Теоретическое и экспериментальное исследование мазеров на свободных электронах с комбинированным - ондуляторным и однородным ведущим - магнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ПЕСКОВ Николай Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ С КОМБИНИРОВАННЫМ -ОНДУЛЯТОРНЫМ И ОДНОРОДНЫМ ВЕДУЩИМ -МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.04.04 — физическая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1997

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук Н.С. Гинзбург

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук Э.А. Перельштейн

кандидат физико-математических наук В.Е. Запевалов

Ведущее предприятие:

Защита состоится " 2 " заседании диссертационного совета К 003.38.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Институте прикладной физики РАН (603600 г. Нижний Новгород ул. Ульянова 46).

ИСЭ СО РАН (г. Томск) 1»уяиа 1997 г. в ¿Л часов на

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан " " ач^ала 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.М.Белянцев

\л —

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуал ьн ость темы. Одной из кардинальных проблем для релятивистской высокочастотной электроники является создание источников когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с уровнем мощности 10 - 103 МВт. Потребность в них обусловлена радом актуальных физических п технических приложений. В частности, использование таких источников представляет интерес для проектируемых установок управляемого термоядерного синтеза (электронно-циклотронный нагрев плазмы, стабилизация и подавление неуетойчивостей плазменного шнура, диагностика плазмы), для создания ускорителей нового поколения, для систем очистки верхних слоев атмосферы и восстановления ее озонового слоя, для передачи энергии в космосе, в радиолокационных приложениях, для исследования свойств различных сред и синтеза новых материалов и т.д. В то же время, указанные диапазоны остаются в недостаточной мере освоенными генераторами когерентною излучения, что обуславливает актуальность исследований, направленных на создание мощных СВЧ-приборои миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Перспективными источниками мощного миллиметрового и субмиллиметрового излучения являются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Принцип работы ЛСЭ основан на эффекте Доплера, вследствие которого частота излучения релятивистских частиц в направлении их движения существенно превосходит частоту их осцилляций. Термин "лазер на свободных электронах" в настоящее время используется в литературе в широком и узком смысле. В широком смысле к ЛСЭ можно отнести большой класс электронных приборов, основанных на различных механизмах индуцированного излучения (циклотронном, ондуляторном, вынужденном рассеянии волн) и использующих доплеровское смещение частоты излучения вверх. В узком смысле ЛСЭ называют устройства, основанные на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатичсском поле). В данной работе термин ЛСЭ используется .в указанном узком смысле. При этом с учетом того, что основное внимание в работе уделено исследованию ЛСЭ в СВЧ диапазоне, для этих источников используется

термин мазеры на свободных электронах (МСЭ), а также их традиционное для электроники СВЧ название - убитроны.

В настоящее время по частоте излучения ЛСЭ - МСЭ занимают довольно обширную область от ультрафиолетового, оптического и инфракрасного до субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов. Для запитки ЛСЭ И К и оптических диапазонов обычно используются ультрарелятивистские электронные пучки (с энергией частиц 10 МэВ и более). Формируются такие пучки традиционными типами ускорителей (линейные ускорители, микротроны, электростатические ускорители и т.д.), мощность этих лучков сравнительно невелика, а их транспортировка и фокусировка обычно осуществляется в пространственно-периодическом магнитном поле.

В длинноволновой области (миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны) для запитки МСЭ используются РЭП с умеренной энергией частиц (0.5 - 2 МэВ) и относительно большим первеансом (ток пучка а 0.1 - 10 кА). Формируются эти пучки либо сильноточными ускорителями прямого действия, либо линейными индукционными ускорителями. Мощность таких пучков достигает 1 - 10 ГВт. Их фокусировка и транспортировка в области взаимодействия, как правило, осуществляется ведущим магнитным полем, наличие которого существенно влияет на работу МСЭ. К настоящему времени проведено большое количество экспериментальных исследований МСЭ с ведущим магнитным полем 11*-7*|. Эти исследования показали большое разнообразие режимов работы этих устройств, а также возможность достижения в них высокого КПД* [5*, 6*, 24].

Одновременно интенсивно развивалась теория МСЭ с ведущим полем [10*-17*]. Существенный вклад к разработку нелинейной теории таких устройств был внесен в работах [13*, 14*]. Тем не менее, в указанных работах ряд важных с практической точки зрения аспектов работы МСЭ с ведущим магнитным полем остался не исследованным. Отчасти это было

*

Одними из возможных конкурентов МСЭ-убитронов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах выступают мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) (8*]. Проведенные эксперимента показали возможность достижения высокого КПД (25-30%) в МЦАР [9*), как и в МСЭ 15*. (1*, 27), однако при меньшем преобразовании частоты по сравнению с последними. Тем не менее, корректное сравнение этих приборов, в том числе, по чувствительности к разбросу параметров запитывающих их пучков, остается весьма актуальным в теоретическом и практическом плане.

пытано тем, что в ¿тих работах анализ нелинейных режимов основывался на численном моделировании полных (не усредненных) уравнении без предварительного выделения ряда специфических резонансов, присущих указанным системам. Анр.лиз \1 с ведущим магнитным полем в рамках усредненного описания был развит в работах |1-4| и составляет теоретическую основу настоящей диссертации.

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование МСЭ-убитронов с ведущим магнитным полем, поиск путей увеличения мощности и повышения КПД. а также обеспечения когерентности излучения за счет использования высокоселективных электродинамических систем. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:

- анализ условий формирования криволинейных электронных пучков с малым разбросом параметров в периодическом ондуля-торном и ведущем магнитных полях;

- теоретическое исследование генераторных и усилительных схем МС.Э с магнитонаправляемыми РЭП, оптимизация их параметров;

- исследования конкуренции продольных и поперечных мод I! МСЭ-генераторах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью и методов обеспечения когерентности излучения этих приборов;

- экспериментальное исследование МСЭ-генераторов миллиметрового диапазона длин волн, включающее в себя формирование криволинейных РЭП с малым разбросом параметров, повышение эффективности МСЭ и обеспечение устойчивой одномодовой генерации.

Научная новизна.

1. Исследовано формирование криволинейных РЭП в периодическом ондуляторном и ведущем магнитных полях с учетом конечности длины области включения ондуляторного поля и его поперечной неоднородности. Показано, что данные системы позволяют формировать криволинейные пучки с малой дисперсией параметров, в которых возбуждены либо баунс-, либо циклотронные колебания.

2. Построена нелинейная теория усилительных и генераторных схем МСЭ с ведущим магнитным полем. Получены усредненные уравнения движения частиц в режимах ондуля-торного и комбинационных синхронизмов. Найдены оптимальные режимы работы МСЗ, и том числе, при использовании РЭП с большим разбросом параметров. Исследована возможность увеличения эффективности данного класса МСЭ.

3. Исследованы многочастотныс процессы в МСЭ-генера-торах с брэгговскими резонаторами. Показана возможность установления одночастотного одномодового режима генерации, обусловленная конкуренцией мод.

4. Исследовано использование двумерной распределенной обратной связи для получения мощного пространственно-когерентного излучения в Генераторах, запитываемых широкими ленточными электронными пучками, поперечные размеры которых существенно превосходят длину волны. Изучены селективные свойства брэгговских резонаторов с двояко-периодической гофрировкой, реализующих двумерную распределенную обратную связь. Развита концепция сверхмощных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью на основе ленточных РЭП.

5. Проведено экспериментальное исследование различных режимов работы МСЭ-генератора с винтовым ондулятором и брэгговским резонатором. В режиме с обратным ведущим полем получена рекордная для МСЭ-генераторов эффективность.

6. Экспериментально исследован режим двойного резонанса в МСЭ планарной геометрии. На основе этих исследований в МСЭ, запитываемом ленточным микросекундным РЭП, получен рекордный энергозапас в СВЧ-импульсе.

7. Экспериментально исследована работа нового широкополосного отражателя, основанного на эффекте мультипликации волновых пучков, в качестве элемента электродинамической системы МСЭ-генератора.

Практическая ценность. Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы при разработке мощных высокоэффективных МСЭ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, а также при создании электронно-оптических и электродинамических систем других приборов электроники больших мощностей.

Использование результатов работы. Результаты работы использованыв экспериментах с МСЭ, проведенных в ИПФ РАН, ОИЯИ (г. Дубна), ИЯФ РАН (г. Новосибирск) и Страт-клайдеком университете (г. Глазго, Великобритания), а также прп выполнении работ по грантам №R8B000 Международного научного фонда, №R8B300 Международного научного фонда м Правительства России, №94-02-04481 и №96-02-18971 Российского фонда фундаментальных исследовании.

Публикании и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-33] и докладывались на VI и VII Семинарах "Высокочастотная релятивистская электроника" (Свердловск 1989; Томск 1991), на VII и VIII Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (Новосибирск 1988; Свердловск 1990), Всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград

1990), Всесоюзной школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Москва 1991), Всесоюзной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород

1991), IX Международном симпозиуме, по сильноточной электронике (Екатеринбург-Москва 1992), Всесоюзных школах-семинарах по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992 и 1994), 2-ом Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных-электронах (Новосибирск 1995), X и XI Международных конференциях по мощным пучкам частиц (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996), II и III Международных совещаниях "Мощные микроволны в плазме" (Н.Новгород 1993 и 1996), 19-й, 20-и и 21-й Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Япония, Ссндай 1994: США, Орландо 1995; Германия, Берлин 1996), X1V-XVIII Международных конференциях по лазерам на свободных электронах (Япония, Коба 1992; Голландия, Гаага 1993; США, Стенфорд 1994; США, Нью-Йорк 1995; Италия, Рим 1996), 23-й Международной конференции по физике плазмы (Великобритания, Пертшир 1996), XXV Генеральной ассамблеи Международного радиофизического общества (Франция, Лилль 1996), Всероссийском семинаре по физике микроволн (Н.Новгород 1996), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 172 страницы, включая 103 страницы основного текста, 4 таблицы и 63 рисунка, размещенных на 59 страницах, список литературы, который содержит 132 наименования и размещен на 10 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы. Кратко, по главам, изложено содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию вынужденного ондуляторного излучения релятивистских электронных пучков в присутствии фокусирующего магнитного поля. Наличие ведущего продольного магнитного поля оказывает существенное влияние на процесс взаимодействия и приводит к большому разнообразию режимов работы МСЭ. Важным здесь является соотношение между баунс- и циклотронной (юн) частотами колебаний частиц, а также взаимная ориентация ведущего и ондуляторного полей. Здесь и далее случаем "прямого" ведущего поля будем называть ориентацию, когда направления вращения электронов в ведущем поле и поле винтового ондулятора совпадают. В случае так называемого обратного ведущего поля [5*, 6*] направления этих вращений противоположны друг другу.

- В п.1.1 рассмотрен процесс формирования винтовых РЭП в винтовом ондуляторном и однородном ведущем магнитных полях. Для получения эффективного усиления и генерации электроны должны двигаться в указанных полях с достаточно постоянной продольной скоростью. Существуют две возможности обеспечить приблизительное постоянство продольной скорости. Первая, наиболее часто используемая на практике, состоит в адиабатически плавном включении ондуляторного поля, когда в электронном пучке возбуждаются только вынужденные баунс-осцилляции. При этом в случае идеальной винтовой симметрии ондуляторного поля электроны будут двигаться по винтовой траектории с постоянной поступательной скоростью. Вместе с тец недостаточно плавное включение

ондуляторного поля приводит к тому, что наряду с вынужденными баунс-оецилляииями, в электронном пучке будут возбуждаться собственные циклотронные осцилляции. В -этом случае движение частиц становится сложно-периодическим с переменной продольной скоростью. При этом очевидно, что амплитуда циклотронных осцилляции при фиксированном длине области включения ондуляторного поля зависит от близости между баунс- и циклотронной частотой. В этой связи для формирования пучков с приемлемой величиной осцилляции продольной скорости наибольших! практический интерес представляют режимы работы, далекие от циклотронного резонанса. Одним из них является режим с обратным ведущим полем.

Вместе с тем, существует альтернативная возможность обеспечения примерного постоянства поступательной скорости частиц при движении в комбинированном ондуляторном и однородном продольном магнитных полях. Она состоит в использовании режима циклотронного резонанса. При одновременном возбуждении баунс- и циклотронных осцилляции траектория электрона будет представлять периодически раскручивающуюся и скручивающуюся спирать, период которой приблизительно равен: т = 2п/\С1ь - с»н|. Если указанные частоты близки между собой, период спирали оказывается достаточно велик. Это позволяет обеспечить эффективное взаимодействие с СВЧ полем на части периода, когда поступательная скорость достаточно постоянна.

Пп.].2 и 1.3 посвящены нелинейному анализу генераторных и усилительных схем МСЭ с ведущим магнитным полем. Предполагается, что электронный пучок, сформированный и плавно нарастающем поле ондулятора, взаимодействует с электромагнитной волной в области постоянной амлитуды ондуляторного поля. Получены усредненные уравнения, описывающие движение частиц в режимах ондуляторного и комбинационных синхронизмов электронов с электромагнитным полем. Показано, что если невозмущенное движение электронов происходит по стационарной винтовой траектории, то при взаимодействии с волной в режиме ондуляторного синхронизма электроны остаются на равновесной траектории, параметры которой плавно эволюционируют в соответствии с изменением энергии электронов. В то же время, излучение на комбина-

ционных синхронизмах сопровождается раскачкой осцилляции электронов около равновесной траектории. Для таких синхронизмов прослежена аналогия с МЦР, работающими в области аномального и нормального эффекта Доплера.

Для ондуляторного синхронизма исследованы особенности энергообмена частиц при различных соотношениях гиро- и баунс-частот, рассмотрены механизмы увеличения эффективности МСЭ. Интересными и практическом плане представляются области параметров, далекие от циклотронного резонанса, в том числе, область "обратного" ведущего поля. Уравнения движения частиц здесь сводятся к уравнениям физического маятника, а эффективность энергообмена обратно пропорциональна числу колебаний частиц на длине взаимодействия. Численное моделирование показывает малую чувствительность таких - режимов к нач;шьному разбросу параметров частиц и возможность достижения высокого среднего КПД 1! МСЭ, запитаваемых пучками с достаточно большим разбросом. Так начальный разброс поперечных скоростей, достигающий до 50% от рабочей поперечной скорости, приводит к уменьшению полного КПД на 1-2%. К уменьшению эффективности энергообмена приводит так же нарушение условия адиабатич-ности включения ондуляторного поля, когда в электронном потоке происходит возбуждение циклотронных колебаний.

В области "прямого" ведущего магнитного поля, в условиях, когда гирочастота меньше баунс-частоты, особенностью энергообмена является увеличение поперечной скорости у тормозящихся частиц. Это обстоятельство может быть использовано для повышения эффективности энергообмена, если учесть конечность поперечного сечения пространства взаимодействия. В этом случае, при оптимальной расстройке синхронизма, частицы, отдавшие свою энергию электромагнитной волне, выходят из дальнейшего взаимодействия (высаживаются на стенку электродинамической системы), не успел перейти в ускоряющую фазу. Однако данный механизм весьма критичен к расстройке синхронизма, и для его реализации требуются пучки с малым разбросом параметров. Отличительной чертой описанного механизма является уменьшение токопрохождения пучка в процессе высокочастотного взаимодействия.

В случае, когда гирочастота превосходит баунс-частоту, увеличение "эффективности" может быть основано на зависимости "эффективной массы" электронов-осцилляторов от их энергии. Здесь существует область параметров, когда у ускоряющихся электронов эффективная масса 1! процессе взаимодействия уменьшается, а у тормозящихся - растет. В результате этого последние более продолжительное время синхронно взаимодействуют с нолной, чем первые. Это позволяет в режиме большого доплеровского преобразования частоты достигнуть высокий КПД (для усилителей более 30%). Рассмотренный режим представляет наибольший практический интерес при больших энергиях частиц (у > 5). когда рабочая область параметров лежит д;шеко от области циклотронного резонанса, что необходимо для качественного формирования РЭП в секции раскачки.

В_приложении 1 рассмотрено движение частиц в

ондуляторном поле произвольной (не обязательно винтовой) симметрии с учетом влияния поперечной неоднородности ондуляторного поля. Показано, что неоднородность ондулятор-ного поля на траектории пучка приводит к возникновению несинхронной компоненты поля на удвоенной баунс-частоте (амплитуда данной компоненты определяется симметрией поля и мостом ннжекцип частиц). Наличие несинхронной компоненты ондуляторного поля приводит к возбуждению паразитных колебаний и пучке на этой частоте.

В приложении 2 исследован новый режим раскачки циклотронных осцилляции в комбинированном - периодическом ондуляторном и елабонеоднородном продольном -магнитном поле, основанный на эффекте скачкообразного изменения адиабатического инварианта нелинейной динамической системы. Показано, что по качеству формируемых винтовых РЭП предложенный метод имеет определенные преимущества перед традиционными электронно-оптическими системами, используемыми в МЦАР.

Вторая глава посвящена динамике МСЭ с брэгговскнми резонаторами, реализующими одно- и двумерную распределенную обратную связь (РОС). В этих системах обсуждается селекция мод по продольному и поперечному индексу, исследуются условия установления режимов одномодовой одно-частотной генерации.

В п.2.1 рассмотрена динамика МСЭ с широко используемыми в настоящий момент и экспериментах двухзеркальными брэгшвскими резонаторами, реализующими одномерную РОС. Проведено численное моделирование процесса установления колебаний в рамках пространственно-временного подхода, учитыва ющего дисперсионные характеристики брэттовских зеркал. Показано, что начальная стадия переходного процесса сопровождается сильными осцилляциями мощности выходного излучения и КПД. Анализ частотного спектра показывает, что на этой стадии имеют место биения различных продольных мод, попадающих в полосу отражения брэгговских зеркал и возбуждаемых на начальном этапе электронным пучком. Однако затем возникает конкуренция, в результате которой побеждает одна из продольных мод, и устанавливается режим стационарной одночастотной генерации на этой моде. Вместе с тем, чрезмерное превышение рабочего тока над стартовым (или увеличение коэффициентов отражения брэгговских зеркал) приводит к реализации автомодуляционных режимов генерации, когда в спектре излучения присутствуют несколько частот, соответствующих возбуждению различных продольных мод брэгтовского резонатора. Переход к этим режимам сопровождается снижением среднего электронного КПД.

П.2.2 посвящен описанию механизма двумерной РОС, позволяющего обеспечить пространственно-временную когерентность излучения ленточных РЭП, поперечные размеры которых на несколько порядков превосходят длину волны. Простейшей электродинамической системой, ревизующей такую РОС, является "двумерный" брэгговский резонатор, состоящий из двух параллельных электронному потоку металлических пластин с двоякопериодической гофрировкой, когда трансляционные вектора элементарных решеток направлены либо перпендикулярно, либо под утлом друг к другу. Возникающие в указанных системах дополнительные поперечные (по. отношению к пучку) потоки электромагнитной энергии синхронизуют излучение отдельных частей электронного потока.

В п.2.2.1 проведен анализ электродинамических характеристик планарного "двумерного" брэгтовского резонатора. Показано, что такие резонаторы обладают спектром высокодобротных мод, частоты которых расположены в окрестности точного брэгтовского резонанса. Показана высокая селектив-

ность данных резонаторов не только в продольном (как в "одномерных" аналогах), но и в поперечном направлении.

Проведенное is п.2.2.2 численное моделирование процесса нозбуждения "двумерных" брэгговских резонаторов ленточными РЭП показывает, что процесс одномодовой пространственно-когерентной генерации может быть реализован до поперечных размеров системы, достигающих 102-103 длин волн. Структура электромпгнптного поля в стационарном режиме генерации близка к структуре основной моды "холодного" резонатора. При этом пространственное распределение синхронной электронному потоку попутной волны для этой моды не зависит от поперечной координаты, что обеспечивает одинаковые условия энергообмена для всех частей потока.

На основе построенной теории разработана концепция сверхмощного МСЭ миллиметрового диапазона с выходной мощностью до 15 ГВт, в качестве источника питания которого используется микросекундный ленточный РЭП, формируемый ускорителем У-2 (ИЯФ СО РАН), с шириной до 150 см, мощностью более 100 ГВт и полным энергозапасом до 0.5 МДж

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований МСЭ миллиметрового диапазона длин волн. Основными направлениями этих исследований были достижение высокой эффективности за счет высокого качества формирования криволинейных РЭП и оптимизации пространства взаимодействия, а также увеличение мощности излучения за счет увеличения размеров электронного пучка и поперечного сечения электродинамической системы. Особое внимание при этом уделялось обеспечению устойчивой одномодовой генерации, которое может быть достигнуто при использовании зысокоселективных электродинамических систем.

В п.3.1 описан высокоэффективный узкополосный МСЭ-генератор с брэгтовским резонатором, реализованный на основе линейного индукционного ускорителя ЛИУ-3000 (ОИЯИ. г.Дубна). В экспериментах использовался тонкий электронный пучок с энергией до I МэВ, током до 200 А и длительностью до 200 не при частоте повторения до 2 Гц. Электронно-оптическая система МСЭ представляла собой винтовой ондулятор с областью плавного включения, помещенный во внешнее ведущее поле соленоида (в эксперименте существовала

возможность изменения направления ведущего поля). Электродинамическая система МСЭ представляла собой двухзеркальный брэгговский резонатор, имеющий три зоны эффективного отражения рабочей моды Н] 1 во встречную волну обратной связи: в волну того же типа (Н^) в окрестности частоты 29 ГГц, во встречную волну Е^ в окрестности 31 ГГц и во встречную волну Ец в окрестности' 38 ГГц.

В соответствии с расчетами • наиболее эффективными в эксперименте оказались режимы с обратным ведущим полем, обеспечивающие качественное формирование электронного пучка. В результате экспериментов было получено излучение на рабочей моде Ни и частотах, соответствующих каждому из перечисленных выше циклов обратной связи. Настройка режима генерации осуществлялась изменением ондуляторного и ведущего полей (приводившим к изменению поступательной скорости частиц). Измеренная с помощью набора запредельных волновых фильтров частота излучения находилась внутри зоны эффективного отражения брэгговских зеркал и, более того, соответствов:ша измеренной в "холодных" электродинамических экспериментах частоте одной из продольных мод резонатора. В соответствии с численным моделированием, это позволяет говорить о реализации одномодового одночастотного режима генерации. На частоте 31 ГГц получена мощность излучения 31 МВт, что соответствует электронному КПД 25%. Указанная эффективность является рекордной для МСЭ-генераторов миллиметрового диапазона, и, важно подчеркнуть, получена при использовании полного тока ускорителя.

П.3.2 посвящен описанию экспериментального исследования МСЭ с новой широкополосной электродинамической системой 119*), основанной на эффекте мультипликации волновых пучков. Исследования проводились на сильноточном ускорителе прямого действия "Синус-6" (ИПФ РАН), формировавшем 500 кэВ, 100 А, 25 не электронный пучок. Конфигурация электродинамической системы вынуждала к использованию ондулятора планарной геометрии, поле которого имеет линейную поляризацию. Очевидно, что при такой поляризации циклотронный резонанс имеет место при обоих направлениях ведущего магнитного поля. Возможность отстройки от этого резонанса путем увеличения напряженности ведущего поля были лимитированы электропрочностью и теплопрочностью

соленоида, а также энергозапасом источника питания. Исходя из этого, и качестве рабочего режима в эксперименте использовался так называемый режим двойного резонанса. В этом режиме из-за близости гиро- и баунс-частот расчетная поступательная скорость изменялась по длине пространства взаимодействия не более чем на 10%, что обеспечивало достаточно эффективный энергообмен РЭП с рабочей модой резонатора. В результате экспериментов на частоте 45 ГГц, получено излучение с мощностью 7 МВт и электронным КПД 12%. Зарегистрированная мода (Ню) и частота излучения соответствовали как расчетам, так и "холодным" электродинамическим измерениям, что доказывало работоспособность новой электродинамической системы.

Эксперименты по реализации сверхмощного МСЭ миллиметрового диапазона на базе сильноточного микросекундного ускорителя У-2 (ИЯФ СО РАН. г.Новосибирск) описаны в п.3.3. В этих экспериментах использовался ленточный электронный пучок с энергией частиц 1 МэВ, погонным током до 200 А/см, поперечным сечением 0.3 см х 20 см и длительностью до 5 мкс. Осцилляторная скорость сообщалась электронам в планарном ондуляторе, представляющем собой периодическую последовательность брусков из материала с большой магнитной восприимчивостью. Двухзеркальный брэгговский резонатор в виде параллельных пучку пластин с гофрировкой боковых стенок обеспечивал обратную связь для рабочей ТЕМ-волны (низшей) на частоте 75 ГГц. В результате экспериментов в режиме двойного циклотронного резонанса получено излучение мощностью 200 МВт (электронный КПД около 5%) и длительностью СВЧ-импульса до 1 мкс. Структура и частота излучения соответствовали рабочей моде резонатора. Полученный полный энергозапас в СВЧ-импульсе 200 Дж превосходит известные значения для релятивистских генераторов миллиметрового "диапазона.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации, которые одновременно являются положениями, 15ынос;шьши на защиту.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Развит подход к нелинейной теории мазеров на свободных электронах с комбинированным - периодическим ондуляторным и продольным ведущим - магнитным полем, основанный на использовании усредненного описания движения частиц. Исследованы особенности энергообмена при различных соотношениях между гиро- и баунс-частотами. Показано, что:

а) вдали от циклотронного резонанса (в том числе при обратном ведущем поле) МСЭ обладают низкой чувствительностью к начальному скоростному разбросу электронных пучков;

б) при напряженности ведущего магнитного поля, меньшей резонансного значения, процесс энергообмена частиц с волной сопровождается увеличением амплитуды поперечных осцилля-ций частиц и уменьшением токопрохождения вследствие их осаждения на стенки рабочего канала;

в) в области напряженностей ведущего магнитного поля, превышающей резонансное значение, существует возможность увеличения электронного КПД при большом доплеровском преобразовании частоты, обусловленная зависимостью эффективной массы электронов-осцилляторов от их энергии.

2. В рамках пространственно-временного подхода исследована динамика МСЭ-генераторов с двухзеркальными брэгговс-кими резонаторами. Показано, что на начальной стадии переходного процесса происходит возбуждение набора мод, собственные частоты которых попадают в полосу эффективных отражений зеркал. На заключительной стадии при оптимальных превышениях тока пучка над порогом возникает конкуренция мод, в результате которой устанавлиается режим одномодовой одночастотной генерации.

3. Показано, что использование двумерной распределенной обратной связи позволяет получить пространственно-когерентное излучение от ленточных релятивистских электронных пучков с поперечными размерами, достигающими 102-103 длин волн. Двумерная распределенная обратная связь может быть реализована с помощью брэгговских резонаторов с двояко-периодической гофрировкой боковых стенок, когда трансляционные векторы элементарных решеток направлены либо перпендикулярно, либо под углом друг к другу.

4. Экспериментально реализован высокоэффективный узкополосный МСЭ-гснератор с винтовым ондулятором и брэгговс-кнм резонатором. На частоте 31 ГГц в режиме с обратным ведущим полем при выходной мощности излучения 31 МВт получена рекордная для МСЭ-генераторов миллиметрового диапазона эффективность 25%. .,

5. Экспсримент;и1ьно. продемонстрирована возможность эффективной рабозы МСЭ планарной геометрии в режиме двойного резонанса. На основе ленточного микросекундного РЭП реализован 4-мм МСЭ-гснератор с выходной мощностью 200 МВт и энергозапасом в СВЧ-имлульсе 200 Дж, рекордным для релятивистских генераторов миллиметрового диапазона.

6. Экспериментально исследована работа широкополосного отражателя, основанного на эффекте мультипликации волновых пучков, в качестве элемента электродинамической системы МСЭ-генератора. В генераторе с таким отражателем при возбуждении рабочей Ню волны на частоте 45 ГГц получена выходная мощность 7 МВт при электронном КПД 12%.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гинзбург Н.С., Песков Н.К). Нелинейная теория релятивистских убитрснюв с электронными пучками, сформированными в адиабатически нарастающем поле ондулятора и однородном продольном магнитном поле //ЖТФ. -1988. -Т.58, №5. -С.с859-886.

2. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю. Нелинейная теория лазеров па свободных электронах с- релятивистскими электронными пучками,

фокусируемыми однородным продольным магнитным полем // Тезисы докладов X Всесоюзн. семинара "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа", Ленишрад, 1990. -С.60-61.

3. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В., Песков Н.Ю. Теория ЛСЭ с

адиабатически включающимся полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем // В кн: Релятивистская высокочастотная электроника. - Горький: ИПФ АН СССР, 1990. -Вып.6. -С.82-126.

4. Гинзбург Н.С., Песков Н.Ю. Теория лазеров на свободных электронах с однородным продольным магнитным полем // Труды Всесоюзн. школы-семинара "Физика и применение микроволн", Москва, 1991. -Т.2, -С. 128-134.