Резонансные свойства электронных волн в сверхразмерных секционированных черенковских СВЧ-устройствах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

, г л - РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ' ° СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

1 Г) /-Д ИНСТИТУТ СИЛЬНОТОЧНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи УДК 621.385.6

Чернявский Игорь Александрович

РЕЗОНАНСНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ ВОЛН В СВЕРХРАЗМЕРНЫХ СЕКЦИОНИРОВАННЫХ ЧЕРЕНКОВСКИХ СВЧ-УСТРОЙСТВАХ

01.04.04. - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-1996

Работа выполнена в Институте сильноточной электроники СО РАН, г. Томск

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Кошелев В.И. (ИСЭ СО РАН), кандидат физико-математических наук Пикунов В.М. (МГУ)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Коровин С.Д. (ИСЭ СО РАН), кандидат физико-математических наук Шлапаковский A.C. (НИИЯФ при ТПУ)

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники

Российской Академии Наук.

Защита диссертации состоится " "_ 1996 г.

в _ часов на заседании специализированного совета

Д 003.41.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу:

634055, г.Томск, пр.Академический, 4, аудитория N 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному выше адресу на имя ученого секретаря специализированного совета. Факс: (3822) 25-94-10.

Автореферат разослан " + "_i^oc-u.-

1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук

Д.И. Проскуровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Генераторы и усилители СВЧ, использующие механизм черенковского взаимодействия прямолинейных сильноточных релятивистских электронных пучков с полями различных замедляющих структур, на сегодняшний день являются одним из наиболее распространенных классов СВЧ-устройств, обеспечивающих получение мощного и сверхмощного микроволнового излучения в сантиметровом диапазоне длин волн (например, [1*, 2*]). Переход к пространственно-развитым, сверхразмерным замедляющим структурам с отношением диаметра волновода к рабочей длине волны й/Я. » 1 (при осуществлении селекции мод вблизи я-вида [3*]), а также использование секционирования, привело к значительному повышению эффективности генерации и уровня выходной мощности, которая в многоволновом черенковском генераторе (МВЧГ) достигла Ю10 Вт [4*-6*].

В последнее десятилетие происходило расширение экспериментальной базы релятивистской электроники черенковских СВЧ-устройств и был достигнут существенный прогресс в области диагностики характеристик получаемого излучения, что позволило сделать качественный скачок в результативности проводимых исследований. При этом преследовалась цель более тщательного и углубленного изучения физических механизмов взаимодействия электронного пучка и поля замедляющей структуры, а также исследование влияния различных параметров СВЧ-устройств на характеристики выходного излучения. Так, для устройств на основе диэлектрической втулки были проведены исследования зависимости выходной мощности от величины диэлектрической проницаемости и доказано определяющее влияние наличия рассогласования на концах замедляющей структуры для реализации режйма генерации [7*]; при этом, измеренная полоса генерации оказалась намного уже теоретически найденной (из решения одного лишь дисперсионного уравнения) полосы. Подробное изучение процессов взаимодействия пучка и поля сверхразмерных периодических замедляющих структур вблизи высокочастотной границы полосы

прозрачности (я-вида), позволило обнаружить здесь наличие заметной перестройки длины волны генерации, характер которой отличался от ожидаемого ранее [5]. Было также найдено сильное влияние мелко-масштабных (порядка полпериода замедляющей структуры) изменений длины трубы дрейфа на параметры выходного излучения и режимы работы сверхразмерных двухсекционных СВЧ-устройств (МВЧГ) [6].

С целью моделирования процессов, происходящих в различных черенковских СВЧ-устройствах, широко применяются линейные теории и модели этих устройств, которые способствуют как достижению понимания основных механизмов их работы, так и созданию базы для дальнейших исследований, уже с помощью более сложных теорий. Линейные модели, благодаря своей относительной простоте и компакт-ности получаемого программного кода, менее требовательны к компьютерным ресурсам, и поэтому дают возможность проведения широких исследований и быстрого получения конечного результата. Эти модели могут являться эффективным инструментом на начальной стадии проектирования и изучения конкретного СВЧ-устройства.

Появление ряда неожиданных экспериментальных фактов привело к необходимости как развития линейной модели, адекватно описывающей используемые (в общем случае - сверхразмерные, секционированные) диэлектрические и периодические замедляющие структуры конечной длины и основанные на них экспериментальные черенковские СВЧ-устройства, так и проведения на базе такой модели их широких и тщательных численных исследований. Основное внимание в данной работе уделяется поиску закономерностей, определяющих частоты (полосу) и стартовые условия генерации в мощных и сверхмощных СВЧ-устройствах, использующих несогласованные замедляющие структуры конечной длины. Конкретные численные исследования проводятся для черенковских СВЧ-устройств на основе диэлектрической втулки (в широком диапазоне частот) и на основе сверхразмерных одно- и двухсекционных периодических замедляющих структур (в области частот вблизи я-вида). Полученные результаты подробно сравниваются с экспериментальными данными; при этом производится ин-

терпретация последних с точки зрения развитой линейной модели.

Цель диссертационной работы - развитие эффективной линейной стационарной самосогласованной модели черенковских СВЧ-устройств на основе сверхразмерных секционированных замедляющих структур и проведение на базе такой модели широких численных исследований влияния различных параметров на спектр и стартовые условия генерации микроволнового излучения в устройствах указанного типа, а также на возможные режимы их работы, что способствовало бы как выявлению основных механизмов, определяющих процессы в данных приборах, так и объяснению ряда экспериментально наблюдаемых фактов.

Научная ценность и новизна результатов

Развита эффективная линейная стационарная самосогласованная модель сверхразмерных секционированных черенковских СВЧ-устройств. Результаты проведенных с помощью данной модели численных исследований развивают представление об электродинамических свойствах используемых в различных экспериментах замедляющих структур конечной длины (в общем случае - сверхразмерных и секционированных), а также позволяют выявить влияние этих свойств на частоты (полосы) и стартовые условия генерации СВЧ-излучения в основанных на таких структурах мощных и сверхмощных черенковских устройствах.

Изучены свойства продольных электронных колебаний в СВЧ-устройствах указанного типа при изменении в них различных параметров в широком диапазоне значений. Объяснена обнаруженная в эксперименте перестройка длины волны генерации вблизи л-вида. Впервые проведен последовательный учет конечности длины замедляющей структуры в исследованиях черенковских СВЧ-устройств на основе несогласованной диэлектрической втулки. Найдена полоса генерации в таком СВЧ-устройстве и изучена ее внутренняя структура.

Впервые подробно исследованы резонансные свойства двухсекционных замедляющих структур, и изучены зависимости

частот и стартовых токов генерации продольных электронных колебаний от величины длины трубы дрейфа в сверхразмерных двухсекционных СВЧ-устройствах (МВЧГ). Объяснены обнаруженные в экспериментах влияния мелкомасштабных изменений длины трубы дрейфа на спектр генерации МВЧГ. Найдена периодичность в значениях частот и стартовых токов генерации его электронных колебаний, проявляющаяся при изменении длины трубы. Выделены два характерных типа длин трубы дрейфа в зависимости от фазового сдвига в ней низшей симметричной волны гладкого волновода, и объяснена реализация в эксперименте двух различных режимов работы МВЧГ.

Практическая ценность работы

Численная модель реализована в виде пакета программ для персонального компьютера 1ВМ/РС-АТ486 и позволяет за короткие времена счета провести исследования широкого круга задач: рассчитать дисперсию волн в диэлектрических и периодических замедляющих структурах в отсутствие и при наличии в них электронного пучка, исследовать электродинамические свойства используемых сверхразмер-ных многосекционных замедляющих структур, найти частоты и стартовые токи генерации излучения в черенковских СВЧ-устройствах на основе таких структур, определить в них коэффициент линейного усиления заданного сигнала в широком диапазоне частот, построить продольные и поперечные распределения электромагнитного поля, а также провести анализ потоков мощности в произвольном сечении исследуемого устройства.

Результаты линейной модели хорошо согласуются с данными различных экспериментов, что делает ее эффективным инструментом исследования уже имеющихся устройств, а также позволяет использовать при создании и проектировании новых СВЧ-устройств черенковского типа.

Положения, выносимые на защиту.

1. Развита линейная стационарная самосогласованная модель сверхразмерных секционированных черенковских СВЧ-устройств, основанная на электродинамическом описании взаимодействия релятивистского электронного пучка с полями аксиально-симметричных слоисто-диэлектрических и перио-

6

дических замедляющих структур конечной длины и позволяющая исследовать широкий круг проблем, связанных с физикой указанного типа СВЧ-устройств.

2. Перестройка длины волны генерации, реализующаяся вблизи л-вида при изменении энергии электронов пучка в релятивистских черенковских СВЧ-устройствах со сверхразмерными периодическими замедляющими структурами, связана с сохранением фазовых соотношений электронных волн в цепи внутренней обратной связи этих устройств при их самовозбуждении на продольных электронных колебаниях.

3. Изменение длины двухсекционного СВЧ-устройства типа МВЧГ за счет изменения длины трубы дрейфа приводит к квазипериодическому повторению значений длин волн и стартовых токов генерации возбуждаемых в нем электронных колебаний. При длинах трубы дрейфа, много больших рабочей длины волны, период этих повторений совпадает с полудлиной низшей симметричной волны гладкого волновода, что связано с определяющей ролью этой волны в организации связи между секциями структуры.

4. Учет конечности длины замедляющей структуры приводит к сужению теоретически получаемой полосы генерации в черенковском СВЧ-устройстве на основе несогласованной диэлектрической втулки.

Публикации и апробация реультатов.

Материалы по теме диссертации опубликованы в статьях [1-6], докладывались на IX республиканском семинаре "Методы расчета ЭОС" (Ташкент, 1988), VI Всесоюзном семинаре по высокочастотной релятивистской электронике (Свердловск, 1989), VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), на Всесоюзной школе-семинаре "физика и применение микроволн" (Москва, 1991), IX Международной конференции по мощным электронным и ионным пучкам (Вашингтон, 1992), XVI Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (Москва-Санкт-Петербург, 1994), Международных симпозиумах по физической оптике (Лос-Анжелес 1993, Лос-Анжелес 1994, Сан-Диего 1995).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит, из 5 глав, введения и заключения. Объем диссертации составляет 233 страницы, включая 69 рисунков и список литературы из 115 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, оценивается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко излагается содержание диссертации и формулируются научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится краткий обзор литературы, посвященной развитию сильноточной релятивистской СВЧ-электроники устройств черенковского типа. Обсуждаются результаты экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия прямолинейных электронных пучков с полями диэлектрических и периодических замедляющих структур. Особое внимание уделяется развитию электроники сверхразмерных СВЧ-устройств, позволивших достигнуть рекордных уровней мощности. Рассматриваются модели и методы, применяемые для теоретического описания черенковских СВЧ-устройств; кратко обсуждаются различные линейные модели. Указывается на то, что для адекватного описания процессов взаимодействия в мощных устройствах черенковского типа необходимо применение самосогласо-ванного и электродинамического подходов, а также последовательный учет конечности длины устройства и реальных условий на границах. Перечислен ряд актуальных вопросов, как стоящих перед теорией черенковских СВЧ-устройств, так и возникших в результате недавних экспериментальных исследований. Формулируется цель работы, подчеркивается ее новизна, а также необходимость проведения новых теоретических исследований.

Вторая глава посвящена описанию основных положений, уравнений и численных методов линейной стационарной самосогласованной модели черенковских СВЧ-устройств, основан-

ных на продольном взаимодействии сильноточного релятивистского электрон-ного пучка с полями аксиально-симметричных секционированных сверхразмерных замедляющих структур. Идея данной модели принадлежит В.М.Пикунову (МГУ, г.Москва). Магнитное поле полагается бесконечным, пучок мо-ноэнергетичным, а его движение - одномерным. Рассмотрение ограничивается лишь полями "Е"-типа. Система уравнений для переменных составляющих величин состоит из уравнений Максвелла, а также линеаризованных уравнений движения и непрерывности заряда. Постоянная составляющая скалярного потенциала определяется из уравнения Пуассона. Приводится постановка задачи для устройств на основе слоисто-диэлектрических и периодических замедляющих структур. С целью нахождения переменных составляющих величин задача с помощью неполного метода Галеркина сводится к однородной системе обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ) первого порядка.

Широко используется понятие "электронной волны" черен-ковского СВЧ-устройства, определяемой как объект, являющийся итогом самосогласованного взаимодействия электронно-.го пучка с полями замедляющей структуры и содержащий как компоненты, связанные с электромагнитными полями, так и с электронным потоком. С электронной волной ассоциируются переносимые ею потоки электромагнитной и кинетический мощностей. Проведена классификация электронных волн. Для численного нахождения собственных электронных волн в частности применяется решение полной проблемы собственных значений для матриц полученных ранее СОДУ. Найденные комплексные собственные числа содержат нормированные постоянные распространения и нарастания (затухания) электронных волн, а собственные вектора позволяют строить поперечную структуру их полей.

С целью учета конечности длины реальных СВЧ-устройств, проблема, сводится к краевой задаче (для полученной ранее СОДУ) с заданными на границах условиями. Полученная краевая задача является жесткой, и для ее решения применяется устойчивый метод интегрирования - метод направленной орто-гонализации с полуобраще-нием матричного оператора.

Показаны численная устойчивость и сходимость используемых методов; проведено сравнение полученных результатов с известными из литературы теоретическими и экспериментальными данными.

Третья глава посвящена исследованию черенковских СВЧ-устройств на основе замедляющей структуры в виде диэлектрической втулки, плотно прилегающей к металлической стенке волновод?..' Вначале кратко обсуждаются свойства собственных волн волновода с частичным диэлектрическим заполнением в виде втулки. Изучаются дисперсия и свойства электронных волн, возникающих в такой замедляющей структуре при нагру-жении ее релятивистским электронным пучком.

Проводятся исследования резонансных свойств замедляющей структуры в виде несогласованной диэлектрической втулки конечной длины. Показывается, что возникающие в ней резо-нансы коэффициентов прохождения однозначно связаны с образованием внутри нее структуры поля стоячей волны и появляются вблизи частот продольных резонансов втулки. Для ре-зонансов коэффициентов прохождения используются обозначения и классификация, принятые в физике резонаторов.

Проводятся исследования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) усиления СВЧ-устройства на основе несогласованной диэлектрической втулки конечной длины при фиксированной энергии электронов пучка и различных значениях его тока. Показано, что с ростом тока пучка, АЧХ устройства приобретает все более изрезанный вид: наличие дискретного ряда резонансов усиления связывается с резонансными свойствами несогласованной диэлектрической втулки конечной длины, нагруженной электронным пучком. Для резонансов усиления вводится понятие "продольное электронное колебание", являющееся развитием понятия "электронной волны" на устройство конечной длины. Показано, что с ростом тока пучка становится возможным самовозбуждение такого устройства на частоте того или иного продольного электронного колебания за счет образования здесь цепи внутренней обратной связи. Это хорошо согласуется с данными различных экспериментов (например, [7*, 8*]).

Изучаются различные свойства продольных электронных колебаний рассматриваемого СВЧ-устройства. Обнаружено, что область самовоз-буждения устройства на некотором продольном электронном колебании ограничена по энергии электронов снизу. Показано, что с ростом энергии электронов пучка длина волны генерации продольного электронного колебания некоторого порядка уменьшается и стремится к длине волны продольного резонанса того же порядка для используемой замедляющей структуры. Найдено, что характер перестройки длины волны генерации продольного электронного колебания некоторого порядка связан с сохранением резонансных фазовых соотношений электронных волн в цепи внутренней обратной связи устройства, которые совпадают с таковыми для резонанса замедляющей структуры соответствующего порядка. Подчеркивается, что найденный характер перестройки длин волн генерации продольных электронных колебаний противоположен характеру перестройки длины волны синхронизма линии электронного пучка с ветвями волн диэлектрической замедляющей структуры на ее дисперсионной характеристике.

Сравнение величины рабочего тока пучка с рассчитанными значениями стартовых токов генерации для всего ряда расположенных в низшей зоне усиления (неустойчивости) продольных электронных колебаний, позволяет определить полосу генерации рассматриваемого СВЧ-устройства. Найденная таким образом полоса генерации имеет дискретную внутреннюю структуру, оказывается значительно уже полосы усиления (или генерации в [7*]), определенной с помощью инкремента из решения одного лишь дисперсионного уравнения, а по ширине -хорошо согласуется с экспериментальной [7*]. Проведено краткое срав-нение численных результатов исследования экспериментальных СВЧ-устройств на основе диэлектрической втулки с известными из литературы данными. Указывается на хорошее согласие теоретически найденных полос и длин волн генерации с экспериментальными их значениями.

Четвертая глава посвящена изучению односекционных СВЧ-устройств на основе сверхразмерных периодических замедляющих структур в области частот вблизи я-вида низшей

симметричной волны (моды Е01). Вначале кратко обсуждается дисперсия и поперечная структура поля собственных волн сверхразмерного периодического волновода с отношением ОД = 4. Затем изучается дисперсия собственных электронных волн подобной замедляющей структуры, нагруженной релятивистским электронным пучком. Показано, что в зависимости от значения энергии электронов, в области тс-вида в такой системе могут реализовываться различные типы взаимодействия электронных волн: ЛОВ-, ЛБВ-ЛОВ (тс-вида) и ЛБВ-типа.

Исследуются резонансные свойства замедляющей структуры в виде отрезка сверхразмерного периодического волновода в области частот вблизи я-вида. Показано, что возникающие на частотных зависимостях коэффициента прохождения относительно высокодобротные резонансы, связаны с" реализацией здесь продольных резонансов поверхностной волны.

Проводятся исследования усиления и генерации волн в различных экспериментальных односекционных СВЧ-устройствах на основе сверхразмерных периодических замедляющих структур конечной длины. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными [5, 9*] по длинам волн и стартовым условиям генерации, показывает, что самовозбуждение этих устройств реализуется на частотах продольных электронных колебаний различного (чаще всего - первого от тг-вида) порядка. Указывается на тесную связь продольных электронных колебаний с резонансными свойствами используемых замедляющих структур.

Исследуется зависимость свойств продольных электронных колебаний от различных параметров устройства: величины напряжения на диоде, геометрии электронного пучка и длины замедляющей структуры. Аналогично найдено, что с ростом величины напряжения на диоде длины волн генерации электронных колебаний уменьшаются, устремляясь при этом к длинам волн продольных резонансов соответствующих порядков для используемых замедляющих структур. Вновь показано, что такой характер перестройки продольных электронных колебаний сопровождается сохранением на их частотах генерации фазовых соотношений электронных волн в цепи внутренней обратной связи устройства. Отмечается, что наличие заметной пере-

стройки продольных электронных колебаний данных устройств при изменении энергии электронов пучка характерно для используемых в релятивистской СВЧ-электронике умеренно добротных замедляющих структур, и отличается от традиционно считаемой фиксированности частот генерации как на продольных резонансах замедляющей структуры, так и в области вблизи я-вида.

Показано сильное влияние, оказываемое частотной зависимостью резонансных свойств замедляющих структур на стартовые условия генерации продольных электронных колебаний, и проявляющееся в процессе перестройки их длин волн генерации при изменении энергии электронов пучка. Исследованы продольные распределения различных величин на частотах генерации электронного колебания первого порядка и показано, что при этом, в зависимости от величины напряжения на диоде, в односекционном СВЧ-устройстве реализуются различные режимы его работы: ЛОВ-типа (с нарастанием мощности с выхода на вход), ЛБВ-ЛОВ и ЛБВ-типа (с нарастанием мощности со входа на выход).

Проведено подробное сравнение результатов численных исследований с данными экспериментов на ускорителе "Синус -7М" [5] по изучению взаимодействия электронного пучка с полями односекционных сверхразмерных (D/A, -4) периодических замедляющих структур (с замедлением Уф/с = 0,86 и 0,81, где

Уф - фазовая скорость низшей симметричной волны периодического волновода) на частотах вблизи я-вида. Указывается на то, что при рабочих параметрах (напряжении 0,35-=-1,1 MB и токе пучка 2-И 1 кА) в экспериментальных СВЧ-устройствах стартовые условия генерации могут выполняться для продольных электронных колебаний нескольких первых (от тг-вида) порядков, что является возможным объяснением наблюдаемого в эксперименте многочастотного спектра генерации. Отмечается, что рассчитанные длины волн генерации первых от я-вида продольных электронных колебаний и характер их перестройки при изменении величины напряжения на диоде, хорошо согласуются с аналогичными для измеренных сигналов основной мощности. Показано, что переход к устройству с большим замедлением синхронного поля, - сопровождается возрастанием числа

продольных электронных колебаний, для которых выполнены стартовые условия генерации, что может быть причиной наблюдаемого при этом в эксперименте резкого обогащения спектра излучения, а также смещения диапазона устойчивой работы генератора в область более низких значений напряжения, где возбуждение высших типов колебаний затруднено.

Пятая глава посвящена изучению сверхразмерных двухсекционных замедляющих структур, а также созданных на их основе СВЧ-устройств типа МВЧГ, в области частот вблизи тс-вида низшей симметричной волны. При этом, основное внимание уделено исследованию в них влияния длины трубы дрейфа Ьдр.

Проводятся исследования влияния длины Ьдр на частотные

зависимости коэффициента прохождения в использованной в экспериментах замедляющей структуре с секциями равной длины. Найдено, что с увеличением Ьдр вблизи л-вида происходит смещение по частоте и уменьшение добротности тех ("плавающих") продольных резонансов, которые соответствуют их нечетным порядкам в случае односекционной структуры полной длины; в то же время, частоты и добротности резонансов четных порядков остаются практически неизменными. Показано, что с ростом длины Ьдр происходит как смещение в длинноволновую область уже существующих "плавающих" резонансов коэффициента прохождения, так и периодическое появление в области частот полосы непрозрачности аналогичных ("новых") резонансов следующих порядков. При этом наблюдается периодическое повторение резонансных частот двухсекционной замедляющей структуры; при длинах Ьдр, много больших рабочей длины волны, период этих повторений хорошо совпадает с половиной длиной волны моды Е01 гладкого волновода, что объясняется определяющей ролью именно этой волны в установлении связи обеих секций структуры. Это дает возможность выделить два характерных типа длин трубы дрейфа в зависимости от величины фазового сдвига в ней моды Е01 гладкого волновода: 1) те Ьдр, для которых фазовый сдвиг имеет вид тл;;

2) те Ьдр, для которых фазовый сдвиг имеет вид (2т + 1) я/2.

Подчеркивается, что эти два типа Ьдр, различаются характером

связи обеих секций структуры друг с другом.

Показано, что генерация в сверхразмерных двухсекционных устройствах (МВЧГ) возникает на дискретном числе частот, соответствующих их продольным электронным колебаниям. Найдено, что значения частот и стартовых токов генерации продольных электронных колебаний в этих устройствах сильно зависят от величины Ьдр и периодически повторяются при дополнительном фазовом сдвиге низшей симметричной волны гладкого волновода внутри трубы дрейфа на л. Указывается на резкое различие ситуаций по стартовым условиям генерации электронных колебаний для двух выделенных характерных типов длин Ьдр, что объясняет обнаруженные в эксперименте два

различных режима работы двухсекционного устройства.

Найдено, что все продольные электронные колебания двухсекционного устройства с увеличением в нем длины Ьдр смещаются в длинноволновую область частот, образуя непрерывные линии генерации. В области частот полосы непрозрачности, при длинах труб дрейфа, соответствующих целочисленному сдвигу фазы низшей симметричной волны гладкого волновода, периодически возникают "новые" электронные колебания следующих порядков, которые с ростом длины Ьдр замещают собой колебания предыдущих порядков. При этом, на фоне плавного уменьшения частоты генерации двухсекционного устройства, возможно скачкообразное ее увеличение при переходе работы устройства со "старого" электронного колебания на "новое", по мере изменения соотношения величин их стартовых токов. Это хорошо объясняет экспериментальную зависимость длин волн генерации двухсекционных устройств от величины длины трубы дрейфа в них [6].

Показано, что при изменении различных параметров двухсекционного устройства в рабочем диапазоне величин, значения длин волн и стартовых токов генерации в нем прежде всего определяются длиной Ьдр, и лишь затем - другими его

параметрами (такими, например, как - напряжение на диоде, средний радиус пучка и длина второй секции). Рассчитанные длины волн генерации электронных колебаний и их зависимо-

сти от напряжения на диоде хорошо согласуются с результатами экспериментов [6]; при этом, с ростом величины напряжения, длина волны генерации уменьшается. Указано на возможность проведения эффективной селекции электронных колебаний двухсекционного устройства по стартовым условиям генерации, путем варьирования в нем значений тех или иных параметров.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Самовозбуждение исследованных релятивистских черен-овсих СВЧ-устройств, основанных на несогласованных диэлек- / трических и периодических замедляющих структурах конечной длины, реализуется на дискретном числе частот продольных электронных колебаний таких структур, где выполняются фазовые условия генерации в цепи внутренней обратной связи данных устройств.

2. В релятивистских черенковских СВЧ-устройствах продольные электронные колебания являются перестраиваемыми по длине волны генерации при изменении энергии электронов пучка, что связано с использованием в данных устройствах относительно низкодобротных и открытых (сверхразмерных) замедляющих структур. При этом, с возрастанием энергии электронов пучка, длины волн генерации продольных электронных колебаний уменьшаются, устремляясь к длинам волн продольных резонансов соответствующих порядков для используемой замедляющей структуры конечной длины. Указанный характер перестройки длины волны генерации продольных электронных колебаний удовлетворительно отражает поведение части экспериментального спектра генерации вблизи я-вида в черенковских СВЧ-устройствах на основе сверхразмерных периодических замедляющих структур.

3. ПЬлоса генерации черенковского СВЧ-устройства на основе несогласованной диэлектрической втулки конечной длины является дискретной, а ее ширина определяется числом тех электронных колебаний, для которых (при рабочем токе пучка) выполнены стартовые условия генерации. Найденная таким образом ширина полосы генерации хорошо согласуется с экспе-

риментапьной и оказывается много уже полосы усиления (и генерации), определенной из решения одного лишь дисперсионного уравнения^

4. С увеличением замедления используемой сверхразмерной периодической структуры (при неизменном числе ее периодов) в односекционном черенковском СВЧ-устройстве вблизи тс-вида происходит возрастание числа продольных электронных колебаний, для которых выполняются стартовые условия генерации при рабочем значении тока пучка. Это может являться причиной как наблюдаемого в эксперименте существенного обогащения спектра генерации, так и смещения диапазона устойчивой работы СВЧ-устройства в область более низких значений напряжения, где возбуждение высших типов продольных электронных колебаний затруднено или не реализуется вовсе.

5. Резонансные (электродинамические) свойства используемых в МВЧГ двухсекционных замедляющих структур сильно зависят от значения фазового сдвига внутри трубы дрейфа низшей симметричной волны гладкого волновода, играющей основную роль в организации связи двух секций между собой, а та же во взаимодействии с электронным пучком внутри обеих секций структуры, что может являться объяснением наблюдаемых в экспериментах с МВЧГ сильных влияний мелкомасштабных изменений (порядка полпериода замедляющей структуры) длины трубы дрейфа на выходные характеристики излучения и режимы работы двухсекционного СВЧ-устройства вблизи тс-вида.

6. При изменении длины двухсекционного черенковского СВЧ-устройства за счет увеличения в нем длины трубы дрейфа, происходит плавное смещение длин волн генерации всех электронных колебаний в более длинноволновую область. С появлением внутри трубы дрейфа дополнительного сдвига фазы низшей симметричной волны гладкого волновода на п, в данных устройствах наблюдается квазипериодическое повторение значений длин волн и стартовых токов генерации электронных ко"?баний, а также появление в полосе непрозрачности "новых" электронных колебаний следующих порядков.

7. С ростом длины трубы дрейфа в двухсекционном СВЧ-устройстве происходит изменение соотношения стартовых ус-

ловий генерации продольных электронных колебаний последовательных порядков, вплоть до обратного, что может являться объяснением наблюдаемого при этом в экспериментах перехода работы МВЧГ преимущественно с одного продольного электронного колебания на другое, следующего порядка.

Публикации автора по теме диссертации:

1. Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Электронные волны в релятивистском черенковском СВЧ-устройстве. - Радиотехника и электроника, 1992, т.37, N11, с.2032-2041.

2. Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Усиление и генерация волн в релятивистском СВЧ-устройстве черенковского типа. -Радиотехника и электроника, 1992, т.37, N 11, с.2041-2050.

3. Пикунов В.М., Черепенин В.А., Чернявский И.А. - Линейный анализ взаимодействия электронного пучка и электромагнитного поля периодической диэлектрической среды. - Радиотехника и электроника, 1993, т.38, N 12, с.2210-2218.

4. Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Волны пространственного заряда в черенковских микроволновых устройствах. - Вестник МГУ. сер.З. Физика. Астрономия, 1994, т.35, N 4, с.45-54.

5. Дейчули М.П., Кошелев В.И., Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Взаимодействие релятивистского электронного пучка и электромагнитного поля в сверхразмерном периодическом волноводе вблизи высокочастотной границы полосы пропускания. -Радиотехника и электроника, 1995, т.40, N 9, с.1440-1450.

6. Дейчули М.П., Кошелев В.И., Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Взаимодействие релятивистского электронного пучка и электромагнитного поля в сверхразмерных секционированных замедляющих структурах вблизи высокочастотной границы полосы пропускания. - Радиотехника и электроника, 1996, т.41, N 2, с.228-236.

7. Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Применение метода Га-леркина к исследованию релятивистских СВЧ-устройств черенковского типа. - Тезисы докл. IX республиканского семинара "Методы расчета ЭОС". 15-17 ноября. Ташкент: Ин-т энергетики и автоматики АН УзССР, 1988, с. 17.

8. Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Усиление электромагнитных волн в черенковском устройстве СВЧ. - Тезисы докл. VIII Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, Свердловск: Ин-т электрофизики УрО АН СССР, 1990, ч. II, с.61-63.

9. Пикунов В.М., Чернявский И.А. - Образование поверхностной волны в релятивистском СВЧ-устройстве черенковского типа. - Труды Всесоюзной школы-семинара "Физика и применение микроволн", Москва: МГУ, 1991, ч. I, с. 140-143.

10. Bastrikov A.N., Bugaev S.P., Chernyavsky I.A., Deichuly M.P., Khryapov P.A., Koshelev V.I., Lopatin V.V., Sochugov N.S., Sukhushin K.N., Zakharov A.N., Kanavets V.I., Pikunov V.M., Slep-kov A.I. - The state of art of investigations of relativistic multiwave microwave generators. - Proc. 9-th International Conference on High-Power Particle Beams, 1992, vol. Ill, p.1586-1591.

11. Pikunov V.M., Chernyavsky I.A. - Linear theory of the relativistic superdimensional Cherenkov devices. - SPIE Proc. Series, 1993, vol.1872, p.358-367.

12. Chernyavsky I.A., Pikunov V.M. - Simulations of the highpower Cherenkov device's superdimensional electrodynamical structures. - SPIE Proc. Series, 1994, vol.2154, p.396-407.

13. Chernyavsky I.A., Deichuly M.P., Koshelev V.I., Pikunov V.M. - Interaction of REB with electromagnetic field in overmoded slow-wave structures near the high-frequency boundary of the transmission band. / XVI Intern, symposium on discharges and electrical insulation in vacuum. / - SPIE Proc. Series, 1994, vol.2259, p.542-545.

14. Chernyavsky I.A., Pikunov V.M. - Electron waves resonance properties in superdimensional microwave Cherenkov devices. - SPIE Proc. Series, 1995, vol.2557, p.480-491.

Дополнительная литература.

1*. Ковалев Н.Ф., Петелин М.И., Райзер М.Д., Сморгонский

A.B., Цопп Л.Э. - Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов. - Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18. вып.4. с.232-235.

2*. Диденко А.И., Борисов А.Р., Фоменко Г.П. и Штейн Ю.Г. - Экспериментальное исследование черенковского излучения сильноточных релятивистских электронных пучков. - Письма в ЖТФ. 1983. Т.9. Вып.1. с.60-62.

3*. Александров А.Ф., Гапузо С.Ю., Канавец В.И., Плетюш-кин В.А. - Возбуждение поверхностных волн релятивистским электронным потоком в диафрагмированном волноводе. - ЖТФ. 1981.Т.51. N 8. с.1727-1730.

4*. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И., Кошелев В.И., Черепенин В.А. - Релятивистский Многоволновой Черенковский Генератор. - Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. Вып. 22. с.1385-1389.

5*. Бугаев С.П., Канавец В.И., Климов А.И., Кошелев В.И., Слепков А.И., Черепенин В.А. - Взаимодействие электронного потока и электромагнитного поля в многоволновом черен-ковском генераторе с мощностью Ю10 Вт - Радиотехника и электроника. 1987. Т.32. N 2. с.1488-1498.

6*. Бугаев С.П., Канавец В.И., Кошелев В.И., Черепенин

B.А. Релятивистские многоволновые СВЧ-генераторы. - Новосибирск. Наука. 1991. 296 с.

7*. Main W., Cherry R., and Garate E. - High-Power Dielectric Cherenkov Maser Oscillator Experiments. - IEEE Trans, on Plasma Science. 1990. V. 18. N 3. p.507-512.

8*. Von Laven S., Branscum J., Golub J., Layman R., and Walsh J. - High-power Cerenkov maser oscillator. - Appl. Phys. Lett. 1982. V. 41. N 5. p.408-410.

9*. Климов А.И. - Релятивистские многоволновые черенковские генераторы трехсантиметрового диапазона длин

волн. - Дисс......канд. физ.-мат. наук. ИСЭ СО АН СССР. Томск.

1986. 199 с.