Теория генерации когерентного излучения магнитонаправляемыми потоками и сгустками электронов-осцилляторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Российская академия наук Инст'йтут прикладной физики

На правах рукописи

НОВОЖИЛОВА Юлия Владимировна

ТЕОРИЯ ГЕНЕРАЦИИ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАГНИТОНАПРАВЛЯЕМЫМИ ПОТОКАМИ И СГУСТКАМИ ЭЛЕКТРОНОВ-ОСЦИЛЛЯТОРОВ

01.04.04 — физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 1995

Работа выполнена в Институте Прикладной физики РАН, Нижний Новгород

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Н.С.Гинзбург

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Э.А.Перелыптейн,

кандидат физико-математических наук М.Д.Токыан

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники

на заседании специализированного 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)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Защита состоится

" »..¿¿¿¿^¿'¿-— 1995 г. в

" часов

Автореферат разослан февраля 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

А.М.Белянцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Вопросы преобразования энергии релятивистских электронных потоков в когерентное электромагнитное излучение являются предметом изучения релятивистской высокочастотной электроники (РВЭ) - сравнительно новой, интенсивно развивающейся в последние десятилетия области физики. Прогресс РВЭ обусловлен возможностью увеличения мощности и частоты излучения релятивистских источников по сравнению с приборами классической электроники, что позволяет получить более мощное излучение в уже освоенных СВЧ-электроникой диапазонах, а также осуществить легко перестраиваемую генерацию в новых коротковолновых диапазонах от субмиллиметрового до ультрафиолетового, доступных ранее только для квантовых генераторов.

Использование мощного когерентного высокочастотного излучения открывает широкие перспективы в решении таких актуальных проблем, как нагрев плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза, ионизация газов, исследование взаимодействия мощного излучения с поверхностью различных материалов, радиолокация, ускорение частиц, инициирование химических реакций и т.д.

К настоящему времени экспериментально исследовано большое число приборов РВЭ, основанных на различных механизмах индуцированного излучения. При этом разделение диапазонов мевду релятивистскими генераторами различных типов носит следующий характер. В сантиметровом диапазоне по мощности и КПД доминируют релятивистские приборы черенковского типа - магнетроны, ЛОВ, ЛБВ, оротроны. Однако по мере продвижения в область более коротких волн масштаб замедляющих систем, используемых в черенковских генераторах, должен уменьшаться. Поэтому в миллиметровом, субмиллиметровом и более коротковолновых диапазонах на первый план выступают источники, основанные на индуцированном тормозном излучении электронов и вынужденном рассеянии волн релятивистскими электронными пучками (РЭП) . В таких генераторах возможность укорочения длины волны основана на эффекте Доплера, в соответствии с которым частота излучения электрона-осциллятора, движущегося с поступательной скоростью V,, , определяется соотношением

а

10 = --*----(о.1)

-I - С05 1р

Согласно (0.1) в направлении, составляющем малый угол с

направлением поступательного движения ф ^ У , при

поступательной скорости, близкой к скорости света с , частота

излучения может существенно превосходить частоту осцилляций й :

оо п 2(0.2)

где У - $ /тсг - (1— - релятивистский масс-фактор, §

энергия электронов.

Идея получения коротких волн с помощью доплеровского преобразования частоты излучения релятивистских электронов-осцилляторов, поступательная скорость которых близка к скорости света, была выдвинута впервые В.Л.Гинзбургом и Мотцем в конце 50-х годов применительно к спонтанному излучению или излучению заранее сформированных сгустков . Позднее, в 1968-1971 г.г. Пантеллом и Мэйда было предложено использовать доплеровский сдвиг частоты для генерации вынужденного коротковолнового излучения, когда первоначально стационарный электронный поток в результате автофазировки разбивается на когерентно излучающие сгустки. Приборы, основанные на вынужденном излучении электронных потоков и использующие доплеровское смещение частоты вверх, получили название мазеров и лазеров на свободных электронах (МСЭ и ЛСЭ). Эти приборы могут различаться механизмами индуцированного излучения (циклотронное и ондуляторное излучение, вынужденное рассеяние волн).

Релятивистские генераторы, основанные на циклотронном излучении электронов в направлении, близком к направлению их поступательного движения - релятивистские мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) - позволяют на высоком (вплоть до гигаваттного) уровне мощности освоить миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны. Частота осцилляций электронов в МЦАР равна релятивистской гирочастоте

0. = шн = гН в/тс У

(о.з)

и поскольку эта частота падает с увеличением массы электрона, частота излучения в МЦАР растет по мере увеличения энергии частиц как 1 .

В приборах, основанных на индуцированном ондуляторном излучении в магнито- или электростатическом периодическом поле (убитроны) и рассеянии волн (скаттроны) частота осцилляций электронов равна баунс-частоте

(0.4)

= М„

( Ьц = 2Я/с|, с1 ■ период ондулятора) или доплеровски смещенной частоте волны накачки

$1 = + М„ (0.5)

( , Н; - частота и продольное волновое число волны накачки). Как следует из (0.2), (0.4), (0.5), в убитронах и скаттронах с ростом энергии частиц частота излучения увеличивается как Т1 . По этой причине потенциальные возможности продвижения в коротковолновые диапазоны у убитронов и скаттронов выше, чем у МЦАР.

За последние годы было проведено большое количество экспериментальных исследований убитронов , скаттронов, а также мазеров на циклотронном авторезонансе. Одновременно интенсивно развивалась теория таких устройств . После выяснения основных закономерностей работы релятивистских приборов с криволинейными электронными пучками стало необходимым рассмотрение таких важных для эксперимента факторов, как влияние собственных полей пучков, разброса параметров лучков, неоднородности полей высокочастотных волн, характера поляризации этих волн и т.д. Весьма актуальными

в практическом отношении проблемами явились поиски методов оптимизации параметров и повышения КПД убитроноа и МЦАР. Следует также отметить, что для убитронов и скаттронов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, где используются сильноточные релятивистские электронные пучки, кардинальное влияние оказывает наличие фокусирующего магнитного поля.

В последнее время в РВЭ наряду с относительно длинноимпульсными процессами, в которых длительность импульса тока существенно превышает время пролета электронов через пространство взаимодействия, возник интерес к предельно короткоимпульсным процессам, когда длительность импульса тока меньше времени пролета. В этом случае речь идет о когерентном излучении не электронных потоков, а пространственно-локализованных электронных сгустков (кластеров), характерные размеры которых, вообще говоря, превышают длину волны. Процесс стимулированного излучения в подобных ансамблях электронов-осцилляторов получил название сверхизлучения или когерентного колллективного излучения по аналогии с известным в квантовой электронике сверхизлучением Дике. При сверхизлучении происходит автофазировка электронов в сгустке и высвечивание очень короткого электромагнитного импульса, причем пространственная структура поля излучения формируется самим электронным сгустком.

Цель работы

1. Построение теории убитронов и скаттронов с магнитонаправляемыми РЭП и волноводными электродинамическими системами.

2. Поиск методов оптимизации параметров и повышения КПД убитронов и МЦАР.

3. Исследование в рамках простейших одно- и двумерных моделей процессов сверхизлучения в ансамблях электронов, осциллирующих в поле ондулятора или электромагнитной волны накачки, а также вращающихся в однородном магнитном поле.

Научная новизна работы

В результате выполнения данной работы:

1. Построена линейная теория убитрона с плавно включающимся полем ондулятора и однородным фокусирующим магнитным полем. Показано, что кроме излучения на обычном ондуляторном синхронизме, возможно излучение, обусловленное возбуждением осцилляций электронов около равновесной винтовой траектории.

2. Построена нелинейная теория генераторного и усилительного вариантов убитрона и скаттрона с учетом влияния поперечной неоднородности и поляризации высокочастотных волн, собственных полей пучка и фокусирующего магнитного поля.

3. Предложены методы повышения КПД и снижения чувствительности к разбросу начальных параметров электронного пучка для убитрона на квазикритической частоте и секционированного МЦАР.

4. Исследована генерация мощных ультракоротких электромагнитных импульсов в результате развития сверхизлучательной неустойчивости в слоях электронов-осцилляторов. Показано, что при возбуждении осцилляций электронов под воздействием интенсивной

электромагнитной волны накачки возможно коллективное ускорение электронного слоя до релятивистских энергий.

Практическая значимость Результаты исследований, изложенные в диссертации, в основном направлены на применение их для целей генерации монщого коротковолнового излучения с помощью релятивистских электронных пучков. Они могут быть использованы для расчета усилительных и генераторных вариантов убитронов и скаттронов с волноводными электродинамическими системами, а также для расчета МЦАР-генератора с квазиоптическими резонаторами и секционированного МЦАР-усилителя. Исследованное в данной работе явление сверхизлучательной неустойчивости может быть использовано для генерации мощных ультракоротких (длительностью до десятков пс) электромагнитных импульсов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Использование результатов Результаты диссертации были использованы при разработке убитрона с брэгговским резонатором, экспериментально реализованного в ИПФ РАН, а. также убитрона, работающего на квазикритической частоте, созданного в ИСЭ СО РАН. Результаты диссертации использовались также при интерпретации экспериментов по наблюдению вынужденного рассеяния волн на £ЭП, проведенных в ИОФ РАН и ИСЭ СО'РАН.

Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, на российских и международных конференциях и семинарах: "Релятивистская высокочастотная электроника", Горький, 1983, Новосибирск, 1987, "Колебательные явления в потоках заряженных частиц", Ленинград, 1984, 1991, "Рабочие совещания по лазерам и мазерам на свободных электронах", Горький, 1984, "Зимние школы-семинары инженеров по электронике СВЧ и радиофизике", Саратов, 1981, "Международная конференция по коллективным методам ускорения", Харьков, 1992, Международная конференция "Явления электрического разряда и изоляции в вакууме", Россия, 1994.

Основные результаты работы составили содержание 12 научных статей и обзоров, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 195 страниц, 28 рисунков и список литературы из 155 наименований.

Содержание работы Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию вынувденного ондуляторного излучения и вынужденного рассеяния волн релятивистскими электронными пучками,

фокусируемыми однородным продольным магнитным полем. Продольное магнитное поле, кроме фокусирующего эффекта, оказывает

существенное влияние на процесс взаимодействия и приводит к большому разнообразию режимов работы ЛСЭ. В данной главе рассмотрен ряд таких режимов, интересных как с теоретической точки зрения, так и для практических приложений.

В п.1.1. построена линейная теория убитронов с плавно нарастающим полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем при произвольном соотношении между баунс- и гирочастотами. Методом исследования движения частиц на фазовой плоскости рассмотрен процесс раскачки электронов в комбинированном магнитном поле, представляющем собой сочетание плавно нарастающего ондуляторного и однородного продольного. Показано, что плавное включение ондуляторного поля обеспечивает возбуждение только вынужденных баунс-осцилляций электронов. При этом электроны движутся по стационарным винтовым траекториям. Предполагается, что раскачка электронов осуществляется в первой секции прибора, в отсутствие сигнальной электромагнитной волны. Взаимодействие с сигнальной волной происходит во второй секции, в области постоянной амплитуды ондуляторного-поля.

Исследована линейная теория усилительной и генераторной схем убитрона. Болучены выражения для стартовых токов в генераторе и инкрементов в усилителе. Показано, что наряду с усилением и генерацией на известном, ондуляторном синхронизме

С0 - (IV,, а й6 (0-6)

существует возможность наблюдения излучения на дополнительных синхронизмах

м - и,, - ± ях ( (о.7)

где Ь - продольное волновое число, йд. - частота осцилляций электрона около равновесной траектории. Энергообмен электронов с сигнальной волной в этом случае сопровождается раскачкой осцилляций электронов около равновесной траектории аналогично излучению пучка предварительно невозбужденных осцилляторов в условиях аномального эффекта Доплера .

Раздел 1.2. посвящен построению нелинейной теории убитронов и скаттронов с электродинамическими системами в виде волноводов круглого сечения и магнитонаправляемыми трубчатыми релятивистскими электронными пучками. Ондуляторное излучение рассматривалось как частный случай вынужденного рассеяния волн, поскольку в сопровождающей электронный пучок системе отсчета эти процессы идентичны. Предполагается, что величина фокусирующего электронный пучок магнитного поля лежит в таком диапазоне значений, в котором, не замораживая поперечных осцилляций электронов в полях волн накачки и сигнала, и даже усиливая их при приближении к циклотронному резонансу, фокусирующее поле подавляет поперечный дрейф электронов, вызванный поперечной неоднородностью полей этих волн. В то же время, в отличие от п.1.1., величина фокусирующего магнитного поля предполагается достаточно сильно отличающейся от резонансного значения:

< ~ ЧЛ - » 2 Я (0.8)

( со^ , Н 5 I -частоты и продольные волновые числа волн сигнала и накачки, Т - время взаимодействия), что позволяет

использовать метод усредненного высокочастотного потенциала при рассмотрении движения электронов. Показано, что в рамках сделанных выше предположений уравнения, описывающие взаимодействие произвольной пары мод с электронным пучком, сводятся к универсальному виду, совпадающему с видом уравнений, описывающих рассеяние плоских однородных ТЕМ-волн в безграничном электронном потоке . На основе полученных уравнений рассмотрены усилительная и генераторная схемы ЛСЭ. В коыптоновском (случай малого пространственного заряда пучка) и рамановском (случай большого пространственного заряда) режимах рассеяния найдены инкременты и стартовые токи. Исследованы механизмы ограничения роста амплитуды сигнальной волны, обусловленные смещением электронных сгустков в ускоряющую фазу комбинационной волны и истощением накачки.

В разделе 1.3, в отличие от п.п. 1.1, 1.2, исследован убитрон-генератор в режиме без преобразования частоты, т.е.работающий на квазикритической частоте. Рассмотрена модель, в которой магнитонаправляемый трубчатый релятивистский электронный пучок проходит через осесимметричный резонатор, представляющий собой отрезок гладкого круглого волновода с закритическими сужениями на концах. Такая модель достаточно близка к реализованной в эксперименте , в котором в убитроне на квазикритической частоте был достигнут КЦЦ, превышающий 10 %. В данном разделе рассматривается возможность существенного повышения КПД путем соответствующего подбора величины однородного продольного магнитного поля. Показано, что при оптимальном соотношении амплитуд ондуляторного и фокусирующего

магнитных полей КПД может достигать 80 %, что вдвое превышает КПД, рассчитанный в предположении, что фокусирующее магнитное поле отсутствует. Исследовано влияние начального энергетического разброса электронов на процесс взаимодействия.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию возможности повышения КПД и снижения чувствительности к начальному разбросу параметров электронного Пучка в мазерах на циклотронном авторезонансе.

В разделе 2.1 приведены оценки оптимальных параметров МЦАР. Показано, что существует два основных режима работы МЦАР в условиях высокого преобразования частоты: режим высокого КПД и режим высоких инкрементов (или низких стартовых токов). Исследована возможность совмещения этих режимов в МЦАР-усилителе с меняющимся вдоль продольной координаты параметром инерционной группировки электронов, величина которого в МЦАР определяется отличием .фазовой скорости волны от скорости света. Рассмотрена модель с переменным вдоль направления распространения волны показателем преломления /2 Структура поля высокочастотной волны предполагается поперечно-однородной. Величина параметра инерционной группировки выбирается относительно большой в первой секции устройства и малой в выходной секции. В результате первая секция обеспечивает усиление волны с высоким инкрементом, а вторая - эффективный отбор энергии у винтового электронного пучка в режимах, близких к авторезонансу. Уменьшение общей длины пространства взаимодействия приводит к снижению чувствительности к разбросу начальных скоростей электронного пучка в секционированных МЦАР по сравнению с однородными прототипами.

В разделе 2.2 рассмотрена теория МЦАР-генераторов с квазиоптическими резонаторами, являющимися более

предпочтительными по сравнению с закрытыми электродинамическими системами при продвижении в субмиллиметровый диапазон длин волн. Исследованы линейный и нелинейный режимы МЦАР с двух- и трехзеркальными резонаторами. Рассмотрены эффекты, обусловленные продольной неоднородностью высокочастотного поля на траектории электронов. Показано, что КПД МЦАР с двухзеркальным резонатором, где структура синхронной волны близка к гауссовой, примерно в полтора раза превышает КПД МЦАР с однородной структурой поля волны.

В третьей главе исследовано коллективное когерентное излучение (сверхизлучение) изолированных электронных сгустков с бесконечным в масштабе времени высвечивания временем жизни частиц. Такие процессы можно рассматривать как классический аналог известного в квантовой электронике эффекта сверхизлучения Дике , представляющего собой когерентное излучение коротких по сравнению с временами релаксации электромагнитных импульсов ансамблями возбужденных атомов. Характерной особенностью сверхизлучения классических осцилляторов, обусловленной бесконечным временем жизни частиц, является отсутствие порога неустойчивости. Кроме того, пространственная структура поля излучения формируется самим электронным ансамблем, вЬобще говоря, в отсутствие внешних электродинамических систем. Поскольку сверхизлучение локализованного ансамбля в общем случае является трехмерным, анализ этого процесса достаточно сложен. В связи с этим представляют интерес простые одно- или двумерные

модели, позволяющие проследить основные особенности процесса сверхизлучения.

В п.3.1 исследовано сверхизлучение слоя электронов, вращающихся в однородном магнитном поле, перпендикулярном границам слоя. Учтены как поперечная (азимутальная), так и продольная (обусловленная -эффектом отдачи) группировка электронов, последняя из которых оказывает доминирующее влияние на процесс сверхизлучения при малой ширине слоя. Рассмотрены линейная и нелинейная стадии развития сверхизлучательной неустойчивости. Показана возможность генерации ультракоротких (пикосекундных) импульсов излучения мегаваттного уровня мощности в миллиметровом диапазоне длин волн. Дальнейшее увеличение мощности излучения при одновременном сокращении длительности импульса и повышении частоты может быть достигнуто, если электронный сгусток движется с поступательной скоростью, близкой к скорости света.

Раздел 3.2 посвящен исследованию коллективного ускорения сгустка электронов в поле электромагнитной волны накачки или торможения в поле ондулятора в условиях сверхизлучательной неустойчивости. Рассмотрена двумерная модель, в которой электронный сгусток представляет собой слой, вытянутый вдоль направления распространения накачки (или в плоскости симметрии ондулятора) и бесконечно тонкий в поперечном направлении. Показано, как и в п.3.1,что процесс развития сверхизлучательной неустойчивости сопровождается излучением мощного короткого импульса. При этом в поле электромагнитной волны накачки первоначально неподвижные электроны ускоряются до релятивистских

энергий за счет импульса, передаваемого накачкой, а в поле ондулятора первоначально равномерно движущийся сгусток тормозится, отдавая энергию излучению.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации и положения, выдвигаемые на защиту:

1. Построена линейная теория убитронов с плавно включающимся полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем. Найдены стартовые токи в генераторах и инкременты в усилителях. Показано, что наряду с обычным ондуляторным излучением, возможно излучение при возбуждении малых осцилляций электронов около равновесной винтовой траектории. В последнем случае процессы энергообмена аналогичны процессам излучения в условиях аномального эффекта Доплера.

2. Метод высокочастотной пондеромоторной силы использован для построения нелинейной теории убитронов и скаттронов с волноводными электродинамическими системами и трубчатыми РЭП, фокусируемыми магнитным полем, напряженность которого далека от резонансного значения. Показано, что с точностью до коэффициентов, определяемых местом инжекции электронов, типами и поляризациями возбуждающихся волн, эта задача сводится к одномерной, что позволяет_определить инкременты, стартовые токи и КПД. Рассмотрены рамановский и комптоновский режимы взаимодействия. Исследованы механизмы насыщения, обусловленные выходом электронов из синхронизма и истощением накачки (в скаттронах).

3. Показана возможность совмещения режимов высокого КЙД и

высоких инкрементов при одновременном снижении чувствительности к начальному разбросу параметров электронного пучка в МЦАР с переменной фазовой скоростью волны.

4. Построена нелинейная теория МЦАР с квазиоптическими двух- и трехзеркальными резонаторами. Показано, что КПД МЦАР с дпухзеркальным резонатором, где структура синхронной волны близка к гауссовой, в полтора раза превышает КПД МЦАР с однородной структурой волны.

5. Показана возможность генерации ультракороткого (длительностью порядка 10"9- 10"10 с) электромагнитного импульса в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне в процессе развития циклотронного сверхизлучения сгустка электронов. При этом для короткого электронного сгустка (протяженностью порядка нескольких длин волн) доминирующее влияние оказывает обусловленная эффектом отдачи продольная группировка электронов.

6. Показано, что в результате развития сверхизлучательной неустойчивости при воздействии' на электронный сгусток поля электромагнитной волны накачки происходит коллективное ускорение электронов, обусловленное передачей частицам импульса накачки.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:-

1. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Нелинейная теория вынужденного рассеяния Е -волн на замагниченном релятивистском электронном пучке // ЖТФ. - 1983. - Т.53,

N 5. - С.824-829.

2. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Нелинейная теория

вынужденного рассеяния волноводных мод на релятивистском электронном пучке, фокусируемом продольным магнитным полем // Радиотехника и электроника. - 1984. - Т.29, N 12. -С.2419-2429.

3. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. К линейной теории ЛСЭ с адиабатически включающимся полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем // ЖТФ.- 1986.-Т.56, N 9. -С.1709-1718.

4. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. 0 дисперсионном уравнении ЛСЭ с комбинированным ондуляторным и однородным магнитным полем // Изв. вузов. Радиофизика.- 1987,- Т.30, N 11.-С.1371-1378.

5. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Песков Н.Ю. Теория ЛСЭ с адиабатически включающимся полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем // Релятивистская высокочастотная электроника.- Горький: ИПФ АН СССР, 1990. - Вып.6. - С.82-126.

6. Ginzburg N.S..Novozhilova Yu.V., Peskov N.Yu. The Theory of Free Electron Lasers with Axial Magnetic Field // Int. Journ.of High Speed Electronics and Systems. - 1993,- Vol.4, N 4, P.315-348.

7. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Повышение КПД релятивистского убитрона на квазикритической частоте с фокусирующим продольным магнитным полем // ЖТФ. - 1993. - Т. 63, N 11. -С. 110-120.

8. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Теория релятивистских мазеров на циклотронном авторезонансе с переменным параметром

инерционной группировки электронов // ЖТФ.- 1990.-Т.60, N 3.

- С. 73-80.

9. Братман B.JI., Новожилова Ю.В., Сергеев A.C. К теории мазеров на циклотронном авторезонансе с квазиоптическими резонаторами // Изв. вузов. Радиофизика. - 1987. Т.30, N 10.

- С. 1261-1270.

10. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Коллективное ускорение сгустка частиц в плоской электромагнитной волне, обусловленное эффектом сверхизлучательной неустойчивости // Письма в ЖТФ. - 1989. - Т.15, N 19. - С.60-64.

11. Гинзбург Н.С., Новожилова Ю.В. Ускорение сгустка электронов в поле волны накачки или торможение в поле ондулятора в условиях сверхизлучательной неустойчивости // ЖТФ,- 1992. -Т. 62, N 7. - С. 108-120.

12. Гинзбург- Н.С., Новожилова Ю.В., Сергеев A.C. Циклотронное сверхизлучение электронных сгустков как метод генерации ультракоротких электромагнитных импульсов /У ЖТФ. -1994. -Т. 64, N 8. - С. 83-95.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................4

ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ УБИТРОНОВ И СКАТТРОНОВ С ВОЛНОВОДНЫМИ

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМ И МАГНИТОНАПРАВЛЯЕМЫМИ

РЕЛЯТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ........18

1.1. Линейная теория убитрона с адиабатически включающимся полем ондулятора и однородным продольным магнитным полем.......................22

1.1.1. Движение электронов в секции раскачки ...... 22

1.1.2. Генератор с высокодобротным резонатором ..... 29

1.1.3. Общее дисперсионное уравнение. Усилитель .... 35

Приложение 1. Получение линейного КПД ...-.- ..... 43

1.2. Нелинейная теория убигрона и скаттрона с круглым волноводом и магнитонаправляемым трубчатым релятивистским электронным пучком ............ 45

1.2.1. Усредненные уравнения движения электронов .... 45

1.2.2. Дисперсионное уравнение. Усилитель ........ 60

1.2.3. Генератор с высокодобротным резонатором на сиг-' нальнул волну .................. 66

Приложение 2. Преобразование фактора возбуждения .... 81

1.3. Повышение КПД релятивистского убитрона на квазикритической частоте с фокусирующим продольным магнитным полем........................84

1.3.1. Усредненные уравнения движения электронов .... 85

1.3.2. Стартовый режим генерации . . .......... 93

1.3.3. Стационарный режим генерации .......... 94

Приложение 3. Влияние поперечного дрейфа ........ 100

ГЛАВА 2. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ МАЗЕРОВ НА ЦИКЛОТРОННОМ АВТОРЕЗОНАНСЕ...............102

2.1. Повышение КПД и снижение чувствительности к начальному разбросу скоростей электронов в МЦАР-усилителе с переменным параметром инерционной группировки ..... 103

2.1.1. Оценки оптимальных параметров МЦАР ....... 103

2.1.2. Основные уравнения. .'. . ............108

2.1.3. Основные результаты численного моделирования . .• .111

2.2. Теория МЦАР с квазиоптическими (двух- и трехзеркальными

резонаторами .................... 118

ГЛАВА а. ЭФФЕКТЫ СВЕРХИЗЛУЧЕНИЯ В СЛОЯХ ЭЛЕКТРОНОВ-

ОСЦИЛЛЯТОРОВ ................... 133

3.1. Циклотронное сверхизлучение электронных сгустков как метод генерации ультракоротких электромагнитных импульсов 135

3.1.1. Основные уравнения................136

3.1.2. Линейная теория ................. 140

3.1.3. Нелинейная теория ................ 146

3.2. Ускорение сгустка электронов в поле.волны накачки или торможение в лоле ондулятора в условиях сверхизлучатель-ной неустойчивости.................155

3.2.1. Основные уравнения ................ 157

3.2.2. Линейная стадия неустойчивости ......... 161

3.2.3. Нелинейная стадия взаимодействия.........165

Приложение 4. Влияние высших гармоник тока на процесс

взаимодействия.......................172

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................176

ЛИТЕРАТУРА.....................178