("отрывающейся" от ПС) гармоники как для модели релятивистского пучка, так и для модели пучка, скорость которого много меньше скорости света с (\/е - о.4с).

Экспериментальное исследование дифракционного поля проведено для прозрачной аксиально-симметричной ПС и заключалось как в исследовании поля в ближней зоне, при г«Х , так и в дальней зоне г»х .

Эксперименты проводились по известной методике исследования дифракционного высвечивания электромагнитных волн, распростроняющихся в диэлектрическом волноводе (ДВ), когда волновод расположен в непосредственной близости от дифракционной решетки (в нашем случае ПС). В этом случае замедленная волн в диэлектрическом волноводе аналогична, с точки зрения формирования

дифракционного поля, электроной волне тока пучка, движущимся со скоростью равной фазовой скорости замедленной волны.

В экспериментах размеры центрального ДВ выбраны так, чтобы реализовалась слабая связь поверхностных волн ДВ с ПС. Эксперименты показали , что как для релятивистского так и для слаборелятивистского случаев в области частот, соответствующих рождению новой излучающейся гармоники, наблюдается увеличение связи поверхностных волн ДВ с ПС, что выражалось в существенном высвечивании ВЧ мощности с поверхности ДВ, наблюдалось увеличение амплитуды как излучающейся, так и поверхностных гармоник ПС частоты, соответствующей частоте рождения новой излучающейся гармоники. При этом рост амплитуды наблюдался в ограниченном частотном диапазоне ввиде резонансного пика.

Основные итоги работы сводятся к следующему:

1.Предложена новая физическая модель открытой электродинамической системы мощного оротрона и на

основе экспериментальных данных доказана ее правомерность.

2. Модифицирована одноволновая нелинейная теория оротрона , что позволило учитывать при численных расчетах режимов работы оротрона резонансы ВЧ-поля в периодических структурах.

З.Определены соотношения для расчета двух коэффициентов трансформации ВЧ-поля открытого резонатора в поле поверхностной волны периодической структуры : один из них учитывает форму распределения интенсивности ВЧ-поля в области пролета электронного пучка, а другой - конечность размеров периодической структуры.

4. На основе численных расчетов исследованы процессы формирования поверхностных гармоник периодических структур с учетом формы распределения интенсивности ВЧ-поля в области пролета электронного пучка.

5.На основе расчетов численным методом показано, что при резонансах ВЧ-поля в периодических структурах могут быть достигнуты высокие значения КПД оротрона при значительно меньших токах пучка, чем без резонанса, исследованы также .возможные варианты повышения значений КПД при фиксированных значениях тока пучка.

6. Экспериментально, в "холодной" модели, исследованы физические процессы формирования собственного (резонансного) ВЧ-поля в периодических структурах мощных оротронов. Определена методика настройки открытой электродинамической системы мощного оротрона на резонанс ВЧ поля в периодической структуре.

7.Экспериментально, в "холодной" модели, исследован резонанс дифракционного излучения, связанный с рождением новой излучающейся гармоники периодической структуры.

8.Экспериментально исследованы эффективные режимы работы оротронов с различными конструкциями периодических структур. Показана возможность повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия за счет использования резонансов в периодических структурах.

9.Проведено сравнение зависимотси КПД оротрона от тока пучка, полученной экспериментально с зависимостью, полученной на0 основе расчетов численным методом по модифицированной нелинейной теории оротрона. Сравнение " показало удовлетворительное соответствие данных эксперимента сданными численного расчета.

Основные положения , которые выносятся на защиту :

1). В объеме ПС мощного оротрона наблюдается резонанс элекгромагнтных колебаний ВЧ-поля на некоторой частоте (резонанс первого рода), если размеры ПС составляют несколько длинн волн этой частоты и границы ПС. не нагружены поглотителем.

2).Резонансное, увеличение амплитуд гармоник дифракционного поля ПС наблюдается на частоте, соответствующей рождению новой, "отрывающейся" (излучающейся)от поверхности ПС гармоники (резонанс второго рода) при Ч//с «1.

3).Если объем ОР и ПС соизмеримы, то резонанс ПС оказывает влияние на форму распределения интенсивности и амплитуду ВЧ-поля в области электронно-волнового взаимодействия, а также на процесс формирования пространственных гармоник в этой области. Правомерна новая физическая модель резонансных СВЧ приборов с длительным взаимодействием типа оротрон, которая предсавляет их ОЭДС как систему двух связанных резонаторов, один из которых - ОР, другой - ПС.

4).Модифицирована одноволновая нелинейная теория орторона так, что при расчетах его параметров учитываются резонансы ПС . Это достигается введением двух коэффициентов трансформации, один из которых определяется формой распределения поля в области эдектронно-волнового взаимодействия, а другой - размерами ПС .

5).Резонанс ПС приводит к увеличению эффективной амплитуды ВЧ-поля в области электронно-волнового взаимодействия и , следовательно, к снижению мощности пучка, необхобимой для достижения высоких значений КПД .

6). На процесс формирования пространственных гармоник ПС влияет форма распределения поля, обусловленная как параметрами периода ПС, так и формой распределения интенсивности ВЧ-поля в области электронно-волнового взаимодейтсвия. (Результаты машинного моделирования).

7). Регистрация на экране осциллографа резонансов ПС в "холодной" модели ОЭДС возможно по двухгорбому виду спектральной огибающей резонансного пика.

8). Исследованы режимы работы оротрона при токах пучка до 10 А. Сравнение параметров этих режимов „ показали возможность повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия за счет резонансов ПС. Результаты экспериментов также показали, что высокоэффективные режимы при резонансе первого рода имеют значительно меньшие токи пучка , чем режимы с такой же эффективностью , но без резонанса.

9). Степень влияния резонанса первого рода на эффективность электронно-волнового взаимодействия зависит как от условий на границах ПС , так и от формы распределения ВЧ-поля , обусловленной этим резонансом . (Результаты машинного моделирования).

Основные результаты работы опубликованы в следующих изданиях

1 .Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, Влияние резонансов периодических структур на КПД оротрона //РЭ.1990. т.35. N5.0.1103.

2.А.Н.Власов, В.А.Черепенин, С.Г.Чигарев,

Моделирование дифракционного излучения

релятивистского электронного потока в открытых периодических структурах // РЭ. т.35. N8. 1990 с.1965. .З^Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, Модель электродинамической системы оротрона , как система двух связанных резонаторов // РЭ.1993.т.38. №8 с. 14611468.

4. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, Т.А.Лыткина, Нелинейная теория оротрона . , учитывающая пространственную ограниченность электродинамической системы // РЭ. 1993. т.38 №12. с.2218-2224.

б.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, А.Н.Власов, Экспериментальное моделирование многоволнового дифракционного излучения слаборелятивистского электронного потока // РЭ. 1995. т.40.№9. с1435.

6.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, Исследование резоннансов в плоских пространственно-ограниченных периодических

структурах мощных оротронов //РЭ. 1997. №6. т.42. с .733.737.

7.АС.И794682. В.Д.Котов, С.Г.Чигарев.07.01.81.Бюл.1.П. 8 .АС. N1101065. В .Д. Котов, Е. А. Мясин, С.Г.Чигарев.(Непуб)

9.АС.N1426333. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев.(Непуб)

10.АС.N1723942. Е.А.МЯСИН, С.Г.Чигарев.(Непубл.) 11 .АС.N1746843. Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев.(Непубл.)

12.Мясин Е.А., Чигарев С.Г., Евдокимов В.В. Повышение КПД оротрона за счет резонансов периодичческих структур //Волновые и колебательные процессы в электронных приборах О-типа. Тезисы докладов X всесоюзного семинара.Ленинград.1990.С.18.

13.Власов А.Н., Черепенин В.А., Чигарев С.Г. Моделирование излучения релятивистского электронного потока в дифракционных СВЧ генераторах //Волновые и колебательные процессы в электронных приборах О-типа.Тезисы докладов X всесоюзного семинара. Ленинград. 1990.С. 18.

14.Власов А.Н., Чигарев С.Г. Моделирование ближнего поля дифракционного излучения релятивистского электронного потока вблизи аномалии Вуда //Физика и применение микроволн.Труды всесоюзной школы-семинара. 4.1. МГУ им.М.И.Ломоносова.М. 1991. С. 110-113.

15.Чигарев С.Г.: Мясин Е.А., Власов А.Н., Евдокимов В.В. Влияние формы распределения поля на формирование рабочих гармоник в области взаимодействия в оротроне // Физика и применение микроволн. Труды всесоюзной школы-семинара. 4.2.МГУ им.М.И.Ломоносова.М. 1991. С.138-141.

16.Мясин Е.А., Чигарев С.Г. Нелинейная теория оротрона, учитывающая пространственную ограниченность электродинамической системы // Малошумящие генераторы СВЧ.Состояние разработок и перспектива применения в метрологии. Труды

всесоюзного научно-технического совещания . Иркутск. 1991.

16.Чигарез С. Г., Мясин Е.А., Евдокимов В.В. Экспериментальное исследование резонансных эффектов в области аномалии Вуда для модели слаборелятивистского электронного потока // Физика и применение микроволн. Труды всесоюзной школы-семинара. МГУ им.М.И.Ломоносова. М.1993.

17.Myasin Ye.A. and Chigarev C.G.Modeling of the weak-relativistic electron beam difractional radiation in open periodic structures // International Conference on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications. Conference Digest.San Diego. 1994.p. 174.

18.Myasin Ye.A., Tseytlin M.B., Bernachevsky G.A., Tchigarev S.G. and other. Study of centimeter and millimeter wave range powerful orotron-s efficient regimes at the IRE of the Academy of Sciences of the USSR // 2nd International Conference on millimeter Wave and FAR-lnfrared Technology. Conference Digest.Bejing, China. 1992. P.94.

19.Myasin Ye.A., Tchigarev S.G., Lytkina T.A., Vlasov A.N. Influence of the field distribution form in the electron beam motion direction on forming space harmonics in the orotron eiectrodynamic system region //Sixteenth International Conference on Infrared and Millimeter Waves. Lausanne, Switzerland. 1991. P.563.

20.Е.А.Мясин, С.Г.Чигарев, В.В.Евдокимов, А.Ю.Ильин. Исследование влияния резонансов периодических структур на эффективность электронно-волнового взаимодействия в открытых электродинамическтх системах //Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ. Материалы научной конференции. С ГУ им. Н.Г.Чернышевского. Саратов. 1997.с.38.

Материалы диссертации нашли свое дальнейшее развитие в научных работах, профинансированных фондом Сороса (грант N7L000 июль 1994 г. - июнь 1995г., грант N7L300 январь 1995г. - декабрь 1995 г.) и финансируемых четвертый год Российским фондом фундаментальных исследований (грант №94-02-06074-а, грант № 96-02-18347-а)

Подписано в печать 23.03,1998 г. Формат 60x84/16. Объем 1.39 усл.п.л. Ротапринт ИРЭ РАН. Тираж 100 экз. Зак.9