Спектры плазменного релятивистского СВЧ-генератора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Оглавление.

Введение.

Глава! Экспериментальная установка и методики измерений.

1.1 Экспериментальная установка — плазменный релятивистский СВЧ-генератор.

1.1.1 Ускоритель «Терек-П».

1.1.2 Вакуумный диод.

1.1.3 Магнитная система.

1.1.4 Формирование трубчатой плазмы.

1.1.5 Регулировка радиуса плазмы.

1.1.6 Плазменный релятивистский СВЧ-генератор.

1.2 Методы измерения параметров РЭП.

1.2.1 Измерение напряжения.

1.2.2 Измерение тока РЭП.

1.3 Измерение параметров плазмы.

1.3.1 Зондовые измерения.

1.3.1.1 Профиль плазмы по радиусу.

1.3.1.2 Исследование параметров плазменной неустойчивости.

1.3.1.3 Колебания плотности плазмы при различных значениях толщины плазменной трубки.

1.3.2 Измерения плотности плазмы СВЧ-методом.

1.4 Обсуждение результатов исследования плазменного источника.

1.4.1 Устойчивость ограниченной плазмы в магнитном поле.

1.4.2 Плазменный волновод.

1.5 Диагностика СВЧ.

1.5.1 Детектор на горячих носителях.

1.5.2 Калориметр.

1.5.2.1 Проверка электрической калибровки калориметра.

1.5.3 Спектрометр.

1.5.3.1 Использование запредельных волноводов для фильтрации СВЧ-излучения большой мощности.

1.5.3.2 Методика измерения спектров.

Глава2 Основные результаты теоретических исследований.

2.1 Простейшие представления о дисперсии пучковых и плазменных волн.

2.2 Исходные положения линейной теории усилителя.

2.3 Анализ зависимости частоты генерации от плазменной частоты.

2.4 Работа генератора при различных длинах взаимодействия.

2.5 Работа генератора при различных зазорах «РЭП-плазма».

2.6 Различные токи РЭП.

ГлаваЗ Зависимости энергии импульса излучения от плотности плазмы Е(пр) при различных значениях параметров 1, 1ь.-.

3.1 Зависимость Е(пр).

3.2 Зависимость Е(пр) при различных Ь и Кр.

3.3 Зависимость Е(пр) при различных значениях тока РЭП.

3.4 Влияние неоднородности плотности плазмы по азимуту на эффективность генерации СВЧ.

Глава4 Спектры ПРГ при различных значениях параметров пр, Ц Кр> В, 1ь.-.

4.1 Общие свойства спектров ПРГ.

4.2 Спектры ПРГ при различных длинах взаимодействия.

4.3 Спектры ПРГ при различных зазорах между РЭП и плазмой.

4.4 Спектры ПРГ при различных значениях магнитного поля.

4.5 Спектры ПРГ при различных значениях тока РЭП.

4.6 Спектры ПРГ при разной толщине плазменной трубки.

4.7 Основные результаты измерения спектров.

СВЧ-электроника, в которой используются сильноточные релятивистские электронные пучки (РЭП), получила название релятивистской. Большинство исследований проведено для пучков с током 14-15 к А и релятивистским eU фактором электронов у = 1+—г = 2 -4- 4. Здесь eU — кинетическая энергия электшс ронов, тс =511 кэВ — энергия покоя электрона. Создано много вакуумных релятивистских СВЧ-приборов, аналогов приборов обычной нерелятивистской СВЧ-электроники: магнетрон, лампа обратной волны (ЛОВ), лампа бегущей волны (ЛБВ), гиротрон и другие. Во всех этих приборах сильноточный РЭП транспортируется однородным магнитным полем. Используются два типа электронных пучков: в первом электроны имеют только продольную (вдоль оси пучка) скорость, во втором электроны имеют как продольную скорость, так и поперечную.

Если электроны имеют только продольную скорость, то для генерации или усиления СВЧ-излучения используется эффект индуцированного черен-ковского излучения. Чтобы обеспечить черенковское условие: vpil ~ и < с, где vph — фазовая скорость волны, и — скорость электронов, с — скорость света, эти приборы содержат замедляющие электродинамические структуры.

Если электроны имеют поперечную скорость, то появляется возможность использовать индуцированное циклотронное излучение. Был создан релятивистский гиротрон, излучающий на частоте Cijy, здесь Qe — электронная циклотронная частота нерелятивистского электрона. В гиротроне излучение возникает из-за потери электронами поперечной скорости. Однако с ростом у к.п.д. гиротрона уменьшается и при у > 2 его использование становится неперспективным.

В вакуумной релятивистской СВЧ электронике был создан новый прибор — мазер на циклотронном авторезонансе (МЦАР [1]). В нем излучение возникает за счет потери как продольной скорости, так и поперечной, и его эффективность не уменьшается с ростом релятивизма электронов.

Плазменная релятивистская СВЧ-электроника изучает эффективную трансформацию энергии РЭП в энергию электромагнитного излучения в пространственно ограниченных системах, содержащих плазму. Различаются две группы приборов, в которых плазма играет различную роль: • релятивистские комбинированные плазмонаполненные приборы ■ плазменные черенковские СВЧ-генераторы и усилители.

К первой группе относятся СВЧ-приборы, которые работают в вакууме, а добавление плазмы приводит к улучшению их параметров. В этих приборах частота излучения определяется, в основном, свойствами вакуумной замедляющей структуры. Но плазма сильно влияет на распределение высокочастотного поля по сечению электронного пучка и позволяет значительно повысить к.п.д. прибора.

Исследования влияния плазмы на работу вакуумных релятивистских СВЧ-генераторов были начаты в 70-х годах в Харьковском физико-техническом институте (Украина), а затем продолжены в Институте общей физики (Россия), в Университете Нью-Мексико и в Калифорнийском университете (США). В настоящее время эти работы ведутся в Институте плазменных исследований Мерилендского университета (США). Библиографию этих работ можно найти в обзоре [2].

Большинство экспериментов по заполнению вакуумных релятивистских СВЧ-приборов плазмой выполнено для черенковских приборов, имеющих замедляющие структуры в виде диафрагмированного или гофрированного волноводов. При этом плазма влияла как на электродинамические свойства СВЧ-генератора, так и на качество пучка. Эксперимент, в котором плазма влияла только на качество и величину тока пучка, не изменяя электродинамики генератора, заключался в заполнении плазмой вакуумного релятивистского гиротрона [3]. В гиротроне возбуждалась Н-волна и замагниченная плазма не изменяла свойств этой волны. В этой работе трубчатая плазма создавалась в резонаторе гиротрона, который выполнен в виде отрезка круглого волновода с гладкими стенками. В вакууме получена одномодовая генерация (мода Ни) с мощностью 25 МВт и к.п.д. 20% при токе пучка 400 А и энергии электронов 300 кэВ. При увеличении тока пучка до величины предельного вакуумного тока 1о = 900 А мощность излучения оставалась постоянной. Величина 1о для пучка, в котором электроны имеют поперечную скорость — зависит от питч-угла а = ап^ Vl/v|l, где у|( — продольная компонента скорости электрона. Очевидно, что при а = 90,10 = 0. При заполнении гиротрона плазмой максимальная мощность излучения получена при большем значении питч-угла, так что 1о = 600 А. Увеличение плотности плазмы до пр= 2-Ю11 см"3 привело к увеличению тока пучка до 1ь=1.2 кА и мощности излучения до 60 МВт. Таким образом, получена эффективная генерация (к.п.д. = 15%) на токе, превышающем 10 в 2 раза. Важно, что плазма не изменила ни частоту излучения, ни моду колебаний, как это и ожидалось, поскольку плазма в сильном продольном магнитном поле не влияет на дисперсию Н-мод.

Как уже говорилось, в первых работах по заполнению черенковских СВЧ-генераторов плазма создавалась самим РЭП при ионизации газа электронным ударом. Плотность плазмы непрерывно изменялась в течение импульса РЭП и никаких измерений плотности плазмы или ее профиля не проводилось. с л

Обнаружен факт, что при ухудшении вакуума от 10" до 2-10" Тор мощность СВЧ-генератора с замедляющей структурой в виде диафрагмированного волновода возрастала практически от нуля до 600 МВт (еи ~ 1 МэВ, 1ъ= 15 кА, Т = 30 не) [4]. Дальнейшее увеличение давления приводило к резкому уменьшению мощности излучения. Влияние давления газа на частоту излучения не обсуждалось.

В работе [5] продемонстрировано, что вакуумный карсинотрон (ЛОВ), возбуждаемый РЭП с током близким к значению предельного вакуумного тока, увеличивает свою эффективность в десятки раз при напуске аргона (давление

О 1

1(Г Тор) и гелия (давление 10" Тор).

В работе [6] в вакуумный карсинотрон инжектировался РЭП относитель

2 1 зо большой длительности Т = 500 не. При давлении гелия 10" ч- 10" Тор было азмерено увеличение выходной СВЧ мощности, сдвиг частоты от 8.3 до 9.3 ГГц а некоторое уширение спектра излучения. Плотность плазмы в этом режиме согласно измерениям достигала величины 8-1011 см"3. Дальнейшее увеличение давления газа приводило к снижению выходной мощности и появлению излучения на частоте 14 ГГц. Представленные выше эксперименты показали, что РЭП с длительностью импульса тока Т = 30 -г 500 не может создать в газе тлазму, которая существенно влияет на электродинамические свойства гофри-эованного волновода.

В более поздних экспериментах плазма создавалась независимым от РЭП асточником плазмы. В ряде работ использовались искровые источники плазмы. В них были измерены значения плотности плазмы и ее профиль. Считается, что плотность плазмы не изменяется в течение импульса тока РЭП. В работе [7] токазано, что при инжекции РЭП с параметрами: е11 = 630 кэВ, 1ь = 2.3 кА мощность излучения на частоте 8.5 ГГц увеличивалась в 8 раз при плотности злазмы 21011 см"3 по сравнению с уровнем мощности в вакууме. Дальнейшее

12 3 увеличение плотности плазмы пр > 10 см" вызывало уширение спектра и повышение значения средней частоты до 10 - 18 ГГц.

В большинстве экспериментов максимальная мощность излучения наб-подалась при оптимальном значении плотности плазмы. Дальнейшее увеличение плотности плазмы приводило к уменьшению выходной мощности. Авторы заботы [8] связали уменьшение мощности излучения при повышении плотнос-ги плазмы с наличием поглощающего слоя плазмы в излучающем рупоре. Дело з том, что почти во всех экспериментах после пролета гофрированного волновода пучок выводился на стенки выходного излучающего рупора, двигаясь вдоль расходящихся силовых линий. Таким образом, излучение проходило область, в которой напряженность магнитного поля изменялась от максимального значения до малых величин, так что начинало выполняться условие < ю, здесь Пе — электронная циклотронная частота, со — частота излучения. Если в эту область проникала плазма, то возникал плазменный слой, в котором

2 2 2 выполнялось условие верхнего гибридного резонанса со = сор + Пе, здесь сор —• электронная плазменная частота. По-видимому, поглощение в этом слое и объясняет уменьшение мощности излучения при увеличении плотности плазмы в описанных выше экспериментах.

В работе [8] были предприняты специальные меры, обеспечивающие невозможность образования резонансного поглощающего слоя на пути электромагнитной волны. Трубчатый РЭП инжектировался в зазор между плазменным цилиндром и стенкой гофрированного волновода в секции взаимодействия. Плазма создавалась искровым источником. Диафрагма и катод находятся в однородном магнитном поле. Диафрагма задает диаметр плазмы внутри карси-нотрона и служит коллектором РЭП. Экранирующий цилиндр предотвращает попадание плазмы внутрь диода ускорителя. Электромагнитная волна из гофрированного волновода через кольцевую щель выходит в коаксиальный излучающий рупор. В этой схеме плазма находится в однородном магнитном поле, так что всегда Пе > ю и резонансное поглощение невозможно. В этом эксперименте была продемонстрирована работоспособность плазмонаполненного карсинот-рона вплоть до пр = 8-1012 см"3. При параметрах РЭП еИ = 550 кэВ, 1р = 0.8 кА был достигнут сдвиг частоты излучения от 8.5 ГГц в вакууме до 11 ГГц при

12 3 пр « 10 см" . Мощность излучения практически не зависела от плотности плазмы.

Таким образом, эксперименты в основном подтвердили теоретические представления о влиянии плазмы на работу вакуумных релятивистских СВЧгенераторов. Показано, что изменение плотности плазмы позволяет управлять частотой излучения и спектром от импульса к импульсу. Если плотность плазмы изменяется в течение импульса тока РЭП, то и спектр излучения изменяется в течение импульса. В ряде экспериментов имело место увеличение мощности излучения, по сравнению с вакуумным прототипом при неизменных параметрах РЭП. Однако, если сравнивать мощность плазмонаполненных и лучших вакуумных релятивистских СВЧ—приборов при близких параметрах РЭП и частотах излучения, то преимущество плазмонаполненных СВЧ-генераторов не продемонстрировано. Тем не менее, можно ожидать значительного прогресса в этой области экспериментальной релятивистской СВЧ-электроники по мере совершенствования методов численного моделирования таких достаточно сложных систем.

Ко второй группе приборов следует отнести такие устройства, в которых электронный пучок возбуждает собственные волны плазменного волновода. Иными словами, замедляющей структурой, которая формирует медленную волну, является плазма, и нет никакой периодической замедляющей системы типа гофров, спиралей и т.п. Плазменная электроника возникла в 1949 году после работ [9, 10], в которых было теоретически предсказано явление плазмо-пучковой неустойчивости, состоящее в возбуждении электромагнитных волн в плазме электронным пучком вследствие вынужденного черенковского излучения.

В нерелятивистской СВЧ-электронике такими приборами являются плазменные ЛБВ. Библиография таких исследований приведена в работах [11, 12]. Экспериментальные исследования таких нерелятивистских приборов были проведены [13, 14]. Исследования гибридных плазменных СВЧ-источников проведены научной школой Я.Б. Файнберга (Харьковский физико-технический институт) [напр. 15]. Большим достижением также является создание гибридного усилителя сотрудниками Всесоюзного электротехнического института, г. Москва. Цикл этих работ опубликован в журналах "Физика плазмы" [16, 17].

Однако в практике эти приборы широкого распространения не получили. Дело в том, что нерелятивистский электронный пучок возбуждает при черен-ковском механизме волну с малой фазовой скоростью, примерно равной скорости электронов пучка, так что в экспериментах выполнялось неравенство урЬ/с <0.35. Эти медленные волны оказываются запертыми в плазме, и приходилось использовать для ввода излучения в плазму или вывода излучения из плазмы вакуумные замедляющие структуры. Использование таких структур значительно уменьшает возможность перестройки частоты, которая является основным преимуществом плазменных приборов.

Задача отражения волн на границе металлического волновода, заполненного плазмой, и вакуумного металлического волновода решается численно [18]. Здесь приведём лишь предварительную оценку коэффициента отражения. Для этого рассмотрим модельную задачу отражения плоской волны при нормальном падении на границу раздела двух сред: вакуум и плазма. Т.к. в черенковс-ких приборах фазовая скорость волны равна скорости электронов, коэффициент отражения амплитуды электрического поля к можно выразить через у:

Если энергия электронов 500-г700 кэВ, то к = 1/16-7-1/22. Если же энергия электронов меньше 30 кэВ, то к> 0,9. Эта оценка и демонстрирует принципиальное различие процесса излучения собственных волн плазменного волновода в окружающее пространство при возбуждении их релятивистскими и нерелятивистскими электронами. Плазменные релятивистские СВЧ-генераторы и усилители не содержат согласующих элементов для эффективного ввода электромагнитных волн в плазму и их вывода, которые осложняли бы создание плазменных нерелятивистских СВЧ-источников с широкой перестройкой частоты.

Численный расчёт коэффициента отражения плазменной волны при трансформации её в вакуумную в реальном СВЧ-генераторе был проведен к

1) совсем недавно [18]. Эти результаты ещё не были использованы в расчётах плазменного генератора. Поэтому данные оценки носят в основном качественный характер, хотя именно это значение коэффициента отражения (1) использовалось в расчётах генератора до недавнего времени.

Первый эксперимент с использованием сильноточного РЭП [19] подтвердил возможность черенковского возбуждения волн в плазме. Впервые такой генератор был реализован в работе [20]. В нём плазма является замедляющей структурой и без плазмы такие устройства не работают. Одна из привлекательных особенностей таких устройств заключается в возможности регулировки частоты излучения за счет изменения плотности плазмы.

Основы теории вынужденного черенковского излучения плотных релятивистских электронных пучков в плазме и принципы релятивистской плазменной СВЧ-электроники были сформулированы в работах 80"х годов: обзорах [21,22], сборниках трудов [23, 24] и монографии [25]. В этих работах можно найти подробную библиографию оригинальных исследований.

Далее проводились планомерные экспериментальные исследования плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ПРГ) в тесном контакте с теоретическими, с учётом особенностей эксперимента. Первые результаты экспериментов, в которых исследовались пороговые значения плотности плазмы, наличие стартового тока РЭП при фиксированной длине взаимодействия приведены в работе [26]. Эти исследования были продолжены [27], здесь более подробно исследовались зависимости мощности генератора от плотности плазмы, тока РЭП и длины системы. Измеренное азимутальное распределение мощности не противоречило предположению о возбуждении азимутально-симметричной моды (1 = 0) кабельной плазменной волны.

Первые измерения спектра были сделаны в работах [28,29]. Однако в этих измерениях диапазон спектроанализатора, 8-г17 ГГц, оказался меньше ширины спектра ПРГ. Измерения полной энергии излучения имели большую погрешность. В связи с этим был разработаны калориметр и спектрометр, которые позволяют измерять энергию импульса с точностью 0.05 Дж и спектр в диапазоне 2ч-38 ГГц. Первые экспериментальные спектры, полученные с помощью такой диагностики опубликованы в [30].

Одним из достоинств ПРГ является то, что структура полей в плазменном волноводе исключает СВЧ-пробой по поверхности металлического волновода. Такой пробой ограничивает возможность повышения мощности и длительности СВЧ-импульса в наиболее разработанных в настоящее время релятивистских СВЧ-генераторах: магнетронах и карсинотронах. Возможность генерации СВЧ-импульсов большой длительности при помощи ПРГ была продемонстрирована экспериментально [31]. Был получен импульс СВЧ-излучения с максимальным значением мощности 40 МВт при длительности импульса по основанию ~ 800 не и энергии 21 Дж. Важно, что резкий срыв мощности, который имеет место в релятивистских вакуумных СВЧ-генераторах, в ПРГ не наблюдается.

Начаты экспериментальные исследования плазменного релятивистского СВЧ-усилителя [32]. Цель этих исследований — сравнить экспериментальные результаты с уже хорошо разработанной теорией. Кроме того, ожидается создание усилителя с широкой полосой перестройки частоты усиления, например, от 8 до 24 ГГц. Перестройка будет осуществляться только изменением плотности плазмы.

В настоящее время достигнуто усиление СВЧ-излучения от уровня ~ 50 кВт до уровня 10 ч- 20 МВт на частотах 9 и 12.7 ГГц. Максимальное усиление достигается при определенном значении плотности плазмы, но диапазон плотности плазмы, в котором регистрируется усиление, достаточно велик пршах/пр11ип = 3. Доказано, что частота излучения совпадает с частотой входного СВЧ-сигнала и ширина его спектра меньше 5%.

При изучении плазменных релятивистских СВЧ-генераторов научные цели состоят в определении механизмов неустойчивости РЭП в присутствии плазмы, изучении нелинейных процессов насыщения мощности СВЧ-излучения, в понимании природы спектров СВЧ-излучения. При этом решается также прикладная задача — создание таких плазменных СВЧ-приборов, которые имеют преимущества перед вакуумными.

Цель диссертации — экспериментально изучить влияние параметров плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ПРГ) на спектр и эффективность излучения, исследовать возможности перестройки частоты излучения. На основе полученных результатов создать ПРГ с 7-кратной перестройкой средней частоты на уровне мощности 50 МВт.

Диссертация состоит из введения 4 глав и заключения.

4.7 Основные результаты измерения спектров.

В заключении все данные по измерению спектров плазменного генератора и зависимостей энергии импульса СВЧ-излучения от плотности плазмы удобно свести в таблицу:

В, Тл см и см пр,-1013 -3 см f . ГГц Пр,-Ю13 см"3 f ГГц

1.2 0.9 10 1 15-20 6 20-24

15 0.5 9ч-15

20 0.3 5ч-9

1.7 1.0 10 6 20-24 7 24-32

0.9 2 15^-24 28-32

20 0.3 5-9

2.2 0.95 20 0.2 0-9 7 24-32

В ней представлены основные результаты, полученные для различных значений радиусов плазмы Яр (радиус РЭП во всех экспериментах постоянный гь = 0.6 см), длин взаимодействия Ь и значений магнитного поля.

В первых трёх столбцах таблицы указаны значения параметров, при которых проводился эксперимент. Остальные параметры имели следующие значения: Р = 0.45 мТор, гь = 0.6 см, и = 500 кВ, 1ь = 2.0 кА. В четвёртом столбце представлена пороговая плотность плазмы, при которой возникает генерация (по результатам ГлаваЗ). В пятом столбце представлена минимальная генерируемая частота. Спектр получен вблизи порога генерации, когда энергия излучения достигает уровня не менее 0.5 Дж. Это условие необходимо для уменьшения ошибки измерений. В шестом столбце указана плотность плазмы, при которой получена максимальная частота генерации. Она может отличаться от максимальной плотности плазмы, достигаемой плазменным источником, если магнитное поле не достаточно велико. Это обстоятельство обсуждалось в разделе 4.4.

К сожалению не все данные в таблице согласуются достаточно хорошо. Так при величине магнитного поля 1.7 Тл длине взаимодействия 10 см и радиусе плазмы 0.9 см пороговая плотность плазмы выше чем при той же геометрии и значении поля 1.2 Тл. Это может быть связано с уширением РЭП из-за недостаточной величины магнитного поля (1.2 Тл), которое не может удержать релятивистские электроны. Зазор между РЭП и плазмой уменьшится, коэффициент усиление возрастёт и как следствие снизится порог генерации по плотности плазмы. Для уменьшения влияния подобных причин все данные одной серии (например разные радиусы, разные длины, разные значения магнитного поля) снимались в один день. За это время параметры установки и центровка системы остаётся неизменной.

Результаты для различных значений тока РЭП даны в таблице:

I, кА Ещахз Дж пр,-1013 -3 см ^пшь ГГц пР,-1013 -3 см ^тахэ ГГц

2.0 1.2 1.5 15-24 4.5 20-24

3.0 1.0 1.0 9-15 4.5 15-24

Во второй колонке указана максимальная энергия импульса (результаты из раздела 3.3). Результаты получены при следующих значениях параметров: Ът = 500 кВ, гь = 0.6 см, Кр = 0.9 см, Ь= 10 см, В = 1.2 Тл, Р = 0.45 мТор.

Результаты для плазмы различной толщины представлены в таблице: мм Е, Дж пР,-1013 см"3 f . ■чти» ГГц ПрЛО13 см"3 ^тахэ ГГц

0.8 0.5 0.5 5-9 6 24-32

1.5 0.5 0.7 5-9 2.5 24-28

Во второй колонке указана средняя для всех плотностей плазмы энергия импульса СВЧ (результаты из раздела 3.4). Результаты получены при следующих значениях параметров: 1ь= 2.0 кА, гь = 0.6 см, = 0.9 см (внутренний), Ь = 20 см, В = 2.2 Тл, Р = 0.45 мТор. Эксперименты с катодом плазменного ис

I л точника ДИ = 1.5 см для плотностей плазмы выше 2.4-10 см" не проводились.

Заключение.

Целью диссертации являлось экспериментальное изучение влияния параметров плазменного релятивистского СВЧ-генератора (ПРГ) на спектр и эффективность излучения (электронный КПД генератора); исследование диапазона перес тройки частоты СВЧ-излучения. Спектры ПРГ исследовались при

12 13 3 значениях плотности плазмы от 3-10 до 7-10 см" , магнитного поля от 1.2 до 2.2 Тл, длины взаимодействия от 10 до 20 см, зазора между РЭП и плазмой от

0.3.до 0.4 см и токов РЭП 2.0 и 3.0 кА. В результате был создан мощный (уровень мощности ~50 МВт) СВЧ-генератор с 7-кратной перестройкой частоты излучения.

Проведённые экспериментальные исследования позволили получить следующие новые результаты.

1. Впервые измерен спектр ПРГ. Показано, что при изменении плотности плаз

1 ^ 13 л мы от 3-10 "до 7-10 см° средняя частота излучения изменяется от 4 до 28 ГГц при ширине полосы около 4 ГГц и уровне мощности выходного излучения -50 МВт.

Сравнение экспериментально полученной зависимости средней частоты излучения от плотности плазмы с результатами численного моделирования [30, 34], проведённого для низшей по радиальному индексу азимутально-симметричной моды медленной плазменной волны, показало их совпадение с точностью ~10%. Это позволило сделать вывод, что именно этот тип волны возбуждается в ПРГ.

2. Впервые экспериментально показано, что если плазменная частота не превышает величины электронной циклотронной частоты (сор < Ое), то измеренный спектр излучения близок к рассчитанному в работах [56-58] спектру усилителя в приближении бесконечно большого магнитного поля. Это подтвердило правомерность использования приближения бесконечно большого магнитного поля в теоретических исследованиях пучково-плаз-менных систем в магнитном поле.

Проведённые экспериментальные исследования работы ПРГ при значениях токов РЭП 2.0 и 3.0 кА показали — эффективность генерации действительно падает в 1.5 раза при приближении тока РЭП к предельному вакуумному значению, что соответствует теоретическими предсказаниями. Установлено, что азимутальная неоднородность трубчатой плазмы появляется вследствие дрейфовой неустойчивости в однородном магнитном поле. Для подавления этой неустойчивости была увеличена толщина плазменной трубки от 0.8 до 1.5 мм, что позволило понизить амплитуду колебаний плотности плазмы по азимуту от 45% до 15% от среднего значения плотности. Экспериментально было показано, что такое уменьшение неоднородности плазмы не влияет на эффективность работы ПРГ. Зависимость спектров излучения от плотности плазмы в обоих случаях (толщина плазменной трубки 0.8 и 1.5 мм) согласуется с результатами численного расчёта, проведённого для параметров экспериментальной установки на основе линейной теории представленной в [56]. Ширина полосы излучения в обоих случаях превышала 4 ГГц.

3. Предложен и опробован новый метод измерения спектров мощного

-50 МВт) широкополосного (Af > 4 ГГц) СВЧ-излучения, основанный на фильтрации СВЧ-излучения решёткой, составленной из запредельных волноводов. Для этого создан калориметрический спектрометр большой площади (поперечные размеры на много больше длины волны излучения), позволяющий измерять спектры СВЧ-излучения в диапазоне частот от 5 до 38 ГГц при ширине полосы канала регистратора ~4 ГГц. Точность измерения спектральной плотности энергии равна ±0.008 Дж/ГГц и определялась в основном чувствительностью калориметра (±0.05 Дж). Разработана методика, позволяющая с помощью комбинированного магнитного поля плавно изменять радиус плазмы от 0.8 до 1.05 см. При этом релятивистские электроны пучка распространяются в однородном магнитном поле и радиус РЭП постоянен по длине. Эта методика даёт возможность изменять зазор между РЭП и плазменной трубкой с большой точностью без разборки установки, что позволяет сохранять центровку системы.

Автор выражает благодарность научному руководителю П.С.Стрелкову за интересную предложенную тему диссертационной работы, помощь при планировании экспериментов и постоянный интерес к проводимым исследованиям; признательность сотрудникам лаборатории «Релятивистская плазменная СВЧ-электроника» И.Л.Богданкевич, А.Г.Шкварунцу, О.Т.Лозе, А.В.Пономарёву — участникам исследований на различных стадиях работы за помощь в разработке методик и интерпретации полученных данных; В.П.Маркову, Е.Б.Городничеву за помощь в разработке узлов установки и проведении экспериментов, И.Е.Иванову за помощь при создании экспериментальных стендов. Большую помощь в анализе полученных данных и проведении численных расчётов оказали А.А.Рухадзе, М.В.Кузелев и М.А.Красильников. Выражаю благодарность Н.Н.Баранову, без которого было бы невозможно создание экспериментальной установки, а также сотрудникам компании «ЭЛСИЭЛ» Е.К.Ульянову и С.В.Мясищеву за создание электронного блока управления калориметром.

Работы, результаты которых вошли в данную диссертацию, выполнены при финансовой поддержке Миннауки России на установке «Плазменный релятивистский микроволновый генератор» (рег.№01-04) поддерживались следующими грантами: Российского фонда фундаментальных исследований проект 97-02-16948, гранта «УТС и плазменные процессы» за 1998-2000 годы.

1.Л.Братман, Н.С.Гинзбург, Г.С.Нусинович, М.И.Петелин, В.К.Юлпатов. Циклотронные и синхрс-тронные мазеры, Релятивистская высокочастотная электроника. Горький, изд. ИПФ АН СССР, 1979, с. 157-216.

2. O.T.Loza, A.G.Shkvarunets, and P.S. Strelkov. «Experimental plasma relativistic microwave electronics», ШЕЕ Trans, on Plasma Science, vol.26, #3, June, 1998, p.336-339.

3. В.И. Кременцов, М.И. Петелин, M.C. Рабинович, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец. «Гиротрон на релятивистском сверхвакуумном электронном пучке с плазменным заполнением». ЖЭТФ, 1978, т.75, вып.6(12), с.2151-2153.

4. Ю.В. Ткач, Я.Б. Файнберг, И.И. Магда и др. «Микроволновое излучение при взаимодействии сильноточного релятивистского пучка с замедляющей структурой заполненной плазмой". Физика плазмы 1975, т.1, №1, с.81-87.

5. К. Minami, W. R. Lou, W. W. Destler, R. A. Kehs, V. L. Granatstein and Y. Carmel, «Observation of a resonant enhancement of a microwave radiation from a gas-filled backward wave oscillator», Appl. Phys. Lett., vol.53, pp.559-561, 1988.

6. X. Zhai, E. Garate, R. Prohaska, A. Fisher and G. Benford, «Electric field measurement in a plasma-filled X-band backward wave oscillator», Phys. Lett. A, vol. 186, pp.330-334, 1994.

7. Y.Carmel, K.Minami, R.A.Kehs, W.W.Destler, V.L.Granatstein, D.K.Abe and W.R.Lou. Phys.Rev.Lett, v.62, 1989.

8. А.И. Ахиезер, Я.Б. Файнберг "О взаимодействии заряженных частиц с электронной плазмой", ДАН СССР, 1949, т.69, №3, с.551-561.

9. Bohm, Е. P. Gross, «Theory of plasma oscillations», Phys. Rev., vol.75, pp.1851-1861, November, 1949.

10. Бернашевский Г.А., Богданов Е.В., Кислов В .Я., Чернов З.С. Плазменные и электронные усилители и генераторы СВЧ, Советское радио, Москва, 1965.

11. Трубецков Д.И., Пищик Л.А. Нерелятивистские плазменные сверхвысокочастотные приборы, основанные на черенковском излучении. Физика плазмы, 1989, в.З, сс. 342-353.

12. Кислов В .Я., Богданов Е.В., Радиотехника и электроника, i960, т. 5, с.229.

13. Богданов Е.В.Кислов В.Я., Чернов З.С., Радиотехника и электроника, i960, т. 5, с. 1974.

14. Файнберг Я.Б., Блиох Ю.П., Любарский М.Г., Марков П.И., Онищенко И.Н., Сотников Г.В. Физика плазмы, 1994, т.20, №9, с. 757-766.

15. Нерелятивистская плазменная электроника", Физика плазмы, 1994, т.20, №7, 8, 9 с. 718793.

16. Митин Л.А., Переводчиков В.И., Завьялов М. А., Цхай В.Н., Шапиро А.Л. Физика плазмы, т. 20, №9, с.733-746.

17. И.Н.Карташов, М.А.Красильников, М.В.Кузелев. Об отражении от излучающего рупора в плазменном СВЧ-генераторе. «Радиотехника и электроника», 1999, №12.

18. В.И. Кременцов, М.С. Рабинович, A.A. Рухадзе, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец

19. Возбуждение электромагнитных волн в плазме в однородном магнитном поле сильноточным релятивистским пучком электронов", ЖЭТФ, 1975, т.69, №4(10), с. 12181229.

20. М.В. Кузелев, Ф.Х. Мухаметзянов, М.С. Рабинович, A.A. Рухадзе, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец " Релятивистский плазменный СВЧ-генератор", ЖЭТФ, 1982, т.83, №4(10), с.1358-1367.

21. М.В. Кузелев, A.A. Рухадзе. УФН, 1987, т. 152, 1987, с. 285.

22. Л.С. Богданкевич, М.В. Кузелев, A.A. Рухадзе. "Плазменная СВЧ-электроника", УФН, 1981, т.133, №1, с.3-32.

23. М.В. Кузелев, A.A. Рухадзе, Д.С. Филлипьгчев. Сб. «Релятивистская СВЧ-электроника», ИПФАН, Горький, 1981 , с. 170.

24. М.В. Кузелев, А.А.Рухадзе. Сб. «Проблемы физики и астрофизики», Москва, Наука, 1989, с. 70.

25. М.В. Кузелев, А.А.Рухадзе. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме. Москва, Наука, 1990, с. 331.

26. М.В. Кузелев, Ф.Х. Мухаметзянов, М.С. Рабинович и др. Сб. «Релятивистская СВЧ-электроника», Горький, ИПФАН,1983, с. 160.

27. М.В. Кузелев, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец. Физика плазмы, 1987, т. 13, с. 1370.

28. А. А. Рухадзе, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец. " Широкополосный релятивистский плазменный СВЧ-генератор", Физика плазмы, 1994, т.20, №7-8, с.686-688.

29. О.Т. Лоза, П.С. Стрелков, А.Г. Шкварунец. Труды ИОФРАН, 1994, т.45, с.З.

30. Н^М.В. Кузелев, О.Т. Лоза, А.В. Пономарев, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков, Д.К. Ульянов,

31. А.Г. Шкварунец " Спектральные характеристики релятивистского плазменного СВЧ-генератора", ЖЭТФ, 1996, т. 109, №6,с.2048-2063.

32. О.Т. Loza, P.S. Strelkov, and I.E. Ivanov. «Relativistic Cherenkov plasma maser of microsecond pulse duration», IEEE Trans, on Plasma Science, vol.26, #3, June, 1998, p.336-339.

33. А.В.Пономарев, П.С.Стрелков, А.Г.Шкварунец " Реализация релятивистского плазменно-пучкового усилителя", Физика плазмы, 1998, т.24, №1, с.53-57.

34. ЗЗ^О.Т.Лоза, А.В.Пономарёв, П.С.Стрелков, Д.К.Ульянов, А.Г.Шкварунец. Источник трубчатой плазмы с управляемым радиусом для плазменного релятивистского СВЧ-генератора. ФП, 1997, т.23, №3, с.222-229.

35. B^P.S.Strelkov, D.K.Ulyanov. Spectra of Relativistic Cherenkov Plasma Maser. IV Int. Workshop. "Strong microwave in plasmas", 2-9 august,1999, N.-Novgorod.

36. Ю.Ф.Бондарь, В.М.Ковальчук, А.М.Рыбалов, П.С.Стрелков Сильноточный импульсный электронный ускоритель „ТерекЛГ'.ПТЭ, 1974, №1, с. 25.

37. С.П.Бугаев, Г. А.Месяц Генераторы мощных наносекундных электронных пучков. В Сб. «Мощные наносекундные источники ускоренных электронов», Новосибирск, Наука, 1974, с.5-20.

38. П.С.Стрелков. Плазменные СВЧ-генераторы на сильноточных релятивистских электронных пучках. Диссертация на соискание учёной степени д.ф.м.н., ФИАН, 1983, с.231.

39. А.Ф.Александров, Л.С.Богданкевич, А.А.Рухадзе. Основы электродинамики плазмы. М., Высш. шк., 1978, с. 285-292.

40. М.Хилд, С.Уортон, Микроволновая диагностика плазмы. М., Атомиздат, 1968.

41. М.В.Кузелев, Р.В.Романов, И.А.Селиванов и др. Спектры собственных колебаний коаксиального плазменного волновода в магнитном поле. Сб. «Труды ИОФ РАН. Релятивистская плазменная СВЧ-электроника». Т.45, 1994, с. 17-38.

42. А.В.Тимофеев, Б.Н.Швилкин. УФН, 1976, т.118, вып.2, с.273.

43. М.Д.Райзер, Л.Э.Цопп, Детектирование и измерение мощности СВЧ излучения наносе-кундной длительности. Радиотехника и электроника, 1975, т.20, №8, с.1691-1693.

44. К. G. Kato, G. Benford, D. Tzach, «Detailed spectra of electron-beam plasma interactions», Phys. Rev. Lett., vol.51, #20, pp.1587-1590, October, 1983.

45. R. Ando, M. Masuzaki, H. Morita, K. Kobayashi, M. Yoshikawa, H. Koguchi and K. Kamada, "Microwave power emission from a beam-plasma system", J. Phys. Soc. of Japan, vol.65, #8, pp.2518-2521, August, 1996

46. П.В.Котетешвили, П.В.Рыбак, В.П.Тараканов. Москва, 1991, препринт ИОФ АН СССР, №44, 46 с.

47. V.P.Tarakanov. «User's Manual for Code KARAT Springfield, VA: Berkley Research Associates, Inc. — 1992.

48. Л.А.Вайнштейн. «Электромагнитные волны», Москва, «Сов. Радио», 1957, 581 с.

49. M.V.Kuzelev, O.T.Loza, A.V.Ponomarev, A.A.Rukhadze, P.S.Strelkov, A.G.Shkvarunets, D.K.Ulyanov. 11 Intern. Conf. On High Power Particle Beams, Prague, Czech. Republic, 1996, vol 1, p. 225.

50. М.Биро, М.А.Красильников, М.В.Кузелев, А.А.Рухадзе. Проблемы теории релятивистской плазменной СВЧ-электроники. УФН, 1997, т. 167, №10, с. 1025-1042.

51. М.А.Красильников, М.В.Кузелев, А.А.Рухадзе. Нелинейная динамика резонансного вынужденного черенковского излучения в пространственно ограниченной плазме. ЖЭТФ, 1995, т. 108, вып.2(8), с.521-530.

52. М.Биро, М.А.Красильников, М.В.Кузелев, А.А.Рухадзе. Нелинейная теория плазменного СВЧ-генератора на кабельной волне. ЖЭТФ, 1997, т.111, вып.4, с.1258-1273.

53. O.T.Loza, A.G.Shkvarunets, P.S.Strelkov. Experimental plasma relativistic microwave electronics. IEEE Transactions on plasma science, vol.26, №3, June, 1998.

54. Н.Ф.Ковалёв, М.И.Петелин, М.Д.Райзер, А.В.Сморгонский. Приборы типа «О», основанные на индуцированных черенковском и переходном излучениях релятивистских электронов. Релятивистская высокочастотная электроника. Горький, изд. ИПФ АН СССР, 1979,с.76-113.